長江中游城市水資源耦合協調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展必不可少的自然資源，其合理的協調利用是實現可持續發展的必要保障。運用擴展的耦合協調度與障礙度模型，分別對湖北省12個地級市2008—2017年水資源-經濟社會-生態環境-智慧科技系統耦合協調關系展開時空格局動態研究及障礙診斷。結果顯示，耦合協調度在評價期整體呈顯著上升-下降-上升趨勢，目前平均協調度為0.635 5，處于中度協調水平。在空間分布上，呈3種演變狀態，東南地區協調度最高，西部地區穩步上升，中北部地區協調度波動較大。系統障礙度大小排序為水資源>智慧科技>生態環境>經濟社會，東南及西南地區為智慧科技滯后型，西北地區為水資源滯后型。

關鍵詞：水資源;經濟社會;生態環境;智慧科技;耦合協調度;障礙度

中圖分類號：F127;TV213.4?文獻標識碼：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

隨著人口增長及經濟社會快速發展，全球面臨著資源短缺、生態環境破壞、污染嚴重等問題。在此背景下，中國提出人與自然和諧共生的發展理念，大力踐行資源節約與環境保護政策。水作為人類生存必不可少的資源，在推動經濟社會發展中發揮著極其重要的作用，然而過度開發使得水污染問題日益嚴峻。如何協調資源、經濟社會、生態環境等之間的良性發展，維系一個穩定可持續的生存環境是當前研究的熱點。

學者們針對水資源及相關系統之間耦合協調性進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]、經濟[1-5]、生態[4，6]、能源[7，8]、人口[3]、城鎮化[9]、鄉村發展[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]展開實證研究，而較少涉及水資源與智慧科技領域之間的關系研究，由于智慧科技是解決水資源問題的推動器，可通過科學技術優化水資源配置，提高節水率與利用率，實現海水淡化等[14]，推動整個系統協調發展。然而，面對高質量發展階段，智慧科技是第一短板，因此在研究水資源相關耦合協調關系的同時，迫切需要研究智慧科技的發展水平以及與水資源發展的協調性。在研究區域上，絕大多數學者以省域[2，9]、市域[1，6]或某一流域[3，4，7，10]為空間尺度，研究協調性的空間差異特征，考慮到長江經濟帶作為中國“黃金水道”，具有重要的生態地位，而湖北省位于長江中游，是南水北調的關鍵省份，其水資源的協調發展與開發利用直接關系到可持續發展目標的實現，因而選取湖北省作為研究對象。在時間跨度上，學者大多以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，綜合各系統的發展情況及時間跨度的可比性，本研究引入10年的數據來研究協調性的時序特征。在賦權方法上，文獻中以熵值法[4，7，10，11，13]為主，兼有AHP[2，9]、AHP-熵值法組合賦權[12]、變異系數法[3，6]等，因熵值法賦權精度高、客觀性強，遂采用熵值法進行指標賦權。

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，通過構建水資源-經濟社會-生態環境-智慧科技評價指標體系，利用熵值法確定指標權重，并運用耦合協調度模型探索4個系統間的耦合協調關系，同時，為識別制約協調發展的指標，引入障礙度模型進行障礙因子診斷，旨在為湖北省各城市可持續協調發展提供政策建議與實證依據。

1?模型與方法

1.1?研究區概況

湖北省位于長江中下游，因境內湖泊眾多、水系發達，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重，導致2017年水資源總量為?1 248.8億m3，僅占降水總量的51.3%。如何充分發揮湖北省水資源自然優勢，合理地開發利用水資源，成為了當前亟待解決的問題。

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，考慮到研究的深入性與數據的可獲取性，選取其中具有代表性的12個地級市作為研究對象。

1.2?方法模型及數據來源

1.2.1?指標權重確定?選取熵值法對指標進行賦權，考慮到熵值法在特殊情況中的局限性，即[bij]=0，式（4）無意義，本研究參照寧寶權等[15]優化的改進熵權法進行賦權。為了實現面板數據中不同年份不同城市之間的比較，借鑒楊麗等[16]的思想，以時間與地區變量相組合的形式對指標實現統一賦權，具體過程如下：

式中，T為復合系統的綜合協調指數，反映整體間協同效應;系數[a、b、c、d]為待定權重，且a+b+c+d=1。針對4個系統間的耦合協調關系，參考相關的文獻[3，4，8，13]，結合當前的形勢與政策，即國家倡導“生態優先，綠色發展”的發展理念，本研究認為相比于經濟社會和智慧科技系統，水資源與生態環境系統顯得更為重要，故取a=c=0.3，b=d=0.2;D為復合系統的耦合協調度，D∈[0，1]，通過綜合已有的協調度等級劃分標準，結合本研究的實際情況，將協調度的劃分標準確定如下（表1）。

1.2.4?障礙度模型?為了進一步明確4個系統間耦合協調發展的優化方向，運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?數據來源?選取湖北省12個地級市作為研究對象，研究時段為2008—2017年，數據主要來源于《中國城市統計年鑒（2009—2018）》《湖北統計年鑒（2009—2018）》《湖北省水資源公報（2008—2017）》《湖北省環境狀況公報（2008—2017）》、各城市統計年鑒，如《武漢統計年鑒（2009—2018）》《黃石統計年鑒（2009—2018）》等。

2?指標體系構建

2.1?構建依據

在參照國內外學者關于水資源、經濟社會、生態環境、智慧科技水平評價以及相互耦合協調研究基礎上，構建了4個系統間關系框架圖（圖1）。基于關系框架，在前人研究的基礎上，依據指標選取的科學性、全面性、易獲性等原則，組建了4個系統間耦合協調評價指標體系（表2）。

2.2?結果與分析

2.2.1?時序特征分析?根據湖北省及其12個地級市2008—2017年數據，利用式（1）至式（6）及a、b、c、d賦值情況，得出綜合指標權重（表2），利用式（8）至式（10），得表3及圖2。由圖2可見，湖北省4個系統間耦合協調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，耦合度與協調度整體呈上升趨勢，耦合度漲勢明顯，協調度呈穩定上升趨勢;第二階段（2010—2011年），處于“十一五”與“十二五”規劃過渡階段，各個系統發展處于轉型探索期，產業結構與發展方式不斷調整，以適應不確定的新形勢與新問題，此時耦合度與協調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”規劃建設發展期，耦合度整體呈上升趨勢，并于2014年后保持在極度耦合狀態，而協調度也呈持續上升狀態，但整體尚處于較低協調水平，原因在于不同城市協調發展情況不同，地域差異大，造成整體水平不高。

為了進一步研究湖北省地域耦合協調度時空特征，基于表3中數據及歷年各系統發展水平，分析12個地級市綜合系統耦合協調度及4個系統發展水平變化趨勢，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秩相關系數法[2]，具體公式如下：

由圖3可見，2008—2017年，12個地級市4個系統的發展水平及協調度表現出不同的變化趨勢。對于協調度，12個地級市均表現為上升趨勢，其中，武漢、黃石、十堰、宜昌、鄂州和咸寧協調度上升顯著，而其他城市上升幅度不顯著;對于水資源發展水平，12個地級市均表現不顯著，其中十堰、襄陽2個城市出現了小幅度下降;對于經濟社會發展水平，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;對于生態環境發展水平，僅黃石、孝感和咸寧漲幅顯著，十堰、宜昌、襄陽和隨州出現較大幅度下降，其余城市上漲不顯著;對于智慧科技發展水平，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個系統間耦合協調度進行進一步空間差異分析，選取評價期中3個典型年份，即2008、2012和2017年，分別畫出對應的協調度空間展布圖（圖4）。從空間布局上看，湖北省協調程度最好的區域始終以武漢市及其東南周邊城市為代表，由中度協調逐漸向高度優質協調發展，其中，武漢市作為省會，其經濟實力及社會發展較為超前，高新產業結構較為完善，水資源充沛，綜合水平及耦合協調度明顯優于省內其他城市，在2016年首次達到優質協調水平。鄂西部地區（十堰、宜昌、荊州）協調度最初處于輕低水平，隨后穩定升至中度協調水平;鄂中北地區（襄陽、隨州、荊門、孝感與黃岡）協調度波動較大，期間受特大干旱影響，水資源含量大幅下降，嚴重拉低系統間的協調度，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調水平。

2.2.3?障礙度分析?為了深入分析影響四系統耦合協調發展的障礙因素，依據式（11），得出每年各地區各指標的障礙度，篩選出障礙度排名前三的指標，并制作出散點圖（圖5），橫軸依次代表29項指標，縱軸以12為間隔，分別表示每年的12個城市數據。從整體上看，影響湖北省各城市4個系統協調度的主要障礙因子相對比較集中，存在于水資源、生態環境和智慧科技系統中。具體來看，水資源系統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水模數;生態環境系統中主要障礙因子為人均綠地面積和水土協調度;智慧科技系統中主要障礙因子為每萬人口在校大學生數和萬人擁有專利授權數。

從各系統來看，指標累計障礙度排序為水資源>智慧科技>生態環境>經濟社會，障礙度平均值分別為29.67%、28.66%、21.96%、19.72%。其中，各城市分系統障礙度在空間上呈兩級分化狀態（表4），以黃岡、黃石、咸寧、鄂州為代表的鄂東南地區與以宜昌為代表的鄂西南地區為相對智慧科技滯后型，水資源豐富，但高新技術產業數及發展相對滯后;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，水資源成為阻礙協調發展的主要障礙系統。此外，武漢、荊州相對特殊，毗鄰長江，地理位置優越，但在協調發展中水資源系統相對滯后。武漢作為省會，擁有眾多高校人才和科技產業，是湖北省智慧科技的核心區域，水資源總量充沛，但受人口密度及工業耗水量大等影響，水資源成為首要障礙系統，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，但部分流域污染嚴重，出現工程性和水質性缺水，為此，荊州政府應加強入河排污監管，適時采取生態補水措施與加強水源地建設。

3?結論

在構建水資源-經濟社會-生態環境-智慧科技四系統評價指標體系的基礎上，利用耦合協調度模型，從時空維度對湖北省及其12個地級市進行耦合協調差異分析，并運用障礙度模型從指標與系統雙視角分析，診斷影響協調度的主要障礙因子，得出以下結論。

1）湖北省及其12個地級市4個系統耦合協調度在2008—2017年，除“十一五”與“十二五”規劃過渡期出現一定幅度的下降，整體呈顯著上升趨勢。目前，12個地級市平均耦合度達0.883 4，平均協調度為0.635 5，處于中度協調水平。

2）在空間分布上，依據耦合協調度，可將湖北省劃分成3種城市圈，全面反映出區域發展的集聚形式。其中，以武漢市為中心的鄂東南地區，包括鄂州、黃石及咸寧3市，耦合協調發展相對較快，協調度已達中高度協調水平;以十堰、宜昌和荊州市為代表的鄂西部地區處于穩步上升狀態，協調度由輕低度水平不斷發展至中度協調水平;以襄陽、隨州、荊門、孝感與黃岡為代表的鄂中北地區，耦合協調度受水資源影響波動較大，2010—2012年經歷干旱枯水期，四系統間協調度均出現大幅度下降，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個系統間耦合協調發展的主要障礙因子集中在7個指標上，即每平方千米地表水資源含量、人均水資源總量、產水模數、人均綠地面積、水土協調度、每萬人口在校大學生數和萬人擁有專利授權數等。在系統層面上，系統障礙度排序為水資源>智慧科技>生態環境>經濟社會，且在空間上表現為東南及西南部地區為智慧科技滯后型，水量充足，但高新技術產業發展相對緩慢;西北部地區為水資源滯后型，其高新技術產業分布較多且發展迅速，水資源成為制約協調發展的主要障礙系統。

總之，在新的發展形勢下，為推進高質量協調發展，湖北及各地級市需要不斷地揚長補短，在充分高效利用自然資源與生態環境優勢，創造更高的經濟價值，以智慧科技為驅動力，推動整個社會向前發展的同時，也需要將部分經濟收益投入到水利工程及生態環境保護中，用高科技手段調節改善水污染與生態環境破壞等各種危機，以期實現水資源-經濟社會-生態環境-智慧科技全面協調可持續發展。

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