聂大鹏

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

0 引 言

近年来，营口市依托其优越的环境条件和独特的地理优势迅速发展经济，截止2018年营口市城市化水平达到75.46%，同时各行业用水量和污废水排放量急剧增大。从水质的角度，2008年、2009年、2015年、2016年、2017年，辽河流域营口段各监测断面的水质超标严重，不同断面和年份的水环境污染程度存在一定差异。另外，营口市城市化进程与水资源量之间存在一定的耦合协调问题：营口市西临渤海辽东湾，境内有辽河、大清河、浮渡河、熊岳河等150余条河流，年降水量670-800mm，该城市理论上为丰水地区；但是，由于独特的气候环境和地理位置，该区域存在用水效率低、开采成本高、开发难度大和可利用量少等特征，加之降水季节性分配不均和水体污染严重，长期以来始终处于严重缺水状态。总体而言，经济的发展和人口的激增，使得营口市水环境保护与城市化发展之间的矛盾更加突出。因此，文章对两系统之间的耦合关系进行分析，揭示了二者其时序变化规律和耦合协调机制，为营口市水环境保护、水资源合理配置和城市功能优化调整等提供科学的依据[1-3]。

1 区域概况

营口市位辽东半岛中枢，渤海东岸，地域范围为E121°56′-123°02′，N39°55′-40°56′，属于环渤海经济圈最具有竞争力的现代化港口城市，总面积5415.68km2。该区域为温暖带大陆性季风气候，春秋季短、冬长夏暖、平原风大、雨量集中、雨热同期、光照丰富[4-5]。该市年降水量670-800mm，雨量适中，且自西北向东南降水量呈递增趋势，平均气温7℃-9.5℃，无霜期172d-188d。营口市境内河网密布，各支流纵横交错、蜿蜒曲折，主要有辽河、碧流河、大清河、浮渡河、熊岳河等150余条河流，大中型水库4座，小型水库33座。

根据2005-2018年营口市统计年鉴、政府工作报告、水资源公报等资料提取相关数据，截止到2018年底，全市总人口达到233.3万人，其中常住人口244.6万人，其中城市常住人口156.3万人，农村常驻人口为88.3万人，城镇登记失业率6.9%，第三产业人口所占比重67%；全市生产总值1591.1亿元，GDP人均65075元，其中三产GDP为663.6亿元，第三产业占总产值的比重为41.71%，第二、三产业的产值为110.6亿元和值816.9亿元其比为6.95%、51.34%，人均工业总产值4734万元，城镇人均居住面积45.2m2，人均可支配收入4520元，万人拥有公交交通车辆4标台，人均公园绿地面积3.3m2，城市人口密度3957人/km2，人均拥有道路面积18m2，建成区总面积395km2；年降水量770mm，营口市多年平均水资源总量为105467万m3，其中多年平均地表水资源量为97773万m3，多年平均地下水资源量为31357万m3，全市人均日生活用水量为85L/d，城镇人均日生活用水量为120L/d，用水普及率100%，城市供水综合生产能力万m3/d，排水管道密度7.03km/km2，工业废水排放总量348709万t，工业废水排放达标率100%，污水处理率87%，污水处理厂处理能力10万m3/d。同时，针对存在数据缺失的个别年份，为补全相关数据利用插值法补齐[6]。

2 研究方法

2.1 评价体系及权重计算

结合水环境、城市化相关研究成果和文献，对指标使用状况运用频度统计法分析。为更加系统、客观的描述区域城市化程度，从经济、社会、空间、人口等4个方面15项典型因子；为综合、全面的体现水资源环境变化趋势及其未来发展水平，从环境、经济和社会评价3个方面选取12个衡量水资源环境的指标。

不同指标的单位和量纲往往存在较大差异，一般无法直接参与运算。因此，对营口市2005-2018年衡量水资源环境和城市化水平的各评价因子采用变异系数法进行归一化处理，从而确定各评价因子的权重，如表1所示。其中，正向和负向评价因子的归一化公式如下：

(1)

(2)

表1 营口市水资源环境与城市化水平耦合系统评价体系

续表1 营口市水资源环境与城市化水平耦合系统评价体系

各评价因子的标准差Sj和均值Xj依据样本计算确定，根据如下计算式确定变异系数，具体如下：

(4)

采用下式确定单因子评分，其表达式为：

(5)

Sij=ωj×Sij

(6)

式中：minXj、maxXj为评价因子j关于所有样本的最小、最大值；Xij为评价指标j关于评价样本i的数值；m、n为评价样本和指标数。

2.2 灰关联评价分析

将营口市水资源环境与城市化水平之间的关系利用灰色关联模型定量分析，考虑到各评价因子量纲的差异性，为消除不同指标间的不可通透性需要标准化处理初始数据，利用公式(1)、(2)处理后求解关联系数，即：

(7)

(8)

2.3 耦合协调度模型

水环境与城市化间的协调发展程度运用构建的耦合模型评判，其表达式如下：

(9)

其中：T=(αU1+βU2)；C、D为两者之间的耦合度和协调度，其表达式为：

(10)

评价过程中涉及到水资源与城市化两个系统，所以n值为2。因此，耦合度C∈[0,1]。综合评分为U1、U2，两个子系统间的综合协调指数为T，其取值区间为T∈(0,1)，其中α、β为待定系数。考虑到两个子系统同等重要的实际情况，设定α、β值均为0.5，从而可求解出最终的协调度值D。将系统耦合协调度类型依据D值的带下划分为多个不同类型，如表2所示。

3 评价结果分析

3.1 营口市城市化和水资源环境测评

将营口市水资源环境与城市化综合水平采用计算式(5)、(6)求解，如图1、图2所示。

表2 判别标准及其分类体系

图1 2005-2018年城市化综合水

图2 2005-2018年水资源环境综合水平

根据图1可知，营口市2013-2018年城市化综合水平总体呈现出较快的增长趋势，截止2018年已>70%，研究期间仅有2013年有小幅回落，这可能与当年经济发展受阻和洪涝灾害等因素相关。从图2可知，波动上升为营口市水资源环境综合水平的变化特征，由此表明自2005年以来研究区的水资源环境为正向积极的发展方向，水资源环境与城市化水平之间存在积极促进作用，该变化特征与城镇登记失业率等因子稳定下降的趋势保持一致。然而，水资源环境综合水平在2013年呈现出较为显著的回落，这可能与营口市2013年加快工业发展速度、建设实施了一系列工业项目等因素相关，从而导致人均用水量的上升和污水处理能力的下降，并对综合水平造成不利影响。2013年后，随着工业建设的结束水资源环境综合水平再度呈上升趋势[7]。

3.2 耦合协调度的时序变化分析

营口市水资源环境与城市化发展耦合协调度发展类型按照廖重斌等提出的判别标准及分类体系确定，将其划分为3个阶段，具体如下：

1) 城市化发展优于水资源环境的第一阶段。2005年-2010年属于中级至良好协调发展的第一阶段，协调度如表3所示。其中，导致耦合协调度处于中度协调发展的关键因素为水资源环境滞后于城市化发展，两个子系统的综合水平均处于较低状态。一方面，废水排放和工业耗水较大，排放代表率和科技水平低，2005-2010年的达标率为76.12%、79.85%、81.36%、86.58%、87.72%、88.10%；另一方面，对于水环境的治理投资因城市经济不够发达极其有限，长期处于较低水平的污水综合处理率，加之水资源浪费严重和水体保护意识较差使得城市化发展整体优于水资源环境。

2) 水资源环境优于城市化发展的第二阶段。2011年-2013年属于良好协调发展的第二阶段，两子系统综合水平和协调度见表3。随着营口市人口与产业聚集效应的增加及城市规模的扩大，生活用水量和污水排放量急剧增大，对营口市可持续发展构成潜在威胁。对此，营口市相关部门明确要求2014年污染物去除率要达到60%以上，废水处理合格率和治理率不得低于85%、70%，并制定了一系列整治项目。2011年对改造和扩大一大批老旧污水处理厂，显著提升了营口地区的污废水处理水平；2012年按自来水价格上调了污水处理费，加大节水环保宣传，保证了2013年工业废水排放率达到90%以上及污水处理率达到80%以上的目标实现，同时万元GDP用水量明显减少，这是造成城市化滞后于水资源环境的主要原因。

表3 2005-2018年耦合协调度

3) 城市化发展优于水资源环境的第三阶段。2014年-2018年属于良好协调经济滞后向优质协调环境滞后的的第三阶段，营口市城市化水平不断提升为导致该变化特征的主要原因。从人口结构的角度，截止2018年营口市已达到70%以上的城市化率，城市生活用水排放量和常住人口增长迅速；从经济结构的角度，以汽车制造、重型机械等重工业为主的第二产业比重长期处于60%以上的高值，由此使得工业污水排放和需水量始终为较高水平。2014-2018年的城市污水排放增加幅度为15.40%、10.38%、1.82%、4.42%、8.46%，截止2018年污水排放量已超过营口市的污水厂处理能力。同时，由于辽河、浑河段长期存在的重金属污染问题，使得此期间的城市化水平优于水资源环境。

3.3 交互耦合影响因素

将两系统间的耦合因素利用灰色系统理论进行分析，对两子系统间的关联度采用公式(7)、(8)求解。研究表明：两系统之间存在较强的相关性，灰色关联度均超过0.5，可见营口市水资源环境与城市化系统间存在紧密的联系[8]。通过升序排列关联度探讨两子系统之间的耦合关系，从而确定城市化系统制约水资源环境和水资源环境约束城市化发展的主要因素。

按照升序排列城市化子系统与水资源环境12项因子的关联度为：用水普及率、人均日生活用水量、年降水量、地表水资源量、地下水资源量、单位工业产值废污水排放、排水管道密度、工业废水排放总量、工业废水达标率、城市洪水综合能力、污水处理率、污水厂处理能力，所对应的关联度依次为0.563804250、0.594041386、0.603348715、0.607425786、0.608408267、0.616417552、0.624264689、0.63924871、0.6578472、0.718305446、0.719286408、0.721864856。由此可见，功水能力、供水设施和水污染治理为制约城市化体系的主要方面，其关键性约束因子为污水处理。

按照升序排列水资源环境子系统与城市化15项因子的关联度为：GDP中第三产业比重、第二三产业产值比、城市人口密度、城镇人均居住面积、万人永久公交车辆、人均拥有道路面积、人均工业总产值、人均可支配收入、人均公园绿地面积、人均GDP、城镇登记失业率、全市年末常住总人口、建成区总面积、非农业人口数、第三产业人口所占比重，所对应的关联度依次为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。由此可见，空间面积、人口增长及经济状况为胁迫水资源环境的主要因子，其关键性胁迫因子为空间面积和经济结构。

4 结 论

1) 营口市城市化发展除2013年存在一定幅度的下降，其他年份整体呈稳定增长趋势，水资源环境总体表面处较大的波动。由此表明，研究区经济社会发展始终保持良好的势头，而水资源环境发展不稳定，应制定科学有效的政策。

2) 在时序变化上营口市水资源环境与城市化之间的耦合关系成波动上升趋势，经历了2005-2010年城市化发展优于水资源环境的第一阶段、2011-2013年水资源环境优于城市化发展的第二阶段、2014-2018年城市化发展优于水资源环境的第三阶段。然而，营口市仍存在环境滞后的特征，在很长一段时间内水环境仍位于重点防护和治理地位。

3) 水资源环境与城市化之间存在紧密的联系，灰色关联度均超过0.5。其中，供水能力、供水设施和水污染治理为制约城市化体系的主要方面，其关键性约束因子为污水处理。经济状况、城市空间面积、人口增长及分布为胁迫水资源环境的主要因子，其关键性胁迫因子为空间面积和经济结构。为谋求水资源环境与城市的良性协同发展应做好城市经济与空间规划，加强对污排放的管理和控制。