趙晨光,馬軍霞,2,左其亭,2,王嬌陽,符運友
(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001;2.河南省水循環(huán)模擬與水環(huán)境保護國際聯(lián)合實驗室,鄭州 450001;3.河南省豫北水利工程管理局,河南 新鄉(xiāng) 453002)
黃河流域是中華文明主要發(fā)源地之一,是重要的生態(tài)屏障和經(jīng)濟帶,但黃河流域依舊存在生態(tài)脆弱、水資源短缺、水土流失嚴重、資源環(huán)境承載能力低等問題,沿黃河流域各省區(qū)發(fā)展不平衡、不充分[1]。黃河河南段作為黃河流域中下游重要組成部分,評估其資源-生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)(The System of Resource,Ecology and Economic,REE系統(tǒng))和諧發(fā)展水平及耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,對推進黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展起著舉足輕重的作用。
2017年以來,國內(nèi)外關(guān)于系統(tǒng)和諧發(fā)展水平及耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的研究成果比較豐富。在系統(tǒng)和諧發(fā)展水平評價方面,左其亭等[2]提出“單指標量化-多指標綜合-多準則集成(SMI-P)”及“單指標量化-多指標綜合(SI-MI)”等定量研究方法,郭唯等[3]從人口、水資源、經(jīng)濟角度研究河南省三系統(tǒng)間的和諧發(fā)展時空變化,Zuo等[4]提出一種基于和諧論的人水關(guān)系評估方法,并分析評價了河南省的人水和諧發(fā)展水平。在系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系分析方面,廖重斌[5]提出協(xié)調(diào)發(fā)展度模型(即耦合協(xié)調(diào)度模型),王淑佳等[6]基于傳統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度模型提出其修正模型,謝永琴等[7]探討了黃河流域經(jīng)濟發(fā)展-科技創(chuàng)新-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系以及時空特征,Moll等[8]對資源環(huán)境-經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)關(guān)系進行分析并評價了其協(xié)調(diào)性。
綜上所述,針對黃河流域高質(zhì)量發(fā)展河南段戰(zhàn)略實施區(qū)(以下簡稱“黃河河南段戰(zhàn)略實施區(qū)”)資源-生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)和諧發(fā)展水平及耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的研究較少,且多數(shù)相關(guān)研究僅采用熵權(quán)法[9]進行數(shù)據(jù)標準化處理及權(quán)重確定,受數(shù)據(jù)波動影響較大。因此,本文選擇黃河河南段戰(zhàn)略實施區(qū)15個地級市作為研究區(qū),從資源、生態(tài)、經(jīng)濟3個方面構(gòu)建評價指標體系,采用基于最小二乘法的AHP-熵權(quán)法組合權(quán)重模型[10]確定指標權(quán)重,通過“SMI-P”[2]評估研究區(qū)REE系統(tǒng)的和諧發(fā)展水平,然后將“SMI-P”[2]方法與耦合協(xié)調(diào)度模型[11]相結(jié)合,綜合分析研究區(qū)REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,以助力推進黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展。
黃河河南段戰(zhàn)略實施區(qū)是指河南省境內(nèi)黃河戰(zhàn)略輻射到的所有地級市行政區(qū)域[12],總面積為10.66萬km2,占河南省全省面積的63.8%,涉及豫中(鄭州市、平頂山市、許昌市、漯河市)、豫東(開封市、商丘市、周口市)、豫西(三門峽市、洛陽市)、豫北(濟源市、焦作市、新鄉(xiāng)市、鶴壁市、安陽市、濮陽市)4個分區(qū)15個地級市,見圖1。
圖1 研究區(qū)位置及范圍Fig.1 The location and scope of the study area
研究區(qū)地處黃河中下游,屬于大陸性季風(fēng)氣候,是歷史上黃河決口、改道危害最重地區(qū),生態(tài)環(huán)境雖在日益改善,但還較為脆弱;其自然資源豐富,但開發(fā)強度較大;其經(jīng)濟雖處于穩(wěn)步增長趨勢,但人口基數(shù)較大,2019年人均GDP為6.19萬元,遠低于全國平均水平7.09萬元。其次,資源、生態(tài)、經(jīng)濟三系統(tǒng)間的協(xié)同發(fā)展尚不平衡。因此,筆者認為研究其REE系統(tǒng)和諧發(fā)展水平及耦合協(xié)調(diào)關(guān)系十分必要。
研究區(qū)高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn/),為ASTER GDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù);水系及河湖水域柵格數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)。
指標體系數(shù)據(jù)來源于2008—2019年《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、《河南省統(tǒng)計年鑒》、《城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》、《河南省水資源公報》、《河南省環(huán)境統(tǒng)計年報》、中國統(tǒng)計局最新能源數(shù)據(jù)修訂版(2015年)以及各地級市統(tǒng)計年鑒、水資源公報。其中,各地級市2019年人均耕地面積、2018—2019年單位面積糧食產(chǎn)量、萬元GDP廢水排放量及二氧化碳排放量等缺失數(shù)據(jù)采用線性插值法進行補充。
基于科學(xué)性、時效性、代表性、完備性及數(shù)據(jù)可獲取性等原則,在黃河流域目前已有的研究[13-19]基礎(chǔ)上,綜合考慮資源、生態(tài)、經(jīng)濟均衡發(fā)展的多維因素,從資源、生態(tài)、經(jīng)濟3個維度選取21個評價指標,構(gòu)建研究區(qū)REE系統(tǒng)和諧發(fā)展水平及耦合協(xié)調(diào)關(guān)系評價指標體系。資源系統(tǒng)指標用于反映人類在從事社會生產(chǎn)、生活活動時的資源條件及利用狀況;生態(tài)系統(tǒng)指標用于反映區(qū)域污染狀況及生態(tài)投資和建設(shè)水平;經(jīng)濟系統(tǒng)指標用于反映社會經(jīng)濟基礎(chǔ)、發(fā)展、差距及效益狀況。具體指標及其屬性見表1。
表1 REE系統(tǒng)和諧發(fā)展水平及耦合協(xié)調(diào)關(guān)系評價指標體系Tab.1 Evaluation indicator system for harmonious development level and coupling coordination relationship of REE system
指標賦權(quán)方法分為主觀賦權(quán)、客觀賦權(quán)及主客觀綜合賦權(quán)等3類。AHP為主觀賦權(quán)方法,計算過程簡單易懂,且能夠清楚呈現(xiàn)各準則層與指標的關(guān)系,但受人為因素的影響較大;熵權(quán)法為客觀賦權(quán)方法,其精確性及適應(yīng)性較高,但過度依賴樣本數(shù)據(jù)。兩種方法的單一賦權(quán)均會對指標權(quán)重及評價結(jié)果的準確性造成一定程度影響,而將主、客觀賦權(quán)結(jié)合的AHP-熵權(quán)法組合權(quán)重模型在避免個人主觀賦權(quán)隨意性的同時,又可兼顧樣本數(shù)據(jù)的客觀現(xiàn)實性,能夠有效克服單一賦權(quán)方法的局限性問題,使指標權(quán)重及評價結(jié)果更加準確。因此,采用基于最小二乘法的AHP-熵權(quán)法組合權(quán)重模型[10],求解各指標組合權(quán)重W=[ω1,ω2,…,ωm]T。計算公式為
約束函數(shù)為
式中:F(ω)為組合權(quán)重偏差;sj、oj、ωj分別為第j個指標主觀權(quán)重、客觀權(quán)重、組合權(quán)重;zij為具有n個評價對象、m個指標的標準化后的數(shù)據(jù)矩陣;i=1、2、…、n,j=1、2、…、m。
構(gòu)造拉格朗日函數(shù),求解模型為
然后,將拉格朗日函數(shù)分別對ωj、λ求偏導(dǎo)數(shù)可得
用矩陣形式可表示為
其中
式中:P為m×m對角矩陣;e、W、Q為m×1向量;λ是隨機數(shù)。
解矩陣方程可得:
2.3.1 單指標量化
采用分段線性隸屬函數(shù)量化方法[20]對指標數(shù)據(jù)進行無量綱化處理,并假定各指標均有5個特征值:最差值a、較差值b、及格值c、較優(yōu)值d和最優(yōu)值e;正向指標為和諧度隨指標值增大而增大的指標,負向指標為和諧度隨指標值增大而減小的指標,二者計算公式為
式中:H j為第j個指標的和諧度;m為指標個數(shù),j=1、2、…、m,為了區(qū)分系統(tǒng),分別用m1、m2、m3表示各系統(tǒng)指標個數(shù);aj、bj、cj、d j、ej分別為第j個指標的最差值、較差值、及格值、較優(yōu)值和最優(yōu)值。
2.3.2 多指標綜合計算
通過多指標加權(quán)方法計算各系統(tǒng)綜合得分,計算公式為
式中:IR、IE,1、IE,2分別為資源指數(shù)、生態(tài)指數(shù)、經(jīng)濟指數(shù);m1、m2、m3分別為資源、生態(tài)、經(jīng)濟系統(tǒng)的指標個數(shù);H p、H q、H r分別為資源、生態(tài)、經(jīng)濟系統(tǒng)中第p、q、r個指標的和諧度;ωp、ωq、ωr為權(quán)重。
2.3.3 多準則集成計算
將IR、IE,1、IE,2加權(quán)平均計算得出REE系統(tǒng)和諧發(fā)展指數(shù),其值大小反映REE系統(tǒng)和諧發(fā)展水平,計算公式為
式中:IREE為REE系統(tǒng)和諧發(fā)展指數(shù);μ1、μ2、μ3分別為資源、生態(tài)、經(jīng)濟系統(tǒng)對應(yīng)權(quán)重,三者之和為1,因各系統(tǒng)對和諧發(fā)展水平同等重要,故均取1/3。
2.3.4 和諧發(fā)展水平評價標準
參考相關(guān)研究[20-21],根據(jù)IREE數(shù)值大小,將REE系統(tǒng)和諧發(fā)展水平劃分為5個等級,見表2。出于對研究區(qū)REE系統(tǒng)和諧發(fā)展水平客觀評價,沒有絕對和諧與不和諧,因此,未考慮0和1相應(yīng)等級的劃分。
表2 REE系統(tǒng)和諧發(fā)展水平等級劃分標準Tab.2 Classification standard for harmonious development level of REE system
耦合協(xié)調(diào)度是表征系統(tǒng)間在發(fā)展過程中由無序走向有序的趨勢[22-23]。采用“SMI-P”方法[2]中的“單指標量化-多指標綜合”(SI-MI)方法[2]進行數(shù)據(jù)標準化處理及各系統(tǒng)綜合得分的計算,再將“多準則集成計算”與耦合度模型[11]相結(jié)合,以期構(gòu)建REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度模型來計算REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度。
2.4.1 耦合協(xié)調(diào)度模型
耦合度模型為
式中:Y為REE系統(tǒng)耦合度。
耦合協(xié)調(diào)度模型為
式中:Z為REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度。
2.4.2 耦合協(xié)調(diào)度評價標準
為了更清晰地分析研究區(qū)REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,參考相關(guān)研究成果[24-27]并結(jié)合研究區(qū)相關(guān)概況劃分了研究區(qū)REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度等級,見表3。
表3 REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度等級劃分標準Tab.3 Classification standard for coupling coordination level of REE system
3.1.1 各地級市REE系統(tǒng)和諧發(fā)展水平
2008—2019年黃河河南段豫東、豫西、豫北、豫中4個地區(qū)15個地級市的IREE見圖2??傮w上,研究區(qū)15個地級市IREE值均處于上升趨勢,說明隨著當?shù)鼐用窬C合素質(zhì)的提升、政府政策的不斷調(diào)整,和諧發(fā)展水平正在逐年提高,系統(tǒng)整體發(fā)展向好。其中,整體和諧發(fā)展水平最優(yōu)為鄭州市(IREE=0.68),最差為濮陽市(IREE=0.51)。15個地級市在研究時段內(nèi)均未達到和諧水平,說明當?shù)卣畬S河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重視程度還不夠,管理制度及監(jiān)管力度尚有欠缺。
圖2 黃河河南段各地級市的IREEFig.2 The IREE of prefecture-level administrative region in Henan section of the Yellow River
豫東地區(qū):周口市和諧發(fā)展水平較平穩(wěn)且為最先達到較為和諧水平的地級市,其人均水資源量(A1)、人均耕地面積(A3)、人均GDP(C1)等指標直線上升,同時當?shù)卣岢G色發(fā)展[28]。豫西地區(qū):洛陽市和諧發(fā)展速度高于三門峽市,但整體和諧發(fā)展水平落后于三門峽市,其歸因于洛陽市人均水資源量(A1)、人均公園綠地面積(B3)、人均公共財政預(yù)算收入(C6)、城鎮(zhèn)化率(C3)等指標較低,拉低了其和諧發(fā)展水平。豫北地區(qū):焦作市IREE在2019年達到區(qū)域時空最優(yōu)值0.72;濮陽市IREE在2008年為區(qū)域時空最差值0.39,這與其當時人均水資源量(A1)、建成區(qū)綠化覆蓋率(B4)、城鎮(zhèn)化率(C3)及第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重(C7)較低,萬元GDP二氧化碳排放量(B2)及城鄉(xiāng)居民人均可支配收入比值(C5)較高有關(guān)。豫中地區(qū):鄭州市和諧發(fā)展水平一直處于領(lǐng)先地位,除資源系統(tǒng)中的人均水資源量(A1)、人均耕地面積(A3)及單位面積糧食產(chǎn)量(A7)指標值較差外,其他18個指標的值均接近于較優(yōu)值或最優(yōu)值,這說明其作為國家中心城市,對資源-生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)的均衡發(fā)展較為重視[29-30];平頂山市和諧發(fā)展水平最差,在2008—2015年一直處于接近不和諧水平,但到2016年達到了較為和諧水平,這與其進出口額占GDP比重(C4)、人均公共財政預(yù)算收入(C6)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重(C7)等指標逐漸提升有關(guān)。
3.1.2 各分區(qū)REE系統(tǒng)和諧發(fā)展水平
豫東、豫西、豫北、豫中及15個地級市區(qū)域平均IREE值見圖3,2008—2019年研究區(qū)和諧發(fā)展水平總體呈現(xiàn)上升趨勢。2013年之前,豫西地區(qū)和諧發(fā)展水平在各地區(qū)中排名最優(yōu),主要得益于其明顯的區(qū)位優(yōu)勢、豐富的生物和礦產(chǎn)資源以及快速發(fā)展的旅游業(yè)[31-33];2013年以后,豫中地區(qū)和諧發(fā)展水平穩(wěn)步上升且處于領(lǐng)先地位;豫東、豫北地區(qū)和諧發(fā)展水平一直低于15個地級市平均水平,主要由于豫東地區(qū)地處黃河泛濫區(qū),其生態(tài)環(huán)境急劇惡化,一直以來對其經(jīng)濟造成一定影響;豫北地區(qū)隨著資源型城市發(fā)展的衰落,省內(nèi)經(jīng)濟重心的轉(zhuǎn)移,其經(jīng)濟發(fā)展受到阻礙、比重明顯下降。
圖3 區(qū)域平均IREE變化趨勢Fig.3 The variation trend of regional average IREE
根據(jù)耦合協(xié)調(diào)度模型計算得出2008—2019年研究區(qū)15個地級市REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度,其時空演變趨勢見圖4、5。
圖4 REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度時間演變趨勢Fig.4 Temporal evolution trend of coupling coordination degree of REE system
3.2.1 時間演變特征
15個地級市REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)等級進入優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)階段的數(shù)量在逐年增多。2008—2011年,除周口市外,其他地級市協(xié)調(diào)發(fā)展速度均呈現(xiàn)顯著增長,說明14個地級市REE系統(tǒng)正處于相互促進發(fā)展局面,其歸因于當?shù)卣M一步完善社會主義市場經(jīng)濟體制,并逐步提高對資源節(jié)約利用及生態(tài)環(huán)境保護工作的重視程度,充分發(fā)揮資源、生態(tài)對全省經(jīng)濟社會發(fā)展的宏觀調(diào)控作用[34];2011—2014年,開封市協(xié)調(diào)發(fā)展增速最高,其他地級行政區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展速度較為平穩(wěn),說明REE系統(tǒng)仍在向相互促進的狀態(tài)發(fā)展;2014—2017年,各地級市基本保持穩(wěn)定增速,其歸因于各地級市堅持貫徹落實“大力推進生態(tài)文明建設(shè)及經(jīng)濟結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整”等相關(guān)政策[35]的實施;2017—2019年,各地級行政區(qū)REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系均為良好及優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)型,協(xié)調(diào)發(fā)展增速雖較前幾年減緩,但仍然呈現(xiàn)穩(wěn)步提高的趨勢。
圖5 REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度空間演變趨勢Fig.5 Spatial evolution trend of coupling coordination degree of REE system
3.2.2 空間演變特征
各地級市REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系空間分布情況為“中部優(yōu),周圍劣”,存在顯著差異。從整體來看:良好協(xié)調(diào)型地級市于2011年明顯增多,中級協(xié)調(diào)型地級市與其數(shù)量相當,且已減少至8個;2017年,15個地級市均達到良好協(xié)調(diào)及以上階段,主要得益于國家“十二五”“十三五”規(guī)劃[34-35]的實施,河南省進行深入貫徹落實,推進資源節(jié)約集約利用,加強生態(tài)文明建設(shè),加快經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變,更加注重資源-生態(tài)-經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。從局部來看:除2008年外,鄭州市、許昌市一直處于領(lǐng)先地位,且于2017年優(yōu)先進入優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)階段,說明兩個地級市REE系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展水平較高,系統(tǒng)間相互作用關(guān)系較強,其歸因于當?shù)刭Y源、生態(tài)、經(jīng)濟各系統(tǒng)發(fā)展水平均較高,且當?shù)卣畬θ到y(tǒng)間的均衡發(fā)展較為重視;三門峽一直處于良好協(xié)調(diào)階段,是由于其地處黃河河南段入口,具有得天獨厚的區(qū)位優(yōu)勢,自然資源基礎(chǔ)相對較好,這在很大程度上提高了當?shù)刭Y源利用和經(jīng)濟發(fā)展水平,進一步促進了生態(tài)建設(shè)的發(fā)展速度及當?shù)卣畬ι鷳B(tài)保護的重視;濮陽市協(xié)調(diào)發(fā)展速度相對緩慢且落后于其他14個地級市,主要原因是其處黃河河南段尾段,地理區(qū)位劣勢,經(jīng)濟發(fā)展支撐力不足且發(fā)展滯慢[36],這在一定程度上減弱了當?shù)卣捌渌髽I(yè)對資源開發(fā)及生態(tài)保護的投資力度,削弱了其資源利用及生態(tài)環(huán)境改善程度,致使其REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系較弱。
以黃河河南段戰(zhàn)略實施區(qū)15個地級市作為研究區(qū),基于2008—2019年各地級市的面板數(shù)據(jù),采用“SMI-P”方法評估研究區(qū)REE系統(tǒng)的和諧發(fā)展水平,進一步將“SMI-P”方法與耦合協(xié)調(diào)度模型相結(jié)合對研究區(qū)REE系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系進行綜合分析評價,得出如下結(jié)論:
15個地級市資源-生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)和諧發(fā)展水平呈現(xiàn)波動增長趨勢,但均未達到和諧水平。因此,需要綜合運用智能化設(shè)備升級資源技術(shù),增強生態(tài)法制支撐、加大生態(tài)環(huán)境保護及治理力度,優(yōu)化調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、推進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展,進一步提高REE系統(tǒng)和諧發(fā)展水平。從4個分區(qū)來看:豫北和豫東和諧發(fā)展水平較落后;豫北地區(qū)需調(diào)整宏觀政策,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),加大重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度;豫東地區(qū)需提高黃河泛濫災(zāi)害預(yù)警反應(yīng)能力,同時做好生態(tài)環(huán)境保護及治理工作,減少地理劣勢影響。從各地級市來看:整體和諧發(fā)展水平最優(yōu)地級市為鄭州市(0.68)、最差為濮陽市(0.51),濮陽市需提高水資源管理水平、優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)以提升水資源綜合利用效率,加大綠化資金投入及環(huán)境保護監(jiān)督力度。
15個地級市REE系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系多數(shù)為中級和良好協(xié)調(diào),且存在顯著差異,空間分布情況為“中部優(yōu),周圍劣”,需要統(tǒng)籌區(qū)域發(fā)展規(guī)劃,綜合制定協(xié)調(diào)發(fā)展方案,增強三系統(tǒng)間相互作用關(guān)系。從時間維度來看:2008—2017年耦合協(xié)調(diào)度較低地級市逐漸減少并向優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)階段集聚。從空間維度來看:所有地級市均于2017年達到良好協(xié)調(diào),但達到優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)的地級市只有鄭州市、許昌市和漯河市;濮陽市協(xié)調(diào)發(fā)展水平較落后,應(yīng)堅持生態(tài)保護優(yōu)先、經(jīng)濟發(fā)展及資源利用水平并進,統(tǒng)籌城鄉(xiāng)規(guī)劃以提高城鎮(zhèn)化水平及減小城鄉(xiāng)收入差距、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展,加強資源節(jié)約集約利用,以期增強三系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系。