熱孜婭·阿曼，方創(chuàng)琳，2，趙瑞東

（1.新疆大學 經(jīng)濟與管理學院，新疆 烏魯木齊 830046； 2.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京 100101；3.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046）

根據(jù)2016 年世界經(jīng)濟論壇發(fā)布的《全球風險報告》，水資源危機、氣候變化、極端天氣、糧食危機和社會不穩(wěn)定性被確定為全球五大風險，其中水資源危機主要是由水資源過度開發(fā)、人口膨脹、環(huán)境污染和城市不斷擴張導致的。 2014 年發(fā)布的《世界城鎮(zhèn)化前景報告》指出，全球54%的人口生活在城市，預計2050 年城鎮(zhèn)化率將達到66%，這將對全球用水造成巨大的壓力［1］，城鎮(zhèn)化與水資源有著極其復雜的非線性耦合關(guān)系［2－3］。

目前，城鎮(zhèn)化與水資源的關(guān)系研究主要包括城鎮(zhèn)化與水資源利用關(guān)系研究［4］、城鎮(zhèn)化對水資源利用效率影響研究［5］、水資源對城鎮(zhèn)化的脅迫力研究［6］、城鎮(zhèn)化與水資源的耦合協(xié)調(diào)研究［7－8］等。 其中，城鎮(zhèn)化與水資源的耦合關(guān)系已成為當前國際研究的前沿領(lǐng)域［9－14］，研究方法主要有TOPSIS 方法［15］、綜合環(huán)境評估模型［11］和耦合協(xié)調(diào)度模型［16－18］。 耦合協(xié)調(diào)度模型是目前較普遍和成熟的定量方法，然而相關(guān)研究存在指標選取不充分及不合理等問題，影響了耦合結(jié)果的客觀性，而且對我國西北干旱區(qū)城鎮(zhèn)化與水資源的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系研究甚少。 筆者以新疆15 個行政區(qū)為例，探討城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的時空演變特征，以期為新疆及各行政區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用提供參考。

1 研究方法

1.1 評價指標體系構(gòu)建

根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲得性，選取新疆15 個行政區(qū)作為研究對象，包括烏魯木齊市、石河子市、克拉瑪依市、吐魯番市和哈密市5 個市，昌吉回族自治州、伊犁哈薩克自治州、博爾塔拉蒙古自治州、巴音郭楞蒙古自治州、克孜勒蘇柯爾克孜自治州5 個州，塔城地區(qū)、阿勒泰地區(qū)、阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)與和田地區(qū)5 個地區(qū)。 在已有相關(guān)研究中，水資源系統(tǒng)指標主要包括水資源條件和水資源壓力，但較難反映區(qū)域用水效率，為此本文在此基礎(chǔ)上增加了水資源利用效率指標，同時結(jié)合新疆用水特點，增加了有效灌溉面積和農(nóng)田灌溉單位面積用水量等反映農(nóng)業(yè)用水情況的指標。 將城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用耦合協(xié)調(diào)評價指標體系分為城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)和水資源利用子系統(tǒng)，進一步將城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)分為人口城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟城鎮(zhèn)化和社會城鎮(zhèn)化3 個方面12項評價指標，將水資源子系統(tǒng)分為水資源條件、水資源利用效率和水資源壓力3 個方面12 項評價指標。 新疆城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評價指標體系見表1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于2004—2019 年《新疆統(tǒng)計年鑒》、2003—2018 年《新疆水資源公報》與《新疆國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》。

1.3 指標標準化與權(quán)重計算

由于不同指標的貢獻不同，因此需要確定各指標的權(quán)重。 變異系數(shù)法屬于一種客觀賦權(quán)方法，能夠避免人為的主觀判斷，提高權(quán)重計算的客觀性和準確性。指標權(quán)重越大，對評價結(jié)果的影響就越大。 本文結(jié)合變異系數(shù)法與綜合評價法對城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)和水資源利用子系統(tǒng)進行評價。 基于樣本的評價指標原始數(shù)據(jù)矩陣X和標準化數(shù)據(jù)矩陣P表達式分別為

式中：xij為第i個指標的第j個樣本值；pij為第i個指標的第j個樣本的標準化值；m為評價指標總數(shù)；n為樣本總數(shù)。

指標標準化計算公式為

權(quán)重計算公式為

式中：xmax和xmin分別為x指標的最大值和最小值；Wi為第i個評價指標的權(quán)重；δi為第i個評價指標的變異系數(shù)；Si為第i個評價指標的均方差；Ai為第i個評價指標的平均值。

1.4 綜合評價指數(shù)

根據(jù)各指標的標準化值和權(quán)重，計算城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用綜合評價指數(shù)（指數(shù)越大，系統(tǒng)狀態(tài)越好），綜合評價指數(shù)計算公式為

式中：Fk為第k個子系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)。

1.5 耦合協(xié)調(diào)模型構(gòu)建

城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)的耦合度C［18］計算公式為

式中：F1和F2分別為水資源利用子系統(tǒng)和城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)。

城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)指數(shù)T計算公式為

式中：α、β分別為城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)，取α ＝β ＝0.5。

耦合協(xié)調(diào)度計算公式為

耦合階段和耦合協(xié)調(diào)類型的判別標準見表2。

表2 耦合階段和耦合協(xié)調(diào)類型的判別標準

耦合協(xié)調(diào)度只能反映城鎮(zhèn)化發(fā)展和水資源利用的耦合協(xié)調(diào)程度，不能反映結(jié)果產(chǎn)生的原因。 相對發(fā)展度可以彌補這一不足，其計算公式［18］為

當E ＜0.8 時，水資源利用水平低于城鎮(zhèn)化發(fā)展水平，說明水資源利用制約城鎮(zhèn)化發(fā)展，水資源利用處于粗放階段；當0.8 ≤E ＜1.2 時，水資源利用子系統(tǒng)與城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)處于相互促進、良性互動、協(xié)調(diào)發(fā)展的階段；當E≥1.2 時，水資源利用水平高于城市化發(fā)展水平，說明水資源利用處于過度開發(fā)階段。

2 結(jié)果與討論

2.1 綜合評價指數(shù)的時空變化特征

利用式（6）、式（10）計算2003—2018 年新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用綜合評價指數(shù)、相對發(fā)展度（見圖1、圖2 和表3），并分析其時空分布特征。 從圖1 可知，2003—2018 年新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)與水資源利用綜合評價指數(shù)均呈現(xiàn)增大趨勢，但城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)增速大于水資源利用綜合評價指數(shù)的。

圖1 新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用綜合評價指數(shù)、相對發(fā)展度變化趨勢

2.1.1 城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)演變趨勢

由圖1 可知：研究時段內(nèi)新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)整體呈顯著增大趨勢，從2003 年的0.128 增大到2018 年的0.825；2009 年城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)顯著減小，原因可能是新疆人口城鎮(zhèn)化水平下降所致。由圖2 可知：各行政區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)呈現(xiàn)不同程度的增大趨勢，主要是社會城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟城鎮(zhèn)化的發(fā)展所致；2003 年各行政區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)均小于0.4，2010 年烏魯木齊市、克拉瑪依市、伊犁哈薩克自治州、阿勒泰地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州和喀什地區(qū)等6 個行政區(qū)的城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)超過0.4，2018 年烏魯木齊市和克拉瑪依市城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)超過0.8，而吐魯番市較低的經(jīng)濟城鎮(zhèn)化與社會城鎮(zhèn)化水平導致其城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)全疆最?。?.382）。 表3 顯示人口城鎮(zhèn)化水平遠低于經(jīng)濟城鎮(zhèn)化和社會城鎮(zhèn)化水平。

2.1.2 水資源利用綜合評價指數(shù)演變趨勢

由圖1 可知：研究時段內(nèi)新疆水資源利用指數(shù)同樣呈波動增大趨勢，由2003 年的0.249 增大到2018年的0.740。 由圖2 可知：2003 年石河子市、吐魯番市、伊犁哈薩克自治州、阿克蘇地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州和喀什地區(qū)水資源利用綜合評價指數(shù)大于0.4；2010 年，烏魯木齊市和石河子市水資源利用指數(shù)全疆最?。ㄐ∮?.5），而哈密市、塔城地區(qū)、和田地區(qū)水資源利用綜合評價指數(shù)均大于0.8；2018 年，石河子市和哈密市水資源利用綜合評價指數(shù)全疆最大（大于0.8），而巴音郭楞蒙古自治州和伊犁哈薩克自治州水資源利用綜合評價指數(shù)均小于0.6。

圖2 2003 年、2010 年、2018 年新疆各行政區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用綜合評價指數(shù)時空演變情況

2.1.3 相對發(fā)展度演變趨勢

由圖1 可知：研究時段內(nèi)新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用相對發(fā)展度呈先增大后波動減小的趨勢，先從2003 年的1.950 增大到2005 年的2.925，后又下降到2018 年的0.897；2003—2013 年相對發(fā)展度大于1.2，表明水資源利用水平高于城鎮(zhèn)化發(fā)展水平，城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量較低，水資源處于過度開發(fā)狀態(tài)；2014—2018年相對發(fā)展度為0.8 ～1.2，表明城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用處于相對平衡、同步及協(xié)調(diào)發(fā)展的狀態(tài)。 由表3可知：2018 年吐魯番市、哈密市、塔城地區(qū)、博爾塔拉蒙古自治州的城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用相對發(fā)展度均大于1.2，表明這些區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展水平低于水資源利用水平；其他區(qū)域相對發(fā)展度均介于0.8 至1.2 之間，表明城鎮(zhèn)化水平與水資源利用水平基本達到相對平衡發(fā)展的狀態(tài)。

表3 2018 年新疆各行政區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用綜合評價指數(shù)、相對發(fā)展度

2.2 耦合度和耦合協(xié)調(diào)度時空演變特征

2.2.1 耦合度時空演變特征

2003—2018年新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)耦合度和耦合協(xié)調(diào)度見表4 和圖3。 可知，研究時段新疆及各區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)耦合度介于0.4 至0.5 之間，并呈小幅增大趨勢，表明兩個子系統(tǒng)基本處于拮抗階段并逐漸趨向磨合階段。

圖3 城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度演變趨勢

表4 2003 年、2018 年新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)耦合度及耦合協(xié)調(diào)度

2.2.2 耦合協(xié)調(diào)度時空演變特征

由表4 和圖3 可知：研究時段內(nèi)新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度整體呈上升趨勢，從2003 年的0.298 上升到2018 年的0.625。 耦合協(xié)調(diào)類型為3 種：2003—2005 年為低度耦合協(xié)調(diào)，2006—2009 年為中度耦合協(xié)調(diào)，2010—2018 年為高度耦合協(xié)調(diào)。 總體而言，新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)類型整體向好發(fā)展，原因是新疆處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，城鎮(zhèn)化率從2003 年的34.39%發(fā)展到2018 年的50.91%；隨著各項水利工程的建設(shè)和節(jié)水技術(shù)的推廣，萬元GDP 用水量從2 400 m3減少到436 m3，農(nóng)田灌溉單位面積用水量從11 250 m3／hm2減少到7 838 m3／hm2。 由表4 和圖4可知：2003 年，除克拉瑪依市、石河子市、巴音郭楞蒙古自治州為中度耦合協(xié)調(diào)外，其他行政區(qū)均為低度耦合協(xié)調(diào)，原因可能是新疆多數(shù)行政區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展水平低于水資源利用水平；2010 年，各行政區(qū)耦合協(xié)調(diào)類型均有不同程度的提高，烏魯木齊市、石河子市、吐魯番市、昌吉回族自治州、阿克蘇地區(qū)為中度耦合協(xié)調(diào)，其他區(qū)域耦合協(xié)調(diào)類型均提高到高度耦合協(xié)調(diào)；2018年，各行政區(qū)耦合協(xié)調(diào)類型顯著提高，均為高度耦合協(xié)調(diào)，表明兩個子系統(tǒng)共同發(fā)展、相互促進，達到平衡發(fā)展的狀態(tài)。

圖4 城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)階段空間分布

3 結(jié)論與對策

3.1 結(jié)論

（1）2003—2018 年新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)與水資源利用綜合評價指數(shù)均呈增大趨勢，但城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合評價指數(shù)增速大于水資源利用的。 從相對發(fā)展度來看，2003—2013 年新疆水資源利用水平高于城鎮(zhèn)化發(fā)展水平，2014—2018 年兩子系統(tǒng)處于相對平衡、同步及協(xié)調(diào)發(fā)展的狀態(tài)。 從空間分布上看，吐魯番市、哈密市、塔城地區(qū)、博爾塔拉蒙古自治州等區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展水平低于水資源利用水平，其他區(qū)域均達到相對平衡狀態(tài)。

（2）2003—2018 年新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)耦合處于拮抗階段，并向磨合階段發(fā)展。從空間分布上看，各行政區(qū)研究期內(nèi)耦合始終處于拮抗階段。

（3）新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展子系統(tǒng)與水資源利用子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)類型分為低度耦合協(xié)調(diào)、中度耦合協(xié)調(diào)、高度耦合協(xié)調(diào)3 種。 從空間分布上看，雖然各行政區(qū)在研究期初的耦合協(xié)調(diào)類型不同，但研究期末均達到高度耦合協(xié)調(diào)。

3.2 基于水資源永續(xù)利用的城鎮(zhèn)化發(fā)展及水資源管理對策

新疆雖然近幾年城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用達到高度耦合協(xié)調(diào)類型，但仍然存在諸多問題，與發(fā)達地區(qū)存在較大差距。 為保證新疆未來水資源的永續(xù)利用和城鎮(zhèn)化的可持續(xù)發(fā)展，提出以下城鎮(zhèn)化發(fā)展模式與水資源利用對策。

3.2.1 新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展模式

根據(jù)新疆各行政區(qū)水資源特點，選擇與之相適應的城鎮(zhèn)化發(fā)展模式，有助于實現(xiàn)區(qū)域水資源永續(xù)利用與城鎮(zhèn)化協(xié)調(diào)發(fā)展。

（1）“量水養(yǎng)市為主，借水養(yǎng)市為輔”的城鎮(zhèn)化發(fā)展模式。 “量水養(yǎng)市”主要以水資源承載力為約束條件，根據(jù)區(qū)域水資源概況確定社會經(jīng)濟發(fā)展速度及規(guī)模；“借水養(yǎng)市”是針對極度缺水區(qū)域而言的，指充分利用周邊地區(qū)水資源優(yōu)勢，以跨區(qū)域調(diào)水和虛擬水貿(mào)易為主要手段，保障城市正常用水的城鎮(zhèn)化模式。

（2）“節(jié)水型農(nóng)業(yè)、工業(yè)與服務(wù)業(yè)相結(jié)合”的城鎮(zhèn)化發(fā)展模式。 促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化應發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、特色農(nóng)業(yè)，大力推廣節(jié)水技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)用水效率。 以節(jié)水工業(yè)化帶動區(qū)域城鎮(zhèn)化高質(zhì)量發(fā)展，應限制高耗水、重污染產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高工業(yè)廢水處理及循環(huán)再利用率。 出臺各類優(yōu)惠政策，大力扶持綠色產(chǎn)業(yè)及新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 以節(jié)水型服務(wù)業(yè)促進城鎮(zhèn)化高質(zhì)量發(fā)展，依托區(qū)域獨特的自然景觀、民族特色文化等優(yōu)勢，開發(fā)新的旅游項目。

（3）“城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展”的城鎮(zhèn)化發(fā)展模式。 為縮小城鄉(xiāng)經(jīng)濟發(fā)展差距，新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展戰(zhàn)略應以中小城鎮(zhèn)發(fā)展為主導，完善城市功能，發(fā)揮大城市對周邊小城鎮(zhèn)、城鎮(zhèn)對周邊鄉(xiāng)村的經(jīng)濟輻射作用，通過大城市帶動小城鎮(zhèn)發(fā)展、小城鎮(zhèn)帶動鄉(xiāng)村發(fā)展。

3.2.2 新疆水資源管理對策

為實現(xiàn)新疆水資源的永續(xù)利用，應采取更加嚴格的水資源管理與調(diào)控措施。

（1）采用先進節(jié)水技術(shù)。 新疆農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的90%，建議借鑒以色列的節(jié)水做法，采用噴灌、滴灌、微灌等技術(shù)對農(nóng)作物進行灌溉，提高農(nóng)業(yè)用水效率。

（2）提高水資源承載力預警能力。 根據(jù)區(qū)域水資源條件確定用水總量預警閾值，科學制定水量分配方案，嚴格控制區(qū)域用水總量，嚴格取水許可審批管理。確立各區(qū)域水資源開發(fā)利用率和地下水開采率預警線，逐步壓減地下水超采量，實現(xiàn)采補平衡。

（3）實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。 提高中水回用能力，通過擴建或者新建污水處理廠，將工業(yè)和生活污水轉(zhuǎn)化為可利用的再生水，并大力修建蓄水設(shè)備收集雨水，用于居民沖廁、城市綠化、工業(yè)冷卻、道路噴灑和城市景觀等。

（4）控制水資源過度開發(fā)。 加強對水資源超采區(qū)的實時監(jiān)控和預警，尤其是對農(nóng)業(yè)及工業(yè)部門的用水大戶進行實時監(jiān)管，防止超量用水，倒逼其提高用水效率。