天山北坡城市群水资源对城镇化的胁迫作用分析

聂春霞，田加源

(新疆发展与改革委员会经济研究院，新疆 乌鲁木齐 830002)

天山北坡城市群是国家培育的西部地区城市群之一，其处于典型的干旱区绿洲、荒漠生态环境交错带，面临着水资源约束的瓶颈，艾比湖、玛纳斯河流域等已无水资源开采潜力，乌鲁木齐市的重要水源一号冰川也在加速萎缩，乌鲁木齐河来水量日渐减少、水资源已经严重超载；石河子市、克拉玛依市、吐鲁番市等区域地下水开发利用率均超过100%，引发了地下水位持续下降、土地沙化、荒漠化加剧、草原品质下降等生态问题，同时，由于煤电煤化工等重工业的发展，造成了乌鲁木齐、阜康和奎屯空气污染严重。研究水资源对天山北坡城市群城镇化的胁迫作用，通过采取有效措施，合理调控水资源胁迫强度，尽可能使水资源胁迫作用处于正常状态下胁迫类型，从而保障天山北坡城市群可持续发展。

1 水资源对城镇化胁迫研究的进展评述

“胁迫”一词起源于生理学，指不利于生物生长的一切生态环境的总称。之后，“胁迫”被广泛用于其他学科领域。水资源胁迫指在某一特定时间或空间范围内，由于水资源缺乏而阻碍了城镇化进程，水资源对城镇化的这种约束作用被称为水资源胁迫。目前水资源对城镇化胁迫的研究主要集中于水资源对城镇化约束力的内涵、水资源对城镇化约束力计算方法、水资源变化对城镇化的胁迫规律、水资源约束下的城镇化阀值计算4个方面。鲍超等[1](2006)提出了水资源约束力的内涵、研究意义及战略框架。鲍超等[2](2007)通过西北干旱区典型绿洲城市武威和张掖的城市化水平、用水总量等变化过程的定量分析和比较，发现城市化水平与用水总量之间拟合方程的相关系数，可作为定量识别西北干旱区水资源约束城镇化进程的重要指标；高翔等[3](2010)、鲍超等[4](2007)、陈彤等[5](2013)通过建立指标体系，先后采用了层次分析法、熵值法、灰色关联度法计算了我国西北干旱地区水资源约束力以及城市化与水资源的耦合度。方创琳等[6](2004)把水资源作为西北干旱区先决约束条件，提出了水资源约束下西北干旱区水资源变化对城镇化过程的胁迫机制与规律。方创琳等[7](2005)计算分析了水资源约束下西北干旱区城市经济发展与城镇化阀值。鲍超等[8](2010)探讨了城镇化进程与水资源开发利用之间响应与反馈机理，并提出了相关的调控模式与建议。

关于城市群水资源与城镇化的相关研究主要集中在城市群水资源承载力、水资源优化配置、水环境效应、水资源脆弱性评价等方面，还未见水资源对城市群城镇化胁迫作用的成果。张小梅[9](2014)分别评价了辽中南城市群、环渤海西岸城市群、半岛城市群等6座城市群的水资源承载力。张瑞[10](2010)分析了湘江干流长株潭城市群水资源现状，构建了湘江干流长株潭城市群水资源安全配置优化模型；谭乐彦等[11](2014)对济宁都市区城市群进行复杂水源系统下的多目标供水进行了分析，提出了水资源配置方案。匡文慧等[12](2011)分析了京津唐城市群不透水地表对海河流域地表水环境的影响。周念清等[13](2014)通过构建压力驱动DPSIR(驱动力—压力—状态—影响—反应)模型，采用层次分析法和熵权法，评价了长株潭城市群水资源系统的脆弱性。

天山北坡城市群水资源与城镇化的相关研究主要集中于水文效应、水资源供需情况、地下水可开采量3个方面。杨瑾等[14](2005)对天山北坡地下水开发利用中存在的问题进行了分析。穆艾塔尔·赛地等[15](2013)利用多种水文统计模型，分析了天山北坡的乌鲁木齐河、玛纳斯河和奎屯河流域近50年的流域水文综合特征，判断径流年内/年际变化特征及变化趋势。邓铭江等[16](2010)通过分析预测天山北麓水资源供需发展趋势，结合外流域可调入的水量和社会经济发展布局，提出了区域水资源合理配置及重点工程规划思路。吴红燕[17](2013)利用典型流域开采模型、可开采系数计算了天山北坡昌吉市和阜康市地下水可开采量。

基于上述文献，关于水资源对城市群城镇化胁迫的研究起步较晚，多数文献针对西北干旱区城镇层面的数据，分析了水资源对城镇化的约束或胁迫作用，而城市群城镇化进程中的水资源短缺问题突出，特别是天山北坡城市群城镇化进程中面临的水资源压力更加突出，现有的研究中鲜有系统地研究城市群水资源对城镇化胁迫作用的成果，更缺少系统地研究天山北坡城市群水资源对城镇化胁迫作用的成果。本文以天山北坡城市群为研究对象，以水资源作为先决约束条件，选择水资源变化过程与城镇化过程之间相互胁迫的驱动因子，运用天山北坡城市群2004～2016年面板数据，估算了水资源对天山北坡城市群城镇化的胁迫强度。

2 研究区域选择

天山北坡城市群地处欧亚腹地，东起吐鲁番，西至克拉玛依，天山北坡城市群规划(2016～2020)范围包括：乌鲁木齐、克拉玛依、昌吉、吐鲁番、阜康、石河子、五家渠、奎屯、乌苏9座城市。其中，五家渠市的城镇化和水资源的相关数据缺失，难以获取。基于此，本文以乌鲁木齐、克拉玛依、昌吉、吐鲁番、阜康、石河子、奎屯、乌苏8座城市为研究对象，利用2004～2016年《新疆水资源公报》及各地州(市)水资源公报、《新疆统计年鉴》中的相关数据，计算和分析天山北坡城市群水资源对城镇化的胁迫作用。

3 城镇化水平与用水量变化分析

近年来，天山北坡城市群的人口不断增加，城镇化水平不断提高。2016年，天山北坡城市群的总人口524.46万人，比2005年增加了74.88万人；城镇化率(城镇人口占总人口的比重)分别为83.66%，比2005年上升了13.77个百分点。其中，乌鲁木齐作为首府城市，总人口最多，2016年其人口数达267.87万人，比其他7座城市的总人口还多11.28万人，阜康市人口最少，仅为16.71万人；城镇化水平差别较大，克拉玛依市城镇化率最高，吐鲁番市和乌苏市城镇化率最低,分别为36.9%和36.6%。伴随着人口的增加，天山北坡城市群用水量呈不断增加的趋势。2016年，天山北坡城市群用水总量达到53.59亿m3，较2005年增加了2.38亿m3，在8座城市中，除石河子市大力推广农业高效节水措施，用水总量不断减少外，其余7座城市都呈增加态势。

从用水量在产业间的分布看，由于天山北坡城市群用水结构以效益较低的第一产业为主，其次是近年来工业的快速发展，使得第二产业用水量较大，第三产业用水量较少。2016年，第一产业用水量达到44.71亿m3，比2005年增加了2.2亿m3，第一产业用水量占用水总量的83.43%，比2005年增加了0.43个百分点，尤其是乌苏、克拉玛依、阜康、昌吉、吐鲁番第一产业用水量比2005年增加了4.80亿m3、2.38亿m3、1.52亿m3、1.46亿m3、1.08亿m3。第二产业用水量2.53亿m3，占用水总量的比重为5.0%，比2005年下降了3个百分点，除乌鲁木齐、奎屯第二产业用水量增加了0.15亿m3和0.06亿m3外，其余6座城市都呈减少态势。第三产业用水量较少，为0.53亿m3，比2005年减少了0.04亿m3。

4 水资源对城镇化的胁迫模型及分析

4.1 水资源与城镇化间关系的推导

周一星[19]对157个国家和地区1977年的数据进行分析后，得出城镇化与经济增长之间呈对数曲线关系，表示为：

Y=c+dln(Z)

(1)

其中，Y为城镇化水平，Z为人均GDP，c、d为拟合参数。

宋建军等[20]利用50年间全国GDP指数与全国年用水量数据，分析得出用水量与经济发展水平间呈幂函数关系，表示为：

X=gZf

(2)

其中，X为用水量，Z为人均GDP，g、f为拟合参数。

将(2)式两边取对数后变为：

ln(X)=lng+fln(Z)

(3)

将(1)式和(3)式消去中间变量ln(Z)，得到城镇化水平与用水量的对数关系：

Y=a+bln(X)

(4)

其中,a、b为拟合参数，b>0，即城镇化水平与用水量之间呈正相关关系。

在此，将城镇化水平扩展到环境城镇化、经济城镇化、人口城镇化3个方面，环境城镇化水平(Y1)用城市空气质量达到二级及以上天数占全年比重来衡量，经济城镇化水平(Y2)用第三产业增加值占GDP的比重衡量，人口城镇化水平(Y3)用城镇化率衡量。同时，将用水量细化为第一产业用水量(X1)、第二产业用水量(X2)、第三产业用水量(X3)。

4.2 水资源对城镇化胁迫关系的分析

通过城镇化与水资源利用关系式(4)可以计算一定城镇化水平下的用水量，也可以计算城镇化水平每增加1个百分点，所需增加的用水量。但是，由于区域水资源的有限性，用水总量的增加也是有限的，当用水量达到或超过水资源利用极限时，则城镇化进程受到限制。在这种情况下，如果要推进城镇化进程，必须要转变水资源利用方式和城镇化发展方式，使用水量呈零增长或负增长，而一旦出现零增长或负增长，城镇化水平与用水量间的对数关系逐渐削弱，相关系数R2就会逐渐减小。当需水量出现零增长或负增长时，城镇化水平与用水量间的对数模型就不能通过显著性检验，即城镇化水平与用水量就不能满足上述模型。因此，可利用(4)式中的相关系数R2来测度水资源对城镇化的强度，相关系数越小，表明水资源胁迫强度越大，相关系数R2越大，城镇化水平与用水量之间符合上述对数函数关系。

相关系数R2表示城镇化水平Yi和用水量Xi间的相关程度，一般情况下，当0≤R2≤0.4时，属弱相关；当0.4≤R2≤0.6时，属较强相关；当0.6≤R2≤0.8时，属强相关；当0.8≤R2≤1时，属极强相关。R2表示回归方程的拟合系数，1-R2表示实际值与拟合值间的偏离程度，当水资源胁迫强度为零时，城镇化水平与用水量符合对数函数关系，当水资源胁迫强度增大时，城镇化水平随用水量的变化将逐渐偏离理想状态下的对数函数关系。因此，可以用偏离程度1-R2测量水资源对城镇化的胁迫强度。

P=1-R2

P表示水资源对城镇化的胁迫强度，R2表示城镇化水平与用水量间的相关系数，0≤P≤1，P越接近1，表明水资源胁迫强度越大。

根据方创琳等的相关研究，按照以下标准确定胁迫强度：当0≤P<0.4水资源胁迫强度为弱胁迫；当0.4≤P<0.6水资源胁迫强度为较强胁迫；当0.6≤P<0.8水资源胁迫强度为强胁迫；当0.8≤P≤1水资源胁迫强度为极强胁迫。

为具体分析天山北坡城市群水资源对城镇化的胁迫作用，首先，对2004～2016年天山北坡城市群8座城市的第一产业用水量(百万m3)、第二产业用水量(百万m3)、第三产业用水量(百万m3)3组序列取对数。接着，利用Eviews 6.0软件，采用ADF- Fisher测试方法，分别对该3组序列及空气质量达到及好于二级天数占全年比重、第三产业增加值占GDP的比重、城镇化率的一阶差分数列进行单位根检验，得出所有数列均通过了平稳性检验(表1)。第三，通过对城镇化水平与用水量各指标间的协整关系进行检验(表2)，得出空气质量达到及好于二级天数占全年比重与第一产业用水量间存在长期稳定的关系，与第二产业用水量和第三产业用水量间不存在长期稳定的关系；第三产业增加值占GDP的比重与第一产业用水量、第二产业用水量和第三产业用水量间存在长期稳定的关系；城镇化率与第一产业用水量间存在长期稳定的关系，城镇化率与第二产业用水量、第三产业用水量间不存在长期稳定的关系。最后，对于具有长期稳定关系的2个变量进行回归分析，并给出回归关系式、回归方程的拟合系数R2，F检验的概率度p和胁迫强度P；对于不具有长期稳定关系的2个变量计算其拟合系数R2及胁迫强度P，分析结果见表3。

表1 城镇化水平与用水量指标序列一阶差分的ADF单位根检验结果

注：*表示通过了10%的概率度检验，**表示通过了5%的概率度检验，***表示通过了1%的概率度检验。下同。

表2 城镇化水平与用水量指标间的协整检验结果

注：表中斜体字表示2个变量间没有通过协整关系的检验，其余表示2个变量间通过了协整关系的检验。

表3 水资源与城镇化的回归分析

从表3回归方程来看，空气质量达到及好于二级天数占全年比重与第一产业用水量间存在较强的对数函数关系，其拟合系数为0.89，通过了概率度为1%的检验，第一产业用水量每增加1个百分点，空气质量达到及好于二级天数占全年比重就提高0.08个百分点；第三产业增加值比重与第一产业用水量、第二产业用水量、第三产业用水量之间存在对数函数关系，其拟合系数较小，分别为0.50、0.64、0.65，虽然都通过了概率度为1%的检验，但对数函数关系较弱，第一产业用水量、第二产业用水量每增加1个百分点，第三产业增加值比重就分别下降0.03、0.01个百分点；第三产业用水量每增加1个百分点，第三产业增加值比重就增加0.02个百分点。城镇化率与第一产业用水量间存在对数函数关系，其拟合系数较低，为0.55，对数函数关系较弱，第一产业用水量每增加1个百分点，城镇化率就降低0.03个百分点。因此，天山北坡城市群第一产业用水量的增加有利于改善空气质量，但却限制了第三产业的发展和城镇化率的提高；第二产业用水量的增加限制了第三产业的发展；第三产业用水量的增加促进了第三产业的发展。

从胁迫强度看，第二产业用水量对城市群空气质量的胁迫强度均为0.41，属较强胁迫类型，第一产业用水量、第三产业用水量对城市群空气质量的胁迫强度分别为0.11和0.36，属较弱胁迫；第二产业用水量的增加致使空气质量下降，说明加快发展第二产业使得空气质量下降；而第一产业用水量和第三产业用水量的增加对空气质量的影响较小。第一产业用水量对第三产业增加值比重的胁迫强度为0.50，属较强胁迫，第二产业用水量对第三产业增加值比重的胁迫强度为0.36，属较弱胁迫，即第一产业用水量的增加，将会制约第三产业的发展；而第三产业用水量对第三产业增加值比重的胁迫强度为0.35，属较弱胁迫，说明第三产业用水量的增加对第三产业发展的影响较小。第一产业用水量对城镇化率的胁迫强度为0.45，属较强胁迫；第二产业用水量、第三产业用水量对城镇化率的胁迫强度分别为0.24和0.34，属较弱胁迫，即第二产业用水量和第三产业用水量的增加对人口城镇化进程的影响较弱。说明第一产业用水量的增加对第三产业发展、城镇化率的影响较强，第二产业用水量的增加对城市群空气质量的影响较大，第三产业用水量的增加对城镇化水平的影响较小。

5 结论与讨论

本文以天山北坡城市群为研究对象，选取实际值与拟合值间的偏离程度1-R2作为胁迫强度，利用2005～2016年的面板数据，分析判断了城镇化水平与用水量指标之间是否存在对数函数关系，并计算了用水量对城镇化水平的胁迫强度，得出以下与实际较为接近的结论。

(1)从回归分析看，天山北坡城市群空气质量达到及好于二级的天数占全年比重与第一产业用水量间存在较强的正向对数函数关系，说明过去12年间，天山北坡城市群第一产业用水量还未达到极限值，第一产业用水量的增加有利于改善空气质量；第三产业增加值比重与第一产业用水量、第二产业用水量之间存在较弱的反向对数函数关系，即第一产业和第二产业用水量也未达到极限值，第一、第二产业用水量的增加不利于第三产业的发展；第三产业增加值比重与第三产业用水量之间存在较弱的正向对数函数关系，说明第三产业用水量也未达到极限值，第三产业用水量的增加将促进第三产业的发展；城镇化率与第一产业用水量间存在较弱的反向对数函数关系，第一产业用水量的增加将限制人口城镇化的进程。

(2)从胁迫强度看，天山北坡城市群用水结构主要以第一产业为主，因而第一产业用水量对第三产业发展、城镇化率的胁迫作用较强，第一产业用水量对城市群空气质量、第三产业发展的胁迫作用弱。由于近年来天山北坡城市群第二产业的加快发展，使得第二产业用水量的增加，从而导致空气质量下降，表现为第二产业用水量对城市群空气质量的胁迫作用较强，对城镇化率的胁迫作用弱。由于天山北坡城市群第三产业用水量较少，因此，第三产业用水量对空气质量、第三产业发展、城镇化率的胁迫作用较弱。

本文仅初步辨识了天山北坡城市群城镇化水平与用水量间存在对数函数关系、用水量对城镇化水平的胁迫作用的客观存在，也反映出第一产业用水量的增加有利于改善空气质量，但制约了第三产业的发展和人口城镇化的进程；第二产业用水量的增加不利于第三产业的发展。第一产业用水量对第三产业发展、人口城镇化进程的胁迫较强烈；第二产业用水量对城市群空气质量的胁迫作用较强，而第三产业用水量的增加对城镇化水平的提高影响不大。原本就缺水的天山北坡城市群，第一产业用水量过大将会导致该城市群城镇化进程缓慢，第二产业发展快、用水量大导致该区域空气质量下降也是已经发生的事实。因此，应进一步分析水资源胁迫城市群城镇化进程的规律，有针对性地提出水资源优化配置及调控模式，降低水资源对城市群城镇化进程的胁迫强度。