湖南省“水資源-經濟社會-生態環境”耦合系統協調發展評價

蘇 瑩，董增川，崔 璨，韓亞雷，王新奎，楊家亮，王昱璋，龍秋波

（1. 河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2. 湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

0 引 言

水資源對于推動經濟社會發展和維持生態環境系統的平衡發展起到至關重要的作用，研究水資源復合系統［1］中“水資源-經濟社會-生態環境”三者的相互影響與作用的互饋機制對該系統的協調可持續發展具有重要的現實意義。

“耦合”與“協調”等概念在自然科學、社會科學和人文科學等多個科學領域中得到廣泛運用，現階段眾多學者已將耦合協調理論引入到水資源系統研究中。目前有關“水資源-經濟社會-生態環境”復合系統協調發展的研究，主要分為以文獻研究、對比分析為主的定性理論研究和以耦合協調模型為主的定量數據分析。在定性理論研究方面，馬世駿［2］早在20世紀80年代提出“社會、經濟、自然是一個復合大系統的整體”，為水資源—經濟社會—生態環境協調發展研究提供了堅實的理論基礎；馮尚友等［3］從實證論和系統論的角度出發，論述了水資源生態經濟復合系統的客觀存在問題；鐘淋涓等［4］探討了水資源、社會經濟與生態環境之間的相互作用關系，并指出了水資源、社會經濟與生態環境的最合理發展方式；姚志春等［5］深入分析了水資源生態經濟系統的耦合關系的實質。在定量數據分析方面，學者們先后針對不同地域圍繞水資源—經濟社會—生態環境耦合開展了系列實證分析與研究：王琦等［6］利用耦合度及耦合協調度函數計算并分析了洞庭湖地區的耦合協調及綜合發展狀況；常玉苗等［7］運用系統分析方法，借助耦合協調度模型得到長江11 省（市）水資源系統和水環境治理系統與城市生態經濟系統的協調程度；杜新強等［8］通過構建耦合協調評價模型對北方地區近15年來水資源、社會經濟和生態環境等各子系統及其耦合系統的發展狀態進行了多尺度的量化分析；吳兆丹等［9］基于熵值賦權法建立相關耦合協調度模型，對江蘇省經濟發展與水土資源的耦合協調度展開研究。

選取湖南省作為研究對象，基于湖南省水資源分布格局、經濟發展現狀、生態破壞與環境保護情況，針對湖南省現階段所呈現的水資源時空分布不均、水質污染及缺水問題，采用定量數據分析方法構建“水資源-經濟社會-生態環境”耦合協調模型和合理的層次指標體系，結合湖南省地域特征，分析系統綜合發展水平和耦合協調度的時空演化特征，診斷影響不同地區系統耦合協調度的障礙因子，為湖南省的水資源、經濟社會、生態環境的協調可持續發展規劃提供理論參考和決策支持。

1 研究區概況及數據來源

湖南省總面積21.18 萬km2，占全國國土面積的2.2%。全省轄13個地級市、1個自治州，共14個地級行政區，其中包括長沙市、株洲市、湘潭市、衡陽市、邵陽市、岳陽市、常德市、張家界市、益陽市、郴州市、永州市、懷化市、婁底市和湘西州。2020年，湖南省地區生產總值41 781.49 億元。截止2021 年5 月，全省常住人口6 644.48 萬人。

湖南省多年平均降水量1 454 mm，多年平均水資源總量1 695 億m3，其中地表水資源量1 688 億m3，水資源可利用總量約為835 億m3。因季風不穩定及地形等因素影響，湖南省降水時空分布及水資源總量年內分配不均，局部性缺水、季節性缺水、水質性缺水問題較為嚴峻。湖南省圍繞“一湖四水”大力推進生態修復，為周邊經濟社會發展提供了蓄洪防澇、保持水土等重要的生態系統服務功能，但 “一湖四水”重要水域仍然存在著大型工業生產企業、生活農業污水排放、采礦和砂石等污染源，水污染、水環境生態、水資源、水安全的治理和保護問題依然不容樂觀。

湖南省水資源-經濟社會-生態環境耦合系統協調發展評價所需要的相關數據主要來源于2005-2020 年的《湖南省統計年鑒》《湖南省水資源公報》以及《湖南省“十四五”供水規劃》。

2 研究方法

2.1 評價指標篩選及體系構建

（1）指標選取。“水資源-經濟社會-生態環境”復合系統是一個由水資源狀況、經濟社會發展和生態環境保護子系統相互作用形成的具有復雜互饋關系的統一整體［10］，每個子系統的影響因素眾多，為了識別和表達3個子系統之間的互饋機制，需要選取表征耦合協調發展狀況的直接或間接的指標集合并建立合理的多層次指標體系［11］，才能對復合系統的協調發展做出全面地、直觀地評價。

本文將多層次指標體系劃分成目標層、準則層與指標層3個層次，建立區域水資源復合系統協調發展評價指標體系。目標層A：將復合系統定義為水資源綜合利用系統，目的在于研究區域水資源的綜合利用水平和協調發展程度，為區域的可持續發展提供依據。準則層B：準則層由3 個子系統構成：水資源子系統描述了水資源稟賦條件、用水效益、水土匹配情況與用水結構，是最核心的主體；經濟社會子系統描述了水資源為主要控制下經濟發展水平、人口出生水平、城市發展程度及產業結構與經濟效益；生態環境子系統反映了區域生態環境污染情況與治理現狀，促進生態環境健康發展。指標層C：選用具體的可測度指標，構成指標體系的最基層要素。

基于《湖南省統計年鑒》《湖南省水資源公報》以及《湖南省“十四五”供水規劃》研究歸納整理了與湖南省2005 至2020 年間水資源、經濟社會和生態環境狀況相關的50 余項數據指標，初步確立了由30項指標構成的“水資源-經濟社會-生態環境”3層次結構評價體系。其中，水資源總量、水資源開發利用程度、地表及地下水可利用量、產水系數、用水量、生態環境補水量、萬元GDP 耗水量、萬元工業增加值耗水量等數據指標選自《湖南省水資源公報》，人口總數、耕地及省土面積、GDP、人口自然增長率、城鎮化率、產業產值、森林覆蓋率、水域面積、COD及氨氮濃度、水功能區水質達標率等數據指標選自《湖南省統計年鑒》，用水控制紅線數據指標選自《湖南省“十四五”供水規劃》。

基于初步建立的指標體系，進一步通過相關性分析［12］對各子系統進行分析及篩選，并對相關程度較大的指標予以刪除，從而減少信息的重疊度。從相關系數來看，在水資源子系統中，單位面積水資源量與單位耕地面積水資源量的相關性系數達到0.99；在經濟社會子系統中，人均GDP 與城鎮居民年均收入的相關性系數達到0.97。綜上所述，故刪除單位面積水資源量、城鎮居民年均收入這兩項指標；最終得到28項指標，其中水資源指標11 項，經濟社會指標12 項，生態指標5 項，如表1所示。

表1 區域水資源復合系統協調發展評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of coordinated development of regional water resource complex system

（2）基于博弈論的指標組合賦權。指標權重計算的確定方法在綜合評價中屬于重中之重，不同的方法對應的計算原理并不相同，常用的方法主要包括AHP 層次分析法、CRITIC 法和基于博弈論的組合賦權法等。本文擬采用基于博弈論的AHPCRITIC 組合賦權法來確定28項指標的權重。傳統AHP層次分析法中評價準則的數目和判斷矩陣均由人為選定，該特點使得這種方法具有分層較多、主觀性強、易逆序、不穩定等不可避免的缺陷。CRITIC法是一種處理多元準則的方案評估方法，能夠反應數據間的相關性和變異性，其數學理論基礎較為完備，但忽略了指標間的實際輕重關系，導致對樣本的區分度不佳。因此本文考慮引入博弈論的思想，將AHP［13，14］法與CRITIC法［15，16］進行組合賦權，通過相互比較與協調規避主客觀賦權各自的缺陷，使結果更加客觀合理。

博弈論［17］（Games Theory）是運籌學中針對具有競爭性現象及事物進行研究分析的理論和方法，主要研究的是相互影響的多個決策主體的理性行為及其均衡決策問題。在博弈論中，將每個方案都假定為理性決策的結果，各個決策者［18］需要妥協自身去尋找一種最優方案以實現共同利益的最大化，在模型中體現為納什均衡。基于博弈論的AHP-CRITIC 組合賦權法［19］的具體步驟如下：

①數據處理。假設每個子系統具有n年m項指標，構成原始指標數據矩陣X。對正向指標和逆向指標分別進行標準處理，得到無量綱化矩陣Z。

②權重結果的一致性檢驗。基于博弈論的組合賦權法的實質是對不同賦權方法結果的綜合體現，因此進行組合賦權前需要對不同方法的賦權結果進行一致性檢驗。本文采用Spearman 等級相關系數來衡量AHP 法與CRITIC 法賦權結果的一致性程度。

③設采用AHP 法和CRITIC 法得到的基本權重向量集W={W1，W2}，其中W1={ω11，ω21，…，ωm1}，W2={ω12，ω22，…，ωm2}。設α={α1，α2}為線性組合系數，則W*可由這些向量任意線性組合為：

④博弈論方法要求在可能的向量集中找到最優的權重向量，需要以W*和W中的任意權重向量的離差最小化為目標，對線性組合系數進行優化，由此確定權重系數。

⑤按照矩陣微分性質，將上式變化為最優一階導數矩陣并求解，得到組合優化系數α并將其進行歸一化處理。

⑥計算組合權重。

2.2 復合系統耦合協調評價模型

為了刻畫水資源狀況-經濟社會發展-生態環境保護子系統之間的相互影響程度及相互作用效果，引入耦合協調度模型［8，20，21］定量評價湖南省水資源復合系統的協調性及其時空變化特征。

耦合協調度模型定量評價涉及耦合度和耦合協調度兩個基本概念。耦合度是一個物理概念，用來表示不同模塊之間的相互影響程度，涉及到的依賴關系包括調用關系、控制關系和數據傳遞關系等，其實質是兩個或兩個以上的實體或體系之間相互聯系與作用的程度的一個度量。耦合協調度是在耦合度的基礎上演變而來的，主要是從整體的角度上反映多個模塊之間相互作用的整體效應與協同效應，并克服了事物在低水平情況下產生高度耦合的假象，進一步表征各模塊之間的作用效果是在高水平上相互促進還是低水平上相互制約。

首先需要計算水資源狀況子系統（Water Resources Status，WRS）、經濟社會發展子系統（Socio-Economic Development，SED）、生態環境保護子系統（Ecological Environment Protection，EEP）各自的綜合評價指數，計算公式為：

式中：f(x)、g(y)、h(z)分別為水資源狀況、經濟社會發展、生態環境保護子系統的綜合評價指數；x*i、y*i、z*i分別為3個子系統中各評價指標的標準化值；ωfi、ωgi、ωhi分別為3 個子系統中各評價指標的權重；m、n、p分別3 個子系統中評價指標的個數，此處m= 11，n= 12，p= 5。

為了進一步分析各子系統間的發展關系，需要計算各子系統綜合評價指數相對值［22］，其計算結果可劃分5 種類型，如表2所示。

表2 子系統綜合評價指數相對值等級分類標準Tab.2 Subsystem comprehensive evaluation index relative value grade classification standard

根據綜合評價指數的計算結果，最后計算湖南省水資源-經濟社會-生態環境系統耦合協調度，建立耦合協調度模型：式中：C為耦合度；D為耦合協調度；T為水資源復合系統的綜合評價系數；α、β、γ為待定系數，反映了系統的重要程度，由于水資源狀況子系統是其余兩個系統相互作用的重要扭帶，因此將待定系數確定為：α= 0.4，β= 0.3，γ= 0.3。

借鑒已有研究成果［23，24］，對耦合度C和耦合協調度D的計算結果分別設置了不同等級的判別標準，將水資源復合系統的耦合度以及耦合協調度發展關系劃分為以下類型，如表3 和表4所示。

表3 耦合度評價等級標準Tab.3 Coupling evaluation grade standard

表4 耦合協調度評價等級標準Tab.4 Coupling coordination degree evaluation grade standard

2.3 復合系統障礙因素識別

為了識別各評價指標對湖南各市州“水資源-經濟社會-生態環境”復合系統耦合協調度的影響和制約因素，采用障礙度分析模型［25］對兩系統耦合協調度的障礙因子進行測算和診斷，引入“指標貢獻度”、“指標偏離度”、“障礙度”的概念。障礙度越小，表示該指標對協調性的阻礙越小。具體計算公式如下：

式中：Mj為障礙度；ωij為第j項指標的權重，即指標貢獻度；r*ij為第i年第j項指標標準化后的數據；vj為指標偏離度；m為指標個數。

3 結果與分析

3.1 系統狀態發展演變特征

系統綜合評價指數反映了系統的發展狀態。從湖南省全省整體狀態來看，各子系統綜合評價指數變化如圖1所示。

圖1 湖南省水資源-經濟社會-生態環境系統耦合協調度Fig.1 Coupling coordination degree of water resources-economic society-ecological environment in Hunan Province

水資源子系統綜合評價指數在2007 年出現最高值（0.561），2007-2014 年分3 個階段呈不同幅度持續下降至最低值（0.285）。據統計，湖南省降水量最小值發生在2011 年的洞庭湖環湖區楊柳潭站，該階段的全省降水量較小，同時生產方式較為粗放，降水量的減小和水質污染問題導致水資源子系統中相關指標值發生變化，進而影響湖南省的綜合評價指數。

水資源子系統綜合評價指數除2018 和2019 年呈略下降趨勢外，在2014-2020年的其余時段均呈上升趨勢。據調查可知，湖南省在2015 年以來陸續開展了洞庭湖水環境綜合整治五大專項行動、生態環境專項整治三年行動計劃和水環境綜合治理八年規劃；2016 年提出長江經濟帶高質量發展戰略，生態環境得到進一步改善，湖南省綠色發展指數升至全國第8位；近年來湖南省水環境整治政策的出臺及施行大力，有效助推水資源子系統綜合評價指數于2020 年上升至0.462。在此背景下，生態環境保護子系統評價指數從2006 年最低值（0.354）增加至2020 年最高值（0.779），總體上呈上升趨勢，發展狀態良好。經濟社會子系統綜合評價指數整體較為平穩，出現小范圍的波動；黨的十八大以來，在以習近平同志為核心的黨中央堅強領導下，全省上下大力推進科學發展，為經濟社會發展提供強有力的支撐。

湖南省水資源經濟社會生態環境復合系統的綜合評價系數整體呈不顯著上升趨勢，其變化過程主要受到水資源子系統評價指數影響，在2005-2019 年間出現上下波動，最后在2020年上升到最高值（0.578）。

如圖2 所示，湖南省各子系統綜合評價指數相對值f(t)∕g(t)、f(t)∕h(t)從2005 年到2020 年總體顯著下降，在2014-2020年間有上升趨勢。2008-2020年水資源相對于經濟社會的綜合評價指數比值f(t)∕g(t)處于1.0 以下，表明水資源相對于經濟社會的發展關系從2005 年的勉強充足型，逐漸變為2008-2020年的短缺或受損型；水資源相對于生態環境的綜合評價指數比值f(t)∕h(t)從2005年持續下降，于2014年跌破0.6以下，表明水資源相對于生態環境的發展關系從2005-2009年的勉強充足或特別充足型，逐漸變為2014-2020 年的極度受損型。湖南省水資源子系統發展現階段明顯滯后于經濟社會子系統和生態環境子系統，但未來有好轉的趨勢。

圖2 湖南省水資源-經濟社會-生態環境子系統綜合評價指數相對值Fig.2 Relative value of comprehensive evaluation index of water resources-economic society-ecological environment in Hunan Province

從湖南省各市州的綜合發展水平空間演變來看（圖3），綜合發展水平總體首先由2005-2006年間呈現的“中部高，東西部低”轉變為2007-2012 年的“四周高，中部低”；到2013 年，除婁底市、邵陽市等湘中地區綜合評價指數處于0.5 以上之外，其余市州綜合發展狀態均呈現較低水平；2014-2020年，全省總體向著較高水平狀態發展，從2016年開始大部分地區綜合評價指數變為0.5 以上；到2020 年，湖南省共有9 個市州的評價指數均到達0.6以上。

3.2 系統耦合協調度演變特征

由圖1 可知，2005-2020 年湖南省水資源-經濟社會-生態環境系統耦合度整體情況較為平穩，耦合度值在0.936～0.972范圍內浮動。湖南省各市州在2005-2020 年間均處于“高水平耦合”狀態，耦合等級所呈現的空間演變特征不明顯，由此可見湖南省水資源復合系統中水資源、經濟社會、生態環境等3個子系統間的相互影響程度長時間保持在較高的水平，相互制約關系明顯。

由圖1 可知，2005-2020 年湖南省水資源-經濟社會-生態環境系統耦合協調度整體呈現緩慢上升的趨勢：2005-2015 年耦合協調值在0.65～0.69間波動，處于初級協調階段；2015-2020年耦合協調值則上升到0.70～0.74，基本穩定在中級協調狀態。

從湖南省各市州的耦合協調度空間演變來看（圖4），2005-2006 年湖南省中部大多處于中級協調耦合水平，2007-2008 年常德市、婁底市、湘潭市逐漸變為勉強失調衰退狀態，2009-2010 年有所好轉；2011-2014 年全省整體耦合狀態變差，湘西州、邵陽、衡陽、岳陽等地區由中級協調耦合變為初級協調耦合，長沙、株洲、張家界等地區在勉強失調衰退和初級協調耦合兩種狀態之間變化，湘潭市此階段一直處于勉強失調衰退狀態；2015-2017 年除湘潭市2016 年為勉強失調衰退外，全省整體耦合狀態總體上向著較好的方向發展；2018-2019 年整體耦合水平略有變差。2020年，張家界、長沙、婁底等地區變為良好協調耦合狀態，僅有湘潭市呈現衰退狀態。

圖4 湖南省2005-2020年耦合協調度空間分布多年變化Fig.4 Years of changes in spatial distribution of coupling coordination degree in Hunan Province from 2005 to 2020

3.3 障礙度分析

由圖5可以看出，2005年到2011年間，湖南省水資源-經濟社會-生態環境復合系統主要受到生態環境的制約，對全省絕大部分區域系統耦合協調度起到最大制約作用的是水功能區水質達標率。2005-2007 年中，障礙度排序前列的指標包括水功能區水質達標率、森林覆蓋率和COD 濃度等，同時第二產業產值占比、第三產業產值占比等指標在一定程度上體現出經濟社會的制約作用。2008-2011 年，經濟社會起到的阻礙作用明顯減弱，水資源制約作用增強，生態與環境補水占比和居民生活用水占比的障礙度排序得以提升。

圖5 湖南省2005-2020年障礙因子多年變化Fig.5 Years of changes in obstacle factors in Hunan Province from 2005 to 2020

2012 年到2018 年間，主要受到水資源的制約，障礙度排序第一位的是生態與環境補水占比。2013-2014 年，居民生活用水占比、生態與環境補水占比、水功能區水質達標率和COD 濃度等指標起到不小的阻礙作用；2015 年，水功能區水質達標率阻礙作用明顯下降；2016-2018年，第二產業產值占比排序逐漸得以提升，經濟社會起到的制約作用逐漸顯現。

2019 年到2020 年間，主要受到經濟社會的制約，第二產業產值占比對系統耦合協調度產生的障礙作用遠遠大于其他指標；同時2020 年明顯還受到了水資源和生態環境的約束，生態與環境補水占比、居民生活用水占比和COD 濃度等指標在障礙因子中均占據了重要地位。

從2005-2020 年障礙度排序第一指標種類的變化情況來看，排在首位的障礙因子逐漸從環境因子變為水資源因子和經濟社會因子。由此可見近年來湖南省的環境質量得到一定程度上的改善，水資源和經濟發展問題成為影響湖南省可持續協調發展的新因素，但生態環境方面的影響仍不容忽視。

4 結 論

基于湖南省發展現狀，構建湖南省水資源-經濟社會-生態環境耦合協調發展的評價指標體系，對湖南省14個地級行政區2005-2020 年間的綜合發展水平、系統耦合度及耦合協調度進行了綜合測算，并對影響不同地區耦合系統協調度的障礙因子作出了分析，其結論如下。

（1）湖南省水資源、生態環境子系統綜合評價指數均呈先下降后上升的趨勢，經濟社會子系統綜合評價指數變化情況相對來說較為平穩。復合系統整體的綜合評價系數總體呈不顯著上升趨勢，近年來水資源相對于經濟社會和生態環境的發展關系呈現為短缺或受損型，水資源對經濟社會發展和生態環境保護的制約作用越發顯著。

（2）湖南省3 個子系統耦合度整體始終保持在高水平耦合狀態，耦合協調度整體呈現緩慢上升的趨勢，現階段基本穩定在中級協調狀態，總體上向著好的方向發展。各市州發展速度存在一定差異，現階段除湘潭市向著衰退狀態發展外，湖南省其余地區均處于協調發展狀態。

（3）由障礙度分析可知，2005-2020年間，3大子系統的障礙度對湖南省水資源、經濟社會、生態環境協調發展在不同階段的影響程度各不相同，其中水資源、經濟社會子系統的障礙度呈增大趨勢，生態環境的障礙度呈減小趨勢；水資源和經濟社會對湖南省未來可持續發展的影響相對于生態環境來說更為關鍵。總體來說，影響湖南省水資源-經濟社會-生態環境系統協調發展的主要因子為第二產業產值占比、生態與環境補水占比、居民生活用水占比、水功能區水質達標率和COD濃度。

綜合以上研究結果可見，水資源系統現階段在湖南省“水資源-經濟社會-生態環境”復合系統整體中起到極為關鍵的影響作用，在保持湖南省水環境整治政策繼續執行的前提下，應加強水資源系統的建設和創新，運用先進信息技術手段及規劃思想科學管理水資源，促進形成與經濟社會發展、生態環境保護相適應的水資源配置格局，進而提高湖南省水資源與經濟社會和生態環境方面的耦合協調發展水平。

針對湖南省水資源時空分布不均而導致的缺水等問題，建議對水資源儲量豐沛和水資源短缺的地區施行與區域實際狀況相適應的水資源規劃及管理，將較干旱的地方或現狀供需矛盾較尖銳的地方單獨劃區，積極新建引調水工程、開發優質供水水源以改善水源單一的現狀，促進實現全省水資源科學優化配置。同時實施全民節水行動，合理統籌居民生活、工業生產和生態環境用水；鑒于第二產業產值對湖南省復合系統的影響力較大，應注重工業產業結構升級，推進工業節水，提高工業用水效率，促進工業產業布局與水資源空間分布的合理協調。

針對湖南省現階段水質污染嚴重的情況，在生態環境建設方面須大力減少廢污水排放，積極引導高污染工廠企業轉型，爭取更大程度降低廢水中COD 濃度，進一步提升水功能區水質達標率；對于生態系統遭受破壞、水污染較重的水域，需增設生態防護工程措施，加強對有毒有害物質的監控，全面提高預警能力，保障水源地供水與生態安全。

此外，根據湖南省各市州的發展水平和障礙度測算結果，特別建議積極引導呈現失調衰退狀態的湘潭市與協調發展勢頭良好的婁底、長沙等鄰邊城市加深產業合作，同時在障礙度分析結果的理論指導下著重加強對湘潭市第二、第三產業發展態勢以及生態環境補水狀況的把控。