李 華，師謙友，高 楠，劉 月

(陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710062)

0 引言

城市化與水資源利用有著密切的關(guān)系。隨著城市化的推進(jìn)，城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市人口的增加，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，城市用水量、用水結(jié)構(gòu)以及效率都在發(fā)生相應(yīng)的變化，同時(shí)，城市以及周邊區(qū)域的水資源環(huán)境也會受到一定程度的影響［1］。改革開放以來，城市化進(jìn)入快速發(fā)展階段，城市水資源利用趨向規(guī)?；图谢?］，水資源需求不斷增加，供需矛盾突出，已成為制約城市化進(jìn)程的瓶頸，探討城市化發(fā)展與城市用水間的相互作用及其規(guī)律，對于協(xié)調(diào)水資源利用與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要理論與實(shí)踐意義［3］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對城市化發(fā)展與水資源的關(guān)系進(jìn)行了多方面的研究，主要集中在城市化對水環(huán)境(包括水質(zhì)、水循環(huán)等)及水資源利用的影響、水資源對城市化發(fā)展的制約作用等方面，但對二者相互關(guān)系的量化研究較少［4－9］。隨著新一輪西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施、“關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)”的推進(jìn)、西咸同城化發(fā)展與國際一流旅游目的地城市的建設(shè)，西安步入了建設(shè)國際化大都市的新階段，這對水資源較為貧乏的西安城市發(fā)展必將帶來巨大挑戰(zhàn)。有鑒于此，本研究采用復(fù)合指標(biāo)法對西安市1997—2010年城市化水平進(jìn)行綜合測度，構(gòu)建城市化與城市用水量、用水效益、人均用水水平之間的回歸模型，分析其間的定量關(guān)系，探尋作用規(guī)律，以期為實(shí)現(xiàn)城市化與水資源、水環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展、促進(jìn)西安水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西安市位于 33°39'～34°45'N、107°40'～109°49'E之間，地處黃河流域中部的關(guān)中盆地，現(xiàn)轄9區(qū)4縣，總面積10 108 km2;2011年底，常住人口851.34萬人，當(dāng)年實(shí)現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)總值3 864.21億元，比上年增長13.8%，高于全國平均4.6個(gè)百分點(diǎn)。根據(jù)西安市水務(wù)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，西安市人均水資源占有量僅為325 m3，不到全國平均水平的1/6，世界平均水平的1/24。西安作為經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口不斷聚集的特大都市，城市化的迅猛發(fā)展對城市水資源及其利用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 城市化水平分析

基于研究視角差異，人口、地理、經(jīng)濟(jì)、社會及規(guī)劃等學(xué)科對城市化的界定都側(cè)重于本學(xué)科領(lǐng)域［10］，而對城市化水平的測度方法亦多種多樣，概括起來主要為單一指標(biāo)法和復(fù)合指標(biāo)法。最常用的為單一指標(biāo)法(人口指標(biāo)法)，即城市人口占總?cè)丝诘谋戎兀?1］。由于我國市鎮(zhèn)的建制標(biāo)準(zhǔn)多次發(fā)生變動、城鎮(zhèn)人口統(tǒng)計(jì)的地域范圍與城鎮(zhèn)實(shí)體的地理界線差異、城鎮(zhèn)人口的統(tǒng)計(jì)對象標(biāo)準(zhǔn)不一等原因，采用單一指標(biāo)法很難進(jìn)行時(shí)空動態(tài)比較研究。且城市作為一個(gè)典型的人工生態(tài)系統(tǒng)，單一指標(biāo)法顯然無法從系統(tǒng)角度分析城市本質(zhì)特征及全面系統(tǒng)反映城市化發(fā)展水平。城市化的內(nèi)涵極其豐富，既體現(xiàn)人口性質(zhì)的變化，又反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變、城市環(huán)境質(zhì)量以及居民生活質(zhì)量的提高，故應(yīng)以城市化質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，建立一組指標(biāo)體系予以綜合分析，力求較為全面準(zhǔn)確地衡量城市化發(fā)展水平［12］。本研究基于經(jīng)濟(jì)、人口、基礎(chǔ)設(shè)施、生活方式與環(huán)境城市化5大層面，選取23項(xiàng)指標(biāo)(單位均采用平均指標(biāo)或百分?jǐn)?shù))建立西安城市化水平測度指標(biāo)體系(表1)。

表1 西安市城市化水平測度指標(biāo)體系Tab.1 The index system of the measurement of urbanization in Xi’an City

基于上述指標(biāo)體系，利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS17.0對城市化水平測度指標(biāo)變量進(jìn)行相關(guān)分析，得出相關(guān)系數(shù)矩陣。數(shù)據(jù)顯示各指標(biāo)之間相關(guān)性很大，說明所選取的23項(xiàng)指標(biāo)在反映此研究信息時(shí)有一定的重疊。故采用主成分分析法測算西安市1997—2010年城市化水平，以克服多指標(biāo)變量間信息重疊及人為確定指標(biāo)權(quán)重的主觀性(具體數(shù)據(jù)均來自西安市統(tǒng)計(jì)年鑒1998—2011［13］及通過計(jì)算獲得)。在此，對23項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行因子分析，用主成分法提取公因子，按特征值大于1、累積貢獻(xiàn)率達(dá)85%～95%的原則，共提取3個(gè)主成分因子(表2)，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)89.367%，具有顯著代表性，符合進(jìn)一步分析的要求。對初始因子載荷矩陣進(jìn)行方差最大法正交旋轉(zhuǎn)后，得到主成分因子旋轉(zhuǎn)載荷矩陣(表3)。

表2 主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率Tab.2 Eigenvalue，contribution rate and cumulative contribution rate of principal component

主成分載荷是主成分與變量之間的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果顯示，第一主成分的貢獻(xiàn)率為75.295%，除了X9，X13，X15，X18，X21指標(biāo)外，其它指標(biāo)上的載荷都較高，因此第一主成分代表了西安市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理化程度、人口城市化水平、居民生活質(zhì)量、城市環(huán)境質(zhì)量;第二主成分的貢獻(xiàn)率為8.926%，在X13，X15指標(biāo)上具有較大載荷，代表了城市化進(jìn)程中的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平;第三主成分的貢獻(xiàn)率為5.147%，在X9，X18指標(biāo)上具有較大載荷，反映了城市化進(jìn)程中的社會發(fā)展程度。

運(yùn)用各因子的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重(表2)，計(jì)算西安市1997—2010年的城市化水平綜合得分。計(jì)算公式:

式中:Fi為第i年的城市化水平綜合得分;F1i，F(xiàn)2i，F(xiàn)3i分別為第i年的各因子得分，系數(shù)分別為各因子權(quán)重。據(jù)此計(jì)算出西安市1997—2010年的城市化水平綜合得分(表4)，結(jié)果顯示西安城市化從1997年到2010年在逐年推進(jìn)。

表3 主成分因子正交旋轉(zhuǎn)后的載荷矩陣表Tab.3 The loading matrix of principal factor after ortho-rotation

3 城市化與水資源利用關(guān)系量化研究

西安市2010年底總?cè)丝跒?82.73萬人，是1997年的1.18倍，年均增長1.3%，城市化水平綜合得分較1997年增加了9.36個(gè)點(diǎn)數(shù)，年均增加0.72個(gè)點(diǎn)數(shù)(圖1)。隨著人口快速增長和城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，西安市總用水量呈波動變化，其中，生產(chǎn)用水量平均每年以4.62% 的速度下降，生活用水量平均每年以5.58%的速度上升，且1998年后生活用水量所占比重超過生產(chǎn)用水量，西安成為生活用水主導(dǎo)型城市。

表4 1997—2010年西安市城市化水平綜合得分Tab.4 Total points of urbanization in Xi’an City during 1997—2010

圖1 1997—2010年西安市城市化水平與城市用水量的變化Fig.1 The changes of urbanization and urban water consumption in Xi’an City during 1997—2010

3.1 城市化與用水量回歸模型

利用SPSS軟件對西安市1997—2010年城市化與用水量進(jìn)行相關(guān)分析(表5)可知，1997年以來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化水平的不斷提高，城市總用水量及生產(chǎn)用水量并不隨城市化水平的提高而快速增長，其中生產(chǎn)用水量與城市化水平呈顯著負(fù)相關(guān)。究其原因，主要得益于西安市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、水處理技術(shù)發(fā)展和節(jié)水政策的實(shí)施，使得生產(chǎn)用水量大幅度降低。然而生活用水量隨著人口的快速增長和居民生活質(zhì)量的提高而大幅度上升，與城市化水平的相關(guān)性極其顯著。

在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，利用SPSS軟件建立回歸模型，通過多次比較分析發(fā)現(xiàn)，三次方程曲線擬合度最高，建立回歸模型:

表5 城市化水平與城市用水量間相關(guān)分析結(jié)果Tab.5 Urbanization and urban water utilization correlation analysis

式中:X為城市化水平;Y1為生產(chǎn)用水量;Y2為生活用水量。R2

2，說明城市化與生活用水量的回歸曲線比與生產(chǎn)用水量的回歸曲線的擬合程度要高。對回歸方程進(jìn)行F檢驗(yàn)，F(xiàn)0.01(3，10)=6.55，因?yàn)镕1＞F0.01(3，10)，F(xiàn)2＞F0.01(3，10)，說明回歸模型(2)和(3)都在0.01的水平下顯著，充分揭示出生產(chǎn)用水量隨城市化的推進(jìn)呈三次函數(shù)曲線型降低、生活用水量呈上升趨勢。利用所建立的回歸模型進(jìn)行預(yù)測可知，若城市化水平上升一個(gè)點(diǎn)數(shù)，生產(chǎn)用水量將會下降274萬m3，生活用水量將會增加1 591萬m3。

3.2 城市化與用水效益回歸模型

用水效益可以用單位用水的產(chǎn)值或單位產(chǎn)值的用水來反映，單位用水的產(chǎn)值越高(或者單位產(chǎn)值的用水越低)，用水效益就越高［14］。本研究采用單方水GDP和單方生產(chǎn)用水GDP來表示用水效益。

利用SPSS軟件對西安市1997—2010年城市化與用水效益進(jìn)行相關(guān)分析。城市化與單方水GDP和單方生產(chǎn)用水GDP的相關(guān)系數(shù)分別為0.993和0.977，均在0.01水平上呈顯著正相關(guān)，說明隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，用水效益在不斷提高。值得注意的是城市化與單方生產(chǎn)用水GDP的相關(guān)程度不如城市化與單方水GDP之間的相關(guān)程度強(qiáng)，說明單方生產(chǎn)用水產(chǎn)值上升很快，但城市化水平上升較慢。城市化與用水效益的回歸模型:

式中:X為城市化水平;Y1為單方水GDP;Y2為單方生產(chǎn)用水GDP。均大于0.85，說明城市化與單方水GDP和單方生產(chǎn)用水GDP的回歸直線的擬合程度都很高。對回歸方程進(jìn)行F檢驗(yàn)，F(xiàn)0.01(1，12)=9.33，檢驗(yàn)值F1與F2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顯著性水平為0.01時(shí)的臨界值9.33，表明城市化與用水效益之間呈線性增長關(guān)系。利用所建立的回歸模型進(jìn)行預(yù)測可知，若城市化水平上升一個(gè)點(diǎn)數(shù)，單方水GDP將增加27元，單方生產(chǎn)用水GDP將增加170元。從世界各國一般發(fā)展規(guī)律來看，隨著城市化水平的提高，用水效益是不斷提高的［15］?；貧w分析表明西安市符合這一發(fā)展規(guī)律。

3.3 城市化與人均用水水平回歸模型

人均用水水平可用人均總用水量、人均生產(chǎn)用水量、人均生活用水量指標(biāo)來反映。對城市化與人均用水水平各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析(表6)發(fā)現(xiàn)，城市化與人均總用水量呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著，與人均生產(chǎn)用水量和人均生活用水量分別呈極顯著負(fù)相關(guān)和正相關(guān)。這是由于西安市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及節(jié)水技術(shù)的使用和推廣使人均生產(chǎn)用水量不斷降低，但人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，導(dǎo)致人均生活用水量不斷增加。

表6 城市化水平與人均用水水平間相關(guān)分析結(jié)果Tab.6 Urbanization and per capita water utilization correlation analysis

城市化水平與人均總用水量相關(guān)性不顯著，構(gòu)建城市化與人均生產(chǎn)用水量和人均生活用水量回歸模型:

式中:X為城市化水平;Y1為人均生產(chǎn)用水量;Y2為人均生活用水量。均大于0.7，說明城市化與人均生產(chǎn)用水量和人均生活用水量的回歸曲線的擬合程度都較好。對回歸方程進(jìn)行F檢驗(yàn)，F(xiàn)0.01(3，10)=6.55，檢驗(yàn)值F1與F2均大于顯著性水平為0.01時(shí)的臨界值6.55，反映出城市化與人均生產(chǎn)用水量之間呈三次函數(shù)曲線型下降趨勢，與人均生活用水量之間呈三次函數(shù)曲線型增長趨勢。利用所建立的回歸模型進(jìn)行預(yù)測可知，若城市化水平上升一個(gè)點(diǎn)數(shù)，人均生產(chǎn)用水量將下降1.8 m3，人均生活用水量將增加 4.7 m3。

4 結(jié)論與建議

構(gòu)建西安城市化與城市用水量、用水效益以及人均用水水平之間的回歸模型，分析其間的定量關(guān)系，可得到下述結(jié)論，并提出實(shí)現(xiàn)西安城市化與水資源、水環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的對策。

1)西安生產(chǎn)用水量隨城市化的推進(jìn)呈三次函數(shù)曲線型降低，生活用水量則相反。據(jù)此，政府應(yīng)科學(xué)編制都市發(fā)展規(guī)劃與水資源利用規(guī)劃，實(shí)施跨流域調(diào)水工程如引漢濟(jì)渭，同時(shí)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，做好開源節(jié)流，構(gòu)建節(jié)水型產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)體系。

2)西安用水效益與城市化呈線性增長關(guān)系。在城市化不斷推進(jìn)的過程中政府要建立企業(yè)產(chǎn)值與用水量掛鉤的運(yùn)行機(jī)制，嚴(yán)控新建耗水量大的企業(yè)，鼓勵(lì)企業(yè)配置污水處理與循環(huán)利用系統(tǒng)，提高水資源利用效益。

3)西安人均生產(chǎn)用水量隨城市化水平的提高呈三次函數(shù)曲線型降低，人均生活用水量則相反。政府應(yīng)在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上確定個(gè)體人均基本生活需水量，并將其作為生活用水價(jià)格的門檻，此界限范圍內(nèi)按優(yōu)惠價(jià)格收費(fèi)，超出部分以較高價(jià)格收費(fèi)，通過建立獎(jiǎng)罰分明的用水機(jī)制，提高居民節(jié)水意識，最終實(shí)現(xiàn)國際化大都市建設(shè)與水資源、水環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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