青岛市城市化与水环境耦合协调关系评估

陈 浩，黄绵松，刘 建

（1.山东大学环境研究院，山东青岛266237；2.北京首创股份有限公司，北京100028；3.宁夏首创海绵城市建设发展有限公司，宁夏固原756000）

随着社会经济的快速发展，大量人口进入城市，现阶段全球54%的人口集中在城市，未来还会继续增加［1］，这势必会对城市周边的生态环境产生影响，造成水资源需求、废水排放增加，水资源短缺等水环境问题。城市化的加速给水环境造成了极大压力，而水环境恶化也会反过来制约城市发展［2］。因此，研究城市化与水环境之间的胁迫与约束机制，讨论二者的耦合协调关系成为了国内外研究的热点。Craniel等［3］研究墨西哥尤卡坦半岛发现，区域地下水严重污染与城市化进程有很高的相关性；Yoshikoshi等［4］分析了日本和泰国城市化发展与地下水环境之间的关系；宋新山等［5］分析了中国城市化进程中城市化与城市水资源可持续发展问题；方创琳等［6-7］研究了不同地区城市化与水资源变化的交互耦合过程。国内外学者多角度、多方面对城市化与水环境之间的耦合协调关系进行了研究，但是对于城市化与水环境系统中具体指标对两系统作用的研究较少。

青岛市经济发达，淡水资源不足，在快速城市化进程中忽略了原有的水文生态，河流、湖泊、绿地等环境不同程度受损，地面硬化面积大幅增加，存在的逢雨必涝、水生态恶化、水资源紧缺、水环境污染严重等问题制约了该地区的社会经济发展［8］，2017年《全国城市市政基础设施规划建设“十三五”规划》将青岛列入海绵城市建设行列。笔者以青岛市为例，利用灰色关联度模型、耦合协调度模型，通过计算城市化与水环境的关联系数、城市化综合指数、水环境综合指数以及城市化与水环境耦合协调度，对研究区2000—2017年城市化与水环境的耦合关系进行研究。

1 研究区概况

青岛市位于山东半岛东南部，南临黄海，属于温带季风气候区，受东南季风和湍流影响具有显著的海洋性气候特点，年均降水量731 mm，年际变化较大。2017年青岛市地表水资源量为8.99亿m3，地下水资源量为6.39亿m3，人均水资源量约为372 m3。随着海绵城市建设的推进，2017年水资源量增幅较大，但仍远低于多年平均值。青岛市总面积11 282 km2，其中市区面积3 293 km2。随着国家“一带一路”倡议的推进以及国家“十三五”规划的进行，青岛市社会经济迅速发展，城市化水平显著提高，2017年青岛市常住人口达到929万人，实现国民生产总值11 037.28亿元，居全国第12位。伴随着城市化的进行，对水资源的需求持续增加，水资源已无法满足研究区工业生产、居民生活以及生态需水的要求，加上水资源污染和浪费严重，该地区城市化与水环境系统矛盾加剧，严重制约了青岛市社会经济持续、健康发展。

2 数据来源与研究方法

2.1 评价指标的选取和数据来源

为了定量研究城市化与水环境的耦合关系，遵循科学性、可比性、整体性、层次性、可操作性和完备性等原则［9］，构建了关于城市化与水环境关系的评价指标体系。参考相关指标体系［10-14］，结合青岛市实际情况，采用频度分析法，从人口城市化、经济城市化、社会城市化、空间城市化四个方面选取16项指标反映城市化发展水平。同时，根据世界经合组织和联合国环境规划署共同提出的环境指标压力-状态-响应模型（PRS），从水环境压力、水环境状态以及水环境响应三个方面选取16项指标，用来综合反映城市水环境的水平和发展趋势（见表1）。本文研究的基础数据来源于2001—2018年《山东省统计年鉴》《青岛市统计年鉴》《青岛市水资源公报》《青岛市环境状况公报》。

2.2 研究方法

2.2.1 数据标准化处理

由于选择的指标量纲不同，因此所选数据数量级之间存在着明显差异，为了使指标的评估更加科学、有效，对指标进行标准化处理，以排除尺度、量级以及正负方向的干扰［15］。采用级差标准法对数据进行无量纲处理。正向指标：

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为所有样本年中第j个指标的最大值；xjmin为第j个指标的最小值。

表1 青岛市城市化与水环境耦合关系评价指标体系

2.2.2 指标权重的确定

应用熵值法确定指标权重。熵值法是通过评价指标的内在信息确定指标的效用值，在一定程度上可以避免主观偏差［16］。

式中：uij为指标标准化数值。

根据熵的定义，计算第j个指标的熵hj：

计算指标j的差异率aj：

计算指标j的熵权系数wj：

2.2.3 综合指数计算

将城市化综合评价指数P（x）和水环境综合评价指数Q（y）分别作为城市化和水环境定量评价的标准。城市化综合评价指数：

式中：Pj和Qj分别为城市化和水环境系统评价指标；t为城市化指标个数；s为水环境指标个数。

2.2.4 城市化与水环境耦合协调度模型

构建城市化与水环境耦合协调度模型，作为判断城市化与水环境两个系统协调发展情况的依据。城市化与水环境耦合协调度模型为

式中：C为耦合度，C比较大表示城市化与水环境之间处于良好状态，耦合度较高；T为城市化与水环境综合调和指数，它反映城市化与水环境整体协同效应；a、b为待定系数，由于城市化与水环境同等重要，因此取a＝b＝0.5；D为耦合协调度，是度量系统之间协调状态的指标，可以用来检验耦合度是否良性共振［17］，D的值比较大说明城市化与水环境处于良好协调状态。

2.2.5 等级评定

借鉴蒋元勇等［7，10，18-19］关于城市化与水环境之间的耦合度以及耦合协调度划分标准，按照均匀分布函数对城市化与水环境的耦合度、耦合协调度进行等级划分（见表2）。其中：当C＝0时，城市化与水环境之间无任何关系；当C＝1时，城市化与水环境达到良性共振状态；0＜C≤0.3为低水平耦合阶段，此时城市化水平处于快速起步阶段，水环境质量下降；0.3＜C≤0.5为拮抗阶段，此阶段城市快速发展，水环境破坏严重；0.5＜C≤0.8为磨合阶段，此阶段城市发展的大量资金投入水环境治理，城市化与水环境开始向高水平耦合发展；0.8＜C＜1.0为高水平耦合阶段，此阶段城市化水平不仅得到很大发展，水生态环境也很大程度提高，城市化与水环境建设相互促进、共同发展。

表2 城市化与水环境耦合度、耦合协调度分类和等级划分标准

表2等级划分中，耦合度每个阶段可以对应一个或多个耦合协调度阶段，耦合度处于高水平耦合阶段可以对应良好、中度、初级协调，以及勉强耦合等耦合协调度阶段；耦合度处于磨合阶段耦合协调度不会超过勉强耦合阶段，耦合度处于拮抗以及低水平耦合时，耦合协调度只会出现失调的情况［20］。

2.2.6 城市化与水环境灰色关联模型分析

为了定量评价青岛城市化与水环境之间的相互作用关系，分别找出城市化指标中对水环境影响较大的指标和水环境指标中对城市化影响较大的指标，建立灰色关联度模型进行计算分析。指标的关联度系数：

式中：（t）为t时刻城市化与水环境的关联度系数；Δij＝|（t） -（t） | ，（t） 和（t） 分别为青岛市t时刻城市化水平与水环境水平的标准化值；Δmax＝ max（i）max（j） |（t） -（t） | ； Δmin＝min（i）min（j） |（t） -t） |； ρ为分辨系数，一般取0.5。

由于计算所得的关联度系数太多并且分散，为了方便比较，因此采用平均值法处理数据，将2000—2017年每年的关联度系数集中于一个值上。由于每项指标在综合评价中所起的作用不同，因此需要对关联度系数求加权平均值，计算指标关联度系数的加权平均值φij：

通过比较不同指标φij值可以选出水环境系统对城市化水平、城市化水平对水环境系统影响较大的指标，其中0＜φij≤1，φij越大表明关联度越强，φij＝1表明一个系统中的某项指标与另一个系统密切相关，且变化规律相同。

2.3 耦合度与耦合协调度计算结果

以青岛市统计数据为基础，进行数据处理得到各指标的权重（见表 1），根据式（7）～式（11）计算得到城市化与水环境的耦合度C以及耦合协调度D。根据计算结果，对青岛市2000—2017年的耦合度等级与耦合协调程度进行划分，见表3。

表3 2000—2017年青岛市城市化与水环境耦合关系计算结果

3 结果分析

3.1 青岛市城市化水平综合指数时序分析

根据城市化子系统指标中各个因子的权重以及所获取的原始数据，分别对2000—2017年青岛市的人口城市化、经济城市化、空间城市化以及社会城市化进行分析。结果表明：2000—2017年研究区域人口、经济、空间和社会城市化指数都呈增大趋势（见图1）。其中：人口城市化指数和空间城市化指数增长速度比较缓慢，分别从2000年的0.005和0增长到了2017年的0.120和0.143；社会城市化指数在2000—2009年增速较慢，2010—2013年快速增加，是同时期各个城市化指数中增速最快的，2014—2017年社会城市化指数波动增大；经济城市化指数2000—2017年基本处于稳定匀速增长状态，说明青岛市经济呈现稳定、快速增长趋势。得益于人口、社会、空间和经济城市化指数的增长，青岛市城市化综合指数呈现明显上升趋势，从2000年的 0.042增长到了 2017年的 0.926，其中2000—2008年增长速度相对缓慢，年均增长0.034；2009年受全球经济危机影响，在各子系统的综合作用下，城市化综合指数基本保持不变；2010—2013年城市化综合指数快速增长，年均增长0.078，大约是前一个阶段的两倍；2014—2017年增速降低，年均增长0.036，在此期间产业结构调整升级，第三产业占比从48.1%提高到了55.2%，对城市化水平的提高有重要影响。

图1 2000—2017年青岛市城市化指数变化趋势

3.2 水环境系统综合指数时序分析

根据水环境系统中各个指标的权重以及所获取的原始数据，分别对2000—2017年青岛市水环境压力、水环境状态和水环境响应指数进行计算，结果表明：在水环境压力、状态和响应3个子系统的综合作用下，水环境系统综合指数呈现比较剧烈的波动变化，水环境压力、状态以及响应指数呈现不同波动趋势，见图2。2000—2017年，水环境压力指数呈波动性缓慢增长趋势，从2000年的0.048 4增长到了2017年的0.243 6，伴随着城市化进程的加快，水环境破坏日益严重，2007年以后，受生态文明建设和经济结构调整影响，水环境污染得到控制，水环境压力保持相对稳定。水环境状态指数呈现W形波动变化态势，青岛市属于季风性气候区，降水年际变化较大，人均水资源和水资源开发利用率波动较大，从而导致水环境状态指数波动较大，2002年下降到最小值0.067 1，2007年达到最大值0.299 7。相较于2016年，水环境状态指数在2017年出现比较明显提升，可能与海绵城市建设有关。水环境响应指数在2000—2003年表现为缓慢增长，2004—2017年呈现U形波动变化趋势，2006年达到最小值0.083 1，2017年达到最大值0.251 7，水环境响应的变化与政府对于水环境保护力度的加大有直接关系。青岛市水环境综合指数总体呈现W形波动上升趋势，2002年为最小值0.303 1，2011年上升到最大值0.697 7，伴随着经济水平和技术水平的提升，政府加大环保投资以及海绵城市建设，青岛市对于水环境的优化能力逐渐增强。

图2 2000—2017年青岛市水环境系统综合指数变化趋势

图3 2000—2017年青岛市城市化与水环境耦合关系

3.3 青岛市城市化与水环境耦合协调关系时序分析

利用耦合模型分别计算青岛市城市化与水环境的耦合度以及耦合协调度，见图3。从图中可以看出，青岛市城市化与水环境的耦合度与耦合协调度呈现增大趋势，耦合协调度的拟合曲线也呈现线性增大趋势（确定系数 R2＝0.95）。青岛市城市化与水环境在2000—2001年处于低水平耦合阶段，同时2000年国家“十五”计划提出全面推进城市化建设，青岛市响应国家政策，加快城市化发展，受城市化发展加速影响，这一时期水质开始下降，城市化对水环境的胁迫作用较大，城市化与水环境为极度失调状态。2002—2003年城市化与水环境处于极度失调的拮抗阶段，城市化持续快速发展，该阶段水资源消耗量猛增、污染物排放增多，受城市化影响，水环境承载力明显下降，尤其是2002年水环境状态指数降到了最低点。同时期的黄河三角洲城市区域，城市化速度明显慢于青岛，对水环境的破坏较小，城市化与水环境处于基本协调状态［19］。2004—2007年城市化与水环境的发展进入磨合阶段，二者协调度从中度失调变为勉强耦合，其中2006年城市化与水环境达到高水平耦合，而协调度处于勉强耦合。由于城市化的发展受到水环境破坏的制约，因此当地政府已经开始注意对水环境的保护和修复，促进二者开始朝着协调的方向共同发展。2008—2010年城市化与水环境处于初级协调的高水平耦合阶段，这个时期城市化继续快速发展，同时通过加强对水环境污染的控制，水环境质量好转，城市化与水环境的发展较为协调。2009—2017年城市化与水环境从中级协调达到了良好协调的高水平耦合状态，该阶段，二者发展协调良好，在保持高速城市化的同时，提高了水环境的质量，城市化与水环境进入相互促进、相互发展的良好协调发展阶段。

3.4 青岛市城市化与水环境灰色关联度分析

依据式（12）、式（13）对青岛市城市化与水环境各具体指标的灰色关联度系数进行计算，结果显示它们的灰色关联度系数都大于0.5，属于较强相关，耦合作用也较强［21］。为了深入研究城市化与水环境相互作用的关系，分别找出城市化指标中对水环境胁迫作用较大的指标和水环境指标中对城市化约束作用较大的指标并分析。

城市化的各项具体指标与水环境系统的灰色关联度（见图4）能够客观反映城市化对水环境的胁迫作用，灰色关联度的综合指数为0.658 5。城市化指标中影响作用最大的是受大学教育人口比例，影响最小的是医护人员比例，其中影响相对较大的前5个指标分别是受大学教育人口比例、第三产业就业人口所占比重、城市人口密度、城镇人均居住面积以及城镇失业率。对城市化系统的4个一级指标分析发现，2000—2017年青岛市城市化子系统对水环境的胁迫程度排序为人口城市化（综合指数0.675 2）＞空间城市化（综合指数0.661 4）＞社会城市化（综合指数0.655 7）＞经济城市化（综合指数0.649 7）。随着人口城市化的加速，城市用水量增加，造成水资源匮乏，对水环境系统的胁迫作用最大；空间城市化的进行导致城市大量土地被开发，地表径流、地下水受到严重影响［22］；青岛市社会发展程度较高，社会城市化发展速度较快，社会城市化对水环境的影响较为突出；作为城市化最重要的组成部分，青岛市耗水型企业较多，用水结构不合理，水资源利用效率低，水环境污染较为严重，导致经济城市化对水环境系统影响较大。

青岛市水环境主要从水环境压力、水环境状态以及水环境响应3个方面的16个指标对城市化发展产生约束，见图5，灰色关联度综合指数为0.622 1。各项指标中对城市化影响最大的是工业用水重复利用率，影响最小的是人均水资源量。水环境对城市化约束影响较大的5个指标是工业用水重复利用率、万元GDP氨氮排放量、生活污水处理率、建成区绿化覆盖率以及城市人均公共绿地面积。对水环境系统3个一级指标分析发现，水环境系统中对城市化约束最大的是水环境响应，其次是水环境压力，最小的是水环境状态。青岛市城市化进程较快，对水资源的需求量大，因此提高水资源利用效率，能够减小水环境对城市化的束缚，尤其是重复利用水能够在一定程度上缓解城市发展过程中的用水不足。污染导致水环境压力增大，可利用水资源减少，阻碍城市化的发展［23］，开展海绵城市建设意义重大而深远。随着海绵城市建设的进行，建城区能够涵养水源、储存降水的绿地增加，大量雨水收集设施的建立增加了水资源的丰富程度，水环境的状态进一步提升。

图4 城市化指标与水环境系统的灰色关联度

图5 水环境指标与城市化系统的灰色关联度

4 结 论

城市化是人类社会经济发展的必然趋势，但城市化过程中会对水环境产生胁迫作用，同时水环境也会约束城市发展并影响城市化的质量。通过建立城市化与水环境关系的评价指标体系，对2000—2017年青岛市城市化与水环境的耦合协调关系进行了分析研究，结果表明：青岛市城市化综合指数呈现明显上升趋势，青岛市水环境综合指数呈现波动上升趋势；青岛市城市化与水环境耦合协调关系总体呈现上升趋势，经历了从低水平耦合的极度失调到高水平耦合良好协调发展的阶段；青岛市城市化与水环境两个系统各指标间的灰色关联度系数都大于0.5，处于较高关联状态。