黃 賓，胡其昌，李 霄

(浙江水利水電學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

始自20世紀(jì)90年代中期的中國城市化進(jìn)程，在將中國城市化快速推進(jìn)至較高水平的同時(shí)(據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2013年中國城市化水平為53.73%，1995 年則為 29.04%，年均增長 1.37%，而主要發(fā)達(dá)國家的城市化水平年均增長率近幾十年來始終維持在0.2%左右)，也出現(xiàn)了諸如資源枯竭、環(huán)境污染和生態(tài)破壞等一系列城市化與自身環(huán)境協(xié)同發(fā)展失調(diào)的問題.在此背景下，中央適時(shí)提出了促進(jìn)城市和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的總體戰(zhàn)略，城市化和環(huán)境之間的協(xié)同發(fā)展因此成為理論研究和實(shí)踐工作的熱點(diǎn)問題.

在與城市化協(xié)同演進(jìn)的諸多環(huán)境要素中，水環(huán)境由于以下特殊性，成為城市化和自身環(huán)境協(xié)同演進(jìn)的關(guān)鍵.首先，區(qū)別于煤和石油等不可再生資源，水資源雖然有限但是可以循環(huán)再生，不易枯竭但會隨發(fā)展規(guī)模擴(kuò)大而日趨緊張，是城市化發(fā)展速度和規(guī)模的軟性約束.其次，水環(huán)境涉及生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，最易被污染而且極易通過其地上、地表和地下的立體循環(huán)系統(tǒng)擴(kuò)大影響范圍，極大制約著城市化發(fā)展質(zhì)量的提升.最后，相比而言，水環(huán)境治理見效較快，受益面廣，其投入和產(chǎn)出的過程均會對整個(gè)城市化發(fā)展的速度、規(guī)模和質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響.因此說，水環(huán)境與城市化的協(xié)調(diào)發(fā)展對城市化的健康發(fā)展意義重大.

本文通過構(gòu)建基于均方差權(quán)系數(shù)的城市化和水環(huán)境發(fā)展測度模型，以及基于容量耦合的耦合關(guān)系模型，用于度量城市化和水環(huán)境的耦合關(guān)系，并利用杭州市2000年至2013年的數(shù)據(jù)，研究杭州市城市化與水環(huán)境的耦合發(fā)展情況.研究有助于更好理解城市化與水環(huán)境之間的關(guān)系，同時(shí)也可以為其他地區(qū)的相關(guān)研究提供參考借鑒.

1 研究方法

1.1 測度模型

1.1.1 概念界定

城市化是指人口向城市地區(qū)集中，以及農(nóng)村地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘械貐^(qū)的過程.其包含兩層含義，一是人口遷移，以及隨之而來的要素流動、產(chǎn)業(yè)遷移和社會結(jié)構(gòu)變遷等;二是景觀改變，包括土地利用形態(tài)的改變和規(guī)模的擴(kuò)大［1］.水環(huán)境是與水相關(guān)的資源和要素的集合和狀態(tài)，一般可以從水環(huán)境水平、水環(huán)境壓力和水環(huán)境保護(hù)三個(gè)方面進(jìn)行分析［2］.

1.1.2 測度指標(biāo)體系

在對城市化和水環(huán)境的概念進(jìn)行界定的基礎(chǔ)上，參照前人研究［3－5］，遵循科學(xué)性、可得性、可比性等原則，構(gòu)建城市化和水環(huán)境的測度指標(biāo)體系(見表1).

表1 城市化和水環(huán)境測度指標(biāo)體系

1.1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

為了消除各類數(shù)據(jù)在量綱、量級和正負(fù)方向上的差異，采用極差法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，見公式(1)，其中xij(i=1，2，3，…，n;j=1，2，3，…m)為屬性值，i為第i個(gè)年份，j為第j個(gè)指標(biāo)，xij即為第i年第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù);xjmax和xjmin分別為第j個(gè)指標(biāo)中的最大和最小值;Zij為xij的標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果，其值越大則正向效應(yīng)越明顯.測度指標(biāo)體系中，除水環(huán)境壓力下的兩個(gè)指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo)外，其余指標(biāo)均為正向指標(biāo).

1.1.4 均方差權(quán)系數(shù)

為了避免層次分析法的主觀性、主成分分析法的數(shù)據(jù)丟失和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要求有先驗(yàn)結(jié)果等不足，本文采用均方差方法獲取權(quán)系數(shù).該方法以標(biāo)準(zhǔn)化后的屬性值Zij為隨機(jī)變量，在計(jì)算各個(gè)隨機(jī)變量均方差的基礎(chǔ)上進(jìn)行歸一化處理，其結(jié)果即為各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，這種方法可以通過描述各個(gè)隨機(jī)變量離散程度較為客觀的反映指標(biāo)影響力大小.具體計(jì)算步驟如下:

指標(biāo)矢量方向的隨機(jī)變量均值:

依據(jù)上述方法求得指標(biāo)層的權(quán)系數(shù)，同理推出準(zhǔn)則層的權(quán)系數(shù)，如表1所示.

1.1.5 測度值計(jì)算

目標(biāo)層各年度的測度值計(jì)算公式為:

1.2 耦合模型

1.2.1 容量耦合度函數(shù)

源自物理學(xué)中容量耦合的概念是指兩個(gè)及以上系統(tǒng)相互作用和影響的現(xiàn)象，耦合度則是度量這種作用和影響程度的尺度，其函數(shù)表達(dá)形式如公式(6)所示.本文中的耦合是指城市和水環(huán)境兩個(gè)子系統(tǒng)相互作用和影響的現(xiàn)象，耦合度用來衡量兩者間作用和影響的程度.

其中，Di和 Dj(i=1，2，3，…，m;j=1，2，3，…m;i≠j)分別是第i和第j個(gè)子系統(tǒng)的測度值，C耦是m個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合度值，取值在［0，1］之間.耦合度值為0，表示子系統(tǒng)之間處于無關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)將向無序發(fā)展.耦合度值為1，表示子系統(tǒng)之間達(dá)到良性共振.耦合度值越大則子系統(tǒng)間的有序狀態(tài)越好.

1.2.2 耦合度分類標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的S理論，結(jié)合城市化發(fā)展與環(huán)境關(guān)系的相關(guān)研究［6］，得出城市化與水環(huán)境耦合度分類標(biāo)準(zhǔn)(見表2).

表2 城市化和水環(huán)境耦合度分類標(biāo)準(zhǔn)

2 杭州市城市化與水環(huán)境耦合

2.1 數(shù)據(jù)來源

考慮到數(shù)據(jù)的可得性以及統(tǒng)計(jì)口徑的一致性，選取杭州市2000－2013年的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究.從城市化發(fā)展的速度上看，杭州市2000年左右開始真正進(jìn)入高速發(fā)展期，因此樣本年份選擇也能夠充分體現(xiàn)城市化發(fā)展和水環(huán)境的相互影響過程.其中，城市化發(fā)展數(shù)據(jù)來源于2001－2014年杭州市統(tǒng)計(jì)年鑒，水環(huán)境數(shù)據(jù)來源于2001－2014年浙江省水資源公報(bào)，間接數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)處理，部分缺失數(shù)據(jù)采用插值法補(bǔ)缺.

2.2 測度結(jié)果

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到2000年至2013年杭州市城市化和水環(huán)境子系統(tǒng)的測度值(見圖1).

圖1 杭州市城市化與水環(huán)境測度值及耦合度值圖

杭州市城市化測度值在樣本年份內(nèi)一直增加，顯示城市化的持續(xù)發(fā)展進(jìn)程.杭州市人均GDP在2000年和2013年分別為2.2萬元和11.8萬元，年均增長率31.2%，遠(yuǎn)高于同期全國人均 GDP的0.78萬元和3.85萬元，以及27.8%的年均增長率.人口從2000年的621萬增加到2013年的884萬，位列全國第10，成為超大城市.城市基本建設(shè)投資2000年為170億，2013年達(dá)到852億，保持年均28.7%的高速增長.經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長產(chǎn)生的帶動效應(yīng)，人口規(guī)模不斷擴(kuò)大帶來的需求拉動，以及城市建設(shè)投資驅(qū)動下的的資本放大效應(yīng)，使得杭州市的城市化發(fā)展持續(xù)保持高速增長態(tài)勢，城市化子系統(tǒng)的測度值因此在樣本年份內(nèi)不斷增加.

相比城市化測度值的持續(xù)增加，樣本年份內(nèi)的水環(huán)境測度值不僅沒有增加，反而是末年和首年相比略有下降(2000 年為 0.34，2013 年為 0.33)，顯示出不容樂觀的水環(huán)境狀況.水環(huán)境測度值在2002年達(dá)到年本年份內(nèi)的最高值0.44后就出現(xiàn)了連續(xù)9年的持續(xù)低值，并且在此期間甚至出現(xiàn)了2005年的最低值0.19，直至2012年勉強(qiáng)回到0.4以上(2012年為0.41)，而后在2013年又開始回落，表明水環(huán)境在低位徘徊并不斷反復(fù)的真實(shí)狀況.

2.3 耦合結(jié)果

樣本年份內(nèi)，杭州市城市化和水環(huán)境耦合度基本不高.除2000年耦合度(2000年耦合度為0.27)在低水平狀態(tài)、2012年耦合度(2012年耦合度為0.53)在磨合狀態(tài)外，其余年份耦合度均處于頡頏狀態(tài)，表明杭州市城市化發(fā)展超越水環(huán)境自身的承載能力范圍.整體上看，剔除個(gè)別年份(2006年耦合度位于階段高點(diǎn))的偶然因素，耦合度可以分為三個(gè)階段.第一階段是2000－2002年，第二階段是2002－2007年，第三階段是2007－2013年.

第一階段，耦合度呈增長趨勢.這一時(shí)期，杭州城市化發(fā)展開始起步，城市化的速度和力度持續(xù)增大，初始水環(huán)境狀態(tài)良好.城市化發(fā)展對水環(huán)境的負(fù)面影響在水環(huán)境自身可以容納的范圍內(nèi).在城市發(fā)展的同時(shí)保持了對水環(huán)境的適當(dāng)投入，既保證了城市面貌的改善也兼顧了水環(huán)境狀態(tài)的維持.因此兩者間的耦合度不斷提高.

第二階段，耦合度開始下降.這一時(shí)期，產(chǎn)業(yè)發(fā)展，人口劇增，城市擴(kuò)容，城市化發(fā)展加速，對水資源的索取量加大，產(chǎn)生大量的工業(yè)和生活廢水，人為阻斷了自然流動的水體，破壞了水環(huán)境的自凈和恢復(fù)能力.水環(huán)境保護(hù)未得到與城市化發(fā)展同樣的重視，治理投入力度不及破壞程度，水環(huán)境的承載能力下降.兩者間的耦合度不斷降低.

第三階段，耦合度又開始上升，但仍未能有效進(jìn)入磨合階段.隨著前期水環(huán)境狀況的日益惡劣，以及人們環(huán)保意識的不斷提升，水環(huán)境保護(hù)受到重視，表現(xiàn)為治理投入加大，保護(hù)力度增強(qiáng)，兩者間耦合度開始回升.但由于前一階段不良水環(huán)境的滯后影響，加之治理投入未能與實(shí)際需要完全匹配，耦合未能有效進(jìn)入磨合階段，因此這一階段的耦合度并沒有超過第一階段的高點(diǎn)，而且還在2011年和2013年出現(xiàn)兩次低點(diǎn)反復(fù)，顯示兩者間耦合的不穩(wěn)定性，也凸顯出問題的復(fù)雜性.

3 結(jié)論與啟示

3.1 研究結(jié)論

本文通過構(gòu)建基于均方差權(quán)系數(shù)的城市化和水環(huán)境發(fā)展測度模型，以及基于容量耦合的耦合關(guān)系模型，度量城市化和水環(huán)境的耦合關(guān)系.并利用杭州市2000－2013年的相關(guān)數(shù)據(jù)，研究了杭州市城市化與水環(huán)境的耦合發(fā)展情況.研究表明:

杭州市城市化持續(xù)高速發(fā)展.自2000開始至今，杭州市在人口、經(jīng)濟(jì)、空間和社會發(fā)展的共同作用下，城市化進(jìn)程得到高效推進(jìn)，城市化水平不斷提高，并且人口、經(jīng)濟(jì)、空間和社會等子系統(tǒng)均成為城市化發(fā)展的積極因素，各自作用基本相當(dāng)，表明在樣本年份內(nèi)杭州市城市化是在各類因素共同且相對均等作用下的高速發(fā)展，是一種較為全面的系統(tǒng)發(fā)展.同時(shí)，由于樣本年份內(nèi)沒有出現(xiàn)過城市化的負(fù)增長，因此表明杭州市城市化發(fā)展的持續(xù)性.

杭州市水環(huán)境整體狀況不佳.樣本年份的末年與首年相比有不明顯的下降，但中間年份的下降明顯，起始年份的微弱下降掩蓋了過程中的實(shí)際變差，這表明雖然近些年來，一序列的水環(huán)境治理措施開始取得成效，一定程度上扭轉(zhuǎn)了樣本早期年份水環(huán)境惡化的趨勢，但是由于水環(huán)境問題的系統(tǒng)復(fù)雜性，現(xiàn)有舉措只能部分緩解惡化趨勢.

城市化和水環(huán)境耦合度不高，樣本年份內(nèi)的大部分時(shí)間沒有明顯提升.耦合度用于度量系統(tǒng)中若干子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展程度，杭州市城市化和水環(huán)境耦合度不高，說明兩者間發(fā)展的協(xié)調(diào)性不夠.并且大部分年份內(nèi)耦合度呈現(xiàn)不明顯的變化，在城市化高速發(fā)展的情況下，這更加說明水環(huán)境狀況相對意義上的不容樂觀.

3.2 研究啟示

通過以上對杭州市城市化和水環(huán)境耦合問題的研究，給我們帶來的啟示是:

城市化發(fā)展并不必然帶來包括水環(huán)境在內(nèi)的城市環(huán)境的同步發(fā)展.特別是在城市化持續(xù)高速發(fā)展的情況下，水環(huán)境雖然變化不大，但是相對而言已經(jīng)是嚴(yán)重的發(fā)展滯后，因此兩相比較，耦合度沒有明顯提升.作為城市化發(fā)展的重要環(huán)境要素之一，水環(huán)境應(yīng)該至少與城市化同步發(fā)展，城市化發(fā)展與水環(huán)境的低度耦合將會極大制約城市化發(fā)展質(zhì)量的提升，簡單發(fā)展城市規(guī)模和數(shù)量將有可能帶來更為棘手的“半城市化”和“偽城市化”等一系列后續(xù)城市化問題.

城市化發(fā)展應(yīng)該和水環(huán)境發(fā)展相匹配.城市化發(fā)展要注意對水資源的適度索取，排污要考慮水環(huán)境的吸納能力，城市建設(shè)要兼顧水循環(huán)的系統(tǒng)聯(lián)通，這就要求根據(jù)水環(huán)境的承載能力限制，科學(xué)制訂并有序?qū)嵤┓袭?dāng)?shù)貙?shí)際的城市化發(fā)展規(guī)劃.同時(shí)，考慮到水環(huán)境影響的關(guān)聯(lián)性和滯后性，應(yīng)該把城市化發(fā)展財(cái)富更多更持續(xù)的投入到水環(huán)境治理領(lǐng)域，并且考慮到歷史欠賬，投入力度應(yīng)該大于城市發(fā)展力度.

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