聶大鵬

(遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003)

0 引 言

近年來(lái)，營(yíng)口市依托其優(yōu)越的環(huán)境條件和獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì)迅速發(fā)展經(jīng)濟(jì)，截止2018年?duì)I口市城市化水平達(dá)到75.46%，同時(shí)各行業(yè)用水量和污廢水排放量急劇增大。從水質(zhì)的角度，2008年、2009年、2015年、2016年、2017年，遼河流域營(yíng)口段各監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重，不同斷面和年份的水環(huán)境污染程度存在一定差異。另外，營(yíng)口市城市化進(jìn)程與水資源量之間存在一定的耦合協(xié)調(diào)問(wèn)題：營(yíng)口市西臨渤海遼東灣，境內(nèi)有遼河、大清河、浮渡河、熊岳河等150余條河流，年降水量670-800mm，該城市理論上為豐水地區(qū)；但是，由于獨(dú)特的氣候環(huán)境和地理位置，該區(qū)域存在用水效率低、開(kāi)采成本高、開(kāi)發(fā)難度大和可利用量少等特征，加之降水季節(jié)性分配不均和水體污染嚴(yán)重，長(zhǎng)期以來(lái)始終處于嚴(yán)重缺水狀態(tài)?？傮w而言，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的激增，使得營(yíng)口市水環(huán)境保護(hù)與城市化發(fā)展之間的矛盾更加突出。因此，文章對(duì)兩系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系進(jìn)行分析，揭示了二者其時(shí)序變化規(guī)律和耦合協(xié)調(diào)機(jī)制，為營(yíng)口市水環(huán)境保護(hù)、水資源合理配置和城市功能優(yōu)化調(diào)整等提供科學(xué)的依據(jù)[1-3]。

1 區(qū)域概況

營(yíng)口市位遼東半島中樞，渤海東岸，地域范圍為E121°56′-123°02′，N39°55′-40°56′，屬于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈最具有競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)代化港口城市，總面積5415.68km2。該區(qū)域?yàn)闇嘏瘞Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春秋季短、冬長(zhǎng)夏暖、平原風(fēng)大、雨量集中、雨熱同期、光照豐富[4-5]。該市年降水量670-800mm，雨量適中，且自西北向東南降水量呈遞增趨勢(shì)，平均氣溫7℃-9.5℃，無(wú)霜期172d-188d。營(yíng)口市境內(nèi)河網(wǎng)密布，各支流縱橫交錯(cuò)、蜿蜒曲折，主要有遼河、碧流河、大清河、浮渡河、熊岳河等150余條河流，大中型水庫(kù)4座，小型水庫(kù)33座。

根據(jù)2005-2018年?duì)I口市統(tǒng)計(jì)年鑒、政府工作報(bào)告、水資源公報(bào)等資料提取相關(guān)數(shù)據(jù)，截止到2018年底，全市總?cè)丝谶_(dá)到233.3萬(wàn)人，其中常住人口244.6萬(wàn)人，其中城市常住人口156.3萬(wàn)人，農(nóng)村常駐人口為88.3萬(wàn)人，城鎮(zhèn)登記失業(yè)率6.9%，第三產(chǎn)業(yè)人口所占比重67%；全市生產(chǎn)總值1591.1億元，GDP人均65075元，其中三產(chǎn)GDP為663.6億元，第三產(chǎn)業(yè)占總產(chǎn)值的比重為41.71%，第二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值為110.6億元和值816.9億元其比為6.95%、51.34%，人均工業(yè)總產(chǎn)值4734萬(wàn)元，城鎮(zhèn)人均居住面積45.2m2，人均可支配收入4520元，萬(wàn)人擁有公交交通車(chē)輛4標(biāo)臺(tái)，人均公園綠地面積3.3m2，城市人口密度3957人/km2，人均擁有道路面積18m2，建成區(qū)總面積395km2；年降水量770mm，營(yíng)口市多年平均水資源總量為105467萬(wàn)m3，其中多年平均地表水資源量為97773萬(wàn)m3，多年平均地下水資源量為31357萬(wàn)m3，全市人均日生活用水量為85L/d，城鎮(zhèn)人均日生活用水量為120L/d，用水普及率100%，城市供水綜合生產(chǎn)能力萬(wàn)m3/d，排水管道密度7.03km/km2，工業(yè)廢水排放總量348709萬(wàn)t，工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率100%，污水處理率87%，污水處理廠處理能力10萬(wàn)m3/d。同時(shí)，針對(duì)存在數(shù)據(jù)缺失的個(gè)別年份，為補(bǔ)全相關(guān)數(shù)據(jù)利用插值法補(bǔ)齊[6]。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)體系及權(quán)重計(jì)算

結(jié)合水環(huán)境、城市化相關(guān)研究成果和文獻(xiàn)，對(duì)指標(biāo)使用狀況運(yùn)用頻度統(tǒng)計(jì)法分析。為更加系統(tǒng)、客觀的描述區(qū)域城市化程度，從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、空間、人口等4個(gè)方面15項(xiàng)典型因子；為綜合、全面的體現(xiàn)水資源環(huán)境變化趨勢(shì)及其未來(lái)發(fā)展水平，從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)評(píng)價(jià)3個(gè)方面選取12個(gè)衡量水資源環(huán)境的指標(biāo)。

不同指標(biāo)的單位和量綱往往存在較大差異，一般無(wú)法直接參與運(yùn)算。因此，對(duì)營(yíng)口市2005-2018年衡量水資源環(huán)境和城市化水平的各評(píng)價(jià)因子采用變異系數(shù)法進(jìn)行歸一化處理，從而確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，如表1所示。其中，正向和負(fù)向評(píng)價(jià)因子的歸一化公式如下：

(1)

(2)

表1 營(yíng)口市水資源環(huán)境與城市化水平耦合系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系

續(xù)表1 營(yíng)口市水資源環(huán)境與城市化水平耦合系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系

各評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)差Sj和均值Xj依據(jù)樣本計(jì)算確定，根據(jù)如下計(jì)算式確定變異系數(shù)，具體如下：

(4)

采用下式確定單因子評(píng)分，其表達(dá)式為：

(5)

Sij=ωj×Sij

(6)

式中：minXj、maxXj為評(píng)價(jià)因子j關(guān)于所有樣本的最小、最大值；Xij為評(píng)價(jià)指標(biāo)j關(guān)于評(píng)價(jià)樣本i的數(shù)值；m、n為評(píng)價(jià)樣本和指標(biāo)數(shù)。

2.2 灰關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)分析

將營(yíng)口市水資源環(huán)境與城市化水平之間的關(guān)系利用灰色關(guān)聯(lián)模型定量分析，考慮到各評(píng)價(jià)因子量綱的差異性，為消除不同指標(biāo)間的不可通透性需要標(biāo)準(zhǔn)化處理初始數(shù)據(jù)，利用公式(1)、(2)處理后求解關(guān)聯(lián)系數(shù)，即：

(7)

(8)

2.3 耦合協(xié)調(diào)度模型

水環(huán)境與城市化間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度運(yùn)用構(gòu)建的耦合模型評(píng)判，其表達(dá)式如下：

(9)

其中：T=(αU1+βU2)；C、D為兩者之間的耦合度和協(xié)調(diào)度，其表達(dá)式為：

(10)

評(píng)價(jià)過(guò)程中涉及到水資源與城市化兩個(gè)系統(tǒng)，所以n值為2。因此，耦合度C∈[0,1]。綜合評(píng)分為U1、U2，兩個(gè)子系統(tǒng)間的綜合協(xié)調(diào)指數(shù)為T(mén)，其取值區(qū)間為T(mén)∈(0,1)，其中α、β為待定系數(shù)?？紤]到兩個(gè)子系統(tǒng)同等重要的實(shí)際情況，設(shè)定α、β值均為0.5，從而可求解出最終的協(xié)調(diào)度值D。將系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度類(lèi)型依據(jù)D值的帶下劃分為多個(gè)不同類(lèi)型，如表2所示。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.1 營(yíng)口市城市化和水資源環(huán)境測(cè)評(píng)

將營(yíng)口市水資源環(huán)境與城市化綜合水平采用計(jì)算式(5)、(6)求解，如圖1、圖2所示。

表2 判別標(biāo)準(zhǔn)及其分類(lèi)體系

圖1 2005-2018年城市化綜合水

圖2 2005-2018年水資源環(huán)境綜合水平

根據(jù)圖1可知，營(yíng)口市2013-2018年城市化綜合水平總體呈現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)，截止2018年已>70%，研究期間僅有2013年有小幅回落，這可能與當(dāng)年經(jīng)濟(jì)發(fā)展受阻和洪澇災(zāi)害等因素相關(guān)。從圖2可知，波動(dòng)上升為營(yíng)口市水資源環(huán)境綜合水平的變化特征，由此表明自2005年以來(lái)研究區(qū)的水資源環(huán)境為正向積極的發(fā)展方向，水資源環(huán)境與城市化水平之間存在積極促進(jìn)作用，該變化特征與城鎮(zhèn)登記失業(yè)率等因子穩(wěn)定下降的趨勢(shì)保持一致。然而，水資源環(huán)境綜合水平在2013年呈現(xiàn)出較為顯著的回落，這可能與營(yíng)口市2013年加快工業(yè)發(fā)展速度、建設(shè)實(shí)施了一系列工業(yè)項(xiàng)目等因素相關(guān)，從而導(dǎo)致人均用水量的上升和污水處理能力的下降，并對(duì)綜合水平造成不利影響。2013年后，隨著工業(yè)建設(shè)的結(jié)束水資源環(huán)境綜合水平再度呈上升趨勢(shì)[7]。

3.2 耦合協(xié)調(diào)度的時(shí)序變化分析

營(yíng)口市水資源環(huán)境與城市化發(fā)展耦合協(xié)調(diào)度發(fā)展類(lèi)型按照廖重斌等提出的判別標(biāo)準(zhǔn)及分類(lèi)體系確定，將其劃分為3個(gè)階段，具體如下：

1) 城市化發(fā)展優(yōu)于水資源環(huán)境的第一階段。2005年-2010年屬于中級(jí)至良好協(xié)調(diào)發(fā)展的第一階段，協(xié)調(diào)度如表3所示。其中，導(dǎo)致耦合協(xié)調(diào)度處于中度協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵因素為水資源環(huán)境滯后于城市化發(fā)展，兩個(gè)子系統(tǒng)的綜合水平均處于較低狀態(tài)。一方面，廢水排放和工業(yè)耗水較大，排放代表率和科技水平低，2005-2010年的達(dá)標(biāo)率為76.12%、79.85%、81.36%、86.58%、87.72%、88.10%；另一方面，對(duì)于水環(huán)境的治理投資因城市經(jīng)濟(jì)不夠發(fā)達(dá)極其有限，長(zhǎng)期處于較低水平的污水綜合處理率，加之水資源浪費(fèi)嚴(yán)重和水體保護(hù)意識(shí)較差使得城市化發(fā)展整體優(yōu)于水資源環(huán)境。

2) 水資源環(huán)境優(yōu)于城市化發(fā)展的第二階段。2011年-2013年屬于良好協(xié)調(diào)發(fā)展的第二階段，兩子系統(tǒng)綜合水平和協(xié)調(diào)度見(jiàn)表3。隨著營(yíng)口市人口與產(chǎn)業(yè)聚集效應(yīng)的增加及城市規(guī)模的擴(kuò)大，生活用水量和污水排放量急劇增大，對(duì)營(yíng)口市可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成潛在威脅。對(duì)此，營(yíng)口市相關(guān)部門(mén)明確要求2014年污染物去除率要達(dá)到60%以上，廢水處理合格率和治理率不得低于85%、70%，并制定了一系列整治項(xiàng)目。2011年對(duì)改造和擴(kuò)大一大批老舊污水處理廠，顯著提升了營(yíng)口地區(qū)的污廢水處理水平；2012年按自來(lái)水價(jià)格上調(diào)了污水處理費(fèi)，加大節(jié)水環(huán)保宣傳，保證了2013年工業(yè)廢水排放率達(dá)到90%以上及污水處理率達(dá)到80%以上的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)萬(wàn)元GDP用水量明顯減少，這是造成城市化滯后于水資源環(huán)境的主要原因。

表3 2005-2018年耦合協(xié)調(diào)度

3) 城市化發(fā)展優(yōu)于水資源環(huán)境的第三階段。2014年-2018年屬于良好協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)滯后向優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)環(huán)境滯后的的第三階段，營(yíng)口市城市化水平不斷提升為導(dǎo)致該變化特征的主要原因。從人口結(jié)構(gòu)的角度，截止2018年?duì)I口市已達(dá)到70%以上的城市化率，城市生活用水排放量和常住人口增長(zhǎng)迅速；從經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的角度，以汽車(chē)制造、重型機(jī)械等重工業(yè)為主的第二產(chǎn)業(yè)比重長(zhǎng)期處于60%以上的高值，由此使得工業(yè)污水排放和需水量始終為較高水平。2014-2018年的城市污水排放增加幅度為15.40%、10.38%、1.82%、4.42%、8.46%，截止2018年污水排放量已超過(guò)營(yíng)口市的污水廠處理能力。同時(shí)，由于遼河、渾河段長(zhǎng)期存在的重金屬污染問(wèn)題，使得此期間的城市化水平優(yōu)于水資源環(huán)境。

3.3 交互耦合影響因素

將兩系統(tǒng)間的耦合因素利用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行分析，對(duì)兩子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)度采用公式(7)、(8)求解。研究表明：兩系統(tǒng)之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，灰色關(guān)聯(lián)度均超過(guò)0.5，可見(jiàn)營(yíng)口市水資源環(huán)境與城市化系統(tǒng)間存在緊密的聯(lián)系[8]。通過(guò)升序排列關(guān)聯(lián)度探討兩子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，從而確定城市化系統(tǒng)制約水資源環(huán)境和水資源環(huán)境約束城市化發(fā)展的主要因素。

按照升序排列城市化子系統(tǒng)與水資源環(huán)境12項(xiàng)因子的關(guān)聯(lián)度為：用水普及率、人均日生活用水量、年降水量、地表水資源量、地下水資源量、單位工業(yè)產(chǎn)值廢污水排放、排水管道密度、工業(yè)廢水排放總量、工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)率、城市洪水綜合能力、污水處理率、污水廠處理能力，所對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度依次為0.563804250、0.594041386、0.603348715、0.607425786、0.608408267、0.616417552、0.624264689、0.63924871、0.6578472、0.718305446、0.719286408、0.721864856。由此可見(jiàn)，功水能力、供水設(shè)施和水污染治理為制約城市化體系的主要方面，其關(guān)鍵性約束因子為污水處理。

按照升序排列水資源環(huán)境子系統(tǒng)與城市化15項(xiàng)因子的關(guān)聯(lián)度為：GDP中第三產(chǎn)業(yè)比重、第二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比、城市人口密度、城鎮(zhèn)人均居住面積、萬(wàn)人永久公交車(chē)輛、人均擁有道路面積、人均工業(yè)總產(chǎn)值、人均可支配收入、人均公園綠地面積、人均GDP、城鎮(zhèn)登記失業(yè)率、全市年末常住總?cè)丝?、建成區(qū)總面積、非農(nóng)業(yè)人口數(shù)、第三產(chǎn)業(yè)人口所占比重，所對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度依次為0.54243572、0.543545538、0.551830507、0.639087869、0.542671260、0.646416119、0.650360962、0.653121405、0.654832667、0.660939305、0.670355483、0.670412659、0.675104387、0.690578567。由此可見(jiàn)，空間面積、人口增長(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)狀況為脅迫水資源環(huán)境的主要因子，其關(guān)鍵性脅迫因子為空間面積和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

1) 營(yíng)口市城市化發(fā)展除2013年存在一定幅度的下降，其他年份整體呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，水資源環(huán)境總體表面處較大的波動(dòng)。由此表明，研究區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展始終保持良好的勢(shì)頭，而水資源環(huán)境發(fā)展不穩(wěn)定，應(yīng)制定科學(xué)有效的政策。

2) 在時(shí)序變化上營(yíng)口市水資源環(huán)境與城市化之間的耦合關(guān)系成波動(dòng)上升趨勢(shì)，經(jīng)歷了2005-2010年城市化發(fā)展優(yōu)于水資源環(huán)境的第一階段、2011-2013年水資源環(huán)境優(yōu)于城市化發(fā)展的第二階段、2014-2018年城市化發(fā)展優(yōu)于水資源環(huán)境的第三階段。然而，營(yíng)口市仍存在環(huán)境滯后的特征，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)水環(huán)境仍位于重點(diǎn)防護(hù)和治理地位。

3) 水資源環(huán)境與城市化之間存在緊密的聯(lián)系，灰色關(guān)聯(lián)度均超過(guò)0.5。其中，供水能力、供水設(shè)施和水污染治理為制約城市化體系的主要方面，其關(guān)鍵性約束因子為污水處理。經(jīng)濟(jì)狀況、城市空間面積、人口增長(zhǎng)及分布為脅迫水資源環(huán)境的主要因子，其關(guān)鍵性脅迫因子為空間面積和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。為謀求水資源環(huán)境與城市的良性協(xié)同發(fā)展應(yīng)做好城市經(jīng)濟(jì)與空間規(guī)劃，加強(qiáng)對(duì)污排放的管理和控制。