随着我国城镇化和工业化的加快推进, 水资源作为基础性的自然资源和战略性的经济资源得到完全体现^[1]。党的十九大报告对新时代生态文明建设做出重大部署, 明确了建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计, 对水要素等资源节约与保护工作提出了更高要求^[2]。当前城市群已成为推进我国新型城镇化的重要模式, 但随着进程的加快, 城镇密集区域水资源供需与水环境污染问题日益日趋严峻, 社会经济发展与水资源、水环境矛盾逐渐凸显, 水资源约束成为城镇化发展的关键因素^[3], 其变化对城镇化发展具有深远影响。因此, 探讨水资源与城镇化发展之间的关系与规律, 量化两者之间的变化态势, 对于促进城镇化进程与水资源的可持续协调发展, 保障新型城镇化战略的顺利实施具有重要的理论及现实意义。

近年来, 国内外学者从多个领域对水资源和城镇化两者间相互关系开展了大量研究, 并取得了一系列成果。国外对城镇化与水资源两系统关系方面的研究起步较早^[4], 重点围绕城镇化发展对水资源的需求与影响^[5]、水资源对城镇化的支撑与限制^[6]、水资源重复利用与污染处理等^{[7, 8]}方面开展。国内主要集中在城镇化与水资源系统的耦合效应与协调度^{[9, 10]}、城镇化进程中的水资源承载力评价^{[11, 12]}, 城镇化发展过程及水生态效应^{[13, 14]}、水资源对城镇化的约束强度^[15]、水资源约束下城市化的阈值以及城镇化发展的模式^{[16, 17]}、水资源约束下的城镇体系发展和城镇开发安全预警^{[18, 19]}、城镇化过程中产业结构变化对工业用水的影响^[20]、水资源管理模式和水资源配置方案分析^[21-24]等。但总体而言, 探讨城镇化发展与水资源利用响应关系的定量研究还较不足, 同时对于城镇化进程速度快, 生产生活用水较大的城市群的研究较为不足。基于此, 本文选取相关指标, 建立城镇化发展水平与水资源开发利用评价体系以及响应关系模型, 判别分析2001-2015年长株潭城市群城镇化发展与水资源开发利用的主要影响因素、变化特征及两者的响应关系, 以期为缓解城镇化进程中水资源供需之间的矛盾, 优化调控水资源提供参考。

1 研究区域与研究方法 1.1 研究区域水资源特征

长株潭城市群地处湖南省中东部, 是该省城镇化快速发展地区。该城市群是全国"两型"社会建设综合配套改革试验区以及新型城镇化综合试点地区, 土地面积2.8万km², 2015年总人口1425.6万人, 城镇化率67.74%, 较湖南省平均水平高14个百分点, 国内生产总值12548.34亿元, 占全省GDP的43.42%。

长株潭城市群区域内水系发达, 其水源主要是湘江及其支流。根据湖南省水资源调查评价, 长株潭三市水资源总量多年均值为236.15亿m³。尽管长株潭城市群水资源总量相对丰富, 但仍存有一些问题:①人均水资源量不足, 水库蓄水能力不强。人均水资源量为2082m³, 其中长沙市仅为1460m³, 用水趋于紧张状态; ②水资源开发利用程度高, 用水总量已接近控制红线指标。如长沙市与湘潭市的水资源开发程度已接近或超过其上限值, 水资源利用率分别为39.1%、51.7%;③水资源浪费现象严重, 水环境问题突出。城市供水水源单一, 用水方式粗放。如工业增加值用水量是全国平均水平的1.5倍。且冬季节长株潭湘江河段秋水位偏低, 生态用水不足, 突发性水污染事故风险大^[25]; ④水资源时空分布不均, 地域上湘江以东降水量多于湘江以西, 时间上年际变化较大, 湘江流域降水量的60%-70%集中于汛期(3-7月), 11月-2月降水量仅占15%以下, 导致春夏多洪涝, 秋冬多干旱^[26]。

1.2 指标体系和研究方法

根据长株潭城市群城镇化发展程度和水资源利用状况, 基于数据的可获得性, 构建城镇化综合发展水平和水资源综合利用评价指标体系, 并对两者的响应关系进行量化分析。具体方法和步骤如下所示:

(1) 通过数理统计、理论分析和专家咨询得到初选指标, 结合相关研究, 从人口状况、经济发展、社会效益和空间布局四方面评价城镇化综合发展水平^[27]。从水资源自然禀赋、水资源利用效率、水资源用水负荷、水资源利用程度、水资源管理质量五方面评价水资源开发利用状况^[28]。

(2) 运用SPSS软件, 首先对变量间相关系数较高的指标予以剔除, 但保留部分经定性分析后对评价体系影响较大的指标。为了让指标体系既精简又全面的涵盖所有信息, 再采用因子分析, 将累计贡献率超过85%的指标提取出来, 去掉多余因子, 由此得到长株潭城镇化与水资源利用综合评价指标体系(表 1)。

(3) 由于层次分析法(AHP)和专家打分法是主观赋权法, 权重结果依据经验确定, 客观性较差。而熵权法是一种以实际资料整理、分析, 计算得出权重的客观赋值法, 熵值越小, 则该指标所含信息量越大, 所赋权重也越大。因此, 为了更准确地反应各指标间的相互关系, 本文结合熵权法对计算得出的初始指标权重进行修正^{[14, 29]}。因各评价指标量纲、量级不同会对评估结果造成影响, 需要先对各指标进行标准化处理, 运用梯形模糊隶属度函数将所有指标数值转化为[0, 1]之后进行综合计算。

正向指标的计算函数:

(1)

逆向指标的计算函数:

(2)

式中, Y_ij表示i年第j个指标标准化处理之前的指标数值; Y_ij^'表示i年第j个指标标准化处理之后的指标数值; Y_{i min}、Y_{i max}分别表示第j个指标在研究期间(共i年)内的最小值和最大值;

设共有n个评价指标, m个评价对象, 公式如下:

(3)

式中, H_i表示第i个指标的输出熵值; k_ij表示第i个指标下第j个评价对象所得权重占该评价指标总权重的比例; W_{2 i}表示第i个指标的输出熵权; W_1i表示层次分析法得出的信息权重; W_i表示最终组合权重; i = 1, 2, ···, n; j = 1, 2, ···, m。

(4) 根据熵权法修正之后的指标权重和标准化处理之后的指标值, 逐层加权分别计算综合指标及各个分量指标指数。以城镇化综合发展水平指数(S)为例, 计算公式为:

(4)

式中, S_i表示城镇化综合发展水平第i年的指数值; W_ij表示城镇化综合指数第j个分量指标在整个评分体系中的熵化权重。

(5) 构建水资源对城镇化的响应度模型, 揭示水资源开发利用对城镇化进程的响应程度。计算公式^{[14, 30]}如下:

(5)

式中, φ_j为T时期内水资源开发利用综合潜力指数k分量对城镇化的综合响应度; θ_k(t)为t年水资源综合潜力指数k分量对城镇化的响应系数; F_t^c为t年的城镇化综合发展水平指数; β_kt为t年的水资源综合潜力指数k分量数值; dβ_kt/dF_t^c为t年的水资源综合力指数k分量对城镇化的导数; k = 1, 2, ···, m; t = 1, 2, ···, n。

(6) 应用SPSS软件, 分别对水资源各分量与城镇化各分量之间的相关关系进行分析, 得到一个5×4的相关系数矩阵, 根据得出的相关系数r及其对应P值, 分析研究区域城镇化发展与水资源利用之间的关联性。

1.3 数据来源

本研究所需的水资源本底数据与水资源利用数据、城镇社会经济发展与污染等数据来源于《湖南省统计年鉴》 (2001-2015年)、《湖南省水资源公报》(2001-2015年)、《湖南省环境公报》(2001-2015年)及长沙、株洲、湘潭三市的水资源公报、统计年鉴与环境公报, 或依据有关数据资料整理计算获得。

2 结果分析 2.1 城镇化综合发展水平评价

长株潭城市群城镇化综合发展水平各评价指标的权重见表 1所示。由表 1可以看出, 在影响长株潭城市群城镇化综合发展水平的四个分量评价指标中, 影响力从小到大依次是:城镇空间布局(0.195)、城镇人口状况(0.248)、城镇社会效益(0.267)和城镇经济发展(0.290), 这说明相对于其它指标而言, 经济发展状况对区域城镇化的综合发展水平影响较大。在选取的19个指标中, 对长株潭城市群城镇化影响的主要因素有单位面积城镇人口数、城镇人口比重、非农从业人员比重、人均GDP、非农经济密度、城镇居民人均可支配收入、高等教育占比、城镇密度、交通运输网密度等, 这9个指标的权重之和占比80.7%。其他指标权重均不超过5%, 影响较小。

由图 1可知, 2001-2015年, 长株潭城市群城镇化进程指数及人口状况指数、经济发展指数、社会效益指数均逐年上升, 呈稳步增长趋势, 城镇空间布局指数呈波动上升态势。但总体而言, 经济城镇化、社会城镇化及城镇化综合发展指数落后于人口城镇化与空间城镇化指数, 这说明城镇规模的扩大是推进长株潭城市群城镇化进程的主要驱动因素, 具体表现为空间形态由乡村景观向城镇景观转型、土地利用由农用地向建设用地转变、人口由农村向城镇转移。2001-2015年长株潭城市群建成区面积扩张了1.2倍, 市区用地规模增加了1096.67km², 人均建成区面积从20.1m²增长到了32.4m², 增幅达62%。区域城镇人口比重由2001年的41.4%提高到2015年的67.74%, 年均提高1.76%。在此期间, 经济城镇化和社会城镇化发展相对滞后, 由此反映城镇化进程中的经济和社会效益有待提升, 城镇化的发展质量有待提高。2007年后, 区域经济城镇化指数和社会城镇化指数增速加大。这很大程度上得益于长株潭城市群获批国家两型社会建设综合配套试验区以来, 坚持实施最严格的耕地保护和节约用地制度, 空间快速扩张及乱占滥用土地的势头得到了有效控制, 同时注重城镇化发展的内涵建设, 区域经济社会效益显著提高。

2.2 水资源开发利用特征

本文将影响长株潭城市群水资源开发利用水平的因素划分为五个分量指标, 影响作用从小到大排列依次是:水资源自然禀赋(0.105)、水资源利用程度(0.189)、水资源利用效率(0.218)、水资源用水负荷(0.234)、水资源管理质量(0.254), 其权重见表 1所示。在选取的16个具体指标中, 水资源开发利用率(0.138)、人均水资源拥有量(0.093)、万元GDP用水量(0.097)、万元工业增加值用水量(0.069)、工业用水量(0.149)、工业废水达标排放率(0.077)、万元工业增加值废水排放量(0.07)、城镇污水处理率(0.083)等8个指标的权重均大于6%, 总权重为77.6%。其余8个指标权重合计占比不足1/4。

由图 2可知, 2001-2015年, 长株潭城市群水资源开发利用综合潜力指数保持稳步增长的趋势, 从2001的0.2857增长到2015年的0.7385。期间水资源利用程度与水资源自然禀赋动态变化的趋势基本一致, 且区域水文条件对其影响较大, 最低值出现在2011年。主要原因是由于该年份长沙、株洲、湘潭三市的降水量较2010年分别下降32.8%、40.9%、37.2%, 比多年平均降水量减少27.5%, 属枯水年份。该年长株潭城市群的水资源总量为157.89亿m³, 而近15年水资源丰年为319.7亿m³, 只有丰年一半的水量。

长株潭城市群水资源利用效率指数和水资源管理质量指数均呈现快速增长态势, 基本保持同步增长。万元GDP用水量和万元工业增加值用水量呈快速减少趋势, 分别由2001年的600.53m³、355.30m³减少至2015年的63.4m³、47.6m³;灌溉亩均用水量也有所下降, 由653.33m³减至477.05m³。与此同时, 2001-2015年工业用水重复利用率和城镇自来水普及率分别由34.25%、93.98%提高到87.64%、99.46%, 工业废水达标排放率由84.68%增长到95.79%, 城镇污水处理率则增幅显著, 由24.5%上升到96.41%。研究区域水资源用水负荷指数总体呈逐年下降趋势, 但在2011年以后有所上升。这说明随着城镇化进程的加快由此对用水需求不断增加, 用水负荷压力不断加大。由于长株潭城市群处于城镇化快速发展阶段, 大量农村人口向城镇转移, 农村居民生活用水量不断减少。同时随着用水效率的不断提高, 农田灌溉需水量呈逐渐下降态势。但总体而言, 农业用水量减幅不大, 用水总量仍较多。2001-2015年期间农业用水量仅减少18.75%, 仍占总用水量的58.9%。另外, 值得注意的是, 虽然在此期间万元工业增加值用水量减幅较大, 但由于区域工业化快速推进, 期间工业用水量增加了55.7%。目前长株潭城市群正处于城镇化与工业化的加快发展阶段, 随着最严格水资源管理制度("三条红线"和四项制度)等有关规定的实施, 严格实行用水总量控制与提高用水效率, 未来一段时期长株潭城市群用水负荷压力仍较大。

2.3 水资源利用对城镇化发展的响应度 2.3.1 水资源对城镇化发展的响应关系

利用SPSS软件, 采用线性回归模型、幂函数模型、指数模型、对数模型、二次模型、三次模型、逻辑斯蒂模型等对城镇化与水资源开发利用各分量的关系进行曲线拟合, 通过比较拟合优度, 选取其三次模型建立响应方程。并由得出的响应方程进一步计算出水资源各分量指数及其综合指数对城镇化的响应敏感程度即综合响应度。由表 2可知, 2001-2015年, 长株潭城市群水资源综合指数、利用效率指数、管理质量指数、用水负荷指数、利用程度指数、自然禀赋指数与城镇化的最优响应方程均拟合三次模型。对拟合结果进行检验,查表得知显著性水平为10%的临界值F_0.1(1, 13)=3.136。当F>3.136且P < 0.1时, 认为拟合方程有显著意义。系数R²越高, 说明响应方程的拟合度越好。

从表 2中可以看出, 水资源利用效率指数、水资源管理质量指数和水资源用水负荷指数均具有较高的拟合系数, 其拟合程度较好。这表明区域城镇化水平的提高对水资源用水负荷、水资源利用效率及水资源管理水平的影响较大。从响应度来看, 水资源利用程度、水资源利用效率、水资源禀赋条件对城镇化的响应显著, 对城镇化发展具有较强的敏感。但需要注意的是, 这三类指数与城镇化综合发展的响应并不完全一一对应(图 2)。由此说明, 水资源对城镇化发展的响应度不仅受城镇化综合发展水平的影响, 也受区域水文条件的影响。

从水资源开发利用与城镇化发展水平的响应关系来看(图 3), 2001、2005、2007、2009、2011年水资源开发利用综合值处于拟合曲线下方, 这说明在这些年份长株潭城市群城镇化的推进一定程度上受到了水资源的约束。与此同时, 城镇空间扩张、经济社会发展等也消耗部分水资源利用潜力, 对用水产生胁迫, 以致水资源短缺。其它年份处于拟合曲线上或其上方(2002、2003、2012年), 表明这些年份区域城镇化的发展与水资源开发利用处于同步提升状况, 总体上区域城镇化的推进不受缺水影响, 城镇化发展所引起的规模经济效益对用水结构的优化、供用水效率和节水防污意识的提高起到了一定的推动作用。

2.3.2 水资源与城镇化各分量的响应关系

采用SPSS软件对长株潭水资源利用各分量指标及城镇化发展各分量指标的相关性进行分析(表 3), 发现水资源用水负荷、水资源利用效率、水资源管理质量与城镇化各分量(人口、经济、社会、空间)均存在较强的相关性; 相对而言, 城镇化各分量与水资源利用程度、水资源自然禀赋的相关性不显著, 由此说明这两项受水文条件的影响较大。具体来看, 水资源用水负荷与城镇化各分量指数均呈较强的负相关, 其中与空间城镇化、人口城镇化的相关性最强, 分别为0.746、0.703。这反映出随着城镇化的推进, 日趋增大的水资源供需矛盾及压力受城镇人口和空间规模的扩张影响较大。与此相反, 城镇化各分量指数与水资源管理水平、水资源开发利用效率指数变现为显著的正相关, 据此说明随着城镇化的发展, 积极推动了水资源利用效率和管理质量的不断提高。

3 讨论 3.1 水资源约束对城市群发展的影响

(1) 长株潭城市群正处于城镇化的快速发展阶段, 水资源供需矛盾日趋严峻, 水资源成为制约城镇化发展的重要因素。2015年长株潭城市群用水总量达79.48亿m³, 已逼近水量控制红线。同时, 随着长沙、株洲、湘潭三市被确定为全国第三批节水型社会建设试点地区, 对用水总量、用水效率及效益等也提出了更高的要求。按照有关要求, 对于取水总量已经达到或者超过总量控制指标的地区, 国家将强制暂停审批建设项目的新增用水^[31], 因此区域水资源约束效应将更加明显。

(2) 随着城镇化进程的加快, 长株潭城市群水资源管理水平及水资源利用效率显著提升, 但水资源利用程度、水资源禀赋受水文条件的影响明显, 导致研究时期区域水资源开发利用综合潜力呈波动式上升趋势。究其主要原因在于, 长株潭城市群的供水主要依赖于地表水, 且95%以上取自湘江, 缺乏调节库容大、调蓄能力强的水资源配置工程, 供水保障能力有待提高。如2003年以来长沙河段连续7年出现26m以下低水位导致部分地区出现供水困难。因此, 湘江水量的多少、水质的优劣, 对居民生活、工农业生产及城镇化的发展影响较大。随着城镇化快速推进, 水资源供需缺口将日益明显。

(3) 近年来, 长株潭城市群供水工程建设逐步推进, 但供水体系仍不健全。为此, 须加大水利基础设施建设, 特别要加强蓄、引、提、调等各类水源工程及抗旱应急水源工程建设, 加快建成一批骨干水资源配置工程及重点水源工程等, 不断提高与增强水资源时空调控及城乡供水保障能力, 为城镇化进程的顺利推进提供用水安全保障支撑。

3.2 水资源保护对城市群发展的影响

(1) 随着城镇化的发展, 用水总量增加已成为刚性要求。由于城镇化改变了原有的生产及生活方式, 并对区域生产要素资源予以重新配置, 进而影响城镇化推进速度及质量。2001-2015年长株潭城市群用水总量呈增长态势, 而万元GDP用水量、万元工业增加值用水量与农田灌溉亩均用水量均呈下降趋势。但与全国平均水平相比, 万元GDP用水量与万元工业增加值用水量仍高1倍左右, 工业用水重复率仅为全国平均水平的一半, 农业灌溉水利用系数也低于全国0.516的平均水平。随着国家、省、市最严格水资源管理制度及其考核的实施, 《湖南省湘江保护条例》的全面落实, 最严格的水资源制度将贯穿于经济社会发展和生活生产全过程。面对水资源保护红线控制要求, 长株潭城市群用水需求与水资源供给将日趋严峻。

(2) 协调水资源保护与城镇化发展之间的关系, 应强化取水总量和强度双控, 加快水资源循环利用, 从技术节水、结构节水等方面, 加强对各行业用水进行分类指导, 明确或制定各行业水资源配置方案, 进一步建立健全用水总量控制以及定额管理制度。根据水资源的承载能力实施以水定产发展模式, 并适时提高水资源费征收标准; 加快推进产业结构调整, 努力建立与水资源相适应的经济结构体系。严格市场准入, 大力发展高附加值和耗水较低的新型工业和农业, 构建节水型产业体系; 在保证粮食安全的前提下, 农业用水效率的提高也将是未来区域经济型节水的重点。在空间组织上, 完善水功能区划, 在河长制、湖长制的基础上, 加快推进水资源(水流)统一确权登记, 明晰水资源所有权, 在体制与机制上进一步强化水资源的管理和优化配置; 加强水生态保护, 严格控制河湖排污总量, 保障水质安全。加强对水资源消费群体施行约束为导向和正向激励的生活管理过程, 强化政策引导和理念宣传增强全民节水意识。

4 结论

(1) 2001-2015年, 长株潭城市群城镇化综合发展水平呈稳定增长态势, 但各分量指数的变化存在差异。总体上, 人口及空间城镇化指数高于经济与社会城镇化指数, 这说明研究区域城镇化进程中经济效益和社会效益有待提高, 城镇化的推进主要依靠城镇规模的扩张。为了响应新型城镇化的要求, 研究区域应改变以空间外延扩张的城镇化发展模式, 将提升城镇化质量、发展城镇经济作为首要任务。研究期间区域水资源开发利用综合潜力指数波动较大, 总体呈上升趋势。由于研究区正处于城镇化的快速发展阶段, 区域水资源开发利用负荷还将持续加大。

(2) 水资源利用效率及水资源管理质量与城镇化各分量(人口、经济、社会、空间)呈正相关关系, 这说明城镇化的发展促进了水资源管理质量以及水资源利用效率的提升, 城镇化的发展能带动水资源利用潜力的不断提高, 为水资源的可持续开发利用提供了保障。城镇化与水资源利用的关系不仅表现在各分量指标间的相互关联性, 同时在时空上也呈现出阶段性。其中在2001、2005、2007、2009、2011年, 长株潭城镇化的发展在一定程度上受到水资源系统的约束。

(3) 研究区水资源本底条件以及水资源开发利用程度受水文条件的影响显著, 水资源自然禀赋约束效应明显。因此, 必须加大水利基础设施建设, 加快建成一批重点水源与水资源配置工程, 不断增强水资源时空调控以及城乡供水保障能力。面对用水总量刚性增加及水资源红线控制要求, 应强化取水总量和强度双控, 加强对各行业用水进行分类指导, 明确或制定水资源行业配置方案, 加快提高各行业的用水效率及节水水平, 有效缓解水资源系统对城镇化发展的影响与约束。

(4) 受数据资料获取的限制, 水资源利用效率和管理质量指标的设计较笼统, 且部分指标数据为计算获得, 在一定程度上影响了做出更全面、更精准的评价, 指标体系有待提炼完善。另外, 城镇化发展与水资源响应的内在机理, 指标如农业灌溉总量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量等的变化与当前城镇化水平内在联系等还需要更进一步深入的研究。针对季节性缺水、水质性缺水、区域内部差异、空间分布等特征, 也需系统性探究水资源与城镇化两系统之间影响关系。