山西省采煤沉陷区EES协调发展时空演化规律研究

李启庚，吉子晋，张洪潮

(太原理工大学 经济管理学院，山西 太原 030024)

21世纪以来，伴随国民经济快速发展，国家对能源的需求与日俱增。山西省作为长期稳定供应煤炭资源的省份，在国家经济建设进程中占据着重要的能源战略地位。但持续高强度、大规模的开采活动导致山西省采煤区水土流失、环境退化、资源污染等生态风险日益凸显，进一步引发了经济发展受阻和社会矛盾加深等问题[1-2]。在新世纪生态文明建设的背景下，开展对采煤沉陷区生态、经济、社会问题的研究具有重要的价值和意义。现阶段，关于煤炭资源型区域“生态—经济—社会”系统的研究主要聚焦生态、经济、社会单一子系统，包括生态破坏、城市转型、绿色发展等方面，例如刘耀等从生态效率的角度评价了煤炭城市产业生态系统[3]；焦华富等从生态和经济视角探究了煤炭资源型城市产业结构的变化与发展[4-5]；李炳意等基于生态足迹分析了资源型城市的可持续发展能力[6-7]；张琪等分析研究了煤炭资源型城市的“生态—经济—社会”协调发展[8-9]。但从整体复合角度或时空层面探究采煤沉陷区“生态—经济—社会”多维关系协调演化规律的研究较为匮乏。

笔者采用顶层设计和自底向上的方法构建山西省采煤沉陷区“生态—经济—社会”(EES)系统指标体系，结合熵值法和层次分析法赋予指标权重，利用协调发展和面板数据模型计算协调发展指数从时间和空间两个角度分析山西省采煤沉陷区2004—2018年EES系统协调发展演化规律，从整体宏观层面提出改善山西省采煤沉陷区EES系统可持续协调发展的对策建议，研究结果对于推动山西省采煤沉陷区EES系统的协调发展具有重要的现实意义。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域概况

山西省煤炭资源储量高达6 552亿t，省内有晋北、晋中、晋东三大煤炭基地，包括大同、轩岗、古交、西山等9个矿区。目前，山西省采煤沉陷区面积高达2万多km2，有地质灾害隐患的沉陷区共 2 146处，约有1 082 km2耕地和42.6 km2林地遭到破坏，3 309个村庄共66万人的生产生活受到影响，探究并解决采煤沉陷区的生态、经济、社会问题意义重大。根据地理位置分布情况，可以将山西省采煤沉陷区分为晋北、晋中及晋南3个沉陷区域。

1.2 数据来源及指标体系

1.2.1 数据来源

选取的数据主要来源于2004—2018年《山西统计年鉴》[13]、《中国城市统计年鉴》[14]，个别指标、年份存在数据缺失，采用插值法用上一年份或邻近年份进行补充，经过初步搜集和处理获得完整的面板数据。

1.2.2 指标体系构建

基于科学性、系统性、层次性等原则，以及EES系统框架和协调发展要素分析，采用顶层设计和自底向上两种方法来构建山西省采煤沉陷区EES系统协调发展指标体系，确定了包含3个子系统、9个要素、27个底层指标的山西省采煤沉陷区EES系统协调发展评价指标体系[10-12]，如表1所示。

表1 山西省采煤沉陷区EES系统协调发展评价指标体系

注：表中带上标*的指标属性为负；各指标后括号内数字表示该指标重要性权重。

2 研究方法

2.1 底层指标标准化

对底层指标进行标准化处理[15]。根据指标属性，将指标分类为正向和负向指标，将数据处理结果限制在[0,1]内。处理方法如下：

正向指标X′ij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

负向指标X′ij=(Xjmax-Xij)/(Xjmax-Xjmin)

(2)

式中:X′ij是Xij标准化处理之后的值；i的取值范围是1～15(表示年份数量)；j的取值范围是1～27(表示指标数量)。

2.2 指标权重计算

借鉴香农提出的熵值法及层次分析法[16]，共同确定底层指标的权重(权重计算结果见表1底层指标列)。具体计算方法如下：

1)计算第j项指标下第i年份指标值的比重：

(3)

2)第j项指标的熵值：

(4)

3)第j项指标的信息效用值：

gj=1-ej

(5)

4)计算第j项指标权重wj：

(6)

借鉴Ebert和Welsch[17]关于线性函数数据标准化方法的研究成果，采用算术加权平均法处理底层指标权重，得到EES系统各个子系统的综合发展指数。具体计算方法如下：

生态子系统的综合发展指数f(X)：

(7)

经济子系统的综合发展指数f(Y)：

(8)

社会子系统的综合发展指数f(Z)：

(9)

式中：a、b、c分别为生态子系统、经济子系统和社会子系统底层指标数量；αi、βj、γk为各个底层指标对应权重。

2.3 协调发展度模型

采用耦合协调度模型、发展度模型[15]构建山西省采煤沉陷区EES系统协调发展指数模型。

2.3.1 耦合协调度模型

用耦合协调度模型来测度EES系统每个子系统之间相互作用、彼此影响的程度。根据容量耦合系数模型[18]，推导EES系统耦合协调度C的计算公式：

(10)

基于刘耀彬等[19]学者的研究，将山西省采煤沉陷区EES系统耦合协调度类型划分6个大类：完全不耦合(C=0)、低水平耦合阶段(0.01≤C<0.29)、拮抗阶段(0.29≤C<0.49)、磨合阶段(0.49≤C<0.79)、高水平耦合阶段(0.79≤C<0.99)、完全耦合(C=1)。

2.3.2 发展度模型

采用发展度模型计算EES系统综合发展指数T(可持续发展指数)，这一指数主要用来反映EES系统总体平均发展水平。计算公式如下：

T=wf(X)f(X)+wf(Y)f(Y)+wf(Z)f(Z)

(11)

式中wf(X)、wf(Y)、wf(Z)分别为生态、经济、社会3个子系统在EES系统中的权重值。

2.3.3 协调发展指数模型

结合耦合协调度模型和发展度模型，构建协调发展指数模型，计算协调发展指数D。计算公式如下：

(12)

基于廖重斌[20]的研究，将山西省采煤沉陷区EES系统协调发展类型划分为失调衰退(0≤D<0.4)、过渡调和(0.4≤D<0.6)及协调发展(0.6≤D≤1)3个区间。进一步细分为极度失调衰退(0≤D<0.1)、严重失调衰退(0.1≤D<0.2)、中度失调衰退(0.2≤D<0.3)、轻度失调衰退(0.3≤D<0.4)、濒临失调衰退(0.4≤D<0.5)、勉强协调发展(0.5≤D<0.6)、初级协调发展(0.6≤D<0.7)、中级协调发展(0.7≤D<0.8)、良好协调发展(0.8≤D<0.9)、优质协调发展(0.9≤D<1.0)10个类别。

3 结果与分析

3.1 权重计算结果与分析

权重计算结果如前述表1所示。可以看出，在子系统中，经济子系统的比重最高。从EES系统内部作用机制来看，经济子系统是子系统相互作用的中心环节，经济的发展情况决定开发利用自然资源的方式，进一步影响生态环境和社会发展。所以，要实现山西省采煤沉陷区EES系统的协调发展要从经济转型入手，大力发展科技，优化产业结构，进而转变整个社会的发展方式。

在底层指标中，反映资源利用或资源污染情况的工业废气排放量等指标占生态子系统权重较高，最能体现区域生态承载力及生态系统可持续发展能力；进出口总额及地方主导产业原煤产量等指标占经济子系统权重较高，反映了山西省经济支柱煤炭产业的效益，产量越大、进出口额越多，说明当地的经济活力越旺盛，也说明促使经济系统发展的动力越强劲；人均道路面积和互联网使用率占社会子系统权重较高，这两个指标均反映了社会发展水平及人文环境发展情况。

3.2 山西省采煤沉陷区EES系统协调发展时序差异分析

3.2.1 EES系统耦合协调度时序差异分析

晋北、晋中、晋南3个沉陷区的耦合协调度随年份变化的情况如图1所示。

(a)晋北沉陷区

从时序角度分析，山西省采煤沉陷区7个地级市从2004年到2018年的EES系统耦合协调度水平都较高，远离中心区位置，基本集中在0.8～1.0这一区间内，区域内7个地级市EES系统耦合协调度基本上处于“高水平耦合协调”阶段，说明生态、经济、社会3个子系统的发展速度相当，相互之间联系紧密，处于“一荣俱荣，一损俱损”的耦合协调状态。山西省是煤炭资源型省份，全省经济发展依托于煤炭产业的发展，而经济子系统作为山西省EES系统中基于主导和核心地位的系统，对生态变化及社会进步起到引导作用。这种煤炭产业兴衰决定经济发展，进而影响生态变化和社会进步的格局，促使生态、经济、社会3个子系统之间的联系呈现密不可分、同进同退的耦合协调状态。

从整体上看，晋中沉陷区EES系统耦合协调度较晋北和晋南沉陷区波动幅度较大，太原和阳泉两个地级市EES系统耦合协调度在2004年到2006年期间发生了较大幅度的波动，呈明显从劣转良的发展态势。2004年之前，太原和阳泉作为省内先行示范城市提出并实行了一系列促进生态文明建设的办法[21]，生态子系统快速恢复。而同时期，经济和社会子系统的发展明显迟滞于生态子系统的发展，导致EES系统耦合协调度在2004年处于较低水平。

随着山西省煤炭产业转型进入机遇期，经济焕发出新的活力。在这一关键时期要持续发挥山西省EES系统耦合协调高水平优势，在实现经济发展及转型的过程中要兼顾生态环境的修复及社会公平的推进，加大对生态修复的投资力度，大力发展科学技术控制工业“三废”的排放。同时，要着力城镇化建设，扩大道路面积，改善城市拥堵状况，保证EES三系统协调同步，实现可持续发展。

3.2.2 EES系统协调发展指数时序差异分析

山西省采煤沉陷区各个区域7个地级市的协调发展指数走势曲线如图2所示。

(a)晋北沉陷区

山西省采煤沉陷区7个地级市EES系统的协调发展指数走势从2004到2018年基本呈现平稳上升的状态，都从“严重失调衰退”逐步过渡到了“勉强协调发展”阶段，从“失调衰退区间”发展到了“过渡调和区间”，区域EES系统协调发展劲头较足，态势良好。

在2004年到2010年这一时期，省内几大国有煤炭企业迅速发展，煤炭产业链扩大，经济发展从粗放式开始向又快又好方向转变，经济子系统的强势发展拉高了EES系统协调发展水平，EES系统协调发展指数增速较快。从2011年到2015年这一阶段，EES系统协调发展指数呈现倒“U”形走势，协调发展指数先是缓速增长，在2012到2013年之间达到高点随后又逐渐衰落。在这一时期，省内几大国有煤炭企业实现了规模化生产，同时也带来了规模化经济效益，经济发展速度趋缓但仍保持向上发展的态势。与此同时，煤炭产能过剩、产业结构单一等问题开始凸显，预示了经济发展的颓势。2012年到2015年，国家关于企业生产环保政策的出台和实施、新能源产业的迅速发展、国际煤价的波动等多种外部因素的综合影响加速了山西省内煤炭产业结构单一、产能过剩问题的爆发，煤炭产业停滞不前，经济发展遇阻。EES系统协调发展指数呈现出与经济子系统发展指数相同的走势。2016年到2018年这一阶段，山西省煤炭产业转型发展进入机遇期，在供给侧改革背景下，山西省煤炭的减产任务得到了稳固推动，产能过剩问题得到缓解。同时，国有企业对煤炭新型产业链的探索延伸有效解决了产业结构单一的问题，山西省经济开始从低迷状态中恢复过来，经济子系统开始增速发展，由经济子系统主导的EES系统协调发展指数也开始向上发展。

综上分析，EES系统协调发展指数演化规律主要受经济子系统发展的影响，而经济子系统的发展又取决于省内煤炭产业的发展状况。所以，实现山西省采煤沉陷区EES系统长期协调发展要从煤炭产业现有问题入手，延伸煤炭产业链，发展煤矿勘探旅游、金融投资、房地产等行业，解决产业结构单一的问题；深化供给侧改革，引进高新技术，提高煤炭生产效率，缓解产能过剩。

3.3 山西省采煤沉陷区EES系统协调发展时空差异分析

根据上节时序分析的结果，选取2004、2010、2015、2018共4个年份作为时间节点，对山西省采煤沉陷区7个地级市EES系统协调发展指数进行空间差异分析。山西省采煤沉陷区在2004、2010、2015及2018年4个时间节点上EES系统协调发展指数的空间分布如图3所示。

图3 2004、2010、2015、2018年山西省采煤沉陷区EES系统协调发展指数空间分布

2004年，除晋中沉陷区太原市，山西采煤沉陷区7个地级市EES系统协调发展水平均处于“中度失调衰退”阶段，在空间上分布均匀，没有表现出明显的差异；2010年，在空间分布上表现为晋中和晋南采煤沉陷区EES系统协调发展水平优于晋北采煤沉陷区；2015年，山西省采煤沉陷区各个地市都进入“濒临失调衰退”阶段，空间分布均匀，发展速度相当；2018年，在空间上山西省采煤沉陷区EES系统协调发展水平呈现出晋中沉陷区阳泉和晋南沉陷区长治落后于其他地市的状态。在2016年全省煤炭产业转型之后，阳泉市和长治市的转型发展慢于其他地市，经济发展受阻，以经济子系统为主导的EES系统协调发展迟缓。

总体而言，采煤沉陷区EES系统协调发展指数在空间上分布均匀，三大区域EES系统协调发展进程相当，区域内地市之间联动效应明显，相邻地市EES系统协调发展水平相近。但在各个时间点都有突出的地市实现领先发展，这些地市在突破发展当年表现出优于其他地市的经济发展水平。所以，要实现采煤沉陷区全面发展，必须发挥各个区域内领先地市的带头示范作用，加强地市之间的经济交流，促进企业之间的合作共赢，推动产业跨市联动，发挥各地市的优势资源，形成经济带。

4 结论与建议

从2004年到2018年，山西省采煤沉陷区EES系统协调发展水平总体呈上升趋势，协调发展指数在空间上分布均匀。晋北、晋中和晋南三大区域EES系统协调发展进程相当，区域内地市之间联动效应明显，相邻地市EES系统协调发展水平相近。EES系统协调发展指数演化规律主要受经济子系统发展的影响，而经济子系统的发展又取决于省内煤炭产业的发展状况。所以，实现山西省采煤沉陷区EES系统长期协调发展要从经济转型入手，深化供给侧改革，引入高新技术，着力煤炭企业的绿色化改造进程，解决煤炭产业现有问题。同时，要实现采煤沉陷区全面发展，必须发挥各个区域内领先地市的带头示范作用，加强地市之间的经济交流。