黄河河南段资源-生态-经济和谐发展水平及耦合协调分析

赵晨光，马军霞，2，左其亭，2，王娇阳，符运友

（1.郑州大学水利科学与工程学院，郑州 450001；2.河南省水循环模拟与水环境保护国际联合实验室，郑州 450001；3.河南省豫北水利工程管理局，河南 新乡 453002）

黄河流域是中华文明主要发源地之一，是重要的生态屏障和经济带，但黄河流域依旧存在生态脆弱、水资源短缺、水土流失严重、资源环境承载能力低等问题，沿黄河流域各省区发展不平衡、不充分［1］。黄河河南段作为黄河流域中下游重要组成部分，评估其资源-生态-经济系统（The System of Resource，Ecology and Economic，REE系统）和谐发展水平及耦合协调关系，对推进黄河流域生态保护和高质量发展起着举足轻重的作用。

2017年以来，国内外关于系统和谐发展水平及耦合协调关系的研究成果比较丰富。在系统和谐发展水平评价方面，左其亭等［2］提出“单指标量化-多指标综合-多准则集成（SMI-P）”及“单指标量化-多指标综合（SI-MI）”等定量研究方法，郭唯等［3］从人口、水资源、经济角度研究河南省三系统间的和谐发展时空变化，Zuo等［4］提出一种基于和谐论的人水关系评估方法，并分析评价了河南省的人水和谐发展水平。在系统耦合协调关系分析方面，廖重斌［5］提出协调发展度模型（即耦合协调度模型），王淑佳等［6］基于传统耦合协调度模型提出其修正模型，谢永琴等［7］探讨了黄河流域经济发展-科技创新-生态环境系统的耦合协调关系以及时空特征，Moll等［8］对资源环境-经济发展系统关系进行分析并评价了其协调性。

综上所述，针对黄河流域高质量发展河南段战略实施区（以下简称“黄河河南段战略实施区”）资源-生态-经济系统和谐发展水平及耦合协调关系的研究较少，且多数相关研究仅采用熵权法［9］进行数据标准化处理及权重确定，受数据波动影响较大。因此，本文选择黄河河南段战略实施区15个地级市作为研究区，从资源、生态、经济3个方面构建评价指标体系，采用基于最小二乘法的AHP-熵权法组合权重模型［10］确定指标权重，通过“SMI-P”［2］评估研究区REE系统的和谐发展水平，然后将“SMI-P”［2］方法与耦合协调度模型［11］相结合，综合分析研究区REE系统耦合协调关系，以助力推进黄河流域生态保护和高质量发展。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

黄河河南段战略实施区是指河南省境内黄河战略辐射到的所有地级市行政区域［12］，总面积为10.66万km2，占河南省全省面积的63.8%，涉及豫中（郑州市、平顶山市、许昌市、漯河市）、豫东（开封市、商丘市、周口市）、豫西（三门峡市、洛阳市）、豫北（济源市、焦作市、新乡市、鹤壁市、安阳市、濮阳市）4个分区15个地级市，见图1。

图1 研究区位置及范围Fig.1 The location and scope of the study area

研究区地处黄河中下游，属于大陆性季风气候，是历史上黄河决口、改道危害最重地区，生态环境虽在日益改善，但还较为脆弱；其自然资源丰富，但开发强度较大；其经济虽处于稳步增长趋势，但人口基数较大，2019年人均GDP为6.19万元，远低于全国平均水平7.09万元。其次，资源、生态、经济三系统间的协同发展尚不平衡。因此，笔者认为研究其REE系统和谐发展水平及耦合协调关系十分必要。

1.2 数据来源

研究区高程数据来源于地理空间数据云（https://www.gscloud.cn/），为ASTER GDEM 30M分辨率数字高程数据；水系及河湖水域栅格数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（https://www.resdc.cn/）。

指标体系数据来源于2008—2019年《中国环境统计年鉴》、《河南省统计年鉴》、《城市建设统计年鉴》、《河南省水资源公报》、《河南省环境统计年报》、中国统计局最新能源数据修订版（2015年）以及各地级市统计年鉴、水资源公报。其中，各地级市2019年人均耕地面积、2018—2019年单位面积粮食产量、万元GDP废水排放量及二氧化碳排放量等缺失数据采用线性插值法进行补充。

2 研究方法

2.1 指标体系构建

基于科学性、时效性、代表性、完备性及数据可获取性等原则，在黄河流域目前已有的研究［13-19］基础上，综合考虑资源、生态、经济均衡发展的多维因素，从资源、生态、经济3个维度选取21个评价指标，构建研究区REE系统和谐发展水平及耦合协调关系评价指标体系。资源系统指标用于反映人类在从事社会生产、生活活动时的资源条件及利用状况；生态系统指标用于反映区域污染状况及生态投资和建设水平；经济系统指标用于反映社会经济基础、发展、差距及效益状况。具体指标及其属性见表1。

表1 REE系统和谐发展水平及耦合协调关系评价指标体系Tab.1 Evaluation indicator system for harmonious development level and coupling coordination relationship of REE system

2.2 指标权重确定

指标赋权方法分为主观赋权、客观赋权及主客观综合赋权等3类。AHP为主观赋权方法，计算过程简单易懂，且能够清楚呈现各准则层与指标的关系，但受人为因素的影响较大；熵权法为客观赋权方法，其精确性及适应性较高，但过度依赖样本数据。两种方法的单一赋权均会对指标权重及评价结果的准确性造成一定程度影响，而将主、客观赋权结合的AHP-熵权法组合权重模型在避免个人主观赋权随意性的同时，又可兼顾样本数据的客观现实性，能够有效克服单一赋权方法的局限性问题，使指标权重及评价结果更加准确。因此，采用基于最小二乘法的AHP-熵权法组合权重模型［10］，求解各指标组合权重W＝［ω1，ω2，…，ωm］T。计算公式为

约束函数为

式中：F（ω）为组合权重偏差；sj、oj、ωj分别为第j个指标主观权重、客观权重、组合权重；zij为具有n个评价对象、m个指标的标准化后的数据矩阵；i＝1、2、…、n，j＝1、2、…、m。

构造拉格朗日函数，求解模型为

然后，将拉格朗日函数分别对ωj、λ求偏导数可得

用矩阵形式可表示为

其中

式中：P为m×m对角矩阵；e、W、Q为m×1向量；λ是随机数。

解矩阵方程可得：

2.3 SMI-P方法

2.3.1 单指标量化

采用分段线性隶属函数量化方法［20］对指标数据进行无量纲化处理，并假定各指标均有5个特征值：最差值a、较差值b、及格值c、较优值d和最优值e；正向指标为和谐度随指标值增大而增大的指标，负向指标为和谐度随指标值增大而减小的指标，二者计算公式为

式中：H j为第j个指标的和谐度；m为指标个数，j＝1、2、…、m，为了区分系统，分别用m1、m2、m3表示各系统指标个数；aj、bj、cj、d j、ej分别为第j个指标的最差值、较差值、及格值、较优值和最优值。

2.3.2 多指标综合计算

通过多指标加权方法计算各系统综合得分，计算公式为

式中：IR、IE，1、IE，2分别为资源指数、生态指数、经济指数；m1、m2、m3分别为资源、生态、经济系统的指标个数；H p、H q、H r分别为资源、生态、经济系统中第p、q、r个指标的和谐度；ωp、ωq、ωr为权重。

2.3.3 多准则集成计算

将IR、IE，1、IE，2加权平均计算得出REE系统和谐发展指数，其值大小反映REE系统和谐发展水平，计算公式为

式中：IREE为REE系统和谐发展指数；μ1、μ2、μ3分别为资源、生态、经济系统对应权重，三者之和为1，因各系统对和谐发展水平同等重要，故均取1／3。

2.3.4 和谐发展水平评价标准

参考相关研究［20-21］，根据IREE数值大小，将REE系统和谐发展水平划分为5个等级，见表2。出于对研究区REE系统和谐发展水平客观评价，没有绝对和谐与不和谐，因此，未考虑0和1相应等级的划分。

表2 REE系统和谐发展水平等级划分标准Tab.2 Classification standard for harmonious development level of REE system

2.4 REE系统耦合协调度模型

耦合协调度是表征系统间在发展过程中由无序走向有序的趋势［22-23］。采用“SMI-P”方法［2］中的“单指标量化-多指标综合”（SI-MI）方法［2］进行数据标准化处理及各系统综合得分的计算，再将“多准则集成计算”与耦合度模型［11］相结合，以期构建REE系统耦合协调度模型来计算REE系统耦合协调度。

2.4.1 耦合协调度模型

耦合度模型为

式中：Y为REE系统耦合度。

耦合协调度模型为

式中：Z为REE系统耦合协调度。

2.4.2 耦合协调度评价标准

为了更清晰地分析研究区REE系统耦合协调关系，参考相关研究成果［24-27］并结合研究区相关概况划分了研究区REE系统耦合协调度等级，见表3。

表3 REE系统耦合协调度等级划分标准Tab.3 Classification standard for coupling coordination level of REE system

3 结果分析

3.1 REE系统和谐发展水平

3.1.1 各地级市REE系统和谐发展水平

2008—2019年黄河河南段豫东、豫西、豫北、豫中4个地区15个地级市的IREE见图2。总体上，研究区15个地级市IREE值均处于上升趋势，说明随着当地居民综合素质的提升、政府政策的不断调整，和谐发展水平正在逐年提高，系统整体发展向好。其中，整体和谐发展水平最优为郑州市（IREE＝0.68），最差为濮阳市（IREE＝0.51）。15个地级市在研究时段内均未达到和谐水平，说明当地政府对黄河流域生态保护和高质量发展重视程度还不够，管理制度及监管力度尚有欠缺。

图2 黄河河南段各地级市的IREEFig.2 The IREE of prefecture-level administrative region in Henan section of the Yellow River

豫东地区：周口市和谐发展水平较平稳且为最先达到较为和谐水平的地级市，其人均水资源量（A1）、人均耕地面积（A3）、人均GDP（C1）等指标直线上升，同时当地政府提倡绿色发展［28］。豫西地区：洛阳市和谐发展速度高于三门峡市，但整体和谐发展水平落后于三门峡市，其归因于洛阳市人均水资源量（A1）、人均公园绿地面积（B3）、人均公共财政预算收入（C6）、城镇化率（C3）等指标较低，拉低了其和谐发展水平。豫北地区：焦作市IREE在2019年达到区域时空最优值0.72；濮阳市IREE在2008年为区域时空最差值0.39，这与其当时人均水资源量（A1）、建成区绿化覆盖率（B4）、城镇化率（C3）及第三产业产值占GDP比重（C7）较低，万元GDP二氧化碳排放量（B2）及城乡居民人均可支配收入比值（C5）较高有关。豫中地区：郑州市和谐发展水平一直处于领先地位，除资源系统中的人均水资源量（A1）、人均耕地面积（A3）及单位面积粮食产量（A7）指标值较差外，其他18个指标的值均接近于较优值或最优值，这说明其作为国家中心城市，对资源-生态-经济系统的均衡发展较为重视［29-30］；平顶山市和谐发展水平最差，在2008—2015年一直处于接近不和谐水平，但到2016年达到了较为和谐水平，这与其进出口额占GDP比重（C4）、人均公共财政预算收入（C6）、第三产业产值占GDP比重（C7）等指标逐渐提升有关。

3.1.2 各分区REE系统和谐发展水平

豫东、豫西、豫北、豫中及15个地级市区域平均IREE值见图3，2008—2019年研究区和谐发展水平总体呈现上升趋势。2013年之前，豫西地区和谐发展水平在各地区中排名最优，主要得益于其明显的区位优势、丰富的生物和矿产资源以及快速发展的旅游业［31-33］；2013年以后，豫中地区和谐发展水平稳步上升且处于领先地位；豫东、豫北地区和谐发展水平一直低于15个地级市平均水平，主要由于豫东地区地处黄河泛滥区，其生态环境急剧恶化，一直以来对其经济造成一定影响；豫北地区随着资源型城市发展的衰落，省内经济重心的转移，其经济发展受到阻碍、比重明显下降。

图3 区域平均IREE变化趋势Fig.3 The variation trend of regional average IREE

3.2 REE系统耦合协调关系时空演变特征

根据耦合协调度模型计算得出2008—2019年研究区15个地级市REE系统耦合协调度，其时空演变趋势见图4、5。

图4 REE系统耦合协调度时间演变趋势Fig.4 Temporal evolution trend of coupling coordination degree of REE system

3.2.1 时间演变特征

15个地级市REE系统耦合协调等级进入优质协调阶段的数量在逐年增多。2008—2011年，除周口市外，其他地级市协调发展速度均呈现显著增长，说明14个地级市REE系统正处于相互促进发展局面，其归因于当地政府进一步完善社会主义市场经济体制，并逐步提高对资源节约利用及生态环境保护工作的重视程度，充分发挥资源、生态对全省经济社会发展的宏观调控作用［34］；2011—2014年，开封市协调发展增速最高，其他地级行政区协调发展速度较为平稳，说明REE系统仍在向相互促进的状态发展；2014—2017年，各地级市基本保持稳定增速，其归因于各地级市坚持贯彻落实“大力推进生态文明建设及经济结构战略性调整”等相关政策［35］的实施；2017—2019年，各地级行政区REE系统耦合协调发展关系均为良好及优质协调型，协调发展增速虽较前几年减缓，但仍然呈现稳步提高的趋势。

图5 REE系统耦合协调度空间演变趋势Fig.5 Spatial evolution trend of coupling coordination degree of REE system

3.2.2 空间演变特征

各地级市REE系统耦合协调关系空间分布情况为“中部优，周围劣”，存在显著差异。从整体来看：良好协调型地级市于2011年明显增多，中级协调型地级市与其数量相当，且已减少至8个；2017年，15个地级市均达到良好协调及以上阶段，主要得益于国家“十二五”“十三五”规划［34-35］的实施，河南省进行深入贯彻落实，推进资源节约集约利用，加强生态文明建设，加快经济发展方式转变，更加注重资源-生态-经济的协调发展。从局部来看：除2008年外，郑州市、许昌市一直处于领先地位，且于2017年优先进入优质协调阶段，说明两个地级市REE系统协调发展水平较高，系统间相互作用关系较强，其归因于当地资源、生态、经济各系统发展水平均较高，且当地政府对三系统间的均衡发展较为重视；三门峡一直处于良好协调阶段，是由于其地处黄河河南段入口，具有得天独厚的区位优势，自然资源基础相对较好，这在很大程度上提高了当地资源利用和经济发展水平，进一步促进了生态建设的发展速度及当地政府对生态保护的重视；濮阳市协调发展速度相对缓慢且落后于其他14个地级市，主要原因是其处黄河河南段尾段，地理区位劣势，经济发展支撑力不足且发展滞慢［36］，这在一定程度上减弱了当地政府及其他企业对资源开发及生态保护的投资力度，削弱了其资源利用及生态环境改善程度，致使其REE系统耦合协调关系较弱。

4 结 论

以黄河河南段战略实施区15个地级市作为研究区，基于2008—2019年各地级市的面板数据，采用“SMI-P”方法评估研究区REE系统的和谐发展水平，进一步将“SMI-P”方法与耦合协调度模型相结合对研究区REE系统的耦合协调关系进行综合分析评价，得出如下结论：

15个地级市资源-生态-经济系统和谐发展水平呈现波动增长趋势，但均未达到和谐水平。因此，需要综合运用智能化设备升级资源技术，增强生态法制支撑、加大生态环境保护及治理力度，优化调整经济结构、推进区域经济发展，进一步提高REE系统和谐发展水平。从4个分区来看：豫北和豫东和谐发展水平较落后；豫北地区需调整宏观政策，优化产业结构，加大重大基础设施建设力度；豫东地区需提高黄河泛滥灾害预警反应能力，同时做好生态环境保护及治理工作，减少地理劣势影响。从各地级市来看：整体和谐发展水平最优地级市为郑州市（0.68）、最差为濮阳市（0.51），濮阳市需提高水资源管理水平、优化用水结构以提升水资源综合利用效率，加大绿化资金投入及环境保护监督力度。

15个地级市REE系统耦合协调关系多数为中级和良好协调，且存在显著差异，空间分布情况为“中部优，周围劣”，需要统筹区域发展规划，综合制定协调发展方案，增强三系统间相互作用关系。从时间维度来看：2008—2017年耦合协调度较低地级市逐渐减少并向优质协调阶段集聚。从空间维度来看：所有地级市均于2017年达到良好协调，但达到优质协调的地级市只有郑州市、许昌市和漯河市；濮阳市协调发展水平较落后，应坚持生态保护优先、经济发展及资源利用水平并进，统筹城乡规划以提高城镇化水平及减小城乡收入差距、优化产业结构以实现产业协调发展，加强资源节约集约利用，以期增强三系统间的协调发展关系。