張遷,張強,程啟先,來琳,魏強
(1.信陽師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院/河南省淮河流域遙感大數(shù)據(jù)與智能分析工程研究中心,河南信陽464000;2.河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院工商管理學(xué)院,河南鄭州450044;3.河南工業(yè)大學(xué)漯河工學(xué)院,河南漯河462002)
城市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境及其協(xié)調(diào)關(guān)系是城市可持續(xù)發(fā)展的重要議題[1]。黨的十九大提出“加快生態(tài)文明體制改革,建設(shè)美麗中國”[2]。近年來,我國加強生態(tài)環(huán)境治理,已成為國際生態(tài)文明建設(shè)的重要參與者、貢獻者以及引領(lǐng)者。作為我國東部沿海人口大省、農(nóng)業(yè)大省和工業(yè)大省的典型代表,山東省人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達且人地矛盾突出。濟南市是山東省的省會城市,在《2020 年濟南市政府工作報告》明確指出“全面加強生態(tài)環(huán)境保護,建設(shè)生態(tài)宜居典范城市。堅持生態(tài)立市,實施生態(tài)環(huán)境保護攻堅行動,努力建設(shè)天藍、地綠、水清、泉涌的生態(tài)家園?!盵3]表明濟南市已經(jīng)充分認識到開展生態(tài)文明建設(shè)工作的迫切性和必要性。近年來濟南市的經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境是否具有協(xié)調(diào)性、其具體的協(xié)調(diào)性是怎樣的、在當前的協(xié)調(diào)發(fā)展狀態(tài)中又存在哪些問題,上述內(nèi)容值得進一步深入討論。
當前學(xué)界對于經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境[4-7]的有關(guān)研究較多,部分學(xué)者從“城鎮(zhèn)化-土地生態(tài)”[8]、“資源利用-生態(tài)環(huán)境-經(jīng)濟增長”[9]、“生態(tài)文明-科技創(chuàng)新-區(qū)域經(jīng)濟”[10]和“人口-資源-環(huán)境-經(jīng)濟”[11]等方面進行拓展和討論。但既有研究主要著眼于評價指標體系的豐富和完善,忽視對協(xié)調(diào)度模型自身的延伸與拓展,且對未來時段的預(yù)測也不夠深入。本研究側(cè)重于對協(xié)調(diào)度模型自身加以補充和完善,嘗試從以下方面進行改進:①在數(shù)據(jù)預(yù)處理和權(quán)重賦值中采用指數(shù)變換法和變異系數(shù)法的新路徑,減少德爾菲法和層次分析法的主觀性、避免熵權(quán)法中需要對“0 值”進行平移處理的情況;②綜合運用敏感性模型和障礙度模型,用以識別并診斷2010-2020年濟南市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展現(xiàn)狀中所存在的問題;③采用ARIMA(0,1,0)模型對濟南市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度的進行時間序列預(yù)測,以期為后續(xù)的濟南市生態(tài)文明建設(shè)工作提供一定的參考。
1.1.1 評價體系
1.1.2 數(shù)據(jù)來源
構(gòu)建科學(xué)合理的評價指標體系是準確衡量經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)關(guān)系的重要基礎(chǔ)。在充分考慮評價指標的準確性、實用性和可獲取性的基礎(chǔ)上,依據(jù)系統(tǒng)性、嚴密性和客觀性等原則,同時參考相關(guān)文獻并結(jié)合研究區(qū)域現(xiàn)狀,構(gòu)建了由經(jīng)濟規(guī)模、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、生態(tài)保護以及環(huán)境污染4個方面所組成的評價指標體系(表1)。
表1 濟南市經(jīng)濟發(fā)展-生態(tài)環(huán)境評價指標體系表
本研究數(shù)據(jù)的主要來源為相應(yīng)年份的濟南市和山東省的統(tǒng)計年鑒、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報,以及濟南市和山東省的統(tǒng)計局及相關(guān)部門(如人民政府、生態(tài)環(huán)境廳等)的官方網(wǎng)站。其中“濕地面積”指標數(shù)據(jù)有缺失,運用SPSS 25.0的線性插值進行缺失值處理,收集并插值處理后的各評價指標的樣本描述統(tǒng)計情況見表2。
1.1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理
考慮到各個指標的數(shù)據(jù)存在量綱和單位的差異,直接對各指標的數(shù)值進行比較的可比性和準確性不強,因此需要對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化預(yù)處理。常見的預(yù)處理方法主要有向量規(guī)范化法、極差變換法、指數(shù)變換法等[12],本文中采用的是指數(shù)變換法,其特點是規(guī)范化結(jié)果不產(chǎn)生“0值”、計算簡便且結(jié)果直觀,正向和負向指標的預(yù)處理過程分別見公式(1~2):
式中:xij是i指標在j年份的原始數(shù)據(jù);yij是i指標在j年份的預(yù)處理結(jié)果數(shù)據(jù);maxxij和minxij是xij在i指標的最值。
1.2.1 研究區(qū)域概況
濟南市是山東省的省會城市,是國家物流樞紐城市、濟南都市圈核心城市、國務(wù)院批復(fù)確定的環(huán)渤海地區(qū)南翼的中心城市。自2010年以來,濟南市不斷調(diào)整發(fā)展思路,經(jīng)濟發(fā)展也由此進入了快速建設(shè)期,人均GDP 從54906.34 元(2010 年)增長到110681.00 元(2020年),經(jīng)濟密度也從4275.98萬元/km2(2010年)增長到9898.93 萬元/km2(2020 年)。與此同時,濟南市也加大了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)優(yōu)化力度,大力集中發(fā)展以資本密集型產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主的第三產(chǎn)業(yè),全域初步呈現(xiàn)“第一產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展、二三產(chǎn)業(yè)共同支撐經(jīng)濟平穩(wěn)前進”的良性模式。近年來,濟南市的植被覆蓋率總體呈現(xiàn)起伏變化,尤其是2015-2016 年間造林面積急劇減少、濕地面積也呈現(xiàn)出波動下降趨勢。濟南市受山地地形與黃河河道的雙重影響,市區(qū)內(nèi)缺乏天然阻隔及南北生態(tài)廊道,在傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)影響下污染物排放總量較多、環(huán)境污染也較為嚴重[13]。隨著近年來政府對生態(tài)環(huán)境的逐步重視,退耕還林、植樹造林等政策得到有效貫徹和落實,濟南市生態(tài)環(huán)境狀況有所好轉(zhuǎn),但工業(yè)廢水排放量依然很高、污水減排工作還有待深入開展。
1.2.2 變異系數(shù)法
當前研究中的指標權(quán)重賦值分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法,前者有德爾菲法、層次分析法和模糊評價法等,后者有熵權(quán)法、均方差法和變異系數(shù)法等[14]??紤]到主觀賦權(quán)法的主觀性強、過分依賴專家判斷,本文采用客觀賦權(quán)法,綜合研究區(qū)域和數(shù)據(jù)的特點將變異系數(shù)法作為指標權(quán)重賦值的方法,公式如下:
式中:yij是i指標在j年份的預(yù)處理結(jié)果數(shù)據(jù)(是其在研究時段內(nèi)的平均值);w i和wi分別是i指標的變異系數(shù)和權(quán)重值;k是項數(shù)。
1.2.3 協(xié)調(diào)度模型
協(xié)調(diào)度模型具有科學(xué)、簡潔、準確且高效等特點,在區(qū)域經(jīng)濟學(xué)、地理科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和資源科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,當前學(xué)界運用的協(xié)調(diào)度模型有二維及多維模式,本文中采用二維協(xié)調(diào)度模型[15],公式如下:
式中:G是協(xié)調(diào)度;ED和EE分別為經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的綜合分值;a和β為待定系數(shù)(a+β= 1)。本文中認為ED和EE同等重要(a=β= 1/2)。
1.2.4 敏感性模型
敏感性模型主要是為了討論指標值靈敏度問題,在水生態(tài)文明評價中有一定的應(yīng)用。劉暢等[16]提出的敏感性模型分為2 級、其敏感性參數(shù)賦值為5%(敏感性較強)和10%(相對敏感)。本文中采用改進后的3 級敏感性模型并對具體參數(shù)進行調(diào)整,公式如下:
式中:Ω為是該系統(tǒng)評價結(jié)果的敏感性;P為該系統(tǒng)評價結(jié)果值;ρ為敏感性參數(shù)(依據(jù)判別高度、中度和低度敏感的需要,分別取值為2、4和8)。
1.2.5 障礙度模型
障礙度模型在區(qū)域經(jīng)濟學(xué)、地理科學(xué)、生態(tài)學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域運用較為廣泛,能夠?qū)χ饕系K因子進行有效、準確的識別。本文中所采用的障礙度模型[17]結(jié)果以色階方式呈現(xiàn),公式如下:
式中:Oij是i指標在j年份的障礙度;zij指標在j年份的結(jié)果數(shù)據(jù);wij是i指標權(quán)重值。
1.2.6 ARIMA預(yù)測
ARIMA(Autoregressive Integrated Moving Average)模型是一種基于Box-Jenkins 法的時間序列預(yù)測模型,常記作ARIMA(p,d,q),也被稱為整合自回歸移動平均模型。本文中協(xié)調(diào)度預(yù)測運用的是ARIMA(0,1,0)模型,受限于篇幅對于該模型的數(shù)學(xué)原理和公式不再詳細闡述,詳見文獻[18]。
運用變異系數(shù)法和協(xié)調(diào)度模型計算的目標層評價值及其協(xié)調(diào)度結(jié)果見圖1,并將評價值、協(xié)調(diào)度的分值按照等級劃分為“極低-較低-偏低-偏高-較高-極高”共計6 個等級(表3)。結(jié)果:①經(jīng)濟發(fā)展呈現(xiàn)出“波動增長”變化趨勢。得益于人均GDP、經(jīng)濟密度和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重等指標在研究時段內(nèi)持續(xù)且迅速的增長態(tài)勢,經(jīng)濟發(fā)展評價值由0.5036(2010 年)增至0.8354(2020 年),即由“較低”等級連續(xù)跨越至“偏高”等級,且在多數(shù)時段的上升趨勢都較為顯著,僅在個別年份有一定波動或輕微下降(2012 年、2016 年和2017 年)。因此,經(jīng)濟發(fā)展評價值總體上增長趨勢還是比較明顯的。②生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出“波動下降”變化趨勢。除二氧化硫排放量和煙/粉塵排放量等指標外,其余指標波動變化的趨勢都比較明顯,造林面積、濕地面積和污水排放量指標的最優(yōu)值分別出現(xiàn)在2014年、2013年和2010年,生態(tài)環(huán)境評價值由0.5691(2010 年)增長至0.6903(2013 年)后經(jīng)歷了較長時間的波動下降趨勢,并在2020年減少至0.6182,即2012年后持續(xù)在“偏低”等級波動變化。因此,生態(tài)環(huán)境評價值在多數(shù)時段的變化趨勢是波動下降的。③協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)出“整體上升”變化趨勢。由于經(jīng)濟發(fā)展具有“波動增長”變化趨勢,而生態(tài)環(huán)境的下降趨勢是不太顯著的,二者的變化情況在一定程度上也是比較同步的,因此二者的協(xié)調(diào)度除極個別年份(2012 年以外)、其余絕大多數(shù)年份都是平穩(wěn)變化或者略有上升的。尤其是在研究時段早期(2011年和2013年)的增長趨勢極為顯著。因此,總體上協(xié)調(diào)度水平是上升的,并在2013-2014 年間由“偏高”等級增至“較高”等級后仍保持平穩(wěn)增長。
圖1 經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境及協(xié)調(diào)度結(jié)果表
表3 評價值、協(xié)調(diào)度的分值與等級表
按照評價值、協(xié)調(diào)度所劃分的分值與等級情況經(jīng)由敏感型模型算法計算經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境評價值及其協(xié)調(diào)度的敏感性??紤]到本研究中的時段較長、對單獨指標的敏感性分析意義不大,因此不再對各指標進行敏感性分析。此外,由于篇幅限制,以協(xié)調(diào)度敏感性為例詳細闡述2010-2020 年協(xié)調(diào)度不同參數(shù)下的敏感性分析過程見表4。本文中采用的改進后的敏感性分析模型中3 級模型劃分為高度、中度和低度敏感,分別在±2%、±4%和±8%下發(fā)生等級變化。經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境及協(xié)調(diào)度敏感性分析結(jié)果見表5。
表4 協(xié)調(diào)度敏感性分析過程表
表5 經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境及協(xié)調(diào)度敏感性分析結(jié)果表
從表4和表5中能夠發(fā)現(xiàn):①2010-2020年濟南市ED-EE 協(xié)調(diào)度的敏感性總體上不高,早期和末期的敏感性較低、中后期經(jīng)歷了較長時段的敏感性較高的階段,2013-2017 年在±2%的產(chǎn)生變化(高度敏感)、隨后的2 年(2018-2019年)為中度敏感,其余年份均為低度敏感。②ED-EE協(xié)調(diào)發(fā)展的敏感性各有特點:一是經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境評價值的敏感性都較低。經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境分別在2010年和2018年以及2012-2013 年為高度敏感,這兩項的評價值在其余年份都沒有出現(xiàn)高度敏感的情況;在2014-2017 年和2019-2020 年經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境評價值交替出現(xiàn)低度和中度敏感;而2015、2016 和2019 年中二者均為低度敏感。二是結(jié)合協(xié)調(diào)度來看三者的敏感性演變規(guī)律,發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)度的敏感性變化趨勢與經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境評價值不一致,經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境評價值在早期(2010-2012 年)與協(xié)調(diào)性相比是較為敏感的,而在后續(xù)時段內(nèi)(2014-2018年)較少出現(xiàn)高度敏感。但是協(xié)調(diào)度在中期經(jīng)歷了為期5年的高度敏感時段(2013-2017年),在末期(2019-2020 年)三者的敏感性變化趨勢逐漸趨同。
運用障礙度模型計算的各指標歷年障礙度的均值見圖2。將各指標逐年運算障礙度數(shù)值按照經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)經(jīng)濟分別排序,生成色階圖見圖3。結(jié)果:①經(jīng)濟發(fā)展中主要障礙因子為經(jīng)濟密度(ED2)、工業(yè)用電量(ED3)和人均GDP(ED1),障礙度數(shù)值在0.0516-0.0585之間,第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重(ED6)的權(quán)重值居于中間位置(0.0486),障礙度均值較低的指標是工業(yè)總產(chǎn)值(ED4)、農(nóng)業(yè)牧副漁總產(chǎn)值(ED5)和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重(ED7),分別為0.0467、0.0461 和0.0460。以2014 年為界,較早時期(2014 年及之前)工業(yè)總產(chǎn)值(ED4)、農(nóng)林牧副漁總產(chǎn)值(ED5)和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重(ED7)是比較主要的障礙因子,而在此之后(2014 年之后)除了工業(yè)總產(chǎn)值(ED4)仍然是主要障礙因子之外,工業(yè)用電量(ED3)和第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重(ED6)取代了其余指標成為主要障礙因子。②生態(tài)環(huán)境中的主要障礙因子是污水排放量(EE7)、煙/粉塵排放量(EE6)和濕地面積(EE2),數(shù)值分別為0.0564、0.0557 和0.0537,二 氧 化 硫 排 放 量(EE5)、造林面積(EE1)、建成區(qū)綠化率(EE3)和人均公園綠地面積(EE4)的障礙度值較低,數(shù)值介于0.0485-0.0512。生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出明顯的階段性,即指標障礙度逐年排序按照2010-2012年、2013-2015年和2016-2020年劃分為3個階段:2012年以前主要障礙因子是濕地面積(EE2)和建成區(qū)綠化率(EE3),2013-2015年主要障礙因子是人均公園綠地面積(EE4)、二氧化硫排放量(EE5)和煙/粉塵排放量(EE6),2016年之后則為造林面積(EE1和)污水排放量(EE7)。
圖2 指標障礙度均值圖
圖3 指標障礙度逐年排序色階圖
運用ARIMA(0,1,0)預(yù)測模型進行濟南市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度的預(yù)測,選擇近年來(2010-2020 年)的協(xié)調(diào)度數(shù)據(jù)用以預(yù)測后續(xù)年份(2021-2024 年)的協(xié)調(diào)度值,具體的實測值、擬合值及其上控制線(UCL)與下控制線(LCL)見圖4。結(jié)果:①從既有時段的實測值和擬合值來看,二者在整體上較為接近,因此后續(xù)預(yù)測的可信度也較高。即在未來時段濟南市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度將呈現(xiàn)出平穩(wěn)上升的趨勢,將從2020 年實測值0.8477(擬合值0.8515)增長至2024 年擬合值0.8932,逐級趨近于“極高”等級。②從上下控制線反映的情況來看,一是UCL 增長趨勢迅猛、二是UCL與LCL的年份越遠差距越大:UCL值在2022年就步入了“極高”等級(0.9010)并在2024年達到0.9218,因此濟南市后續(xù)發(fā)展的潛力是巨大的,亟需加強經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護等工作;此外上下控制線差距約為0.0573,且不論是UCL還是LCL都呈現(xiàn)出一定增長,其增長值約為0.0313,這也驗證了后續(xù)濟南市的協(xié)調(diào)度應(yīng)該呈現(xiàn)出總體增長的大趨勢。
圖4 協(xié)調(diào)度預(yù)測圖
經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)度不是簡單靜態(tài)的短期協(xié)調(diào)關(guān)系,而是復(fù)雜動態(tài)的長期協(xié)調(diào)變化過程。作為人口大省、農(nóng)業(yè)大省和工業(yè)大省典型代表山東省的省會城市,濟南市開展經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的工作對廣大人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達且人地矛盾突出的東部與中部城市都有著較強的借鑒和參考價值。本文中所采用指數(shù)變換法和變異系數(shù)法的新路徑、綜合運用敏感性模型和障礙度模型以及ARIMA(0,1,0)模型進行的時間序列預(yù)測等內(nèi)容是對經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性測度的有益嘗試。
本文驗證并支持徐夢辰[12]的主要結(jié)論,即濟南市在2011-2014 年間的經(jīng)濟水平總體上升、(生態(tài))環(huán)境水平總體下降且協(xié)調(diào)度波動變化。但本文中的研究時段更長(2010-2020 年)且包含對未來時段(2021-2024)的預(yù)測,此外,本文還運用敏感性模型和障礙度模型對協(xié)調(diào)度模型進行補充,因此本文的分析更加全面和深入。但本研究仍存在不足之處:一是僅采用濟南市共11年(2010-2020年)14項指標的面板數(shù)據(jù)進行定量分析,二是僅就經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境二維協(xié)調(diào)度進行討論,對于更廣區(qū)域、更長時段和更多指標以及多維系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的研究則有待后續(xù)研究補充。
經(jīng)由指數(shù)變換法、變異系數(shù)法、協(xié)調(diào)度模型、敏感性模型、障礙度模型和ARIMA 預(yù)測對2010-2020年濟南市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境進行協(xié)調(diào)度(含2021-2024 年預(yù)測)、敏感性及障礙度的定量分析,得出以下結(jié)論:①協(xié)調(diào)度模型的結(jié)果表明,經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境及其協(xié)調(diào)度的變化趨勢不完全一致。具體而言:經(jīng)濟發(fā)展呈現(xiàn)出“波動增長”變化趨勢,生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出“波動下降”變化趨勢,協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)出“整體上升”變化趨勢。②敏感性模型的結(jié)果表明,濟南市協(xié)調(diào)度敏感性總體上不高,尤其是經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境評價值的敏感性都較低,但上述三者的趨勢不完全一致。③經(jīng)濟發(fā)展中主要障礙因子為經(jīng)濟密度(ED2)、工業(yè)用電量(ED3)和人均GDP(ED1),生態(tài)環(huán)境中的主要障礙因子是污水排放量(EE7)、煙/粉塵排放量(EE6)和濕地面積(EE2),且障礙因子呈現(xiàn)出較強的階段性變化趨勢。④在未來時段濟南市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度將平穩(wěn)上升。
從近年濟南市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)關(guān)系演化的總體趨勢來看,濟南市正在改變“以犧牲生態(tài)環(huán)境來換取經(jīng)濟增長”的發(fā)展思想,對經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展更加注重。即使?jié)鲜性贓D-EE 協(xié)調(diào)發(fā)展方面取得一定的成效,但是二者所存在的矛盾依舊是不能忽視,生態(tài)環(huán)境保護工作仍然繁重。在“十四五”建設(shè)期間,濟南市依然要高度重視環(huán)境保護工作,同時要加大資金投入,尤其是加快實施創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略、培養(yǎng)新興產(chǎn)業(yè),找到一條合適的發(fā)展之路,使協(xié)調(diào)發(fā)展之路成為自己獨特的優(yōu)勢,在協(xié)調(diào)發(fā)展這條道路上要做到堅持如初、不斷鞏固協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果,最終讓綠水青山真正變成真正的金山銀山。