王乃舉， 黃 翔

(1.合肥學(xué)院 旅游系， 合肥 230601； 2.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 武漢 430079)

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環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化研究
——以合肥市為例

王乃舉1*， 黃 翔2

(1.合肥學(xué)院 旅游系， 合肥 230601； 2.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 武漢 430079)

運(yùn)用變異系數(shù)理論構(gòu)建模型，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)合肥市環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)耦合發(fā)展度，并進(jìn)一步運(yùn)用協(xié)同進(jìn)化理論診斷研究時(shí)段合肥市環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)交互作用機(jī)制及演變趨向.結(jié)果表明：(1)2001年～2012年合肥市環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)各子系統(tǒng)序參量均呈增長趨勢，但差異明顯；耦合發(fā)展度總體水平低，環(huán)境子系統(tǒng)是復(fù)合系統(tǒng)耦合發(fā)展水平主要約束子系統(tǒng).(2)子系統(tǒng)內(nèi)部交互作用機(jī)制差異明顯，環(huán)境—經(jīng)濟(jì)、經(jīng)濟(jì)—社會(huì)及環(huán)境—社會(huì)子系統(tǒng)之間的關(guān)系是雙向掠奪型、單向輸給型和相向互利型；經(jīng)濟(jì)、社會(huì)系統(tǒng)進(jìn)化速度迅速，成為掠奪環(huán)境子系統(tǒng)有序演化的主要原因.

耦合模型； 協(xié)同理論； 復(fù)合系統(tǒng)； 合肥市

環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化研究是一個(gè)十分重要的問題，安徽合肥市發(fā)展過程中如何實(shí)現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同進(jìn)化是一個(gè)值得研究的問題.

1研究背景與指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1研究背景

城市是人地作用最為強(qiáng)烈的地球表層系統(tǒng)，由環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)3大子系統(tǒng)交互耦合、協(xié)同進(jìn)化而構(gòu)成的復(fù)雜的、非線性的巨系統(tǒng).從研究對(duì)象上看，目前較多學(xué)者重點(diǎn)研究了城市2類子系統(tǒng)(如城市化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng))之間的關(guān)系[1-5]，但對(duì)包含環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)3類子系統(tǒng)的復(fù)雜多系統(tǒng)關(guān)系研究還不夠深入.從研究方法上看，多數(shù)學(xué)者通過構(gòu)建協(xié)調(diào)、耦合模型研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律[6-8]，也有學(xué)者構(gòu)建協(xié)同進(jìn)化模型，集成子系統(tǒng)交互作用關(guān)系[9-12]，前者僅從一方面反映系統(tǒng)協(xié)調(diào)、耦合發(fā)展程度，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部作用機(jī)制、協(xié)調(diào)耦合機(jī)制研究不夠深入，而后者僅從一方面刻畫系統(tǒng)的協(xié)同進(jìn)化程度，忽略對(duì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)、耦合程度動(dòng)態(tài)變化的研究.為解決這一不足，本研究以合肥為例，采用變異系數(shù)法構(gòu)建多系統(tǒng)耦合發(fā)展度模型，測度復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演進(jìn)的特征；運(yùn)用協(xié)同理論集成子系統(tǒng)交互作用規(guī)律，并推測其未來發(fā)展趨向，為相關(guān)城市制定針對(duì)性政策提供決策參考.

合肥市是安徽政治、經(jīng)濟(jì)、文化、信息、交通和金融中心，省域區(qū)位優(yōu)勢明顯.合肥市經(jīng)濟(jì)總量不斷增加，2012年GDP達(dá)4 164億元，其中工業(yè)增加值占GDP的比重為43.6%.合肥市城市空間和人口密度不斷擴(kuò)大，2012年城市建設(shè)面積350km2，人口城鎮(zhèn)化率為66.4%，人口密度5 335人/km2，位居全省地級(jí)市之首.合肥市城市發(fā)展對(duì)土地資源、水資源、能源資源構(gòu)成了巨大的壓力，社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密度的增加擠占了自然生態(tài)系統(tǒng)的空間，進(jìn)而消弱了其生態(tài)服務(wù)功能，物質(zhì)消耗及城市居民生活廢棄物產(chǎn)生量造成的壓力也日益凸顯.因而進(jìn)行合肥市環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化研究是非常必要的.

1.2指標(biāo)體系構(gòu)建

本研究指標(biāo)體系分為總目標(biāo)層、次目標(biāo)層和指標(biāo)層，次目標(biāo)層即環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)系統(tǒng).指標(biāo)選取遵循可獲得性、可比較性和代表性原則.環(huán)境系統(tǒng)設(shè)置工業(yè)廢氣排放強(qiáng)度、工業(yè)廢水排放強(qiáng)度、工業(yè)固廢排放強(qiáng)度、環(huán)境噪聲等效聲級(jí)、建成區(qū)面積、道路面積、供水總量、規(guī)模以上工業(yè)能源消耗、建成區(qū)綠化覆蓋率、人均綠地面積等10項(xiàng)指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)選擇人均GDP、人均工業(yè)增加值、人均三產(chǎn)增加值、財(cái)政收入、第三產(chǎn)業(yè)比重、高新技術(shù)產(chǎn)值、實(shí)際利用外資、進(jìn)出口總額、全社會(huì)固定資產(chǎn)投資、社會(huì)消費(fèi)品零售總額等10項(xiàng)指標(biāo)，社會(huì)系統(tǒng)選擇人均藏書量、人均教育文化娛樂消費(fèi)、每萬人高校學(xué)生數(shù)、城鎮(zhèn)居民人均住房面積、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、城鎮(zhèn)居民家庭恩格爾系數(shù)、城鎮(zhèn)居民最低生活保障人數(shù)比例、城鎮(zhèn)登記失業(yè)率、市區(qū)每萬人擁有公交車輛數(shù)、人均衛(wèi)生機(jī)構(gòu)床位數(shù)、每萬人移動(dòng)用戶數(shù)等11項(xiàng)指標(biāo).

2研究方法與模型選擇

2.1耦合發(fā)展度模型

設(shè)有時(shí)間序列Xit(i∈1～3，i=1表示環(huán)境系統(tǒng)，i=2表示經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，i=3表示社會(huì)系統(tǒng)；T表示研究時(shí)段年份)表示環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)3大子系統(tǒng)序參量，則3組序參量變異系數(shù)CVit(i=1，2，3;t=T)為：

(1)

(2)

(3)

式中，l表示協(xié)調(diào)系數(shù)，本研究l取值為3[14].

結(jié)合已有相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)論[15-16]，將耦合發(fā)展度劃分為極低、較低、中等、較高和極高5個(gè)等級(jí)Gi(i∈1～5)，其對(duì)應(yīng)區(qū)間分別是[0.0，0.2]、(0.2，0.4]、(0.4，0.6]、(0.6，0.8]和 (0.8，1.0].

2.2協(xié)同進(jìn)化模型

在城市這一復(fù)雜系統(tǒng)中，環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)3類系統(tǒng)之間存在交互耦合發(fā)展的關(guān)系，即1個(gè)系統(tǒng)的變化，必然會(huì)引發(fā)另外2個(gè)系統(tǒng)行為的變化.環(huán)境是城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)前提和空間條件，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)是聯(lián)系自然環(huán)境與人類社會(huì)的紐帶和橋梁，而社會(huì)是這一復(fù)雜系統(tǒng)的最高層，既是經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的成果，又反作用于環(huán)境系統(tǒng).一方面，城市居民經(jīng)濟(jì)活動(dòng)創(chuàng)造了大量的物質(zhì)財(cái)富，并依托物質(zhì)財(cái)富進(jìn)行高級(jí)創(chuàng)造，精神產(chǎn)品便應(yīng)運(yùn)而生，從而推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步.另一方面，城市環(huán)境系統(tǒng)可供給能力和可承載能力是有閾限的，城市人類對(duì)物質(zhì)、能源、信息消耗和依賴，引發(fā)資源供給緊張，生態(tài)壓力凸顯，環(huán)境問題隨之產(chǎn)生.根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，當(dāng)城市復(fù)雜系統(tǒng)遭受破壞后，便在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)之外重建新的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng).因此，3類子系統(tǒng)之間是協(xié)同進(jìn)化，共生共滅的關(guān)系，并且各子系統(tǒng)發(fā)展均符合logistic growth模型，演化方程表示如下[11]：

α1X1t(1-X1t-β12X2t-β13X3t)，

α2X2t(1-X2t-β21X1t-β23X3t)，

α3X3t(1-X3t-β31X1t-β32X2t).

(4)

(5)

再令

則(5)式轉(zhuǎn)化為：

(6)

然后對(duì)(6)式αi(i∈1～3)和φi(i∈1～3)βij(i∈1～3;j∈1～3)、ωi(i∈1～3)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，最后還原求出βij(i∈1～3;j∈1～3).

(5)式中，α1、α2和α3分別代表3類子系統(tǒng)的增殖系數(shù)，含義是環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)各子系統(tǒng)在復(fù)雜系統(tǒng)中的發(fā)展增殖程度.Z1表示經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境系統(tǒng)競爭作用，作用效果以參數(shù)β12、β13表示，即經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)都會(huì)影響環(huán)境系統(tǒng)的有序化水平；Z2表示環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)競爭作用，作用效果以參數(shù)β21、β21表示，即環(huán)境變化和社會(huì)變動(dòng)都會(huì)影響經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的有序化水平；Z3表示環(huán)境系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)社會(huì)系統(tǒng)競爭影響，作用效果以參數(shù)β31、β32表示，即環(huán)境變化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都會(huì)影響社會(huì)系統(tǒng)的有序化水平.

βij與βji大小反應(yīng)了i子系統(tǒng)與j子系統(tǒng)之間交互作用的關(guān)系，當(dāng)βij>0時(shí)，反映了j子系統(tǒng)與i子系統(tǒng)之間的競爭關(guān)系，即j子系統(tǒng)的進(jìn)化爭奪了i子系統(tǒng)的發(fā)展資源和發(fā)展機(jī)會(huì)，阻礙了i子系統(tǒng)的發(fā)展.當(dāng)βij<0時(shí)，反映了j子系統(tǒng)與i子系統(tǒng)之間的合作關(guān)系，即j子系統(tǒng)的進(jìn)化為i子系統(tǒng)發(fā)展提供了發(fā)展資源和發(fā)展機(jī)會(huì)，有利于i子系統(tǒng)的發(fā)展.

再設(shè)Y10、Y20、Y30為O5平衡點(diǎn)坐標(biāo)，判斷其是否穩(wěn)定的依據(jù)是：p<0，q<0， r<0時(shí)穩(wěn)定；p>0時(shí)不穩(wěn)定.其中，

O1(0，0，0)不是系統(tǒng)發(fā)展的穩(wěn)定點(diǎn)，O2(1，0，0)，O3(0，1，0)，O4(0，0，1)分別為環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)系統(tǒng)達(dá)到極值狀態(tài)，同時(shí)其他2大子系統(tǒng)消亡狀態(tài)，表明子系統(tǒng)之間的部分競爭替代關(guān)系.如經(jīng)濟(jì)社會(huì)盲目發(fā)展，無限制掠奪環(huán)境資源和占據(jù)環(huán)境空間，結(jié)果導(dǎo)致環(huán)境系統(tǒng)逐漸衰退消亡.平衡點(diǎn)5表明個(gè)系統(tǒng)均有發(fā)展變化，環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)系統(tǒng)發(fā)展變化相互牽制，經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)發(fā)展需要資源環(huán)境支撐，人類在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中認(rèn)識(shí)到環(huán)境系統(tǒng)的重要性，加大環(huán)境投入，重視環(huán)境保護(hù)，3類系統(tǒng)之間交互協(xié)同進(jìn)化發(fā)展，即系統(tǒng)之間部分競爭共生關(guān)系.

3結(jié)果及其分析

數(shù)據(jù)來源于中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒(2001年～2012年)、安徽統(tǒng)計(jì)年鑒(2001年～2012年)、合肥統(tǒng)計(jì)年鑒(2002年～2012年)、合肥市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2001年～2012年)合肥環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)(2002～2012).原始數(shù)據(jù)中經(jīng)濟(jì)類指標(biāo)采用平減指數(shù)法消除物價(jià)變動(dòng)因素的影響.

運(yùn)用公式(1)～(3)計(jì)算得出合肥市2001年～2012年歷年序參量、耦合度及耦合發(fā)展度(表1、表2).

表1 合肥市2001年～2012年子系統(tǒng)序參量Tab.1 The order parameters of the subsystems in Hefei City from 2001 to 2012

表2 合肥市2001年～2012年子系統(tǒng)耦合發(fā)展度Tab.2 The coupling development degrees ofthe subsystem in Hefei from 2001 to 2012

從表1可以判斷，2001年～2012年合肥市環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)系統(tǒng)序參量均呈增加趨勢，經(jīng)濟(jì)序參量由0.025 5增加至0.882 5，年均增加7.79%，增速最快，社會(huì)序參量由0.110 2增加至0.908 1，年均增加7.25%.增速次之，環(huán)境序參量由0.386 1增加到0.622 3，年均增加2.15%，增速最慢.以2006年為分界點(diǎn)，環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)系統(tǒng)序參量增加情況差異明顯，2006年之前，3類子系統(tǒng)序參量增加速率0.75%、6.56%和3.18%，2006年后分別為3.31%、8.82%和10.65%.

從表2可以判斷，2001年～2012年合肥市復(fù)雜系統(tǒng)耦合發(fā)展度由0.030 6增加到0.745 2，年均增加6.50%.耦合發(fā)展度最高值為2012年0.745 2，沒有達(dá)到0.8的水平，2010年以前一直在中等等級(jí)及以下水平，2010年之后再越過中等等級(jí)所以合肥市城市復(fù)雜系統(tǒng)耦合發(fā)展度總體水平較低.結(jié)合3類子系統(tǒng)序參量時(shí)間序列分析可知，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)序參量起點(diǎn)較低，增長變化速度較快，但是環(huán)境序參量一直低位徘徊，11年增長總量只有20%多一點(diǎn)，由此導(dǎo)致3類系統(tǒng)均值(即發(fā)展度)較低，同時(shí)3類系統(tǒng)序參量數(shù)列差異明顯，變異系數(shù)較大，所以耦合度及耦合發(fā)展度不高，最終耦合發(fā)展度等級(jí)較低.

以上情況表明2001年～2012年，合肥市3類系統(tǒng)均在趨好發(fā)展，即環(huán)境條件改善、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步.2005年合肥市確立了生態(tài)立市和工業(yè)立市發(fā)展思路，環(huán)境狀況改善、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和社會(huì)發(fā)展水平不斷提高.耦合發(fā)展度水平不斷提高，是基于環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平提高的基礎(chǔ)上的，即環(huán)境優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)和諧，所以城市復(fù)雜系統(tǒng)耦合發(fā)展度不斷提升.

運(yùn)用公式(4)～(6)計(jì)算得出合肥市2001年～2012年各子系統(tǒng)增殖系數(shù)和競爭參數(shù)(表3).

表3 合肥市2001年～2012年環(huán)境與經(jīng) 濟(jì)社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化增殖系數(shù)與競爭參數(shù)Tab.3 The coevolution multiplication factors andcompetition parameters of the environmental andsocio-economic complex systems in Hefei from 2001 to 2012

O1(0，0，0)，O2(1，0，0)，O3(0，1，0)，O4(0，0，1)均不是合肥市復(fù)合系統(tǒng)發(fā)展穩(wěn)定平衡點(diǎn).運(yùn)用上述平衡點(diǎn)5的求解和平衡判斷方法，求得O5(0.671，0.464，3.065)，且達(dá)到此平衡點(diǎn)時(shí)p<0，q<0， r<0.合肥市環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化將朝著這一穩(wěn)定點(diǎn)靠近.因?yàn)楦偁幒秃献魇呛戏适?大子系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化作用的機(jī)制，結(jié)合環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)系統(tǒng)增殖系數(shù)及相互作用競爭參數(shù)，合肥市應(yīng)該適當(dāng)控制經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，提供經(jīng)濟(jì)增長的質(zhì)量，以此降低對(duì)環(huán)境的壓力；同時(shí)重視教育、發(fā)展科技、培育創(chuàng)新體制，將城市居民轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境保護(hù)的社會(huì)動(dòng)力.

4結(jié)論

2001年～2012年，因環(huán)境子系統(tǒng)序參量低水平慢速增長，導(dǎo)致合肥市環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)耦合發(fā)展度總體水平不高；因子系統(tǒng)對(duì)環(huán)境資源消耗及對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)貢獻(xiàn)存在差異，導(dǎo)致環(huán)境與經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)與社會(huì)3類系統(tǒng)分別表征為競爭掠奪型、相向互利型和單向輸給型關(guān)系.

為預(yù)測合肥市復(fù)合系統(tǒng)耦合發(fā)展度和協(xié)同進(jìn)化水平，需動(dòng)態(tài)考量3大子系統(tǒng)序參量發(fā)展水平和變動(dòng)趨勢，3類系統(tǒng)交互關(guān)系的動(dòng)態(tài)發(fā)展變化，以及復(fù)合系統(tǒng)穩(wěn)定點(diǎn)靠近的程度，以此為相關(guān)部門制定政策提供決策參考.

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A study on the co-evolution of the environmental and socio-economic complex system——a case of Hefei City

WANG Naiju1, HUANG Xiang2

(1.Tourism Department of Hefei University, Hefei 230601;2.School of Urban and Environmental Science, Huazhong Normal University, Wuhan 430079)

This paper evaluates dynamically the coupling development degrees of the environmental and socio-economic complex system (ESECS) of Hefei City by using the theory of coefficient of variation to build models， and diagnoses the interaction mechanisms and evolution trends of the internal subsystems during the study period in Hefei City by using co-evolution theory. The results show that: 1) the order parameters of all subsystems of the ESECS in Hefei City have increased from 2001 to 2012， but there are significant differences cross different subsystems; 2) the overall degree of coupling development is low with the environmental subsystem being the main constraint subsystem; 3) the interaction mechanism of different subsystems are significantly different from each other， with the relationships between environmental and economic subsystems， between economic and social subsystems， between environmental and social subsystems are respectively contrary predatory， unidirectional supply and mutually beneficial; 4) the economic and social subsystems have evolved at a higher rate and become the main factor impeding the orderly evolution of the environmental subsystems．

coupling model; coordination theory; complex systems; Hefei City

2014-03-18.

安徽省教育廳人文社科重點(diǎn)研究項(xiàng)目(2011SK598ZD);安徽省教育廳人文社科一般研究項(xiàng)目(SK2013B026).

1000-1190(2014)04-0581-06

X37; F120.3

A

*E-mail: wang200541607@126.com.