環境與經濟社會復合系統協同進化研究
——以合肥市為例

王乃舉， 黃 翔

(1.合肥學院 旅游系， 合肥 230601； 2.華中師范大學 城市與環境科學學院， 武漢 430079)

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環境與經濟社會復合系統協同進化研究
——以合肥市為例

王乃舉1*， 黃 翔2

(1.合肥學院 旅游系， 合肥 230601； 2.華中師范大學 城市與環境科學學院， 武漢 430079)

運用變異系數理論構建模型，動態評價合肥市環境與經濟社會復合系統耦合發展度，并進一步運用協同進化理論診斷研究時段合肥市環境與經濟社會復合系統內部子系統交互作用機制及演變趨向.結果表明：(1)2001年～2012年合肥市環境與經濟社會復合系統各子系統序參量均呈增長趨勢，但差異明顯；耦合發展度總體水平低，環境子系統是復合系統耦合發展水平主要約束子系統.(2)子系統內部交互作用機制差異明顯，環境—經濟、經濟—社會及環境—社會子系統之間的關系是雙向掠奪型、單向輸給型和相向互利型；經濟、社會系統進化速度迅速，成為掠奪環境子系統有序演化的主要原因.

耦合模型； 協同理論； 復合系統； 合肥市

環境與經濟社會復合系統協同進化研究是一個十分重要的問題，安徽合肥市發展過程中如何實現環境與經濟社會復合系統的協同進化是一個值得研究的問題.

1研究背景與指標體系構建

1.1研究背景

城市是人地作用最為強烈的地球表層系統，由環境、經濟和社會3大子系統交互耦合、協同進化而構成的復雜的、非線性的巨系統.從研究對象上看，目前較多學者重點研究了城市2類子系統(如城市化與生態環境系統、環境與經濟系統)之間的關系[1-5]，但對包含環境、經濟和社會3類子系統的復雜多系統關系研究還不夠深入.從研究方法上看，多數學者通過構建協調、耦合模型研究系統的動態演化規律[6-8]，也有學者構建協同進化模型，集成子系統交互作用關系[9-12]，前者僅從一方面反映系統協調、耦合發展程度，對系統內部作用機制、協調耦合機制研究不夠深入，而后者僅從一方面刻畫系統的協同進化程度，忽略對系統協調、耦合程度動態變化的研究.為解決這一不足，本研究以合肥為例，采用變異系數法構建多系統耦合發展度模型，測度復雜系統動態演進的特征；運用協同理論集成子系統交互作用規律，并推測其未來發展趨向，為相關城市制定針對性政策提供決策參考.

合肥市是安徽政治、經濟、文化、信息、交通和金融中心，省域區位優勢明顯.合肥市經濟總量不斷增加，2012年GDP達4 164億元，其中工業增加值占GDP的比重為43.6%.合肥市城市空間和人口密度不斷擴大，2012年城市建設面積350km2，人口城鎮化率為66.4%，人口密度5 335人/km2，位居全省地級市之首.合肥市城市發展對土地資源、水資源、能源資源構成了巨大的壓力，社會經濟活動密度的增加擠占了自然生態系統的空間，進而消弱了其生態服務功能，物質消耗及城市居民生活廢棄物產生量造成的壓力也日益凸顯.因而進行合肥市環境與經濟社會復合系統協同進化研究是非常必要的.

1.2指標體系構建

本研究指標體系分為總目標層、次目標層和指標層，次目標層即環境、經濟和社會系統.指標選取遵循可獲得性、可比較性和代表性原則.環境系統設置工業廢氣排放強度、工業廢水排放強度、工業固廢排放強度、環境噪聲等效聲級、建成區面積、道路面積、供水總量、規模以上工業能源消耗、建成區綠化覆蓋率、人均綠地面積等10項指標，經濟系統選擇人均GDP、人均工業增加值、人均三產增加值、財政收入、第三產業比重、高新技術產值、實際利用外資、進出口總額、全社會固定資產投資、社會消費品零售總額等10項指標，社會系統選擇人均藏書量、人均教育文化娛樂消費、每萬人高校學生數、城鎮居民人均住房面積、城鎮居民人均可支配收入、城鎮居民家庭恩格爾系數、城鎮居民最低生活保障人數比例、城鎮登記失業率、市區每萬人擁有公交車輛數、人均衛生機構床位數、每萬人移動用戶數等11項指標.

2研究方法與模型選擇

2.1耦合發展度模型

設有時間序列Xit(i∈1～3，i=1表示環境系統，i=2表示經濟系統，i=3表示社會系統；T表示研究時段年份)表示環境、經濟和社會3大子系統序參量，則3組序參量變異系數CVit(i=1，2，3;t=T)為：

(1)

(2)

(3)

式中，l表示協調系數，本研究l取值為3[14].

結合已有相關文獻研究結論[15-16]，將耦合發展度劃分為極低、較低、中等、較高和極高5個等級Gi(i∈1～5)，其對應區間分別是[0.0，0.2]、(0.2，0.4]、(0.4，0.6]、(0.6，0.8]和 (0.8，1.0].

2.2協同進化模型

在城市這一復雜系統中，環境、經濟和社會3類系統之間存在交互耦合發展的關系，即1個系統的變化，必然會引發另外2個系統行為的變化.環境是城市經濟社會發展的物質前提和空間條件，經濟活動是聯系自然環境與人類社會的紐帶和橋梁，而社會是這一復雜系統的最高層，既是經濟活動的成果，又反作用于環境系統.一方面，城市居民經濟活動創造了大量的物質財富，并依托物質財富進行高級創造，精神產品便應運而生，從而推動了人類社會的進步.另一方面，城市環境系統可供給能力和可承載能力是有閾限的，城市人類對物質、能源、信息消耗和依賴，引發資源供給緊張，生態壓力凸顯，環境問題隨之產生.根據耗散結構理論，當城市復雜系統遭受破壞后，便在原有系統基礎之外重建新的動態平衡系統.因此，3類子系統之間是協同進化，共生共滅的關系，并且各子系統發展均符合logistic growth模型，演化方程表示如下[11]：

α1X1t(1-X1t-β12X2t-β13X3t)，

α2X2t(1-X2t-β21X1t-β23X3t)，

α3X3t(1-X3t-β31X1t-β32X2t).

(4)

(5)

再令

則(5)式轉化為：

(6)

然后對(6)式αi(i∈1～3)和φi(i∈1～3)βij(i∈1～3;j∈1～3)、ωi(i∈1～3)進行參數估計，最后還原求出βij(i∈1～3;j∈1～3).

(5)式中，α1、α2和α3分別代表3類子系統的增殖系數，含義是環境、經濟、社會各子系統在復雜系統中的發展增殖程度.Z1表示經濟系統、社會系統對環境系統競爭作用，作用效果以參數β12、β13表示，即經濟和社會活動都會影響環境系統的有序化水平；Z2表示環境系統和社會系統對經濟系統競爭作用，作用效果以參數β21、β21表示，即環境變化和社會變動都會影響經濟系統的有序化水平；Z3表示環境系統和經濟系統對社會系統競爭影響，作用效果以參數β31、β32表示，即環境變化和經濟發展都會影響社會系統的有序化水平.

βij與βji大小反應了i子系統與j子系統之間交互作用的關系，當βij>0時，反映了j子系統與i子系統之間的競爭關系，即j子系統的進化爭奪了i子系統的發展資源和發展機會，阻礙了i子系統的發展.當βij<0時，反映了j子系統與i子系統之間的合作關系，即j子系統的進化為i子系統發展提供了發展資源和發展機會，有利于i子系統的發展.

再設Y10、Y20、Y30為O5平衡點坐標，判斷其是否穩定的依據是：p<0，q<0， r<0時穩定；p>0時不穩定.其中，

O1(0，0，0)不是系統發展的穩定點，O2(1，0，0)，O3(0，1，0)，O4(0，0，1)分別為環境、經濟和社會系統達到極值狀態，同時其他2大子系統消亡狀態，表明子系統之間的部分競爭替代關系.如經濟社會盲目發展，無限制掠奪環境資源和占據環境空間，結果導致環境系統逐漸衰退消亡.平衡點5表明個系統均有發展變化，環境、經濟和社會系統發展變化相互牽制，經濟社會系統發展需要資源環境支撐，人類在經濟社會發展過程中認識到環境系統的重要性，加大環境投入，重視環境保護，3類系統之間交互協同進化發展，即系統之間部分競爭共生關系.

3結果及其分析

數據來源于中國城市統計年鑒(2001年～2012年)、安徽統計年鑒(2001年～2012年)、合肥統計年鑒(2002年～2012年)、合肥市國民經濟和社會發展統計公報(2001年～2012年)合肥環境質量狀況公報(2002～2012).原始數據中經濟類指標采用平減指數法消除物價變動因素的影響.

運用公式(1)～(3)計算得出合肥市2001年～2012年歷年序參量、耦合度及耦合發展度(表1、表2).

表1 合肥市2001年～2012年子系統序參量Tab.1 The order parameters of the subsystems in Hefei City from 2001 to 2012

表2 合肥市2001年～2012年子系統耦合發展度Tab.2 The coupling development degrees ofthe subsystem in Hefei from 2001 to 2012

從表1可以判斷，2001年～2012年合肥市環境、經濟和社會系統序參量均呈增加趨勢，經濟序參量由0.025 5增加至0.882 5，年均增加7.79%，增速最快，社會序參量由0.110 2增加至0.908 1，年均增加7.25%.增速次之，環境序參量由0.386 1增加到0.622 3，年均增加2.15%，增速最慢.以2006年為分界點，環境、經濟和社會系統序參量增加情況差異明顯，2006年之前，3類子系統序參量增加速率0.75%、6.56%和3.18%，2006年后分別為3.31%、8.82%和10.65%.

從表2可以判斷，2001年～2012年合肥市復雜系統耦合發展度由0.030 6增加到0.745 2，年均增加6.50%.耦合發展度最高值為2012年0.745 2，沒有達到0.8的水平，2010年以前一直在中等等級及以下水平，2010年之后再越過中等等級所以合肥市城市復雜系統耦合發展度總體水平較低.結合3類子系統序參量時間序列分析可知，經濟和社會序參量起點較低，增長變化速度較快，但是環境序參量一直低位徘徊，11年增長總量只有20%多一點，由此導致3類系統均值(即發展度)較低，同時3類系統序參量數列差異明顯，變異系數較大，所以耦合度及耦合發展度不高，最終耦合發展度等級較低.

以上情況表明2001年～2012年，合肥市3類系統均在趨好發展，即環境條件改善、經濟發展和社會進步.2005年合肥市確立了生態立市和工業立市發展思路，環境狀況改善、經濟高速發展和社會發展水平不斷提高.耦合發展度水平不斷提高，是基于環境、經濟和社會發展水平提高的基礎上的，即環境優化、經濟發展和社會和諧，所以城市復雜系統耦合發展度不斷提升.

運用公式(4)～(6)計算得出合肥市2001年～2012年各子系統增殖系數和競爭參數(表3).

表3 合肥市2001年～2012年環境與經 濟社會復合系統協同進化增殖系數與競爭參數Tab.3 The coevolution multiplication factors andcompetition parameters of the environmental andsocio-economic complex systems in Hefei from 2001 to 2012

O1(0，0，0)，O2(1，0，0)，O3(0，1，0)，O4(0，0，1)均不是合肥市復合系統發展穩定平衡點.運用上述平衡點5的求解和平衡判斷方法，求得O5(0.671，0.464，3.065)，且達到此平衡點時p<0，q<0， r<0.合肥市環境、經濟和社會系統協同進化將朝著這一穩定點靠近.因為競爭和合作是合肥市3大子系統協同進化作用的機制，結合環境、經濟和社會系統增殖系數及相互作用競爭參數，合肥市應該適當控制經濟發展速度，提供經濟增長的質量，以此降低對環境的壓力；同時重視教育、發展科技、培育創新體制，將城市居民轉化為經濟增長和環境保護的社會動力.

4結論

2001年～2012年，因環境子系統序參量低水平慢速增長，導致合肥市環境與經濟社會復合系統耦合發展度總體水平不高；因子系統對環境資源消耗及對經濟社會貢獻存在差異，導致環境與經濟、環境與社會以及經濟與社會3類系統分別表征為競爭掠奪型、相向互利型和單向輸給型關系.

為預測合肥市復合系統耦合發展度和協同進化水平，需動態考量3大子系統序參量發展水平和變動趨勢，3類系統交互關系的動態發展變化，以及復合系統穩定點靠近的程度，以此為相關部門制定政策提供決策參考.

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A study on the co-evolution of the environmental and socio-economic complex system——a case of Hefei City

WANG Naiju1, HUANG Xiang2

(1.Tourism Department of Hefei University, Hefei 230601;2.School of Urban and Environmental Science, Huazhong Normal University, Wuhan 430079)

This paper evaluates dynamically the coupling development degrees of the environmental and socio-economic complex system (ESECS) of Hefei City by using the theory of coefficient of variation to build models， and diagnoses the interaction mechanisms and evolution trends of the internal subsystems during the study period in Hefei City by using co-evolution theory. The results show that: 1) the order parameters of all subsystems of the ESECS in Hefei City have increased from 2001 to 2012， but there are significant differences cross different subsystems; 2) the overall degree of coupling development is low with the environmental subsystem being the main constraint subsystem; 3) the interaction mechanism of different subsystems are significantly different from each other， with the relationships between environmental and economic subsystems， between economic and social subsystems， between environmental and social subsystems are respectively contrary predatory， unidirectional supply and mutually beneficial; 4) the economic and social subsystems have evolved at a higher rate and become the main factor impeding the orderly evolution of the environmental subsystems．

coupling model; coordination theory; complex systems; Hefei City

2014-03-18.

安徽省教育廳人文社科重點研究項目(2011SK598ZD);安徽省教育廳人文社科一般研究項目(SK2013B026).

1000-1190(2014)04-0581-06

X37; F120.3

A

*E-mail: wang200541607@126.com.