天津市新型城镇化与水资源耦合协调发展研究

2022-06-22张译心陆宝宏

水力发电 2022年2期

王剑，裴颖，张译心，汤磊，陆宝宏

(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210024；2.徐州市铜山区水利工程建设中心，江苏徐州 221100)

0 引言

城镇化是农业人口转移、产业体系优化、土地利用类型转变、社会组织关系变迁的复杂过程。传统的城镇化发展模式粗放，往往会造成水资源的无序开发和利用。而新型城镇化是以民生、可持续发展和质量为内涵，以追求平等、幸福、转型、绿色、健康和集约为核心目标，以实现区域统筹与协调一体、产业升级与低碳转型、生态文明和集约高效、制度改革和体制创新为重点内容的崭新的城镇化过程[1]。新型城镇化建设有利于资源集约，同时水资源系统的优化也符合新型城镇化建设需要，两者的协调发展能够有效促进经济、社会、生态的可持续发展。

天津市近年来城镇化发展迅速。截至2019年底，天津市常住人口为1 562万，其中城镇人口达1 304万。全市生产总值达14 104亿元，其中第三产业增加值达8 950亿元，天津市已成为超大型城市，“华明镇”模式也成为我国新型城镇化建设的典型模式之一[2]。但天津市新型城镇化高速发展的同时，水资源系统状况并不乐观，两者是否协调发展仍有待研究。根据《2018年天津水资源公报》，天津市人均水资源量约为113m3/人，不足全国平均水平的6%，V类及劣V类水质的河长占全年评价河长的48.9%[3]。

国内外学者对城镇化与水资源关系的研究主要集中于两者的相互作用及耦合机理。Arsiso等[4]发现，人口的快速增长和干旱的气候是造成埃塞俄比亚首都水资源短缺的主要原因，通过WEAP模型模拟发现，其有效的解决方式是提高水价和用水效率以及雨水的回收利用。Gober[5]认为，干旱地区的城镇化发展会导致水资源严重短缺，而有形成漏斗风险的地下水开采、成本高的远距离调水、海水资源淡化等并不能有效解决城市与水资源系统的可持续发展问题。Al-Kharabsheh等[6]研究的2000年约旦南部塔菲拉流域城市化、干旱、环境污染对水生态的影响结果表明，人口高度集中、城市化高速发展、城市配套基础设施的落后造成了水资源的短缺和水环境的污染。李珊珊等[7]借助系统动力学方法，对北京市城镇化发展与水资源安全的耦合状况进行的分析发现，两者相互影响程度经历了由小变大再变小的过程，呈倒“U”形变化。郑炜[8]对广东省新型城镇化质量与水资源安全耦合关系进行的分析发现，两者有较强的相互依赖性，处于高水平耦合阶段。

综上所述，国内外学者多从传统城镇化的角度研究城镇化与水资源的交互作用机理及相互影响的程度，对其与水资源系统的协调性及可持续性研究较少。为此，本文通过耦合协调度模型，定量研究天津市新型城镇化建设与水资源系统的协调发展状况，为两者的可持续发展提供参考。

1 研究方法

1.1 评价指标体系构建

本文基于新型城镇化与水资源系统的耦合机理，并结合其特点构建评价指标体系，具体指标见表1。表1中，指标属性“+”表示该指标为正向指标，指标值越大评价越好；“-”表示该指标为逆向指标，指标值越小评价越好。新型城镇化指标体系综合反映了天津市新型城镇化过程中人口转变、产业结构转型、生活水平提高、土地利用类型变化等情况；水资源安全评价指标体系综合反映了天津市水资源系统承受压力、水资源禀赋条件、水资源开发利用、水环境污染及治理等情况。

表1 水资源安全与新型城镇化评价指标

1.2 数据来源

关于新型城镇化的相关数据主要来源于天津市统计局官方网站公布的2009年～2018年天津统计年鉴，水资源相关数据主要来自于天津市水务局公布的2009年～2018年水资源公报。

1.3 指标权重的确定

熵权法是一种客观赋权法，以信息熵理论为基础，目前在新型城镇化综合发展指数测算和水生态环境评价研究中均得到了广泛的应用。在信息论中，熵越小，系统越有序[9]，因此熵权法可以一定程度上反映新型城镇化发展与水资源安全动态演变发展过程的有序度。计算步骤如下：

(1)构建判断矩阵。假定共有n年数据，m个评价指标，建立判断矩阵X，即

(1)

通过极差标准化法得到归一化矩阵Z，标准化公式为

(2)

(3)

式中，Zij为指标标准值；xij为实际的指标值；xmax为指标实际最大值；xmin为指标实际最小值。

(2)计算各指标信息熵Ej，即

(4)

(5)

式中，fij为第i年第j个指标占所有年份该指标和的比重。

(3)计算各指标权重Wj，计算结果见表2。公式为

(6)

1.4 新型城镇化质量指数与水资源安全指数

通过线性加权法计算新型城镇化质量指数与水资源安全指数，即将各评价指标标准值与对应的指标权重的乘积线性相加，以反映新型城镇化与水资源安全的综合水平。计算公式为

(7)

(8)

式中，UIi为新型城镇化质量指数；WIi为水资源安全指数。

1.5 耦合协调度模型

耦合度可以度量系统之间相互影响的程度，但无法反映其影响是否为良性。耦合协调度模型则能够反映系统间通过正向促进作用而不断趋向和谐有序的发展过程[10]，可进一步度量系统之间的协调性，判断是否为良性耦合。计算公式如下[11]

(9)

T=α×UI+β×WI

(10)

(11)

式中，C为耦合度，0

借鉴以往学者的经验[12-13]，划分新型城镇化与水资源安全的耦合协调等级，见表3。

表3 耦合协调等级划分

2 实例分析

2.1 天津市新型城镇化质量综合指数

利用已有数据，结合上文所得权重，计算出天津市新型城镇化质量指数。2009年～2018年天津市新型城镇化综合指数变化过程见图1。从图1可知，天津市新型城镇化质量不断提高，“华明镇”模式成效显著。其中，经济城镇化增幅最大，这主要与第三产业的发展有关。根据天津市统计局官网统计年鉴，2009年～2018年天津市第三产业贡献率占比由37.6%增至87.2%，而第二产业贡献率则由62.0%降为12.8%，天津市不断向服务型创新城市转变，是天津市新型城镇化发展的主要原因。独具特色的“华明镇”模式，推动了城乡一体化的发展，使社会城镇化水平稳步提高。城市经济水平越高，意味着更高的公共服务水平，对人口的吸引力也就越大。根据天津市统计局官网统计资料显示，2009年～2018年，天津市常住人口由1 228万增至1 559万，外来人口占1/3，城镇人口占总人口比重的4/5，人口城镇化水平不断提高，但同时也给天津市有限的城市空间造成了巨大的压力。

图1 天津市新型城镇化综合指数变化过程

2.2 天津市水资源安全综合指数分析

天津市水资源安全指数2009年～2018年变化过程见图2。从图2可知，天津市水资源系统不断优化，水资源状态的提升最为明显，充足的降雨、水资源的有效开发利用、水环境的改善对水资源安全的提高起主导作用。

图2 天津市水资源安全综合指数变化过程

水资源压力指数总体呈下降趋势，尤其在2013年后较为明显，表明水资源系统承受的压力不断增加。新型城镇化进程中，产业结构升级与农业现代化使工农业用水效率有所提高，工农业水污染有所改善，2009年～2018年工业用水占比从24.6%降至19.1%，农业用水占比从56.0%降至35.2%，生活和服务业用水占比从14.6%升至26.1%，生态用水占比从4.8%升至19.6%，用水结构越来越合理。水资源系统所承受的压力主要来自于人口增长和服务业发展带来的用水需求和废水排放量的增加。此外，2013年国家启动生态文明城市建设，生态需水量的急剧增加也增大了水资源系统的压力。因此，水资源系统所承受的压力不减反增。

水资源状态指数整体呈现上升趋势，说明水资源系统的状态有所改善。2014年底，南水北调中线工程天津段正式通水，全市供水总量由2014年的24.1亿m3增加至2018年的28.4亿m3，气候对于水资源状态的影响逐渐降低。河长制、水利基础设施建设、绿色发展理念也进一步促进了天津市水资源状况的提高。

水资源响应指数呈现稳步上升态势，说明天津市对于水资源系统安全愈发重视。天津市政府通过加强宣传节水意识、治理水环境污染、增加水利相关投入等举措，在一定程度上缓解了水资源系统面临的压力，改善了水资源状况。

2.3 天津市新型城镇化与水资源耦合协调度时序分析

利用耦合协调度模型计算天津市新型城镇化系统与水资源系统的耦合协调度值并划分耦合协调度等级，见表4。从表4可知，天津市水资源与新型城镇化的耦合度始终接近于1，说明天津市新型城镇化与水资源系统关系紧密。天津市新型城镇化与水资源耦合协调度整体呈上升趋势，两者的关系趋于良性发展。2013年和2014年水资源安全综合水平较差，水生态文明城市的建设与干旱的气候使新型城镇化建设和水资源的矛盾重新凸显，协调度由中级协调回落为初级协调。2014年底，南水北调工程正式通水又使得两者的关系重新趋于稳定。

表4 水资源系统与新型城镇化的耦合协调度

根据新型城镇化质量指数与水资源安全指数的关系，可将2009年～2018年天津市新型城镇化与水资源的耦合协调发展分为以下2个阶段：

(1)2009年～2012年，新型城镇化质量指数与水资源安全指数较为接近，为城镇资源同步型，协调发展由勉强协调转变为中级协调。这一阶段，由于2009年经济危机对城镇化发展的冲击，天津市新型城镇化水平整体较低，其对水资源系统造成的压力可以被消化吸收，两者的矛盾并不凸显，但是稳定性较差。

(2)2013年～2018年，两者耦合协调度虽呈增长趋势，但水资源安全指数低于新型城镇化质量指数，为资源承载力受损型。这一阶段，新型城镇化建设不断推进，水资源由于整体水平相对较低，新型城镇化对水资源系统的胁迫作用越来越明显。虽然前期水资源安全受到气候条件影响而有所波动，但由于水环境改善、南水北调、水资源利用效率提高等因素，系统越来越稳定。