京津冀地区水-经济-生态耦合协调发展特征评价

王富强，应卓晖，吕素冰，赵 衡

(1.华北水利水电大学水资源学院，河南 郑州 450046；2.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室，河南 郑州 450046)

水资源系统是区域内由水循环连结的各种水利工程和非工程措施构成的统一整体，经济社会系统是以人类为主体，产生工业贸易、旅游休闲等社会活动的复杂系统，生态环境系统则是生物与环境构成动态平衡的有机单位[1]。水资源、经济社会和生态环境之间时刻进行着物质、信息和能量的输入、输出和交换。随着区域发展失衡与空间开发无序问题日趋突出，水资源、经济社会和生态环境之间供需矛盾加剧，制约区域可持续发展[2]。2017年党的十九大报告提出实施区域协调发展战略[3]；2019年习近平总书记在京津冀地区考察，强调应正确认识当前区域经济发展新形势，在发展中促进相对平衡；2020年党的十九届五中全会为新时期我国区域协调发展指明了方向。京津冀地区作为我国区域协调发展核心，水资源、经济社会和生态环境互相制约是区域可持续发展面临的重大问题[4]，揭示其水资源-经济社会-生态环境(下文简称为水-经济-生态)耦合协调发展的特征规律，对促进该地区经济社会高质量发展具有重要意义。

水-经济-生态系统的研究最早聚焦于经济社会和生态环境。二战结束后，具有重大影响的“八大公害”事件迫使人们开始反思推动经济发展对环境产生的影响[5]；Holling[6]认为生态和经济的发展是复杂多变的，有必要厘清内在发展规律并构建高质量的经济-生态系统；Mehta等[7-8]主张站在人类和谐发展的角度解决经济与生态的危机。随着研究的深入，部分学者尝试加入第三方系统分析水-经济-生态的复合关系。Yan等[9-10]通过对水-经济-生态系统匹配度及内在机制的探讨，验证协调发展的必要性。而耦合协调度模型普遍用于研究系统间互馈关系，通过定量描述系统间要素相互配合或正向作用的耦合程度，反映各系统发展水平的相对高低，进而识别区域发展中存在的问题[11]。刘耀彬等[12]尝试基于协同学思想构建耦合度模型，对经济与生态的交互作用进行定性分析；王会芝等[13-15]基于现有耦合协调度模型对区域经济、社会和生态环境的耦合协调发展进行定量评价；Choi等[16-17]对现有模型进行改进，结合河流耗竭潜力指数，基于遗传算法的投影寻踪模型，探究区域系统间的动态演化机制。

国内外学者关于水-经济-生态耦合协调的研究成果逐渐丰富，但甚少在充分考虑水资源、经济社会和生态环境多方面指标的基础上，对三者内在耦合协调状况进行长序列的深入探析。基于此，本文以京津冀地区为研究对象，在合理架构水资源、经济社会和生态环境互馈关系的基础上，构建水-经济-生态耦合协调发展评价指标体系，运用耦合协调度模型对京津冀地区水-经济-生态的耦合协调发展特征进行分析，并利用灰色关联法对主要影响因素进行识别，旨在为京津冀地区制定相关政策提供参考依据。

1 水-经济-生态耦合协调评价模型构建

1.1 评价指标体系

水-经济-生态是覆盖多种指标的复合系统，科学全面地构建评价指标体系是水-经济-生态耦合协调评价的关键。本文依据科学性、系统性、指标的可获得性以及区域性原则，在考虑水资源、经济社会和生态环境三者内部机理的基础上，结合京津冀地区实际情况，构建水-经济-生态耦合协调评价指标体系，初步选取69个评价指标，通过下述步骤进行评价指标筛选：

a.指标数据标准化。为便于不同属性指标之间的分析，将各指标数据标准化为[0,1]之间的数值，消除量纲不同的影响。

b.灰色关联分析。结合研究区域实际情况，选取人均生活用水量、人均GDP和城市绿化覆盖率作为参考序列，其余各指标序列为比较序列，运用灰色关联分析法在各系统中选取与参考序列关联度最高的9个指标。

c.主成分分析。由于灰色关联分析结果与参考序列的选定有直接关系，主观性较强，因此采用主成分分析和聚类分析，在指标互不重复的基础上，选取涵盖最多原始信息的指标。

通过分析，确定京津冀地区水-经济-生态耦合协调评价指标体系，共包含24项指标，详见图1。

图1 京津冀地区水-经济-生态耦合协调评价指标体系

1.2 评价模型

水资源、经济社会和生态环境系统间相互作用一般由耦合协调度模型进行评价，耦合协调度D表示相互作用中良性耦合程度的大小[18-19]。耦合协调度模型由综合发展指数T和耦合度C构成，能够综合评价区域水资源、经济社会和生态环境系统间的协调发展程度，而综合评价指数Y是测算耦合协调度的基础。本文首先运用一般公式和改进的突变模型计算京、津、冀3地水资源、经济社会和生态环境系统的综合评价指数，进而测算综合发展指数和耦合度，最终得到区域耦合协调度，并进行演变特征分析。

1.2.1综合评价指数

综合评价指数常用一般公式[20]进行计算：

(1)

式中：Y1j、Y2j、Y3j分别为水资源、经济社会和生态环境系统第j年的综合评价指数；w1i、w2i、w3i分别为水资源、经济社会和生态环境系统中指标i权重；n1、n2、n3分别为水资源、经济社会和生态环境系统中指标个数；x1ij、x2ij、x3ij分别为水资源、经济社会和生态环境系统指标i第j年标准化数值。

为使评价结果更真实可靠，引入Rene-Thom提出的突变理论组合计算，该理论基于指标的无量纲化处理，按指标间内在逻辑关系进行重要程度排序，通过底层指标的突变模糊隶属度值逐级计算中间层和顶层，以避免指标权重的影响[21]。突变模型的类型由控制变量决定，当控制变量个数不超过4时，可以归纳出4种常见的突变模型，即折叠突变、尖点突变、燕尾突变和蝴蝶突变[22]。本文构建的京津冀地区水-经济-生态评价指标体系各指标层中分别存在2～4个指标(控制变量)，因此在综合评价指数计算中分别选用尖点突变、燕尾突变和蝴蝶突变进行突变处理。

由于突变评价法归一化公式容易造成最终结果普遍过高且差距较小，因此运用施玉群等[23]提出的方法进行修正。结合一般公式和改进的突变模型计算结果，得到水资源、经济社会和生态环境各系统的综合评价指数，以分析京津冀地区各系统的发展状态。

1.2.2耦合协调度模型

耦合协调度模型计算公式[24]为

(2)

Tj=αY1j+βY2j+γY3j

(3)

(4)

式中：Cj为各系统第j年的耦合度；Tj为各系统第j年的综合发展指数；α、β、γ为待定系数，且α+β+γ=1，由于水资源、经济社会和生态环境系统之间相互制约影响，因此三者同等重要，故取α=β=γ=1/3；Dj为第j年的耦合协调度，既可以反映系统发展的综合水平，也可以体现系统发展的协调状况，0≤Dj≤1，Dj越小，系统间协调状况越差，Dj越大，协调状况则越好。参考已有研究成果[25-26]，结合实际情况对耦合协调度等级进行划分(表1)。在Y1j、Y2j、Y3j中，Y1j最小时为水资源滞后型，Y2j最小时为经济社会滞后型，Y3j最小时为生态环境滞后型。当某系统滞后时，说明该系统与该地区整体发展不协调。

表1 耦合协调度等级

1.2.3灰色关联分析法

灰色关联分析法通过确定参考数列和若干比较数列集合形状的相似程度判断二者的联系是否紧密，反映曲线间的关联程度[27]。为辨识对耦合协调度影响最大的因素，运用灰色关联分析法分别对京津冀地区及各地区的耦合协调度和所选指标进行关联度计算，以耦合协调度结果作为参考序列，所选指标作为比较序列，利用MATLAB进行分析，选取关联度高于均值的指标作为主要影响因子。

1.3 数据来源

本文数据来自京津冀地区2007—2020年各地统计年鉴、京津冀地区2006—2019年各地水资源公报、《河北省环境状况公报(2006—2019年)》、各地政府工作报告以及各地国民经济与社会发展统计公报等，少数未统计数据利用插值法补齐。

2 京津冀地区水-经济-生态耦合协调发展特征及归因分析

利用熵权法确定各系统指标权重，并利用式(1)～(4)测算京津冀地区水资源、经济社会和生态环境系统的综合评价指数、综合发展指数和耦合协调度，基于计算结果分析京津冀地区的耦合协调度，并对主要影响因素进行识别。

2.1 演变特征分析

京津冀地区及各地区水资源、经济社会和生态环境系统综合评价指数和水-经济-生态耦合协调度变化趋势如图2和图3所示。

(a)京津冀地区

图3 京津冀地区和各地区水-经济-生态耦合协调度演变

a.京津冀地区2006年水-经济-生态耦合协调度最低，为0.496，属于勉强耦合协调型；2018年耦合协调度最高，为0.773，属于良好耦合协调型。京津冀地区大部分年份处于水资源系统滞后、部分年份处于经济社会系统和生态环境系统滞后的状态，水资源矛盾始终影响区域协调发展，经济社会系统发展较缓，生态环境系统快速发展。2009年和2014年由于区域来水偏枯、人口增长过快，导致耦合协调发展出现减缓趋势，其余年份均正向发展。

b.北京2006年水-经济-生态耦合协调度最低，为0.669，属于中级耦合协调型；2018年耦合协调度最高，为0.863，属于良好耦合协调型。北京长期处于水资源系统滞后的状态，2016和2018年由于来水较丰，水资源系统综合评价指数上升，人口基数过大导致部分经济指标上升缓慢，使经济社会系统相对水资源和生态环境系统滞后，生态环境系统综合评价指数逐年上升。2014年和2019年由于区域来水偏枯，耦合协调度出现显著下降。

c.天津2006年水-经济-生态耦合协调度最低，为0.557，属于勉强耦合协调型；2019年耦合协调度最高，为0.795，属于中级耦合协调型。天津处于水资源和生态环境系统交替滞后的状态，水资源和生态环境问题始终制约天津的发展，经济社会系统指数波动上升，2014年南水北调中线工程全线通水后，水-经济-生态系统逐渐协调发展。2009年由于河流水质和水资源禀赋状况较上年略差，因此耦合协调度呈明显下降趋势。

d.河北2006年水-经济-生态耦合协调度最低，为0.263，属于失调衰退型；2018年耦合协调度最高，为0.670，属于中级耦合协调型。河北始终处于经济社会系统滞后、水资源系统综合评价指数波动变化、生态环境系统综合评价指数稳步上升的状态。2014年由于水资源赋存条件极差且人口自然增长率较高，导致耦合协调度大幅下降，其余年份大都正向发展。

京津冀地区和各地区水-经济-生态耦合协调度均呈上升趋势，说明京津冀地区各系统之间耦合互动紧密，并向积极的态势发展。同时，地区之间存在明显差异，2006年北京属于中级耦合协调型，天津属于勉强耦合协调型，河北属于失调衰退型；2015年，京津冀一体化方案提出，南水北调中线工程全线通水后，京津冀地区各地耦合协调发展水平均呈现不同程度的上升，北京转变为良好耦合协调型，天津为中级耦合协调型，河北为勉强耦合协调型；2019年北京和天津耦合协调发展水平在现有基础上缓慢提升，而河北有较大改善，转变为中级耦合协调型。综上，北京耦合协调发展水平始终处于区域领先，天津维持在京津冀地区总体水平上下，河北耦合协调水平虽持续偏低，但始终处于稳步上升的状态。

2.2 归因分析

根据各地区主要影响因子识别情况(图4)，京津冀地区水-经济-生态耦合协调度影响因素中关联度最高的是水资源总量，关联度为0.860，且超过半数指标关联度较大；北京水-经济-生态耦合协调度影响因素中关联度最高的是人均水资源量和水资源总量，关联度均为0.816，且大部分影响因子关联度均接近0.7；天津水-经济-生态耦合协调度影响因素中关联度最高的是水资源总量，关联度为0.841，而大部分影响因子关联度均位于0.6～0.7之间；河北水-经济-生态耦合协调度影响因素中关联度最高的是水资源总量，关联度为0.948，远高于其余影响因子。

(a)京津冀地区

从因子识别结果可知，京津冀地区水资源系统指标占比为46.2%，经济社会系统指标占比为38.5%，生态环境系统指标占比为15.4%；京、津两地水资源系统指标占比为54.5%，经济社会系统指标占比为27.3%，生态环境系统指标占比为18.2%；河北水资源系统指标占比为63.6%，经济社会系统指标占比为36.4%，生态环境系统指标占比为0%。水资源系统各指标是影响京津冀地区水-经济-生态耦合协调发展最为重要的因素，主要是水资源总量和地下水储变量，水资源开发利用情况及用水效率指标次之；经济社会和生态环境系统各指标对水-经济-生态耦合协调度的影响相对较小，其中人口变化指标影响较大。

水资源是京津冀地区协调发展过程中不可或缺的基础性自然资源[28]，因此全面协调本地水、外调水及非常规水源，提高节水水平和用水效率是现阶段推进京津冀地区水-经济-生态协调发展的重要措施。京、津两地处于我国人口经济核心地区，城市飞速发展对水资源及生态环境造成的压力较大，2014年南水北调中线工程全线通水后，缓解了部分来自水资源和生态环境方面的压力，2017年雄安新区的设立帮助分担北京部分人口压力，未来在保障城市水资源和生态环境的基础上，应继续推进京津冀一体化发展进程。而河北在京津冀地区经济发展持续落后，未来应借助沿渤海、临首都的区位优势，推动经济社会高质量发展，建设现代化经济强省，将水资源、经济社会和生态环境紧密结合。

3 结 论

a.京津冀地区2006—2019年水-经济-生态耦合协调度呈上升趋势。京津冀地区和北京水资源系统持续滞后，天津水资源和生态环境系统交互滞后，河北始终处于经济社会系统滞后的状态，水资源系统的矛盾始终制约京津冀地区协调发展。

b.北京由中级耦合协调型发展成良好耦合协调型，天津由勉强耦合协调型发展成良好耦合协调型，河北由失调衰退型发展成中级耦合协调型。北京处于水-经济-生态耦合协调发展最好水平，天津其次，河北由于经济持续落后导致耦合协调发展缓慢。未来应继续推进京津冀一体化进程。

c.水资源总量和地下水储变量是影响京津冀地区水-经济-生态耦合协调度最主要的因素，人口变化指标次之，今后应进一步统筹本地水、外调水及非常规水源的开发利用，提升用水水平和用水效率，促进经济社会和生态环境的高质量发展。