粵港澳大灣區背景下廣東省9市人水和諧關系時空特性研究

王大洋，王大剛

(中山大學 地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275)

1 研究背景

水資源作為城市建設和發展的重要戰略資源，其與人類社會的關系一直都是需要重視和關注的研究課題。由于水資源地理空間分配的異質性特點，不同地區的人水和諧關系也通常表現不同。建設粵港澳大灣區(Guangdong-Hong Kong-Macao Great Bay Area, GBA)，以下簡稱大灣區，是新時期國家推動形成全面開放新格局、深化內地與港澳地區合作、打造世界級城市群的重要舉措，其無論是經濟還是戰略地位，都具有不可替代的作用。近些年，針對大灣區水資源的研究逐漸增加，如張金松等[1]對大灣區面臨的水安全、黑臭水體整治和城市內澇等問題進行了梳理和分析；劉暢等[2]探究了大灣區水環境和水生態現狀，提出了相關的治理對策；李駿飛等[3]則利用大數據和網絡技術，分析了大灣區數字水務的發展潛力，對其未來的可發展性進行了展望。總體而言，針對水資源與人類社會發展關系方面的研究仍然有些欠缺[4-5]。基于此，有必要對大灣區規劃建設以來近些年的人水和諧關系進行量化研究，從而準確把握大灣區水資源和人類社會的和諧程度，為其未來更好地發展提供技術支持[6-7]。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

大灣區是我國珠江三角洲地區由香港、澳門兩個特別行政區和廣東省下轄的9個城市組成的世界級城市群。選取大灣區涉及的廣東省的9個城市(分別是廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、肇慶和江門)為研究對象，探究城市的水資源和人類社會的和諧程度并進行量化分析。研究區的地理位置見圖1。

2.2 數據來源

研究數據來源于2014-2018年的《廣東省水資源公報》《廣東省統計年鑒》和相關綜合規劃。通過對水資源系統、社會經濟發展系統及兩者協調性的研究，同時結合人水和諧理論中關于健康度(health degree,HED)、發展度(development degree,DED)和協調度(harmony degree,HAD)的影響因素，選取15個指標建立評價體系。在等級和標準確定方面，依據《大灣區發展規劃綱要》《珠江流域水利規劃》等相關規劃制定了評價標準。人水和諧度(human water harmony degree,HWHD)量化指標體系及等級劃分標準見表1，表1的“類型”列中“+”為效益型，“-”為成本型。

圖1 大灣區背景下廣東省9市位置示意圖

表1 大灣區廣東省9市人水和諧度量化評價指標體系及等級劃分標準

2.3 研究方法

研究以人水和諧理論為指導。首先，計算各指標的子和諧度；其次，利用二元模糊比較-熵權法-合作博弈理論計算指標的綜合權重；之后，根據權重分別求得各個城市的健康度、發展度和協調度；最后，集成3個要素來推求最終的人水和諧度。

2.3.1 子和諧度計算 以線性隸屬度函數計算指標子和諧度，即通過對各指標分級，以各分級邊界值為基礎，劃分確定各指標的子和諧度。研究中參考人水和諧理論[8-13]，采用五點線分段，分段點為(a, 0), (b, 0.3), (c, 0.6), (d, 0.8), (e, 1.0)，分別對應V～I級。對于效益型和成本型兩種類型指標采用不同的隸屬度函數，兩種類型指標的子和諧度隸屬度曲線如圖2所示。

圖2 兩種類型指標的子和諧度隸屬度曲線

2.3.2 綜合權重分析

(1)二元模糊比較法。主觀權重采用二元模糊比較確定[14]。若指標向量為P(p1,p2, … ,pm，m為指標個數)，對指標向量中的任何兩個都進行對比，可獲得標度矩陣E：

(1)

比較時遵循以下原則：①若Pk較Pl重要，則ekl=1,elk=0；②若Pl較Pk重要，則ekl=0,elk=1；③若Pk與Pl同樣重要，則ekl=0.5,elk=0.5。通過將E中各行向量求和，可得每行的重要性標度，其值大小反映該指標在指標向量中的重要性。之后，按照指標向量的標度排序，以第1個為基礎，對其余指標參考語氣算子與基礎指標作重要性比較分析，結合兩者關系表確定各指標相對隸屬度μ(μ1,μ2,…,μm)，通過公式(2)歸一化確定權重，即主觀權重。不同程度語氣算子對應的相對隸屬度見表2。

(2)

表2 不同程度的語氣算子對應的相對隸屬度

(2)熵權法。熵權法以評價矩陣數據為基礎，以信息熵的形式表現指標對整個系統的影響程度，信息熵的大小表示權重的大小[15]。若有矩陣E，形狀為m×n，其中m為指標個數，n為城市個數。則可以通過指標矩陣歸一化、計算熵、計算熵權3個步驟確定指標的客觀權重。

① 指標矩陣歸一化，得R=(rij)m×n。

② 計算熵。

(3)

(4)

式中：fij為第j個城市中第i個指標的比重；rij為第j個城市中第i個指標的歸一化值；Hi為各城市的第i個目標的信息熵。

③ 計算熵權。

(5)

w=(ωij)1×m

(6)

式中：ωi為第i個指標的客觀權重；w為指標的熵權向量，即客觀權重。

(3)基于合作博弈的組合權重。如若采用s種方法分別計算出m個指標的權重，可以組成為關于權重的1個基本權重矩陣Ws=(w1m,w2m, … ,wsm)，這s個基本向量可以組成為線性組合：

(7)

式中：W為綜合權重向量；ak為權重組合系數。

確定綜合權重的方法是尋找能使綜合權重和各個基本權重偏差達到最小的組合系數[16]，因此，該問題實際可轉化為尋求最優目標函數為

(8)

的問題，該最優的解集可采用遺傳算法(genetic algorithm)[17]尋優找到。得到最優組合系數后，通過標準化并結合最優目標函數式(8)確定最終的綜合權重。

2.3.3 人水和諧度的計算方法 人水和諧度是健康度(HED)、發展度(DED)和協調度(HAD)3個要素的集成，而此三者構建則通過子和諧度和權重為基本單元。因此，3個要素的計算公式如下：

(9)

(10)

(11)

HWHD(T)=HED(T)β1·DED(T)β2·

HAD(T)β3

(12)

式中：HED(T)、DED(T)和HAD(T)分別為評價中某個城市的健康度、發展度和協調度；HWHD(T)為人水和諧度；m1、m2、m3分別為3個要素含有的指標個數；SHD1i、SHD2i、SHD3i分別為3個要素中各指標對應的子和諧度；Wi為各指標的組合權重；β1、β2和β3分別為3個要素的指數權重，研究中全部取值為1/3，主要原因是將三者同等而視。

人水和諧度HWHD(T)大小區間為[0,1]，可分為嚴重不和諧(0≤HWHD(T)<0.2)、不和諧(0.2≤HWHD(T)<0.4)、基本和諧(0.4≤HWHD(T)<0.6)、較和諧(0.6≤HWHD(T)<0.8)與和諧(0.8≤HWHD(T)≤1.0)共5個等級。

3 結果與分析

3.1 子和諧度

根據第2節中的介紹，結合大灣區規劃中涉及的廣東省9個城市構建的人水和諧指標評價體系，依據等級劃分標準，計算9個城市的每個指標連續5 a的子和諧度，結果匯總于表3(因全部數據過多，文中僅以2018年為例)。

3.2 綜合權重

采用二元模糊對比法確定主觀權重，采用熵權法確定客觀權重，再以合作博弈論將兩者相連接，以遺傳算法尋優，得到各個指標的綜合權重。需要說明的是對于客觀權重，因每年均有9個城市，因此對應的客觀權重也應當有5個，為避免因不同年份之間指標權重差異太大造成的誤差影響，在計算時，以5 a各指標數據的均值作為基礎來計算客觀權重，從而保證權重的一致性，結果列于表4。

3.3 人水和諧關系的時空特性

根據指標綜合權重和子和諧度，可以計算9個城市2014-2018年的健康度(HED)、發展度(DED)、協調度(HAD)，再以這三者為基礎來確定城市的人水和諧度(HWHD)。根據計算結果，分別繪制HED、DED、HAD與HWHD隨時間變化曲線和空間變化分布圖，用以分析9個城市的人水和諧關系，結果見圖3和4。

表4 人水和諧量化評價各指標權重

圖3 大灣區廣東省9個城市2014-2018年HED、DED、HAD及HWHD的時間變化曲線

3.4 結果分析

對時間變化曲線分析，由圖3(a)健康度來看，2014-2018年間9個城市的健康度差異性比較大，范圍跨度大約在0.156～0.800之間，9個城市的健康度的變化趨勢基本一致，2014-2016年整體基本均存在較小幅度的升高趨勢，之后雖在2017年略微降低，但2018年又有所回升，基本表現出持平的狀態。就整個健康度水平而言，惠州、江門和肇慶3市2014-2018年的健康度值均大于0.6，均高于其余6個城市；珠海的健康度升高的趨勢較為明顯；廣州、深圳、佛山、東莞和中山的水資源健康狀況則表現為雖有波動起伏，但整體基本穩定的趨勢。由圖3(b)發展度來看，9個城市的發展度均較高，基本全部在0.6以上。其中，深圳、珠海、東莞和佛山的整體水平均比較高，江門、肇慶和惠州3個市的發展度值位列其次。由圖3(c)協調度來看，9個城市的協調度均比較高，基本保持在0.70以上。其中，除佛山和東莞在2014-2015年有大幅度的提升之外，其余城市協調度水平都較為穩定；9個城市中，深圳市表現最為突出，2014-2018年協調度全部保持在0.9之上。由圖3(d)人水和諧度來看，除佛山表現波動較大之外，其余8個城市基本呈現緩慢上升的趨勢。其中，肇慶、惠州、珠海和江門4個市的人水和諧度較高，2014-2018年基本都保持在0.7～0.8之間，該閾值等級為“較和諧”，并且表現為逐漸上升的趨勢。

從地理空間位置分析，除珠海距離澳門較近之外，肇慶、江門和惠州分別位于大灣區的最西北、最西南和最東面(圖1)，且城市面積相對較大，良好的人水和諧關系可以為大灣區的發展提供良好的腹地環境和條件，避免出現發展方向上的不平衡，從而保證大灣區的發展輻射到全方位和各區域。廣州、深圳、東莞、中山的人水和諧度基本處于0.45～0.65之間，等級為“基本和諧”到“較和諧”之間，個別年份雖有波動，但總體呈現緩慢上升的趨勢，人水和諧關系發展態勢良好。

圖4 大灣區廣東省9個城市2014-2018年HED、DED、HAD及HWHD的空間變化分布圖

4 討 論

通過研究分析，有兩個現象值得進一步思考，現討論如下：

廣州作為首府，從該城市的發展度水平來看，其2014-2018年各年的發展度值(DED)分別為0.667、0.675、0.687、0.678和0.679，排名并非位于9個城市前列，但其發展趨勢卻比較穩定。出現這種現象的原因，一方面可能是由于廣州市社會發展歷史相對較長，較早的發展使得城市的經濟體系結構和產業用水模式定型比較早，這些結構和模式整體更新需要相對較長的周期，因此針對發展度的指標而言，其對應的子和諧度并不是很高。另一方面，廣州市龐大的經濟體量需要足夠的生產力，故而其接收吸納了大量來自外省(多為周邊湖南、廣西、江西等省)的勞動力人口，而選取的發展度指標中人口密度和生活用水指標可能被平均化，這在一定程度上影響了廣州市的發展度水平。

此外，另一個亮點是深圳市的協調度明顯領跑其余8個城市。究其原因，可能是因為深圳市作為我國經濟發展的先行示范區，設特區伊始本身已經形成了集創新、綠色、共享于一體的健康發展模式。因此深圳市能夠在保證經濟持續發展的同時，兼顧協調水資源開發和城區建設發展之間的關系，從而形成了較為合理的水生態格局和水環境條件，開拓出了新的、適合自己的一體化治水發展模式。這些管理舉措使得深圳市的經濟發展和水資源系統的關系朝著更加協調穩定的方向發展，城市水資源與人類社會的和諧程度不斷提高。同時，這種發展模式也值得其他城市學習借鑒。

5 結 論

(1)大灣區背景下廣東省的廣州、深圳、珠海等9個珠江三角洲城市在2014-2018年期間的人水和諧度雖有波動，但整體表現出緩慢上升趨勢。在影響人水和諧的3個要素中，不同城市間健康度差異最大，協調度次之，發展度差異最小。各個城市的水資源系統空間分布差異性較大，而發展度水平均較高，差異較小。9個城市的人水和諧度關系基本保持在“基本和諧”和“較和諧”水平。

(2)大灣區水資源健康度空間差異較大。距離港澳稍遠的江門、惠州、肇慶3個城市的水資源健康狀況較好。未來大灣區在進行水資源開發和管理時，建議參考區域分布特點，統籌開發、系統調度、科學分配，從而保證整個大灣區城市群的和諧發展。