2010-2020 年济南市经济发展与生态环境的协调度、敏感性及障碍度研究

张迁，张强，程启先，来琳，魏强

（1.信阳师范学院地理科学学院/河南省淮河流域遥感大数据与智能分析工程研究中心，河南信阳464000；2.河南牧业经济学院工商管理学院，河南郑州450044；3.河南工业大学漯河工学院，河南漯河462002）

城市经济发展与生态环境及其协调关系是城市可持续发展的重要议题[1]。党的十九大提出“加快生态文明体制改革，建设美丽中国”[2]。近年来，我国加强生态环境治理，已成为国际生态文明建设的重要参与者、贡献者以及引领者。作为我国东部沿海人口大省、农业大省和工业大省的典型代表，山东省人口稠密、经济发达且人地矛盾突出。济南市是山东省的省会城市，在《2020 年济南市政府工作报告》明确指出“全面加强生态环境保护，建设生态宜居典范城市。坚持生态立市，实施生态环境保护攻坚行动，努力建设天蓝、地绿、水清、泉涌的生态家园。”[3]表明济南市已经充分认识到开展生态文明建设工作的迫切性和必要性。近年来济南市的经济发展与生态环境是否具有协调性、其具体的协调性是怎样的、在当前的协调发展状态中又存在哪些问题，上述内容值得进一步深入讨论。

当前学界对于经济发展与生态环境[4-7]的有关研究较多，部分学者从“城镇化-土地生态”[8]、“资源利用-生态环境-经济增长”[9]、“生态文明-科技创新-区域经济”[10]和“人口-资源-环境-经济”[11]等方面进行拓展和讨论。但既有研究主要着眼于评价指标体系的丰富和完善，忽视对协调度模型自身的延伸与拓展，且对未来时段的预测也不够深入。本研究侧重于对协调度模型自身加以补充和完善，尝试从以下方面进行改进：①在数据预处理和权重赋值中采用指数变换法和变异系数法的新路径，减少德尔菲法和层次分析法的主观性、避免熵权法中需要对“0 值”进行平移处理的情况；②综合运用敏感性模型和障碍度模型，用以识别并诊断2010-2020年济南市经济发展与生态环境的发展现状中所存在的问题；③采用ARIMA(0,1,0)模型对济南市经济发展与生态环境协调度的进行时间序列预测，以期为后续的济南市生态文明建设工作提供一定的参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 评价指标与数据

1.1.1 评价体系

1.1.2 数据来源

构建科学合理的评价指标体系是准确衡量经济发展与生态环境协调关系的重要基础。在充分考虑评价指标的准确性、实用性和可获取性的基础上，依据系统性、严密性和客观性等原则，同时参考相关文献并结合研究区域现状，构建了由经济规模、经济结构、生态保护以及环境污染4个方面所组成的评价指标体系(表1)。

表1 济南市经济发展-生态环境评价指标体系表

本研究数据的主要来源为相应年份的济南市和山东省的统计年鉴、国民经济和社会发展统计公报，以及济南市和山东省的统计局及相关部门(如人民政府、生态环境厅等)的官方网站。其中“湿地面积”指标数据有缺失，运用SPSS 25.0的线性插值进行缺失值处理，收集并插值处理后的各评价指标的样本描述统计情况见表2。

1.1.3 数据预处理

考虑到各个指标的数据存在量纲和单位的差异，直接对各指标的数值进行比较的可比性和准确性不强，因此需要对数据进行规范化预处理。常见的预处理方法主要有向量规范化法、极差变换法、指数变换法等[12]，本文中采用的是指数变换法，其特点是规范化结果不产生“0值”、计算简便且结果直观，正向和负向指标的预处理过程分别见公式(1～2)：

式中：xij是i指标在j年份的原始数据；yij是i指标在j年份的预处理结果数据；maxxij和minxij是xij在i指标的最值。

1.2 研究区域与方法

1.2.1 研究区域概况

济南市是山东省的省会城市，是国家物流枢纽城市、济南都市圈核心城市、国务院批复确定的环渤海地区南翼的中心城市。自2010年以来，济南市不断调整发展思路，经济发展也由此进入了快速建设期，人均GDP 从54906.34 元(2010 年)增长到110681.00 元(2020年)，经济密度也从4275.98万元/km2(2010年)增长到9898.93 万元/km2(2020 年)。与此同时，济南市也加大了产业结构调整和经济结构优化力度，大力集中发展以资本密集型产业和高新技术产业为主的第三产业，全域初步呈现“第一产业稳步发展、二三产业共同支撑经济平稳前进”的良性模式。近年来，济南市的植被覆盖率总体呈现起伏变化，尤其是2015-2016 年间造林面积急剧减少、湿地面积也呈现出波动下降趋势。济南市受山地地形与黄河河道的双重影响，市区内缺乏天然阻隔及南北生态廊道，在传统工业产业影响下污染物排放总量较多、环境污染也较为严重[13]。随着近年来政府对生态环境的逐步重视，退耕还林、植树造林等政策得到有效贯彻和落实，济南市生态环境状况有所好转，但工业废水排放量依然很高、污水减排工作还有待深入开展。

1.2.2 变异系数法

当前研究中的指标权重赋值分为主观赋权法和客观赋权法，前者有德尔菲法、层次分析法和模糊评价法等，后者有熵权法、均方差法和变异系数法等[14]。考虑到主观赋权法的主观性强、过分依赖专家判断，本文采用客观赋权法，综合研究区域和数据的特点将变异系数法作为指标权重赋值的方法，公式如下：

式中：yij是i指标在j年份的预处理结果数据(是其在研究时段内的平均值)；w i和wi分别是i指标的变异系数和权重值；k是项数。

1.2.3 协调度模型

协调度模型具有科学、简洁、准确且高效等特点，在区域经济学、地理科学、环境科学和资源科学等学科领域获得广泛应用，当前学界运用的协调度模型有二维及多维模式，本文中采用二维协调度模型[15]，公式如下：

式中：G是协调度；ED和EE分别为经济发展和生态环境的综合分值；a和β为待定系数(a+β= 1)。本文中认为ED和EE同等重要(a=β= 1/2)。

1.2.4 敏感性模型

敏感性模型主要是为了讨论指标值灵敏度问题，在水生态文明评价中有一定的应用。刘畅等[16]提出的敏感性模型分为2 级、其敏感性参数赋值为5%(敏感性较强)和10%(相对敏感)。本文中采用改进后的3 级敏感性模型并对具体参数进行调整，公式如下：

式中：Ω为是该系统评价结果的敏感性；P为该系统评价结果值；ρ为敏感性参数(依据判别高度、中度和低度敏感的需要，分别取值为2、4和8)。

1.2.5 障碍度模型

障碍度模型在区域经济学、地理科学、生态学以及环境科学等学科领域运用较为广泛，能够对主要障碍因子进行有效、准确的识别。本文中所采用的障碍度模型[17]结果以色阶方式呈现，公式如下：

式中：Oij是i指标在j年份的障碍度；zij指标在j年份的结果数据；wij是i指标权重值。

1.2.6 ARIMA预测

ARIMA(Autoregressive Integrated Moving Average)模型是一种基于Box-Jenkins 法的时间序列预测模型，常记作ARIMA(p,d,q)，也被称为整合自回归移动平均模型。本文中协调度预测运用的是ARIMA(0,1,0)模型，受限于篇幅对于该模型的数学原理和公式不再详细阐述，详见文献[18]。

2 结果与分析

2.1 协调度分析

运用变异系数法和协调度模型计算的目标层评价值及其协调度结果见图1，并将评价值、协调度的分值按照等级划分为“极低-较低-偏低-偏高-较高-极高”共计6 个等级(表3)。结果：①经济发展呈现出“波动增长”变化趋势。得益于人均GDP、经济密度和第三产业产值比重等指标在研究时段内持续且迅速的增长态势，经济发展评价值由0.5036(2010 年)增至0.8354(2020 年)，即由“较低”等级连续跨越至“偏高”等级，且在多数时段的上升趋势都较为显著，仅在个别年份有一定波动或轻微下降(2012 年、2016 年和2017 年)。因此，经济发展评价值总体上增长趋势还是比较明显的。②生态环境呈现出“波动下降”变化趋势。除二氧化硫排放量和烟/粉尘排放量等指标外，其余指标波动变化的趋势都比较明显，造林面积、湿地面积和污水排放量指标的最优值分别出现在2014年、2013年和2010年，生态环境评价值由0.5691(2010 年)增长至0.6903(2013 年)后经历了较长时间的波动下降趋势，并在2020年减少至0.6182，即2012年后持续在“偏低”等级波动变化。因此，生态环境评价值在多数时段的变化趋势是波动下降的。③协调度呈现出“整体上升”变化趋势。由于经济发展具有“波动增长”变化趋势，而生态环境的下降趋势是不太显著的，二者的变化情况在一定程度上也是比较同步的，因此二者的协调度除极个别年份(2012 年以外)、其余绝大多数年份都是平稳变化或者略有上升的。尤其是在研究时段早期(2011年和2013年)的增长趋势极为显著。因此，总体上协调度水平是上升的，并在2013-2014 年间由“偏高”等级增至“较高”等级后仍保持平稳增长。

图1 经济发展、生态环境及协调度结果表

表3 评价值、协调度的分值与等级表

2.2 敏感性分析

按照评价值、协调度所划分的分值与等级情况经由敏感型模型算法计算经济发展和生态环境评价值及其协调度的敏感性。考虑到本研究中的时段较长、对单独指标的敏感性分析意义不大，因此不再对各指标进行敏感性分析。此外，由于篇幅限制，以协调度敏感性为例详细阐述2010-2020 年协调度不同参数下的敏感性分析过程见表4。本文中采用的改进后的敏感性分析模型中3 级模型划分为高度、中度和低度敏感，分别在±2%、±4%和±8%下发生等级变化。经济发展、生态环境及协调度敏感性分析结果见表5。

表4 协调度敏感性分析过程表

表5 经济发展、生态环境及协调度敏感性分析结果表

从表4和表5中能够发现：①2010-2020年济南市ED-EE 协调度的敏感性总体上不高，早期和末期的敏感性较低、中后期经历了较长时段的敏感性较高的阶段，2013-2017 年在±2%的产生变化(高度敏感)、随后的2 年(2018-2019年)为中度敏感，其余年份均为低度敏感。②ED-EE协调发展的敏感性各有特点：一是经济发展和生态环境评价值的敏感性都较低。经济发展和生态环境分别在2010年和2018年以及2012-2013 年为高度敏感，这两项的评价值在其余年份都没有出现高度敏感的情况；在2014-2017 年和2019-2020 年经济发展和生态环境评价值交替出现低度和中度敏感；而2015、2016 和2019 年中二者均为低度敏感。二是结合协调度来看三者的敏感性演变规律，发现协调度的敏感性变化趋势与经济发展和生态环境评价值不一致，经济发展和生态环境评价值在早期(2010-2012 年)与协调性相比是较为敏感的，而在后续时段内(2014-2018年)较少出现高度敏感。但是协调度在中期经历了为期5年的高度敏感时段(2013-2017年)，在末期(2019-2020 年)三者的敏感性变化趋势逐渐趋同。

2.3 障碍度分析

运用障碍度模型计算的各指标历年障碍度的均值见图2。将各指标逐年运算障碍度数值按照经济发展和生态经济分别排序，生成色阶图见图3。结果：①经济发展中主要障碍因子为经济密度(ED2)、工业用电量(ED3)和人均GDP(ED1)，障碍度数值在0.0516-0.0585之间，第二产业产值比重(ED6)的权重值居于中间位置(0.0486)，障碍度均值较低的指标是工业总产值(ED4)、农业牧副渔总产值(ED5)和第三产业产值比重(ED7)，分别为0.0467、0.0461 和0.0460。以2014 年为界，较早时期(2014 年及之前)工业总产值(ED4)、农林牧副渔总产值(ED5)和第三产业产值比重(ED7)是比较主要的障碍因子，而在此之后(2014 年之后)除了工业总产值(ED4)仍然是主要障碍因子之外，工业用电量(ED3)和第二产业产值比重(ED6)取代了其余指标成为主要障碍因子。②生态环境中的主要障碍因子是污水排放量(EE7)、烟/粉尘排放量(EE6)和湿地面积(EE2)，数值分别为0.0564、0.0557 和0.0537，二 氧 化 硫 排 放 量(EE5)、造林面积(EE1)、建成区绿化率(EE3)和人均公园绿地面积(EE4)的障碍度值较低，数值介于0.0485-0.0512。生态环境呈现出明显的阶段性，即指标障碍度逐年排序按照2010-2012年、2013-2015年和2016-2020年划分为3个阶段：2012年以前主要障碍因子是湿地面积(EE2)和建成区绿化率(EE3)，2013-2015年主要障碍因子是人均公园绿地面积(EE4)、二氧化硫排放量(EE5)和烟/粉尘排放量(EE6)，2016年之后则为造林面积(EE1和)污水排放量(EE7)。

图2 指标障碍度均值图

图3 指标障碍度逐年排序色阶图

2.4 协调度预测

运用ARIMA(0,1,0)预测模型进行济南市经济发展与生态环境协调度的预测，选择近年来(2010-2020 年)的协调度数据用以预测后续年份(2021-2024 年)的协调度值，具体的实测值、拟合值及其上控制线(UCL)与下控制线(LCL)见图4。结果：①从既有时段的实测值和拟合值来看，二者在整体上较为接近，因此后续预测的可信度也较高。即在未来时段济南市经济发展与生态环境协调度将呈现出平稳上升的趋势，将从2020 年实测值0.8477(拟合值0.8515)增长至2024 年拟合值0.8932，逐级趋近于“极高”等级。②从上下控制线反映的情况来看，一是UCL 增长趋势迅猛、二是UCL与LCL的年份越远差距越大：UCL值在2022年就步入了“极高”等级(0.9010)并在2024年达到0.9218，因此济南市后续发展的潜力是巨大的，亟需加强经济发展建设和生态环境保护等工作；此外上下控制线差距约为0.0573，且不论是UCL还是LCL都呈现出一定增长，其增长值约为0.0313，这也验证了后续济南市的协调度应该呈现出总体增长的大趋势。

图4 协调度预测图

3 讨论与结论

3.1 讨论

经济发展与生态环境的协调度不是简单静态的短期协调关系，而是复杂动态的长期协调变化过程。作为人口大省、农业大省和工业大省典型代表山东省的省会城市，济南市开展经济发展与生态环境协调的工作对广大人口稠密、经济发达且人地矛盾突出的东部与中部城市都有着较强的借鉴和参考价值。本文中所采用指数变换法和变异系数法的新路径、综合运用敏感性模型和障碍度模型以及ARIMA(0,1,0)模型进行的时间序列预测等内容是对经济发展与生态环境协调性测度的有益尝试。

本文验证并支持徐梦辰[12]的主要结论，即济南市在2011-2014 年间的经济水平总体上升、(生态)环境水平总体下降且协调度波动变化。但本文中的研究时段更长(2010-2020 年)且包含对未来时段(2021-2024)的预测，此外，本文还运用敏感性模型和障碍度模型对协调度模型进行补充，因此本文的分析更加全面和深入。但本研究仍存在不足之处：一是仅采用济南市共11年(2010-2020年)14项指标的面板数据进行定量分析，二是仅就经济发展与生态环境二维协调度进行讨论，对于更广区域、更长时段和更多指标以及多维系统协调度的研究则有待后续研究补充。

3.2 结论

经由指数变换法、变异系数法、协调度模型、敏感性模型、障碍度模型和ARIMA 预测对2010-2020年济南市经济发展与生态环境进行协调度(含2021-2024 年预测)、敏感性及障碍度的定量分析，得出以下结论：①协调度模型的结果表明，经济发展、生态环境及其协调度的变化趋势不完全一致。具体而言：经济发展呈现出“波动增长”变化趋势，生态环境呈现出“波动下降”变化趋势，协调度呈现出“整体上升”变化趋势。②敏感性模型的结果表明，济南市协调度敏感性总体上不高，尤其是经济发展和生态环境评价值的敏感性都较低，但上述三者的趋势不完全一致。③经济发展中主要障碍因子为经济密度(ED2)、工业用电量(ED3)和人均GDP(ED1)，生态环境中的主要障碍因子是污水排放量(EE7)、烟/粉尘排放量(EE6)和湿地面积(EE2)，且障碍因子呈现出较强的阶段性变化趋势。④在未来时段济南市经济发展与生态环境协调度将平稳上升。

从近年济南市经济发展与生态环境协调关系演化的总体趋势来看，济南市正在改变“以牺牲生态环境来换取经济增长”的发展思想，对经济发展和生态环境的协调发展更加注重。即使济南市在ED-EE 协调发展方面取得一定的成效，但是二者所存在的矛盾依旧是不能忽视，生态环境保护工作仍然繁重。在“十四五”建设期间，济南市依然要高度重视环境保护工作，同时要加大资金投入，尤其是加快实施创新驱动战略、培养新兴产业，找到一条合适的发展之路，使协调发展之路成为自己独特的优势，在协调发展这条道路上要做到坚持如初、不断巩固协调发展的结果，最终让绿水青山真正变成真正的金山银山。