西北地区水资源与城市化耦合的时空分异规律

西北地区水资源与城市化耦合的时空分异规律

随着世界城市化进程的加快，城市化与生态环境的协调问题已成为世界战略问题。尤其在西部大开发过程中,科学认识城市化与资源环境的耦合机制是保障西部大开发战略顺利实施的关键。水资源作为联结城市化和生态环境的纽带,是城市化与生态环境协调发展的重要限制因子,因此如何协调水资源与城市化、生态环境之间的相互关系,对西北干旱区社会经济健康发展、人民生活水平持续提高、城市化战略有效实施等具有举足轻重的作用。从战略需求角度分析,加快城市化进程不仅是西北干旱区优化水资源配置、改善水环境质量、协调水资源与生态环境关系的过程,也是西北干旱区培育新的经济增长点和有效提高人民生活水平、优化产业结构和建设小康社会的过程。因此,从战略层面研究西北干旱区城市化与水资源环境耦合的时空分异规律具有重要的理论和实践意义。水资源环境与城市化系统之间客观上存在着复杂的耦合作用。国外学者对这方面的研究起步较早、领域较为广泛,如AtefAl等人对城市化与水质退化的关系、Ruth等人对城市化与地区水资源竞争、RLMorris等人对LasVegasValley的城市化与水资源保护关系等的研究。国内学者对水资源环境与城市化的关系非常关注,其中尤以我国西北干旱区水资源环境与城市发展问题研究居多,最具代表性的是方创琳、鲍超等人对西北干旱区水资源约束下城市化过程的理论探讨和规律分析,另外,在水资源约束下的城市发展模式、城市化进程中的水资源承载力,城市化与水资源环境的关系,城市化发展对城市气候的影响等方面也取得了较为显著的成就,为今后的继续深入奠定了坚实的理论和实证基础。国内外针对水资源环境与城市化系统耦合关系这一命题开辟了多样化的研究领域和视角,但仍显不足,如对水资源约束城市化的机制认识仍较模糊;城市化对水资源环境的胁迫作用研究多,对约束与胁迫的耦合研究较少等等。有鉴于此,本文以西陇海兰新经济带甘肃段为例,在构建水资源环境与城市化系统耦合评价指标体系基础上,采用灰色关联分析(GRA),定量揭示了西北地区水资源环境与城市化系统耦合的时空分异规律,在此基础上提出了水资源环境与城市化系统耦合协调发展的对策建议。1西陇海兰新经济带甘肃段地域合作共建西陇海兰新经济带是以陇海铁路西段和兰新铁路以及同方向的高等级公路、通讯干线等为轴线,以沿线呈串珠状展开的省会城市和地级城市为节点,以其广大农村和周边地区为腹地,宽度大约在100～150km范围内的地带构成的经济区域,推进城市化是其减轻生态压力、克服生态脆弱劣势和有效利用资源的必然选择,也是全面建设小康社会的必由之路。西陇海兰新经济带甘肃段(以下简称甘肃段)是甘肃经济发展的轴心地带,其地域范围包括兰州、天水、定西、白银、武威、张掖、金昌、酒泉和嘉峪关等9个地级市和46个县(市辖区)(图1),分别占全省的64.3%和53.5%,集中了全省48.4%的乡镇。截止2007年底,甘肃段人口1623.13×104人,占全省总人口的62%,其中非农业人口占全省77.3%的,年末耕地面积2086973.3hm2,占全省的61.3%、地区生产总值2108×108元,占全省的78.7%,其中集中了全省80.1%的工业总产值,84.1%的建筑业总产值以及86.7%的批发零售业总产值,是甘肃省的“黄金线”和“生命线”。2学习方法2.1指标体系的建立水资源环境与城市化系统耦合作用是极其复杂的,采用单一指标无法真实反映两者之间的内在机制和规律。有鉴于此,借鉴刘耀斌关于城市化与资源环境耦合的研究成果,遵循科学性、可获得性、区域性、动态性等原则,采用频度分析法、理论分析法和专家咨询法得到一般的测度指标体系,考虑到指标间的信息重叠问题,在此基础上再采用相关系数法和主成分分析法对一般的评价指标体系进行“筛选”,得到最终指标体系(表1)。对于指标体系的建立需要说明的是:(1)部分指标考虑到数据的可靠性及时效性,人均工业增加值用人均第三产业产值作为经济效益的衡量。(2)“环境载荷”是生产过程直接排放和总排放产生的环境压力,是作为环境压力的绝对量,而“环境压强”是一个相对量的概念。(3)水质作为水环境的一个重要指标并未采用,是因其观测值一般以河流为单位,且这些河流多为跨界河流,无法将其具体到某一城市,因此在此未能考虑。2.2灰色关联度分析本文以城市作为基本研究单位。采用1990-2008年中国城市统计年鉴、1990-2008年甘肃统计年鉴、1991-2008年甘肃省水资源公报、甘肃省及各州市统计年鉴、国民经济和社会发展统计公报及环境公报等作为主要数据源,鉴于指标的原始数据量纲不同,为便于各城市之间的横向对比,在进行灰色关联度(GRA)分析之前,采用了极差标准化方法,对数据进行无量纲化处理:Zij=(Zij−miniZij)/(maxiZij−miniZij),(1)Ζij=(Ζij-miniΖij)/(maxiΖij-miniΖij),(1)式中:Zij是指标标准化值;Zij为某一指标属性值,maxiZijmaxiΖij、miniZijminiΖij分别为某一指标的最大值和最小值。2.3水资源环境与城市化系统耦合强度m灰色关联度分析(GRA)对于系统发展变化态势提供了量化的度量,非常适合动态历程分析。为揭示水资源环境与城市化系统的耦合关系,采用刘耀彬提出的关联度模型和耦合度模型,首先从灰色关联度入手,其关联系数为:式中:ZXiiX(t),ZYjjY(t)分别为各个区域t时刻水资源环境与城市化系统指标的标准化值。ρ为分辨系数,一般取值0.5。ξi(j)(t)为t时刻的关联系数。将关联系数按样本数K(K既可取时间序列求得变量间的时序变化,也可以截面数据求得变量间的空间作用关系)求其平均值可以得到一个m×l的关联度矩阵γ,反映了水资源环境与城市化系统耦合作用的错综关系。通过比较各个关联度γij的大小,可以分析出水资源环境中哪些因素与城市化发展关系密切,而哪些对城市化系统作用不大。若γij=1,则说明水资源环境系统某一指标ZYjjY(t)与城市化系统某指标ZXiiX(t)之间关联性大,并且说明ZXiiX(t)与ZYjjY(t)的变化规律完全相同。γij介于0与1之间,γij值越大,关联性越大,耦合性越强,反之亦然。当0<γij≤0.35时,关联度为弱,两系统间耦合作用也弱;0.35<γij≤0.65时,关联度为中,两系统间耦合作用中等;0.65<γij≤0.85时,关联度为较强,两系统间耦合作用较强;0.85<γij≤1时,关联度为极强,耦合作用极强。在关联度基础上分别按行或列求其平均值,分别得到式(3)。根据其大小及对应的值域范围遴选出城市化对水资源环境主要胁迫因素,以及水资源环境对城市化主要影响因素。式中:γij为关联度;l,m分别为城市化系统与水资源环境系统的指标数。为了从整体上判别水资源环境与城市化系统耦合强度的大小,在式(1)的基础上构造水资源环境与城市化系统耦合度模型(式4),通过该模型可以从时空角度定量评价区域水资源环境与城市化系统耦合的强度。其计算公式如下:式中:C(t)为两系统的耦合度;其余各指标含义同上。耦合度原指计算机方面之间的链接紧密程度,本文用在分析水资源环境系统与城市化系统的关系,指二者之间的联系程度和彼此影响程度,其物理意义是:耦合度越高,二者之间的联系越紧密,相互影响越大,制约性也就越强。3结果与讨论3.1资源环境与城市化系统耦合作用强度水资源环境与城市化系统各要素之间的联系和反馈是紧密的,系统之间的相互耦合作用是复杂的,不仅表现在各自要素相互作用的交错和复杂性,还表现在时空上的规律性和阶段性。为揭示甘肃段水资源环境与城市化系统耦合的时序变化规律,取历年各城市样点为截面数据,利用公式(4)求得甘肃段1989-2007年水资源环境与城市化系统耦合度(图2)。可以从图2总结出甘肃段水资源环境与城市化系统耦合度具有如下特点:(1)耦合度总体呈波动下降趋势。从1989-2007年以来,其耦合度从0.665～0.635之间变化,整体呈下降趋势,且具明显的波动性。对于地处西北地区的甘肃段来讲,近年来通过宏观政策的倾斜及政府的大力调控,水资源环境与城市化系统的矛盾已得到遏制。以黑河流域为例,魏智等人研究表明:分水后黑河下游地下水位上升0.2～0.4m,地下水可开采储量增加约0.17×108m3,使下游生态环境的恶化得到一定程度的遏制,中上游地区城市化过程与下游地区水资源环境之间的耦合作用强度应表现为减小趋势,图2显示的结果也正好印证了这一结论。(2)内部存在差异,符合“各态遍历假说”1。从图2可见耦合度整体呈波动下降趋势,但在1989-2007年期间出现两次耦合度无变化,分别为1996与1997均为0.647、2003与2004均为0.642,据此可将其分为三个短时间序列,其间隔周期大致为6～7a,说明其变化具有复杂性,对比其曲线发现其具有相似性的特点,表现为类似组合倒“S”型特征,这可以进一步从“空间局域谱”得到佐证(图3:右),表明水资源环境与城市化系统满足“各态遍历假说”,说明水资源环境与城市化系统耦合具有复杂性。3.2人口城市化与耦合合度的关系分析耦合度的空间分异可以更清楚的揭示甘肃段水资源环境与城市化系统耦合的空间作用特征。以各城市时间样点为截面数据,利用公式(4)求得甘肃段各城市耦合度,采用ArcGIS的Jenks分类法将耦合度分成三级(图3:左);同时以各市2007年非农业人口比重为横轴,以9个城市的耦合度为纵轴研究人口城市化与耦合度的关系(图3:右)。从空间上来看,酒泉、张掖、武威、天水、定西耦合度较高,金昌、白银次之,兰州、嘉峪关较小。从图3(右)可以看出:人口城市化水平与耦合度之间并没有一一对应的关系,而是成一种复杂的变化关系,即随着人口城市化水平的提高,耦合度表现出组合型“S”变化特征。按照耦合度划分标准,其耦合度均属中等或较强,但考虑到不同城市其耦合作用显著的差异,因此对其进行进一步的细化,结合人口城市化可将甘肃段9市分为:低城市化高耦合度、中城市化中耦合度、中城市化高耦合度及高城市化低耦合度4种类型2。(1)水利加强环境分析主要包括定西和武威两市,其耦合度分别为0.652、0.648。长期以来社会经济发展与用水关系比较紧密,备受关注。武威市以祁连山冰雪融水形成的石羊河为主要水源,因平原地势平坦,光热资源充足,是甘肃省水利建设的重点地区,也是河西商品粮基地建设的重要组成部分。随着城市化的推进,长期水资源利用结构不合理导致水资源矛盾异常尖锐,例如因上下游用水矛盾引发的冲突自隋唐以来连续不断,最早记载的康熙六十一年(1722年)的洪水河案,其后的羊下坝案、白塔河案等,及至1962年震惊一时的“炸坝事件”,社会经济发展与用水关系问题突出可见一斑。定西境内虽有洮河、关川河,但洮河属于“边缘”河,关川河已断流多年,人水关系长期以来就比较严峻,因此其水资源环境与城市化系统耦合作用强烈,耦合度亦属较高。(2)白银市地表水资源量现状主要包括金昌、白银,其耦合度分别为0.645、0.637,两市虽分属不同流域,但均为资源型城市。金昌市因盛产镍而闻名于世,誉为“镍都”,亦是全国108个重点缺水城市和13个资源型缺水城市之一,20世纪80年代以来,由于受全球气候变暖、上游过度开荒等因素影响,地表水资源呈逐年减少趋势。2007年,全市人均地表水量为123.49m3,亩均地表水量按总耕地面积计为69.65m3,远低于全国和全省平均水平。白银市境内有黄河、祖厉河,但祖历河因水中含有大量矿物质,不能灌溉和饮用,无资源价值;降水分布不匀,使得该区气候特征为典型的“旱情年年有,三年两头旱,十年一大旱”。2007年人均地表水资源量64.01m3,亩均地表水量为24.96m3,两市人水关系问题均较突出,因此,水资源环境与城市化系统耦合作用强度较大,耦合度为中等。(3)水资源环境与城市化系统耦合的必要性分析主要包括张掖、天水、酒泉3市,其耦合度分别为0.649,0.651,0.648。这3市均为水资源条件较好的城市,其城市化发展水平相对较高,从结果看水资源环境与城市化系统耦合度高,其协调性较差,说明水资源环境与城市化系统耦合的相互作用强,对比(2)和(4)可以发现:水资源环境与城市化水平之间存在倒“U”型关系,在城市化水平未达到“拐点”之前其水资源环境处于恶化状态,水资源环境与城市化系统耦合作用增强,当越过“拐点”之后(如嘉峪关、兰州)其耦合作用减弱,耦合度减小,因此对于中小城市应进一步加快城市化发展步伐,使水资源环境与城市化系统耦合早日出现“拐点”,达到水资源环境与城市化系统耦合“共赢”状态。(4)两组居民生活水气状况比较主要包括兰州和嘉峪关2市,其耦合度分别为0.629,0.630。其人口城市化水平达到60%以上,为城市化后期阶段,城市人口和工业经济占绝对主导地位,2007年第二产业比重分别为45.87%和81.59%,城镇居民家庭可支配收入分别为10271.18、13442.43元,两市经济、社会水平远远高于甘肃段平均水平,经济发展处于成熟阶段。相应的,其对于水资源环境的适应和调控能力也较强。据资料显示:2007年,两市饮用水源水质达标率分别为100%、100%,工业废水达标率分别为90.86%、99.8%,城镇生活污水处理率分别为60.28%、75.2%。由此可见,当城市化水平达到一定阶段后其有能力对水资源环境进行局部改观,在一定程度上减弱了水资源环境与城市化系统的耦合作用强度,使得二者向耦合度减小方向发展。以此为参考,城市化阈值应为至少在60%以上。3.3其他城市的空间结构特征水资源环境与城市化系统耦合作用存在时空分异,从整体上研究其规律可以从宏观上把握其特征及演化,因此笔者根据3.2将1989-2007年分为三阶段(1989-1995、1996-2001、2002-2007),按照式(4)以时间序列为截面数据计算三阶段各城市耦合度及平均值,利用Jenks分类法对各城市耦合度划分(图4)。从图4可知:1989-1995年武威(0.644)、定西(0.653)两市耦合度较高,兰州(0.607)、金昌(0.608)较低,其他城市介于0.621～0.633之间,1996-2001年白银(0.647)、嘉峪关(0.646)、酒泉(0.639)较高,定西最小(0.606),其他城市介于0.619～0.629之间,2002-2007年定西(0.634)、天水(0.632)、金昌(0.631)较大,兰州最小(0.608),其他城市介于0.618～0.629之间。从多年平均结果看(图4右下),武威(0.633)、定西(0.631)、白银(0.630)较大、兰州最小(0.611),其他城市介于0.623～0.627之间,其空间结构表现为以兰州为中心向外耦合度“先升高后减小”的特征。按照“核心-边缘”理论,兰州市作为区域经济增长核心,对周边地区具有“汇流”效应,这种“汇流”产生大城市对中小城市的“资源剥夺”作用,距离越远这种作用力越小。主要原因是:一方面中心城市将一些低耗水、低污染的产业吸引进城市,使得自身城市化水平不断提高,水资源环境与城市化系统联系紧密程度相对较弱,其耦合度相对较低;另一方面,周边中小城市接受大城市的辐射带动作用弱,其产业