《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Long-term evolution of urban water services in Shaanxi Province, China (2000–2023): A coupling coordination analysis perspective
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自21世纪以来，全球城市化进程持续加速。据联合国统计，截至2019年底全球城市人口已达44亿，约占总人口的56%；预计到2050年城市人口将超过67亿，城市化率达到68%。中国同样处于快速城市化阶段，截至2023年底城市人口超过9亿，城市化率为66%。城市化是
自21世纪以来，全球城市化进程持续加速。据联合国统计，截至2019年底全球城市人口已达44亿，约占总人口的56%；预计到2050年城市人口将超过67亿，城市化率达到68%。中国同样处于快速城市化阶段，截至2023年底城市人口超过9亿，城市化率为66%。城市化是人类社会发展的必然趋势，城市也是人类活动对自然环境扰动最强的区域。水是人类生存与社会经济发展的基础性资源，随着城市化推进，用水需求持续攀升，对城市水服务（包括城市供水与污水收集处理）形成日益增大的压力。水资源短缺、水环境恶化、水生态退化、水安全脆弱等问题已成为制约城市可持续发展的关键因素。此类挑战的本质在于，在自然水资源可得性约束下，社会经济发展与水资源利用及水污染控制基础设施建设管理之间存在失配。联合国2030年可持续发展目标6（SDG 6）提出确保人人获得安全可负担的饮用水并实现水资源与环境卫生的可持续管理。由于城市是水资源综合管理（IWRM）的关键空间单元，理解城市水服务内部动态及其与自然水资源、社会经济发展的协同关系，将为保障城市可持续发展和提升城市韧性提供重要科学支撑。
城市水服务是指为满足城市用水需求而提供的综合性公共基础设施服务，涵盖取水、供水、排水、污水处理和再生水回用等多个过程。许多研究聚焦城市规划与市政系统，探索"厂—网—河—湖"水环境系统一体化运行管理策略或特定组件的优化设计；部分研究关注评估与预测水资源对社会经济发展的承载能力，为资源集约利用与政策调整提供参考；还有研究采用过程化建模与数字孪生技术模拟、优化和调控城市水服务的结构与功能。然而，针对多个城市水循环过程之间耦合机制与协同关系的系统性研究仍较有限。此外，在气候变化加剧与城市化加速背景下，亟需加深对城市水服务、自然水资源与社会经济发展之间复杂相互作用的认识。
耦合协调理论被广泛认为是探索复杂系统各组分间相互作用的有效途径。耦合概念源于物理学，用于描述和分析两个或多个系统之间的相互影响与作用，并已扩展至经济、地理、环境科学和气候变化等领域。近年来，耦合协调理论被广泛应用于不同时空尺度上水资源、经济、人口与环境之间耦合协调效应的评价与测度。在国家层面，Zhang等（2022）分析了中国31个省级行政区用水效率与经济发展水平之间的耦合协调关系；Wan等（2023）采用耦合协调模型评价中国海绵城市的发展绩效。在区域层面，Cheng等（2022）构建了黑龙江省水土资源与生态环境系统的耦合协调度模型；Zhu等（2023）分析了天山北坡城市群人口—水—生态—经济系统的耦合协调发展。总体而言，耦合协调度模型因结构简单、计算便捷，在多系统研究中得到广泛应用。在IWRM研究中，水资源系统常被视为独立子系统，探讨其与经济、社会、生态等外部因素的耦合协调，而供水与污水处理相关指标通常被纳入水资源与环境子系统。在现代城市系统中，水与污水基础设施作为循环网络与代谢系统，其能力与运行状况决定城市水服务质量。此外，城市水服务与自然水资源、社会经济等外部影响因素的协调发展，对提升城市韧性与实现高质量发展至关重要。然而，综合考虑城市水服务基础设施能力与运行效率的研究仍较有限。
陕西省地处中国西部，是黄河流域生态保护与高质量发展的核心区域之一，也是未来南水北调西线工程的主要受水区之一。在气候变化加剧、经济快速增长与城市化推进的复合压力下，该区域城市水服务面临日益严峻的挑战。在此背景下，本研究旨在认识自然水资源约束下陕西省城市水服务与社会经济发展之间的相互作用方式，进而为区域尺度IWRM提供决策支持。对于城市水服务，除采用用水量与污水排放量作为表征供水与污水过程状态的指标外，本研究还考虑了城市水服务基础设施状况，基础设施涵盖淡水供水管网、污水收集管网、自来水厂与污水处理厂，以全面、精确地刻画城市水服务的物理基础设施属性。论文结构如下：首先，构建集成自然水资源禀赋子系统（N）、社会经济子系统（S）、城市供水子系统（U）与污水收集处理子系统（W）的概念模型；其次，集成综合发展指数（CDI）、耦合协调度模型（CCDM）与K-means聚类，分析2000—2023年省级与地级市尺度NSUW系统的协同演化动态；最后，采用障碍度模型（ODM）探究NSUW系统协调发展的障碍因素。本研究有助于建立区域尺度评估城市水服务效率的实用评价框架，并为可持续城市发展提供新见解。
一、研究背景与问题提出
自21世纪以来，全球城市化持续加速，城市人口与用水需求同步攀升，对城市水服务形成持续压力。城市水服务指为满足城市用水需求而提供的综合性公共基础设施服务，涵盖取水、供水、排水、污水处理与再生水回用等过程。既有研究多集中于城市规划与市政系统的一体化运行管理、特定设施组件优化设计、水资源承载能力评估预测，以及基于过程化建模与数字孪生技术的系统模拟调控。然而，针对多个城市水循环过程之间耦合机制与协同关系的系统性研究仍较有限；在IWRM研究中，供水与污水处理指标通常被归入水资源与环境子系统，综合考虑城市水服务基础设施能力与运行效率的研究亦较有限。在气候变化加剧与城市化加速的背景下，亟需深化对城市水服务、自然水资源与社会经济发展之间复杂相互作用的认识。陕西省地处中国西部，是黄河流域生态保护与高质量发展核心区之一，也是未来南水北调西线工程主要受水区之一，在气候变化、经济增长与城市化复合压力下城市水服务挑战日益突出。为此，研究人员构建自然水资源禀赋子系统（N）、社会经济子系统（S）、城市供水子系统（U）与污水收集处理子系统（W）深度耦合的NSUW复合系统，旨在揭示自然水资源约束下城市水服务与社会经济发展的相互作用，为区域尺度IWRM提供决策支持。
二、关键技术方法
研究以2000—2023年陕西省10个地级市为对象，数据来源于《陕西省水资源公报》《陕西统计年鉴》《中国城市建设统计年鉴》及GLEAM蒸散发数据集，个别缺失与异常数据采用线性插值处理，部分县级市数据按2023年行政区划并入10个地级市。方法上：一是构建NSUW概念模型与含24项指标的评价体系，覆盖四个子系统的能力与运行效率；二是采用熵权法（EWM）确定指标权重并进行标准化处理；三是运用综合发展指数（CDI）与耦合协调度模型（CCDM）测度系统协同演化；四是结合K-means聚类识别城市演化模式；五是采用障碍度模型（ODM）诊断协调发展的障碍因子。
三、研究结果
3.1 省级尺度耦合协调度演变
研究显示，省级尺度耦合协调度总体向协调方向演化。这表明在2000—2023年间，陕西省NSUW复合系统各子系统间的匹配程度逐步改善，系统整体由失调状态向协调状态过渡。
3.2 城市尺度演化模式分异
基于水资源与社会经济特征，10个地级市呈现三类演化模式。研究通过K-means聚类识别出城市间在耦合协调演化路径上的差异性，反映出区域内部自然禀赋与社会经济发展水平差异对城市水服务协调状态的分化影响。
3.3 障碍因子诊断
障碍度模型分析表明，水资源短缺与供水能力滞后成为系统协调发展的主要障碍。这一结论指向自然水资源禀赋约束与供水基础设施能力不足的双重制约，是制约NSUW系统进一步协调的关键环节。
四、讨论与结论
研究构建了区域尺度评估城市水服务效率的实用评价框架，将城市水服务基础设施的能力与运行效率纳入耦合协调分析，弥补了以往研究中供水与污水处理指标分散归类的不足，为理解城市水服务内部动态及其与自然水资源、社会经济的协同关系提供了系统视角。研究结论为：省级尺度耦合协调度向协调方向演化；10个城市依据水资源与社会经济条件呈现三类演化模式；水资源短缺与供水能力滞后成为主要障碍。研究成果可为区域尺度IWRM与可持续城市发展决策提供科学支撑。
