黃河河南段資源-生態-經濟和諧發展水平及耦合協調分析

趙晨光，馬軍霞，2，左其亭，2，王嬌陽，符運友

（1.鄭州大學水利科學與工程學院，鄭州 450001；2.河南省水循環模擬與水環境保護國際聯合實驗室，鄭州 450001；3.河南省豫北水利工程管理局，河南 新鄉 453002）

黃河流域是中華文明主要發源地之一，是重要的生態屏障和經濟帶，但黃河流域依舊存在生態脆弱、水資源短缺、水土流失嚴重、資源環境承載能力低等問題，沿黃河流域各省區發展不平衡、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-經濟系統（The System of Resource，Ecology and Economic，REE系統）和諧發展水平及耦合協調關系，對推進黃河流域生態保護和高質量發展起著舉足輕重的作用。

2017年以來，國內外關于系統和諧發展水平及耦合協調關系的研究成果比較豐富。在系統和諧發展水平評價方面，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、經濟角度研究河南省三系統間的和諧發展時空變化，Zuo等［4］提出一種基于和諧論的人水關系評估方法，并分析評價了河南省的人水和諧發展水平。在系統耦合協調關系分析方面，廖重斌［5］提出協調發展度模型（即耦合協調度模型），王淑佳等［6］基于傳統耦合協調度模型提出其修正模型，謝永琴等［7］探討了黃河流域經濟發展-科技創新-生態環境系統的耦合協調關系以及時空特征，Moll等［8］對資源環境-經濟發展系統關系進行分析并評價了其協調性。

綜上所述，針對黃河流域高質量發展河南段戰略實施區（以下簡稱“黃河河南段戰略實施區”）資源-生態-經濟系統和諧發展水平及耦合協調關系的研究較少，且多數相關研究僅采用熵權法［9］進行數據標準化處理及權重確定，受數據波動影響較大。因此，本文選擇黃河河南段戰略實施區15個地級市作為研究區，從資源、生態、經濟3個方面構建評價指標體系，采用基于最小二乘法的AHP-熵權法組合權重模型［10］確定指標權重，通過“SMI-P”［2］評估研究區REE系統的和諧發展水平，然后將“SMI-P”［2］方法與耦合協調度模型［11］相結合，綜合分析研究區REE系統耦合協調關系，以助力推進黃河流域生態保護和高質量發展。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

黃河河南段戰略實施區是指河南省境內黃河戰略輻射到的所有地級市行政區域［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、新鄉市、鶴壁市、安陽市、濮陽市）4個分區15個地級市，見圖1。

圖1 研究區位置及范圍Fig.1 The location and scope of the study area

研究區地處黃河中下游，屬于大陸性季風氣候，是歷史上黃河決口、改道危害最重地區，生態環境雖在日益改善，但還較為脆弱；其自然資源豐富，但開發強度較大；其經濟雖處于穩步增長趨勢，但人口基數較大，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、經濟三系統間的協同發展尚不平衡。因此，筆者認為研究其REE系統和諧發展水平及耦合協調關系十分必要。

1.2 數據來源

研究區高程數據來源于地理空間數據云（https://www.gscloud.cn/），為ASTER GDEM 30M分辨率數字高程數據；水系及河湖水域柵格數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（https://www.resdc.cn/）。

指標體系數據來源于2008—2019年《中國環境統計年鑒》、《河南省統計年鑒》、《城市建設統計年鑒》、《河南省水資源公報》、《河南省環境統計年報》、中國統計局最新能源數據修訂版（2015年）以及各地級市統計年鑒、水資源公報。其中，各地級市2019年人均耕地面積、2018—2019年單位面積糧食產量、萬元GDP廢水排放量及二氧化碳排放量等缺失數據采用線性插值法進行補充。

2 研究方法

2.1 指標體系構建

基于科學性、時效性、代表性、完備性及數據可獲取性等原則，在黃河流域目前已有的研究［13-19］基礎上，綜合考慮資源、生態、經濟均衡發展的多維因素，從資源、生態、經濟3個維度選取21個評價指標，構建研究區REE系統和諧發展水平及耦合協調關系評價指標體系。資源系統指標用于反映人類在從事社會生產、生活活動時的資源條件及利用狀況；生態系統指標用于反映區域污染狀況及生態投資和建設水平；經濟系統指標用于反映社會經濟基礎、發展、差距及效益狀況。具體指標及其屬性見表1。

表1 REE系統和諧發展水平及耦合協調關系評價指標體系Tab.1 Evaluation indicator system for harmonious development level and coupling coordination relationship of REE system

2.2 指標權重確定

指標賦權方法分為主觀賦權、客觀賦權及主客觀綜合賦權等3類。AHP為主觀賦權方法，計算過程簡單易懂，且能夠清楚呈現各準則層與指標的關系，但受人為因素的影響較大；熵權法為客觀賦權方法，其精確性及適應性較高，但過度依賴樣本數據。兩種方法的單一賦權均會對指標權重及評價結果的準確性造成一定程度影響，而將主、客觀賦權結合的AHP-熵權法組合權重模型在避免個人主觀賦權隨意性的同時，又可兼顧樣本數據的客觀現實性，能夠有效克服單一賦權方法的局限性問題，使指標權重及評價結果更加準確。因此，采用基于最小二乘法的AHP-熵權法組合權重模型［10］，求解各指標組合權重W＝［ω1，ω2，…，ωm］T。計算公式為

約束函數為

式中：F（ω）為組合權重偏差；sj、oj、ωj分別為第j個指標主觀權重、客觀權重、組合權重；zij為具有n個評價對象、m個指標的標準化后的數據矩陣；i＝1、2、…、n，j＝1、2、…、m。

構造拉格朗日函數，求解模型為

然后，將拉格朗日函數分別對ωj、λ求偏導數可得

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。

解矩陣方程可得：

2.3 SMI-P方法

2.3.1 單指標量化

采用分段線性隸屬函數量化方法［20］對指標數據進行無量綱化處理，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、較優值d和最優值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，j＝1、2、…、m，為了區分系統，分別用m1、m2、m3表示各系統指標個數；aj、bj、cj、d j、ej分別為第j個指標的最差值、較差值、及格值、較優值和最優值。

2.3.2 多指標綜合計算

通過多指標加權方法計算各系統綜合得分，計算公式為

式中：IR、IE，1、IE，2分別為資源指數、生態指數、經濟指數；m1、m2、m3分別為資源、生態、經濟系統的指標個數；H p、H q、H r分別為資源、生態、經濟系統中第p、q、r個指標的和諧度；ωp、ωq、ωr為權重。

2.3.3 多準則集成計算

將IR、IE，1、IE，2加權平均計算得出REE系統和諧發展指數，其值大小反映REE系統和諧發展水平，計算公式為

式中：IREE為REE系統和諧發展指數；μ1、μ2、μ3分別為資源、生態、經濟系統對應權重，三者之和為1，因各系統對和諧發展水平同等重要，故均取1／3。

2.3.4 和諧發展水平評價標準

參考相關研究［20-21］，根據IREE數值大小，將REE系統和諧發展水平劃分為5個等級，見表2。出于對研究區REE系統和諧發展水平客觀評價，沒有絕對和諧與不和諧，因此，未考慮0和1相應等級的劃分。

表2 REE系統和諧發展水平等級劃分標準Tab.2 Classification standard for harmonious development level of REE system

2.4 REE系統耦合協調度模型

耦合協調度是表征系統間在發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］進行數據標準化處理及各系統綜合得分的計算，再將“多準則集成計算”與耦合度模型［11］相結合，以期構建REE系統耦合協調度模型來計算REE系統耦合協調度。

2.4.1 耦合協調度模型

耦合度模型為

式中：Y為REE系統耦合度。

耦合協調度模型為

式中：Z為REE系統耦合協調度。

2.4.2 耦合協調度評價標準

為了更清晰地分析研究區REE系統耦合協調關系，參考相關研究成果［24-27］并結合研究區相關概況劃分了研究區REE系統耦合協調度等級，見表3。

表3 REE系統耦合協調度等級劃分標準Tab.3 Classification standard for coupling coordination level of REE system

3 結果分析

3.1 REE系統和諧發展水平

3.1.1 各地級市REE系統和諧發展水平

2008—2019年黃河河南段豫東、豫西、豫北、豫中4個地區15個地級市的IREE見圖2?？傮w上，研究區15個地級市IREE值均處于上升趨勢，說明隨著當地居民綜合素質的提升、政府政策的不斷調整，和諧發展水平正在逐年提高，系統整體發展向好。其中，整體和諧發展水平最優為鄭州市（IREE＝0.68），最差為濮陽市（IREE＝0.51）。15個地級市在研究時段內均未達到和諧水平，說明當地政府對黃河流域生態保護和高質量發展重視程度還不夠，管理制度及監管力度尚有欠缺。

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：周口市和諧發展水平較平穩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，同時當地政府提倡綠色發展［28］。豫西地區：洛陽市和諧發展速度高于三門峽市，但整體和諧發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）、人均公共財政預算收入（C6）、城鎮化率（C3）等指標較低，拉低了其和諧發展水平。豫北地區：焦作市IREE在2019年達到區域時空最優值0.72；濮陽市IREE在2008年為區域時空最差值0.39，這與其當時人均水資源量（A1）、建成區綠化覆蓋率（B4）、城鎮化率（C3）及第三產業產值占GDP比重（C7）較低，萬元GDP二氧化碳排放量（B2）及城鄉居民人均可支配收入比值（C5）較高有關。豫中地區：鄭州市和諧發展水平一直處于領先地位，除資源系統中的人均水資源量（A1）、人均耕地面積（A3）及單位面積糧食產量（A7）指標值較差外，其他18個指標的值均接近于較優值或最優值，這說明其作為國家中心城市，對資源-生態-經濟系統的均衡發展較為重視［29-30］；平頂山市和諧發展水平最差，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）、人均公共財政預算收入（C6）、第三產業產值占GDP比重（C7）等指標逐漸提升有關。

3.1.2 各分區REE系統和諧發展水平

豫東、豫西、豫北、豫中及15個地級市區域平均IREE值見圖3，2008—2019年研究區和諧發展水平總體呈現上升趨勢。2013年之前，豫西地區和諧發展水平在各地區中排名最優，主要得益于其明顯的區位優勢、豐富的生物和礦產資源以及快速發展的旅游業［31-33］；2013年以后，豫中地區和諧發展水平穩步上升且處于領先地位；豫東、豫北地區和諧發展水平一直低于15個地級市平均水平，主要由于豫東地區地處黃河泛濫區，其生態環境急劇惡化，一直以來對其經濟造成一定影響；豫北地區隨著資源型城市發展的衰落，省內經濟重心的轉移，其經濟發展受到阻礙、比重明顯下降。

圖3 區域平均IREE變化趨勢Fig.3 The variation trend of regional average IREE

3.2 REE系統耦合協調關系時空演變特征

根據耦合協調度模型計算得出2008—2019年研究區15個地級市REE系統耦合協調度，其時空演變趨勢見圖4、5。

圖4 REE系統耦合協調度時間演變趨勢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系統耦合協調等級進入優質協調階段的數量在逐年增多。2008—2011年，除周口市外，其他地級市協調發展速度均呈現顯著增長，說明14個地級市REE系統正處于相互促進發展局面，其歸因于當地政府進一步完善社會主義市場經濟體制，并逐步提高對資源節約利用及生態環境保護工作的重視程度，充分發揮資源、生態對全省經濟社會發展的宏觀調控作用［34］；2011—2014年，開封市協調發展增速最高，其他地級行政區協調發展速度較為平穩，說明REE系統仍在向相互促進的狀態發展；2014—2017年，各地級市基本保持穩定增速，其歸因于各地級市堅持貫徹落實“大力推進生態文明建設及經濟結構戰略性調整”等相關政策［35］的實施；2017—2019年，各地級行政區REE系統耦合協調發展關系均為良好及優質協調型，協調發展增速雖較前幾年減緩，但仍然呈現穩步提高的趨勢。

圖5 REE系統耦合協調度空間演變趨勢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系統耦合協調關系空間分布情況為“中部優，周圍劣”，存在顯著差異。從整體來看：良好協調型地級市于2011年明顯增多，中級協調型地級市與其數量相當，且已減少至8個；2017年，15個地級市均達到良好協調及以上階段，主要得益于國家“十二五”“十三五”規劃［34-35］的實施，河南省進行深入貫徹落實，推進資源節約集約利用，加強生態文明建設，加快經濟發展方式轉變，更加注重資源-生態-經濟的協調發展。從局部來看：除2008年外，鄭州市、許昌市一直處于領先地位，且于2017年優先進入優質協調階段，說明兩個地級市REE系統協調發展水平較高，系統間相互作用關系較強，其歸因于當地資源、生態、經濟各系統發展水平均較高，且當地政府對三系統間的均衡發展較為重視；三門峽一直處于良好協調階段，是由于其地處黃河河南段入口，具有得天獨厚的區位優勢，自然資源基礎相對較好，這在很大程度上提高了當地資源利用和經濟發展水平，進一步促進了生態建設的發展速度及當地政府對生態保護的重視；濮陽市協調發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，地理區位劣勢，經濟發展支撐力不足且發展滯慢［36］，這在一定程度上減弱了當地政府及其他企業對資源開發及生態保護的投資力度，削弱了其資源利用及生態環境改善程度，致使其REE系統耦合協調關系較弱。

4 結 論

以黃河河南段戰略實施區15個地級市作為研究區，基于2008—2019年各地級市的面板數據，采用“SMI-P”方法評估研究區REE系統的和諧發展水平，進一步將“SMI-P”方法與耦合協調度模型相結合對研究區REE系統的耦合協調關系進行綜合分析評價，得出如下結論：

15個地級市資源-生態-經濟系統和諧發展水平呈現波動增長趨勢，但均未達到和諧水平。因此，需要綜合運用智能化設備升級資源技術，增強生態法制支撐、加大生態環境保護及治理力度，優化調整經濟結構、推進區域經濟發展，進一步提高REE系統和諧發展水平。從4個分區來看：豫北和豫東和諧發展水平較落后；豫北地區需調整宏觀政策，優化產業結構，加大重大基礎設施建設力度；豫東地區需提高黃河泛濫災害預警反應能力，同時做好生態環境保護及治理工作，減少地理劣勢影響。從各地級市來看：整體和諧發展水平最優地級市為鄭州市（0.68）、最差為濮陽市（0.51），濮陽市需提高水資源管理水平、優化用水結構以提升水資源綜合利用效率，加大綠化資金投入及環境保護監督力度。

15個地級市REE系統耦合協調關系多數為中級和良好協調，且存在顯著差異，空間分布情況為“中部優，周圍劣”，需要統籌區域發展規劃，綜合制定協調發展方案，增強三系統間相互作用關系。從時間維度來看：2008—2017年耦合協調度較低地級市逐漸減少并向優質協調階段集聚。從空間維度來看：所有地級市均于2017年達到良好協調，但達到優質協調的地級市只有鄭州市、許昌市和漯河市；濮陽市協調發展水平較落后，應堅持生態保護優先、經濟發展及資源利用水平并進，統籌城鄉規劃以提高城鎮化水平及減小城鄉收入差距、優化產業結構以實現產業協調發展，加強資源節約集約利用，以期增強三系統間的協調發展關系。