天津市经济社会发展与河湖水系连通耦合协调关系研究

李建国 贾冬梅

（1.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津 300171；2.天津市排水管理事务中心第七排水管理所，天津 300400）

1 研究背景

近年来，城市河道淤塞、水体污染、水环境恶化等问题层出不穷，一定程度上制约着我国经济社会的高质量发展，成为城镇化进程中的突出问题。江河湖库水系连通是优化水资源战略格局、提高水利保障能力、促进水生态文明建设的有效措施。研究河湖水系连通与经济社会发展的相关关系，对于解决好城镇化建设中的水问题，实现河湖水系与经济社会的协调发展，具有重要的现实意义。

连通性的概念最早起源于生态学，2000年之后，关于连通性的研究与探讨发展迅速，并涉及水文学、环境学与生态学等多个学科[1]。陈星等[2]基于图论将河网概化为图模型，利用Matlab软件对河网的结构连通性作出定量评价；姜宇等[3]提出改进图论法，并应用于河湖水系连通规划；孟祥永等[4]从结构连通性和水力连通性的角度构建了城市水系连通性评价体系。在河湖水系连通与经济社会发展关系研究方面，左其亭等[5]基于匹配度计算公式，提出河湖水系连通系统与经济社会发展系统协调度计算方法，并以郑州市为例进行了实证分析；李普林等[6]以江苏省为研究对象，通过建立城镇化系统进程状况和河湖水系连通水平的评价指标体系，利用耦合协调模型计算城镇化与河湖水系连通系统耦合协调度。目前对河湖水系连通与经济社会发展关系的研究尚不多见，因此本文以天津市为例，构建天津市河湖水系连通系统和经济社会发展系统，通过构建系统综合评价函数，定量评价天津市河湖水系连通和经济社会发展协调度发展历程，并基于演化速度公式及夹角公式分析天津市河湖水系连通和经济社会发展耦合度，研究成果对于城市建设与发展具有一定参考意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

天津市地处华北平原东北部，海河流域下游，濒临渤海，大部分地区为平原区，地势低洼平坦，境内河流众多，素称“九河下梢”。天津市境内共有行洪河道19条，总长1095.1km；排沥河道109条，总长1869.0km；各类水库143座，其中大型水库3座，中型水库13座，水库水面面积438.0km2；沼泽化湿地面积284.0km2，加上众多的天然沼泽、沼泽化湿地和人工湿地、浅海水域和潮间带滩涂湿地等，湿地总面积达4279.0km2，占天津市总面积的35.9%。天津市境内虽然水系发达，但仍存在本地水资源不足、水资源地域分布不均衡、入境水量较少等问题。2013年10月，天津市水务局下达了《关于编制〈天津市水系连通规划〉报告任务书的通知》，多年来经过实施一系列的水系连通、河道治理工程，现已实现全市水系连通。

2.2 数据来源

本文数据全部来源于2015—2022年《天津市水资源公报》《天津市国民经济和社会发展统计公报》《天津市统计年鉴》《天津市城市总体规划》《天津市水务发展“十四五”规划》《天津市水系连通规划》等资料。

2.3 指标层次构建

借鉴国内外已有研究成果，以河湖水系连通和经济社会发展为目标层构建评价指标体系。其中河湖水系连通系统下设结构连通性A1、水力连通性A2两个一级指标，经济社会发展系统下设人口发展B1、经济增长B2、社会结构B33个一级指标，各二级指标构建及计算方法见表1[7-9]。

表1 河湖水系连通与经济社会发展指标体系权重计算

2.4 研究方法

2.4.1 确定指标权重

根据本文所建立的经济社会发展与河湖水系连通指标层次体系，本文选取了天津市2015—2022年共8年的数据，时间序列相对较长，所取数据客观真实，各指标权重的确定采用熵值法，具体计算步骤如下[10-12]。

2.4.1.1 数据标准化

为消除各指标原始数据由于量纲不同所引起的计算误差，采用极差标准化的方法对原始数据进行标准化处理，具体计算公式如下：

式中：X′ij为标准化处理后的指标值；Xij为指标原始值；Xmaxj、Xminj分别为历年来指标j的最大值、最小值。但考虑到有些指标本身虽为正向指标，但当其增加到一定程度时又会对经济社会发展产生一定的负面作用。此类指标通常并非越大越好，而是当其接近于某一标准值时最佳，因此，定义此类指标为非单向指标。

式中：当Xij＜X0时，X′ij为正向指标；当Xij≥X0时，X′ij为负向指标；X0主要借鉴有关规范、标准加以确定。

2.4.1.2 权重计算

a. 第j个指标在第i年的比重Pij：

式中：m为统计年数。

b. 第j个指标信息熵Ej：

其中，0≤Ej≤1。

c. 第j个指标的效用值Dj：

d. 第j个指标的权重Wj：

式中：n为指标数。

以加权求和法计算2015—2022年天津市经济社会发展与河湖水系连通指标权重，计算结果见表1。

2.4.2 综合评价函数

以加权求和法分别构建河湖水系系统f（t）和经济社会系统g（t）的综合评价函数，以此反映河湖水系系统与经济社会系统两者间的离散关系，当f（t）＞g（t）时，表明河湖水系连通优于经济社会发展水平；当f（t）＝g（t）时，表明河湖水系连通与经济社会同步发展；当f（t）＜g（t）时，表明河湖水系连通落后于经济社会发展。

式中：X′ij、Y′ij分别为各初始指标经标准化处理后的数据；Wj为各项指标权重，并满足∑Wj＝1。

2.4.3 河湖水系连通与经济社会发展耦合协调评价

协调度是反映不同系统或系统内部指标间协调状况的定量指标，用于描述各事物间由无序走向有序的趋势及良性互动发展的程度。本文中协调度的确定采用协调度指数法，计算公式如下：

式中：D为协调度指数；C为耦合度指数；k为调节系数（k≥2），本文中取k＝2；T为综合协调指数，本文认为河湖水系连通与经济社会发展同等重要，取α＝β＝0.5。

考虑河湖水系连通与经济社会发展的动态胁迫关系，耦合协调分析主要借鉴系统论中系统演化思想对河湖水系连通与经济社会发展的动态变化和耦合关系进行评价。

式中：P(t)、Q(t)分别为河湖水系系统和经济社会系统演化速度。

假定河湖水系系统和经济社会系统的变化速度P(t)、Q(t)均满足周期性变化，且耦合度E是由P(t)、Q(t)共同作用决定的，即E＝h［P(t)、Q(t)］，故其变化轨迹可形成一个椭圆，见图1。

图1 河湖水系连通与经济社会发展耦合关系

取P(t)、Q(t)夹角为α，那么tanα=，此时α= arctan即为河湖水系系统与经济社会系统耦合度计算值，并可据此判断整个系统的演化态势及耦合情况，见表2。

表2 耦合度α取值及系统耦合状态

3 分析与讨论

3.1 河湖水系连通系统与经济社会发展系统综合评价分析

根据以上提出的协调度指数法计算天津市2015—2022年河湖水系连通系统与经济社会发展系统综合评价值f（t）、g（t）及相应的C、T、D、F，计算结果见表3。

表3 天津市河湖水系连通系统与经济社会发展系统协调度计算结果

从图2综合评价值变化曲线来看，总体上2015—2022年天津市河湖水系连通与经济社会发展处于持续上升的态势。河湖水系连通综合评价值从2015年的0.8665提升到2022年的1.8864，总体提升了1.18倍，经济社会发展综合评价值从2015年的0.1451提升到2022年的0.9635，总体上提升了5.64倍，进一步说明了近年来天津市经济社会和水系连通得到持续发展。同时从系统综合评价年度差值F来看，2015—2022年F值始终为正值，表明天津市经过多轮水系连通建设，全市河湖水系连通水平要优于经济社会发展水平，且2015—2022年系统综合评价年度差值F总体较为平稳，表明全市河湖水系连通与经济社会发展总体处于较为稳定的阶段。

图2 天津市河湖水系系统与经济社会系统综合评价值

3.2 河湖水系连通与经济社会发展系统协调度分析

根据已有成果对河湖水系连通与经济社会发展协调度进行分类，按照协调度指数分类法可分为9个区段，见表4。根据表3计算所得协调度指数D对天津市河湖水系连通与经济社会发展协调程度进行判断。结果表明，2015—2022年天津市河湖水系连通与经济社会发展协调度指数呈明显上升趋势，2015—2022年天津市河湖水系连通与经济社会发展协调度经历了中度失调、轻度失调、初级协调、优质协调4个阶段，目前两者正在向更加协调的方向发展，见表5。

表4 河湖水系连通与经济社会发展协调度分类

表5 天津市河湖水系连通与经济社会发展协调程度

3.3 河湖水系连通与经济社会发展系统耦合度评价

根据表3所列2015—2022年天津市河湖水系连通与经济社会发展综合评价结果，拟合河湖水系连通系统f（t）和经济社会发展系统g（t）关系曲线，拟合结果见图3，其中R2分别为0.9992和0.9975，满足精度要求。

图3 2015—2022年天津市河湖水系连通与经济社会发展综合评价曲线拟合

通过演化速度公式及夹角公式计算2015—2022年天津市P（t）、Q（t）tanα及α值，由计算结果（见表6）可知，2015—2022年天津市河湖水系连通系统变化速度P（t）为负，经济社会发展系统变化速度Q（t）为负，此时0°＜α＜90°，两系统变化位于第一象限，表明2015—2022年天津市河湖水系连通与经济社会发展处于Ⅱ级协调耦合阶段。这一阶段经济社会发展相对较快，对城市河湖水系连通性的需求会有所上升，两系统间存在较强的相互制约胁迫关系。从α的变化趋势来看，2015—2022年α值总体平稳，表明现阶段两系统处于相对平衡的状态，在今后较长的一段时间内这种平衡将得以保持。

表6 2015—2022年天津市河湖水系连通与经济社会发展耦合度计算

4 结 论

本文运用耦合协调模型对2015—2022年天津市河湖水系连通系统与经济社会发展系统综合评价值、耦合度、协调度进行评价，结果表明：近年来天津市河湖水系连通与经济社会发展均处于不断上升趋势，河湖水系连通与经济社会发展综合评价差值F总体较为平稳，表明全市河湖水系连通与经济社会发展总体处于较为稳定的阶段；2015—2022年天津市河湖水系连通与经济社会发展协调度经历了中度失调、轻度失调、初级协调、优质协调4个阶段，目前两者正向更加协调的方向发展；天津市河湖水系连通与经济社会发展系统耦合度满足0°＜α＜90°，表明2015—2022年天津市河湖水系连通与经济社会发展处于Ⅱ级协调耦合阶段，现阶段两者间仍存在一定的制约胁迫关系，在城镇化建设进程中要尤为注重两系统的有机结合。另外，从α的变化趋势来看，2015—2022年α值总体上保持着相对稳定的水平，2019年以后呈现小幅度的递减趋势，表明在今后较长一段时间内天津市将处于两系统的协调耦合阶段，经过治理后的河湖水系能够满足全市经济社会发展的需求，最终两者将实现高度的协调发展。