城市空间水环境胁迫影响机理分析——基于GWR模型

韩 枫， 申泓彦， 王 威， 魏 磊

（1.河南省水文水资源局，郑州 450003； 2.河南省科学院，郑州 450002）

环境胁迫（environmental stress）指环境因素的量接近或超过有机体、种群或群落的一个或多个忍耐极限时造成的胁迫作用. 城市空间水环境包括城市自然水体和人工水体，是城市生态系统的重要组成部分［1］.在城市内部空间发展作用下，水环境受胁迫程度不断提升. 通常情况下，城市空间的动态性调整，加快了经济发展和产业发展，增加了人口空间集聚性，对水环境，如水温、水质等产生重要影响，使城市水环境质量恶化. 同时，城市内部空间的调整通常伴随土地开放程度调整与区域开放政策调整，进而对城市空间内环境治理能力及水环境产生重要影响［1-2］. GWR（Geographically Weighted Regression），即地理加权回归，是一种空间计量的常用方法. 杨媛媛等［3］应用GWR模型，对贵州省耕地集约利用水平时空变化特征进行分析，并探讨了影响区域内耕地集约利用水平的主要因素，为提升区域耕地集约利用水平提供了科学参考. 高甜等［4］应用GWR模型，对中国省际用水效率及其影响因素进行分析，指出不同影响因素对各省的用水效率影响程度存在差异，其中受教育年限影响因素对用水效率的影响最为明显. 为有效研究城市空间水环境胁迫影响机理，本文以中国东南地区为例，运用GWR模型对城市空间水环境影响机理指标进行定量检验分析，以期为城市空间水环境治理、推进城市经济与水环境协调发展提供参考与借鉴.

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

根据2003年“中国（大陆）区域社会经济分析”报告中的社会经济区域划分标准，中国东南地区包括浙江省、湖北省、湖南省、江西省、上海市、江苏省与安徽省等地区，共622个县区. 该区域总面积为73.564万km2，气候类型包括亚热带季风气候、大陆性亚热带季风温润气候等，七月平均气温在30 ℃，一月平均气温在5 ℃，年平均降水量在1200～2300 mm. 据知网大数据研究平台数据分析，2019年东南地区城镇化水平达65.7%，区域人均GDP为8.7万元. 该地区各城市的水资源丰富，径流年际变化大. 根据《中国统计年鉴2019》全国各省市区社会经济发展指标数据显示，2019年东南地区主要城市污水排放总量（上海市、杭州市、南京市、长沙市、武汉市、南昌市）为1 716 870.6万t/a，COD超标率为27.1%，氨氮超标率为27.1%，总磷超标率为16.7%，区域污染较严重.

1.2 数据来源

研究涉及自然环境要素、人类活动要素、水质监测等数据内容. 数据主要来源地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn）、中国气象科学数据中心（http：//data.cma.cn）、国家地球系统科学数据中心（http：//www.geodata.cn/）、中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）以及2017—2019 年东南地区42 条主要河流、3个湖泊的85个采样点的监测数据（各地生态环境局）.

2 城市空间水环境胁迫影响机理分析

2.1 指标选取

综合相关文献分析，城市空间水环境受经济发展水平、产业发展情况、人口空间性聚集程度、环境治理能力、土地开放程度、区域开放政策等因素影响较为明显［5-8］. 据此，选择以下影响机理指标进行分析，具体如表1所示.

表1 城市空间水环境影响机理指标Tab.1 Influencing mechanism index of urban spatial water environment

2.2 模型选择与构建

根据上述分析，选择包括空间位置与相关特性的加权回归模型（GWR），对东南地区的城市空间水环境影响机理进行分析. 公式表示为：

式中：i表示东南地区622个县区；yi表示第i个区县的水环境效应指数；xik(k=1,2,…,6 )表示表1中的6个指标；βik表示回归系数；εi表示随机误差项.

由于地理空间存在溢出效应，距离相近的事物关联性极为紧密，因此引入权重矩阵，表示指标的相对重要性［7］. 公式表示为：

2.3 GWR模型计算结果与分析

如表2所示，修正模型后残差平方和为0.145，与预期结果相符，表明该模型能够有效反映出各影响机理指标对城市空间水环境胁迫影响的相关关系，结果如下.

表2 城市空间水环境影响机理指标检验分析Tab.2 Test and analysis of influencing mechanism index of urban spatial water environment

结合表2检验分析结果，对各项指标进行分析.

第一，经济发展水平回归系数均值为0.007 9，表明经济发展水平指标对城市空间的水环境胁迫产生正向影响. 具体表现为：区域经济发展水平高在一定程度上增加了工业点源污染、城市生活污染等，加剧了东南地区水污染效应，与实际理论分析情况相符合［10-11］.

第二，产业发展情况回归系数均值为-0.084 6，表明产业发展情况指标对城市空间水环境胁迫产生负向影响. 结合中国东南地区主要城市产业发展情况分析，总结出城区多以绿色、低碳基础产业以及消费与服务产业为主，生活污水排放较集中，收集率较高，且污水处理能力相对较强，城市小流域土地利用生态化明显，改善了城市河流水环境质量［14-17］.

第三，人口空间聚集程度回归系数均值为0.096 5，表明人口空间聚集程度指标对城市空间的水环境胁迫产生显著正向影响，且该指标的正向影响高于经济发展水平指标影响. 孔令健等［10］相关研究指出，安徽阜阳市泉河等污染物主要来源于污水厂尾水，究其根本原因为地区人口密度大，且气温较高，人均日用水量普遍较高，城市污水量大. 即使东南地区的污水处理率在95%以上，生活污水仍成为水环境污染物的主要来源. 根据张倩［9］相关研究，合肥市水环境污染源主要来源生活污水，其中氨氮占比为45.5%；TP 占比为41.3%. 同时，东南地区的地形多平缓，水系的流动性不高，河流流速较为缓慢，水环境的净化能力相对较低，在生活污水大量排放的情况下，水环境的生态功能逐渐退化［9，18］. 因此，在未来城市空间规划过程中，政府应注意协调人口空间分布和水环境可持续发展的关系，降低人口空间聚集程度，缓解城市空间水环境压力［19-21］.

第四，环境治理能力回归系数均值为-0.110 9，表明通过政府对水环境保护的持续投资，能够收到良好的水环境优化效果，对城市空间水环境胁迫产生显著负向影响. 结合经济发展水平、产业发展情况、人口空间聚集程度三项影响机理指标分析可知，城市中心区域应为水环境保护的集中地［7，14］. 由此可见，环境治理能力对水环境可持续发展的重要性，在具体实践中应持续加强城市中心区域的环境保护管制力度，以降低水环境承载负荷［22］.

第五，土地开放程度回归系数均值为0.002 1，表明土地开放程度越高，水系河网结构受到破坏的可能性越大，降低了水环境的承载能力，对城市空间的水环境胁迫产生正向影响. 由于东南地区的土地开放程度高，建成区面积较大，老城区与新开发区域的管网衔接存在混接、错接等问题，导致管网截污不到位，加剧了水环境的污染负荷［9］，孙巍和张文胜［11］相关研究指出，导致武汉黄孝河黑臭的主要原因是管网截流污水不彻底. 同时，东南地区雨量充沛，降水对城市生活垃圾产生直接冲刷影响，污染物随地表径流进入水体的概率、数量持续增加，造成水环境污染加重.

第六，区域开放政策回归系数均值为-0.001 4，表明区域开放政策对城市空间的水环境胁迫产生负向影响. 即通过区域开发政策实施，可以有效调整城市的生态功能区规划，进而提高城市产业经济发展的规范性，提高生态环境与城市经济发展的协调性，降低水环境的污染负荷［8，22］. 同时，区域开放政策进一步明确了土地开放强度，有效避免了人口过度集聚，为城市空间的水环境可持续发展起到了重要作用.

3 结论与建议

以城市空间水环境胁迫影响机理分析为切入点，以中国东南地区为例，探索出水环境影响机理指标主要包括经济发展水平、产业发展情况、人口空间性聚集程度、环境治理能力、土地开放程度、区域开放政策［2-3］.为研究以上6个指标对水环境胁迫的影响，探究其空间相关性，选择包括空间位置与相关特性的加权回归模型（GWR），对东南地区的城市空间水环境影响机理指标进行定量检验分析，得出以下主要结论：

1）经济发展水平、人口空间性聚集程度、土地开放程度回归系数均值分别0.007 9、0.096 5、0.002 1，表明这三项影响机理指标对城市空间水环境胁迫产生正向影响. 由于中国东南地区资源丰富，经济较发达，人口密集度高，土地开放强度大，造成生态空间被挤占，所以该地区的人均日用水量高，污水排放量大，加剧了水环境的污染负荷.

2）产业发展情况、环境治理能力、区域开放政策回归系数均值分别为-0.084 6、-0.110 9、-0.001 4，表明这三项影响机理指标对城市空间水环境胁迫产生负向影响. 由于东南地区的城市产业布局相对合理，环境治理投入资金较大，生态功能分区较为科学，城市水环境综合治理水平较高，改善了城市河流水环境质量，一定程度上降低了水环境污染效应.

为推进东南地区城市空间水环境与经济协调、可持续发展，提出如下建议：

第一，生活污水控制. 针对上述东南地区生活污水排放问题，建议进一步完善管网建设，并对已建成污水管网进行全面巡检，避免出现雨污管道错接、混接等情况［9，11］. 同时，东南地区要加强对污水处理厂运行进行监管，对其污水处理能力进行评估，针对污水处理不达标情况，提出改造建议. 另外，东南地区应综合运用新型污水处理技术，如厌氧区碳源分流多级AO工艺、河道水陆生态界面重建与污染拦截技术等，降低水体污染程度.

第二，工业点源控制. 东南地区应严格选择新增加的工业企业，力争在源头控制工业污染进入；加强工业园区污水集中处理设施建设，保证园区内污染物排放达到相关标准；对产业结构进行进一步优化功能布局，提高工业排污监管力度，针对未稳定达标的污水处理设施进行集中整治等［12，21］.

第三，城市面源污染控制. 东南地区应综合运用截流、渗透、储存、传输方式，在源头上控制雨水径流污染物. 同时，进一步优化设计和维护排水管道，做到雨水与污水分流排放. 在面源污染末端，通过生态技术与人工技术降解污染物的方式，减少面源污染进入水体中. 除此之外，东南地区应构建完善的城市水体补水净化方案、水利调控方案等，为提升水环境净化效果提供保障［22-23］.