京津冀地區水-經濟-生態耦合協調發展特征評價

王富強，應卓暉，呂素冰，趙 衡

(1.華北水利水電大學水資源學院，河南 鄭州 450046；2.河南省黃河流域水資源節約集約利用重點實驗室，河南 鄭州 450046)

水資源系統是區域內由水循環連結的各種水利工程和非工程措施構成的統一整體，經濟社會系統是以人類為主體，產生工業貿易、旅游休閑等社會活動的復雜系統，生態環境系統則是生物與環境構成動態平衡的有機單位[1]。水資源、經濟社會和生態環境之間時刻進行著物質、信息和能量的輸入、輸出和交換。隨著區域發展失衡與空間開發無序問題日趨突出，水資源、經濟社會和生態環境之間供需矛盾加劇，制約區域可持續發展[2]。2017年黨的十九大報告提出實施區域協調發展戰略[3]；2019年習近平總書記在京津冀地區考察，強調應正確認識當前區域經濟發展新形勢，在發展中促進相對平衡；2020年黨的十九屆五中全會為新時期我國區域協調發展指明了方向。京津冀地區作為我國區域協調發展核心，水資源、經濟社會和生態環境互相制約是區域可持續發展面臨的重大問題[4]，揭示其水資源-經濟社會-生態環境(下文簡稱為水-經濟-生態)耦合協調發展的特征規律，對促進該地區經濟社會高質量發展具有重要意義。

水-經濟-生態系統的研究最早聚焦于經濟社會和生態環境。二戰結束后，具有重大影響的“八大公害”事件迫使人們開始反思推動經濟發展對環境產生的影響[5]；Holling[6]認為生態和經濟的發展是復雜多變的，有必要厘清內在發展規律并構建高質量的經濟-生態系統；Mehta等[7-8]主張站在人類和諧發展的角度解決經濟與生態的危機。隨著研究的深入，部分學者嘗試加入第三方系統分析水-經濟-生態的復合關系。Yan等[9-10]通過對水-經濟-生態系統匹配度及內在機制的探討，驗證協調發展的必要性。而耦合協調度模型普遍用于研究系統間互饋關系，通過定量描述系統間要素相互配合或正向作用的耦合程度，反映各系統發展水平的相對高低，進而識別區域發展中存在的問題[11]。劉耀彬等[12]嘗試基于協同學思想構建耦合度模型，對經濟與生態的交互作用進行定性分析；王會芝等[13-15]基于現有耦合協調度模型對區域經濟、社會和生態環境的耦合協調發展進行定量評價；Choi等[16-17]對現有模型進行改進，結合河流耗竭潛力指數，基于遺傳算法的投影尋蹤模型，探究區域系統間的動態演化機制。

國內外學者關于水-經濟-生態耦合協調的研究成果逐漸豐富，但甚少在充分考慮水資源、經濟社會和生態環境多方面指標的基礎上，對三者內在耦合協調狀況進行長序列的深入探析。基于此，本文以京津冀地區為研究對象，在合理架構水資源、經濟社會和生態環境互饋關系的基礎上，構建水-經濟-生態耦合協調發展評價指標體系，運用耦合協調度模型對京津冀地區水-經濟-生態的耦合協調發展特征進行分析，并利用灰色關聯法對主要影響因素進行識別，旨在為京津冀地區制定相關政策提供參考依據。

1 水-經濟-生態耦合協調評價模型構建

1.1 評價指標體系

水-經濟-生態是覆蓋多種指標的復合系統，科學全面地構建評價指標體系是水-經濟-生態耦合協調評價的關鍵。本文依據科學性、系統性、指標的可獲得性以及區域性原則，在考慮水資源、經濟社會和生態環境三者內部機理的基礎上，結合京津冀地區實際情況，構建水-經濟-生態耦合協調評價指標體系，初步選取69個評價指標，通過下述步驟進行評價指標篩選：

a.指標數據標準化。為便于不同屬性指標之間的分析，將各指標數據標準化為[0,1]之間的數值，消除量綱不同的影響。

b.灰色關聯分析。結合研究區域實際情況，選取人均生活用水量、人均GDP和城市綠化覆蓋率作為參考序列，其余各指標序列為比較序列，運用灰色關聯分析法在各系統中選取與參考序列關聯度最高的9個指標。

c.主成分分析。由于灰色關聯分析結果與參考序列的選定有直接關系，主觀性較強，因此采用主成分分析和聚類分析，在指標互不重復的基礎上，選取涵蓋最多原始信息的指標。

通過分析，確定京津冀地區水-經濟-生態耦合協調評價指標體系，共包含24項指標，詳見圖1。

圖1 京津冀地區水-經濟-生態耦合協調評價指標體系

1.2 評價模型

水資源、經濟社會和生態環境系統間相互作用一般由耦合協調度模型進行評價，耦合協調度D表示相互作用中良性耦合程度的大小[18-19]。耦合協調度模型由綜合發展指數T和耦合度C構成，能夠綜合評價區域水資源、經濟社會和生態環境系統間的協調發展程度，而綜合評價指數Y是測算耦合協調度的基礎。本文首先運用一般公式和改進的突變模型計算京、津、冀3地水資源、經濟社會和生態環境系統的綜合評價指數，進而測算綜合發展指數和耦合度，最終得到區域耦合協調度，并進行演變特征分析。

1.2.1綜合評價指數

綜合評價指數常用一般公式[20]進行計算：

(1)

式中：Y1j、Y2j、Y3j分別為水資源、經濟社會和生態環境系統第j年的綜合評價指數；w1i、w2i、w3i分別為水資源、經濟社會和生態環境系統中指標i權重；n1、n2、n3分別為水資源、經濟社會和生態環境系統中指標個數；x1ij、x2ij、x3ij分別為水資源、經濟社會和生態環境系統指標i第j年標準化數值。

為使評價結果更真實可靠，引入Rene-Thom提出的突變理論組合計算，該理論基于指標的無量綱化處理，按指標間內在邏輯關系進行重要程度排序，通過底層指標的突變模糊隸屬度值逐級計算中間層和頂層，以避免指標權重的影響[21]。突變模型的類型由控制變量決定，當控制變量個數不超過4時，可以歸納出4種常見的突變模型，即折疊突變、尖點突變、燕尾突變和蝴蝶突變[22]。本文構建的京津冀地區水-經濟-生態評價指標體系各指標層中分別存在2～4個指標(控制變量)，因此在綜合評價指數計算中分別選用尖點突變、燕尾突變和蝴蝶突變進行突變處理。

由于突變評價法歸一化公式容易造成最終結果普遍過高且差距較小，因此運用施玉群等[23]提出的方法進行修正。結合一般公式和改進的突變模型計算結果，得到水資源、經濟社會和生態環境各系統的綜合評價指數，以分析京津冀地區各系統的發展狀態。

1.2.2耦合協調度模型

耦合協調度模型計算公式[24]為

(2)

Tj=αY1j+βY2j+γY3j

(3)

(4)

式中：Cj為各系統第j年的耦合度；Tj為各系統第j年的綜合發展指數；α、β、γ為待定系數，且α+β+γ=1，由于水資源、經濟社會和生態環境系統之間相互制約影響，因此三者同等重要，故取α=β=γ=1/3；Dj為第j年的耦合協調度，既可以反映系統發展的綜合水平，也可以體現系統發展的協調狀況，0≤Dj≤1，Dj越小，系統間協調狀況越差，Dj越大，協調狀況則越好。參考已有研究成果[25-26]，結合實際情況對耦合協調度等級進行劃分(表1)。在Y1j、Y2j、Y3j中，Y1j最小時為水資源滯后型，Y2j最小時為經濟社會滯后型，Y3j最小時為生態環境滯后型。當某系統滯后時，說明該系統與該地區整體發展不協調。

表1 耦合協調度等級

1.2.3灰色關聯分析法

灰色關聯分析法通過確定參考數列和若干比較數列集合形狀的相似程度判斷二者的聯系是否緊密，反映曲線間的關聯程度[27]。為辨識對耦合協調度影響最大的因素，運用灰色關聯分析法分別對京津冀地區及各地區的耦合協調度和所選指標進行關聯度計算，以耦合協調度結果作為參考序列，所選指標作為比較序列，利用MATLAB進行分析，選取關聯度高于均值的指標作為主要影響因子。

1.3 數據來源

本文數據來自京津冀地區2007—2020年各地統計年鑒、京津冀地區2006—2019年各地水資源公報、《河北省環境狀況公報(2006—2019年)》、各地政府工作報告以及各地國民經濟與社會發展統計公報等，少數未統計數據利用插值法補齊。

2 京津冀地區水-經濟-生態耦合協調發展特征及歸因分析

利用熵權法確定各系統指標權重，并利用式(1)～(4)測算京津冀地區水資源、經濟社會和生態環境系統的綜合評價指數、綜合發展指數和耦合協調度，基于計算結果分析京津冀地區的耦合協調度，并對主要影響因素進行識別。

2.1 演變特征分析

京津冀地區及各地區水資源、經濟社會和生態環境系統綜合評價指數和水-經濟-生態耦合協調度變化趨勢如圖2和圖3所示。

(a)京津冀地區

圖3 京津冀地區和各地區水-經濟-生態耦合協調度演變

a.京津冀地區2006年水-經濟-生態耦合協調度最低，為0.496，屬于勉強耦合協調型；2018年耦合協調度最高，為0.773，屬于良好耦合協調型。京津冀地區大部分年份處于水資源系統滯后、部分年份處于經濟社會系統和生態環境系統滯后的狀態，水資源矛盾始終影響區域協調發展，經濟社會系統發展較緩，生態環境系統快速發展。2009年和2014年由于區域來水偏枯、人口增長過快，導致耦合協調發展出現減緩趨勢，其余年份均正向發展。

b.北京2006年水-經濟-生態耦合協調度最低，為0.669，屬于中級耦合協調型；2018年耦合協調度最高，為0.863，屬于良好耦合協調型。北京長期處于水資源系統滯后的狀態，2016和2018年由于來水較豐，水資源系統綜合評價指數上升，人口基數過大導致部分經濟指標上升緩慢，使經濟社會系統相對水資源和生態環境系統滯后，生態環境系統綜合評價指數逐年上升。2014年和2019年由于區域來水偏枯，耦合協調度出現顯著下降。

c.天津2006年水-經濟-生態耦合協調度最低，為0.557，屬于勉強耦合協調型；2019年耦合協調度最高，為0.795，屬于中級耦合協調型。天津處于水資源和生態環境系統交替滯后的狀態，水資源和生態環境問題始終制約天津的發展，經濟社會系統指數波動上升，2014年南水北調中線工程全線通水后，水-經濟-生態系統逐漸協調發展。2009年由于河流水質和水資源稟賦狀況較上年略差，因此耦合協調度呈明顯下降趨勢。

d.河北2006年水-經濟-生態耦合協調度最低，為0.263，屬于失調衰退型；2018年耦合協調度最高，為0.670，屬于中級耦合協調型。河北始終處于經濟社會系統滯后、水資源系統綜合評價指數波動變化、生態環境系統綜合評價指數穩步上升的狀態。2014年由于水資源賦存條件極差且人口自然增長率較高，導致耦合協調度大幅下降，其余年份大都正向發展。

京津冀地區和各地區水-經濟-生態耦合協調度均呈上升趨勢，說明京津冀地區各系統之間耦合互動緊密，并向積極的態勢發展。同時，地區之間存在明顯差異，2006年北京屬于中級耦合協調型，天津屬于勉強耦合協調型，河北屬于失調衰退型；2015年，京津冀一體化方案提出，南水北調中線工程全線通水后，京津冀地區各地耦合協調發展水平均呈現不同程度的上升，北京轉變為良好耦合協調型，天津為中級耦合協調型，河北為勉強耦合協調型；2019年北京和天津耦合協調發展水平在現有基礎上緩慢提升，而河北有較大改善，轉變為中級耦合協調型。綜上，北京耦合協調發展水平始終處于區域領先，天津維持在京津冀地區總體水平上下，河北耦合協調水平雖持續偏低，但始終處于穩步上升的狀態。

2.2 歸因分析

根據各地區主要影響因子識別情況(圖4)，京津冀地區水-經濟-生態耦合協調度影響因素中關聯度最高的是水資源總量，關聯度為0.860，且超過半數指標關聯度較大；北京水-經濟-生態耦合協調度影響因素中關聯度最高的是人均水資源量和水資源總量，關聯度均為0.816，且大部分影響因子關聯度均接近0.7；天津水-經濟-生態耦合協調度影響因素中關聯度最高的是水資源總量，關聯度為0.841，而大部分影響因子關聯度均位于0.6～0.7之間；河北水-經濟-生態耦合協調度影響因素中關聯度最高的是水資源總量，關聯度為0.948，遠高于其余影響因子。

(a)京津冀地區

從因子識別結果可知，京津冀地區水資源系統指標占比為46.2%，經濟社會系統指標占比為38.5%，生態環境系統指標占比為15.4%；京、津兩地水資源系統指標占比為54.5%，經濟社會系統指標占比為27.3%，生態環境系統指標占比為18.2%；河北水資源系統指標占比為63.6%，經濟社會系統指標占比為36.4%，生態環境系統指標占比為0%。水資源系統各指標是影響京津冀地區水-經濟-生態耦合協調發展最為重要的因素，主要是水資源總量和地下水儲變量，水資源開發利用情況及用水效率指標次之；經濟社會和生態環境系統各指標對水-經濟-生態耦合協調度的影響相對較小，其中人口變化指標影響較大。

水資源是京津冀地區協調發展過程中不可或缺的基礎性自然資源[28]，因此全面協調本地水、外調水及非常規水源，提高節水水平和用水效率是現階段推進京津冀地區水-經濟-生態協調發展的重要措施。京、津兩地處于我國人口經濟核心地區，城市飛速發展對水資源及生態環境造成的壓力較大，2014年南水北調中線工程全線通水后，緩解了部分來自水資源和生態環境方面的壓力，2017年雄安新區的設立幫助分擔北京部分人口壓力，未來在保障城市水資源和生態環境的基礎上，應繼續推進京津冀一體化發展進程。而河北在京津冀地區經濟發展持續落后，未來應借助沿渤海、臨首都的區位優勢，推動經濟社會高質量發展，建設現代化經濟強省，將水資源、經濟社會和生態環境緊密結合。

3 結 論

a.京津冀地區2006—2019年水-經濟-生態耦合協調度呈上升趨勢。京津冀地區和北京水資源系統持續滯后，天津水資源和生態環境系統交互滯后，河北始終處于經濟社會系統滯后的狀態，水資源系統的矛盾始終制約京津冀地區協調發展。

b.北京由中級耦合協調型發展成良好耦合協調型，天津由勉強耦合協調型發展成良好耦合協調型，河北由失調衰退型發展成中級耦合協調型。北京處于水-經濟-生態耦合協調發展最好水平，天津其次，河北由于經濟持續落后導致耦合協調發展緩慢。未來應繼續推進京津冀一體化進程。

c.水資源總量和地下水儲變量是影響京津冀地區水-經濟-生態耦合協調度最主要的因素，人口變化指標次之，今后應進一步統籌本地水、外調水及非常規水源的開發利用，提升用水水平和用水效率，促進經濟社會和生態環境的高質量發展。