资源 - 环境 - 社会 - 经济构成一个复杂的自然与人工复合系统,其子系统相互影响,为实现系统发展的可持续性,应使各子系统保持均衡协调发展。关于社会、经济与环境协调发展的诸多研究成果分别从不同角度测度系统的协调程度,离差系数、DEA、熵值法、集对分析、灰色理论和模型、主成分分析法、层次分析法、耦合协调、模糊评价等是常用的方法。但现有的协调度模型常因物理意义不甚明了,特别是构造的评价函数含义难以理解,而未被普遍接受。因此,如何度量协调性,还没有相对成熟并被普遍认可的标准和方法。
乌鲁木齐市是新疆维吾尔自治区首府,因地缘环境、民族及宗教文化的特殊性,其资源 - 环境 - 社会- 经济发展失衡不仅会阻滞当地经济发展,还将影响民族团结、社会稳定与国家安全。因此,文中以已有工作为基础,采用系统状态数结合空间解析几何方法的应用,对乌鲁木齐市资源 - 环境 - 社会 - 经济发展的协调状况做了评价,以便探索物理意义相对清晰又易应用的评价多个对象协调发展程度的方法,并检验所用方法的可操作性与合理性。
1、 材料与研究方法
1. 1 系统分级与数据来源
将研究对象作为一个由若干级子系统组成的系统,下级子系统均是上一级子系统的要素,最低级子系统又由若干指标(要素) 构成。具体到文中,便是先将资源 - 环境 - 社会 - 经济系统分为若干级子系统,再选择若干评价指标来表征这些子系统的特征(表 1) 。数据来源于乌鲁木齐市统计年鉴,新疆统计年鉴,中国环境统计年鉴。
1. 2 构造子系统状态数
为了定量表述由数目不等的要素组成的子系统所处状态,采用 TOPSIS 法(Technique for Order Prefer-ence by Similarity to Ideal Solution)得到每个子系统的状态数 git。其思路是: 由 m 个样本(t =1,2,…m年) 和 n 个要素(指标) 组成第 i 个子系统,则 n 个要素(指标) 构成一个 n 维空间,每个样本对应此空间一个特定点,该空间便有 m 个对应点; 再在此空间中找所有要素(指标) 的最大值和最小值分别构成的点X+i、X-i; 然后分别计算各样本与 X+i、X-i间的距离 d+i、d-i; 最后计算指数 git作为子系统状态数。具体步骤是:(1) 选择指标,建立矩阵,并做数据标准化处理。根据研究目的和指标的可获取性,建立由 m 个样本n 个指标组成的矩阵 Xi= (xitj)m × n,xitj为指标值,t 为样本序数,j 为指标序数,i 为子系统序数。
评价指标有正指标、逆指标和适度指标。为排除 xitj量纲及数量级差异的影响,并使评价指标同趋势化,用式(1) 对指标进行标准化处理。标准化处理后的矩阵为 X'i= (x'itj)m × n,0≤x'itj≤1。
为方便使用,git取值介于 0 -10 之间。一个样本所有指标均达最大值,它与 X+i的距离便最小(d+it=0) ,与 X-i的距离最大(d-it= 1) ,且 git最大(git= 10) ; 而一个样本所有指标均为最小值时,它与 X+i的距离便最大(d+it= 1) ,与 X-i的距离最小(d-it= 0) ,且 git最小(git= 0) 。对资源、环境、社会、经济发展而言,git越大,表示 t 样本状态越优。
1. 3 度量系统协调性
度量一个系统各组成部分间协调与否的一个简单方法是衡量各组成部分的发展是否同步。在 R 个子系统(Si,i =1,2,…R) 构成的系统的发展中,为了解各子系统的协调程度,先将系统的实际状态用 R 维空间中的一个状态点 Qt(g1,g2,…gR) 表示,然后,在不同时段 Qt变动基础上,利用两个距离参数 dc(t) 与dd(t) 及其组合来判断 R 个子系统在 t 年的同步性,同步性越高,表示子系统间的协调程度越好。
(1) 若 R 个子系统从起始点(基准点) 就同步发展,即各子系统的状态数在起始点就相同,且状态数等比例增大,此种发展状态可用 R 维空间中的一条直线(称之为"完全协调线",方程为 g1= g2… = gR) 表示,线上的状态点表示各子系统完全同步发展,是理想的系统发展状态,可将之作为基准线 L。通常情况下,各子系统的状态数并不相同,使得系统状态点 Qt与协调线 L 间存在一个称为"协调度"的距离 dc(t) ; 系统状态不仅取决于 dc(t) ,还取决于各子系统状态数 git的大小,故用另一个称为"发展度"的距离参数 dd(t) 来进一步描述系统所处的状态。
dc(t) = 0,表示各子系统完全协调; dc(t) 大,表示各子系统所处状态之间的差异大,可能因为子系统间存在相互制约的拮抗作用,使得系统状态点远离完全协调状态,制约系统的协调发展。dd(t) 为各时段的状态点 Qt与作为基准的原点间的距离,dd(t) 由小变大表示系统状态等级在提高,系统在进化。将 dc(t) 与 dd(t) 联系起来可以看出: dc(t) 反映的系统协调性既可以是建立在各子系统 Si优化(表现为 dd(t) 较大) 基础上的高水平协调,也可能只是在各子系统 Si优化程度不高(即 dd(t) 较小) 基础上的低水平协调。所以,只有将 dc(t) 与 dd(t) 结合,才能较全面把握系统的总体协调情况。
(2) 通常,不同时段的 dc(t) 围绕 L 波动,同时 dd(t) ≠0,git也会发生改变且导致 dd(t) 变化,所以,还可借助不同时段 Δdc 及 Δdd 的正负及大小,动态判别系统的发展趋势,比较其在不同时段的发展状态:1)若 Δdc = dc(t2) - dc(t1) <0,即不同时段的 Qt不断接近 L,表示系统正向协调方向靠近; Δdc >0,即 Qt远离 L,表明系统正偏离协调。2) 若 Δdd = dd(t2) - dd(t1) >0,表示各子系统 Si的状态正趋于优化; Δdd <0,表示 Si状态等级在退化。
由此可将系统发展状态分为: (Ⅰ) Δdc <0 且 Δdd >0,表明系统愈接近协调发展,且状态在优化,是理想的系统发展模式; (Ⅱ) Δdc >0 且 Δdd >0,表明系统状态虽在优化,但却偏离协调,这时,应关注引起系统偏离协调的原因,调整系统; (Ⅲ) Δdc <0 且 Δdd <0,表明虽系统状态在退化,但却接近协调,此时,应关注造成系统状态退化的原因,以求改进; (Ⅳ) Δdc >0 且 Δdd <0,表明系统不仅偏离协调还处于全面退化状态,极端情况下系统将崩溃,是应尽力避免的一种系统发展形式。
2、 结果与分析
重复利用式(1) - (4) 计算乌鲁木齐市资源 - 环境 - 社会 - 经济系统各级子系统的状态数; 并用各级子系统的状态数及式(5) 计算上一级子系统的协调度 dc 与发展度 dd。
(1) 一级子系统的状态数(表 2) ,资源 - 环境 - 社会 - 经济系统协调发展情况(图 1) 。可见,资源利用子系统的状态数变异最小,且呈倒 U 型变动,即资源利用状态从差变好又变差,对资源 - 环境 - 社会 -经济系统的发展度影响最小,但对系统协调性影响最大; 2005 -2009 年,其他 3 个子系统的状态数在低值处波动增加,2009 年后则迅速变大,经济生产子系统尤为突出,使得系统在波动中优化,但因资源利用子系统发展较慢,加大了子系统间的差异,子系统间的协调性很快变差,系统逐渐偏离协调发展。
为更准确了解资源 - 环境 - 社会 - 经济系统的发展和协调性变动,对比 2006 年与 2005 年,Δdc =4. 81,Δdd = - 2. 56,系统处于Ⅳ状态,不但系统的协调性降低,发展程度也减弱,即系统不仅偏离协调还处于全面退化状态。对比 2008 年与 2007 年,Δdc = -7. 41,Δdd = - 1. 02,系统处于Ⅲ状态,即系统的协调性虽提高,但发展程度却减弱。对比 2010 年与 2009 年,Δdc = - 4. 23,Δdd = 36. 14,系统处于Ⅰ状态,即系统的协调性提高,发展程度也得到提高,表明系统状态在优化且接近协调发展。2011 年与 2010年相比,Δdc = 22. 04,Δdd =40. 74,系统处于Ⅱ状态,说明系统的协调性减弱,但发展程度增加。
(2) 二级子系统的状态数(表 3) ,协调发展情况(图2) 。可见,资源利用经历了螺旋式即低发展度、高协调 -高发展度、低协调 - 较低发展度、高协调 - 较高发展度、低协调的发展历程。生态环境经历了一段时间不协调下的较低发展到较高协调下的高度发展。而社会生活经历了一段时间较低发展度、较不协调或不协调到高度发展、较高协调的变化。经济生产则经历了低发展度、高协调 - 较高发展度、低协调 - 高发展度、高协调的变化。
(3) 水资源利用和能源利用三级子系统的状态数及子系统发展中的协调变化(表 4、图 3) 。可见,水资源禀赋、生产耗水、生态与生活用水三级子系统构成的水资源利用二级子系统总体在不断优化,并在波动起伏中趋于协调,而在 2008 年水资源利用虽达到高度发展但却极不协调,2011 年则达到高发展度与较高协调性。能源利用子系统却经历了由较高优化下的不协调至较低优化的较不协调、再到高度优化的较不协调过程。
3、讨论
3. 1 各级系统发展和协调性变化的原因探讨
(1) 资源 - 环境 - 社会 -经济系统在 2006 年退化主要是 4 个子系统均在退化,尤其经济生产严重退化导致子系统间不协调; 2008 年系统退化则由生态环境与社会生活退化造成; 2010 年系统优化且接近协调发展在于生态环境、社会生活、经济生产均有发展,且发展差异最小; 2011年系统发展程度增加但协调性减弱在于生态环境、社会生活、经济生产的快速发展提高了系统的发展程度,但资源利用的发展相对滞后加大了子系统间的差异,致使系统的协调性减弱。为促进乌鲁木齐市资源 - 环境 - 社会 - 经济系统协调发展,有必要调整资源利用并加强生态环境建设。
(2) 1) 影响资源利用优化提高的主要因素是水资源利用,2008 年与 2011 年水资源利用的状态数提高,迅速提高了当年资源利用的发展度; 但组成系统的发展不平衡却导致资源利用系统的协调性降低,如2008 年水资源、能源利用状态数的提高与土地资源利用、其它资源利用状态数的降低,使该年的协调性最差。2) 生态环境逐步优化得益于环境污染治理加强与绿地面积扩大,2010 -2011 年尤其明显,表明污染治理与绿地建设对改善生态环境质量卓有成效。2008 年生态环境子系统不协调是因废水处理未跟上,造成生态环境的组成系统间的不平衡。3) 社会生活子系统受市政建设滞后的影响,2008 年不仅优化程度下降,而且协调性也变差; 2009 年之后,随着各组成系统逐步优化,该子系统的发展度很快提高,但由于发展不均衡,子系统的协调性有所降低。4) 经济生产子系统逐步优化,尤其 2007 年后,发展明显加快,但经济发展的状态数变异最大,对子系统的发展度与协调性影响最大; 2009 年高度不协调是由于经济发展滞后于劳动生产率、投资与财政,各组成系统发展不均衡使子系统偏离协调。
(3) 1) 水资源禀赋的状态数波动起伏变化,主要是受气候条件决定的人均水资源量与技术影响的污水再生利用总量的影响。由于天然水资源量丰盈、农业生产耗水与生态用水量均下降,故 2008 年的生产耗水、生态与生活用水的状态数均最高。2) 对能源利用子系统的发展度与协调性影响最大的是农业耗能,农业耗能的状态数不断下降且变异最大,说明农业生产耗能增加; 二产、三产与生活耗能则逐步下降。
3. 2 研究方法的适用性
逐层反复使用 TOPSIS 方法可获得综合各级系统发展状态的状态数,即先利用指标的实际值和式(1)- (4) ,得到各年三级或二级子系统的状态数; 再重复此过程,以下一级子系统的状态数为数据,便可逐级算得上一级子系统的状态数。这样得到的状态数具有方法上的一致性,可比性强。
构造两个距离参数: dc(协调度) 可描述系统或子系统偏离完全协调线的程度,dd(发展度) 则可描述系统或子系统发展的优劣程度。将 dc 与 dd 结合; 再借助不同时段 Δdc 及 Δdd 的正负及大小,将系统发展分为 4 种状态: (Ⅰ) Δdc <0 且 Δdd >0,(Ⅱ) Δdc >0 且 Δdd >0,(Ⅲ) Δdc <0 且 Δdd <0,(Ⅳ) Δdc >0 且Δdd < 0,有助于动态判别系统的发展趋势,能够更全面判断系统或子系统的总体发展与协调状况。
研究表明,文中提出的方法含义明确、简单、易操作、可比性强,既可对系统发展协调性进行纵向评价,也可对不同区域系统发展的协调性进行横向比较; 不仅可评价简单系统也可用以评价复杂系统发展的协调性。
4、 结论
重复应用 TOPSIS 方法可得到综合各级系统发展状态的状态数 gt,在此基础上构造两个距离参数 dc(协调度) 、dd(发展度) ,将之与 Δdc、Δdd 结合,能够更全面、动态判别相应系统的发展与协调状况。用这样的方法评价系统发展的协调程度具有可操作性与合理性。
对 2005 -2011 年乌鲁木齐市资源 - 环境 - 社会 - 经济系统的协调性评价表明,系统所处发展状态为:2005 年是低水平、协调,2007 年是低水平、相对不协调,2010 年是较高水平的协调,2011 年则是高水平、不协调。
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