长沙城市化与水资源环境交互耦合关系与时序变化研究

郑楚菁+蒋智美+罗幸乐+李景保

摘要：通过建立耦合协调度模型和灰色关联度模型，探索了长沙城市化水平与水资源环境的耦合关系。通过创建城市化系统和水资源环境系统的综合指标体系，对长沙市2000～2014年间的城市化与水资源环境水平进行了量化评估，探究了其时序变化规律和主要影响因素。结果表明：2000～2014年长沙市水资源环境和城市化综合水平均呈增长趋势，长沙城市化和水资源环境的耦合协调度在0.70757～0.949998之间，达到优质协调发展水平。

關键词：城市化；水资源环境；交互耦合；时序变化；长沙市

中图分类号：TU-856

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2016）22-0109-06

1引言

改革开放以来，长沙市社会经济飞速发展，截至2014年底长沙城市化已达72.34%；与此同时，城市化的快速进程也对水资源产生了极大的需求。就水质而言，在2002、2003、2012、2013、2014年，湘江长沙段各监测断面水环境中污染年均值都呈现不同程度的超标状态，不同年份不同断面的超标污染物也各有不同[1]。另外，长沙水资源量与城市化进程间的耦合协调也存在一定问题：长沙地处长江以南洞庭湖流域，多年平均降水量在1507.2mm，理论上属于丰水城市；但由于降水季节性分配不均，年内降水主要集中在汛期4～9月（湖南省汛期降水量占年降水量的67.1%左右），很容易造成季节性缺水。综上所述，长沙城市化发展与水环境保护的矛盾仍然突出。鉴于此，通过对长沙城市化与水资源环境交互耦合作用关系的研究，阐明长沙城市化与水资源环境耦合度的时序变化规律及互动耦合协调机制，为长沙在城市化发展过程中调整城市功能、合理配置水资源、保护水环境等方面提供理论依据。

2研究区概况及数据来源

长沙位于湖南省东部偏北，湘江下游和长浏盆地西缘。地域范围为东经111°53′～114°15′，北纬27°51′～28°41′，属亚热带季风性湿润气候，气候温和、降水充沛、雨热同期。该市多年平均气温17.2℃，多年平均降水量1507.2mm。该市河网密布，多年平均水资源量96.19亿m3，平均地表径流量82.65亿m3，径流深550～850mm。湘江流经长沙市的常年径流量年均692.50亿m3，地下水总储量9.35亿m3/a。

数据主要来源于2000～2015年《湖南统计年鉴》、《湖南省水资源公报》、《长沙市统计年鉴》和《长沙市国民经济和社会发展统计公报》，个别年份有数据缺失，取相邻年份的数值以插值法补齐获得。

3研究方法

3.1指标体系的建立及权重计算

根据已有文献的研究成果[2～5]，通过频度统计法对近年来评价城市化和水资源环境的相关研究文献进行指标使用频度统计[6]，确定从人口城市化、经济城市化、社会城市化、空间城市化这4个方面选取15个指标，以全面的角度反映城市化水平。城市水资源环境水平的衡量从社会评价、经济评价和环境评价3个方面选取12项指标，来综合反映城市水资源环境的发展水平及变化趋势。

由于原始数据量纲不同，无法直接进行比较，故采用变异系数法[7]，对长沙市2000～2014年的15项城市化水平指标和12项水资源环境水平指标进行标准化处理，计算出对应的指标权重（表1）。

3.2灰色关联评价分析

通过灰色关联度模型[8]，对长沙市城市化水平与水资源环境之间的关系进行定量评价。因为原始指标量纲不同，所以需要进行无量纲化处理，计算方法采用公式（1）与（2），其关联系数的计算公式为：

研究只涉及城市化和水资源两个子系统，因此n=2。显然，耦合度值C∈[0，1]。

T为城市化水平与水资源环境之间的综合协调指数，在实际中，最好使T∈（0，1）。U1、U2为别为城市化水平和城市水资源环境的综合评价得分，α、β为待定系数。由于城市化水平和城市水资源质量同等重要，所以α、β都取0.50，得出耦合协调度值D。根据D值大小，把城市化水平和水资源环境之间的耦合协调度类型分为3个大类和30个基本类型[9]（表2）。

4评价结果分析

4.1长沙城市化和水资源环境综合水平测评结果

通过公式（5）和（6）计算出长沙城市化与水资源环境综合水平得分，结果如图1、图2所示。

从图1中可以看出，从2000～2014年，长沙市城市化综合水平除2008年有小幅回落外，其他年份均呈现出较快的增长，至2014年城市化率超过70%。其中城镇登记失业率、万元GDP用水量等指标一直呈稳定下降趋势，非农业人口数、人均公园绿地面积、人均工业总产值等指标基本呈较快增长。2008年的小幅回落可能与2008年南方冰灾和全球经融危机有关。从图2中可以看出，2000年以来，长沙市水资源环境综合水平数值总体呈现出波动上升的趋势。说明长沙市城市化与水资源环境相互促进，水资源环境正在向积极的方向发展。这与万元GDP用水量等指标的持续下降趋势相吻合。但在2008年，水资源环境综合水平出现较明显的回落，原因主要在于2008年长沙工业发展速度的加快。据政府报告，长沙市2008年前3个季度增加工业投资323亿元，开工建设1110个工业项目，与去年同期相比增长42%。从图3中可以看出，2008年规模以上工业企业取水总量同比增长25.04%，污水处理厂处理能力同比下降33.3%，人均用水量上升7.65%，水资源环境综合水平迅速下滑。随着工业建设的结束，2008年后的历年水资源环境综合水平再度呈现出稳定上升的趋势。

4.2长沙城市化和水资源环境的耦合协调度的时序变化分析

根据廖重斌环境与经济协调发展的分类体系及判别标准[9]，得出长沙市城市化与水资源环境耦合协调度发展类型，并据此划分为以下3个阶段。

4.2.1水资源环境滞后于城市化发展第一阶段

该阶段处于2000～2005年间，属于中级协调发展类到良好协调发展类，其耦合协调度如表3所示。这一阶段水资源环境相对于城市化发展的滞后特性，是导致城市化与水资源环境耦合协调度处于中度协调发展的主要原因。其中，城市化综合水平与水资源环境综合得分都处于较低水平：城市科技水平较低，导致工业耗水量较大，工业废水排放达标量较低（2000～2005年分别为76.14%、79.26%、82.51%、87.60%、87.77%、87.63%）；城市经济不够发达，也使得政府对于水资源环境的治理投资有限，城市污水综合处理率长期处于50%以下；再加上人们的环保意识较差，使得水资源环境综合水平落后于城市化综合水平。

4.2.2城市化发展滞后于水资源环境发展阶段

该阶段从2006～2009年，处于良好协调发展类。其变化的主要原因在于，数年来随着长沙市城市规模的不断扩大，产业与人口集聚作用增强，城市生活用水量、污水量也不断增加，制约了长沙的可持续发展。对此，长沙市制定“蓝天碧水”工程项目，要求2010年废水治理率达70%，处理合格率85%以上，污染物去除率60%以上。2006年，长沙市出台一系列污水处理厂改造方案，对一大批老旧处理厂进行扩大和改造，大大提高了污水处理能力。2007年，长沙市对污水处理费、自来水价格进行上调，同时配合一定的环保节水宣传，使得长沙市污水处理率在2009年达到79.43%，工业废水排放达标率达到90.02%，万元GDP用水量由2001年的462m3下降到101m3。水资源综合水平得到较大提高，领先于城市化水平。

4.2.3水资源环境滞后于城市化发展第二阶段

该阶段从2010～2014年，由良好协调发展类经济滞后型向优质协调发展类环境滞后型发展。其主要原因在于该阶段长沙市城市化水平的不断提高。就人口结构而言，至2014年年底，长沙城市化率达到70%以上，常住人口達到731.15万人，城市生活用水排放量快速增加，达到33880万m3/a，同比增长8.37%。就经济结构而言，第二产业比重居高不下（超过60%），其中又以重型机械、汽车制造等重工业为主，导致了工业需水量、污水排放量的增加。城市污水排放总量5年间增幅分别为15.46%、10.41%、1.79%、4.44%、8.60%，至2014年达到45796万m3，超出长沙市污水处理厂的处理能力。再加上湘江河段多年来的重金属污染问题，使得此阶段长沙市水资源环境综合水平相对落后于城市化综合水平，但二者总体仍处于优秀协调发展阶段（表3）。

4.3长沙城市化与水资源环境的交互耦合影响因素

利用灰色系统理论对长沙城市化与水资源环境系统交互耦合影响因素进行量化分析。

通过公式（7）和（8）计算出长沙城市化与水资源环境系统间灰色关联度。结果显示：其灰色关联度都大于0.5，属于较强相关。这说明长沙城市化系统与水资源环境系统之间联系紧密。为进一步揭示二者耦合交互关系，对所得灰色关联度进行降序排列，得出水资源环境约束城市化发展的主要因素、城市化系统胁迫水资源环境的主要因素。

水资源环境系统的12项指标，按照与城市化系统关联度降序排列依次为：污水处理厂处理能力（0.721964854）、污水处理率（0.719187407）、城市供水综合生产能力（0.718304991）、工业废水排放达标率（0.65728471）、工业废水排放总量（0.63924968）、排水管道密度（0.624246896）、单位工业产值工业废污水排放量（0.616415725）、地下水资源量（0.608407862）、地表水资源量（0.607452887）、年降水量（0.606347864）、人均日生活用水量（0.594043185）、用水普及率（0.56390841）。可以看出，水资源环境对城市化体系的约束作用主要体现在水污染治理、供水设施及供水能力等方面，其中污水处理是最主要的因素。

城市化系统的15项指标，按照与水资源环境系统关联度降序排列依次为：第三产业人口所占比重（0.690575876）、非农业人口数（0.675140837）、建成区总面积（0.670421596）、全市年末常住总人口（0.670353584）、城镇登记失业率（0.669039307）、人均GDP（0.654823866）、人均公园绿地面积（0.653112309）、人均可支配收入（0.650306926）、人均工业总产值（0.646411691）、人均拥有道路面积（0.642672106）、每万人拥有公共交通车辆（0.639088796）、城镇人均居住面积（0.630603081）、城市人口密度（0.551830602）、第二三产业的产值比（0.543545358）、第三产业在GDP中的比重（0.542457374）。可以看出，城市化进程对水资源环境的胁迫作用主要体现在人口增长及分布、城市空间面积、经济状况等方面，其中经济结构和空间面积是主要原因。

5结语

（1）长沙城市化综合水平整体呈较明显的增长趋势，其中2008年有较小幅度的回落，但之后很快稳步上升；说明长沙自2000年起15年来的社会经济发展一直保持着良好的势头。而水资源环境综合水平波动较大，说明水资源环境的发展情况仍不稳定，需要长期政策的维持。

（2）长沙城市化与水资源环境交互耦合关系在时序变化上体现出曲折上升的过程。长沙分别于2000～2005年、2006～2009年、2010～2014年经历了水资源环境滞后于城市化发展第一阶段、城市化发展滞后于水资源环境发展阶段、水资源环境滞后于城市化发展第二阶段，正从中级协调发展向优质协调发展转变。自2012年始，长沙已进入优质协调发展阶段，但环境滞后这一特点仍然存在。说明长沙的水资源环境并不容乐观，水资源环境的治理和防护仍将在很长一段时间内占据政府工作的重要地位。

（3）长沙城市化与水资源环境联系紧密，系统间灰色关联度都大于0.5，属于较强相关。其中水资源环境对城市化体系的约束作用主要体现在水污染治理、供水设施及供水能力等方面，污水处理是最主要的因素；城市化进程对水资源环境的胁迫作用主要体现在人口增长及分布、城市空间面积、经济状况等方面，经济结构和空间面积是主要原因。因此，政府应加大对污水排放的管理力度，做好城市经济和空间规划，以谋求城市与水资源环境的良性协同发展。

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