張 勇，郭純青

(桂林理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，具有高度內(nèi)在聯(lián)系的經(jīng)濟(jì)區(qū)得以出現(xiàn)，其中，廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)作為國家重點(diǎn)扶持的戰(zhàn)略區(qū)域所獲得發(fā)展舉世矚目。2010年《廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)條例》頒布，確定北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)由南寧、北海、防城港、欽州四市加玉林和崇左兩個(gè)交通物流市所組成，至2016年末，北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值已占廣西的47.99%，已經(jīng)成為廣西經(jīng)濟(jì)的中流砥柱。但在可喜的經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)和卓越的經(jīng)濟(jì)發(fā)展成果下，隱藏著城市化系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)相互脅迫的巨大壓力[1]。廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)正處于以第一產(chǎn)業(yè)(農(nóng)業(yè))為支柱的傳統(tǒng)社會(huì)轉(zhuǎn)型為以第二產(chǎn)業(yè)(工業(yè))和第三產(chǎn)業(yè)(服務(wù)業(yè))為支柱的現(xiàn)代社會(huì)的重要時(shí)期，水資源被賦予更多的社會(huì)屬性[2-4]，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，水資源供需矛盾日益尖銳。通過對(duì)廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析，以研究這兩者的相互關(guān)系與動(dòng)態(tài)演變態(tài)勢(shì)，從而能較好地反映兩系統(tǒng)的相互脅迫作用，將對(duì)地區(qū)發(fā)展起一定的指導(dǎo)作用。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水資源與城市化兩者之間的關(guān)系給予高度的關(guān)注，主要研究方向集中在城市化發(fā)展對(duì)水資源的自然屬性與社會(huì)屬性的利用上。一部分學(xué)者認(rèn)為，城市化水平的提高會(huì)加劇地區(qū)供水問題，水資源系統(tǒng)進(jìn)而會(huì)限制城市化水平的發(fā)展[5-7]；另有一部分學(xué)者認(rèn)為，無序的城市化才會(huì)帶來水資源的惡化[8-10]，合理的城市化發(fā)展雖然會(huì)使用供水量增加，但節(jié)水技術(shù)的進(jìn)步會(huì)進(jìn)一步的提高水資源利用效率[11-13]。值得注意的是，這些研究大多基于水資源對(duì)城市化的約束或城市化對(duì)水資源的影響單一方向上，而水資源與城市化的影響往往是相互的，存在雙向作用。因此，本文希望通過構(gòu)建兩者的動(dòng)態(tài)耦合模型，研究北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系，從而探尋兩者的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

1 研究方法

1.1 耦合模型

耦合是指兩個(gè)(或兩個(gè)以上的)系統(tǒng)相互影響和相互作用的現(xiàn)象,通過借鑒物理學(xué)的演化思想[14],可構(gòu)建系統(tǒng)的非線性演化方程式：

(1)

式中：f為xi的非線性函數(shù)。

在原點(diǎn)處將進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開,并依據(jù)利亞普斯諾夫第一近似定理[15],將非線性系統(tǒng)的保證其穩(wěn)定性,從而得到近似線性系統(tǒng)：

f(x)=f(0)+a1x1+a2x2+…+anxn+X(x1,x2,…,xn)

(2)

(3)

按上述方法建立水資源支撐能力(W)與城市化(U)系統(tǒng)的一般函數(shù)為：

(4)

式中：x,y為兩系統(tǒng)的元素(以時(shí)間為變量的函數(shù))；a,b為各元素的權(quán)重。

由于水資源的支撐能力與城市化系統(tǒng)相互影響與作用,兩者作為一個(gè)復(fù)合系統(tǒng),f(W)與f(U)在系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位,其演化方程可表示為：

(5)

式中：A,B為系統(tǒng)受到自身和外來因素影響下的演化狀態(tài)；VA,VB為其演化速度。

由于整個(gè)系統(tǒng)只有f(W)與f(U)這兩個(gè)元素,所以當(dāng)f(W)與f(U)協(xié)調(diào)時(shí),整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行也是協(xié)調(diào)的,系統(tǒng)的演化速度V是關(guān)于VA,VB的函數(shù),所以V=f(VA,VB)。通過控制VA、VB的變量,對(duì)V進(jìn)行分析,可以獲知整個(gè)系統(tǒng)及f(W)與f(U)的協(xié)調(diào)關(guān)系。

首先建立滿足S型發(fā)展機(jī)制的V模型,通過將VA,VB的演化軌跡投影在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行分析。將水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)的耦合度a=arctan(VA/VB),也是復(fù)合系統(tǒng)的演變過程(圖1),分為4個(gè)階段。

圖1 系統(tǒng)演化軌跡

(1)當(dāng)-90°≤α<0°時(shí),系統(tǒng)處于初級(jí)發(fā)展時(shí)期,城市化系統(tǒng)發(fā)展緩慢,區(qū)域水資源支撐能力能夠滿足其發(fā)展,水資源支撐力與城市化系統(tǒng)之間的限制與影響可忽略。

(2)當(dāng)0°≤α<90°時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)發(fā)展時(shí)期。此時(shí),科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,加快了城市化發(fā)展的步伐,落后的用水技術(shù)加劇兩系統(tǒng)的矛盾,但并不尖銳。

(3)當(dāng)90°≤α<180°時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入極限發(fā)展時(shí)期。城市化的高速發(fā)展,對(duì)用水條件的要求進(jìn)一步提高,但由于水資源的局限性和污染惡化,兩系統(tǒng)的矛盾將日益嚴(yán)重,水資源危機(jī)越演越烈。此時(shí),為保障區(qū)域的正常發(fā)展并保證城市化系統(tǒng)的不斷進(jìn)步,人們將采取一系列措施來緩解矛盾,使兩系統(tǒng)的耦合進(jìn)入良性階段,從而進(jìn)入一個(gè)高級(jí)協(xié)調(diào)階段。

(4)當(dāng)180°≤α<270°時(shí),原有的系統(tǒng)在人們正確措施的協(xié)調(diào)下,系統(tǒng)進(jìn)入再生時(shí)期。此時(shí),水資源支撐能力能有效的保障城市化發(fā)展,水資源與城市化系統(tǒng)和諧共生,最終達(dá)到較高的水平,但新的問題也將會(huì)隨之而來。

1.2 數(shù)據(jù)處理

(6)

式中：xij為第i年的第j個(gè)指標(biāo)的初始值；Zij為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)[16]。

將各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后，通過均方差賦權(quán)求得得各指標(biāo)的權(quán)重：

(7)

式中：wj為各指標(biāo)的權(quán)重；σ(xi)為各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3 水資源支撐能力評(píng)價(jià)

為更好的描述水資源條件對(duì)北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力，避免因評(píng)價(jià)單元尺度過大而忽視北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)部差異所造成的誤差，規(guī)避綜合性指標(biāo)或指標(biāo)體系所忽略過境水的問題，以水資源開發(fā)利用率指標(biāo)為基礎(chǔ)，從市級(jí)行政單元尺度對(duì)水資源的支撐能力進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。

水資源開發(fā)利用率為評(píng)價(jià)單元中從自然水資源中獲得的取水量與單元中水資源總量的比值,計(jì)算公式：

(8)

式中：WWI為水資源開發(fā)利用率；S為行政研究單元供水總量；NW為區(qū)域非常規(guī)水源的數(shù)量；如中水回用、海水利用等；S-NW為研究行政單元在自然水資源的取水量；WR為行政單元的水資源總量。

在應(yīng)用過程中需要注意,對(duì)于有些行政單元來說取水量不僅包括區(qū)域內(nèi)的內(nèi)源水,還有流經(jīng)區(qū)域的過境水。而指標(biāo)中行政單元的水資源總量往往不包括過境水這部分的資源量,對(duì)于像北海這樣過境水資源較大且利用得較多的行政區(qū)來說,水資源開發(fā)利用率對(duì)于研究區(qū)域的水資源供用關(guān)系產(chǎn)生較大的誤差。為了解決過境水造成誤差的問題,在小的評(píng)價(jià)單元內(nèi)更為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)單元水問題,用包括研究單元以及上游來水的水資源開發(fā)利用指標(biāo)來表征該研究區(qū)的用水矛盾,具體計(jì)算如下：

(9)

式中：n為研究評(píng)價(jià)單元及其上游單元所涉及的評(píng)價(jià)單元；Sn為評(píng)價(jià)單元的供水量；NWn為區(qū)域非常規(guī)水資源數(shù)量；Sn-NWn為區(qū)域取水量；WRn為水資源總量。

同時(shí)在各個(gè)行政區(qū),其各自的優(yōu)先用水權(quán)不同,所以為了更加準(zhǔn)確的衡量該區(qū)水資源量的缺乏程度,應(yīng)從BWWI和WWI中選取較小值,并將其標(biāo)準(zhǔn)化,從而更好表示當(dāng)前研究區(qū)域內(nèi)可用的水資源量對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力：

(10)

式中：WSPI為水資源支撐指數(shù)。

1.4 城市化系統(tǒng)評(píng)價(jià)

城市化系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，應(yīng)當(dāng)從城市化的內(nèi)涵出發(fā)，堅(jiān)持城市化建設(shè)的核心就是人的城市化，實(shí)現(xiàn)人口城市化、空間城市化、經(jīng)濟(jì)城市化和社會(huì)城市化，最終實(shí)現(xiàn)人的無差別發(fā)展[17]。參考大量文獻(xiàn)，根據(jù)城市化的內(nèi)涵，構(gòu)建城市化系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系，如表1所示。

表1 廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)各行政單元及北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)城市化系統(tǒng)指標(biāo)及權(quán)重

2 結(jié)果與分析

2.1 水資源支撐能力評(píng)價(jià)與城市化系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果

采用《廣西水資源公報(bào)》和《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒》2010-2016相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合上文公式可以計(jì)算廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)6市的多年水資源支撐指數(shù)(WPSI)及權(quán)重(表2)，進(jìn)一步得出2010-2016年間廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源支撐能力及城市化系統(tǒng)的綜合評(píng)分(表3)。為了更直觀的看出自廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的水資源支撐能力及城市化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，特繪制了圖2。

從圖2可以看出，2010-2016年間，廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)及各行政單元的城市化系統(tǒng)呈不斷上升趨勢(shì)。這說明北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)城市化系統(tǒng)在《廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)條例》頒布的7年時(shí)間里經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得顯著的進(jìn)步，2016年廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)城市化系統(tǒng)綜合評(píng)分為0.70，是2010年的3倍多。這與城鎮(zhèn)人口的增多和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展有著密切聯(lián)系。如經(jīng)濟(jì)區(qū)2016年城鎮(zhèn)人口約1 041.88萬人，較2010年838.44萬人增長了24.26%；地區(qū)生產(chǎn)總值8 808.10億元，比2010年4 275.37億元增長了1.1倍；各行政單元城市化系統(tǒng)評(píng)分呈上漲態(tài)勢(shì)。

表2 各行政單元2010-2016年歷年水資源支撐力計(jì)算結(jié)果

表3 2010-2016年廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源支撐能力及城市化系統(tǒng)綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值

圖2 2010-2016年水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)

與城市化系統(tǒng)所取得的成就相比，水資源支撐能力則略顯不足，各行政單元水資源支撐能力波動(dòng)性也較大。水資源用水邊際性越發(fā)明顯，單方水GDP由2010年的40.69 元/m3增至2016年的79.78 元/m3，年均增幅約13.7%，而地區(qū)生產(chǎn)總值相較增長1.2倍；同時(shí)，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中，農(nóng)業(yè)是用水大戶的局面并未改變，農(nóng)業(yè)用水占用水總量的65%。因此，廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的水資源情況不容樂觀。

2.2 廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)耦合態(tài)勢(shì)分析

根據(jù)所得到數(shù)據(jù),對(duì)經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)進(jìn)行非線性擬合,結(jié)合公式(1)～(5),可以求得以t來表示的VA和VB:

1.22t3-0.07t4(R2=0.988)

(11)

VB=0.041+0.029t-0.004 1t2(R2=0.974)

(12)

根據(jù)上述方程,計(jì)算出2010-2016年間廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的水資源支撐能力系統(tǒng)演變速度VA,城市化系統(tǒng)系統(tǒng)演變速度VB,正切值tanα,以及兩系統(tǒng)耦合度的α值,結(jié)果見表4。為了更直觀的反映出廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)系統(tǒng)的耦合演化過程,依據(jù)表4做出了兩系統(tǒng)的耦合曲線,見圖3。

表4 2010-2016年廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的耦合度

圖3 廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資支撐能力與城市化系統(tǒng)系統(tǒng)耦合演化曲線

2010-2016年間，水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)已經(jīng)處于協(xié)調(diào)發(fā)展時(shí)期。伴隨著城市化系統(tǒng)日益提高，水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)的相互脅迫作用日益明顯,兩者的耦合度直逼臨界值(90°)，這與北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)正處于經(jīng)濟(jì)社會(huì)轉(zhuǎn)型期的實(shí)際相符合[1]，水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)系統(tǒng)矛盾越演越烈。預(yù)計(jì)不久的將來,系統(tǒng)會(huì)步入極限發(fā)展時(shí)期，原有的水資源系統(tǒng)難以維持高速發(fā)展的城市化進(jìn)程，水資源支撐能力越發(fā)薄弱，主要表現(xiàn)如下。

(1)隨著城市化程度的提高，農(nóng)村人口開始逐漸向城市聚居，工業(yè)、商業(yè)高速發(fā)展，水資源壓力逐步增大。如南寧市2016年廢水排放總量達(dá)到6.54 億m3，較2010年的5.22 億m3增加了25%。并且第一用水大戶仍是農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)用水比重雖有所下降，總量卻居高不下；2016年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.479，低于“十二五”規(guī)劃綱要所規(guī)定的0.53。南寧市水資源的繼續(xù)開發(fā)潛力已經(jīng)開始下降的勢(shì)頭，在干旱和極端干旱事件發(fā)生的情況下，區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然受制于水資源的支撐能力不足。

(2)在城市化推進(jìn)的過程中，未形成城市化發(fā)展與改進(jìn)用水技術(shù)和提高用水效率的水資源協(xié)調(diào)發(fā)展的局勢(shì)，導(dǎo)致供水水源過于單一。如北海市社會(huì)經(jīng)濟(jì)正處于跨越式發(fā)展的重要時(shí)期, 伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源支撐能力問題越發(fā)突出，北海市水資源總量遠(yuǎn)少于其他行政單元，過于依靠地下水資源的使用，過去由于對(duì)地下水的不合理開發(fā)利用，引起過海水入侵的現(xiàn)象；玉林市主要供水來源于蘇煙水庫,隨著城市的不斷發(fā)展，人口數(shù)量和企業(yè)的增多，用水安全保障主要受到經(jīng)濟(jì)因素的影響，水資源的需求增大。

3 結(jié) 語

本文通過構(gòu)建廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)系統(tǒng)研究，得到以下結(jié)論：2010-2016年間,北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源支撐力與城市化系統(tǒng)系統(tǒng)的發(fā)展并不同步，水資源支撐能力是能在不同程度上滿足區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但用水邊際越發(fā)明顯；水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)越發(fā)逼近極限發(fā)展時(shí)期，經(jīng)分析研究，提出以下建議。

(1)穩(wěn)定城市化步伐，提高城市化質(zhì)量。2016年，北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)城市人口高達(dá)1 041萬人，占總?cè)丝诘?1%，但城市人口的增加主要依靠的是城市對(duì)農(nóng)村土地的擴(kuò)張后吸納人口，這種“硬擴(kuò)展”并不是農(nóng)村人口通過就業(yè)而轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘腥丝?，極容易產(chǎn)生“泡沫”。因此，北部灣的城市化發(fā)展的重心應(yīng)該轉(zhuǎn)移到提高城市化質(zhì)量上來，如：優(yōu)化城鎮(zhèn)的空間格局，停止“硬擴(kuò)展”的腳步；發(fā)展高新技術(shù)，對(duì)遭到破壞與污染的水資源環(huán)境進(jìn)行必要的恢復(fù)治理。

(2)大力挖掘節(jié)水潛力，提高水資源的使用效率。2016年，北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)用水總量為110.4 億m3，地表水與地下水為主要供水水源，在城市化發(fā)展過程中，過于依賴粗放式的水資源投入，這種低效的水資源使用方法容易造成水資源壓力、產(chǎn)生污染。因此，在調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)推廣城市化所帶來的國內(nèi)外先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)：工業(yè)上，通過計(jì)劃用水和節(jié)約用水，逐步對(duì)現(xiàn)有企業(yè)進(jìn)行節(jié)水技術(shù)改造，提高用水重復(fù)利用率，例如對(duì)工藝水的回用既可以減少水污染，又可以節(jié)約水資源；生活上，積極推廣節(jié)水技術(shù)和節(jié)水裝置，例如，住宅節(jié)水便器的使用將帶來16 L/人的節(jié)水效率；農(nóng)業(yè)上，遵循水利設(shè)施與農(nóng)業(yè)技術(shù)措施相結(jié)合的原則，例如，推廣節(jié)水灌溉工程設(shè)施的建設(shè)，形成一條節(jié)水型農(nóng)業(yè)道路。