本文關(guān)鍵詞：環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合特征研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

DOI:10.13249/j.cnki.sgs.2013.11.007

第33卷第11期2013年11月

地理科學(xué)

Vol.33No.11Nov.,2013

SCIENTIAGEOGRAPHICASINICA

環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合特征研究

陳端呂，彭保發(fā)，熊建新

（湖南文理學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，湖南常德415000）

摘要：摘要以環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于耦合度、協(xié)調(diào)度模型，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，分析系統(tǒng)達(dá)到最佳耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)的因子貢獻(xiàn)度，探討系統(tǒng)因子對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的調(diào)控適應(yīng)機(jī)制。研究表明：①?gòu)鸟詈铣潭鹊臅r(shí)序看，10a間耦合度變動(dòng)趨勢(shì)較平穩(wěn)，2003~2011年社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展關(guān)系基本為拮抗?fàn)顟B(tài)，2012年正在向磨合時(shí)期過(guò)渡。對(duì)于序參量年度變化率比較，年度變化都比較平穩(wěn)，序參量之間協(xié)同作用的強(qiáng)弱程度體現(xiàn)系統(tǒng)由無(wú)序走向有序的趨勢(shì)，但社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境交互耦合作用并不十分理想。②2003~2012年環(huán)洞庭湖區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的協(xié)調(diào)程度基本還處于中低水平。2003~2011年社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境發(fā)展關(guān)系處于低度協(xié)調(diào)，2012年開(kāi)始轉(zhuǎn)入中度協(xié)調(diào)，洞庭湖經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)程度還有待進(jìn)一步提高。③2003~2005年耦合度處于較高狀態(tài)，但協(xié)調(diào)度卻不處于高位。2006~2012年系統(tǒng)耦合度與協(xié)調(diào)度基本上具有相同的變化趨勢(shì)。④生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)因子的貢獻(xiàn)度，是系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)達(dá)到理想等級(jí)的評(píng)價(jià)因子重要性，反映某項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耦合或協(xié)調(diào)最佳狀態(tài)的貢獻(xiàn)程度。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)因子貢獻(xiàn)度大于社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)，說(shuō)明了對(duì)于系統(tǒng)理想狀態(tài)的調(diào)控，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)具有主導(dǎo)作用。⑤在系統(tǒng)調(diào)控中，因子貢獻(xiàn)度與系統(tǒng)目標(biāo)調(diào)控程度呈正相關(guān)。因子貢獻(xiàn)度越大，對(duì)系統(tǒng)耦合或協(xié)調(diào)目標(biāo)調(diào)控力度越大。關(guān)鍵詞：耦合度；協(xié)調(diào)度；生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)；因子貢獻(xiàn)度；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中圖分類號(hào)：中圖分類號(hào)F291

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)：文章編號(hào)1000-0690(2013)11-1338-09

人類面臨的生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)矛盾加劇，生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展成為研究的熱點(diǎn)之一。目前，對(duì)于生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外已作過(guò)一些深入研究，但研究方法很不盡相同，在實(shí)際應(yīng)用中以生態(tài)足跡模型、能值分析理論為主[1,2]，提供了對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)性的判定途徑[3]。從系統(tǒng)的角度看，生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是由生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合而成的開(kāi)放型的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[4]�！榜詈稀笔且粋�(gè)物理學(xué)概念，指2個(gè)或2個(gè)以上的系統(tǒng)通過(guò)各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象[5]。生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合是生態(tài)環(huán)境支撐系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)間相互作用、相互脅迫，由低級(jí)共生向高級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展的過(guò)程[6]。生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)存在著交互耦合的互動(dòng)關(guān)系，而協(xié)調(diào)度反映了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的最佳匹配狀態(tài)[7]。在中國(guó)區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合狀態(tài)研究中，喬標(biāo)[8,9]、方創(chuàng)琳[10]、張富剛[11]等構(gòu)建了具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立了體現(xiàn)

生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合關(guān)系的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[12]、耦合度模型及協(xié)調(diào)度模型[13~16]，大大推動(dòng)了生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合研究的進(jìn)程，但運(yùn)用上述模型及方法所得結(jié)果無(wú)法剖析生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合的非線性本質(zhì)。生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)作為復(fù)雜耗散結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)的非線性耦合協(xié)調(diào)機(jī)制，很難用一般的線性方法加以研究，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)連接下層節(jié)點(diǎn)和上層節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)重矩陣的設(shè)定和誤差修正，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的特征，個(gè)體具有的學(xué)習(xí)、記憶和選擇的能力，能夠模擬生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合度動(dòng)態(tài)變化及耦合協(xié)調(diào)的內(nèi)部機(jī)制與結(jié)構(gòu)關(guān)系。本文提出的因子貢獻(xiàn)度，是生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合或者協(xié)調(diào)達(dá)到理想等級(jí)的評(píng)價(jià)因子重要性，反映某項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耦合或協(xié)調(diào)達(dá)到最佳狀態(tài)的貢獻(xiàn)程度，這方面研究較少。同時(shí)，環(huán)洞庭湖區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境關(guān)系一直是學(xué)術(shù)界研究熱點(diǎn)[17]，在資源開(kāi)發(fā)模式[18]、土地利用/覆被變化[19]、生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估[20]、高效生

收稿日期2012-12-12；收稿日期：修訂日期：修訂日期2013-03-18

基金項(xiàng)目：基金項(xiàng)目國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目（13BJY025）、湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(12A100)、湖南省社科基金項(xiàng)目（12JD53）、湖南省環(huán)洞庭湖區(qū)域發(fā)展研究基地、湖南省重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科資助。

作者簡(jiǎn)介：作者簡(jiǎn)介陳端呂（1965-），男，湖南隆回人，博士，教授，主要從事景觀地理學(xué)與3S技術(shù)研究。E-mail:hnwlxyzlxycdl@126.com

11期陳端呂等:環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合特征研究1339

態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)[21]等方面取得了一定進(jìn)展，但本區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合協(xié)調(diào)機(jī)制有待于進(jìn)一步探討。因此，本文通過(guò)構(gòu)建環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于耦合度、協(xié)調(diào)度模型，針對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與要素的自組織與適應(yīng)特性，運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，分析環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)因子對(duì)最佳耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)的貢獻(xiàn)度，探討系統(tǒng)影響因子對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的調(diào)控適應(yīng)機(jī)制，構(gòu)建科學(xué)發(fā)展的生態(tài)經(jīng)濟(jì)體系，為環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)的科學(xué)合理評(píng)價(jià)，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境矛盾，推進(jìn)高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)提供參考。

圖1

Fig.1

環(huán)洞庭湖區(qū)域范圍

Thescopeofthestudy

area

1研究區(qū)域

環(huán)洞庭湖區(qū)是以洞庭湖為中心的廣大河、湖沖積-淤積平原和環(huán)湖丘崗及外圍低山區(qū)，地理位置為111°53′~113°05′E、28°44′~29°35′N，大部分地區(qū)的海拔高度不到50m，土地面積的85％以上。在湖南省轄境內(nèi)，湖南地區(qū)覆蓋岳陽(yáng)市(除平江縣)、益陽(yáng)市(除安化縣)、常德市(除石門縣)及長(zhǎng)沙寧鄉(xiāng)縣、望城縣(圖1)。湖區(qū)地處中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，具有向北亞熱帶過(guò)渡性質(zhì)，冬季寒冷、干燥，夏季降雨集中，氣候溫和、濕潤(rùn)，年平均降雨量1200~1450mm，年平均氣溫16.5~17.0℃。河網(wǎng)密布，湘、資、沅、澧四水流經(jīng)，水、土、氣、生物等資源要素豐富。但生態(tài)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻，湖床每年被入湖泥沙淤高3.7cm，新增洲土4130hm2。每年約8×108t未經(jīng)處理的廢水直排湖中，導(dǎo)致水質(zhì)下降。魚(yú)類種群退化，洄游性、半洄游性魚(yú)類資源在捕撈量中所占比例已降至10%，生態(tài)環(huán)境惡化，生物多樣性遭到破壞。環(huán)洞庭湖區(qū)是中國(guó)重要的商品糧基地，同時(shí)也是湖南省重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)域，形成了以農(nóng)、牧、漁業(yè)生產(chǎn)為主體，輕重工業(yè)并重，第三產(chǎn)業(yè)迅速壯大的發(fā)展格局。環(huán)洞庭湖區(qū)是典型的水陸生態(tài)交錯(cuò)脆弱帶，，快速的環(huán)境變化和復(fù)雜的湖垸、江湖關(guān)系使得本區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性表現(xiàn)得特別突出，構(gòu)建洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)一直在湖南省國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重大的戰(zhàn)略意義。

應(yīng)從生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展2個(gè)子系統(tǒng)出發(fā)，既有指示生態(tài)環(huán)境因子變化與指示經(jīng)濟(jì)發(fā)展的序參量，能夠反映生態(tài)子系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的高效協(xié)同，同時(shí)在選取指標(biāo)時(shí)，應(yīng)有代表性，注意考慮正向指標(biāo)與逆向指標(biāo)，從正反兩方面考察耦合狀態(tài)。具體指標(biāo)的選取要綜合考慮區(qū)域現(xiàn)狀、生態(tài)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、系統(tǒng)要素等方面因素，按照生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展2個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行指標(biāo)采集（表1）。數(shù)據(jù)來(lái)源主要利用2003~2012年的土地利用圖進(jìn)行GIS分析進(jìn)行提取，社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)采用統(tǒng)計(jì)年鑒、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、氣象、林業(yè)等相關(guān)部門提供的數(shù)據(jù)。

由于指標(biāo)數(shù)值和方向不同，必須進(jìn)行指標(biāo)的正向化和無(wú)量綱化處理。逆向指標(biāo)采用倒數(shù)變換法進(jìn)行正向化處理，用于計(jì)算區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)中不同指標(biāo)的功效系數(shù)dij。計(jì)算公式為：

(xij-xijmin)

正指標(biāo)dij=

ijmaxijmin負(fù)指標(biāo)

dij=

(xijmax-xij)ijmaxijmin（1）

式中，dij為系統(tǒng)i指標(biāo)j的功效數(shù)，xijmax為系統(tǒng)i指標(biāo)j的最大值，xijmin為系統(tǒng)i指標(biāo)j的最小值，xij為系統(tǒng)i指標(biāo)j的值。dij反映目標(biāo)達(dá)成的滿意程度，0≤dij≤1。

利用主成分分析方法對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取。根據(jù)設(shè)置的主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率(85%)，進(jìn)行因子載荷旋轉(zhuǎn)，確定生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)由13個(gè)指標(biāo)因子組成，生態(tài)環(huán)境水平包括生物豐度指數(shù)、土地退化指數(shù)、濕地面積退化指數(shù)、人均林地面積、環(huán)境污染治理投資率、萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值消耗能源、人均生

2研究方法

2.1系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)涉及到生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等很多方面。生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)計(jì)

1340地理科學(xué)33卷

表1生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)指標(biāo)采集

Table1Theevaluationindexofeco-economicsystembasedoncouplingandcoordination

子系統(tǒng)

指標(biāo)

生物豐度指數(shù)x101、植被覆蓋指數(shù)x102、水網(wǎng)密度指數(shù)x103、土地退化指數(shù)x104、濕地面積退化指數(shù)x105、氣候變化指數(shù)x106、人均

生態(tài)環(huán)境

安全水資源擁有量x107、人均耕地面積x105、人均林地面積x109、環(huán)境污染治理投資率x110、萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值消耗能源x111、廢水凈排放量x112、土壤侵蝕模數(shù)x113、人均生活能源消費(fèi)量x114、工業(yè)污水處理率x115、人口密度x116

社會(huì)經(jīng)濟(jì)

經(jīng)濟(jì)密度x201、城市化率x202、恩格爾系數(shù)x203、人均GDPx204、第三產(chǎn)業(yè)比重x205、城鎮(zhèn)居民可支配收入x206、農(nóng)民人均純收人x207、全社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率x208、第一產(chǎn)業(yè)增加值/GDPx209、第三產(chǎn)業(yè)增加值/GDPx210、基尼系數(shù)x211、社會(huì)資本/總資本x212

活能源消費(fèi)量等7個(gè)指標(biāo)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的指標(biāo)包括經(jīng)濟(jì)密度、城市化率、第三產(chǎn)業(yè)比重、第一產(chǎn)業(yè)增加值/GDP、第三產(chǎn)業(yè)增加值/GDP、基尼系數(shù)等6個(gè)指標(biāo)。

以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例，確定為提取的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。用各主成分的方差貢獻(xiàn)率計(jì)算生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。計(jì)算公式為：

Cij

Wij=（2）

∑∑Cij

i=1j=1

態(tài)子系統(tǒng)的綜合功效是各系統(tǒng)內(nèi)所有指標(biāo)對(duì)該子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)的綜合，可通過(guò)集成方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[22]。其計(jì)算公式為：

Ui=∑Wij×dij

n

（3）

Wij≥0,式中，

∑Wij=1,j=1,2,...,n。

j=1

2.2系統(tǒng)耦合度分析

生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)由無(wú)序走向有序的特征與規(guī)律，通過(guò)耦合度判別社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境兩個(gè)子系統(tǒng)耦合作用的強(qiáng)度以及作用的時(shí)序區(qū)間。借助容量耦合系數(shù)模型推廣的耦合度模型，計(jì)算和分析環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合度。由于本文度量的由社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境2個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的耦合度模型，得到生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的耦合度函數(shù)表示為：

éùU1×U2

C=（4）(U)(U)212??1

式中，C為耦合度；U1、U2為社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境2

1

Cij為系統(tǒng)i式中，Wij為子系統(tǒng)i指標(biāo)j的評(píng)價(jià)權(quán)重，

指標(biāo)j主成分貢獻(xiàn)率，m表示子系統(tǒng)個(gè)數(shù)，n為提取的主成分個(gè)數(shù)。通過(guò)主成分分析，得到生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表2)。

根據(jù)主成分綜合模型，在選用所有指標(biāo)都作為主成分的前提下，利用各主成分的方差值作為權(quán)重，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)與生態(tài)系統(tǒng)功效評(píng)價(jià)。經(jīng)濟(jì)與生

表2

子系統(tǒng)

個(gè)子系統(tǒng)的綜合功效。根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境

生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

指標(biāo)

生物豐度指數(shù)土地退化指數(shù)濕地面積退化指數(shù)

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)

人均林地面積環(huán)境污染治理投資率萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值消耗能源人均生活能源消費(fèi)量經(jīng)濟(jì)密度城市化率

社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)

第三產(chǎn)業(yè)比重第一產(chǎn)業(yè)增加值/GDP第三產(chǎn)業(yè)增加值/GDP基尼系數(shù)

權(quán)重0.0940.0790.0290.1100.0700.1090.0540.0470.0980.1040.0640.0580.085

Table2Indexsystemofevaluationoneco-economicsystem

交互作用的強(qiáng)弱程度，即耦合度的大小，一般可以將其耦合的過(guò)程劃分如表3所示[23]。2.3系統(tǒng)協(xié)調(diào)度分析

耦合度體現(xiàn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的互動(dòng)作用，卻很難反映出經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的整體“功效”與“協(xié)同”效應(yīng)，單純依靠耦合度判別有可能產(chǎn)生誤導(dǎo)。為此，基于耦合度模型構(gòu)建生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)度函數(shù)，計(jì)算公式可表示為：

D=(C×T)

T=aU1+bU2

（5）

式中，D為協(xié)調(diào)度，T為生態(tài)經(jīng)濟(jì)綜合調(diào)和指數(shù)，反映生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的整體協(xié)同效應(yīng)或貢獻(xiàn)，a、b為待定系數(shù)，分別為生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中2個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重。協(xié)調(diào)度等級(jí)劃分見(jiàn)表4[23]。

11期陳端呂等:環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合特征研究

表3生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合度分類及耦合等級(jí)

Table3ClassificationandcharacteristicsofthecouplingbetweenEco-EconomicSystem

1341

耦合度取值C=00<C≤0.30.3<C≤0.50.5<C≤0.80.8<C<1C=1

耦合等級(jí)最小耦合低水平耦合拮抗磨合高水平耦合最大耦合

耦合特征

系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部要素之間處于無(wú)關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)將向無(wú)序發(fā)展此時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低，生態(tài)系統(tǒng)承載力強(qiáng)這階段經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，生態(tài)承載力下降系統(tǒng)開(kāi)始良性耦合

經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境相互促進(jìn)，共同發(fā)展

耦合度最大,系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部要素之間達(dá)到了良性共振耦合，系統(tǒng)趨向新的有序結(jié)構(gòu)

水平代表值

Ⅳ：理想狀態(tài)值×0.25Ⅲ：理想狀態(tài)值×0.50Ⅱ：理想狀態(tài)值×0.75Ⅰ：理想狀態(tài)（代表值為1）

表4

協(xié)調(diào)度D=00<D≤0.40.4<D≤0.50.5<D≤0.88<D<1.0D=1

協(xié)調(diào)等級(jí)不協(xié)調(diào)低度協(xié)調(diào)中度協(xié)調(diào)良好協(xié)調(diào)高度協(xié)調(diào)極度協(xié)調(diào)

生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度等級(jí)與協(xié)調(diào)特征

協(xié)調(diào)特征

水平代表值

Table4CoordinationdegreeandcoordinationgradeofEco-EconomicSystem

不協(xié)調(diào)，經(jīng)濟(jì)環(huán)境系統(tǒng)整體呈衰退趨勢(shì)環(huán)境勉強(qiáng)保持在承載力范圍內(nèi)

資源環(huán)境保持在承載力閾值內(nèi)，短期內(nèi)可接受

基本協(xié)調(diào),經(jīng)濟(jì)水平提高速度高于生態(tài)環(huán)境的改善速度，整體協(xié)同效應(yīng)達(dá)到了較高的程度

較協(xié)調(diào)，經(jīng)濟(jì)與資源環(huán)境發(fā)展接近均衡，較理想狀態(tài)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與資源環(huán)境發(fā)展相互促進(jìn)，協(xié)調(diào)共生

Ⅳ：理想狀態(tài)值×0.25Ⅲ：理想狀態(tài)值×0.50Ⅱ：理想狀態(tài)值×0.75Ⅰ：理想狀態(tài)（代表值為1）

2.4耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)因人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有以任意精度逼近任意非線

定合適的隱含層為10，傳遞函數(shù)采用對(duì)數(shù)型Sig-moid激活函數(shù)。經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與模擬計(jì)算，模擬值與實(shí)際值較為吻合，誤差較小，模型可行(表5)。

根據(jù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型神經(jīng)元之間的連接權(quán)重值計(jì)算出各隱含節(jié)點(diǎn)對(duì)于輸出結(jié)果的重要性和各個(gè)輸入因子與各個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)的緊密程度，得出各輸入因子對(duì)于輸出結(jié)果的重要性，即評(píng)價(jià)因子的貢獻(xiàn)度，用于量化輸入指標(biāo)對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)達(dá)到最佳耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)的調(diào)控程度。具體步驟如下：①將輸入層節(jié)點(diǎn)與隱含層節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)重值取絕對(duì)值求和，即xi=∑|Wij|，i、j分別代表輸入層、隱含層節(jié)點(diǎn)；②將隱含層節(jié)點(diǎn)與輸出層節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)重值取絕對(duì)值求和，即yj=∑|Wij|，k代表輸出層節(jié)點(diǎn)，即yj代表了各隱含層節(jié)點(diǎn)對(duì)于輸出節(jié)點(diǎn)的貢獻(xiàn)；③各輸入因子與每個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)之間緊密程度大小的比較aij，即aij=|Wij|xi；④某個(gè)輸入因子通過(guò)某個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)對(duì)于輸出結(jié)果的作用，即bij=aijyj；⑤求和Si=∑bij，Si表

jk

i

子貢獻(xiàn)度計(jì)算

性連續(xù)函數(shù)的特性，通過(guò)模型中神經(jīng)元的知識(shí)存儲(chǔ)和自適應(yīng)特征，建立各輸入因子與目標(biāo)等級(jí)之間的高度非線性映射，向輸入輸出樣本學(xué)習(xí)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。本文以生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)等級(jí)作為輸出，通過(guò)樣本學(xué)習(xí)、訓(xùn)練與檢測(cè)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)映射的優(yōu)化目標(biāo)的調(diào)整，確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)參數(shù)，建立樣本耦合協(xié)調(diào)值與各因子指標(biāo)值之間的非線性關(guān)系，使該優(yōu)化目標(biāo)中得到自適應(yīng)均衡的節(jié)點(diǎn)權(quán)重，作為生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)達(dá)到理想等級(jí)的評(píng)價(jià)因子貢獻(xiàn)度，反映某項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)最佳狀態(tài)的調(diào)控程度。

對(duì)于系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)，分別選取2003~2012年的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)功效數(shù)據(jù)作為輸入因子，將計(jì)算得出的耦合度和耦合協(xié)調(diào)度等級(jí)值作為輸出因子，輸入層節(jié)點(diǎn)為13，網(wǎng)絡(luò)輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)目為1。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定在參考輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)與輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上，利用樣本數(shù)據(jù)檢驗(yàn)9、10、11、12個(gè)隱含神經(jīng)元，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的擬合速度來(lái)選取，即用試驗(yàn)的方法來(lái)確

示某個(gè)輸入因子通過(guò)隱含層對(duì)于輸出結(jié)果的作用；

1342地理科學(xué)33卷

表5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)及誤差

Table5Networktraininganderrors

2003

樣本值

耦合度C

模擬值誤差樣本值

協(xié)調(diào)度D

模擬值誤差

0.50.5010.0010.250.2500.000

20040.50.5010.0010.250.2530.003

20050.50.5000.0000.250.2510.001

20060.50.5000.0000.250.2510.001

20070.50.5000.0000.250.2510.001

20080.50.5020.0020.250.2510.001

20090.50.5010.0010.250.2510.001

20100.50.5040.0040.250.2530.003

20110.750.744-0.0060.250.2530.003

20120.50.5020.0020.50.494-0.006

⑥計(jì)算評(píng)價(jià)因子貢獻(xiàn)度V。某個(gè)輸入數(shù)據(jù)對(duì)于仿

i

真值的重要性Vi，即Vi=Si/∑Si，累計(jì)各子系統(tǒng)的Vi，即為生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)V1與社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的V2。

3結(jié)果與分析

3.1社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境耦合時(shí)序變化

收集2003年以來(lái)10a的相關(guān)資料，分別計(jì)算出各個(gè)年份的社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合序參量、生態(tài)環(huán)境綜合序參量、耦合度和協(xié)調(diào)度。從圖2可以看出，生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合度大都處在0.439~0.500之間，表明了社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展關(guān)系基本以拮抗?fàn)顟B(tài)，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式為粗放型，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響很大。從耦合度變動(dòng)趨勢(shì)來(lái)看，變化趨勢(shì)較平穩(wěn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境交互作用的強(qiáng)度變化不大，但2006~2008年，耦合度略有些微下降，2009年環(huán)洞庭湖區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境耦合有所上升，2012年正在向磨合時(shí)期過(guò)渡，其原因就是此間不斷加大了對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)的力度，導(dǎo)致二者的關(guān)系正在進(jìn)行調(diào)整。從社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)兩兩之間的序參量比較來(lái)看，除了2012年外，2003~2011年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)序參量都小于生態(tài)環(huán)境序參量，說(shuō)明經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不協(xié)調(diào)是阻礙環(huán)洞庭湖區(qū)人地系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵，也說(shuō)明了環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)環(huán)境是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸，經(jīng)濟(jì)發(fā)展主導(dǎo)著社會(huì)與生態(tài)環(huán)境的演變。

從2個(gè)子系統(tǒng)的序參量時(shí)序變化來(lái)看，總體呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，說(shuō)明各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)正由不協(xié)調(diào)向協(xié)調(diào)方向調(diào)整。從表6可以看出，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的序參量年平均變化率為16.01%，平均變化幅度最大，生態(tài)系統(tǒng)為5.79%，一方面說(shuō)明了經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境的發(fā)展具有導(dǎo)向和主宰作用，另

一方面在某種程度上體現(xiàn)了環(huán)洞庭湖區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的高度依賴。針對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的序參量年度變化率比較，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)除了2004年，年度變化都比較平穩(wěn)，只是個(gè)位數(shù)的變化，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)變化率起伏較大，最大的為2012年的42.44%，而最小的為2006年的-25.64%，也說(shuō)明了具有自然屬性的生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的自組織特性與變化的滯后性。再?gòu)谋舜碎g變化率的相關(guān)性可以看出，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展具有同步性�？赡苡捎谏鷳B(tài)保護(hù)政策執(zhí)行的不確定性以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來(lái)的沖擊，使得生態(tài)環(huán)境綜合序參量出現(xiàn)波動(dòng)起伏的趨勢(shì)，特別是在2009~2011年間生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了迅速下降的趨勢(shì)。3.2生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性動(dòng)態(tài)

從圖3可以看出，生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)度數(shù)值處于0.292~0.428之間，說(shuō)明2003~2011年社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境發(fā)展關(guān)系處于低度協(xié)調(diào)，而2012年后開(kāi)始轉(zhuǎn)入中度協(xié)調(diào)。通過(guò)2003~2012年生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合度與協(xié)調(diào)度比較，2003~2005年生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合度處于較高狀態(tài)，但協(xié)調(diào)度卻不處于高位，說(shuō)明此階段社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境在物質(zhì)與能量的交換與傳輸頻繁，2個(gè)子系統(tǒng)的相互依賴、相

圖2環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合度時(shí)序變化

Fig.2Variationofcouplingdegreebetweenecologyand

economicsystemin

2003-2012

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