福州市城市化与水环境耦合模型研究

陈安丽 林涛 钟颖萍 潘辉 丁国昌

（福建农林大学艺术园林学院 福建福州 350002）

0 引言

随着城市化进程的加快，土地不断扩张，生态景观已经逐渐被建设用地所取代， 使得城市化和生态环境之间的矛盾愈加突显。 研究表明城市化和生态环境交互耦合的问题成为近10 年国内外的热点研究领域［1］。 而水作为生态系统中最活跃的生态因子，为维持生态系统平衡起着至关重要的作用，使得城市化和水环境之间的耦合关系的探究变得尤为瞩目。 从方创 琳 等［2-5］和Ruth 等［6］研 究 对 城 市 化 与 水 生 态 环 境 耦 合 关 系进行整理，得出两者的交互耦合关系：城市化不断提高水资源的需求量增大对水环境产生胁迫作用，当发展趋于平衡时，城市化促进城市居民用水技术， 节约用水的意识教育及水资源的管理水平等得到了提高。 反之，水资源作为城市化的资源能量，水环境的消耗和破坏也会约束城市化的发展。 福州作为沿海省会城市， 研究耦合关系对福州城市化与水环境的协调发展有着重要指导作用。

1 研究区域概况

作为海上丝绸之路的门户——福州，原为海湾盆地，自古有“江城福地”之称。 枕山臂江，北面三面环山，南面傍依乌龙江，闽江穿城而过，自西北向东南顺势而下，城内河网星罗棋布。 且受亚热带季风气候影响，年降雨量大，水资源丰富，福州市2017 年年降水量1 481.5 mm， 水资源总量95.15 亿m3，人均水资源量1 320 m3。 但由于水资源利用率不足［7］，工业污染排放等问题制约着福州城市化的发展，导致了水环境危机。

2 研究方法

2.1 指标体系建立

城市化的关键在于人口土地、经济发展、资源环境、人民生活的城市化，张荣天等［8］将城镇化系统分为人口、空间、经济、社会4 个方面。 基于城市化内涵与本文研究目的，运用频度分析法识别出人口城市化、经济城市化、空间城市化、社会城市化4 个主控要素，15 个二级指标，构建城市化系统评价指标体系。 其次，在城市过度开发的过程中，原始的水文条件发生改变，良性的水文循环系统遭到破坏。 水环境的质量状态、社会经济发展、 人类活动影响等多方面因素都影响着城市水环境系统。 依据PSER 模型，从水环境压力、水环境状态、水环境响应3 个方面［9］选取了13 个二级指标，建立水环境系统评价指标体系［10］。

2.2 数据来源

研究数据主要来源于福州市2006 年至2017 年 《福州统计年鉴》《福州国民经济和社会发展统计公报》《中国城市统计年鉴》《中国城市建设统计年鉴》《福州市水资源公报》《中国环境年鉴》《福建企业年鉴》。 为保障统计数据的完整性和准确性，只选取2006 年至2017 年。

2.3 标准化处理

基于科学性、 有效性的原则， 为消除原始数据间量级差异，将采用极差标准法对数据进行无量纲处理，正向型指标表示指标越大越有利于城市化与水环境的耦合， 逆向型指标表示指标越大越不利于城市化与水环境的耦合，即

正向指标“+”：

负向指标“-”：

式中：xij为标准化的值（i = 1，2，…，m；j=1，2，…，n；m 是年数、n是指标个数）；xij为初始值；xjmax为所有样本历年中j 指标的最大值；xjmin为j 指标的最小值。

福州市城市化与水环境耦合关系评价指标体系见表1。

2.4 指标权重的设定

为了消除各评价指标测量尺度与量纲不同的影响， 采用变异系数法来确定各指标的权重［11］。 变异系数是原始数据标准差与平均值之比，如公式（3）：

表1 福州市城市化与水环境耦合关系评价指标体系

式中：为变异系数；为标准差；为平均值。 其中

再通过归一化处理，即可获得各项指标的权重wj，见表1。

2.5 综合评价指数的计算

将式（6）处理后求得的各指标权重与标准化后的数值运用加权求和平均值法进行计算， 得出城市化综合评价指数F（x）和水环境综合评价指数G（y）。

城市综合评价指数：

水环境综合评价指数：

式中：wi和wj为各项指标的权重；xi和yj分别城市化和水环境的单项指标。

2.6 耦合协调度模型

城镇化与水环境耦合系统是一个具有交错性、 多维性和协同性的城市复合系统， 采用城市化与水环境耦合协调度模型能有效定量评价其耦合协调度。

城市化与水环境耦合度C：

式中：C 越大表示城市化与水环境之间处于良好状态， 耦合度越高；反之越小。

城市化与水环境综合协调和指数T：

式中：T 反映城市化与水环境整体协同效应，α 与β 是待定系数，将α=β=0.5。

城市化与水环境协调度D：

式中：D∈（0，1），D 越大表示城市化与水环境之间处于良好状态，协调度越高；反之越小。

2.7 耦合协调度等级判定

当耦合度C=0 时， 城市化与水环境之间关系微乎其微可视为不相关，系统将向无序发展；当耦合度0＜C≤0.3 时，处于低水平耦合阶段， 城市化对水环境破坏程度不大； 当耦合度0.3＜C≤0.5 时，处于颉颃阶段，城市化不断提高水资源的需求量增大对水环境产生胁迫作用， 水环境承载力不能满足城市化发展；当耦合度0.5＜C≤0.8 时，处于磨合阶段，城市化发展的同时开始注重对水环境的修复， 使得城市化与水资源环境建设相辅相成，共同发展，环境进入良性耦合；当耦合度0.8＜C＜1 时，处于高水平耦合阶段，城市化与水资源环境建设相辅相成共同发展城市化；当耦合度C=1 时，城市化与水环境形成良性共振耦合阶段，城市化和水环境的高度和谐统一，系统将趋于新的有序结构。

当协调度0＜D≤0.4 时， 处于极度失调发展； 当协调度0.4＜D≤0.5 时，处于中度失调发展；当协调度0.5＜D≤0.6 时，处于勉强协调发展；当协调度0.6＜D≤0.8 时，处于中级协调发展； 当协调度0.8＜D≤0.9 时， 处于良好协调发展； 当协调度0.9＜D≤1 时，处于优质协调发展。

3 结果分析

3.1 福州市城市化水平时序特征

通过采用变异系数法确定城市化系统中一级指标层的权重，所占比重分别为人口城市化0.128 5、经济城市化0.340 7、空间城市0.344 8、社会城市化0.186 0（见表1），其中空间城市化权重比例最大，波动趋势与城市化综合指数相似，上升趋势最为显著，是影响福州市城市化综合水平发展最主要因子（见图1）。 福州市2006 年至2017 年城市化综合水平由0.05 上升至0.95，整体呈高涨趋势（见图2）。进一步分析，可将福州市城市化综合水平分为三个阶段。

图1 福州市城市化四项指标变化

第一阶段：低速起步发展阶段，2006—2007 年。 介于该阶段，城市化指数偏低，总体上升趋势偏慢，除空间城市化呈减少趋势外，经济城市化、人口城市化和社会城市化均呈增长趋势。

第二阶段：高速波动发展阶段，2008—2012 年。 介于该阶段，由于2008 年由中国承办奥运会，很大程度上加快了中国城市化发展的进程，城市化的发展指数在2008 年产生了巨大的提升。 此后城市化指数在总体仍呈上升趋势下映现明显的波动，其中，经济城市化波动较小保持增长趋势，空间城市化与社会城市化期间有出现负增长的波动， 人口城市化负增长的波动严重，2010 至2012 年第三产业就业人口比重大幅度的下降是其负增长的重要因素。

第三阶段：稳健高质发展阶段，2013—2017 年。 介于该阶段，城市化增长幅度较小，但处在高指数水平并持续增长。 其中，社会城市化和人口城市化处于平缓发展状态，空间城市化和经济城市化高速发展， 由此看出城市空间在一定程度上满足人口增长，有利于经济高速的发展，城市化处于稳健高质量水平，但社会城市化仍有很大提升空间。

3.2 福州市水环境水平时序特征

通过采用变异系数法确定水环境系统中一级指标层的权重，所占比重分别为水环境压力0.361 6、水环境状态0.366 7、水环境响应0.271 6（见表1），其中水环境状态权重比例最大，波动趋势与水环境综合指数相似（见图3），是造成福州市水环境综合水平波动影响主要因素。 纵观水环境综合指数的变化趋势，2007 年后总体呈水平波动趋于良好状态，对照城市化综合指数来看指数上升相对缓慢，波动更大（见图2）。 由水环境压力、水环境状态、水环境响应3 项指标变化趋势共同决定的水环境综合水平可以划分成3 个阶段。

图3 福州市水环境三项指标变化

第一阶段：短暂衰退发展阶段，2006—2007 年。 介于该阶段，三项指标均为下降状态。 其中，水环境状态中指标均明显下降， 水环境响应中建成区排水管密度由8.18 km2大幅度下降至5.90 km2。 此阶段水环境压力虽然有所降低，但水环境状态不理想且水环境的保护存在不全面不充分， 对市政排水系统的构建还未得到重视。

第二阶段：波动回升发展阶段，2008—2012 年。 介于该阶段，水资源综合指数显露巨大的波动。 其中，水环境压力指数逐步递增在2012 年指数飞跃至0.319 3，水环境响应指数呈曲线回升，水环境状态指数呈折线波动。水环境综合水平在2011年显露下降趋势，状态指数和响应指数都出现最低值。 受年降雨量、 人均水资源大幅度下降状态指数从0.218 8 下降至0.0501，对环境综合水平影响最为强烈。 此阶段水环境综合水平不太理想，但可以看出在后期保护措施的不断加强下，水环境综合水平回归良好趋势。

第三阶段：缓慢递增发展阶段，2013—2017 年。 介于该阶段，除2016 年水环境综合指数剧烈波动达到最高值，整体呈缓慢稳定递增状态。 其中，水环境压力在逐步递减，水环境响应逐步递增，水环境状态逐步递增的过程中在2016 年产生大幅度提升，2012 年4 月“海绵城市”的概念首次提出，开始其探索和实践。2016 年福州市成功入选第二批海绵城市试点城市，推动了福州市对水环境的优化能力， 促使水环境质量得到有效改善，并使水环境综合水平处于良好阶段，往可持续、友好型环境发展。

3.3 福州市城市化与水环境耦合协调度时序特征

从耦合协调度模型得出福州市城市化与水环境的耦合度和协调度发展趋势（见图4），耦合协调度在2008 年出现最大幅度提升且在2011 年出现最大幅度降低。 经等级评定耦合关系由整体上低耦合失调状态趋于高耦合良好状态（见表2）。结合福州城市化和水环境综合指数对比（见图1），将耦合关系进行时序分析。

图4 2006—2017 年福州市城市化与水环境耦合关系

第一阶段：2006—2007 年处于低水平与颉颃耦合阶段。城市化滞后于水环境， 城市化初步加快增长并对水资源的需求量增大。 城市化对水环境产生胁迫作用，耦合初期出现极度失调现象。

表2 2006—2017 年福州市城市化与水环境耦合关系

第二阶段：2008—2012 年处于城市化与水环境交叉共振耦合阶段。 当城市化开始重视城市居民的用水技术、节约用水的教育及水资源的管理水平时，水环境得到初步提升。 反之，水环境的长期消耗和破坏仍约束城市化的发展。 在两者交互高水平耦合过程中，2010 年达到良性共振， 但2011 年耦合协调度大幅度下降，耦合中期仍处于不稳定状态，整个阶段呈现勉强中度协调。

第三阶段：2013—2017 年处于高水平耦合阶段。水环境滞后于城市化，两者指数都处于较高位置稳定发展。 水环境得到一定程度的有效地开发和利用， 促使城市化达到稳健高质量的发展。 同时，水环境质量也在城市化的积极措施作用下迈入可持续友好型环境。 耦合后期两者相辅相成、相得益彰起到良好协调的作用。 另外，水环境在2016 年达到最大值时，城市化与水环境耦合度处于优质协调的高水平耦合状态。 故纵观福州市城市化和水环境耦合协调度的发展趋势， 现阶段水环境综合水平还有待提升，需紧跟城市化发展的脚步。

4 结语

对福州市2006—2017 年的耦合协调度模型研究表明：整体上城市化紧跟时代脚步，朝着上升趋势不断发展，空间城市化对福州市城市化综合水平作用最大。 人均GDP、人均社会消费品零售总额、城市人口密度、城镇人口均居住面积、人均拥有道路面积、 万人拥有医生6 个因子为影响城市化综合水平中主要因素。 优化转型产业结构，提高土地集约利用，建设绿色基础设施，完善现代化城市功能。 水环境波动大发展缓慢，落后于城市化发展， 水环境状态对福州市水环境综合水平作用最大。 城镇人均日生活用水量、万元GDP 用水量、万元工业增加值用水量、人均水资源量、年降雨量、城市人均公共绿地面积、 排水管网密度7 个因子为影响水环境综合水平中主要因素。 优化调整资源需求，有效开发利用资源，注重水环境安全隐患，解决洪涝灾害问题。

福州城市化与水环境耦合关系整体上呈现波动上升趋势，后期增长缓慢，耦合过程体现了城市化与水环境内部间相互制衡、相互促进。 以资源节约型和环境友好型作为城市化建设的导向，推动高新技术的革新，使创新驱动城市化和生态环境耦合关系的提升。