黄河三角洲高效生态经济区人口、经济与环境协调发展研究——基于主成分与耦合协调度模型

苏宏枝,吴宗杰,董会忠(山东理工大学 经济学院，山东 淄博 255012)

生态环境是人类生存的基础，是人类社会经济发展的物质保障，随着工业化的逐步深化，生态环境承受社会经济发展、资源大量消耗以及人口快速集聚的多重压力，区域生态环境形势的严峻性已经成为社会经济快速发展的制约因素。研究区域人口、经济与环境协调发展特征及其演化规律，有利于实现区域社会经济协调发展。多数学者从以下几个方面对人口、经济与环境协调发展进行研究：侯增周通过构建耦合协调模型对东营市经济和环境协调发展进行评估，表明石油工业污染是导致该区域经济和环境发展失调的主要原因[1]。司光南运用系统分析和主成分方法对人口经济协调发展进行探讨，研究表明人口与经济内部的子系统之间相互作用[2]；郭文炯等通过分析陕西省不同区域人口经济分布的相关关系与演化规律，研究表明人口集中度低于经济集中度，二者发展不均衡[3]；人口与经济存在相互关系[4]。吴文恒等基于主成分方法与耦合模型研究了中国1985-2004年的人口与资源环境耦合演进情况[5]，孙峰华等通过构建计量模型，揭示了我国人口发展对环境发展造成的影响，人口增加对环境恶化有促进作用[6]，需要实现人口环境协调发展。综上，实现区域社会经济协调发展涉及众多影响因素[7-12]，而人口、经济与环境共同协调发展是推进社会全面发展的关键所在。

当前学者基于不同的视角对人口-经济-环境进行了研究，并且取得了一定成果，但仍有一些不足。从研究区域来看，多数学者以全国，省份和地市作为研究对象，鲜有文章以高效生态经济区作为研究对象；从研究方法来看，多数研究运用层次分析法对指标权重进行测算，层次分析法主观性较强导致研究结果缺乏合理性，主成份分析能够有效解决这一问题。基于此，本文以黄河三角洲高效生态经济区为例，构建区域人口、经济和环境的协调发展指标体系，通过将主成分与耦合协调模型(在耦合模型的基础上进一步深化耦合协调模型)有效结合，对该区域人口、环境和经济协调发展进行测度与分析。

1 研究方法

1.1 主成分分析

主成分分析方法(principal component analysis)实际上是一种通过降维技术把多个指标化为少数几个综合指标的方法.通常它把一组具有一定相关性的变量进行线性变换，转换成另一组不相关的变量，并将得到的变量按照方差大小的顺序排列.在解决实际问题过程中，当系统分析问题时会涉及众多影响因素(也称作指标)，指标太多会增加计算量和分析问题的复杂性.此外，指标之间的相关性会导致统计数据反映的信息的重叠，造成结果偏差.因此，我们希望用较少的综合指标来反映原来指标的信息.

1.1.1 构建评价矩阵

假设有评价样本数为n，每个待评价样本指标数为p，构成的n×p阶矩阵表示为

(1)

其中，第i个列向量Xi=(x1i,x2i,…,xni)(i=1,2,…，p)，则数据矩阵X的p个指标向量X1,X2,…,Xp作线性组合表示为

i=1,2,…,p

(2)

1)Fi，Fj(i≠j，i=1,2,…,p)不相关，即Cov(Fi,Fj)=0.

2) 第1个主成分F1是X1,X2,…,Xp的一切线性组合中方差最大的；第2个主成分F2是与F1不相关的X1,X2,…,Xp的一切线性组合中方差最大的，以此类推可以求出p个主成分.这p个主成分对原始指标信息量的反映程度依次递减，每一个主成分所提取的信息量用方差来度量，且主成分方差的贡献就等于原指标相关矩阵相应的特征值λi，每一个组合系数ai就是特征值λi的特征向量.

1.1.2 构建权重函数

根据上述条件可知，权重的确定过程其实就是主成分分析求综合评价函数的过程.由上述计算可以获得方差贡献率、指标的载荷系数，相应的特征值等.

(3)

ej表示Fi方差贡献率，用于描述每个主成分的方差占总方差的比重，是各个主成分对原始指标综合信息反映能力强弱的量化，通常ej越大表明主成分反映综合信息越强.

(i,k,j=1,2，…,p)

(4)

式(4)中Ej表示累积贡献率，是各个主成分反差贡献率的累加.通常选取累积贡献率达到80%以上，即特征值λk>1(k=1,2…p)的主成分.

(5)

(6)

μ=1/(|y1|+|y2|+…+|yp|)

(7)

wj=yj×μ

(8)

式中：aij表示主成分现行组合系数；fij为每个指标的载荷系数；yj表示原始指标的综合得分，通过对每个原始指标在主成分线性组合中的系数进行加权平均并除以累计方差贡献率得到，用来表述每个原始指标的重要程度；μ是进行归一化处理的系数，用于保证所有指标的权重之和等于1；wj为所有原始指标的权重.

1.2 构建耦合协调模型

“耦合”源自物理概念，用于描述两个及两个以上的系统(包括运动形式等)之间彼此影响的现象.耦合度模型就是对系统相互作用大小的量化模型，概括地说是两个及以上实体依赖于某一方程度的测度.基于此，本文构建耦合衡量黄河三角洲高效生态经济区人口、经济和环境之间彼此影响、和谐一致的程度.

1.2.1 数据处理

鉴于原始数据的单位、数量级等方面的不同，为了避免这些差异对结果造成偏差，本文对需要原始数据进行标准化处理.对数据进行正规化处理后，原始数据的范围标准到0～1之间.其中，正向指标的数据越大越好，逆向指标则相反.针对不同，指标处理不同具体参照如下公式

(9)

1.2.2 耦合函数模型

已有学者将耦合模型运用于经济和环境关系研究，耦合度模型[13]如下

(10)

(11)

式中，Ui(i=1,2,3,…,n)表示各个子系统综合发展指数.为了深层次的描述区域人口、经济和环境系统的耦合表达式，在n=3的情况下令u1=f(x)，表示人口综合发展指数；令u2=g(y)，表示经济综合发展指数；令u3=h(z)表示环境综合发展指数，根据f(x)、g(y)、h(z)偏离越小越好的耦合函数原理，推出公式Ci越小越好[11]：

(12)

对式(12)进行一阶求导得到式(13)，其中S为标准差.

(13)

为了使人口、经济和环境耦合模型更具有层次性，参照式(13)，区域人口、经济和环境系统的耦合度公式[13]如下

k≥3

(14)

式中，k表示调节系数，本文涉及三个子系统，故取k=3；c表示区域人口、经济和环境系统耦合度(0≤C≤1).当C取得最大值1，表明区域人口、经济和环境系统系统共振耦合性最优；当C取得最小值0时，表明区域人口、经济和环境系统共振耦合性最弱.

1.3 构建协调函数模型

协调是对系统内部各要素相互和谐一致的量化.因此，通过构建协调度模型评判区域系统人口、经济以及环境交互耦合的协调强度.其计算公式为

T=αf(x)+βg(y)+χh(z)

(15)

(16)

式中:T表示黄河三角洲高效生态经济区人口、经济和环境系统的综合发展指数值；α、β、χ是协调模型的待定权数，α、β与χ的和为1.公式(16)中：C表示耦合度；D表示耦合协调度.

1.4 区域人口-经济-环境耦合关系分类

为了解释区域人口、经济和环境的耦合协调程度，根据耦合协调度的取值范围，参照前人的研究，将其划分为三大类，六个亚类，具体分类参照区域人口、经济和环境系统的耦合协调度等级划分(见表1)[14].

表1 区域人口、经济和环境系统的协调度等级分类
Tab.1 The coupling coordination degrees between of population, economy and environment

0≤D<0．50．5≤D<0．70．7≤D≤1失调衰退区间过渡区间协调发展区间[0 0．4)[0．4 0．5)[0．5 0．6)[0．6 0．7)[0．7 0．8)[0．8 1]严重失调濒临失调轻度失调勉强协调协调发展优良协调

2 实证研究

2.1 研究区概况与数据来源

2.1.1 研究区概况

黄河三角洲高效生态经济区地处黄河入海口，西起德州，东连胶东半岛，南达省会经济圈，北部与京津冀经济带相望，包括滨州、东营市全部区域以及烟台、潍坊、淄博、烟台等区域的部分区县，共涉及十九个县(市、区)，总面积2.65×104km2(见图1).该区域地理位置优势突出，土地资源广阔，自然资源丰富，具有较高的发展优势和开发潜力，有望成为是山东省经济健康持续发展的源动力；区域农业人口基数较大，基础设施建设相对滞后，工业与服务起步较晚，区域经济现状短时间改善任务艰巨；区域生态环境相对脆弱，盐碱地居多导致该区域农业发展相对单一而且滞后.因此，客观测度黄河三角洲高效生态经济区人口、经济和环境耦合协调度，探索三者互动发展的特征和规律，为实现黄河三角洲高效生态经济区人口、经济、环境的持续发展提供政策建议.

图1 黄河三角洲高效生态经济区行政区划Fig.1 Administrative divisions of the Yellow River Delta Efficient Ecological Economic Zone

2.1.2 数据处理

原始数据主要源自2010-2016年《山东省统计年鉴》、《山东省环境状况公报》、《中国统计年鉴》、《中国环境年鉴》、《山东省水资源公报》，以及东营、滨州等市(2010-2016年)统计年鉴和年度发展报告等，一些缺失数据本文采用灰色预测获得.

2.2 耦合协调模型评价指标体系与权重测算

借鉴国内外区域人口、经济和环境耦合协调发展的相关研究成果，结合黄河三角洲高效生态经济区评价指标数据，从区域人口综合、经济综合和环境综合3方面构建了由25个单一指标组成的区域耦合协调发展指标体系.其中人口综合划分人口基本现状、人口素质水平和人口发展趋势三个准则层；经济综合划分为经济发展状况、经济发展差异和经济发展活力三个准则层；环境综合划分为生态环境状况、生态安全胁迫和生态风险免疫三个准则层.耦合协调指标分为正向指标与负向指标两类(由正负号表示).

通过SPSS 20.0软件对黄河三角洲高效生态经济区人口、经济和环境的原始数据进行主成分模型处理，获得原始指标的主成分载荷矩阵、累计方差贡献率等数据，根据公式(3)～(8)的计算流程求出黄河三角洲高效生态经济区人口、经济和环境指标层权重(见表2)

表2 黄河三角洲高效生态经济区人口、经济和环境协调发展指标体系
Tab.2 The index system of coordinated development population, economy and environment in the efficient ecological economic zone of the Yellow River Delta

目标层准则层指标层指标权重指标正负性人口综合人口基本现状人口素质水平人口发展趋势人口密度0．1724-性别结构0．1713-教育投入强度0．1474+科技投入强度0．1702+城市化率0．1686+第三产业就业率0．1701+经济综合经济发展状况经济发展差异经济发展活力人均GDP0．1569+人均社会商品零售额0．1559+人均财政收入0．1574+城乡人均收入差额0．1469-城乡人均消费差额0．1195-恩格尔系数0．0418-第三产业贡献率0．1538+GDP增长率0．0678+环境综合生态环境状况生态安全胁迫生态风险免疫人均耕地面积0．1006+人均林地面积0．0978+人均水资源量0．0931+森林覆盖率0．1008+人均污水排放量0．0992-人均用水量0．1036-人均耗能量0．0961-人均工业废气排放量0．0967-环保投入强度0．0852+工业固废利用率0．0292+三角洲废水达标率0．0976+

2.3 黄河三角洲高效生态区协调发展分析

基于表2，参照式(10)～式(16)分别计算得出黄河三角洲高效生态经济区人口综合发展指数、经济综合发展指数、环境综合发展指数、黄河三角洲高效生态经济区系统耦合度、三者的综合发展指数和协调度见表3.

由表3可以看出，人口综合发展水平从2009年的0.4268提升到2015年的0.6703，年均增长9.5%，表明黄河三角洲高效生态经济区人口早期发展水平相对较低，但整体发展水平提高明显.经济综合发展水平从2009年的0.3072提升到2015年的0.6584，年均增长率19.1%，表明区域综合水平早期相对较低，但是以相对较高的发展速度提高环境综合发展水平，从2009年的0.4641提升到2015年的0.5835，年均增长4.2%，表明区域环境综合发展水平相对平稳。从平均值来看，环境综合水平最高，经济综合水平最低；从发展水平变化角度分析，经济综合水平提升最快，环境综合水平提高较慢，原因在于黄河三角洲高效生态经济区地处山东半岛北面，区域工业经济发展相对较慢，由于多数地区为盐碱地农业现代化发展水平相对较低，环境综合水平较高。自2009年黄河三角洲高效生态区被提出以后，区域经济发展在多方面的影响下，有显著提高，与此同时经济发展影响着区域耗能量、污水排放量和废物的排放量，导致环境综合发展水平提高较慢；随着经济发展水平的提高，城镇化率稳步提升，区域教育、科技投入强度逐年增加，人口综合水平进一步提升.

表3 黄河三角洲高效生态经济区人口、经济和环境耦合度与协调度值
Tab.3 Coupling and coordination degrees between of population, economy and environment in the efficient ecological economic zone of the Yellow River Delta

时间人口综合经济综合环境综合T值D值协调等级20090．42680．30720．46410．39940．6187勉强协调20100．46980．42320．5500．48120．6875勉强协调20110．52770．51480．51880．52040．7213协调发展20120．51330．55040．55630．54000．7342协调发展20130．5370．56660．57750．56050．7482协调发展20140．6360．61250．58870．61250．7820协调发展20150．67030．65840．58370．63750．7962协调发展平均值0．54030．51900．54850．53590．7269协调发展

黄河三角洲高效生态经济区人口、经济和环境耦合度整体水平较高,表明区域子系统彼此之间存在较大的相互作用，整个系统发展具较高的有序性耦合协调度整体显现逐步提高态势，表明黄河三角洲人口、经济和环境系统逐步实现良性发展.2009-2015年黄河三角洲整个系统耦合协调度由勉强协调逐步发展到协调发展，黄河三角洲高效生态经济区人口、经济和环境耦合协调度提高显著，表明经济综合水平的提高对于人口素质、城镇化、生态风险免疫等有较高的推动作用；经济增长加大了区域耗能量、污水的排放量和废物的排放量，对于区域环境综合发展水平存在抑制作用从整个协调发展度考虑，经济增长对于整个系统起到较高的正向推动作用。

3 结束语

基于2009-2015年人口-经济-环境系统协调发展评价指标体系，通过主成分与耦合协调模型结合，对黄河三角洲高效生态区人口-经济-环境协调发展进行实证分析。研究表明：黄河三角洲人口-经济-环境耦合协调度整体水平较高且呈持续上升的趋势，耦合协调类型从勉强协调转化到协调发展，但整体上仍未实现较高的优良协调发展。表明黄河三角洲高效生态经济区人口、经济和环境系统逐步实现良性发展。因此，实现黄河三角洲人口、经济和环境快速良性发展，需要充分发挥经济发展对人口整体发展水平的带动作用，加大环境保护力度，着力调整产业结构，发展低排放、高产出的资源集约型经济。

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