水资源系统对鄱阳湖流域城镇化的响应关系研究

傅 春，罗 勇，裴伍涵，邓俊鹏，王乐志

（南昌大学建筑工程学院，南昌330031）

城镇化是社会发展的必然，城镇化所带来的各种各样的问题也是无法回避的。城镇化的发展不仅可以扩大国内的需求，促进社会经济的繁荣，而且能够吸引巨大的投资，带动整个社会的发展［1，2］。水资源是推动城镇化进程和支撑经济发展的关键性资源。如果将城镇化与水资源系统割裂开，盲目追求城镇化，而忽视对水资源系统科学合理的开发利用，则可能会影响我国很多地区的城镇化进程甚至影响整个国家的城镇化进程，从而导致经济社会的可持续发展受阻［3］。所以在城镇化快速发展的进程中，必须充分考虑城镇水资源系统的实际情况从而进行科学合理的配置，促进二者有机协调、可持续发展［4］。城镇化与水资源系统的研究也是国际热点。NAYAN N K 等［5］对城镇化与城镇水资源之间的关系进行研究，探究城镇化对其供求平衡及其内在联系；PLETO J V R 等［6］研究Meycauayan 河与城市化的关系，发现Meycauayan 河的恶化是快速工业化，城市化和人口增长的结果；LUO P P 等［7］对典型干旱国家埃及的水资源管理的历史评估和未来可持续性挑战进行研究。国内虽然起步稍晚一些，但是研究成果丰硕，主要研究了城镇化与水资源的相互影响机制、城镇化对水资源用水效率、水资源配置等方面的影响及制约机制。焦士兴等［8］研究了江西省城镇化进程与水资源利用的响应关系、蒋元勇等［9］对南昌城市化与水资源环境交互耦合作用关系进行分析、ZHANG X L 等［10］采用随机前沿分析模型对2007-2017年黄河流域农业用水效率进行了测算、张清华［11］对缺水比较严重的华东北部地区进行了水资源可持续利用评价、王娜等［12］利用生态足迹理论、LMDI、Topic 模型研究了干旱区水资源利用与经济发展关系、张明贵采用基尼系数、泰尔指数及加权变异对新疆、陕西等西北部干旱区域的水资源利用与经济要素匹配关系进行了研究［13］。

干旱地区是典型的缺水区域，因此政界、学界格外重视其水资源利用，传统研究中也对其进行了大量研究；而对于降水比较充沛的长江中下游地区的城镇水资源利用尚未引起足够重视，面对人口城镇化和快速城镇化，水资源管理变得更加复杂。基于此，本文选取长江中下游典型湿润区鄱阳湖流域作为研究对象，结合鄱阳湖流域实际情况，构建城镇化与城镇水资源利用的综合评价体系，运用SPSS 相关分析、响应度模型定量分析城镇化发展水平与城镇水资源利用的相互作用机制及响应特征。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

鄱阳湖流域位于N 24°29′～30°04′、E 113°34′～118°28′。全省总面积16.69 万km2，人口4280 万，河流2 400 多条，总长约18 400 km2，主要河流有5 条。全省多年平均降水量1 638 mm，远远超过湿润区800 mm 的界限，属于典型湿润区。多年平均水资源总量1 565 亿m3。以2018年为例，全省水资源总量1 149.09 亿m3，人均水资源占有量2 462 m3，人均国内生产总值4.73 万元。平均气温为18.9 ℃，降水量为1 543 mm，日照为1 735 h。

1.2 研究方法

1.2.1 指标体系的构建

基于前人的研究，综合考虑城镇化与城镇水资源两大系统实际现状和数据的可获得性、指标体系的科学性、客观性、典型性与独立性原则，从城镇化与城镇水资源利用两大方向构建指标体系，分别从社会、人口、经济和空间［14，15］4 个维度构建城镇化系统二级指标体系，加入人均消费水平、人口规模、人均GDP、城镇密度等三级指标，共计19个指标来测评城镇化水平。其次，对于城镇水资源系统，主要从自然禀赋、用水负荷、利用效率、管理质量［16，17］4 个方面构建水资源系统二级指标体系，加入人均城镇居民用水量、人均水资源拥有量、工业重复用水率、万元GDP 用水量、城镇污水处理率等三级指标，共计15 个指标来测度水资源综合利用水平，具体见表1。

表1 城镇化与水资源利用评价体系Tab.1 Urbanization and water resources utilization evaluation system

1.2.2 熵权法确定权重

根据各指标的标准化值，运用熵权法，计算得到各指标权重［18］。

其中，k=＞0，满足ej≥0。

式中：ej为第j项指标的熵值；pij为第j项指标在第i年所占的比重，xij表示为i=1，…，n，j=1，…，m；wj为第j项指标的熵权；规定当pij=0时，ln(pij)=0。

1.2.3 综合指数计算

由权重值与标准化后的值相乘，就可以得到城镇化综合发展指数和水资源综合利用指数。

式中：Fi，Si分别为第i年城镇化综合指数和水资源综合利用指数；wij，kij分别为城镇化和水资源的综合指数第j个指标的熵化权重；zij为标准化后的指标值。

1.2.4 城镇化与水资源系统的相关分析

伴随着城镇化的发展，许多生态环境问题尤其是城镇化与水资源利用之间的相互作用及其博弈关系，早已受到学界和政界的广泛关注。主要集中在以下3个方面：

第一，城镇化进程中水资源系统的压力。随着城镇化的快速发展，工业化得以迅猛发展，城镇人口急剧增加，城镇生产生活需水量和废污水排放量明显增加，供需矛盾日益突出［19］。

第二，城镇化进程中水资源系统的贡献。水资源是城镇的“血液”，无论是城镇人口的衣食住行等日常生活，还是工业的飞速发展都离不开水资源［20］。而且水资源还可以改善生态环境以及居住条件，是吸引投资和吸引人才的重要气候、环境因素，也是城镇活力所在。

第三，城镇化发展进程与水资源系统的相关关系。城镇化进程中，农业、绿化用地不断减少，城镇建设及工业用地不断增加，城镇生活生产用水量明显增加；同样的城镇生活生产污废水排放量明显增加，人与自然、生态、环境、水资源的矛盾日益加剧［20］。随着人们生态环保意识增强，为了保护和进一步开发有限的水资源，水利建设和水环境修复投资将有所加强，社会发展对生态环境系统以及水资源系统的影响逐步升级［21］。在城镇化进程中，社会经济、水资源、生态环境这三个系统相互制约、相互促进，其相互影响机制见图1。

图1 城镇化与“社会经济-水资源-生态环境”复合系统的相互影响机制Fig.1 The interaction mechanism between urbanization and the“social economy-water resources-ecological environment”complex system

1.2.5 响应度模型

响应指数表示函数中因变量对自变量所产生变化的敏感程度，通常用响应度来表征。以城镇化综合指数为自变量，城镇水资源综合利用指数及各分量指数为因变量构建响应度模型，揭示城镇化发展与城镇水资源综合利用的响应关系及作用强度［22］。

式中：ξj为T时期内的城镇水资源系统第j个分量对城镇化的综合响应度；θj(t)为t年第j个水资源子系统对城镇化系统的响应系数；Ut为第t年城镇化综合评价指数；βjt为t年第j个水资源子系统综合评价指数。

2 数据来源及数据处理

2.1 数据来源

2006-2018年《江西省水资源公报》；2007-2019年《江西省统计年鉴》；2006-2018年《江西省环境状况年报》；国家统计局官网年度数据库或依据有关数据经过运算整理获得。

2.2 数据处理

因各项指标的量纲、量级、单位均有所不同，若不对数据进行标准化处理，不易比较而且易对结果产生偏差，因此采用极差标准化法对原始数据进行标准化处理［23］，指标数值经标准化后均可限定在［0，1］范围内。

3 研究结果与分析

3.1 鄱阳湖流域城镇化综合发展水平

城镇化发展水平各指标的权重见表1。权重值排序为：X1（0.280）≥X4（0.280）＞X3（0.229）＞X2（0.211），这说明相较于其他指标，社会城镇化、空间城镇化因素对鄱阳湖流域城镇化发展影响最大。在选取的19个指标中，影响鄱阳湖流域城镇化发展的主要因素为单位人口交通、医疗等城镇公用基础配套量。鄱阳湖流域城镇化综合发展指数变化趋势如图2所示。结果表明：2006-2018年，鄱阳湖流域城镇化综合发展潜力及水平整体呈逐年上升趋势，其中2007-2010年和2016-2018年城镇化发展进程加快，2015-2016年鄱阳湖流域城镇化发展水平有微弱下降。2006-2018年空间城镇化发展指数呈直线型，社会城镇化、人口城镇化、经济城镇化整体呈同步上升趋势。经济发展、人口非农化是城镇化发展的主要动力，2009年以来鄱阳湖流域完善了城乡公共就业服务体系，提升了地区交通通达度，提高了城乡居民可支配收入，拓宽了城镇空间格局，鄱阳湖流域城镇化得以快速发展。

图2 鄱阳湖流域城镇化综合发展指数Fig.2 Comprehensive urbanization development index of Poyang Lake Basin

3.2 鄱阳湖流域城镇水资源利用水平

通过熵权法计算获得鄱阳湖流域城镇水资源综合利用各评价指标的权重见表1，权重值排序为：Y4（0.349）＞Y3（0.258）＞Y2（0.212）＞Y1（0.182）。这说明相较于其他指标，降水充沛的湿润区水资源管理质量、水资源利用效率因素对城镇水资源利用影响最大。在选取的15个指标中，对鄱阳湖流域城镇水资源利用影响较大的因素主要是工业、公用及生活等用水指标以及污废水处理及排放指标。鄱阳湖流域城镇水资源利用指数变化趋势如图3所示。结果表明：2006年到2018年间，鄱阳湖流域城镇水资源利用指数整体呈波动上升趋势，反映了鄱阳湖流域城镇水资源综合利用呈现良性发展状态。水资源用水负荷指数呈上升趋势，随着城镇化快速发展，人口、产业不断向城镇聚集，生产、生活用水量不断增加，鄱阳湖流域城镇用水压力逐年上升，水资源管理水平、利用效率、农业以及工业用水效率都得到提升。水资源管理质量水平指数逐年增加，表明用水治水节水能力不断提高，水功能区水质达标率、城镇污水处理率，万元工业增加值废水排放量这些指标都在朝着好的方向发展，水资源管理与治理水平逐渐提高。

图3 鄱阳湖流域城镇水资源综合发展水平Fig.3 Comprehensive development level of urban water resources in Poyang Lake Basin

3.3 鄱阳湖流域相关响应分析

3.3.1 城镇化与城镇水资源利用的相关分析

借助SPSS 软件对鄱阳湖流域水资源各准则层与城镇化各准则层的相关性进行分析（表2），结果表明水资源系统中（用水负荷、管理质量、利用效率）均与城镇化各分量（社会、人口、空间、经济）存在比较强的相关性；水资源系统中的自然禀赋条件与城镇化各分量的相关性均不显著，说明水资源系统中自然禀赋受降雨等自然水文条件的影响比较强烈。城镇化系统中各项分量指数与城镇水资源系统中的用水负荷均呈现出较强的负向相关性，表明鄱阳湖流域水资源的负荷压力受城镇化发展状况的影响较大，城镇化发展对城镇水资源系统产生了明显的消耗效应。相反，水资源管理质量指数及利用效率指数与城镇化各分量指数均表现为显著的正向相关，表明城镇化的发展，大力促进了城镇水资源管理质量和利用效率的显著提高，城镇化各项准则层与水资源各项准则层的相关关系见表2。

表2 城镇化各分量与水资源各分量的相关关系Tab.2 Correlation between each component of urbanization and each component of water resources

3.3.2 城镇化与城镇水资源利用的响应函数

为了探寻城镇发展与水资源利用的内在奥秘，借助于分析软件尝试多种回归分析。通过对城镇化及城镇水资源各子系统的响应指数分别进行曲线拟合，比较拟合优度、筛选结果、建立最优响应度函数（表3）。对拟合的响应函数进行检验，当p＜0.1 时，响应函数具有显著性意义；p＜0.05，表示显著；p＜0.01，表示非常显著；测定系数R2值越大表明拟合优度越高，鄱阳湖流域城镇水资源综合利用对城镇化的综合响应函数及其检验见表3。

表3 2006-2018年鄱阳湖流域城镇水资源综合利用对城镇化的综合响应度及其检验Tab.3 The comprehensive response of urban water resources comprehensive utilization to urbanization in the Poyang Lake Basin from 2006 to 2018 and its test

3.3.3 城镇化与城镇水资源利用的响应分析

由表3可知，鄱阳湖流域水资源综合利用、用水负荷、利用效率、管理质量等发展指数对城镇化综合发展指数的R2分别为0.928，0.900，0.988，0.990 拟合程度高，效果好，表明水资源综合利用程度、用水负荷、利用效率、管理质量易受城镇化发展的影响；而水资源自然禀赋R2=0.470，p＞0.1 拟合效果不好，说明水资源自然禀赋主要受自然水文条件影响，受城镇化影响较小。鄱阳湖流域水资源综合利用指数对城镇化综合指数响应度为0.558，各分量按响应度值从大到小排列依次为：管理质量（0.391）＞利用效率（0.304）＞自然禀赋（0.225）＞用水负荷（0.200），这说明水资源管理质量、利用效率较水资源自然禀赋、用水负荷更易受城镇化的响影响；因此，在用水需求不断增加的城镇化发展过程中必须努力提高水资源管理质量和综合利用效率。

如图4所示，鄱阳湖流域水资源综合利用指数与城镇化综合发展指数响应度较高。2007、2008、2009、2011、2013、2014、2017、2018年水资源综合利用指数值均位于拟合曲线下方，此时水资源不但没有成为城镇化发展的动力，反而成为制约城镇化发展的阻力。2006、2010、2012、2015、2016年均位于拟合曲线上方，2017年、2018年虽然在拟合曲线下方，但是离拟合曲线特别近，说明鄱阳湖流域水资源管理质量与利用效率都在提高，水资源综合利用水平与城镇化的发展趋于协调，水资源成为城镇化发展的动力。

4 结 语

（1）2006-2018年鄱阳湖流域城镇化发展与水资源综合利用均整体呈增长态势。鄱阳湖流域城镇化发展相对稳健，水资源综合利用过程变化比较剧烈，2011年因受降雨量影响较大，水资源综合发展指数呈局部“V”字型。

（2）鄱阳湖流域城镇化各子系统的上升发展趋势较为同步。2015-2018年社会、人口、经济指数在加速发展，弱于空间指数，说明城镇化发展较快，但受制于人口、经济等因数。尽管鄱阳湖流域水资源综合利用指数、利用效率、和管理质量整体呈上升发展趋势，但水资源负荷仍逐年增加，主要原因是城镇公共用水量和居民生活用水量的增加抵消了工业节水及其他节水措施的效果。

（3）水资源对城镇化系统的响应逐年增强，表明对于降雨充沛的长江中下游湿润区，在发展城镇化的同时也要不断提高水资源综合利用效率和管理质量，还要在水资源自然禀赋、用水负荷、水质水量上下工夫。城镇化系统中各项分量指数与城镇水资源系统中的用水负荷均呈现出较强的负向相关性，表明鄱阳湖流域水资源的负荷压力受城镇化发展状况的影响较大，城镇化发展对城镇水资源系统产生了明显的消耗效应。城镇水资源系统中的水资源管理质量及利用效率与城镇化各项分量指数都存在较为显著的正向相关性，说明城镇化发展的同时能够促进城镇水资源系统的发展，提高水资源利用效率以及水资源管理能力，缓解城镇水资源供需矛盾、促进城镇水资源系统的优化配置。