李建國 賈冬梅

（1.天津市中水科技咨詢有限責(zé)任公司，天津 300171；2.天津市排水管理事務(wù)中心第七排水管理所，天津 300400）

1 研究背景

近年來，城市河道淤塞、水體污染、水環(huán)境惡化等問題層出不窮，一定程度上制約著我國經(jīng)濟社會的高質(zhì)量發(fā)展，成為城鎮(zhèn)化進程中的突出問題。江河湖庫水系連通是優(yōu)化水資源戰(zhàn)略格局、提高水利保障能力、促進水生態(tài)文明建設(shè)的有效措施。研究河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展的相關(guān)關(guān)系，對于解決好城鎮(zhèn)化建設(shè)中的水問題，實現(xiàn)河湖水系與經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實意義。

連通性的概念最早起源于生態(tài)學(xué)，2000年之后，關(guān)于連通性的研究與探討發(fā)展迅速，并涉及水文學(xué)、環(huán)境學(xué)與生態(tài)學(xué)等多個學(xué)科[1]。陳星等[2]基于圖論將河網(wǎng)概化為圖模型，利用Matlab軟件對河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)連通性作出定量評價；姜宇等[3]提出改進圖論法，并應(yīng)用于河湖水系連通規(guī)劃；孟祥永等[4]從結(jié)構(gòu)連通性和水力連通性的角度構(gòu)建了城市水系連通性評價體系。在河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展關(guān)系研究方面，左其亭等[5]基于匹配度計算公式，提出河湖水系連通系統(tǒng)與經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)協(xié)調(diào)度計算方法，并以鄭州市為例進行了實證分析；李普林等[6]以江蘇省為研究對象，通過建立城鎮(zhèn)化系統(tǒng)進程狀況和河湖水系連通水平的評價指標(biāo)體系，利用耦合協(xié)調(diào)模型計算城鎮(zhèn)化與河湖水系連通系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度。目前對河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展關(guān)系的研究尚不多見，因此本文以天津市為例，構(gòu)建天津市河湖水系連通系統(tǒng)和經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)，通過構(gòu)建系統(tǒng)綜合評價函數(shù)，定量評價天津市河湖水系連通和經(jīng)濟社會發(fā)展協(xié)調(diào)度發(fā)展歷程，并基于演化速度公式及夾角公式分析天津市河湖水系連通和經(jīng)濟社會發(fā)展耦合度，研究成果對于城市建設(shè)與發(fā)展具有一定參考意義。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

天津市地處華北平原東北部，海河流域下游，瀕臨渤海，大部分地區(qū)為平原區(qū)，地勢低洼平坦，境內(nèi)河流眾多，素稱“九河下梢”。天津市境內(nèi)共有行洪河道19條，總長1095.1km；排瀝河道109條，總長1869.0km；各類水庫143座，其中大型水庫3座，中型水庫13座，水庫水面面積438.0km2；沼澤化濕地面積284.0km2，加上眾多的天然沼澤、沼澤化濕地和人工濕地、淺海水域和潮間帶灘涂濕地等，濕地總面積達4279.0km2，占天津市總面積的35.9%。天津市境內(nèi)雖然水系發(fā)達，但仍存在本地水資源不足、水資源地域分布不均衡、入境水量較少等問題。2013年10月，天津市水務(wù)局下達了《關(guān)于編制〈天津市水系連通規(guī)劃〉報告任務(wù)書的通知》，多年來經(jīng)過實施一系列的水系連通、河道治理工程，現(xiàn)已實現(xiàn)全市水系連通。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)全部來源于2015—2022年《天津市水資源公報》《天津市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》《天津市統(tǒng)計年鑒》《天津市城市總體規(guī)劃》《天津市水務(wù)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》《天津市水系連通規(guī)劃》等資料。

2.3 指標(biāo)層次構(gòu)建

借鑒國內(nèi)外已有研究成果，以河湖水系連通和經(jīng)濟社會發(fā)展為目標(biāo)層構(gòu)建評價指標(biāo)體系。其中河湖水系連通系統(tǒng)下設(shè)結(jié)構(gòu)連通性A1、水力連通性A2兩個一級指標(biāo)，經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)下設(shè)人口發(fā)展B1、經(jīng)濟增長B2、社會結(jié)構(gòu)B33個一級指標(biāo)，各二級指標(biāo)構(gòu)建及計算方法見表1[7-9]。

表1 河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展指標(biāo)體系權(quán)重計算

2.4 研究方法

2.4.1 確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)本文所建立的經(jīng)濟社會發(fā)展與河湖水系連通指標(biāo)層次體系，本文選取了天津市2015—2022年共8年的數(shù)據(jù)，時間序列相對較長，所取數(shù)據(jù)客觀真實，各指標(biāo)權(quán)重的確定采用熵值法，具體計算步驟如下[10-12]。

2.4.1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為消除各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)由于量綱不同所引起的計算誤差，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化的方法對原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體計算公式如下：

式中：X′ij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)值；Xij為指標(biāo)原始值；Xmaxj、Xminj分別為歷年來指標(biāo)j的最大值、最小值。但考慮到有些指標(biāo)本身雖為正向指標(biāo)，但當(dāng)其增加到一定程度時又會對經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生一定的負面作用。此類指標(biāo)通常并非越大越好，而是當(dāng)其接近于某一標(biāo)準(zhǔn)值時最佳，因此，定義此類指標(biāo)為非單向指標(biāo)。

式中：當(dāng)Xij＜X0時，X′ij為正向指標(biāo)；當(dāng)Xij≥X0時，X′ij為負向指標(biāo)；X0主要借鑒有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)加以確定。

2.4.1.2 權(quán)重計算

a. 第j個指標(biāo)在第i年的比重Pij：

式中：m為統(tǒng)計年數(shù)。

b. 第j個指標(biāo)信息熵Ej：

其中，0≤Ej≤1。

c. 第j個指標(biāo)的效用值Dj：

d. 第j個指標(biāo)的權(quán)重Wj：

式中：n為指標(biāo)數(shù)。

以加權(quán)求和法計算2015—2022年天津市經(jīng)濟社會發(fā)展與河湖水系連通指標(biāo)權(quán)重，計算結(jié)果見表1。

2.4.2 綜合評價函數(shù)

以加權(quán)求和法分別構(gòu)建河湖水系系統(tǒng)f（t）和經(jīng)濟社會系統(tǒng)g（t）的綜合評價函數(shù)，以此反映河湖水系系統(tǒng)與經(jīng)濟社會系統(tǒng)兩者間的離散關(guān)系，當(dāng)f（t）＞g（t）時，表明河湖水系連通優(yōu)于經(jīng)濟社會發(fā)展水平；當(dāng)f（t）＝g（t）時，表明河湖水系連通與經(jīng)濟社會同步發(fā)展；當(dāng)f（t）＜g（t）時，表明河湖水系連通落后于經(jīng)濟社會發(fā)展。

式中：X′ij、Y′ij分別為各初始指標(biāo)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)；Wj為各項指標(biāo)權(quán)重，并滿足∑Wj＝1。

2.4.3 河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展耦合協(xié)調(diào)評價

協(xié)調(diào)度是反映不同系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)部指標(biāo)間協(xié)調(diào)狀況的定量指標(biāo)，用于描述各事物間由無序走向有序的趨勢及良性互動發(fā)展的程度。本文中協(xié)調(diào)度的確定采用協(xié)調(diào)度指數(shù)法，計算公式如下：

式中：D為協(xié)調(diào)度指數(shù)；C為耦合度指數(shù)；k為調(diào)節(jié)系數(shù)（k≥2），本文中取k＝2；T為綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，本文認為河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展同等重要，取α＝β＝0.5。

考慮河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展的動態(tài)脅迫關(guān)系，耦合協(xié)調(diào)分析主要借鑒系統(tǒng)論中系統(tǒng)演化思想對河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展的動態(tài)變化和耦合關(guān)系進行評價。

式中：P(t)、Q(t)分別為河湖水系系統(tǒng)和經(jīng)濟社會系統(tǒng)演化速度。

假定河湖水系系統(tǒng)和經(jīng)濟社會系統(tǒng)的變化速度P(t)、Q(t)均滿足周期性變化，且耦合度E是由P(t)、Q(t)共同作用決定的，即E＝h［P(t)、Q(t)］，故其變化軌跡可形成一個橢圓，見圖1。

圖1 河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展耦合關(guān)系

取P(t)、Q(t)夾角為α，那么tanα=，此時α= arctan即為河湖水系系統(tǒng)與經(jīng)濟社會系統(tǒng)耦合度計算值，并可據(jù)此判斷整個系統(tǒng)的演化態(tài)勢及耦合情況，見表2。

表2 耦合度α取值及系統(tǒng)耦合狀態(tài)

3 分析與討論

3.1 河湖水系連通系統(tǒng)與經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)綜合評價分析

根據(jù)以上提出的協(xié)調(diào)度指數(shù)法計算天津市2015—2022年河湖水系連通系統(tǒng)與經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)綜合評價值f（t）、g（t）及相應(yīng)的C、T、D、F，計算結(jié)果見表3。

表3 天津市河湖水系連通系統(tǒng)與經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)協(xié)調(diào)度計算結(jié)果

從圖2綜合評價值變化曲線來看，總體上2015—2022年天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展處于持續(xù)上升的態(tài)勢。河湖水系連通綜合評價值從2015年的0.8665提升到2022年的1.8864，總體提升了1.18倍，經(jīng)濟社會發(fā)展綜合評價值從2015年的0.1451提升到2022年的0.9635，總體上提升了5.64倍，進一步說明了近年來天津市經(jīng)濟社會和水系連通得到持續(xù)發(fā)展。同時從系統(tǒng)綜合評價年度差值F來看，2015—2022年F值始終為正值，表明天津市經(jīng)過多輪水系連通建設(shè)，全市河湖水系連通水平要優(yōu)于經(jīng)濟社會發(fā)展水平，且2015—2022年系統(tǒng)綜合評價年度差值F總體較為平穩(wěn)，表明全市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展總體處于較為穩(wěn)定的階段。

圖2 天津市河湖水系系統(tǒng)與經(jīng)濟社會系統(tǒng)綜合評價值

3.2 河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)協(xié)調(diào)度分析

根據(jù)已有成果對河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展協(xié)調(diào)度進行分類，按照協(xié)調(diào)度指數(shù)分類法可分為9個區(qū)段，見表4。根據(jù)表3計算所得協(xié)調(diào)度指數(shù)D對天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展協(xié)調(diào)程度進行判斷。結(jié)果表明，2015—2022年天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展協(xié)調(diào)度指數(shù)呈明顯上升趨勢，2015—2022年天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展協(xié)調(diào)度經(jīng)歷了中度失調(diào)、輕度失調(diào)、初級協(xié)調(diào)、優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)4個階段，目前兩者正在向更加協(xié)調(diào)的方向發(fā)展，見表5。

表4 河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展協(xié)調(diào)度分類

表5 天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展協(xié)調(diào)程度

3.3 河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)耦合度評價

根據(jù)表3所列2015—2022年天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展綜合評價結(jié)果，擬合河湖水系連通系統(tǒng)f（t）和經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)g（t）關(guān)系曲線，擬合結(jié)果見圖3，其中R2分別為0.9992和0.9975，滿足精度要求。

圖3 2015—2022年天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展綜合評價曲線擬合

通過演化速度公式及夾角公式計算2015—2022年天津市P（t）、Q（t）tanα及α值，由計算結(jié)果（見表6）可知，2015—2022年天津市河湖水系連通系統(tǒng)變化速度P（t）為負，經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)變化速度Q（t）為負，此時0°＜α＜90°，兩系統(tǒng)變化位于第一象限，表明2015—2022年天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展處于Ⅱ級協(xié)調(diào)耦合階段。這一階段經(jīng)濟社會發(fā)展相對較快，對城市河湖水系連通性的需求會有所上升，兩系統(tǒng)間存在較強的相互制約脅迫關(guān)系。從α的變化趨勢來看，2015—2022年α值總體平穩(wěn)，表明現(xiàn)階段兩系統(tǒng)處于相對平衡的狀態(tài)，在今后較長的一段時間內(nèi)這種平衡將得以保持。

表6 2015—2022年天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展耦合度計算

4 結(jié) 論

本文運用耦合協(xié)調(diào)模型對2015—2022年天津市河湖水系連通系統(tǒng)與經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)綜合評價值、耦合度、協(xié)調(diào)度進行評價，結(jié)果表明：近年來天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展均處于不斷上升趨勢，河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展綜合評價差值F總體較為平穩(wěn)，表明全市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展總體處于較為穩(wěn)定的階段；2015—2022年天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展協(xié)調(diào)度經(jīng)歷了中度失調(diào)、輕度失調(diào)、初級協(xié)調(diào)、優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)4個階段，目前兩者正向更加協(xié)調(diào)的方向發(fā)展；天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)耦合度滿足0°＜α＜90°，表明2015—2022年天津市河湖水系連通與經(jīng)濟社會發(fā)展處于Ⅱ級協(xié)調(diào)耦合階段，現(xiàn)階段兩者間仍存在一定的制約脅迫關(guān)系，在城鎮(zhèn)化建設(shè)進程中要尤為注重兩系統(tǒng)的有機結(jié)合。另外，從α的變化趨勢來看，2015—2022年α值總體上保持著相對穩(wěn)定的水平，2019年以后呈現(xiàn)小幅度的遞減趨勢，表明在今后較長一段時間內(nèi)天津市將處于兩系統(tǒng)的協(xié)調(diào)耦合階段，經(jīng)過治理后的河湖水系能夠滿足全市經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，最終兩者將實現(xiàn)高度的協(xié)調(diào)發(fā)展。