黄河流域水资源与区域发展时空耦合研究_王格芳.pdf

第 37 卷第 2 期干旱区资源与环境Vol 37No 22023 年 2 月Journal of Arid Land esources and EnvironmentFeb 2023文章编号:1003 7578(2023)02 008 08doi:1013448/j cnki jalre2023029黄河流域水资源与区域发展时空耦合研究*王格芳1，李梦程2，3(1 中共山东省委党校，济南 250103;2 山东师范大学地理与环境学院，济南 250358;3 山东省高校人地协调与绿色发展协同创新中心，济南 250358)提要:基于城市、土地、人口和产业视角，构建黄河流域水资源与区域发展的评价体系，通过耦合协调度模型分析水资源与区域发展的相互关系，借助双变量空间自相关分析水资源与区域发展的时空相关性，引入时空地理加权回归模型探究区域发展对水资源的影响。研究表明:2010 2020 年黄河流域水资源与区域发展的相互作用程度不断增强，空间上耦合协调关系呈“东部优于西部、南部优于北部”的格局。黄河流域局部地区水资源与周边地区的城市发展、人口规模和产业结构的空间集聚效应减弱;水资源与土地规模的空间集聚效应增强。黄河流域城市、土地、人口和产业发展对水资源的影响存在空间异质性，人水矛盾是黄河流域高质量发展的主要障碍。关键词:水资源;区域发展;时空耦合关系;黄河流域中图分类号:K901文献标识码:A区域水资源合理有效利用成为流域经济社会发展的关键1。2019 年，黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略。但黄河流域水灾水污染，水土流失严重，沿黄各省区发展不平衡不充分的问题尤为突出，在一定程度上阻碍了区域的高质量发展。特别是水资源短缺和供需不平衡成为黄河流域高质量发展的最大矛盾。2020 年新一轮国土规划改革中也进一步强调了水资源作为资源环境底线约束的重要性。2021 年习近平总书记强调全方位贯彻落实“四水四定”原则，将水资源作为黄河流域的刚性约束，坚持以水定城、以水定地、以水定人、以水定产。2021 年颁布的黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要 提出，统筹水资源分配利用与产业布局、城市建设等的关系。“以水定需”的水资源开发利用方针，为黄河流域高质量发展指明了方向2。由此可见，评价黄河流域的水资源配置与区域发展的协调关系是确保黄河流域高质量发展的根本基础3。当前，在“四水四定”的政策指导下，关于水资源与城市、土地、人口、产业等的协调发展研究成为区域研究的热点。在全国层面，近年来，我国城市化、工业化快速发展，水资源需求量日益增加，尤其是我国北方地区的水资源短缺已成为制约区域可持续发展的瓶颈4;已有研究揭示人为因素是我国城市水资源脆弱性的重要原因5;并且人口规模小、土地利用密集的城市，持续用水的潜力越大6;还有研究发现我国土地资源效率多滞后于水资源利用效率7。在流域层面，研究发现城市化进程对水资源承载能力的可持续性造成了严重压力8;黄河流域人地关系的空间协调状况中将近 1/5 的地区，人地关系趋于紧张9;已有学者提出落实“四水四定”要求，能为黄河流域高质量发展提供自然要素支撑10。从研究内容看，学者多以“四水四定”为理论背景，从水资源与城市、土地、经济等角度构建指标体系进行几个要素之间的协调性分析，而综合城、地、人、产四大要素来系统探索黄河流域水资源和区域发展时空耦合关系的成果较少。基于此，文中以黄河流域 80 个地级市为例，创新性地综合城、地、人、产四个因素为一体，系统分析“四水四定”视角下的水资源开发利用与城市发展、土地规模、人口规模和产业结构之间的协调关系，以期为黄河的水资源集约利用和实现区域高质量发展提供政策依据。*收稿日期:2022 9 14;修回日期:2022 10 22。基金项目:国家社会科学基金项目(20BJY070)资助。作者简介:王格芳(1971 )，女，山东诸城人，博士，教授，主要从事公共管理方面的研究。E mail:wanggefang shandong cn通讯作者:李梦程(1990 )，女，山东威海人，博士研究生，主要从事区域发展与城市规划方面的研究。E mail:mclisd163 com图 1研究区范围Figure 1 Scope of the study area注:该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为 GS(2020)4619 号的标准地图制作，底图界线无修改，下同。1材料与研究方法1 1研究区域黄河流域是我国重要的水资源分布区，呈“几”字形流经青、川、甘、宁、蒙、陕、晋、豫、鲁 9 省(自治区)，流域面积占 9 省(自治区)面积的22 1%11。2020 年黄河流域水资 源 总 量 为 66489 9 亿m3，约占全国的 20 54%，这些 水 资 源 需 提 供 给 全 国29 84%的人口、28 13%的建成区和 31 68%的耕地使用。目前第二产业仍是该流域多数城市的支柱产业，二产增加值占全国比重达 25 07%。近年来，城镇发展导致的用水需求也在骤增。考虑到四川省属长江流域，内蒙古东四盟为广义的东北地区，研究中予以剔除12;此外，各自治州、盟因数据难以获取，为无数据区，文中研究区共计流域沿线 80 个地级市(图 1)。1 2研究方法1 2 1构建评价指标体系以水定城、以水定地、以水定人、以水定产的“四水四定”的核心是将水资源开发利用限定在其承载力范围内，既需保障社会经济高质量发展，又让生态环境得到有效保护。“以水定城”强调城镇开发管控，防止流域内城市无序扩张;“以水定地”基于水资源对土地规划进行严格管制，保证基本农田、建设用地规模适应区域水资源的刚性约束;“以水定人”强调根据水资源最大可利用量确定城市人口规模;“以水定产”强调产业规模和产业结构要适应水资源的刚性约束。参考已有研究13 14，基于“四水四定”的核心内涵，将 VIF 7 5 的指标予以剔除，构建黄河流域水资源与区域发展的评价指标体系(表 1)。其中，经济活跃度以夜间灯光数据表示12;产业结构高级化以第三产业与第二产业的比值表示;产业结构合理化通过泰尔指数进行测算，基于第一、二、三产业的增加值和就业人数测算得到15。表 1 黄河流域水资源与区域发展的评价指标体系Table 1 Index system for evaluation ofwater resources and regional developmentin the Yellow iver Basin要素层指标层单位权重属性水资源水资源总量万 m30322正向年降水总量mm0286正向年供水总量m30392正向城市城市化率%0303正向经济活跃度0372正向建成区面积m20325正向土地城乡建设用地面积m20545正向耕地面积m20455正向人口用水人口数万人0508负向用水户数户0492负向产业GDP万元0363正向产业结构高级化0293正向产业结构合理化0344正向1 2 2BP 神经网络模型基于熵值法测算指标权重，将标准化与权重值加权求和得到 BP 神经网络的期望值。为减小误差，选用 BP 神经网络测算黄河流域的水资源与区域发展状况12。1 2 3耦合协调度模型耦合协调度模型用以评价系统之间的协调发展状况，耦合度表征两系统之间关联作用的强弱，耦合协调度表征两系统在关联作用下的协调关系16，其公式为:C=W(x)(y)W(x)+(y)222(1)9第 2 期王格芳等黄河流域水资源与区域发展时空耦合研究T=W(x)+(y)(2)D=C T(3)式中:W(x)为投入维度评价指数，(y)为区域发展不同维度的评价指数;C 为耦合度指数，取值范围为 0，1，C 值越大，关联作用越强。T 为水资源与区域发展不同维度的评价指数;、为待定权数，由于水资源与区域发展对黄河流域高质量发展同等重要，因此、均取值 0 5;D 为协调度指数，取值范围为 0，1，D 值越大，协调发展水平越高。参考已有研究16 17，将耦合度分为 4 个阶段，耦合协调度分为 4 个等级(表 2)。表 2 耦合协调度等级划分标准Table 2 Classification standardof coupling coordination degree耦合度(C)耦合阶段耦合协调度(D)协调等级 000，030 低度耦合阶段 000，030 初级协调(030，050 拮抗阶段(030，050 中级协调(050，080 磨合阶段(050，080 高级协调(080，100 高度耦合阶段(080，100 优质协调1 2 4双变量空间自相关双变量空间自相关分析能有效反映两变量的空间关联特征18，其公式为:I=ni=1nj=1Wij(xi x)(yi y)s2ni=1nj=1Wij(4)式中:n 为研究区数量，xi、yi分别为第 i 个和第 j 个研究区的观测值，Wij为空间权重矩阵，S2为样本的方差。全局 Morans I 的取值范围为1，1，通过显著性检验，I 0 表示空间存在正相关性;I 0 表示空间存在负相关性;I=0 表示不存在空间相关性。双变量局部空间自相关公式为:Ii=Zinj=1WijZj(5)式中:n 为研究区数量，Wij为空间权重矩阵，Zi、Zj为研究区 i、j 观测值的方差标准化值。依据 Ii形成高 高集聚、低 低集聚、高 低集聚、低 高集聚的聚类模式，可直观反映局部地区自变量与因变量的分异特征。1 2 5时空地理加权回归模型时空地理加权回归(GTW)模型引入时间维度，充分考虑变量的时空非平稳性19。基于该模型探究区域发展对水资源的影响，其公式为:Gi=0(xi，yi，ti)+kk(xi，yi，ti)Zik+i(6)式中:(xi，yi，ti)为第 i 样本点的时空坐标，xi，yi，ti分别为第 i 样本点的经度、纬度、时间，0(xi，yi，ti)为第 i 样本点的回归常数，Zik为第 k 个自变量在第 i 点的值，i为残差，k(xi，yi，ti)为第 i 样本点的第 k个回归参数。1 3数据来源基于数据统一性、科学性与可获取性，数据源自 2010、2015、2020 年中国城市建设统计年鉴，2011、2016、2021 年 中国城市统计年鉴 和黄河流域 80 个城市的统计年鉴。土地利用数据源自中国科学院资源环境科学数据中心获取的 2010、2015、2020 年的 Landsat 影像，分辨率为 30m。夜间灯光数据源自美国国家海洋和大气管理局的地球物理数据中心。图 2黄河流域水资源与区域发展的评价结果Figure 2 Evaluation results of water resources andregional development in the Yellow iver Basin2结果分析2 1水资源与区域发展的评价结果基于 MATLAB 软件的 BP 神经网络代码得到水资源与区域发展的评价指数。如图 2 所示，研究期内，水资源评价指数于 2015 年略有下降但迅速回升，总体呈波动上升态势，城市、土地、人口等要素的评价指数均呈逐年上升的趋势。水资源、城市、产业评价指数相对较高，而土地和人口评价指数相对较低。可见黄河流域水资源及区域发展质量呈逐渐提升趋势，但各要素有所差异。2 2水资源与区域发展耦合协调的时空演变特征基于耦合协调度模型分析黄河流域水资源与区域发展之间的关联与协调特征。由表 3 可知，2010 01干旱区资源与环境第 37 卷2020 年水资源与城市、土地、人口等区域发展要素的耦合度总体呈上升趋势。城市和产业发展与水资源的耦合度均处于高度耦合阶段;土地和人口规模与水资源的耦合度呈先升后降的态势，耦合度在 2010 年较低，处于磨合阶段，2015 年耦合度提升明显，2020 年耦合度有所下降，但处于高度耦合阶段。研究期内，水资源与区域发展的耦合协调度逐年提升，耦合协调等级有所改善。其中，城市和产业发展与水资源的耦合协调度在 2010 2015年属于平稳增长阶段，2015 2020 年进入快速提升阶段，耦合协调等级均为高级协调;土地和人口规模与水资源的耦合协调等级由