長江中游城市水資源耦合協(xié)調(diào)時空分析及障礙診斷

郭佳麗 余敬 何玉杰 姜露 張澤蔚

摘要：水資源作為人類生存發(fā)展必不可少的自然資源，其合理的協(xié)調(diào)利用是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要保障。運(yùn)用擴(kuò)展的耦合協(xié)調(diào)度與障礙度模型，分別對湖北省12個地級市2008—2017年水資源-經(jīng)濟(jì)社會-生態(tài)環(huán)境-智慧科技系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系展開時空格局動態(tài)研究及障礙診斷。結(jié)果顯示，耦合協(xié)調(diào)度在評價期整體呈顯著上升-下降-上升趨勢，目前平均協(xié)調(diào)度為0.635 5，處于中度協(xié)調(diào)水平。在空間分布上，呈3種演變狀態(tài)，東南地區(qū)協(xié)調(diào)度最高，西部地區(qū)穩(wěn)步上升，中北部地區(qū)協(xié)調(diào)度波動較大。系統(tǒng)障礙度大小排序?yàn)樗Y源>智慧科技>生態(tài)環(huán)境>經(jīng)濟(jì)社會，東南及西南地區(qū)為智慧科技滯后型，西北地區(qū)為水資源滯后型。

關(guān)鍵詞：水資源;經(jīng)濟(jì)社會;生態(tài)環(huán)境;智慧科技;耦合協(xié)調(diào)度;障礙度

中圖分類號：F127;TV213.4?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）07-0092-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.07.020

Abstract： As an indispensable natural resource for human survival and development，the rational coordination use of water resources is the main point to achieve sustainable development. In this paper，the spatial and temporal pattern of the coupling relationships among water resources，economic society，ecological environment and smart technology system in 12 cities in Hubei province from 2008 to 2017 were analyzed by extended coupling coordination degree and obstacle degree model. The results showed that the coupling coordination degree presented the significant rise-fall-up trend during the evaluation period. The current average coordination degree is 0.635 5 and in a moderate coordination level. In the spatial distribution，the coordination degree presented three evolution states. The coordination degree in the southeast area of China is the highest，while in the western area it is steadily rising，and in the central-north area it fluctuates greatly. The system obstacles are ranked as water resources，smart technology，ecological environment and economic society. The southeast and southwest areas belong to smart technology lagged，and the northwest area belongs to water resources lagged.

Key words： water resources; economic society; ecological environment; smart technology; coupled coordination degree; obstacle degree

隨著人口增長及經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，全球面臨著資源短缺、生態(tài)環(huán)境破壞、污染嚴(yán)重等問題。在此背景下，中國提出人與自然和諧共生的發(fā)展理念，大力踐行資源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)政策。水作為人類生存必不可少的資源，在推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用，然而過度開發(fā)使得水污染問題日益嚴(yán)峻。如何協(xié)調(diào)資源、經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境等之間的良性發(fā)展，維系一個穩(wěn)定可持續(xù)的生存環(huán)境是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

學(xué)者們針對水資源及相關(guān)系統(tǒng)之間耦合協(xié)調(diào)性進(jìn)行了廣泛研究并取得了豐碩的成果。從已有研究來看，在評價對象上，主要將水資源與社會[1，2]、經(jīng)濟(jì)[1-5]、生態(tài)[4，6]、能源[7，8]、人口[3]、城鎮(zhèn)化[9]、鄉(xiāng)村發(fā)展[10]等對象之間兩兩[1，2，5，6，9-12]或多對象組合[3，4，7，8，13]展開實(shí)證研究，而較少涉及水資源與智慧科技領(lǐng)域之間的關(guān)系研究，由于智慧科技是解決水資源問題的推動器，可通過科學(xué)技術(shù)優(yōu)化水資源配置，提高節(jié)水率與利用率，實(shí)現(xiàn)海水淡化等[14]，推動整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展。然而，面對高質(zhì)量發(fā)展階段，智慧科技是第一短板，因此在研究水資源相關(guān)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的同時，迫切需要研究智慧科技的發(fā)展水平以及與水資源發(fā)展的協(xié)調(diào)性。在研究區(qū)域上，絕大多數(shù)學(xué)者以省域[2，9]、市域[1，6]或某一流域[3，4，7，10]為空間尺度，研究協(xié)調(diào)性的空間差異特征，考慮到長江經(jīng)濟(jì)帶作為中國“黃金水道”，具有重要的生態(tài)地位，而湖北省位于長江中游，是南水北調(diào)的關(guān)鍵省份，其水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展與開發(fā)利用直接關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因而選取湖北省作為研究對象。在時間跨度上，學(xué)者大多以10年[2，6，7，9，10]為時間尺度，也有研究1年[11]、8年[1]、13年[4]、15年[3]等，綜合各系統(tǒng)的發(fā)展情況及時間跨度的可比性，本研究引入10年的數(shù)據(jù)來研究協(xié)調(diào)性的時序特征。在賦權(quán)方法上，文獻(xiàn)中以熵值法[4，7，10，11，13]為主，兼有AHP[2，9]、AHP-熵值法組合賦權(quán)[12]、變異系數(shù)法[3，6]等，因熵值法賦權(quán)精度高、客觀性強(qiáng)，遂采用熵值法進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)。

基于此，本研究以長江中游城市群湖北省12個地級市為研究對象，以2008—2017為時間跨度，通過構(gòu)建水資源-經(jīng)濟(jì)社會-生態(tài)環(huán)境-智慧科技評價指標(biāo)體系，利用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重，并運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型探索4個系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，同時，為識別制約協(xié)調(diào)發(fā)展的指標(biāo)，引入障礙度模型進(jìn)行障礙因子診斷，旨在為湖北省各城市可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供政策建議與實(shí)證依據(jù)。

1?模型與方法

1.1?研究區(qū)概況

湖北省位于長江中下游，因境內(nèi)湖泊眾多、水系發(fā)達(dá)，素有“千湖之省”的美稱。但受地形與氣候的影響，降水分布極不均勻，多集中在每年4—9月，以洪水的形式流失嚴(yán)重，導(dǎo)致2017年水資源總量為?1 248.8億m3，僅占降水總量的51.3%。如何充分發(fā)揮湖北省水資源自然優(yōu)勢，合理地開發(fā)利用水資源，成為了當(dāng)前亟待解決的問題。

湖北省共有12個地級市、1個自治州、3個省直轄縣級行政單位和1個林區(qū)，考慮到研究的深入性與數(shù)據(jù)的可獲取性，選取其中具有代表性的12個地級市作為研究對象。

1.2?方法模型及數(shù)據(jù)來源

1.2.1?指標(biāo)權(quán)重確定?選取熵值法對指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，考慮到熵值法在特殊情況中的局限性，即[bij]=0，式（4）無意義，本研究參照寧寶權(quán)等[15]優(yōu)化的改進(jìn)熵權(quán)法進(jìn)行賦權(quán)。為了實(shí)現(xiàn)面板數(shù)據(jù)中不同年份不同城市之間的比較，借鑒楊麗等[16]的思想，以時間與地區(qū)變量相組合的形式對指標(biāo)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一賦權(quán)，具體過程如下：

式中，T為復(fù)合系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，反映整體間協(xié)同效應(yīng);系數(shù)[a、b、c、d]為待定權(quán)重，且a+b+c+d=1。針對4個系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，參考相關(guān)的文獻(xiàn)[3，4，8，13]，結(jié)合當(dāng)前的形勢與政策，即國家倡導(dǎo)“生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展”的發(fā)展理念，本研究認(rèn)為相比于經(jīng)濟(jì)社會和智慧科技系統(tǒng)，水資源與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)顯得更為重要，故取a=c=0.3，b=d=0.2;D為復(fù)合系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度，D∈[0，1]，通過綜合已有的協(xié)調(diào)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本研究的實(shí)際情況，將協(xié)調(diào)度的劃分標(biāo)準(zhǔn)確定如下（表1）。

1.2.4?障礙度模型?為了進(jìn)一步明確4個系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的優(yōu)化方向，運(yùn)用障礙度模型篩選出主要阻力因素，即障礙因子，步驟如下：

1.2.5?數(shù)據(jù)來源?選取湖北省12個地級市作為研究對象，研究時段為2008—2017年，數(shù)據(jù)主要來源于《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒（2009—2018）》《湖北統(tǒng)計(jì)年鑒（2009—2018）》《湖北省水資源公報(bào)（2008—2017）》《湖北省環(huán)境狀況公報(bào)（2008—2017）》、各城市統(tǒng)計(jì)年鑒，如《武漢統(tǒng)計(jì)年鑒（2009—2018）》《黃石統(tǒng)計(jì)年鑒（2009—2018）》等。

2?指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1?構(gòu)建依據(jù)

在參照國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于水資源、經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境、智慧科技水平評價以及相互耦合協(xié)調(diào)研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建了4個系統(tǒng)間關(guān)系框架圖（圖1）?；陉P(guān)系框架，在前人研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)指標(biāo)選取的科學(xué)性、全面性、易獲性等原則，組建了4個系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)評價指標(biāo)體系（表2）。

2.2?結(jié)果與分析

2.2.1?時序特征分析?根據(jù)湖北省及其12個地級市2008—2017年數(shù)據(jù)，利用式（1）至式（6）及a、b、c、d賦值情況，得出綜合指標(biāo)權(quán)重（表2），利用式（8）至式（10），得表3及圖2。由圖2可見，湖北省4個系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)度大致可分為三階段：第一階段（2008—2010年），正處于“十一五”終末期，耦合度與協(xié)調(diào)度整體呈上升趨勢，耦合度漲勢明顯，協(xié)調(diào)度呈穩(wěn)定上升趨勢;第二階段（2010—2011年），處于“十一五”與“十二五”規(guī)劃過渡階段，各個系統(tǒng)發(fā)展處于轉(zhuǎn)型探索期，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與發(fā)展方式不斷調(diào)整，以適應(yīng)不確定的新形勢與新問題，此時耦合度與協(xié)調(diào)度均存在不同程度的下降;第三階段（2011—2017年），處于“十二五”&“十三五”規(guī)劃建設(shè)發(fā)展期，耦合度整體呈上升趨勢，并于2014年后保持在極度耦合狀態(tài)，而協(xié)調(diào)度也呈持續(xù)上升狀態(tài)，但整體尚處于較低協(xié)調(diào)水平，原因在于不同城市協(xié)調(diào)發(fā)展情況不同，地域差異大，造成整體水平不高。

為了進(jìn)一步研究湖北省地域耦合協(xié)調(diào)度時空特征，基于表3中數(shù)據(jù)及歷年各系統(tǒng)發(fā)展水平，分析12個地級市綜合系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度及4個系統(tǒng)發(fā)展水平變化趨勢，由于研究城市較多，采用折線圖不易觀察整體的升降情況，這里引入Spearman秩相關(guān)系數(shù)法[2]，具體公式如下：

由圖3可見，2008—2017年，12個地級市4個系統(tǒng)的發(fā)展水平及協(xié)調(diào)度表現(xiàn)出不同的變化趨勢。對于協(xié)調(diào)度，12個地級市均表現(xiàn)為上升趨勢，其中，武漢、黃石、十堰、宜昌、鄂州和咸寧協(xié)調(diào)度上升顯著，而其他城市上升幅度不顯著;對于水資源發(fā)展水平，12個地級市均表現(xiàn)不顯著，其中十堰、襄陽2個城市出現(xiàn)了小幅度下降;對于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平，除了十堰、荊門漲幅較不顯著外，其余城市均處于較高顯著狀態(tài);對于生態(tài)環(huán)境發(fā)展水平，僅黃石、孝感和咸寧漲幅顯著，十堰、宜昌、襄陽和隨州出現(xiàn)較大幅度下降，其余城市上漲不顯著;對于智慧科技發(fā)展水平，荊門、荊州、咸寧、黃岡和孝感漲幅不顯著，其余城市均顯著上漲。

2.2.2?空間差異分析?為了對12個地級市4個系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行進(jìn)一步空間差異分析，選取評價期中3個典型年份，即2008、2012和2017年，分別畫出對應(yīng)的協(xié)調(diào)度空間展布圖（圖4）。從空間布局上看，湖北省協(xié)調(diào)程度最好的區(qū)域始終以武漢市及其東南周邊城市為代表，由中度協(xié)調(diào)逐漸向高度優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，其中，武漢市作為省會，其經(jīng)濟(jì)實(shí)力及社會發(fā)展較為超前，高新產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)較為完善，水資源充沛，綜合水平及耦合協(xié)調(diào)度明顯優(yōu)于省內(nèi)其他城市，在2016年首次達(dá)到優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)水平。鄂西部地區(qū)（十堰、宜昌、荊州）協(xié)調(diào)度最初處于輕低水平，隨后穩(wěn)定升至中度協(xié)調(diào)水平;鄂中北地區(qū)（襄陽、隨州、荊門、孝感與黃岡）協(xié)調(diào)度波動較大，期間受特大干旱影響，水資源含量大幅下降，嚴(yán)重拉低系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)度，使得鄂中北城市群在2010—2012年相繼降至歷史最低水平，隨后逐步回升至低中度協(xié)調(diào)水平。

2.2.3?障礙度分析?為了深入分析影響四系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的障礙因素，依據(jù)式（11），得出每年各地區(qū)各指標(biāo)的障礙度，篩選出障礙度排名前三的指標(biāo)，并制作出散點(diǎn)圖（圖5），橫軸依次代表29項(xiàng)指標(biāo)，縱軸以12為間隔，分別表示每年的12個城市數(shù)據(jù)。從整體上看，影響湖北省各城市4個系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的主要障礙因子相對比較集中，存在于水資源、生態(tài)環(huán)境和智慧科技系統(tǒng)中。具體來看，水資源系統(tǒng)中主要障礙因子為每平方千米地表水資源含量、人均水資源總量與產(chǎn)水模數(shù);生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中主要障礙因子為人均綠地面積和水土協(xié)調(diào)度;智慧科技系統(tǒng)中主要障礙因子為每萬人口在校大學(xué)生數(shù)和萬人擁有專利授權(quán)數(shù)。

從各系統(tǒng)來看，指標(biāo)累計(jì)障礙度排序?yàn)樗Y源>智慧科技>生態(tài)環(huán)境>經(jīng)濟(jì)社會，障礙度平均值分別為29.67%、28.66%、21.96%、19.72%。其中，各城市分系統(tǒng)障礙度在空間上呈兩級分化狀態(tài)（表4），以黃岡、黃石、咸寧、鄂州為代表的鄂東南地區(qū)與以宜昌為代表的鄂西南地區(qū)為相對智慧科技滯后型，水資源豐富，但高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)數(shù)及發(fā)展相對滯后;以十堰、襄陽、荊門、孝感、隨州為代表的鄂西北地區(qū)為相對水資源滯后型，受地形及降水不足影響，水資源成為阻礙協(xié)調(diào)發(fā)展的主要障礙系統(tǒng)。此外，武漢、荊州相對特殊，毗鄰長江，地理位置優(yōu)越，但在協(xié)調(diào)發(fā)展中水資源系統(tǒng)相對滯后。武漢作為省會，擁有眾多高校人才和科技產(chǎn)業(yè)，是湖北省智慧科技的核心區(qū)域，水資源總量充沛，但受人口密度及工業(yè)耗水量大等影響，水資源成為首要障礙系統(tǒng)，人均水資源總量為主要障礙因子，且障礙度逐年遞增，因而迫切需要依托科技提高用水利用率。荊州雖地處長江之腰，但部分流域污染嚴(yán)重，出現(xiàn)工程性和水質(zhì)性缺水，為此，荊州政府應(yīng)加強(qiáng)入河排污監(jiān)管，適時采取生態(tài)補(bǔ)水措施與加強(qiáng)水源地建設(shè)。

3?結(jié)論

在構(gòu)建水資源-經(jīng)濟(jì)社會-生態(tài)環(huán)境-智慧科技四系統(tǒng)評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，利用耦合協(xié)調(diào)度模型，從時空維度對湖北省及其12個地級市進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)差異分析，并運(yùn)用障礙度模型從指標(biāo)與系統(tǒng)雙視角分析，診斷影響協(xié)調(diào)度的主要障礙因子，得出以下結(jié)論。

1）湖北省及其12個地級市4個系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度在2008—2017年，除“十一五”與“十二五”規(guī)劃過渡期出現(xiàn)一定幅度的下降，整體呈顯著上升趨勢。目前，12個地級市平均耦合度達(dá)0.883 4，平均協(xié)調(diào)度為0.635 5，處于中度協(xié)調(diào)水平。

2）在空間分布上，依據(jù)耦合協(xié)調(diào)度，可將湖北省劃分成3種城市圈，全面反映出區(qū)域發(fā)展的集聚形式。其中，以武漢市為中心的鄂東南地區(qū)，包括鄂州、黃石及咸寧3市，耦合協(xié)調(diào)發(fā)展相對較快，協(xié)調(diào)度已達(dá)中高度協(xié)調(diào)水平;以十堰、宜昌和荊州市為代表的鄂西部地區(qū)處于穩(wěn)步上升狀態(tài)，協(xié)調(diào)度由輕低度水平不斷發(fā)展至中度協(xié)調(diào)水平;以襄陽、隨州、荊門、孝感與黃岡為代表的鄂中北地區(qū)，耦合協(xié)調(diào)度受水資源影響波動較大，2010—2012年經(jīng)歷干旱枯水期，四系統(tǒng)間協(xié)調(diào)度均出現(xiàn)大幅度下降，這一局面有望在湖北省于2015年底啟動的“一號工程”即鄂北地區(qū)水資源配置工程全部完工后得到有效解決。

3）影響4個系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的主要障礙因子集中在7個指標(biāo)上，即每平方千米地表水資源含量、人均水資源總量、產(chǎn)水模數(shù)、人均綠地面積、水土協(xié)調(diào)度、每萬人口在校大學(xué)生數(shù)和萬人擁有專利授權(quán)數(shù)等。在系統(tǒng)層面上，系統(tǒng)障礙度排序?yàn)樗Y源>智慧科技>生態(tài)環(huán)境>經(jīng)濟(jì)社會，且在空間上表現(xiàn)為東南及西南部地區(qū)為智慧科技滯后型，水量充足，但高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對緩慢;西北部地區(qū)為水資源滯后型，其高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)分布較多且發(fā)展迅速，水資源成為制約協(xié)調(diào)發(fā)展的主要障礙系統(tǒng)。

總之，在新的發(fā)展形勢下，為推進(jìn)高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展，湖北及各地級市需要不斷地?fù)P長補(bǔ)短，在充分高效利用自然資源與生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價值，以智慧科技為驅(qū)動力，推動整個社會向前發(fā)展的同時，也需要將部分經(jīng)濟(jì)收益投入到水利工程及生態(tài)環(huán)境保護(hù)中，用高科技手段調(diào)節(jié)改善水污染與生態(tài)環(huán)境破壞等各種危機(jī)，以期實(shí)現(xiàn)水資源-經(jīng)濟(jì)社會-生態(tài)環(huán)境-智慧科技全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

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