天津市經濟社會發展與河湖水系連通耦合協調關系研究

李建國 賈冬梅

（1.天津市中水科技咨詢有限責任公司，天津 300171；2.天津市排水管理事務中心第七排水管理所，天津 300400）

1 研究背景

近年來，城市河道淤塞、水體污染、水環境惡化等問題層出不窮，一定程度上制約著我國經濟社會的高質量發展，成為城鎮化進程中的突出問題。江河湖庫水系連通是優化水資源戰略格局、提高水利保障能力、促進水生態文明建設的有效措施。研究河湖水系連通與經濟社會發展的相關關系，對于解決好城鎮化建設中的水問題，實現河湖水系與經濟社會的協調發展，具有重要的現實意義。

連通性的概念最早起源于生態學，2000年之后，關于連通性的研究與探討發展迅速，并涉及水文學、環境學與生態學等多個學科[1]。陳星等[2]基于圖論將河網概化為圖模型，利用Matlab軟件對河網的結構連通性作出定量評價；姜宇等[3]提出改進圖論法，并應用于河湖水系連通規劃；孟祥永等[4]從結構連通性和水力連通性的角度構建了城市水系連通性評價體系。在河湖水系連通與經濟社會發展關系研究方面，左其亭等[5]基于匹配度計算公式，提出河湖水系連通系統與經濟社會發展系統協調度計算方法，并以鄭州市為例進行了實證分析；李普林等[6]以江蘇省為研究對象，通過建立城鎮化系統進程狀況和河湖水系連通水平的評價指標體系，利用耦合協調模型計算城鎮化與河湖水系連通系統耦合協調度。目前對河湖水系連通與經濟社會發展關系的研究尚不多見，因此本文以天津市為例，構建天津市河湖水系連通系統和經濟社會發展系統，通過構建系統綜合評價函數，定量評價天津市河湖水系連通和經濟社會發展協調度發展歷程，并基于演化速度公式及夾角公式分析天津市河湖水系連通和經濟社會發展耦合度，研究成果對于城市建設與發展具有一定參考意義。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

天津市地處華北平原東北部，海河流域下游，瀕臨渤海，大部分地區為平原區，地勢低洼平坦，境內河流眾多，素稱“九河下梢”。天津市境內共有行洪河道19條，總長1095.1km；排瀝河道109條，總長1869.0km；各類水庫143座，其中大型水庫3座，中型水庫13座，水庫水面面積438.0km2；沼澤化濕地面積284.0km2，加上眾多的天然沼澤、沼澤化濕地和人工濕地、淺海水域和潮間帶灘涂濕地等，濕地總面積達4279.0km2，占天津市總面積的35.9%。天津市境內雖然水系發達，但仍存在本地水資源不足、水資源地域分布不均衡、入境水量較少等問題。2013年10月，天津市水務局下達了《關于編制〈天津市水系連通規劃〉報告任務書的通知》，多年來經過實施一系列的水系連通、河道治理工程，現已實現全市水系連通。

2.2 數據來源

本文數據全部來源于2015—2022年《天津市水資源公報》《天津市國民經濟和社會發展統計公報》《天津市統計年鑒》《天津市城市總體規劃》《天津市水務發展“十四五”規劃》《天津市水系連通規劃》等資料。

2.3 指標層次構建

借鑒國內外已有研究成果，以河湖水系連通和經濟社會發展為目標層構建評價指標體系。其中河湖水系連通系統下設結構連通性A1、水力連通性A2兩個一級指標，經濟社會發展系統下設人口發展B1、經濟增長B2、社會結構B33個一級指標，各二級指標構建及計算方法見表1[7-9]。

表1 河湖水系連通與經濟社會發展指標體系權重計算

2.4 研究方法

2.4.1 確定指標權重

根據本文所建立的經濟社會發展與河湖水系連通指標層次體系，本文選取了天津市2015—2022年共8年的數據，時間序列相對較長，所取數據客觀真實，各指標權重的確定采用熵值法，具體計算步驟如下[10-12]。

2.4.1.1 數據標準化

為消除各指標原始數據由于量綱不同所引起的計算誤差，采用極差標準化的方法對原始數據進行標準化處理，具體計算公式如下：

式中：X′ij為標準化處理后的指標值；Xij為指標原始值；Xmaxj、Xminj分別為歷年來指標j的最大值、最小值。但考慮到有些指標本身雖為正向指標，但當其增加到一定程度時又會對經濟社會發展產生一定的負面作用。此類指標通常并非越大越好，而是當其接近于某一標準值時最佳，因此，定義此類指標為非單向指標。

式中：當Xij＜X0時，X′ij為正向指標；當Xij≥X0時，X′ij為負向指標；X0主要借鑒有關規范、標準加以確定。

2.4.1.2 權重計算

a. 第j個指標在第i年的比重Pij：

式中：m為統計年數。

b. 第j個指標信息熵Ej：

其中，0≤Ej≤1。

c. 第j個指標的效用值Dj：

d. 第j個指標的權重Wj：

式中：n為指標數。

以加權求和法計算2015—2022年天津市經濟社會發展與河湖水系連通指標權重，計算結果見表1。

2.4.2 綜合評價函數

以加權求和法分別構建河湖水系系統f（t）和經濟社會系統g（t）的綜合評價函數，以此反映河湖水系系統與經濟社會系統兩者間的離散關系，當f（t）＞g（t）時，表明河湖水系連通優于經濟社會發展水平；當f（t）＝g（t）時，表明河湖水系連通與經濟社會同步發展；當f（t）＜g（t）時，表明河湖水系連通落后于經濟社會發展。

式中：X′ij、Y′ij分別為各初始指標經標準化處理后的數據；Wj為各項指標權重，并滿足∑Wj＝1。

2.4.3 河湖水系連通與經濟社會發展耦合協調評價

協調度是反映不同系統或系統內部指標間協調狀況的定量指標，用于描述各事物間由無序走向有序的趨勢及良性互動發展的程度。本文中協調度的確定采用協調度指數法，計算公式如下：

式中：D為協調度指數；C為耦合度指數；k為調節系數（k≥2），本文中取k＝2；T為綜合協調指數，本文認為河湖水系連通與經濟社會發展同等重要，取α＝β＝0.5。

考慮河湖水系連通與經濟社會發展的動態脅迫關系，耦合協調分析主要借鑒系統論中系統演化思想對河湖水系連通與經濟社會發展的動態變化和耦合關系進行評價。

式中：P(t)、Q(t)分別為河湖水系系統和經濟社會系統演化速度。

假定河湖水系系統和經濟社會系統的變化速度P(t)、Q(t)均滿足周期性變化，且耦合度E是由P(t)、Q(t)共同作用決定的，即E＝h［P(t)、Q(t)］，故其變化軌跡可形成一個橢圓，見圖1。

圖1 河湖水系連通與經濟社會發展耦合關系

取P(t)、Q(t)夾角為α，那么tanα=，此時α= arctan即為河湖水系系統與經濟社會系統耦合度計算值，并可據此判斷整個系統的演化態勢及耦合情況，見表2。

表2 耦合度α取值及系統耦合狀態

3 分析與討論

3.1 河湖水系連通系統與經濟社會發展系統綜合評價分析

根據以上提出的協調度指數法計算天津市2015—2022年河湖水系連通系統與經濟社會發展系統綜合評價值f（t）、g（t）及相應的C、T、D、F，計算結果見表3。

表3 天津市河湖水系連通系統與經濟社會發展系統協調度計算結果

從圖2綜合評價值變化曲線來看，總體上2015—2022年天津市河湖水系連通與經濟社會發展處于持續上升的態勢。河湖水系連通綜合評價值從2015年的0.8665提升到2022年的1.8864，總體提升了1.18倍，經濟社會發展綜合評價值從2015年的0.1451提升到2022年的0.9635，總體上提升了5.64倍，進一步說明了近年來天津市經濟社會和水系連通得到持續發展。同時從系統綜合評價年度差值F來看，2015—2022年F值始終為正值，表明天津市經過多輪水系連通建設，全市河湖水系連通水平要優于經濟社會發展水平，且2015—2022年系統綜合評價年度差值F總體較為平穩，表明全市河湖水系連通與經濟社會發展總體處于較為穩定的階段。

圖2 天津市河湖水系系統與經濟社會系統綜合評價值

3.2 河湖水系連通與經濟社會發展系統協調度分析

根據已有成果對河湖水系連通與經濟社會發展協調度進行分類，按照協調度指數分類法可分為9個區段，見表4。根據表3計算所得協調度指數D對天津市河湖水系連通與經濟社會發展協調程度進行判斷。結果表明，2015—2022年天津市河湖水系連通與經濟社會發展協調度指數呈明顯上升趨勢，2015—2022年天津市河湖水系連通與經濟社會發展協調度經歷了中度失調、輕度失調、初級協調、優質協調4個階段，目前兩者正在向更加協調的方向發展，見表5。

表4 河湖水系連通與經濟社會發展協調度分類

表5 天津市河湖水系連通與經濟社會發展協調程度

3.3 河湖水系連通與經濟社會發展系統耦合度評價

根據表3所列2015—2022年天津市河湖水系連通與經濟社會發展綜合評價結果，擬合河湖水系連通系統f（t）和經濟社會發展系統g（t）關系曲線，擬合結果見圖3，其中R2分別為0.9992和0.9975，滿足精度要求。

圖3 2015—2022年天津市河湖水系連通與經濟社會發展綜合評價曲線擬合

通過演化速度公式及夾角公式計算2015—2022年天津市P（t）、Q（t）tanα及α值，由計算結果（見表6）可知，2015—2022年天津市河湖水系連通系統變化速度P（t）為負，經濟社會發展系統變化速度Q（t）為負，此時0°＜α＜90°，兩系統變化位于第一象限，表明2015—2022年天津市河湖水系連通與經濟社會發展處于Ⅱ級協調耦合階段。這一階段經濟社會發展相對較快，對城市河湖水系連通性的需求會有所上升，兩系統間存在較強的相互制約脅迫關系。從α的變化趨勢來看，2015—2022年α值總體平穩，表明現階段兩系統處于相對平衡的狀態，在今后較長的一段時間內這種平衡將得以保持。

表6 2015—2022年天津市河湖水系連通與經濟社會發展耦合度計算

4 結 論

本文運用耦合協調模型對2015—2022年天津市河湖水系連通系統與經濟社會發展系統綜合評價值、耦合度、協調度進行評價，結果表明：近年來天津市河湖水系連通與經濟社會發展均處于不斷上升趨勢，河湖水系連通與經濟社會發展綜合評價差值F總體較為平穩，表明全市河湖水系連通與經濟社會發展總體處于較為穩定的階段；2015—2022年天津市河湖水系連通與經濟社會發展協調度經歷了中度失調、輕度失調、初級協調、優質協調4個階段，目前兩者正向更加協調的方向發展；天津市河湖水系連通與經濟社會發展系統耦合度滿足0°＜α＜90°，表明2015—2022年天津市河湖水系連通與經濟社會發展處于Ⅱ級協調耦合階段，現階段兩者間仍存在一定的制約脅迫關系，在城鎮化建設進程中要尤為注重兩系統的有機結合。另外，從α的變化趨勢來看，2015—2022年α值總體上保持著相對穩定的水平，2019年以后呈現小幅度的遞減趨勢，表明在今后較長一段時間內天津市將處于兩系統的協調耦合階段，經過治理后的河湖水系能夠滿足全市經濟社會發展的需求，最終兩者將實現高度的協調發展。