长江中游城市水资源耦合协调时空分析及障碍诊断

郭佳丽 余敬 何玉杰 姜露 张泽蔚

摘要：水资源作为人类生存发展必不可少的自然资源，其合理的协调利用是实现可持续发展的必要保障。运用扩展的耦合协调度与障碍度模型，分别对湖北省12个地级市2008—2017年水资源-经济社会-生态环境-智慧科技系统耦合协调关系展开时空格局动态研究及障碍诊断。结果显示，耦合协调度在评价期整体呈显著上升-下降-上升趋势，目前平均协调度为0.635 5，处于中度协调水平。在空间分布上，呈3种演变状态，东南地区协调度最高，西部地区稳步上升，中北部地区协调度波动较大。系统障碍度大小排序为水资源>智慧科技>生态环境>经济社会，东南及西南地区为智慧科技滞后型，西北地区为水资源滞后型。

关键词：水资源;经济社会;生態环境;智慧科技;耦合协调度;障碍度

中图分类号：F127;TV213.4 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）07-0092-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.07.020

Abstract： As an indispensable natural resource for human survival and development，the rational coordination use of water resources is the main point to achieve sustainable development. In this paper，the spatial and temporal pattern of the coupling relationships among water resources，economic society，ecological environment and smart technology system in 12 cities in Hubei province from 2008 to 2017 were analyzed by extended coupling coordination degree and obstacle degree model. The results showed that the coupling coordination degree presented the significant rise-fall-up trend during the evaluation period. The current average coordination degree is 0.635 5 and in a moderate coordination level. In the spatial distribution，the coordination degree presented three evolution states. The coordination degree in the southeast area of China is the highest，while in the western area it is steadily rising，and in the central-north area it fluctuates greatly. The system obstacles are ranked as water resources，smart technology，ecological environment and economic society. The southeast and southwest areas belong to smart technology lagged，and the northwest area belongs to water resources lagged.

Key words： water resources; economic society; ecological environment; smart technology; coupled coordination degree; obstacle degree

随着人口增长及经济社会快速发展，全球面临着资源短缺、生态环境破坏、污染严重等问题。在此背景下，中国提出人与自然和谐共生的发展理念，大力践行资源节约与环境保护政策。水作为人类生存必不可少的资源，在推动经济社会发展中发挥着极其重要的作用，然而过度开发使得水污染问题日益严峻。如何协调资源、经济社会、生态环境等之间的良性发展，维系一个稳定可持续的生存环境是当前研究的热点。

学者们针对水资源及相关系统之间耦合协调性进行了广泛研究并取得了丰硕的成果。从已有研究来看，在评价对象上，主要将水资源与社会[1，2]、经济[1-5]、生态[4，6]、能源[7，8]、人口[3]、城镇化[9]、乡村发展[10]等对象之间两两[1，2，5，6，9-12]或多对象组合[3，4，7，8，13]展开实证研究，而较少涉及水资源与智慧科技领域之间的关系研究，由于智慧科技是解决水资源问题的推动器，可通过科学技术优化水资源配置，提高节水率与利用率，实现海水淡化等[14]，推动整个系统协调发展。然而，面对高质量发展阶段，智慧科技是第一短板，因此在研究水资源相关耦合协调关系的同时，迫切需要研究智慧科技的发展水平以及与水资源发展的协调性。在研究区域上，绝大多数学者以省域[2，9]、市域[1，6]或某一流域[3，4，7，10]为空间尺度，研究协调性的空间差异特征，考虑到长江经济带作为中国“黄金水道”，具有重要的生态地位，而湖北省位于长江中游，是南水北调的关键省份，其水资源的协调发展与开发利用直接关系到可持续发展目标的实现，因而选取湖北省作为研究对象。在时间跨度上，学者大多以10年[2，6，7，9，10]为时间尺度，也有研究1年[11]、8年[1]、13年[4]、15年[3]等，综合各系统的发展情况及时间跨度的可比性，本研究引入10年的数据来研究协调性的时序特征。在赋权方法上，文献中以熵值法[4，7，10，11，13]为主，兼有AHP[2，9]、AHP-熵值法组合赋权[12]、变异系数法[3，6]等，因熵值法赋权精度高、客观性强，遂采用熵值法进行指标赋权。

基于此，本研究以长江中游城市群湖北省12个地级市为研究对象，以2008—2017为时间跨度，通过构建水资源-经济社会-生态环境-智慧科技评价指标体系，利用熵值法确定指标权重，并运用耦合协调度模型探索4个系统间的耦合协调关系，同时，为识别制约协调发展的指标，引入障碍度模型进行障碍因子诊断，旨在为湖北省各城市可持续协调发展提供政策建议与实证依据。

1 模型与方法

1.1 研究区概况

湖北省位于长江中下游，因境内湖泊众多、水系发达，素有“千湖之省”的美称。但受地形与气候的影响，降水分布极不均匀，多集中在每年4—9月，以洪水的形式流失严重，导致2017年水资源总量为 1 248.8亿m3，仅占降水总量的51.3%。如何充分发挥湖北省水资源自然优势，合理地开发利用水资源，成为了当前亟待解决的问题。

湖北省共有12个地级市、1个自治州、3个省直辖县级行政单位和1个林区，考虑到研究的深入性与数据的可获取性，选取其中具有代表性的12个地级市作为研究对象。

1.2 方法模型及数据来源

1.2.1 指标权重确定 选取熵值法对指标进行赋权，考虑到熵值法在特殊情况中的局限性，即[bij]=0，式（4）无意义，本研究参照宁宝权等[15]优化的改进熵权法进行赋权。为了实现面板数据中不同年份不同城市之间的比较，借鉴杨丽等[16]的思想，以时间与地区变量相组合的形式对指标实现统一赋权，具体过程如下：

式中，T为复合系统的综合协调指数，反映整体间协同效应;系数[a、b、c、d]为待定权重，且a+b+c+d=1。针对4个系统间的耦合协调关系，参考相关的文献[3，4，8，13]，结合当前的形势与政策，即国家倡导“生态优先，绿色发展”的发展理念，本研究认为相比于经济社会和智慧科技系统，水资源与生态环境系统显得更为重要，故取a=c=0.3，b=d=0.2;D为复合系统的耦合协调度，D∈[0，1]，通过综合已有的协调度等级划分标准，结合本研究的实际情况，将协调度的划分标准确定如下（表1）。

1.2.4 障碍度模型 为了进一步明确4个系统间耦合协调发展的优化方向，运用障碍度模型筛选出主要阻力因素，即障碍因子，步骤如下：

1.2.5 数据来源 选取湖北省12个地级市作为研究对象，研究时段为2008—2017年，数据主要来源于《中国城市统计年鉴（2009—2018）》《湖北统计年鉴（2009—2018）》《湖北省水资源公报（2008—2017）》《湖北省环境状况公报（2008—2017）》、各城市统计年鉴，如《武汉统计年鉴（2009—2018）》《黄石统计年鉴（2009—2018）》等。

2 指标体系构建

2.1 构建依据

在参照国内外学者关于水资源、經济社会、生态环境、智慧科技水平评价以及相互耦合协调研究基础上，构建了4个系统间关系框架图（图1）。基于关系框架，在前人研究的基础上，依据指标选取的科学性、全面性、易获性等原则，组建了4个系统间耦合协调评价指标体系（表2）。

2.2 结果与分析

2.2.1 时序特征分析 根据湖北省及其12个地级市2008—2017年数据，利用式（1）至式（6）及a、b、c、d赋值情况，得出综合指标权重（表2），利用式（8）至式（10），得表3及图2。由图2可见，湖北省4个系统间耦合协调度大致可分为三阶段：第一阶段（2008—2010年），正处于“十一五”终末期，耦合度与协调度整体呈上升趋势，耦合度涨势明显，协调度呈稳定上升趋势;第二阶段（2010—2011年），处于“十一五”与“十二五”规划过渡阶段，各个系统发展处于转型探索期，产业结构与发展方式不断调整，以适应不确定的新形势与新问题，此时耦合度与协调度均存在不同程度的下降;第三阶段（2011—2017年），处于“十二五”&“十三五”规划建设发展期，耦合度整体呈上升趋势，并于2014年后保持在极度耦合状态，而协调度也呈持续上升状态，但整体尚处于较低协调水平，原因在于不同城市协调发展情况不同，地域差异大，造成整体水平不高。

为了进一步研究湖北省地域耦合协调度时空特征，基于表3中数据及历年各系统发展水平，分析12个地级市综合系统耦合协调度及4个系统发展水平变化趋势，由于研究城市较多，采用折线图不易观察整体的升降情况，这里引入Spearman秩相关系数法[2]，具体公式如下：

由图3可见，2008—2017年，12个地级市4个系统的发展水平及协调度表现出不同的变化趋势。对于协调度，12个地级市均表现为上升趋势，其中，武汉、黄石、十堰、宜昌、鄂州和咸宁协调度上升显著，而其他城市上升幅度不显著;对于水资源发展水平，12个地级市均表现不显著，其中十堰、襄阳2个城市出现了小幅度下降;对于经济社会发展水平，除了十堰、荆门涨幅较不显著外，其余城市均处于较高显著状态;对于生态环境发展水平，仅黄石、孝感和咸宁涨幅显著，十堰、宜昌、襄阳和随州出现较大幅度下降，其余城市上涨不显著;对于智慧科技发展水平，荆门、荆州、咸宁、黄冈和孝感涨幅不显著，其余城市均显著上涨。

2.2.2 空间差异分析 为了对12个地级市4个系统间耦合协调度进行进一步空间差异分析，选取评价期中3个典型年份，即2008、2012和2017年，分别画出对应的协调度空间展布图（图4）。从空间布局上看，湖北省协调程度最好的区域始终以武汉市及其东南周边城市为代表，由中度协调逐渐向高度优质协调发展，其中，武汉市作为省会，其经济实力及社会发展较为超前，高新产业结构较为完善，水资源充沛，综合水平及耦合协调度明显优于省内其他城市，在2016年首次达到优质协调水平。鄂西部地区（十堰、宜昌、荆州）协调度最初处于轻低水平，随后稳定升至中度协调水平;鄂中北地区（襄阳、随州、荆门、孝感与黄冈）协调度波动较大，期间受特大干旱影响，水资源含量大幅下降，严重拉低系统间的协调度，使得鄂中北城市群在2010—2012年相继降至历史最低水平，随后逐步回升至低中度协调水平。

2.2.3 障碍度分析 为了深入分析影响四系统耦合协调发展的障碍因素，依据式（11），得出每年各地区各指标的障碍度，筛选出障碍度排名前三的指标，并制作出散点图（图5），横轴依次代表29项指标，纵轴以12为间隔，分别表示每年的12个城市数据。从整体上看，影响湖北省各城市4个系统协调度的主要障碍因子相对比较集中，存在于水资源、生态环境和智慧科技系统中。具体来看，水资源系统中主要障碍因子为每平方千米地表水资源含量、人均水资源总量与产水模数;生态环境系统中主要障碍因子为人均绿地面积和水土协调度;智慧科技系统中主要障碍因子为每万人口在校大学生数和万人拥有专利授权数。

从各系统来看，指标累计障碍度排序为水资源>智慧科技>生态环境>经济社会，障碍度平均值分别为29.67%、28.66%、21.96%、19.72%。其中，各城市分系统障碍度在空间上呈两级分化状态（表4），以黄冈、黄石、咸宁、鄂州为代表的鄂东南地区与以宜昌为代表的鄂西南地区为相对智慧科技滞后型，水资源丰富，但高新技术产业数及发展相对滞后;以十堰、襄阳、荆门、孝感、随州为代表的鄂西北地区为相对水资源滞后型，受地形及降水不足影响，水资源成为阻碍协调发展的主要障碍系统。此外，武汉、荆州相对特殊，毗邻长江，地理位置优越，但在协调发展中水资源系统相对滞后。武汉作为省会，拥有众多高校人才和科技产业，是湖北省智慧科技的核心区域，水资源总量充沛，但受人口密度及工业耗水量大等影响，水资源成为首要障碍系统，人均水资源总量为主要障碍因子，且障碍度逐年递增，因而迫切需要依托科技提高用水利用率。荆州虽地处长江之腰，但部分流域污染严重，出现工程性和水质性缺水，为此，荆州政府应加强入河排污监管，适时采取生态补水措施与加强水源地建设。

3 结论

在构建水资源-经济社会-生态环境-智慧科技四系统评价指标体系的基础上，利用耦合协调度模型，从时空维度对湖北省及其12个地级市进行耦合协调差异分析，并运用障碍度模型从指标与系统双视角分析，诊断影响协调度的主要障碍因子，得出以下结论。

1）湖北省及其12个地级市4个系统耦合协调度在2008—2017年，除“十一五”与“十二五”规划过渡期出现一定幅度的下降，整体呈显著上升趋势。目前，12个地级市平均耦合度达0.883 4，平均协调度为0.635 5，处于中度协调水平。

2）在空间分布上，依据耦合协调度，可将湖北省划分成3种城市圈，全面反映出区域发展的集聚形式。其中，以武汉市为中心的鄂东南地区，包括鄂州、黄石及咸宁3市，耦合协调发展相对较快，协调度已达中高度协调水平;以十堰、宜昌和荆州市为代表的鄂西部地区处于稳步上升状态，协调度由轻低度水平不断发展至中度协调水平;以襄阳、随州、荆门、孝感与黄冈为代表的鄂中北地区，耦合协调度受水资源影响波动较大，2010—2012年经历干旱枯水期，四系统间协调度均出现大幅度下降，这一局面有望在湖北省于2015年底启动的“一号工程”即鄂北地区水资源配置工程全部完工后得到有效解决。

3）影响4个系统间耦合协调发展的主要障碍因子集中在7个指标上，即每平方千米地表水资源含量、人均水资源总量、产水模数、人均绿地面积、水土协调度、每万人口在校大学生数和万人拥有专利授权数等。在系统层面上，系统障碍度排序为水资源>智慧科技>生态环境>经济社会，且在空间上表现为东南及西南部地区为智慧科技滞后型，水量充足，但高新技术产业发展相对缓慢;西北部地区为水资源滞后型，其高新技术产业分布较多且发展迅速，水资源成为制约协调发展的主要障碍系统。

总之，在新的发展形势下，为推进高质量协调发展，湖北及各地级市需要不断地扬长补短，在充分高效利用自然资源与生态环境优势，创造更高的经济價值，以智慧科技为驱动力，推动整个社会向前发展的同时，也需要将部分经济收益投入到水利工程及生态环境保护中，用高科技手段调节改善水污染与生态环境破坏等各种危机，以期实现水资源-经济社会-生态环境-智慧科技全面协调可持续发展。

参考文献：

[1] 周校培，陈建明. 南京市水资源与社会经济耦合协调发展研究[J]. 水利经济，2016，34（4）：26-30，34，74.

[2] 喻笑勇，张利平，陈心池，等. 湖北省水资源与社会经济耦合协调发展分析[J]. 长江流域资源与环境，2018，27（4）：809-817.

[3] 庞 冬，何秉宇. 乌鲁木齐市人口-经济-环境耦合协调发展及障碍度分析[J]. 湖北农业科学，2018，57（9）：116-120，136.

[4] 伏吉芮，瓦哈甫·哈力克，姚一平. 吐鲁番地区水资源-经济-生态耦合协调发展分析[J]. 节水灌溉，2016（12）：94-98，102.

[5] WEI J，WEI Y P，WESTERN A. Evolution of the societal value of water resources for economic development versus environmental sustainability in Australia from 1843 to 2011[J]. Global environmental change，2017，42：82-92.

[6] 陈 晓，李景保，王 飞，等. 近10年间南京市生态环境与水资源的耦合关系[J]. 水电能源科学，2017，35（7）：65-68.

[7] 毕 博，陈 丹，邓 鹏，等. 区域水资源-能源-粮食系统耦合协调演化特征研究[J]. 中国农村水利水电，2018（2）：72-77.

[8] BIGGERS E M，BRUCE E，BORUFF B，et al. Sustainable development and the water-energy-food nexus： A perspective on livelihoods[J]. Environmental science andpolicy，2015，54：389-397.

[9] 马海良，李珊珊，侯雅如. 河北省城镇化与水资源系统的耦合协调及预测[J]. 水利经济，2017，35（3）：37-41，76-77.

[10] 马力阳，罗其友，李同昇，等. 半干旱区水资源—乡村发展耦合协调评价与实证研究——以通辽市为例[J]. 经济地理，2017，37（9）：152-159.

[11] 常玉苗，朱九龙. 水资源环境与区域工业经济耦合协调度的空间差异——以我国31省市为例[J]. 工业安全与环保，2017，43（12）：55-58，90.

[12] 张凤太，苏维词. 水资源与经济社会系统耦合协调时空分异研究—以贵州省为例[J]. 人民长江，2016，47（10）：25-30.

[13] 张凤太，苏维词. 贵州省水资源-经济-生态环境-社会系统耦合协调演化特征研究[J]. 灌溉排水学报，2015，34（6）：44-49.

[14] 郝 亮，陈劭锋. 我国水资源领域科技创新取得阶段性成果[J]. 科技促进发展，2013（5）：9-17.

[15] 宁宝权，陕振沛. 基于改进熵和灰关联分析的模糊物元分析模型及应用[J]. 数学的实践与认识，2016，46（20）：280-284.

[16] 杨 丽，孙之淳. 基于熵值法的西部新型城镇化发展水平测评[J]. 经济问题，2015（3）：115-119.

[17] 姜 磊，柏 玲，吴玉鸣. 中国省域经济、资源与环境协调分析——兼论三系统耦合公式及其扩展形式[J]. 自然资源学报，2017，32（5）：788-799.