水环境承载力约束下区域城镇化发展合理速度分析

来源:用户上传      作者:许长新 吴骁远

　　摘要 城镇化发展在促进区域社会经济快速发展的同时也导致水环境问题日益严峻。基于区域水环境承载力探讨了城镇化发展合理速度的计量方法：①构建城镇化进程中水环境承载力评价系统，分析城镇化子系统及水环境承载力子系统的基本要素，建立评价指标体系;基于评价指标，利用向量模法测算水环境承载力综合评价值。②构建水环境承载力约束下的区域城镇化发展合理速度分析模型。③根据不同城镇化发展速度、政府不同管制力度设置9种组合情境，在对相关评价指标进行预测的基础上，分别测算不同情境下的水环境承载力综合评价值;通过“阈值”门槛筛选出合理情境，确定区域城镇化发展速度的合理范围。以经济实力强、城镇化水平高、水环境压力大、制度相对健全的江苏省作为研究区域进行实证分析，测算了2006—2017年江苏省水环境承载力综合评价值，以及2030年9种组合情境下的江苏省水环境承载力综合评价值。获得如下研究结论：①2006—2017年间江苏省水环境承载力虽呈现一定的波动，但2013年以后随着政府管制力度的加强，总体上呈现良好的上升态势，但水环境承载力下滑的压力已开始显现。②2030年9种组合情境中，只有“中/强”“低/强”“低/保持”满足水环境承载力阈值标准。结果表明：到2030年，政府对水环境管制力度“强”的情形下，江苏省城镇化发展可以维持1.0%～1.2%的年增长率;政府对水环境管制力度“保持”的情形下，江苏省城镇化发展只能维持1.0%的年增长率，并据此提出了政策建议。
　　关键词 水环境承载力;向量模法;城镇化发展;合理速度
　　中国改革开放以后城镇化进入快速发展阶段。我国城镇化的推进在扩大城镇发展规模、增加城镇人口数量、扩张城镇产业规模的同时，水资源消耗数量也不断增加，废污水的排放量急剧增多，造成区域水环境承载压力明显增大。国家统计局数据显示，1978年我国的城镇化率尚不到15%，而2018年达到59.58%;2018年全国的耗水总量达到3 207.6亿m3，廢污水排放量达到750亿t。十九大报告明确指出，必须坚持推动新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展，不断壮大国家经济实力和综合国力。区域水体的水环境纳污能力总是有限的，过高的城镇化发展速度极有可能突破区域水环境承载能力，影响甚至破坏区域的生态系统;过低的城镇化发展速度可能使区域的社会经济难以达到应有的发展水平。因此，探索城镇化发展过程中，既能保证区域社会经济健康持续发展，又不对区域水环境构成严重威胁的“城镇化发展合理速度”具有重要意义。
　　1 文献综述
　　 如何协调城镇化发展与水环境承载力关系的问题一直是学界研究的热点。国内外学者针对城镇化与水环境承载力之间的研究主要集中在：①城镇化与水环境污染及水安全的关系研究。Brennan[1]证明了城镇化进程和水环境污染之间的相互影响关系;陈玉山[2]基于环境库兹涅茨（EKC）模型，研究了中国东部11个省（市、区）2006—2015年污水排放与经济发展和城市化率之间的关系;Pirages[3]分析了水环境、城镇化进程与水安全之间的关系;蓝希等[4]从水资源环境、水污染控制和社会经济承载三个子系统分析了武汉市“长江经济带”背景之下的水环境承载力综合评价。②城镇化和水环境质量及生态文明的关系研究。Reilly、Boons等[5-6]就城镇化带来的水环境的承载压力和可承载量进行了探讨;Freeman等[7]探讨了城市化的快速发展对河口生态系统和水质的影响;史安娜等[8]运用DPSIR框架模型，预测了长江经济带11个省市的水资源综合保护水平;徐一剑等[9]以DPSIR概念设计四种模块，对城市水环境系统各环节进行定量模拟计算以规划未来城市水环境系统的发展;张鹏等[10]从生态经济学和系统工程学跨学科的视角出发，构建了一个基于适度人口容量，人口流动和城乡均衡发展的生态文明城市建设路径的理论分析框架;辛波等[11]运用山东省17地市2003—2012年相关数据，采用固定效应系数模型、城市环境熵模型分别对城镇化的经济与环境溢出效应进行分析。③城镇化与地表地下水环境之间关系的研究。周海丽等[12]认为地表水环境的恶化主要是由城市土地利用与扩张引起;Thanh等[13]利用WetSpa和MODFLOW代码对水文降雨径流和地下水流动进行了耦合模拟，认为城市地下水位下降的主要原因是地下水的大量抽取;Minnig等[14]采用蒙特卡罗方法通过对瑞士北部的一个城市研究地点的四个不同时期的水资源预算计算，深入了解城市地下水的补给情况;Franco等[15]对气候变化和城镇化对接收水体水质的综合和相对影响进行评估。④城镇化进程中的水环境承载力评价研究。耿雅妮[16]根据影响水环境承载力因素的特点，结合层次分析法和向量模法对西安市水环境承载力现状进行评价;沈珍瑶等[17]在动态模拟递推算法的基础上，加入向量模方法来预测未来水环境的承载力的变化趋势;陈浩等[18]分析了“海绵城市”试点城市青岛市城市化与水环境两个系统间的耦合协调关系和关联度;Wu X Y等[19]构造了城镇化发展速度和水资源冲突风险压力的耦合协调度函数，测算了城镇化发展速度引起的水资源冲突的阈值;苏贤保等[20]在水资源与水环境双重约束下的水资源系统承载力视角下，基于水环境容量阈值构建水资源系统承载力模型。
　　 国内外学者在城镇化与水环境承载力间的研究产生了丰硕的成果。但是如何基于水环境承载力分析城镇化如何适度发展的研究仍显欠缺：①从系统分析角度对水环境承载力子系统和城镇化子系统相结合进行的相关研究仍然不足。②如何从城镇化的视角，分析城镇化可能导致人口结构的变化、产业结构的变化以及对耗水、污水排放等的影响，现有研究尚显不足。③在保证水环境承载力的前提下，如何制定城镇化发展的合理速度问题尚未见详细报道。④面向水环境压力大、经济发达区域的城镇化与水环境承载力的关系问题值得进一步研究。
　　 2 研究思路
　　 着重研究如何基于区域水环境承载力确定城镇化发展合理速度问题。具体研究思路如下： 　　 第一步：构建指标体系。在分析城镇化进程中水环境承载力评价子系统基本要素的基础上构建评价指标体系。
　　 第二步：指标预处理。对正向和负向指标分别进行规范化处理;分别确定各评价指标的主观权重和客观权重，再将主客观权重组合确定评价指标的权重。
　　 第三步：模型构建。模型1，基于向量模法构建水环境承载力综合评价模型;模型2，构建水环境承载力约束下的区域城镇化发展合理速度分析模型。其中模型2根据不同城镇化发展速度、政府不同管制力度设置9种组合情境;在对相关评价指标进行预测的基础上，测算9种情境下水环境承载力综合评价值;通过设置的“阈值”门槛筛选出合理情境，确定区域城镇化发展速度的合理范围。
　　 第四步：实证研究。结合水环境压力大、经济相对发达的典型区域——江苏省进行实证研究，并提出政策建议。
　　3 评价指标体系构建
　　3.1 子系统构建及其要素分析
　　构建两个子系统，其中“城镇化”子系统用于描述社会经济发展过程中城镇人口比重不断增加、产业结构不断优化升级、城镇文明不断发展的过程;“水环境承载力”子系统用于描述某一时期、某一区域范围内，水环境条件对该区域的经济发展和生活需求的支撑能力。针对两个子系统提出其基本要素如表1所示。
　　3.2 评价指标体系构建
　　城镇化进程中的水环境承载力研究涉及到城镇化的发展和水环境之间的复杂关系，人口、人均生产总值等社会经济因素是反映城镇化发展水平的重要指标，水环境承载力主要体现在供水、废水排放、生态状况等环境和管理要素上。结合表1的要素分析，构建城镇化子系统和水环境承载力子系统发展水平评价指标体系，如表2所示。
　　4 模型研究
　　4.1 基于向量模法的水环境承载力综合评价模型
　　4.1.1 对指标进行无量纲化处理
　　 由于各个评价指标存在量纲间的差异，采用公式（1）和（2）对综合评价指标进行规范化处理。
　　4.1.2 确定综合评价指标的权重
　　 鉴于水环境承载力评价过程具有兼具主观性和客观性的特点，采用组合权重的确定方法测算不同指标的权重。
　　4.1.3 测算区域水环境承载力综合评价值
　　 利用向量模法，计算区域第i水平年的水环境承载力综合评价值，计算公式如下：
　　4.2 基于不同情境的区域城镇化发展速度决策模型
　　4.2.1 不同情境设定
　　针对“城镇化发展速度”设定“高、中、低”3种不同情形，针对“政府对水环境的管制力度”设定“强、保持、弱”3种不同情形，组合形成9种情境，如表3所示。
　　4.2.2 区域城镇化发展合理速度决策模型
　　（1）评价指标预测。首先需要对区域目标年的评价指标进行预测。针对资料的可得性将评价指标分为两类。其中，A类指标通常不会随组合情境的不同而改变，一般可通过国家或地方相关规划报告直接获取指标信息;B类指标可能随组合情境的不同而动态改变，一般无法直接获取预测数据，需要通过采用合理的方法进行预测。两类指标具体划分如表4所示。
　　（2）不同情境下的区域水环境承载力评价。根据预测的评价指标值，利用公式（1）～（7）测算9种情境组合下的区域水环境承载力，记为分别代表9种不同情境组合。
　　（3）设置区域水环境承载力健康阈值。基于国家、地区对水环境质量的客观要求，采用专家咨询法设置区域水
　　（4）分析理想情境组合并提出城镇化发展速度的合理范围。以区域水环境承载力阈值YZ为标准，对9种不同情境下的区域水环境承载力综合评价值进行筛选，依据筛选出的情境确定区域城镇化发展速度的合理范围。“城镇化发展合理速度”判别规则如下：
　　5 实证分析：以江苏省为例
　　以江苏省作为研究区域进行实证分析，主要基于以下特点：江苏省区位优势好，经济实力强;人口密度大，城镇化水平高;全省用水量多，水环境压力大;制度相對健全，社会关注度高。计算时以2030年为目标年。
　　5.1 数据的收集及处理
　　选取2006—2017年作为分析样本时段，这一时段江苏省的城镇化率呈逐年快速上升态势，且水资源总量存在一定幅度的变化，水污染物排放压力明显。采集的基础数据如表5所示。5.2 计算江苏省水环境承载力综合评价值
　　 对指标进行规范化处理，计算指标权重。鉴于篇幅，列出权重向量见表6。基于向量模法测算水环境承载力综合评价值。运用向量模法测算2006—2017年江苏省城镇化进程中的水环境承载力的状况，具体计算结果如表7所示。
　　 结果表明：2006—2017年的12年间，江苏省水环境承载力总体虽呈上升趋势，但近年来略有波动。
　　（1）2006—2012年间，尽管江苏省万元GDP用水量、水功能区水质达标率、集中式饮用水源地水质达标率、工业用水重复利用率、污水集中处理率均有所改善，但由于城镇化处于高速推进阶段（年均增长率达2%），区域城镇人口占比逐年攀升，加之区域水资源总量波动幅度明显且有所下降，使得水环境承载力呈现下降的趋势。
　　 （2）2013—2016年，尽管江苏省城镇化率仍处于中高速推进阶段（年均增长率为1.2%左右），但由于政府加强了管制力度，万元GDP用水量、水功能区水质达标率、污水集中处理率等指标均明显改善，使得水环境承载力呈现良好的上升态势。
　　（3）2017年相对2016年的江苏省水环境承载力呈现一定的下降，究其原因主要是区域水资源总量的波动造成的，但同时必须意识到由于集中式饮用水源地水质达标率、工业用水重复利用率等指标改善的空间逐步变小，水环境承载力下滑的压力开始显现。      5.3 确定江苏省城镇化合理发展速度 　　5.3.1 情境设置
　　 针对“城镇化发展速度”设定为如下“高、中、低”3种不同情形：分别取“高于”“等于”“低于”近十年江苏省城镇化平均增长率0.2个百分点，高、中、低城镇化增长率分别为1.4%、1.2%、1.0%。
　　 针对“政府对水环境的管制力度”设定“强、保持、弱”3种不同情形，分别为：加强管制标准、保持现有管制标准、降低管制标准。
　　 按照“城镇化发展速度”和“政府对水环境的管制力度”的不同情形组合形成9种情境。
　　5.3.2  9种情境下的B类评价指标预测
　　 结合设定的不同情境，提出表4中B类指标的预测思路。以2030年为目标年，基于相关规划资料，利用公式（9）～（15）对B类指标进行预测，具体见表8。
　　 5.3.3 不同情境下的区域水环境承载力评价计算
　　 按照9种不同情境组合，利用公式（1）～（7）分别测算2030年9种情境组合下的区域水环境承载力，见表9。
　　6 建 议
　　目前江苏省城镇化仍处于中高速发展阶段，城镇化带来的水污染、水环境问题也日益严峻，应当采取有效的措施保证水环境承载力处于健康稳定的状态。基于实证分析结论，提出建议如下。
　　（1）要维持城镇化发展达到“中”速水平，必须进一步加强政府对水环境的管制力度。需制定加大治污力度的政策和管理措施及法律法规，严格控制废水排放总量，加大对违规排放的处罚力度。提高污水集中处理率，加大对江苏省水功能区水质达标率和集中式饮用水源地的水质达标率的监测，提高水污染应急处理能力。
　　 （2）在维持现有政府水环境管制力度的情形下，必须将城镇化发展速度控制在“低”速水平上。需适度控制城镇人口的增长规模，同时通过加强节水宣传教育以改善城镇居民的用水习惯，减少水资源浪费和生活污水随意排放的现象，加大对水资源的循环利用力度，控制万元GDP用水量和万元工业增加值用水量，提高水资源的利用效率。
　　（编辑：李 琪）
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