湖南省“水资源-经济社会-生态环境”耦合系统协调发展评价

苏 莹，董增川，崔 璨，韩亚雷，王新奎，杨家亮，王昱璋，龙秋波

（1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098； 2. 湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

0 引 言

水资源对于推动经济社会发展和维持生态环境系统的平衡发展起到至关重要的作用，研究水资源复合系统［1］中“水资源-经济社会-生态环境”三者的相互影响与作用的互馈机制对该系统的协调可持续发展具有重要的现实意义。

“耦合”与“协调”等概念在自然科学、社会科学和人文科学等多个科学领域中得到广泛运用，现阶段众多学者已将耦合协调理论引入到水资源系统研究中。目前有关“水资源-经济社会-生态环境”复合系统协调发展的研究，主要分为以文献研究、对比分析为主的定性理论研究和以耦合协调模型为主的定量数据分析。在定性理论研究方面，马世骏［2］早在20世纪80年代提出“社会、经济、自然是一个复合大系统的整体”，为水资源—经济社会—生态环境协调发展研究提供了坚实的理论基础；冯尚友等［3］从实证论和系统论的角度出发，论述了水资源生态经济复合系统的客观存在问题；钟淋涓等［4］探讨了水资源、社会经济与生态环境之间的相互作用关系，并指出了水资源、社会经济与生态环境的最合理发展方式；姚志春等［5］深入分析了水资源生态经济系统的耦合关系的实质。在定量数据分析方面，学者们先后针对不同地域围绕水资源—经济社会—生态环境耦合开展了系列实证分析与研究：王琦等［6］利用耦合度及耦合协调度函数计算并分析了洞庭湖地区的耦合协调及综合发展状况；常玉苗等［7］运用系统分析方法，借助耦合协调度模型得到长江11 省（市）水资源系统和水环境治理系统与城市生态经济系统的协调程度；杜新强等［8］通过构建耦合协调评价模型对北方地区近15年来水资源、社会经济和生态环境等各子系统及其耦合系统的发展状态进行了多尺度的量化分析；吴兆丹等［9］基于熵值赋权法建立相关耦合协调度模型，对江苏省经济发展与水土资源的耦合协调度展开研究。

选取湖南省作为研究对象，基于湖南省水资源分布格局、经济发展现状、生态破坏与环境保护情况，针对湖南省现阶段所呈现的水资源时空分布不均、水质污染及缺水问题，采用定量数据分析方法构建“水资源-经济社会-生态环境”耦合协调模型和合理的层次指标体系，结合湖南省地域特征，分析系统综合发展水平和耦合协调度的时空演化特征，诊断影响不同地区系统耦合协调度的障碍因子，为湖南省的水资源、经济社会、生态环境的协调可持续发展规划提供理论参考和决策支持。

1 研究区概况及数据来源

湖南省总面积21.18 万km2，占全国国土面积的2.2%。全省辖13个地级市、1个自治州，共14个地级行政区，其中包括长沙市、株洲市、湘潭市、衡阳市、邵阳市、岳阳市、常德市、张家界市、益阳市、郴州市、永州市、怀化市、娄底市和湘西州。2020年，湖南省地区生产总值41 781.49 亿元。截止2021 年5 月，全省常住人口6 644.48 万人。

湖南省多年平均降水量1 454 mm，多年平均水资源总量1 695 亿m³，其中地表水资源量1 688 亿m³，水资源可利用总量约为835 亿m³。因季风不稳定及地形等因素影响，湖南省降水时空分布及水资源总量年内分配不均，局部性缺水、季节性缺水、水质性缺水问题较为严峻。湖南省围绕“一湖四水”大力推进生态修复，为周边经济社会发展提供了蓄洪防涝、保持水土等重要的生态系统服务功能，但 “一湖四水”重要水域仍然存在着大型工业生产企业、生活农业污水排放、采矿和砂石等污染源，水污染、水环境生态、水资源、水安全的治理和保护问题依然不容乐观。

湖南省水资源-经济社会-生态环境耦合系统协调发展评价所需要的相关数据主要来源于2005-2020 年的《湖南省统计年鉴》《湖南省水资源公报》以及《湖南省“十四五”供水规划》。

2 研究方法

2.1 评价指标筛选及体系构建

（1）指标选取。“水资源-经济社会-生态环境”复合系统是一个由水资源状况、经济社会发展和生态环境保护子系统相互作用形成的具有复杂互馈关系的统一整体［10］，每个子系统的影响因素众多，为了识别和表达3个子系统之间的互馈机制，需要选取表征耦合协调发展状况的直接或间接的指标集合并建立合理的多层次指标体系［11］，才能对复合系统的协调发展做出全面地、直观地评价。

本文将多层次指标体系划分成目标层、准则层与指标层3个层次，建立区域水资源复合系统协调发展评价指标体系。目标层A：将复合系统定义为水资源综合利用系统，目的在于研究区域水资源的综合利用水平和协调发展程度，为区域的可持续发展提供依据。准则层B：准则层由3 个子系统构成：水资源子系统描述了水资源禀赋条件、用水效益、水土匹配情况与用水结构，是最核心的主体；经济社会子系统描述了水资源为主要控制下经济发展水平、人口出生水平、城市发展程度及产业结构与经济效益；生态环境子系统反映了区域生态环境污染情况与治理现状，促进生态环境健康发展。指标层C：选用具体的可测度指标，构成指标体系的最基层要素。

基于《湖南省统计年鉴》《湖南省水资源公报》以及《湖南省“十四五”供水规划》研究归纳整理了与湖南省2005 至2020 年间水资源、经济社会和生态环境状况相关的50 余项数据指标，初步确立了由30项指标构成的“水资源-经济社会-生态环境”3层次结构评价体系。其中，水资源总量、水资源开发利用程度、地表及地下水可利用量、产水系数、用水量、生态环境补水量、万元GDP 耗水量、万元工业增加值耗水量等数据指标选自《湖南省水资源公报》，人口总数、耕地及省土面积、GDP、人口自然增长率、城镇化率、产业产值、森林覆盖率、水域面积、COD及氨氮浓度、水功能区水质达标率等数据指标选自《湖南省统计年鉴》，用水控制红线数据指标选自《湖南省“十四五”供水规划》。

基于初步建立的指标体系，进一步通过相关性分析［12］对各子系统进行分析及筛选，并对相关程度较大的指标予以删除，从而减少信息的重叠度。从相关系数来看，在水资源子系统中，单位面积水资源量与单位耕地面积水资源量的相关性系数达到0.99；在经济社会子系统中，人均GDP 与城镇居民年均收入的相关性系数达到0.97。综上所述，故删除单位面积水资源量、城镇居民年均收入这两项指标；最终得到28项指标，其中水资源指标11 项，经济社会指标12 项，生态指标5 项，如表1所示。

表1 区域水资源复合系统协调发展评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of coordinated development of regional water resource complex system

（2）基于博弈论的指标组合赋权。指标权重计算的确定方法在综合评价中属于重中之重，不同的方法对应的计算原理并不相同，常用的方法主要包括AHP 层次分析法、CRITIC 法和基于博弈论的组合赋权法等。本文拟采用基于博弈论的AHPCRITIC 组合赋权法来确定28项指标的权重。传统AHP层次分析法中评价准则的数目和判断矩阵均由人为选定，该特点使得这种方法具有分层较多、主观性强、易逆序、不稳定等不可避免的缺陷。CRITIC法是一种处理多元准则的方案评估方法，能够反应数据间的相关性和变异性，其数学理论基础较为完备，但忽略了指标间的实际轻重关系，导致对样本的区分度不佳。因此本文考虑引入博弈论的思想，将AHP［13，14］法与CRITIC法［15，16］进行组合赋权，通过相互比较与协调规避主客观赋权各自的缺陷，使结果更加客观合理。

博弈论［17］（Games Theory）是运筹学中针对具有竞争性现象及事物进行研究分析的理论和方法，主要研究的是相互影响的多个决策主体的理性行为及其均衡决策问题。在博弈论中，将每个方案都假定为理性决策的结果，各个决策者［18］需要妥协自身去寻找一种最优方案以实现共同利益的最大化，在模型中体现为纳什均衡。基于博弈论的AHP-CRITIC 组合赋权法［19］的具体步骤如下：

①数据处理。假设每个子系统具有n年m项指标，构成原始指标数据矩阵X。对正向指标和逆向指标分别进行标准处理，得到无量纲化矩阵Z。

②权重结果的一致性检验。基于博弈论的组合赋权法的实质是对不同赋权方法结果的综合体现，因此进行组合赋权前需要对不同方法的赋权结果进行一致性检验。本文采用Spearman 等级相关系数来衡量AHP 法与CRITIC 法赋权结果的一致性程度。

③设采用AHP 法和CRITIC 法得到的基本权重向量集W={W1，W2}，其中W1={ω11，ω21，…，ωm1}，W2={ω12，ω22，…，ωm2}。设α={α1，α2}为线性组合系数，则W*可由这些向量任意线性组合为：

④博弈论方法要求在可能的向量集中找到最优的权重向量，需要以W*和W中的任意权重向量的离差最小化为目标，对线性组合系数进行优化，由此确定权重系数。

⑤按照矩阵微分性质，将上式变化为最优一阶导数矩阵并求解，得到组合优化系数α并将其进行归一化处理。

⑥计算组合权重。

2.2 复合系统耦合协调评价模型

为了刻画水资源状况-经济社会发展-生态环境保护子系统之间的相互影响程度及相互作用效果，引入耦合协调度模型［8，20，21］定量评价湖南省水资源复合系统的协调性及其时空变化特征。

耦合协调度模型定量评价涉及耦合度和耦合协调度两个基本概念。耦合度是一个物理概念，用来表示不同模块之间的相互影响程度，涉及到的依赖关系包括调用关系、控制关系和数据传递关系等，其实质是两个或两个以上的实体或体系之间相互联系与作用的程度的一个度量。耦合协调度是在耦合度的基础上演变而来的，主要是从整体的角度上反映多个模块之间相互作用的整体效应与协同效应，并克服了事物在低水平情况下产生高度耦合的假象，进一步表征各模块之间的作用效果是在高水平上相互促进还是低水平上相互制约。

首先需要计算水资源状况子系统（Water Resources Status，WRS）、经济社会发展子系统（Socio-Economic Development，SED）、生态环境保护子系统（Ecological Environment Protection，EEP）各自的综合评价指数，计算公式为：

式中：f(x)、g(y)、h(z)分别为水资源状况、经济社会发展、生态环境保护子系统的综合评价指数；x*i、y*i、z*i分别为3个子系统中各评价指标的标准化值；ωfi、ωgi、ωhi分别为3 个子系统中各评价指标的权重；m、n、p分别3 个子系统中评价指标的个数，此处m= 11，n= 12，p= 5。

为了进一步分析各子系统间的发展关系，需要计算各子系统综合评价指数相对值［22］，其计算结果可划分5 种类型，如表2所示。

表2 子系统综合评价指数相对值等级分类标准Tab.2 Subsystem comprehensive evaluation index relative value grade classification standard

根据综合评价指数的计算结果，最后计算湖南省水资源-经济社会-生态环境系统耦合协调度，建立耦合协调度模型：式中：C为耦合度；D为耦合协调度；T为水资源复合系统的综合评价系数；α、β、γ为待定系数，反映了系统的重要程度，由于水资源状况子系统是其余两个系统相互作用的重要扭带，因此将待定系数确定为：α= 0.4，β= 0.3，γ= 0.3。

借鉴已有研究成果［23，24］，对耦合度C和耦合协调度D的计算结果分别设置了不同等级的判别标准，将水资源复合系统的耦合度以及耦合协调度发展关系划分为以下类型，如表3 和表4所示。

表3 耦合度评价等级标准Tab.3 Coupling evaluation grade standard

表4 耦合协调度评价等级标准Tab.4 Coupling coordination degree evaluation grade standard

2.3 复合系统障碍因素识别

为了识别各评价指标对湖南各市州“水资源-经济社会-生态环境”复合系统耦合协调度的影响和制约因素，采用障碍度分析模型［25］对两系统耦合协调度的障碍因子进行测算和诊断，引入“指标贡献度”、“指标偏离度”、“障碍度”的概念。障碍度越小，表示该指标对协调性的阻碍越小。具体计算公式如下：

式中：Mj为障碍度；ωij为第j项指标的权重，即指标贡献度；r*ij为第i年第j项指标标准化后的数据；vj为指标偏离度；m为指标个数。

3 结果与分析

3.1 系统状态发展演变特征

系统综合评价指数反映了系统的发展状态。从湖南省全省整体状态来看，各子系统综合评价指数变化如图1所示。

图1 湖南省水资源-经济社会-生态环境系统耦合协调度Fig.1 Coupling coordination degree of water resources-economic society-ecological environment in Hunan Province

水资源子系统综合评价指数在2007 年出现最高值（0.561），2007-2014 年分3 个阶段呈不同幅度持续下降至最低值（0.285）。据统计，湖南省降水量最小值发生在2011 年的洞庭湖环湖区杨柳潭站，该阶段的全省降水量较小，同时生产方式较为粗放，降水量的减小和水质污染问题导致水资源子系统中相关指标值发生变化，进而影响湖南省的综合评价指数。

水资源子系统综合评价指数除2018 和2019 年呈略下降趋势外，在2014-2020年的其余时段均呈上升趋势。据调查可知，湖南省在2015 年以来陆续开展了洞庭湖水环境综合整治五大专项行动、生态环境专项整治三年行动计划和水环境综合治理八年规划；2016 年提出长江经济带高质量发展战略，生态环境得到进一步改善，湖南省绿色发展指数升至全国第8位；近年来湖南省水环境整治政策的出台及施行大力，有效助推水资源子系统综合评价指数于2020 年上升至0.462。在此背景下，生态环境保护子系统评价指数从2006 年最低值（0.354）增加至2020 年最高值（0.779），总体上呈上升趋势，发展状态良好。经济社会子系统综合评价指数整体较为平稳，出现小范围的波动；党的十八大以来，在以习近平同志为核心的党中央坚强领导下，全省上下大力推进科学发展，为经济社会发展提供强有力的支撑。

湖南省水资源经济社会生态环境复合系统的综合评价系数整体呈不显著上升趋势，其变化过程主要受到水资源子系统评价指数影响，在2005-2019 年间出现上下波动，最后在2020年上升到最高值（0.578）。

如图2 所示，湖南省各子系统综合评价指数相对值f(t)∕g(t)、f(t)∕h(t)从2005 年到2020 年总体显著下降，在2014-2020年间有上升趋势。2008-2020年水资源相对于经济社会的综合评价指数比值f(t)∕g(t)处于1.0 以下，表明水资源相对于经济社会的发展关系从2005 年的勉强充足型，逐渐变为2008-2020年的短缺或受损型；水资源相对于生态环境的综合评价指数比值f(t)∕h(t)从2005年持续下降，于2014年跌破0.6以下，表明水资源相对于生态环境的发展关系从2005-2009年的勉强充足或特别充足型，逐渐变为2014-2020 年的极度受损型。湖南省水资源子系统发展现阶段明显滞后于经济社会子系统和生态环境子系统，但未来有好转的趋势。

图2 湖南省水资源-经济社会-生态环境子系统综合评价指数相对值Fig.2 Relative value of comprehensive evaluation index of water resources-economic society-ecological environment in Hunan Province

从湖南省各市州的综合发展水平空间演变来看（图3），综合发展水平总体首先由2005-2006年间呈现的“中部高，东西部低”转变为2007-2012 年的“四周高，中部低”；到2013 年，除娄底市、邵阳市等湘中地区综合评价指数处于0.5 以上之外，其余市州综合发展状态均呈现较低水平；2014-2020年，全省总体向着较高水平状态发展，从2016年开始大部分地区综合评价指数变为0.5 以上；到2020 年，湖南省共有9 个市州的评价指数均到达0.6以上。

3.2 系统耦合协调度演变特征

由图1 可知，2005-2020 年湖南省水资源-经济社会-生态环境系统耦合度整体情况较为平稳，耦合度值在0.936～0.972范围内浮动。湖南省各市州在2005-2020 年间均处于“高水平耦合”状态，耦合等级所呈现的空间演变特征不明显，由此可见湖南省水资源复合系统中水资源、经济社会、生态环境等3个子系统间的相互影响程度长时间保持在较高的水平，相互制约关系明显。

由图1 可知，2005-2020 年湖南省水资源-经济社会-生态环境系统耦合协调度整体呈现缓慢上升的趋势：2005-2015 年耦合协调值在0.65～0.69间波动，处于初级协调阶段；2015-2020年耦合协调值则上升到0.70～0.74，基本稳定在中级协调状态。

从湖南省各市州的耦合协调度空间演变来看（图4），2005-2006 年湖南省中部大多处于中级协调耦合水平，2007-2008 年常德市、娄底市、湘潭市逐渐变为勉强失调衰退状态，2009-2010 年有所好转；2011-2014 年全省整体耦合状态变差，湘西州、邵阳、衡阳、岳阳等地区由中级协调耦合变为初级协调耦合，长沙、株洲、张家界等地区在勉强失调衰退和初级协调耦合两种状态之间变化，湘潭市此阶段一直处于勉强失调衰退状态；2015-2017 年除湘潭市2016 年为勉强失调衰退外，全省整体耦合状态总体上向着较好的方向发展；2018-2019 年整体耦合水平略有变差。2020年，张家界、长沙、娄底等地区变为良好协调耦合状态，仅有湘潭市呈现衰退状态。

图4 湖南省2005-2020年耦合协调度空间分布多年变化Fig.4 Years of changes in spatial distribution of coupling coordination degree in Hunan Province from 2005 to 2020

3.3 障碍度分析

由图5可以看出，2005年到2011年间，湖南省水资源-经济社会-生态环境复合系统主要受到生态环境的制约，对全省绝大部分区域系统耦合协调度起到最大制约作用的是水功能区水质达标率。2005-2007 年中，障碍度排序前列的指标包括水功能区水质达标率、森林覆盖率和COD 浓度等，同时第二产业产值占比、第三产业产值占比等指标在一定程度上体现出经济社会的制约作用。2008-2011 年，经济社会起到的阻碍作用明显减弱，水资源制约作用增强，生态与环境补水占比和居民生活用水占比的障碍度排序得以提升。

图5 湖南省2005-2020年障碍因子多年变化Fig.5 Years of changes in obstacle factors in Hunan Province from 2005 to 2020

2012 年到2018 年间，主要受到水资源的制约，障碍度排序第一位的是生态与环境补水占比。2013-2014 年，居民生活用水占比、生态与环境补水占比、水功能区水质达标率和COD 浓度等指标起到不小的阻碍作用；2015 年，水功能区水质达标率阻碍作用明显下降；2016-2018年，第二产业产值占比排序逐渐得以提升，经济社会起到的制约作用逐渐显现。

2019 年到2020 年间，主要受到经济社会的制约，第二产业产值占比对系统耦合协调度产生的障碍作用远远大于其他指标；同时2020 年明显还受到了水资源和生态环境的约束，生态与环境补水占比、居民生活用水占比和COD 浓度等指标在障碍因子中均占据了重要地位。

从2005-2020 年障碍度排序第一指标种类的变化情况来看，排在首位的障碍因子逐渐从环境因子变为水资源因子和经济社会因子。由此可见近年来湖南省的环境质量得到一定程度上的改善，水资源和经济发展问题成为影响湖南省可持续协调发展的新因素，但生态环境方面的影响仍不容忽视。

4 结 论

基于湖南省发展现状，构建湖南省水资源-经济社会-生态环境耦合协调发展的评价指标体系，对湖南省14个地级行政区2005-2020 年间的综合发展水平、系统耦合度及耦合协调度进行了综合测算，并对影响不同地区耦合系统协调度的障碍因子作出了分析，其结论如下。

（1）湖南省水资源、生态环境子系统综合评价指数均呈先下降后上升的趋势，经济社会子系统综合评价指数变化情况相对来说较为平稳。复合系统整体的综合评价系数总体呈不显著上升趋势，近年来水资源相对于经济社会和生态环境的发展关系呈现为短缺或受损型，水资源对经济社会发展和生态环境保护的制约作用越发显著。

（2）湖南省3 个子系统耦合度整体始终保持在高水平耦合状态，耦合协调度整体呈现缓慢上升的趋势，现阶段基本稳定在中级协调状态，总体上向着好的方向发展。各市州发展速度存在一定差异，现阶段除湘潭市向着衰退状态发展外，湖南省其余地区均处于协调发展状态。

（3）由障碍度分析可知，2005-2020年间，3大子系统的障碍度对湖南省水资源、经济社会、生态环境协调发展在不同阶段的影响程度各不相同，其中水资源、经济社会子系统的障碍度呈增大趋势，生态环境的障碍度呈减小趋势；水资源和经济社会对湖南省未来可持续发展的影响相对于生态环境来说更为关键。总体来说，影响湖南省水资源-经济社会-生态环境系统协调发展的主要因子为第二产业产值占比、生态与环境补水占比、居民生活用水占比、水功能区水质达标率和COD浓度。

综合以上研究结果可见，水资源系统现阶段在湖南省“水资源-经济社会-生态环境”复合系统整体中起到极为关键的影响作用，在保持湖南省水环境整治政策继续执行的前提下，应加强水资源系统的建设和创新，运用先进信息技术手段及规划思想科学管理水资源，促进形成与经济社会发展、生态环境保护相适应的水资源配置格局，进而提高湖南省水资源与经济社会和生态环境方面的耦合协调发展水平。

针对湖南省水资源时空分布不均而导致的缺水等问题，建议对水资源储量丰沛和水资源短缺的地区施行与区域实际状况相适应的水资源规划及管理，将较干旱的地方或现状供需矛盾较尖锐的地方单独划区，积极新建引调水工程、开发优质供水水源以改善水源单一的现状，促进实现全省水资源科学优化配置。同时实施全民节水行动，合理统筹居民生活、工业生产和生态环境用水；鉴于第二产业产值对湖南省复合系统的影响力较大，应注重工业产业结构升级，推进工业节水，提高工业用水效率，促进工业产业布局与水资源空间分布的合理协调。

针对湖南省现阶段水质污染严重的情况，在生态环境建设方面须大力减少废污水排放，积极引导高污染工厂企业转型，争取更大程度降低废水中COD 浓度，进一步提升水功能区水质达标率；对于生态系统遭受破坏、水污染较重的水域，需增设生态防护工程措施，加强对有毒有害物质的监控，全面提高预警能力，保障水源地供水与生态安全。

此外，根据湖南省各市州的发展水平和障碍度测算结果，特别建议积极引导呈现失调衰退状态的湘潭市与协调发展势头良好的娄底、长沙等邻边城市加深产业合作，同时在障碍度分析结果的理论指导下着重加强对湘潭市第二、第三产业发展态势以及生态环境补水状况的把控。