第 49 卷 第 3 期 2013 年 6 月 兰 州 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Journal of Lanzhou University (Natural Sciences) Vol. 49 No. 3 Jun. 2013 文 章 编 号 : 0455-2059(2013)03-0299-07 西 北 地 区 城 市 化 过 程 中 水 资 源 约 束 时 空 变 化 以 西 陇 海 兰 新 经 济 带 甘 肃 段 为 例 高 翔 兰 州 大 学 资 源 环 境 学 院, 兰 州 730000 摘 要 : 基 于 甘 肃 段 1989 2007 年 近 20 年 水 资 源 与 城 市 化 两 大 系 统 的 2000 多 个 数 据, 采 用 改 进 的 综 合 测 度 模 型, 探 讨 了 甘 肃 段 水 资 源 对 其 城 市 化 发 展 约 束 强 度 的 时 空 变 化. 研 究 表 明 : 1) 1989 2007 年 甘 肃 段 及 其 9 个 城 市 水 资 源 约 束 强 度 总 体 上 呈 下 降 趋 势, 特 别 是 自 2000 年 以 来, 约 束 强 度 下 降 趋 于 加 快, 其 中 兰 州 市 金 昌 市 最 为 突 出. 但 9 个 城 市 之 间, 水 资 源 约 束 强 度 变 化 存 在 一 定 差 异, 反 映 了 变 化 的 丰 富 性. 具 体 来 说, 兰 州 市 由 强 约 束 降 为 较 强 约 束, 降 幅 明 显 ; 由 极 强 约 束 降 为 强 约 束 的 城 市 有 5 个, 包 括 约 束 度 降 幅 较 大 的 武 威 市 酒 泉 市, 降 幅 不 明 显 的 嘉 峪 关 市 金 昌 市 及 约 束 度 呈 波 动 变 化 的 定 西 市 ; 约 束 度 略 有 下 降, 但 约 束 类 型 基 本 不 变 的 城 市 包 括 白 银 市 ( 极 强 约 束 ) 天 水 市 ( 强 约 束 ) 与 张 掖 市 ( 极 强 约 束 ). 2) 甘 肃 段 9 个 城 市 水 资 源 约 束 空 间 差 异 按 20 年 约 束 度 平 均 计, 表 现 为 除 兰 州 水 资 源 约 束 类 型 属 于 较 强 约 束 天 水 市 属 于 强 约 束 外, 其 余 7 个 城 市 ( 酒 泉 嘉 峪 关 张 掖 金 昌 武 威 定 西 白 银 ) 均 属 于 极 强 约 束, 反 映 甘 肃 段 城 市 化 发 展 整 体 一 直 承 受 着 较 大 的 水 资 源 压 力, 未 来 一 定 时 期 水 资 源 约 束 压 力 也 会 依 然 存 在. 关 键 词 : 水 资 源 约 束 度 ; 城 市 化 ; 综 合 测 度 ; 时 空 变 化 ; 西 陇 海 兰 新 经 济 带 ; 甘 肃 段 中 图 分 类 号 : P461.8 文 献 标 识 码 : A Constraint intensity of temporal-spatial variations of water resources on urbanization in Northwest China: a case study of Gansu section of Western Longhai-Lanxin Economic Zone GAO Xiang College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China Abstract: Based on more than 2 000 data associated with the urban system and water-resource system from 1989 to 2007, a comprehensive quantitative measurement was made of the constraint intensity of water resources on urbanization and of its temporal-spatial variations, with the conclusion that 1) In the time series the WRCI (water resource constraint intensity) in Gansu section and its nine cities has showed a trend of fluctuating down as a whole, which had decreased faster since 2000 with Lanzhou and Jinchang as the representative cities. Among nine cities there had been different constraint intensities. Particularly, the WRCI of Lanzhou had decreased from the intensive constraint in 1989 to the strong constraint with an obvious drop in 2007. The WRCI of five cities changed from the extreme constraint to the intensive constraint, namely Wuwei and Jiuquan having an obvious drop, Jiayuguan and Jinchang a small drop and Dingxi a fluctuating down; with a small drop of the WRCI, Baiyin and Zhangye in general maintained an extreme constraint and Tianshui maintained an intensive constraint. 2) In term of spatial differentiation, the 20-year mean of WRCI showed that water resources had constrained urban development with the type of a relatively strong constraint in Lanzhou, the type of the intensive constraint in Tianshui, and the type of the extreme constraint in the other 7 cities including Jiuquan, Jiayuguan, Zhangye, Jinchang, Wuwei, Dingxi and Baiyin, indicating that the Gansu section will be confronted with more problems 收 稿 日 期 : 2012-09-06; 修 回 日 期 : 2012-09-27 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (50879033); 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 项 目 (lzujbky-2010-101) 作 者 简 介 : 高 翔 (1974 ), 男, 山 东 单 县 人, 教 授, 博 士, e-mail: xgao@lzu.edu.cn, 研 究 方 向 为 资 源 测 度 与 规 划.
300 兰 州 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 49 卷 of water shortage and adjustment of water resources in the future. Key words: water resource constraint intensity; urbanization; comprehensive measurement; temporal-spatial change; Western Longhai-Lanxin Economic Zone; Gansu section 水 资 源 作 为 自 然 资 源 是 支 撑 国 民 经 济 发 展 的 先 导 资 源, 是 人 来 赖 以 生 存 和 经 济 社 会 发 展 的 战 略 资 源 和 物 质 基 础. 随 着 城 市 化 进 程 的 不 断 推 进, 快 速 城 市 化 及 其 引 起 的 资 源 环 境 和 空 间 失 控 等 问 题 逐 渐 引 起 了 人 们 的 高 度 关 注 [1]. 有 学 者 认 为 城 市 化 带 来 的 水 资 源 需 求 量 增 长 是 导 致 水 资 源 危 机 的 重 要 原 因 之 一 [2 3], 有 学 者 通 过 城 市 化 发 展 阶 [4] 段 与 水 资 源 开 发 利 用 阶 段 的 关 系 以 及 用 水 与 经 济 发 展 的 关 系 [5], 揭 示 了 用 水 零 增 长 的 规 律, 让 担 心 全 球 水 危 机 的 人 们 看 到 了 希 望. 由 于 一 些 发 达 国 家 水 资 源 比 较 丰 富, 且 已 进 入 城 市 化 发 展 的 后 期 阶 段, 并 实 现 了 需 水 零 增 长, 因 此 国 外 多 从 水 环 境 污 染 和 管 理 的 角 度 论 述 城 市 化 对 水 资 源 系 统 的 影 响 [6 7]. 国 内 多 关 注 城 市 化 进 程 中 的 水 资 源 短 缺 水 环 境 污 染 等 问 题 及 其 产 生 的 生 态 环 境 效 [8 9] 应 及 水 资 源 与 城 市 化 的 耦 合 关 系 [10], 但 这 只 是 城 市 化 与 资 源 环 境 关 系 的 一 个 方 面, 即 城 市 化 的 资 源 环 境 效 应 问 题 ; 而 二 者 关 系 的 另 一 方 面, 即 资 源 ( 水 ) 约 束 下 的 城 市 化 发 展 的 探 讨 却 尚 显 不 足, 特 别 是 对 中 国 西 北 干 旱 地 区 西 陇 海 兰 新 经 济 带 甘 肃 段 这 样 的 重 要 地 区, 水 资 源 短 缺, 而 城 市 化 发 展 又 是 实 现 这 些 地 区 现 代 化 的 主 要 途 径. 因 此, 探 讨 西 北 地 区 水 资 源 约 束 下 的 城 市 化 发 展 十 分 必 要. 国 内 目 前 对 水 资 源 约 束 城 市 化 的 研 究, 大 多 数 是 以 水 资 源 约 束 为 前 提 条 件 或 背 景, 对 社 会 经 济 和 城 市 发 展 等 进 行 探 讨. 比 较 具 有 代 表 性 的 是 鲍 超 等 针 对 西 北 干 旱 区 水 资 源 约 束 下 的 城 市 化 过 程 进 行 了 系 统 研 究, 从 理 论 上 探 讨 水 资 源 约 束 力 的 内 涵 研 究 意 义 及 战 略 框 架 [11 12], 系 列 实 证 研 究 定 量 研 究 水 约 束 下 河 西 走 廊 城 市 化 发 展 模 式 [13 14] 西 陇 海 兰 新 经 济 带 城 市 扩 张 特 征 与 变 动 趋 势 [15] 河 西 走 廊 城 市 竞 争 力 及 扩 张 幅 度 研 究 [16] 城 市 经 济 发 展 与 城 市 化 阈 值 [17] 水 约 束 城 市 化 进 程 的 定 量 辨 识 [18] 水 资 源 利 用 与 城 市 化 关 系 的 量 化 分 析 [19] 水 约 束 下 城 镇 体 系 形 成 机 制 及 空 间 组 织 [20] 水 资 源 对 城 市 化 约 束 强 度 的 时 空 变 [21] 化 及 水 资 源 对 城 市 化 约 束 强 度 的 情 景 预 警 分 [22] [23] 析 等. 此 外, 张 雅 君 等 就 城 市 需 水 量 长 期 预 测 中 普 遍 存 在 的 预 测 偏 高 问 题, 提 出 了 水 资 源 约 束 的 概 念 及 其 定 量 表 述, 分 析 了 水 资 源 约 束 在 用 水 系 统 中 的 作 用, 并 把 它 量 化 到 长 期 需 水 量 预 测 模 型 中, 为 解 决 预 测 模 型 与 实 际 情 况 不 符 的 问 题 提 供 了 一 条 途 径. 以 上 研 究, 实 际 上 是 将 城 市 化 发 展 过 程 中 水 资 源 短 缺 状 况 和 水 资 源 承 载 容 量 作 为 其 中 的 一 个 控 制 因 素. 定 量 分 析 一 般 是 把 用 水 总 量 不 超 过 水 资 源 开 发 利 用 阈 值 作 为 一 个 约 束 条 件, 建 立 一 个 不 等 式, 在 这 个 不 等 式 的 约 束 下 进 行 一 系 列 规 划 求 解. 这 一 类 型 的 研 究 很 难 系 统 地 探 寻 出 水 资 源 约 束 城 市 化 发 展 的 机 理 及 变 化 规 律. 城 市 化 发 展 要 兼 顾 速 度 规 模 与 质 量 之 间 的 关 系, 要 顺 应 水 资 源 利 用 规 律, 对 水 资 源 约 束 力 进 行 调 控, 尽 可 能 在 较 大 的 驱 动 力 和 较 小 的 水 资 源 约 束 力 作 用 下, 促 进 城 市 化 发 展. 对 水 资 源 约 束 力 进 行 度 量, 是 水 资 源 约 束 力 研 究 的 核 心 领 域 之 一. 对 西 北 干 旱 区 而 言, 只 有 科 学 地 度 量 了 水 资 源 约 束 力 以 后, 才 能 够 确 定 当 前 水 资 源 约 束 力 的 具 体 类 型 及 所 处 阶 段, 并 根 据 不 同 类 型 和 变 化 趋 势, 对 症 下 药, 提 出 未 来 水 资 源 约 束 力 调 控 的 具 体 对 策. 1 研 究 区 西 陇 海 兰 新 经 济 带 是 以 陇 海 铁 路 西 段 兰 新 铁 路 以 及 同 方 向 的 高 等 级 公 路 通 讯 干 线 等 为 轴 线, 以 沿 线 呈 串 珠 状 展 开 的 省 会 城 市 地 级 城 市 为 节 点, 以 其 周 边 地 区 为 腹 地, 宽 度 大 约 在 100 150 km 范 围 内 的 地 带 构 成 的 经 济 区 域. 西 陇 海 兰 新 经 济 带 甘 肃 段 ( 以 下 简 称 甘 肃 段 ) 是 甘 肃 经 济 发 展 的 轴 心 地 带, 其 地 域 范 围 包 括 兰 州 天 水 定 西 白 银 武 威 张 掖 金 昌 酒 泉 和 嘉 峪 关 9 个 地 级 市 46 个 县 ( 市 辖 区 ), 截 止 2011 年 底, 占 全 省 总 人 口 的 68%, 其 中 非 农 业 人 口 占 全 省 的 80.2%, 集 中 了 全 省 GDP 的 80.4%, 是 甘 肃 省 的 黄 金 线 和 生 命 线. 2 数 据 与 研 究 方 法 2.1 指 标 体 系 水 资 源 环 境 与 城 市 化 系 统 耦 合 作 用 是 极 其 复 杂 的, 因 此 采 用 单 一 指 标 无 法 真 实 反 映 两 者 之 间 的 内 在 机 制 和 规 律. 鉴 于 此, 遵 循 科 学 性 可 获 得 性 区 域 性 动 态 性 等 原 则, 首 先 采 用 频 度 分 析 法 理 论 分 析 法 和 专 家 咨 询 法 得 到 一 般 的 测 度 指 标 体 系. 考 虑 到 指 标 间 的 信 息 重 叠 问 题, 在 此 基 础 上 采 用 相 关 系 数 法 和 主 成 分 分 析 法 对 一 般 的 评 价 指 标 体 系 进 行 筛 选, 得 到 最 终 指 标 体 系 ( 表 1).
第 3 期 高 翔 : 西 北 地 区 城 市 化 过 程 中 水 资 源 约 束 时 空 变 化 以 西 陇 海 兰 新 经 济 带 甘 肃 段 为 例 301 Table 1 表 1 水 资 源 环 境 与 城 市 化 系 统 耦 合 指 标 体 系 Indicators of water resources environments and urbanization system coupling 功 能 团 指 标 人 口 城 市 化 城 镇 人 口 增 长 率 非 农 人 口 比 重 人 口 密 度 城 经 济 城 市 化 非 农 产 业 比 重 人 均 GDP 人 均 GDP 增 长 率 建 成 区 经 济 密 度 非 农 产 业 密 度 工 业 增 加 值 市 比 重 人 均 工 业 增 加 值 化 社 会 城 市 化 人 均 可 支 配 收 人 人 均 消 费 额 人 均 道 路 面 积 恩 格 尔 系 数 万 人 大 学 生 数 万 人 医 生 数 万 人 系 电 话 数 科 教 经 费 投 入 比 例 人 均 居 住 面 积 统 空 间 城 市 化 人 均 建 成 区 面 积 建 成 区 面 积 密 度 城 镇 密 度 城 镇 人 口 密 度 水 水 资 源 本 底 条 件 人 均 水 资 源 水 资 源 量 折 合 径 流 深 产 水 模 数 饮 用 水 源 水 质 达 标 率 资 水 资 源 开 发 利 用 程 度 人 均 用 水 量 水 资 源 利 用 率 地 下 水 开 发 利 用 率 源 水 资 源 开 发 利 用 效 率 万 元 GDP 用 水 量 毛 灌 溉 用 水 定 额 单 位 粮 食 产 量 用 水 万 元 工 业 增 加 值 用 水 工 业 用 水 系 重 复 率 城 镇 居 民 用 水 定 额 农 村 居 民 用 水 定 额 节 水 灌 溉 面 积 比 重 统 水 资 源 管 理 能 力 万 人 拥 有 水 科 技 人 员 数 生 态 环 境 用 水 率 万 元 GDP 废 水 排 放 量 城 镇 污 水 处 理 率 2.2 数 据 来 源 及 预 处 理 考 虑 到 可 获 得 性 及 权 威 性, 原 始 数 据 主 要 包 括 : 甘 肃 省 主 要 气 象 站 降 水 监 测 数 据 (1956 2001) 甘 肃 省 水 资 源 公 报 1997 2008 甘 肃 省 水 资 源 统 计 信 息 (1956 2001) 甘 肃 省 环 境 质 量 公 报 (2001 2008) 甘 肃 省 统 计 年 鉴 (1990 2008) 甘 肃 省 城 市 年 鉴 (2001 2008) 中 国 城 市 年 鉴 (1989 2007) 各 城 市 多 年 统 计 年 鉴 甘 肃 省 主 体 功 能 区 规 划 水 资 源 可 利 用 量 研 究 专 题 甘 肃 省 行 业 用 水 定 额 等. 鉴 于 指 标 的 原 始 指 标 数 据 量 纲 不 同, 为 便 于 各 城 市 之 间 的 横 向 对 比, 在 进 行 灰 色 关 联 度 (GRA) 分 析 之 前, 采 用 了 极 差 标 准 化 的 方 法, 对 数 据 进 行 了 无 量 纲 化 处 理 [24] : Z ij = (Z ij minz ij )/(maxz ij minz ij ). (1) i i i 其 中, Z ij 为 某 一 指 标 属 性 值, maxz ij, minz ij 分 i i 别 为 某 一 指 标 的 最 大 值 和 最 小 值. 2.3 研 究 方 法 水 资 源 对 城 市 化 约 束 强 度 的 综 合 测 度 模 型 就 是 在 分 别 建 立 水 资 源 系 统 综 合 测 度 指 标 体 系 和 城 市 化 系 统 综 合 测 度 指 标 体 系 的 基 础 上, 采 用 熵 技 术 支 持 下 的 AHP 法 计 算 各 级 指 标 权 重, 采 用 模 糊 隶 属 度 函 数 模 型 计 算 各 具 体 指 标 的 隶 属 度 值, 采 用 加 权 平 均 法 分 别 计 算 出 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 和 城 市 化 系 统 综 合 发 展 指 数, 然 后 据 此 计 算 水 资 源 对 城 市 化 的 约 束 强 度, 并 对 其 分 级. 2.3.1 采 用 熵 技 术 对 AHP 法 确 定 的 权 系 数 修 正 由 于 水 资 源 系 统 与 城 市 化 系 统 内 各 因 素 之 间 都 存 在 着 错 综 复 杂 的 非 线 性 关 系, 为 此 采 用 熵 技 术 支 持 下 的 层 次 分 析 法 (AHP) 来 确 定 各 参 评 因 子 权 重 [25] : n n α j = v j p j /( v j p j ), v j = d j / d j, d j = 1 λ j, λ j = n r ij lnr ij. 其 中, α j 为 采 用 熵 技 术 支 持 下 的 AHP 法 的 指 标 权 重, p j 为 采 用 AHP 法 的 指 标 权 重, v j 为 指 标 的 信 息 权 重, λ j 为 指 标 输 出 的 熵 值, r ij 为 采 用 AHP 法 构 造 的 判 断 矩 阵 经 归 一 化 处 理 后 的 标 准 矩 阵 值. 按 上 述 公 式 计 算 的 各 指 标 赋 权 结 果 信 息 量 增 大, 可 信 度 提 高. 2.3.2 采 用 模 糊 隶 属 度 函 数 模 型 计 算 各 具 体 指 标 的 隶 属 度 值 为 了 解 决 各 指 标 的 量 刚 不 同 难 以 汇 总 的 问 题, 有 必 要 对 各 指 标 进 行 消 除 量 纲 的 运 算. 考 虑 到 指 标 体 系 中 既 有 正 向 指 标, 又 有 逆 向 指 标, 指 标 间 的 好 与 坏 在 很 大 程 度 上 都 具 有 模 糊 性, 因 此 采 用 模 糊 隶 属 度 函 数 法 对 各 指 标 的 价 值 进 行 量 化. 对 正 向 指 标, 采 用 半 升 梯 形 模 糊 隶 属 度 函 数 模 型 : Φ (eij) = e ij m ij M ij m ij = 0, 1, e ij m ij M ij m ij, e ij M ij, m ij < e ij < M ij, e ij m ij ; 对 逆 向 指 标, 采 用 半 降 梯 形 模 糊 隶 属 度 函 数 模 型 : Φ (eij) = M ij e 1, e ij m ij, ij M = ij e ij M ij m M ij m ij, m ij < e ij < M ij, ij 0, e ij M ij. 其 中, e ij 为 评 价 指 标 的 具 体 属 性 值, i 为 区 域 个 数, j 为 第 i 区 域 指 标 个 数, M ij, m ij 分 别 为 第 i 区 域 第 j 个 指 标 属 性 值 的 理 论 最 大 值 和 最 小 值, Φ (eij) 为 i 区 域 j 指 标 的 隶 属 度, 其 值 介 于 0 1 之 间. 2.3.3 计 算 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 和 城 市 化 综 合 发 展 指 数 有 了 各 指 标 的 熵 化 权 系 数 和 隶 属 度 值, 就 可 以 采 用 加 权 平 均 法 分 别 计 算 区 域 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 和 城 市 化 系 统 综 合 发 展 指 数, 基 本
302 兰 州 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 49 卷 公 式 如 下 : m F i = w j Φ (eij). 其 中, F i 为 i 区 域 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 或 城 市 化 系 统 综 合 发 展 指 数, w j 为 j 指 标 相 对 最 高 层 目 标 的 熵 化 权 系 数, m 为 指 标 体 系 里 具 体 指 标 的 个 数. 2.3.4 水 资 源 约 束 强 度 计 算 水 资 源 约 束 强 度 (Water resources constraint intensity, WRCI) 表 示 水 资 源 对 城 市 化 约 束 力 的 相 对 大 小. 从 理 论 上 说, 当 水 资 源 系 统 开 发 利 用 潜 力 较 大 ( 或 水 资 源 开 发 利 用 程 度 较 小 ) 时, 水 资 源 系 统 对 城 市 化 发 展 的 约 束 强 度 较 小, 反 之 亦 反. 但 另 一 方 面, 由 于 水 资 源 约 束 力 探 讨 的 是 水 资 源 系 统 对 城 市 化 系 统 ( 或 社 会 经 济 系 统 ) 的 阻 滞 作 用, 其 大 小 或 强 度 除 了 直 接 受 施 力 者 ( 水 资 源 系 统 ) 的 强 弱 状 况 决 定 以 外, 还 受 受 力 者 ( 城 市 化 系 统 或 社 会 经 济 系 统 ) 反 馈 作 用 的 影 响, 而 社 会 经 济 系 统 反 馈 作 用 的 大 小, 则 直 接 由 社 会 经 济 系 统 的 发 展 状 况 决 定. 当 城 市 化 综 合 发 展 水 平 较 高 时, 抗 拒 水 资 源 约 束 力 的 能 力 较 强, 相 当 于 一 定 程 度 上 减 轻 了 水 资 源 约 束 强 度, 反 之 亦 反. 因 此, 可 以 根 据 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 和 城 市 化 系 统 综 合 发 展 指 数 来 合 并 判 别 水 资 源 对 城 市 化 约 束 强 度 的 大 小, 即 WRCI = α(1 F w )+β(1 F u ). 其 中, F w 为 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数, F u 为 区 域 城 市 化 系 统 综 合 发 展 指 数, α, β 为 系 统 影 响 分 担 系 数 (α+β=1). 根 据 水 资 源 对 城 市 化 约 束 强 度 的 综 合 测 度 模 型 和 原 理, 对 WRCI 进 行 分 级, 其 分 级 标 准 如 下 : 弱 约 束 WRCI [0.0, 0.3), 较 强 约 束 WRCI [0.3, 0.5), 强 约 束 WRCI [0.5, 0.7), 极 强 约 束 WRCI [0.7, 1.0). 2.4 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 测 度 结 果 及 分 析 根 据 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 中 各 指 标 的 熵 化 权 系 数 和 隶 属 度 值, 采 用 加 权 平 均 法 计 算 甘 肃 段 及 各 城 市 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 (F w ), 结 果 见 表 2. 表 2 甘 肃 段 及 各 城 市 1989 2007 年 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 Table 2 Gansu section and each city s 1989 2007 annual potential integrated indexes for water resources utilization 年 份 兰 州 嘉 峪 关 金 昌 白 银 天 水 武 威 张 掖 酒 泉 定 西 甘 肃 段 1989 0.303 6 0.254 8 0.262 6 0.235 9 0.357 2 0.221 5 0.209 7 0.213 6 0.307 9 0.263 0 1990 0.308 1 0.239 0 0.248 7 0.225 1 0.293 6 0.209 9 0.195 1 0.286 0 0.285 2 0.254 5 1991 0.315 8 0.236 6 0.269 1 0.235 0 0.341 9 0.229 0 0.212 3 0.273 2 0.305 3 0.268 7 1992 0.323 7 0.285 2 0.278 2 0.236 9 0.345 1 0.269 7 0.238 3 0.307 4 0.288 6 0.285 9 1993 0.332 0 0.227 1 0.272 8 0.239 9 0.315 5 0.252 1 0.245 9 0.311 5 0.310 8 0.278 6 1994 0.338 6 0.239 0 0.275 5 0.248 9 0.295 0 0.247 6 0.233 5 0.270 5 0.268 5 0.268 6 1995 0.345 9 0.241 9 0.272 2 0.249 6 0.276 9 0.247 6 0.238 8 0.305 5 0.271 2 0.272 2 1996 0.353 5 0.247 3 0.270 6 0.245 7 0.276 2 0.257 0 0.248 8 0.296 4 0.265 1 0.273 4 1997 0.363 6 0.244 0 0.281 6 0.251 1 0.302 7 0.267 4 0.258 0 0.278 7 0.274 4 0.280 2 1998 0.359 0 0.238 1 0.275 8 0.254 7 0.301 4 0.261 9 0.260 3 0.332 6 0.272 8 0.284 1 1999 0.357 3 0.242 6 0.272 0 0.241 1 0.309 4 0.271 9 0.245 4 0.325 5 0.280 6 0.282 9 2000 0.360 0 0.263 3 0.278 9 0.237 2 0.331 3 0.279 2 0.262 3 0.333 8 0.281 4 0.291 9 2001 0.362 0 0.249 3 0.288 2 0.244 7 0.296 1 0.292 8 0.261 2 0.359 8 0.267 3 0.291 3 2002 0.371 4 0.332 4 0.277 6 0.250 7 0.393 0 0.326 6 0.270 2 0.326 2 0.324 0 0.319 1 2003 0.339 4 0.382 5 0.265 8 0.238 2 0.303 8 0.357 3 0.265 7 0.314 6 0.281 1 0.305 4 2004 0.444 7 0.269 3 0.296 1 0.234 4 0.379 7 0.374 8 0.308 4 0.373 9 0.314 3 0.332 8 2005 0.421 0 0.275 0 0.342 6 0.251 0 0.343 7 0.353 8 0.282 9 0.347 5 0.295 1 0.357 0 2006 0.453 1 0.277 3 0.345 4 0.267 7 0.371 1 0.364 7 0.296 1 0.387 7 0.304 6 0.374 2 2007 0.461 6 0.263 9 0.346 0 0.262 3 0.338 9 0.338 5 0.285 9 0.364 0 0.309 7 0.363 4 平 均 0.363 9 0.263 6 0.285 2 0.2447 0.3249 0.285 4 0.2536 0.316 2 0.2899 0.2972 从 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 的 物 理 意 义 上 看, 数 值 为 1 表 明 水 资 源 系 统 基 本 没 得 到 开 发, 全 部 水 资 源 留 给 了 生 态 环 境 系 统 ; 数 值 为 0 表 明 100% 水 资 源 被 开 发 利 用 于 社 会 经 济 系 统, 没 有 留 水 给 生 态 环 境 系 统. 由 表 2 可 知 : 从 时 间 上 看, 甘 肃 段 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 总 体 上 呈 增 大 趋 势, 特 别 是 自 2002 年 以 来 增 幅 明 显, 这 反 映 了 甘 肃 段 经 过 多 年 的 努 力, 社 会 经 济 系 统 用 水 逐 渐 退 水 给 生 态 环 境 系 统, 使 得 近 30%( 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 平 均 值 0.297 2) 的 水 资 源 留 给 了
第 3 期 高 翔 : 西 北 地 区 城 市 化 过 程 中 水 资 源 约 束 时 空 变 化 以 西 陇 海 兰 新 经 济 带 甘 肃 段 为 例 303 生 态 环 境 系 统. 各 城 市 间 则 存 在 差 异, 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 较 高 的 是 兰 州 市 与 酒 泉 市, 但 二 者 的 成 因 则 不 同. 兰 州 市 属 于 生 态 型 环 境 友 好 型 城 市 建 设 努 力 的 结 果, 酒 泉 市 是 水 资 源 开 发 利 用 程 度 相 对 较 低 的 缘 故, 其 余 7 个 城 市 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 比 较 接 近. 对 处 于 内 陆 河 流 域 的 武 威 市 而 言, 由 于 其 所 在 石 羊 河 流 域 的 生 态 环 境 战 略 意 义, 通 过 国 家 大 力 投 资 和 地 方 积 极 努 力, 留 给 生 态 环 境 的 水 资 源 比 例 有 所 增 加. 若 从 国 际 通 用 的 水 资 源 开 发 利 用 率 40% 为 警 戒 线 ( 即 60% 的 水 资 源 留 给 生 态 环 境 ) 的 角 度 考 虑, 甘 肃 段 所 有 城 市 都 应 将 一 定 的 社 会 经 济 系 统 用 水 退 让 给 生 态 环 境. 2.5 城 市 化 综 合 发 展 指 数 根 据 城 市 化 各 指 标 的 熵 化 权 系 数 和 隶 属 度 值, 采 用 加 权 平 均 法 计 算 甘 肃 段 及 各 城 市 城 市 化 综 合 发 展 指 数 (F u ), 结 果 见 表 3. 表 3 甘 肃 段 及 各 城 市 1989 2007 年 城 市 化 综 合 发 展 指 数 Table 3 Gansu section and each city s 1989 2007 annual integrated urban development indexes 年 份 兰 州 嘉 峪 关 金 昌 白 银 天 水 武 威 张 掖 酒 泉 定 西 甘 肃 段 1989 0.704 1 0.540 3 0.463 9 0.246 0 0.207 1 0.148 5 0.163 0 0.232 7 0.105 3 0.312 3 1990 0.717 1 0.552 2 0.476 3 0.190 5 0.226 5 0.150 5 0.171 6 0.243 7 0.130 1 0.317 6 1991 0.722 1 0.555 8 0.490 3 0.268 5 0.239 2 0.152 5 0.173 5 0.275 0 0.129 4 0.334 0 1992 0.726 3 0.554 5 0.392 1 0.273 3 0.249 8 0.156 2 0.172 0 0.296 3 0.140 4 0.329 0 1993 0.734 0 0.561 1 0.510 6 0.304 1 0.282 2 0.160 7 0.184 2 0.287 8 0.151 5 0.352 9 1994 0.743 9 0.578 5 0.514 2 0.273 2 0.274 1 0.170 2 0.197 9 0.299 1 0.157 8 0.356 5 1995 0.760 1 0.583 5 0.509 1 0.275 1 0.279 9 0.171 5 0.199 3 0.307 1 0.162 6 0.360 9 1996 0.767 2 0.593 5 0.508 9 0.285 9 0.281 4 0.178 6 0.204 3 0.308 7 0.156 9 0.365 0 1997 0.771 2 0.601 1 0.494 6 0.289 8 0.318 1 0.206 4 0.214 2 0.312 3 0.162 9 0.374 5 1998 0.778 1 0.591 5 0.561 4 0.295 3 0.307 6 0.201 1 0.226 2 0.320 0 0.169 8 0.383 4 1999 0.782 4 0.589 3 0.497 9 0.302 2 0.323 2 0.206 5 0.236 7 0.317 4 0.179 4 0.381 7 2000 0.795 9 0.576 9 0.580 2 0.318 0 0.332 3 0.221 1 0.249 3 0.332 6 0.193 2 0.399 9 2001 0.808 8 0.596 9 0.514 2 0.321 4 0.335 1 0.231 1 0.272 0 0.338 5 0.195 9 0.401 5 2002 0.821 9 0.651 1 0.532 5 0.336 8 0.382 1 0.236 8 0.299 1 0.338 9 0.204 9 0.422 7 2003 0.839 9 0.659 5 0.587 8 0.345 7 0.405 2 0.246 6 0.316 2 0.347 8 0.220 9 0.441 1 2004 0.855 2 0.667 1 0.606 1 0.352 3 0.417 8 0.250 0 0.324 9 0.363 3 0.225 1 0.451 3 2005 0.876 8 0.689 0 0.636 6 0.360 4 0.431 2 0.270 6 0.342 0 0.364 6 0.230 4 0.466 8 2006 0.893 3 0.702 4 0.646 7 0.371 9 0.438 8 0.281 6 0.357 0 0.371 2 0.244 8 0.478 6 2007 0.937 6 0.716 6 0.680 9 0.379 4 0.452 7 0.291 7 0.371 6 0.376 6 0.258 4 0.496 2 平 均 0.7914 0.608 5 0.537 1 0.3047 0.325 5 0.2070 0.2461 0.317 6 0.1800 0.3908 近 20 年 甘 肃 段 及 各 城 市 综 合 发 展 水 平 不 断 提 高, 甘 肃 段 从 1989 年 的 31% 提 高 到 2007 年 的 近 50%, 年 均 提 高 1 个 多 百 分 点, 反 映 了 甘 肃 段 整 体 城 市 化 发 展 活 跃. 9 个 城 市 之 间, 以 兰 州 市 嘉 峪 关 市 金 昌 市 和 天 水 市 的 平 均 城 市 化 综 合 发 展 指 数 较 高, 其 余 5 个 城 市 的 相 应 指 数 较 低, 其 中 定 西 市 最 低, 这 反 映 了 甘 肃 段 内 部 城 市 化 发 展 的 明 显 不 平 衡. 2.6 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 与 城 市 化 发 展 分 析 甘 肃 段 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 综 合 指 数 与 城 市 化 综 合 发 展 指 数 随 时 间 的 变 化 图 ( 图 1), 可 以 看 出 二 者 的 发 展 变 化 和 彼 此 影 响 趋 势. 总 体 上, 近 20 年 来, 经 过 多 方 努 力, 甘 肃 段 城 市 化 综 合 发 展 水 平 不 断 提 高, 水 资 源 开 发 利 用 程 度 逐 渐 有 所 减 小 ( 对 应 水 资 源 潜 力 指 数 适 度 增 大 ), 特 别 是 进 入 21 世 纪 以 来, 其 水 资 源 开 发 利 用 程 度 基 本 低 于 70%, 仍 然 远 高 于 国 际 水 资 源 开 发 利 用 40% 的 警 戒 线. 同 时 也 可 以 看 到 甘 肃 段 水 资 源 潜 力 指 数 增 幅 明 显 小 于 城 市 化 综 合 发 展 指 数 的, 因 此 水 资 源 对 城 市 化 发 展 的 相 对 约 束 并 未 减 轻, 水 资 源 调 控 的 难 度 会 越 来 越 大. 图 1 甘 肃 段 城 市 化 系 统 综 合 发 展 与 水 资 源 开 发 利 用 潜 力 指 数 变 化 Figure 1 Variations of integrated urban development indexes and potential indexes for water resources utilization of Gansu section 2.7 水 资 源 对 城 市 化 约 束 强 度 的 综 合 测 度 根 据 水 资 源 对 城 市 化 约 束 强 度 的 计 算 公 式, 可 分 别 确 定 甘 肃 段 及 各 城 市 水 资 源 对 其 城 市 化 的 约 束 强 度 ( 表 4).
第 49 卷 兰 州 大 学 学 报 自然科学版 304 表4 Table 4 甘肃段及各城市 1989 2007 年水资源对城市化的约束强度 Gansu section and each city s variations of water resources constrain of 1989 2007 年份 兰州 嘉峪关 金昌 白银 天水 武威 张掖 酒泉 定西 甘肃段 1989 0.646 3 0.709 5 0.712 2 0.762 8 0.661 6 0.787 6 0.796 1 0.784 0 0.717 4 0.730 9 1990 0.640 8 0.721 9 0.722 9 0.779 2 0.714 8 0.797 5 0.807 8 0.719 3 0.734 2 0.737 6 1991 0.633 4 0.723 5 0.703 3 0.760 8 0.670 9 0.780 6 0.792 6 0.726 6 0.716 7 0.723 1 1992 0.626 0 0.681 1 0.707 6 0.758 6 0.666 8 0.744 5 0.770 0 0.694 0 0.729 9 0.708 7 1993 0.617 8 0.731 2 0.697 5 0.752 1 0.688 7 0.759 3 0.761 8 0.691 5 0.709 1 0.712 1 1994 0.610 7 0.718 6 0.694 7 0.748 1 0.707 6 0.762 1 0.771 0 0.725 9 0.745 3 0.720 4 1995 0.602 3 0.715 4 0.698 2 0.747 2 0.722 7 0.761 9 0.766 1 0.694 3 0.742 4 0.716 7 1996 0.594 8 0.709 4 0.699 6 0.749 3 0.723 2 0.752 8 0.756 8 0.702 1 0.748 4 0.715 1 1997 0.585 5 0.711 4 0.691 8 0.744 1 0.695 4 0.740 2 0.747 5 0.717 1 0.739 5 0.708 0 1998 0.588 6 0.717 7 0.688 5 0.740 2 0.697 8 0.745 7 0.744 0 0.669 0 0.740 1 0.703 5 1999 0.589 6 0.714 1 0.699 8 0.751 3 0.688 9 0.736 3 0.755 7 0.675 5 0.732 1 0.704 8 2000 0.585 5 0.697 5 0.683 4 0.752 7 0.668 6 0.728 1 0.739 3 0.666 4 0.729 6 0.694 6 2001 0.582 2 0.707 3 0.683 6 0.745 7 0.699 0 0.714 9 0.737 5 0.642 9 0.741 6 0.694 9 2002 0.572 3 0.627 8 0.690 5 0.738 5 0.608 4 0.684 6 0.726 2 0.672 2 0.690 9 0.667 9 2003 0.598 0 0.582 9 0.694 0 0.748 4 0.683 5 0.656 5 0.728 0 0.681 3 0.726 4 0.677 7 2004 0.504 0 0.681 0 0.665 2 0.750 9 0.615 5 0.640 8 0.689 5 0.627 4 0.696 9 0.652 3 2005 0.522 0 0.673 3 0.620 7 0.735 3 0.645 4 0.656 6 0.709 7 0.650 4 0.713 0 0.658 5 2006 0.491 9 0.669 6 0.616 9 0.719 3 0.620 4 0.645 7 0.696 3 0.614 4 0.702 9 0.641 9 2007 0.478 9 0.679 5 0.612 1 0.723 1 0.646 9 0.667 4 0.703 4 0.634 4 0.696 7 0.649 2 平均 0.582 7 0.693 3 0.683 3 0.747 8 0.675 1 0.724 4 0.747 3 0.683 6 0.723 8 0.695 7 由 表 4 可 知: 各 城 市 的 水 资 源 对 其 城 市 化 的 定西市的则呈波动变化; 约束度略有下降, 但约束 约 束 均 较 强, 具 体 来 说, 武 威 张 掖 白 银 与 定 西 类型基本不变的城市包括白银市(极强约束) 天水 属极强约束型, 其余为强约束型, 且兰州的水资源 市(强约束)与张掖市(极强约束). 约 束 强 度 相 对 最 小. 从 时 间 上 看, 甘 肃 段 及 各 城 2.8 市水资源约束强度趋于降低, 且有所起伏. 特别是 自 2000 年 以 来, 大 多 城 市 水 资 源 约 束 强 度 下 降 趋 势趋于加快, 其中以兰州市 金昌市的情况最为明 显(图 2), 这 得 益 于 水 资 源 合 理 配 置 国 家 及 城 市 在节水技术及废水利用方面的大力投入 水资源 管理能力与节水意识提高等. 但通过对比数据, 进 水资源对城市化约束强度的空间分异 根 据 水 资 源 对 城 市 化 约 束 强 度 的 分 级 标 准, 应 用 ArcGIS 技 术[26], 可 进 一 步 直 观 表 达 甘 肃 段 9 个城市近 20 年水资源对其城市化平均约束强度的 空间差异(图 3). 由图 3 可知近 20 年来, 除兰州水资源约束属于 一步可以发现 9 个城市之间水资源约束强度变化 存 在 一 定 差 异, 反 映 了 变 化 的 丰 富 性. 具 体 来 说: 兰州市由强约束降为较强约束, 降幅明显; 由极强 约束降为强约束的城市有 5 个, 其中武威市 酒泉 市的降幅较大, 嘉峪关市与金昌市的降幅 不 明 显, 图 2 甘肃段及各城市水资源约束度变化(1989 2007) 图 3 甘肃段各城市水资源对城市化约束强度的空间 分异 Figure 2 Variations of water resources constraint inten- Figure 3 Spatial variations of water resources constraint sity on urbanization Gansu section and each intensity on urbanization Gansu section and city during 1989 2007 each city
第 3 期 高 翔 : 西 北 地 区 城 市 化 过 程 中 水 资 源 约 束 时 空 变 化 以 西 陇 海 兰 新 经 济 带 甘 肃 段 为 例 305 较 强 约 束 天 水 市 水 资 源 约 束 类 型 属 于 强 约 束 外, 其 余 7 个 城 市 ( 酒 泉 嘉 峪 关 张 掖 金 昌 武 威 定 西 白 银 ) 的 水 资 源 约 束 类 型 均 属 于 极 强 约 束, 反 映 甘 肃 段 城 市 化 发 展 整 体 一 直 承 受 着 较 大 的 水 资 源 压 力. 虽 说 水 资 源 约 束 力 呈 现 一 定 下 降 趋 势, 但 未 来 一 定 时 期 调 控 水 资 源 约 束 的 任 务 仍 然 会 比 较 艰 巨. 参 考 文 献 [1] 陆 大 道, 叶 大 年, 姚 士 谋, 等. 采 取 综 合 措 施 遏 制 冒 进 式 城 镇 化 与 空 间 失 控 趋 势 [J]. 科 学 新 闻, 2007(8): 4 9. [2] Fitzhugh T W, Richter B D. Quenching urban thirst: growing cities and their impacts on freshwater ecosystems[j]. Bioscience, 2004, 54(8): 741 754. [3] Jenerette G D, Larsen L. A global perspective on changing sustainable urban water supplies[j]. Global and Planetary Change, 2006, 50(3/4): 202 211. [4] Merrett S. Introduction to the economics of water resources: an international perspective[m]. London: UCL Press, 1997. [5] 贾 绍 风, 张 士 锋, 杨 红, 等. 工 业 用 水 与 经 济 发 展 的 关 系 : 用 水 库 兹 涅 茨 曲 线 [J]. 自 然 资 源 学 报, 2004, 19(3): 279 284. [6] Bernardo D J, Mapp H P, Sabbagh G J, et al. Economic and environmental impacts of water quality protection policies 1: framework for regional analysis[j]. Water Resources Research, 1993, 29(9): 3069. [7] Atef A, Rakad T. Influence of urbanization on water quality deterioration during drought periods at South Jordan[J]. Journal of Arid Environments, 2003, 53(4): 619 630. [8] 丁 宏 伟, 张 荷 生. 近 50 年 河 西 走 廊 地 下 水 资 源 变 化 对 生 态 环 境 的 影 响 [J]. 自 然 资 源 学 报, 2002, 17(6): 691 697. [9] 王 根 绪, 程 国 栋. 中 国 西 北 干 旱 区 水 资 源 利 用 及 其 生 态 环 境 问 题 [J]. 自 然 资 源 学 报, 1999, 14(2): 109 116. [10] 高 翔, 鱼 腾 飞, 张 燕. 西 陇 海 兰 新 经 济 带 甘 肃 段 水 资 源 环 境 与 城 市 化 交 互 耦 合 时 空 变 化 [J]. 兰 州 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版, 2010, 46(5): 11 18. [11] 鲍 超, 方 创 琳. 水 资 源 约 束 力 的 内 涵 研 究 意 义 与 战 略 框 架 [J]. 自 然 资 源 学 报, 2006, 21(5): 844 852. [12] Bao Chao, Fang Chuang-lin. Water resources constraint force on urbanization in water deficient regions: a case study of the Hexi Corridor, arid area of NW China[J]. Ecological Economics, 2007, 62(3/4): 508 517. [13] 方 创 琳, 李 铭. 水 约 束 下 西 北 干 旱 区 河 西 走 廊 城 市 化 发 展 模 式 [J]. 地 理 研 究, 2004, 23(6): 825 832. [14] 马 国 霞, 甘 国 辉, 田 玉 军. 水 资 源 约 束 下 的 张 掖 绿 洲 城 镇 发 展 模 式 初 步 研 究 [J]. 中 国 沙 漠, 2006, 26(3): 426 431. [15] 方 创 琳, 鲍 超, 申 玉 铭. 水 资 源 约 束 下 西 北 干 旱 区 城 市 扩 张 特 征 与 变 动 趋 势 分 析 以 西 陇 海 兰 新 经 济 带 城 市 为 例 [J]. 自 然 资 源 学 报, 2004, 12(2): 248 256. [16] 方 创 琳, 步 伟 娜. 水 约 束 下 的 河 西 走 廊 的 城 市 竞 争 能 力 与 扩 张 幅 度 研 究 [J]. 地 理 科 学, 2004, 24(5): 513 521. [17] 方 创 琳, 乔 标. 水 资 源 约 束 下 西 北 干 旱 区 城 市 经 济 发 展 与 城 市 化 阈 值 [J]. 生 态 学 报, 2005, 25(9): 2413 2422. [18] 鲍 超, 方 创 琳. 西 北 干 旱 区 水 资 源 约 束 城 市 化 进 程 的 定 量 辨 识 以 甘 肃 省 武 威 张 掖 市 为 例 [J]. 中 国 沙 漠, 2007(4): 704 710. [19] 鲍 超, 方 创 琳. 河 西 走 廊 城 市 化 与 水 资 源 利 用 关 系 的 量 化 研 究 [J]. 自 然 资 源 学 报, 2006, 21(2): 302 310. [20] 方 创 琳, 孙 心 亮. 基 于 水 资 源 约 束 的 西 北 干 旱 区 城 镇 体 系 形 成 机 制 及 空 间 组 织 [J]. 中 国 沙 漠, 2006, 26(5): 860 867. [21] 鲍 超, 方 创 琳. 干 旱 区 水 资 源 对 城 市 化 约 束 强 度 的 时 空 变 化 分 析 [J]. 地 理 学 报, 2008, 163(11): 1140 1150. [22] 鲍 超, 方 创 琳. 干 旱 区 水 资 源 对 城 市 化 约 束 强 度 的 情 景 预 警 分 析 [J]. 自 然 资 源 学 报, 2009(9): 1509 1519. [23] 张 雅 君, 刘 全 胜. 城 市 需 水 量 灰 色 预 测 探 讨 [J]. 中 国 给 水 排 水, 2002, 18(3): 79 81. [24] 方 创 琳, 毛 汉 英. 区 域 发 展 规 划 指 标 体 系 建 立 方 法 探 讨 [J]. 地 理 学 报, 1999, 54(5): 410 419. [25] 方 创 琳, 鲍 超, 乔 标, 等. 城 市 化 过 程 与 生 态 环 境 效 应 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社, 2008: 97 124. [26] 马 晓 冬, 马 荣 华, 徐 建 刚. 基 于 ESDA-GIS 的 城 镇 群 体 空 间 结 构 [J]. 地 理 学 报, 2004, 59(6): 1048 1057. ( 责 任 编 辑 : 王 春 燕 )