城市防洪除涝能力与经济社会发展耦合协调关系研究——以广州市为例

柯文杰

(广州市宏涛水务勘测设计有限公司，广州 510000)

1 研究背景

随着我国经济社会的飞速发展，我国城镇化建设取得一系列令人瞩目的成果，但与此同时，填埋河道、水系不通、城市内涝等问题也逐渐进入大众视野，成为近年来人们普遍关注的热点问题。城市防洪除涝建设与经济社会发展息息相关，彼此存在着一定的耦合协调关系，一方面，防洪除涝工程的建设实施需要经济社会予以支持，投入大量的人力、物力和财力；另一方面，洪涝灾害也制约着经济社会的发展，如不加以治理可能会对经济社会带来严重的灾难，因此两者只有实现协调发展，才能真正实现我国高质量发展的目标任务。本文以广州市防洪排涝建设与经济社会耦合协调关系作为研究对象，具有一定的理论和现实意义。

目前国内外对耦合协调模型的研究相对成熟，不同领域的专家学者对耦合协调模型进行了广泛的研究及应用。如顾茉莉[1]等人运用耦合协调度模型和空间相关性分析测度了长江经济带2005—2020年水-能源-粮食-土地系统耦合协调发展的时空演变特征和空间联系。张杰[2]以黄河流域9个省(区)全域为研究对象，基于2016—2020年面板数据，采用耦合协调模型对黄河流域生态保护与高质量发展的耦合协调关系进行了实证分析。杨志[3]采用熵权TOPSIS模型、耦合协调度模型和障碍度模型，从经济、社会、生态、安全4个方面选取17个指标评价了宁夏近14 a(2006—2019年)土地利用绩效动态变化、协调发展水平和障碍因子。对防洪除涝与经济社会发展耦合协调关系的研究目前尚不多见，与之相关度较高的是河湖水系连通方面的研究，如郑州大学的左其亭教授[4]建立了评价水系连通系统与经济社会发展系统的指标体系，同时基于匹配度计算公式，提出河湖水系连通系统与经济社会发展系统协调度计算方法。李普林[5]以江苏省为研究对象，通过建立城镇化系统进程状况和河湖水系连通水平的评价指标体系，利用耦合协调模型评价城镇化与河湖水系连通系统耦合协调关系。由于现阶段关于城市防洪排涝与经济社会发展的研究尚不多见，故本文提出采用耦合协调模型研究两者关系，以期为相关领域研究提供一定的技术参考。

2 研究区概况

广州市地处南方丰水区，境内大小河流发达，水域面积广阔，集雨面积在100 km2以上的河流共有22条，河宽5 m以上的河流1 368条，总长为5 597.36 km，河道密度达到0.75 km/km2。全市水域面积7.44万hm2，占全市土地面积的10.05%。经过多年的建设，广州市防洪排涝工程初步建成以水闸、河涌为骨干，涵窦、渠涌、塘和电排站相配套比较完整的防洪排涝体系，暴雨期间雨水通过雨水管网汇集至大大小小的河涌，再通过排涝水闸或排涝站排至外江。

目前，全市11个行政区、九大流域、105个排涝片区建有排涝水闸1 053座，总净宽为5 952 m，泵站713座，总装机容量为13.78万kW，总设计排涝流量为1 888 m3/s；水库307宗，总库容为11.12亿m3；湖泊46宗，总水域面积为687.81万m2，可调蓄容积为0.07亿m3；河涌1 368条，可调蓄容积约0.74亿m3；山塘89宗，总容积为524.36万m3。

3 研究方法

3.1 评价指标体系

3.1.1防洪排涝系统指标体系

城市防洪除涝能力反映的是一座城市抵御洪涝灾害风险的能力，通常体现在多个方面[6]。按照灾害发生的时间顺序，本文认为城市防洪除涝能力应包括对灾害的监测预警能力、对灾害的规划治理能力、抢险救灾能力以及灾后建设能力4个方面。本文从上述层面构建了城市防洪除涝能力指标体系。

1)监测预警能力。监测预警能力包括水文站网覆盖率、洪水预报系统推广度、汛期防汛检查频次及历史洪水预报准确度等指标。通常认为水文站网是进行收集水文资料的重要途径，是进行洪水预报的重要资料来源，水文站网覆盖率越高，反映了洪涝灾害的监测能力越强。其次，洪水预报系统等先进技术的推广能提高洪水预报的时效性，汛期加强防汛检查能及时发现现场问题并有效整改。另外，对历史洪水预报的准确度也能从侧面反映城市对灾害的监控能力。

2)规划治理能力。规划治理能力主要反映地方对洪涝灾害的规划和治理水平，包括对河道、水库治理达标情况、每年对防洪除涝工程的投资额，此外地表水拦蓄率主要是反映区域对洪涝水的调控能力。

3)抢险救灾能力。抢险救灾能力主要反映洪涝灾害发生时，地方对灾害的控制能力，包括日常对抢险物资的储备量、对抢险队伍的配置情况、地区对洪涝灾害的应急预案以及地区公路网密度，公路网密度主要体现抢险救灾过程中物资输送的便利程度。

4)灾后建设能力。本文主要从专业技术人员的拥有数量、地区生产总值和基本建设物资的储备量等层面对灾后建设能力进行评价，其中专业技术人员是灾后重建的重要人力保障，地区生产总值主要反映城市经济实力，基本建设物资主要反映城市建设物资供应能力。

3.1.2经济社会系统指标体系

对经济社会发展评价的研究目前已经较为成熟，本文借鉴现有的研究成果，从人口、经济、社会3个层面构建了经济社会发展指标体系[8-9]。其中人口系统指标包括人口密度、人口自然增长率、城镇人口比例，经济系统指标包括人均GDP、GDP年度增长率、第三产业增加值占GDP增加值比重，社会系统指标包括居民可支配收入、居民人均消费支出和初中学生净入学率。

3.2 评价方法

3.2.1评价指标权重

为保证计算结果的客观性，本文采用熵值法进行权重计算，结合本文所构建的城市防洪除涝能力与经济社会发展评价指标体系，选取广州市2012—2021年近10 a系列数据进行计算，主要计算步骤如下[10-11]：

1)数据标准化

为消除各指标原始数据由于量纲不同所引起的计算误差，采用极差标准化的方法对原始数据进行标准化处理，具体计算公式如下：

正向“+”指标：

(1)

负向“-”指标：

(2)

式中：

Yij′——标准化处理后的指标值；

Yij——指标原始值；

Ymaxj、Yminj——分别为历年来指标j的最大值、最小值。

此外，对部分非单项指标做如下处理：

非单向“±”指标：

(3)

2)权重计算

①第j个指标在第i年的比重Qij

(4)

式中：

n——统计年数。

②第j个指标信息熵Tj

(5)

其中，0≤Tj≤1。

③第j个指标的效用值Fj

Fj=1-Tj

(6)

④第j个指标的权重Wj

(7)

式中：

m——指标数。

按照加权求和法计算2012—2021年广州市防洪除涝能力与经济社会发展指标权重，结果见表1。

表1 城市防洪除涝能力与经济社会发展指标权重计算

3.2.2综合评价函数

本文利用线性加权和法依次计算城市防洪除涝系统和经济社会发展系统的综合评价值，利用该方法将多个目标函数值通过线性加权的方式集成到了单个目标函数，从而将问题转化为一般线性规划问题，式中Pi和分别Qi分别代表城市防洪除涝系统和经济社会发展系统的综合评价值，当Pi>Qi时，表明城市防洪除涝系统优于经济社会发展系统，当Pi=Qi时，表明城市防洪除涝系统与经济社会发展系统同步，当Pi

(8)

式中：

ωij、ω′ij——城市防洪除涝系统和经济社会发展系统中各项指标权重；

xij、yij——城市防洪除涝系统和经济社会发展系统中各项初始指标经标准化处理后的数据。

3.2.3耦合协调模型

耦合度指两个或两个以上系统之间的相互作用影响，实现协调发展的动态关联关系，可以反映系统之间的相互依赖相互制约程度。协调度指耦合相互作用关系中良性耦合程度的大小，它可体现出协调状况的好坏，耦合协调度模型用于分析事物的协调发展水平。本文利用耦合协调度模型可有效评价城市防洪除涝能力和经济社会发展相互耦合的协调程度，耦合协调度计算公式如下：

K=(L·U)1/2

(9)

(10)

(11)

式中：

K——协调度；

L——耦合度；

m——调节系数(m≥2)，本文中取m=2；

Pi和Qi——分别代表城市防洪除涝系统和河湖水系系统的综合评价值；

U——两系统综合协调指数，本文认为城市防洪除涝与经济社会发展同等重要，取α=β=0.5。

参考国内外现有研究成果[12-17]，确定城市防洪除涝能力与经济发展协调度分类见表2所示。

表2 城市防洪除涝能力与经济社会发展协调度分类

4 分析与讨论

4.1 城市防洪除涝与经济社会发展综合评价结果变化

根据耦合协调度模型分别计算广州市2012—2021年城市防洪除涝与经济社会发展综合评价值Pi、Qi及相应的协调度K、耦合度L及综合协调指数U，计算结果见表3所示。

表3 2012—2021年广州市防洪除涝能力与经济社会发展耦合协调度计算

2012—2021年广州市防洪除涝能力与经济社会发展综合评价值如图1所示，总体上近10 a来广州市城市防洪除涝能力和经济社会发展均取得了稳步的提升，特别是城市防洪除涝能力，近年来随着全市各类防洪除涝及水系连通工程的落地实施，广州市防洪除涝能力不断获得提升，取得了一些列令人瞩目的成果。根据《广州市防洪(潮)排涝规划(2021—2035年)》，近期到2025年，广州中心城区防洪(潮)标准为200年一遇；到2035年，广州具备防御西、北江1915年型洪水及北江300年一遇洪水能力，中心城区将具备防御300年一遇潮位能力。从广州市经济社会发展水平来看，近10 a来广州市经济社会发展总体平稳，经济社会发展系统综合评价值年均增长率约为11.99%，符合广州市经济社会发展的基本规律；从系统综合评价年度差值来看，广州市防洪除涝系统要领先于经济社会发展，且系统综合评价年度差值总体较平稳，表明广州市防洪除涝与经济社会发展相对协同稳定。

图1 广州市防洪除涝能力与经济社会发展综合评价值示意

4.2 防洪除涝能力与经济社会发展协调度分析

按照协调度分类法，根据表3计算成果对广州市防洪除涝能力与经济社会发展协调程度进行判断，结果表明：2012—2021年广州市防洪除涝能力与经济社会发展协调度总体呈现上升态势，其中2012—2013年表现为轻度失调，2014—2015年表现为濒临协调，2016—2021年经历了勉强协调、初级协调、中级协调、良好协调和优质协调等5个阶段，现阶段两系统综合协调指数维持在较高的水平下，两者达到优质协调的状态(见图2)。

图2 广州市历年耦合度L、综合协调指数U、协调度K值变化情况示意

改革开放以来，经过30多年的快速发展，广州市城镇化率从1978年的16.3%提高到2012年的83.85%，位居全国前列。2012—2021年的10 a间，广州市城镇化率从83.85%提高到86.46%，进入城镇化发展成熟阶段。改革开放30多年来，广州市开展了大规模的城镇化建设，为了促进经济社会的高速发展，填埋河道、与水争地等现象时有发生，降低了河道行洪排涝能力，导致城市防洪除涝能力与经济社会出现了阶段性失调的状态。近年来，随着河湖水系问题越来越受到人们重视，政府投入大量资金用于改善河湖水系连通性，提升城市行洪排涝能力，并取得一系列成果，从2016年起广州市行洪排涝能力与经济社会发展逐渐进入到协调期，这也是我国经济社会高质量发展的根本要求。

5 结语

为进一步研究城市防洪除涝能力与经济社会发展之间的相互关系，本文构建了城市防洪除涝能力与经济社会发展评价指标体系。以广州市为例，引入耦合协调模型分析广州市2012—2021年防洪除涝能力与经济社会发展变化，结果如下：① 从总体上看，近10 a来广州市防洪除涝能力和经济社会发展均取得了稳步的提升，特别是城市防洪除涝能力，近年来随着全市各类防洪除涝及水系连通工程的实施，全市防洪除涝能力得到显著提升，经济社会发展总体平稳，符合广州市经济社会发展的基本规律；② 广州市防洪除涝系统要领先于经济社会系统，且系统综合评价年度差值总体较平稳，表明广州市防洪除涝与经济社会发展相对协同稳定；③ 广州市防洪除涝能力与经济社会发展协调度总体呈现上升态势，这10 a间两者协调度经历了轻度失调、濒临协调、勉强协调、初级协调、中级协调、良好协调和优质协调等多个阶段，2021年以后两系统综合协调指数维持在较高的水平下，达到优质协调的状态。在今后的发展中，全市要保持优质协调的状态，在经济社会高质量发展的同时，更加注重人水和谐。