黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟與環境協調發展研究
——基于主成分與耦合協調度模型

蘇宏枝,吳宗杰,董會忠(山東理工大學 經濟學院，山東 淄博 255012)

生態環境是人類生存的基礎，是人類社會經濟發展的物質保障，隨著工業化的逐步深化，生態環境承受社會經濟發展、資源大量消耗以及人口快速集聚的多重壓力，區域生態環境形勢的嚴峻性已經成為社會經濟快速發展的制約因素。研究區域人口、經濟與環境協調發展特征及其演化規律，有利于實現區域社會經濟協調發展。多數學者從以下幾個方面對人口、經濟與環境協調發展進行研究：侯增周通過構建耦合協調模型對東營市經濟和環境協調發展進行評估，表明石油工業污染是導致該區域經濟和環境發展失調的主要原因[1]。司光南運用系統分析和主成分方法對人口經濟協調發展進行探討，研究表明人口與經濟內部的子系統之間相互作用[2]；郭文炯等通過分析陜西省不同區域人口經濟分布的相關關系與演化規律，研究表明人口集中度低于經濟集中度，二者發展不均衡[3]；人口與經濟存在相互關系[4]。吳文恒等基于主成分方法與耦合模型研究了中國1985-2004年的人口與資源環境耦合演進情況[5]，孫峰華等通過構建計量模型，揭示了我國人口發展對環境發展造成的影響，人口增加對環境惡化有促進作用[6]，需要實現人口環境協調發展。綜上，實現區域社會經濟協調發展涉及眾多影響因素[7-12]，而人口、經濟與環境共同協調發展是推進社會全面發展的關鍵所在。

當前學者基于不同的視角對人口-經濟-環境進行了研究，并且取得了一定成果，但仍有一些不足。從研究區域來看，多數學者以全國，省份和地市作為研究對象，鮮有文章以高效生態經濟區作為研究對象；從研究方法來看，多數研究運用層次分析法對指標權重進行測算，層次分析法主觀性較強導致研究結果缺乏合理性，主成份分析能夠有效解決這一問題。基于此，本文以黃河三角洲高效生態經濟區為例，構建區域人口、經濟和環境的協調發展指標體系，通過將主成分與耦合協調模型(在耦合模型的基礎上進一步深化耦合協調模型)有效結合，對該區域人口、環境和經濟協調發展進行測度與分析。

1 研究方法

1.1 主成分分析

主成分分析方法(principal component analysis)實際上是一種通過降維技術把多個指標化為少數幾個綜合指標的方法.通常它把一組具有一定相關性的變量進行線性變換，轉換成另一組不相關的變量，并將得到的變量按照方差大小的順序排列.在解決實際問題過程中，當系統分析問題時會涉及眾多影響因素(也稱作指標)，指標太多會增加計算量和分析問題的復雜性.此外，指標之間的相關性會導致統計數據反映的信息的重疊，造成結果偏差.因此，我們希望用較少的綜合指標來反映原來指標的信息.

1.1.1 構建評價矩陣

假設有評價樣本數為n，每個待評價樣本指標數為p，構成的n×p階矩陣表示為

(1)

其中，第i個列向量Xi=(x1i,x2i,…,xni)(i=1,2,…，p)，則數據矩陣X的p個指標向量X1,X2,…,Xp作線性組合表示為

i=1,2,…,p

(2)

1)Fi，Fj(i≠j，i=1,2,…,p)不相關，即Cov(Fi,Fj)=0.

2) 第1個主成分F1是X1,X2,…,Xp的一切線性組合中方差最大的；第2個主成分F2是與F1不相關的X1,X2,…,Xp的一切線性組合中方差最大的，以此類推可以求出p個主成分.這p個主成分對原始指標信息量的反映程度依次遞減，每一個主成分所提取的信息量用方差來度量，且主成分方差的貢獻就等于原指標相關矩陣相應的特征值λi，每一個組合系數ai就是特征值λi的特征向量.

1.1.2 構建權重函數

根據上述條件可知，權重的確定過程其實就是主成分分析求綜合評價函數的過程.由上述計算可以獲得方差貢獻率、指標的載荷系數，相應的特征值等.

(3)

ej表示Fi方差貢獻率，用于描述每個主成分的方差占總方差的比重，是各個主成分對原始指標綜合信息反映能力強弱的量化，通常ej越大表明主成分反映綜合信息越強.

(i,k,j=1,2，…,p)

(4)

式(4)中Ej表示累積貢獻率，是各個主成分反差貢獻率的累加.通常選取累積貢獻率達到80%以上，即特征值λk>1(k=1,2…p)的主成分.

(5)

(6)

μ=1/(|y1|+|y2|+…+|yp|)

(7)

wj=yj×μ

(8)

式中：aij表示主成分現行組合系數；fij為每個指標的載荷系數；yj表示原始指標的綜合得分，通過對每個原始指標在主成分線性組合中的系數進行加權平均并除以累計方差貢獻率得到，用來表述每個原始指標的重要程度；μ是進行歸一化處理的系數，用于保證所有指標的權重之和等于1；wj為所有原始指標的權重.

1.2 構建耦合協調模型

“耦合”源自物理概念，用于描述兩個及兩個以上的系統(包括運動形式等)之間彼此影響的現象.耦合度模型就是對系統相互作用大小的量化模型，概括地說是兩個及以上實體依賴于某一方程度的測度.基于此，本文構建耦合衡量黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟和環境之間彼此影響、和諧一致的程度.

1.2.1 數據處理

鑒于原始數據的單位、數量級等方面的不同，為了避免這些差異對結果造成偏差，本文對需要原始數據進行標準化處理.對數據進行正規化處理后，原始數據的范圍標準到0～1之間.其中，正向指標的數據越大越好，逆向指標則相反.針對不同，指標處理不同具體參照如下公式

(9)

1.2.2 耦合函數模型

已有學者將耦合模型運用于經濟和環境關系研究，耦合度模型[13]如下

(10)

(11)

式中，Ui(i=1,2,3,…,n)表示各個子系統綜合發展指數.為了深層次的描述區域人口、經濟和環境系統的耦合表達式，在n=3的情況下令u1=f(x)，表示人口綜合發展指數；令u2=g(y)，表示經濟綜合發展指數；令u3=h(z)表示環境綜合發展指數，根據f(x)、g(y)、h(z)偏離越小越好的耦合函數原理，推出公式Ci越小越好[11]：

(12)

對式(12)進行一階求導得到式(13)，其中S為標準差.

(13)

為了使人口、經濟和環境耦合模型更具有層次性，參照式(13)，區域人口、經濟和環境系統的耦合度公式[13]如下

k≥3

(14)

式中，k表示調節系數，本文涉及三個子系統，故取k=3；c表示區域人口、經濟和環境系統耦合度(0≤C≤1).當C取得最大值1，表明區域人口、經濟和環境系統系統共振耦合性最優；當C取得最小值0時，表明區域人口、經濟和環境系統共振耦合性最弱.

1.3 構建協調函數模型

協調是對系統內部各要素相互和諧一致的量化.因此，通過構建協調度模型評判區域系統人口、經濟以及環境交互耦合的協調強度.其計算公式為

T=αf(x)+βg(y)+χh(z)

(15)

(16)

式中:T表示黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟和環境系統的綜合發展指數值；α、β、χ是協調模型的待定權數，α、β與χ的和為1.公式(16)中：C表示耦合度；D表示耦合協調度.

1.4 區域人口-經濟-環境耦合關系分類

為了解釋區域人口、經濟和環境的耦合協調程度，根據耦合協調度的取值范圍，參照前人的研究，將其劃分為三大類，六個亞類，具體分類參照區域人口、經濟和環境系統的耦合協調度等級劃分(見表1)[14].

表1 區域人口、經濟和環境系統的協調度等級分類
Tab.1 The coupling coordination degrees between of population, economy and environment

0≤D<0．50．5≤D<0．70．7≤D≤1失調衰退區間過渡區間協調發展區間[0 0．4)[0．4 0．5)[0．5 0．6)[0．6 0．7)[0．7 0．8)[0．8 1]嚴重失調瀕臨失調輕度失調勉強協調協調發展優良協調

2 實證研究

2.1 研究區概況與數據來源

2.1.1 研究區概況

黃河三角洲高效生態經濟區地處黃河入海口，西起德州，東連膠東半島，南達省會經濟圈，北部與京津冀經濟帶相望，包括濱州、東營市全部區域以及煙臺、濰坊、淄博、煙臺等區域的部分區縣，共涉及十九個縣(市、區)，總面積2.65×104km2(見圖1).該區域地理位置優勢突出，土地資源廣闊，自然資源豐富，具有較高的發展優勢和開發潛力，有望成為是山東省經濟健康持續發展的源動力；區域農業人口基數較大，基礎設施建設相對滯后，工業與服務起步較晚，區域經濟現狀短時間改善任務艱巨；區域生態環境相對脆弱，鹽堿地居多導致該區域農業發展相對單一而且滯后.因此，客觀測度黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟和環境耦合協調度，探索三者互動發展的特征和規律，為實現黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟、環境的持續發展提供政策建議.

圖1 黃河三角洲高效生態經濟區行政區劃Fig.1 Administrative divisions of the Yellow River Delta Efficient Ecological Economic Zone

2.1.2 數據處理

原始數據主要源自2010-2016年《山東省統計年鑒》、《山東省環境狀況公報》、《中國統計年鑒》、《中國環境年鑒》、《山東省水資源公報》，以及東營、濱州等市(2010-2016年)統計年鑒和年度發展報告等，一些缺失數據本文采用灰色預測獲得.

2.2 耦合協調模型評價指標體系與權重測算

借鑒國內外區域人口、經濟和環境耦合協調發展的相關研究成果，結合黃河三角洲高效生態經濟區評價指標數據，從區域人口綜合、經濟綜合和環境綜合3方面構建了由25個單一指標組成的區域耦合協調發展指標體系.其中人口綜合劃分人口基本現狀、人口素質水平和人口發展趨勢三個準則層；經濟綜合劃分為經濟發展狀況、經濟發展差異和經濟發展活力三個準則層；環境綜合劃分為生態環境狀況、生態安全脅迫和生態風險免疫三個準則層.耦合協調指標分為正向指標與負向指標兩類(由正負號表示).

通過SPSS 20.0軟件對黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟和環境的原始數據進行主成分模型處理，獲得原始指標的主成分載荷矩陣、累計方差貢獻率等數據，根據公式(3)～(8)的計算流程求出黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟和環境指標層權重(見表2)

表2 黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟和環境協調發展指標體系
Tab.2 The index system of coordinated development population, economy and environment in the efficient ecological economic zone of the Yellow River Delta

目標層準則層指標層指標權重指標正負性人口綜合人口基本現狀人口素質水平人口發展趨勢人口密度0．1724-性別結構0．1713-教育投入強度0．1474+科技投入強度0．1702+城市化率0．1686+第三產業就業率0．1701+經濟綜合經濟發展狀況經濟發展差異經濟發展活力人均GDP0．1569+人均社會商品零售額0．1559+人均財政收入0．1574+城鄉人均收入差額0．1469-城鄉人均消費差額0．1195-恩格爾系數0．0418-第三產業貢獻率0．1538+GDP增長率0．0678+環境綜合生態環境狀況生態安全脅迫生態風險免疫人均耕地面積0．1006+人均林地面積0．0978+人均水資源量0．0931+森林覆蓋率0．1008+人均污水排放量0．0992-人均用水量0．1036-人均耗能量0．0961-人均工業廢氣排放量0．0967-環保投入強度0．0852+工業固廢利用率0．0292+三角洲廢水達標率0．0976+

2.3 黃河三角洲高效生態區協調發展分析

基于表2，參照式(10)～式(16)分別計算得出黃河三角洲高效生態經濟區人口綜合發展指數、經濟綜合發展指數、環境綜合發展指數、黃河三角洲高效生態經濟區系統耦合度、三者的綜合發展指數和協調度見表3.

由表3可以看出，人口綜合發展水平從2009年的0.4268提升到2015年的0.6703，年均增長9.5%，表明黃河三角洲高效生態經濟區人口早期發展水平相對較低，但整體發展水平提高明顯.經濟綜合發展水平從2009年的0.3072提升到2015年的0.6584，年均增長率19.1%，表明區域綜合水平早期相對較低，但是以相對較高的發展速度提高環境綜合發展水平，從2009年的0.4641提升到2015年的0.5835，年均增長4.2%，表明區域環境綜合發展水平相對平穩。從平均值來看，環境綜合水平最高，經濟綜合水平最低；從發展水平變化角度分析，經濟綜合水平提升最快，環境綜合水平提高較慢，原因在于黃河三角洲高效生態經濟區地處山東半島北面，區域工業經濟發展相對較慢，由于多數地區為鹽堿地農業現代化發展水平相對較低，環境綜合水平較高。自2009年黃河三角洲高效生態區被提出以后，區域經濟發展在多方面的影響下，有顯著提高，與此同時經濟發展影響著區域耗能量、污水排放量和廢物的排放量，導致環境綜合發展水平提高較慢；隨著經濟發展水平的提高，城鎮化率穩步提升，區域教育、科技投入強度逐年增加，人口綜合水平進一步提升.

表3 黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟和環境耦合度與協調度值
Tab.3 Coupling and coordination degrees between of population, economy and environment in the efficient ecological economic zone of the Yellow River Delta

時間人口綜合經濟綜合環境綜合T值D值協調等級20090．42680．30720．46410．39940．6187勉強協調20100．46980．42320．5500．48120．6875勉強協調20110．52770．51480．51880．52040．7213協調發展20120．51330．55040．55630．54000．7342協調發展20130．5370．56660．57750．56050．7482協調發展20140．6360．61250．58870．61250．7820協調發展20150．67030．65840．58370．63750．7962協調發展平均值0．54030．51900．54850．53590．7269協調發展

黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟和環境耦合度整體水平較高,表明區域子系統彼此之間存在較大的相互作用，整個系統發展具較高的有序性耦合協調度整體顯現逐步提高態勢，表明黃河三角洲人口、經濟和環境系統逐步實現良性發展.2009-2015年黃河三角洲整個系統耦合協調度由勉強協調逐步發展到協調發展，黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟和環境耦合協調度提高顯著，表明經濟綜合水平的提高對于人口素質、城鎮化、生態風險免疫等有較高的推動作用；經濟增長加大了區域耗能量、污水的排放量和廢物的排放量，對于區域環境綜合發展水平存在抑制作用從整個協調發展度考慮，經濟增長對于整個系統起到較高的正向推動作用。

3 結束語

基于2009-2015年人口-經濟-環境系統協調發展評價指標體系，通過主成分與耦合協調模型結合，對黃河三角洲高效生態區人口-經濟-環境協調發展進行實證分析。研究表明：黃河三角洲人口-經濟-環境耦合協調度整體水平較高且呈持續上升的趨勢，耦合協調類型從勉強協調轉化到協調發展，但整體上仍未實現較高的優良協調發展。表明黃河三角洲高效生態經濟區人口、經濟和環境系統逐步實現良性發展。因此，實現黃河三角洲人口、經濟和環境快速良性發展，需要充分發揮經濟發展對人口整體發展水平的帶動作用，加大環境保護力度，著力調整產業結構，發展低排放、高產出的資源集約型經濟。

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