李 想，赵连军，李东阳，韩沙沙，4，牛超杰，全李宇，胡彩虹

（1.郑州大学黄河实验室，河南 郑州 450001； 2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院水利部黄河泥沙重点实验室，河南 郑州 450003； 3.河南黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；4.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

1 研究背景

黄河下游河道是横跨中华腹地的“地上悬河”，其防洪安全事关国家稳定大局。河道边的滩区有大洪水行洪、滞洪、沉沙的功能，又有黄河防洪安全、滩区社会经济发展以及生态环境保护的“河道-社会-生态”三重属性［1］。受国家现行法规等因素制约，防洪管理调度、生态环保方面的问题比较突出，滩区的发展建设已不能满足发展的需要，现已形成了河南、山东二省人口较为集中的沿黄贫困区［2］。洪水安全与经济社会、生态环境之间存在着复杂多变的反馈关系［3，4］，黄河滩区经济发展-防洪安全-生态环境相互作用系统研究也是热点问题。

黄河下游系统协调发展的研究，多侧重单一系统或两个系统之间的相互发展关系的评价，如徐辉等［5］构建黄河流域高质量发展评价指标体系来测度黄河流域高质量发展的社会与生态层面。宁朝山等［6］基于生态保护和经济发展水平两方面入手对黄河流域进行了综合评价。针对系统之间的耦合发展情况，GAO等［7］开发了耦合协调度模型研究了农村发展与水环境之间的非线性作用关系。刘琳轲等［8］通过建立黄河流域生态保护与高质量发展的耦合机理框架，评价了其协调度发展关系。而杨开忠等［9］从要素、空间和时间三方面研究了黄河流域生态保护与高质量发展应向社会经济生态转型的发展趋势。以往研究多关注黄河流域整体，滩地多系统相关研究较为少见。黄河下游滩区是一个综合经济、防洪和生态的三维度的复杂环境，要高质量发展，需要在保证防洪安全、社会经济和生态环境协调的基础上。如何科学地评价滩区防洪安全与社会经济以及生态环境之间的耦合关系需进一步探索。以兰东滩为研究案例，提出单指标量化-多指标组合权重-三维度耦合的评价方法，对兰东滩的社会经济-防洪安全-生态环境耦合系统进行量化研究，系统评估各个系统发展程度以及分析滩区综合优化发展的趋势，以期促进滩区社会经济、防洪安全、生态环境的协同发展，为黄河下游滩区协调治理发展和黄河流域高质量发展提供科学参考。

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区域概况

兰东滩是黄河滩地经过河南省兰考县与山东省东明县的区域（见图1），滩区面积约301.00 km2。兰东滩位于黄河从东坝头由东西流向折向东北流向的大弯处右岸，处于典型的游荡性河段，旱、涝、洪、沙灾害频繁。漫滩机遇较多，生产环境十分恶劣，洪水漫滩后，农作物受淹严重。滩区河段分布东坝头险工至老君堂控导工程，河道控导、险工工程等由于布局不够完善，不能起到完全护滩保村的作用。汛期洪水漫滩导致洪涝频繁发生，生态环境脆弱，社会经济生产活动受到严重制约。

图1 兰东滩地理位置图Fig.1 Location map of Landong Beach

2.2 数据来源

指标数据来源于《开封市统计年鉴》 《菏泽市统计年鉴》《中国县域统计年鉴》 《水资源公报》 黄河水利科学研究院提供的防洪安全相关数据以及相关政府工作报告等，统计整理了2001-2020年间的防洪、社会经济和生态环境数据。特别说明的是兰东滩并非是一个完整的行政区，其包含了兰考县与东明县部分地区，没有针对性的区域统计数据，因此研究中参考了兰考县与东明县的相关统计数据。

3 研究方法

3.1 滩区经济-防洪-生态耦合系统评价体系

黄河下游滩区分布有居民区、耕地、防洪工程、滩地湿地系统等等，是一个经济-防洪-生态耦合系统是由各子系统相互关联、彼此作用的复杂系统［10，11］，3个系统存在紧密的互相联系和复杂的互馈机制及评价体系（见图2）。

图2 黄河下游滩区经济-防洪-生态耦合系统互馈机制及技术路线Fig.2 Mutual feed mechanism and technical route of economic-flood-ecological coupling system in the downstream beach area of yellow river

防洪安全是社会经济发展与生态环境友好发展的基础，影响防洪安全的主要因素有河势本身的稳定控制能力、不可控的自然界来水能力以及后期人为修建防洪工程的能力，因此指标选取主要河段的形态性质、工程的数量等。经济的发展不仅体现了滩区的社会价值，也为生态环境可持续发展提供保障，同时也对防洪安全保障提出了更高的要求［3］。社会经济指标主要包括滩区百姓为生存和发展而发生的农业、工业、第三产业等。生态环境为社会经济发展与防洪安全提供了健康发展的保障。对生态环境的评价，应兼顾滩区经济与河道的生态安全，主要选取了产业经济发展的污水排放量，反映防洪安全与生态安全的适宜生态径流量保证率，以及直观反映生态环境的生态环境用水率和植被覆盖率。评价指标体系如图3所示。统筹考虑各方需求和相互制约关系，是综合评估黄河滩区安全发展水平与协调程度的关键［12，13］。

图3 经济-防洪-生态耦合系统评价指标体系Fig.3 Evaluation index system of economic-flood-ecological coupling system

3.2 指标体系构建

基于研究区经济-防洪-生态耦合系统互馈机制，以促进滩区经济发展，保障防洪安全，维持流域生态安全为目标。按照以下原则选取系统评价指标：①科学性原则，能准确表达社会经济、防洪安全、生态环境之间的作用关系；②全面性原则，从不同角度出发，选取的指标能代表3个系统的状态，各个子系统的指标之间互相不包含、不重复、互相独立；③层次性原则，选取指标分为一级指标与二级指标；④动态性原则，各项指标随着时间的变化是变化的；⑤操作性原则，指标具有可量化性、可获得性［14］。

综上，构建了包含社会经济发展、防洪安全、生态环境3个子系统，人均GDP、河道弯曲指数、工业污水排放量等共17个二级指标的评价指标体系，正、负号分别代表二级指标对子系统的促进、抑制作用。具体指标见表1。

表1 社会经济-防洪安全-生态环境评价指标Tab.1 Social economy - flood control safety - ecological environment assessment index

3.3 模型构建

3.3.1 指标权重计算方法

由于评价指标代表的意义不同、单位不一，故利用归一化方法将原始数据进行标准化处理［15］。二级指标均可量化，采用熵权法进行客观权重计算可避免主观因素影响。一级指标难以量化，层次分析法多适用于计算主观权重，因此选用层次分析法来计算，旨在解决研究区耦合系统复杂的决策分析问题［16］。计算步骤见表2。

3.3.2 耦合协调模型

耦合协调度模型是分析两个或两个以上系统协调发展水平的方法［17］，研究各个子系统相互联系、相互制约。构建综合系统安全耦合协调度模型来探讨三者之间的发展关系十分关键，模型构建步骤如下：

（1）计算安全评价指数。将组合权重加权平均得到滩区各个年份的系统安全评价指数：

式中：wi对应各个指标的组合权重；xi、yi、zi分别为标准化后的指标值；f（x）、g（y）、h（z）分别为滩区的社会经济、防洪安全、生态环境系统安全评价指数，反映子系统的安全水平。

（2）计算耦合度。耦合度可以反映多个系统之间相互制约、相互依赖的程度［6］，计算公式如下：

式中：C为耦合度，C∈［0，1］，C越大则证明各个子系统之间的耦合程度越高，相互作用越大。

（3）计算耦合协调度。耦合协调度是反映多个系统整体安全发展状况的指标，用来反映子系统耦合关系中良性耦合的程度与整体协调状况的好坏［6］，计算公式为：

式中：D为耦合协调度。D∈［0，1］，其值越大，系统整体间良性耦合程度越高，协调发展水平越好［18］。Txyz为3个子系统的综合安全评价指数。这里的a、b、c分别为3个子系统的权重，这里设置3个子系统的安全评价指数同等重要，取a=b=c=1/3［19］。各评价等级标准划分见表4和表5。

表4 耦合度标准划分等级Tab.4 Level of coupling standards

表5 耦合协调度标准划分等级Tab.5 Coupling coordination degree standard division level

4 结果与讨论

4.1 各子系统安全评价指数分析

为分析各指标在不同年份区间对于社会经济-防洪安全-生态环境系统的影响，将2001-2020年共20年数据分5年为一个区间分别进行指标权重计算。采用熵权法计算指标客观权重是在每个子系统中分别进行的，层次分析法是在子系统之间进行的，在结合专家打分的基础上，确定两两指标之间的耦合因素并筛选出相对重要的指标，重要性标度见表6。

表6 子系统重要性标度Tab.6 Subsystem importance scale

由于主观法、客观法任一一种方法均无法达到实际情况的需求［20］，但是通过二者耦合可以得到各指标相对整体三维评价模型的权重值，主客观权重乘积为最终的组合权重［21，22］。一级指标权重值占比重最大的是防洪安全，为0.484，其次是社会经济为0.349，最后是生态环境为0.168。组合权重值见表7。熵权法是根据指标的离散程度来分配权重，指标的变化程度越大，权重系数越小。21世纪以来，黄河下游滩区的旅游业服务业等第三产业发展较为迅速，因此第三产业客观比重在不断增大。防洪安全类指标由于防洪工程的建设以及每年来水来沙量不同，每年指标客观权重变化较为明显。生态环境指标权重持续增大的有工业污水排放量与植被覆盖率，这与近年来滩区发展建设密切相关。

表7 各指标客观权重与组合权重值Tab.7 Objective weight and combined weight of each index

表2 研究方法Tab.2 Research method

4.1.1 社会经济子系统

为明晰滩区各子系统的发展水平与整体系统的协调发展情况，构建社会经济-防洪安全-生态环境耦合协调度模型，根据2001-2020共20年长系列数据，分别计算了兰东滩的社会经济、防洪安全、生态环境3个子系统的安全评价指数，社会经济安全评价指数结果见图4（a）。

图4 社会经济安全评价指数及权重值Fig.4 Social and economic security evaluation index and weight value

社会经济子系统安全评价指数呈指数形增长，增大幅度较为显著，从0.046上升至0.345。其安全指数拟合方程为y=2 686.15-2.69x+0.000 67x2，拟合优度R2为0.995，预测准确度较高，整体呈高速增长趋势，与改革开放以来我国经济发展趋势相近。近20年河南山东沿黄地区积极贯彻国家宏观调控政策，黄河流域的经济实力显著增强。

从图4（b）可知，在社会经济子系统中，农作物播种面积在2011-2015年间所占权重最小，其余年份都占最大权重，这是由于这5年间黄河未发生特大洪水漫滩，对农作物播种面积影响较小。第三产业在2011-2015年间所占比重较大，主要是这5年黄河下游滩区服务业旅游业等产业发展较为迅速所导致的。

4.1.2 防洪安全子系统

防洪安全子系统安全评价指数大体呈现波动性增长，个别年份有下降趋势，见图5（a）。近20年黄河流域滩区有防护工程措施的建设，防洪安全子系统安全指数较不稳定。其拟合方程拟合方程为y=-3 950.54+3.92x-0.000 97x2，拟合优度R2为0.908，趋势线在近几年趋于平缓，甚至有下降趋势，说明随着黄河下游滩区各方面的发展，防洪安全建设已不适应滩区的高速发展。

图5 防洪安全评价指数及权重值Fig.5 Flood control safety evaluation index and weight value

从图5（b）可知，由于2003年左右小浪底水库初期建设运用，对平滩流量有较大的影响，导致2001-2005年间平滩流量所占权重最大。防洪安全指标在近20年有较大变动，主要影响因素为防洪工程的建设以及不可控的自然因素。

4.1.3 生态环境子系统

生态环境子系统呈现间断性增长，增长幅度较防洪安全明显，见图6（a）。2011年左右随着中原水生态文明的建设，生态环境安全评价指数整体得到提升。拟合方程为y=-11.30+0.005 7x，拟合优度R2为0.927。根据图6（a）中近20年的生态环境子系统安全评价指数趋势走向可以看出，未来生态环境子系统安全评价指数将会稳定增长，增长速度低于社会经济高于防洪安全。从图6（b）可知，生态系统中工业污水排放量与植被覆盖率是影响系统安全的关键性指标。

图6 生态环境安全评价指数及权重值Fig.6 Ecological and environmental security evaluation index and weight value

系统综合安全评价指数在2015年后有明显的提高（见图7），说明滩区系统的综合协调发展安全评价效果较好，但还需各个子系统都处于较高的安全水平才能达到综合系统的良好发展。21世纪以来滩区的社会经济呈现持续而稳定的增长，但影响防洪安全子系统的不稳定因素较多，保证防洪安全稳定才能保障经济持续稳定发展，经济良好发展同时才能促进生态环境友好发展，这也是今后践行黄河流域生态保护与高质量发展需要重点关注的问题［23］。

图7 系统综合安全评价指数柱状图Fig.7 Bar chart of system comprehensive safety evaluation index

4.2 社会经济-防洪安全-生态环境耦合协调性

2001-2020年兰东滩的经济-防洪-生态耦合度与耦合协调度计算结果见表8与表9。不同长度时间序列的计算结果差别较大。五年为一个区间分析时，每年都有一个极度失调状态，与实际状况相差较大。以20年为研究区间来看，随着滩区的发展，系统的耦合度在逐年增大，并在2018年达到最大值0.934。3个系统的耦合协调度近几年处于勉强协调状态，整体距离优质的协调水平还有很大差距。

表8 不同年份区间耦合度与耦合协调度计算结果Tab.8 The calculation results of coupling degree and coupling coordination degree in different years

表9 2001-2020年间耦合度与耦合协调度计算结果Tab.9 Calculation results of coupling degree and coupling coordination degree from 2001 to 2020

为了解未来耦合协调关系变化趋势，运用多项式拟合对表9的耦合度与耦合协调度进行预测，见图8（a）。结果显示2001-2020年黄河下游滩区三系统耦合度预测结果的拟合方程为y=-5 313.64+5.27x-0.001 3x2，拟合优度R2为0.896，耦合协调度拟合方程为y=-2 378.79+2.35x-5.79x2，拟合优度R2为0.983，残差平方均小于0.01，拟合准确度较高。耦合度是反映子系统相互作用程度的大小，不反应各系统水平，耦合协调度是既可以反映各系统是否具有较好的水平，又可以反映系统间相互作用关系。耦合度趋势线趋于稳定在0.9以上，增长速率明显减慢，耦合协调度呈增长趋势但处于低协调状态，各系统相互作用较大但发展水平不高，在未来滩区建设发展方面也伴随有新一轮的挑战。

图8 黄河下游滩区系统耦合度与耦合协调度及指标组合权重Fig.8 Coupling degree， coupling coordination degree and index combination weight of the beach system in the lower Yellow River

由图8（b）看出，防洪安全子系统中平滩流量所占权重最大，河段主流摆幅变化、工程裹护长度次之，说明在滩区防洪安全系统中，河道的综合过流能力、河道主流的摆动幅度变化与工程裹护长度的大小是影响防洪的关键性指标，同时这些指标也能反映出近些年来黄河下游滩区在河道流量、河道形态以及河道相关防护工程等方面离散程度较大、空间差异性较大。生态环境子系统中工业污水排放量与植被覆盖率对生态环境的影响较大。

5 结论与建议

研究以黄河下游典型滩区兰东滩为例，在构建经济-防洪-生态系统评价指标体系的基础上开展耦合协调研究，分析了2001-2020年兰东滩经济-防洪-生态系统各子系统的安全评价指数以及耦合协调度的变化情况。主要结论如下：①兰东滩经济-防洪-生态耦合系统相互作用明显，但整体协调耦合发展程度不高，距离优质协调还有一定的差距；②综合系统的耦合度与耦合协调度拟合优度较好，均在0.9以上，且其趋势线与防洪安全评价指数趋势较为接近，表明防洪安全对综合系统的影响较大；③组合权重占比较大的主要是防洪安全方面的指标，其次是社会经济，最后是生态环境，兰东滩安全发展与环境友好的前提就是保障最基本的防洪安全；④社会经济、防洪安全、生态环境3个子系统的安全评价指数在近20年都有不同程度的增幅，社会经济子系统安全评价指数稳定上升，增长速度明显高于防洪与生态，防洪安全与生态环境子系统发展较为不均衡。在未来黄河流域滩区综合治理中，防洪安全和生态建设问题不可忽视。