黃河下游典型灘區社會經濟-防洪安全-生態環境耦合協調分析

李 想，趙連軍，李東陽，韓沙沙，4，牛超杰，全李宇，胡彩虹

（1.鄭州大學黃河實驗室，河南 鄭州 450001； 2.黃河水利委員會黃河水利科學研究院水利部黃河泥沙重點實驗室，河南 鄭州 450003； 3.河南黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；4.清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

1 研究背景

黃河下游河道是橫跨中華腹地的“地上懸河”，其防洪安全事關國家穩定大局。河道邊的灘區有大洪水行洪、滯洪、沉沙的功能，又有黃河防洪安全、灘區社會經濟發展以及生態環境保護的“河道-社會-生態”三重屬性［1］。受國家現行法規等因素制約，防洪管理調度、生態環保方面的問題比較突出，灘區的發展建設已不能滿足發展的需要，現已形成了河南、山東二省人口較為集中的沿黃貧困區［2］。洪水安全與經濟社會、生態環境之間存在著復雜多變的反饋關系［3，4］，黃河灘區經濟發展-防洪安全-生態環境相互作用系統研究也是熱點問題。

黃河下游系統協調發展的研究，多側重單一系統或兩個系統之間的相互發展關系的評價，如徐輝等［5］構建黃河流域高質量發展評價指標體系來測度黃河流域高質量發展的社會與生態層面。寧朝山等［6］基于生態保護和經濟發展水平兩方面入手對黃河流域進行了綜合評價。針對系統之間的耦合發展情況，GAO等［7］開發了耦合協調度模型研究了農村發展與水環境之間的非線性作用關系。劉琳軻等［8］通過建立黃河流域生態保護與高質量發展的耦合機理框架，評價了其協調度發展關系。而楊開忠等［9］從要素、空間和時間三方面研究了黃河流域生態保護與高質量發展應向社會經濟生態轉型的發展趨勢。以往研究多關注黃河流域整體，灘地多系統相關研究較為少見。黃河下游灘區是一個綜合經濟、防洪和生態的三維度的復雜環境，要高質量發展，需要在保證防洪安全、社會經濟和生態環境協調的基礎上。如何科學地評價灘區防洪安全與社會經濟以及生態環境之間的耦合關系需進一步探索。以蘭東灘為研究案例，提出單指標量化-多指標組合權重-三維度耦合的評價方法，對蘭東灘的社會經濟-防洪安全-生態環境耦合系統進行量化研究，系統評估各個系統發展程度以及分析灘區綜合優化發展的趨勢，以期促進灘區社會經濟、防洪安全、生態環境的協同發展，為黃河下游灘區協調治理發展和黃河流域高質量發展提供科學參考。

2 研究區概況及數據來源

2.1 研究區域概況

蘭東灘是黃河灘地經過河南省蘭考縣與山東省東明縣的區域（見圖1），灘區面積約301.00 km2。蘭東灘位于黃河從東壩頭由東西流向折向東北流向的大彎處右岸，處于典型的游蕩性河段，旱、澇、洪、沙災害頻繁。漫灘機遇較多，生產環境十分惡劣，洪水漫灘后，農作物受淹嚴重。灘區河段分布東壩頭險工至老君堂控導工程，河道控導、險工工程等由于布局不夠完善，不能起到完全護灘保村的作用。汛期洪水漫灘導致洪澇頻繁發生，生態環境脆弱，社會經濟生產活動受到嚴重制約。

圖1 蘭東灘地理位置圖Fig.1 Location map of Landong Beach

2.2 數據來源

指標數據來源于《開封市統計年鑒》 《菏澤市統計年鑒》《中國縣域統計年鑒》 《水資源公報》 黃河水利科學研究院提供的防洪安全相關數據以及相關政府工作報告等，統計整理了2001-2020年間的防洪、社會經濟和生態環境數據。特別說明的是蘭東灘并非是一個完整的行政區，其包含了蘭考縣與東明縣部分地區，沒有針對性的區域統計數據，因此研究中參考了蘭考縣與東明縣的相關統計數據。

3 研究方法

3.1 灘區經濟-防洪-生態耦合系統評價體系

黃河下游灘區分布有居民區、耕地、防洪工程、灘地濕地系統等等，是一個經濟-防洪-生態耦合系統是由各子系統相互關聯、彼此作用的復雜系統［10，11］，3個系統存在緊密的互相聯系和復雜的互饋機制及評價體系（見圖2）。

圖2 黃河下游灘區經濟-防洪-生態耦合系統互饋機制及技術路線Fig.2 Mutual feed mechanism and technical route of economic-flood-ecological coupling system in the downstream beach area of yellow river

防洪安全是社會經濟發展與生態環境友好發展的基礎，影響防洪安全的主要因素有河勢本身的穩定控制能力、不可控的自然界來水能力以及后期人為修建防洪工程的能力，因此指標選取主要河段的形態性質、工程的數量等。經濟的發展不僅體現了灘區的社會價值，也為生態環境可持續發展提供保障，同時也對防洪安全保障提出了更高的要求［3］。社會經濟指標主要包括灘區百姓為生存和發展而發生的農業、工業、第三產業等。生態環境為社會經濟發展與防洪安全提供了健康發展的保障。對生態環境的評價，應兼顧灘區經濟與河道的生態安全，主要選取了產業經濟發展的污水排放量，反映防洪安全與生態安全的適宜生態徑流量保證率，以及直觀反映生態環境的生態環境用水率和植被覆蓋率。評價指標體系如圖3所示。統籌考慮各方需求和相互制約關系，是綜合評估黃河灘區安全發展水平與協調程度的關鍵［12，13］。

圖3 經濟-防洪-生態耦合系統評價指標體系Fig.3 Evaluation index system of economic-flood-ecological coupling system

3.2 指標體系構建

基于研究區經濟-防洪-生態耦合系統互饋機制，以促進灘區經濟發展，保障防洪安全，維持流域生態安全為目標。按照以下原則選取系統評價指標：①科學性原則，能準確表達社會經濟、防洪安全、生態環境之間的作用關系；②全面性原則，從不同角度出發，選取的指標能代表3個系統的狀態，各個子系統的指標之間互相不包含、不重復、互相獨立；③層次性原則，選取指標分為一級指標與二級指標；④動態性原則，各項指標隨著時間的變化是變化的；⑤操作性原則，指標具有可量化性、可獲得性［14］。

綜上，構建了包含社會經濟發展、防洪安全、生態環境3個子系統，人均GDP、河道彎曲指數、工業污水排放量等共17個二級指標的評價指標體系，正、負號分別代表二級指標對子系統的促進、抑制作用。具體指標見表1。

表1 社會經濟-防洪安全-生態環境評價指標Tab.1 Social economy - flood control safety - ecological environment assessment index

3.3 模型構建

3.3.1 指標權重計算方法

由于評價指標代表的意義不同、單位不一，故利用歸一化方法將原始數據進行標準化處理［15］。二級指標均可量化，采用熵權法進行客觀權重計算可避免主觀因素影響。一級指標難以量化，層次分析法多適用于計算主觀權重，因此選用層次分析法來計算，旨在解決研究區耦合系統復雜的決策分析問題［16］。計算步驟見表2。

3.3.2 耦合協調模型

耦合協調度模型是分析兩個或兩個以上系統協調發展水平的方法［17］，研究各個子系統相互聯系、相互制約。構建綜合系統安全耦合協調度模型來探討三者之間的發展關系十分關鍵，模型構建步驟如下：

（1）計算安全評價指數。將組合權重加權平均得到灘區各個年份的系統安全評價指數：

式中：wi對應各個指標的組合權重；xi、yi、zi分別為標準化后的指標值；f（x）、g（y）、h（z）分別為灘區的社會經濟、防洪安全、生態環境系統安全評價指數，反映子系統的安全水平。

（2）計算耦合度。耦合度可以反映多個系統之間相互制約、相互依賴的程度［6］，計算公式如下：

式中：C為耦合度，C∈［0，1］，C越大則證明各個子系統之間的耦合程度越高，相互作用越大。

（3）計算耦合協調度。耦合協調度是反映多個系統整體安全發展狀況的指標，用來反映子系統耦合關系中良性耦合的程度與整體協調狀況的好壞［6］，計算公式為：

式中：D為耦合協調度。D∈［0，1］，其值越大，系統整體間良性耦合程度越高，協調發展水平越好［18］。Txyz為3個子系統的綜合安全評價指數。這里的a、b、c分別為3個子系統的權重，這里設置3個子系統的安全評價指數同等重要，取a=b=c=1/3［19］。各評價等級標準劃分見表4和表5。

表4 耦合度標準劃分等級Tab.4 Level of coupling standards

表5 耦合協調度標準劃分等級Tab.5 Coupling coordination degree standard division level

4 結果與討論

4.1 各子系統安全評價指數分析

為分析各指標在不同年份區間對于社會經濟-防洪安全-生態環境系統的影響，將2001-2020年共20年數據分5年為一個區間分別進行指標權重計算。采用熵權法計算指標客觀權重是在每個子系統中分別進行的，層次分析法是在子系統之間進行的，在結合專家打分的基礎上，確定兩兩指標之間的耦合因素并篩選出相對重要的指標，重要性標度見表6。

表6 子系統重要性標度Tab.6 Subsystem importance scale

由于主觀法、客觀法任一一種方法均無法達到實際情況的需求［20］，但是通過二者耦合可以得到各指標相對整體三維評價模型的權重值，主客觀權重乘積為最終的組合權重［21，22］。一級指標權重值占比重最大的是防洪安全，為0.484，其次是社會經濟為0.349，最后是生態環境為0.168。組合權重值見表7。熵權法是根據指標的離散程度來分配權重，指標的變化程度越大，權重系數越小。21世紀以來，黃河下游灘區的旅游業服務業等第三產業發展較為迅速，因此第三產業客觀比重在不斷增大。防洪安全類指標由于防洪工程的建設以及每年來水來沙量不同，每年指標客觀權重變化較為明顯。生態環境指標權重持續增大的有工業污水排放量與植被覆蓋率，這與近年來灘區發展建設密切相關。

表7 各指標客觀權重與組合權重值Tab.7 Objective weight and combined weight of each index

表2 研究方法Tab.2 Research method

4.1.1 社會經濟子系統

為明晰灘區各子系統的發展水平與整體系統的協調發展情況，構建社會經濟-防洪安全-生態環境耦合協調度模型，根據2001-2020共20年長系列數據，分別計算了蘭東灘的社會經濟、防洪安全、生態環境3個子系統的安全評價指數，社會經濟安全評價指數結果見圖4（a）。

圖4 社會經濟安全評價指數及權重值Fig.4 Social and economic security evaluation index and weight value

社會經濟子系統安全評價指數呈指數形增長，增大幅度較為顯著，從0.046上升至0.345。其安全指數擬合方程為y=2 686.15-2.69x+0.000 67x2，擬合優度R2為0.995，預測準確度較高，整體呈高速增長趨勢，與改革開放以來我國經濟發展趨勢相近。近20年河南山東沿黃地區積極貫徹國家宏觀調控政策，黃河流域的經濟實力顯著增強。

從圖4（b）可知，在社會經濟子系統中，農作物播種面積在2011-2015年間所占權重最小，其余年份都占最大權重，這是由于這5年間黃河未發生特大洪水漫灘，對農作物播種面積影響較小。第三產業在2011-2015年間所占比重較大，主要是這5年黃河下游灘區服務業旅游業等產業發展較為迅速所導致的。

4.1.2 防洪安全子系統

防洪安全子系統安全評價指數大體呈現波動性增長，個別年份有下降趨勢，見圖5（a）。近20年黃河流域灘區有防護工程措施的建設，防洪安全子系統安全指數較不穩定。其擬合方程擬合方程為y=-3 950.54+3.92x-0.000 97x2，擬合優度R2為0.908，趨勢線在近幾年趨于平緩，甚至有下降趨勢，說明隨著黃河下游灘區各方面的發展，防洪安全建設已不適應灘區的高速發展。

圖5 防洪安全評價指數及權重值Fig.5 Flood control safety evaluation index and weight value

從圖5（b）可知，由于2003年左右小浪底水庫初期建設運用，對平灘流量有較大的影響，導致2001-2005年間平灘流量所占權重最大。防洪安全指標在近20年有較大變動，主要影響因素為防洪工程的建設以及不可控的自然因素。

4.1.3 生態環境子系統

生態環境子系統呈現間斷性增長，增長幅度較防洪安全明顯，見圖6（a）。2011年左右隨著中原水生態文明的建設，生態環境安全評價指數整體得到提升。擬合方程為y=-11.30+0.005 7x，擬合優度R2為0.927。根據圖6（a）中近20年的生態環境子系統安全評價指數趨勢走向可以看出，未來生態環境子系統安全評價指數將會穩定增長，增長速度低于社會經濟高于防洪安全。從圖6（b）可知，生態系統中工業污水排放量與植被覆蓋率是影響系統安全的關鍵性指標。

圖6 生態環境安全評價指數及權重值Fig.6 Ecological and environmental security evaluation index and weight value

系統綜合安全評價指數在2015年后有明顯的提高（見圖7），說明灘區系統的綜合協調發展安全評價效果較好，但還需各個子系統都處于較高的安全水平才能達到綜合系統的良好發展。21世紀以來灘區的社會經濟呈現持續而穩定的增長，但影響防洪安全子系統的不穩定因素較多，保證防洪安全穩定才能保障經濟持續穩定發展，經濟良好發展同時才能促進生態環境友好發展，這也是今后踐行黃河流域生態保護與高質量發展需要重點關注的問題［23］。

圖7 系統綜合安全評價指數柱狀圖Fig.7 Bar chart of system comprehensive safety evaluation index

4.2 社會經濟-防洪安全-生態環境耦合協調性

2001-2020年蘭東灘的經濟-防洪-生態耦合度與耦合協調度計算結果見表8與表9。不同長度時間序列的計算結果差別較大。五年為一個區間分析時，每年都有一個極度失調狀態，與實際狀況相差較大。以20年為研究區間來看，隨著灘區的發展，系統的耦合度在逐年增大，并在2018年達到最大值0.934。3個系統的耦合協調度近幾年處于勉強協調狀態，整體距離優質的協調水平還有很大差距。

表8 不同年份區間耦合度與耦合協調度計算結果Tab.8 The calculation results of coupling degree and coupling coordination degree in different years

表9 2001-2020年間耦合度與耦合協調度計算結果Tab.9 Calculation results of coupling degree and coupling coordination degree from 2001 to 2020

為了解未來耦合協調關系變化趨勢，運用多項式擬合對表9的耦合度與耦合協調度進行預測，見圖8（a）。結果顯示2001-2020年黃河下游灘區三系統耦合度預測結果的擬合方程為y=-5 313.64+5.27x-0.001 3x2，擬合優度R2為0.896，耦合協調度擬合方程為y=-2 378.79+2.35x-5.79x2，擬合優度R2為0.983，殘差平方均小于0.01，擬合準確度較高。耦合度是反映子系統相互作用程度的大小，不反應各系統水平，耦合協調度是既可以反映各系統是否具有較好的水平，又可以反映系統間相互作用關系。耦合度趨勢線趨于穩定在0.9以上，增長速率明顯減慢，耦合協調度呈增長趨勢但處于低協調狀態，各系統相互作用較大但發展水平不高，在未來灘區建設發展方面也伴隨有新一輪的挑戰。

圖8 黃河下游灘區系統耦合度與耦合協調度及指標組合權重Fig.8 Coupling degree， coupling coordination degree and index combination weight of the beach system in the lower Yellow River

由圖8（b）看出，防洪安全子系統中平灘流量所占權重最大，河段主流擺幅變化、工程裹護長度次之，說明在灘區防洪安全系統中，河道的綜合過流能力、河道主流的擺動幅度變化與工程裹護長度的大小是影響防洪的關鍵性指標，同時這些指標也能反映出近些年來黃河下游灘區在河道流量、河道形態以及河道相關防護工程等方面離散程度較大、空間差異性較大。生態環境子系統中工業污水排放量與植被覆蓋率對生態環境的影響較大。

5 結論與建議

研究以黃河下游典型灘區蘭東灘為例，在構建經濟-防洪-生態系統評價指標體系的基礎上開展耦合協調研究，分析了2001-2020年蘭東灘經濟-防洪-生態系統各子系統的安全評價指數以及耦合協調度的變化情況。主要結論如下：①蘭東灘經濟-防洪-生態耦合系統相互作用明顯，但整體協調耦合發展程度不高，距離優質協調還有一定的差距；②綜合系統的耦合度與耦合協調度擬合優度較好，均在0.9以上，且其趨勢線與防洪安全評價指數趨勢較為接近，表明防洪安全對綜合系統的影響較大；③組合權重占比較大的主要是防洪安全方面的指標，其次是社會經濟，最后是生態環境，蘭東灘安全發展與環境友好的前提就是保障最基本的防洪安全；④社會經濟、防洪安全、生態環境3個子系統的安全評價指數在近20年都有不同程度的增幅，社會經濟子系統安全評價指數穩定上升，增長速度明顯高于防洪與生態，防洪安全與生態環境子系統發展較為不均衡。在未來黃河流域灘區綜合治理中，防洪安全和生態建設問題不可忽視。