广西北部湾经济区水资源支撑能力与城市化系统关系研究

张 勇，郭纯青

(桂林理工大学环境学院，广西 桂林 541004)

0 引 言

随着我国经济的高速发展，具有高度内在联系的经济区得以出现，其中，广西北部湾经济区作为国家重点扶持的战略区域所获得发展举世瞩目。2010年《广西北部湾经济区条例》颁布，确定北部湾经济区由南宁、北海、防城港、钦州四市加玉林和崇左两个交通物流市所组成，至2016年末，北部湾经济区地区生产总值已占广西的47.99%，已经成为广西经济的中流砥柱。但在可喜的经济发展形势和卓越的经济发展成果下，隐藏着城市化系统与水资源系统相互胁迫的巨大压力[1]。广西北部湾经济区正处于以第一产业(农业)为支柱的传统社会转型为以第二产业(工业)和第三产业(服务业)为支柱的现代社会的重要时期，水资源被赋予更多的社会属性[2-4]，在社会经济快速发展的同时，水资源供需矛盾日益尖锐。通过对广西北部湾经济区水资源支撑能力与城市化系统的发展状况进行分析，以研究这两者的相互关系与动态演变态势，从而能较好地反映两系统的相互胁迫作用，将对地区发展起一定的指导作用。

国内外学者对水资源与城市化两者之间的关系给予高度的关注，主要研究方向集中在城市化发展对水资源的自然属性与社会属性的利用上。一部分学者认为，城市化水平的提高会加剧地区供水问题，水资源系统进而会限制城市化水平的发展[5-7]；另有一部分学者认为，无序的城市化才会带来水资源的恶化[8-10]，合理的城市化发展虽然会使用供水量增加，但节水技术的进步会进一步的提高水资源利用效率[11-13]。值得注意的是，这些研究大多基于水资源对城市化的约束或城市化对水资源的影响单一方向上，而水资源与城市化的影响往往是相互的，存在双向作用。因此，本文希望通过构建两者的动态耦合模型，研究北部湾经济区水资源支撑能力与城市化系统之间的相互作用关系，从而探寻两者的发展态势。

1 研究方法

1.1 耦合模型

耦合是指两个(或两个以上的)系统相互影响和相互作用的现象,通过借鉴物理学的演化思想[14],可构建系统的非线性演化方程式：

(1)

式中：f为xi的非线性函数。

在原点处将进行泰勒级数展开,并依据利亚普斯诺夫第一近似定理[15],将非线性系统的保证其稳定性,从而得到近似线性系统：

f(x)=f(0)+a1x1+a2x2+…+anxn+X(x1,x2,…,xn)

(2)

(3)

按上述方法建立水资源支撑能力(W)与城市化(U)系统的一般函数为：

(4)

式中：x,y为两系统的元素(以时间为变量的函数)；a,b为各元素的权重。

由于水资源的支撑能力与城市化系统相互影响与作用,两者作为一个复合系统,f(W)与f(U)在系统中占据主导地位,其演化方程可表示为：

(5)

式中：A,B为系统受到自身和外来因素影响下的演化状态；VA,VB为其演化速度。

由于整个系统只有f(W)与f(U)这两个元素,所以当f(W)与f(U)协调时,整个系统的运行也是协调的,系统的演化速度V是关于VA,VB的函数,所以V=f(VA,VB)。通过控制VA、VB的变量,对V进行分析,可以获知整个系统及f(W)与f(U)的协调关系。

首先建立满足S型发展机制的V模型,通过将VA,VB的演化轨迹投影在直角坐标系中进行分析。将水资源支撑能力与城市化系统的耦合度a=arctan(VA/VB),也是复合系统的演变过程(图1),分为4个阶段。

图1 系统演化轨迹

(1)当-90°≤α<0°时,系统处于初级发展时期,城市化系统发展缓慢,区域水资源支撑能力能够满足其发展,水资源支撑力与城市化系统之间的限制与影响可忽略。

(2)当0°≤α<90°时,系统进入协调发展时期。此时,科学技术的进步,加快了城市化发展的步伐,落后的用水技术加剧两系统的矛盾,但并不尖锐。

(3)当90°≤α<180°时,系统进入极限发展时期。城市化的高速发展,对用水条件的要求进一步提高,但由于水资源的局限性和污染恶化,两系统的矛盾将日益严重,水资源危机越演越烈。此时,为保障区域的正常发展并保证城市化系统的不断进步,人们将采取一系列措施来缓解矛盾,使两系统的耦合进入良性阶段,从而进入一个高级协调阶段。

(4)当180°≤α<270°时,原有的系统在人们正确措施的协调下,系统进入再生时期。此时,水资源支撑能力能有效的保障城市化发展,水资源与城市化系统和谐共生,最终达到较高的水平,但新的问题也将会随之而来。

1.2 数据处理

(6)

式中：xij为第i年的第j个指标的初始值；Zij为经过标准化处理后相对应的数据[16]。

将各项指标标准化后，通过均方差赋权求得得各指标的权重：

(7)

式中：wj为各指标的权重；σ(xi)为各指标的标准差。

1.3 水资源支撑能力评价

为更好的描述水资源条件对北部湾经济区社会经济发展的支撑能力，避免因评价单元尺度过大而忽视北部湾经济区内部差异所造成的误差，规避综合性指标或指标体系所忽略过境水的问题，以水资源开发利用率指标为基础，从市级行政单元尺度对水资源的支撑能力进行评价[5]。

水资源开发利用率为评价单元中从自然水资源中获得的取水量与单元中水资源总量的比值,计算公式：

(8)

式中：WWI为水资源开发利用率；S为行政研究单元供水总量；NW为区域非常规水源的数量；如中水回用、海水利用等；S-NW为研究行政单元在自然水资源的取水量；WR为行政单元的水资源总量。

在应用过程中需要注意,对于有些行政单元来说取水量不仅包括区域内的内源水,还有流经区域的过境水。而指标中行政单元的水资源总量往往不包括过境水这部分的资源量,对于像北海这样过境水资源较大且利用得较多的行政区来说,水资源开发利用率对于研究区域的水资源供用关系产生较大的误差。为了解决过境水造成误差的问题,在小的评价单元内更为准确的评价单元水问题,用包括研究单元以及上游来水的水资源开发利用指标来表征该研究区的用水矛盾,具体计算如下：

(9)

式中：n为研究评价单元及其上游单元所涉及的评价单元；Sn为评价单元的供水量；NWn为区域非常规水资源数量；Sn-NWn为区域取水量；WRn为水资源总量。

同时在各个行政区,其各自的优先用水权不同,所以为了更加准确的衡量该区水资源量的缺乏程度,应从BWWI和WWI中选取较小值,并将其标准化,从而更好表示当前研究区域内可用的水资源量对社会经济发展的支撑能力：

(10)

式中：WSPI为水资源支撑指数。

1.4 城市化系统评价

城市化系统的评价，应当从城市化的内涵出发，坚持城市化建设的核心就是人的城市化，实现人口城市化、空间城市化、经济城市化和社会城市化，最终实现人的无差别发展[17]。参考大量文献，根据城市化的内涵，构建城市化系统的评价体系，如表1所示。

表1 广西北部湾经济区各行政单元及北部湾经济区城市化系统指标及权重

2 结果与分析

2.1 水资源支撑能力评价与城市化系统评价结果

采用《广西水资源公报》和《广西统计年鉴》2010-2016相关数据，结合上文公式可以计算广西北部湾经济区6市的多年水资源支撑指数(WPSI)及权重(表2)，进一步得出2010-2016年间广西北部湾经济区水资源支撑能力及城市化系统的综合评分(表3)。为了更直观的看出自广西北部湾经济区的水资源支撑能力及城市化系统的动态发展过程，特绘制了图2。

从图2可以看出，2010-2016年间，广西北部湾经济区及各行政单元的城市化系统呈不断上升趋势。这说明北部湾经济区城市化系统在《广西北部湾经济区条例》颁布的7年时间里经济建设取得显著的进步，2016年广西北部湾经济区城市化系统综合评分为0.70，是2010年的3倍多。这与城镇人口的增多和经济的飞速发展有着密切联系。如经济区2016年城镇人口约1 041.88万人，较2010年838.44万人增长了24.26%；地区生产总值8 808.10亿元，比2010年4 275.37亿元增长了1.1倍；各行政单元城市化系统评分呈上涨态势。

表2 各行政单元2010-2016年历年水资源支撑力计算结果

表3 2010-2016年广西北部湾经济区水资源支撑能力及城市化系统综合评分标准化数值

图2 2010-2016年水资源支撑能力与城市化系统综合评价

与城市化系统所取得的成就相比，水资源支撑能力则略显不足，各行政单元水资源支撑能力波动性也较大。水资源用水边际性越发明显，单方水GDP由2010年的40.69 元/m3增至2016年的79.78 元/m3，年均增幅约13.7%，而地区生产总值相较增长1.2倍；同时，在产业结构调整过程中，农业是用水大户的局面并未改变，农业用水占用水总量的65%。因此，广西北部湾经济区的水资源情况不容乐观。

2.2 广西北部湾经济区水资源支撑能力与城市化系统耦合态势分析

根据所得到数据,对经济区水资源支撑能力与城市化系统进行非线性拟合,结合公式(1)～(5),可以求得以t来表示的VA和VB:

1.22t3-0.07t4(R2=0.988)

(11)

VB=0.041+0.029t-0.004 1t2(R2=0.974)

(12)

根据上述方程,计算出2010-2016年间广西北部湾经济区的水资源支撑能力系统演变速度VA,城市化系统系统演变速度VB,正切值tanα,以及两系统耦合度的α值,结果见表4。为了更直观的反映出广西北部湾经济区水资源支撑能力与城市化系统系统的耦合演化过程,依据表4做出了两系统的耦合曲线,见图3。

表4 2010-2016年广西北部湾经济区水资源支撑能力与城市化系统系统协调发展的耦合度

图3 广西北部湾经济区水资支撑能力与城市化系统系统耦合演化曲线

2010-2016年间，水资源支撑能力与城市化系统已经处于协调发展时期。伴随着城市化系统日益提高，水资源支撑能力与城市化系统的相互胁迫作用日益明显,两者的耦合度直逼临界值(90°)，这与北部湾经济区正处于经济社会转型期的实际相符合[1]，水资源支撑能力与城市化系统系统矛盾越演越烈。预计不久的将来,系统会步入极限发展时期，原有的水资源系统难以维持高速发展的城市化进程，水资源支撑能力越发薄弱，主要表现如下。

(1)随着城市化程度的提高，农村人口开始逐渐向城市聚居，工业、商业高速发展，水资源压力逐步增大。如南宁市2016年废水排放总量达到6.54 亿m3，较2010年的5.22 亿m3增加了25%。并且第一用水大户仍是农业，农业用水比重虽有所下降，总量却居高不下；2016年农田灌溉水有效利用系数为0.479，低于“十二五”规划纲要所规定的0.53。南宁市水资源的继续开发潜力已经开始下降的势头，在干旱和极端干旱事件发生的情况下，区域社会经济的发展必然受制于水资源的支撑能力不足。

(2)在城市化推进的过程中，未形成城市化发展与改进用水技术和提高用水效率的水资源协调发展的局势，导致供水水源过于单一。如北海市社会经济正处于跨越式发展的重要时期, 伴随着社会经济的发展，水资源支撑能力问题越发突出，北海市水资源总量远少于其他行政单元，过于依靠地下水资源的使用，过去由于对地下水的不合理开发利用，引起过海水入侵的现象；玉林市主要供水来源于苏烟水库,随着城市的不断发展，人口数量和企业的增多，用水安全保障主要受到经济因素的影响，水资源的需求增大。

3 结 语

本文通过构建广西北部湾经济区水资源支撑能力与城市化系统系统研究，得到以下结论：2010-2016年间,北部湾经济区水资源支撑力与城市化系统系统的发展并不同步，水资源支撑能力是能在不同程度上满足区域社会经济的发展，但用水边际越发明显；水资源支撑能力与城市化系统越发逼近极限发展时期，经分析研究，提出以下建议。

(1)稳定城市化步伐，提高城市化质量。2016年，北部湾经济区城市人口高达1 041万人，占总人口的51%，但城市人口的增加主要依靠的是城市对农村土地的扩张后吸纳人口，这种“硬扩展”并不是农村人口通过就业而转变为城市人口，极容易产生“泡沫”。因此，北部湾的城市化发展的重心应该转移到提高城市化质量上来，如：优化城镇的空间格局，停止“硬扩展”的脚步；发展高新技术，对遭到破坏与污染的水资源环境进行必要的恢复治理。

(2)大力挖掘节水潜力，提高水资源的使用效率。2016年，北部湾经济区用水总量为110.4 亿m3，地表水与地下水为主要供水水源，在城市化发展过程中，过于依赖粗放式的水资源投入，这种低效的水资源使用方法容易造成水资源压力、产生污染。因此，在调整产业结构和产品结构的过程中，应推广城市化所带来的国内外先进的节水技术：工业上，通过计划用水和节约用水，逐步对现有企业进行节水技术改造，提高用水重复利用率，例如对工艺水的回用既可以减少水污染，又可以节约水资源；生活上，积极推广节水技术和节水装置，例如，住宅节水便器的使用将带来16 L/人的节水效率；农业上，遵循水利设施与农业技术措施相结合的原则，例如，推广节水灌溉工程设施的建设，形成一条节水型农业道路。