基于可持續能力和協調狀態的水資源系統評價方法探討

鄭德鳳,張　雨,魏秋蕊,孫才志

(遼寧師范大學城市與環境學院, 遼寧 大連　116029)

基于可持續能力和協調狀態的水資源系統評價方法探討

鄭德鳳,張雨,魏秋蕊,孫才志

(遼寧師范大學城市與環境學院, 遼寧 大連116029)

摘要：基于可持續理論、系統協調理論內涵,從區域資源條件、生態環境、水資源開發利用水平及經濟社會現狀要素相互耦合、共同支撐水資源系統的角度,應用壓力-狀態-響應模型(PSR模型)構建了區域水資源系統綜合評價指標體系,借鑒前人研究成果提出了水資源系統可持續度、協調度概念及其定量表征方法,在此基礎上提出水資源系統綜合評價方法,并結合有關數據對2003—2013年遼寧省水資源安全形勢演進態勢進行實證分析。結果表明:①研究時段內遼寧省水資源系統可持續度呈整體上升趨勢,自然因素導致資源子系統可持續度變化不穩定,其余3個子系統可持續度基本呈現逐年提升態勢;②研究時段內遼寧省水資源系統協調度波動變化,是資源條件、生態環境、開發利用水平和經濟社會發展因素的耦合導致子系統之間的協調關系不穩定;③在研究時段內遼寧省水資源系統安全等級逐漸提高,安全態勢趨于好轉。未來,有關部門應在加大自然資源和生態環境保護力度、提高水資源開發利用水平和促進區域經濟與社會發展的基礎上,努力探索區域水資源系統協調發展和統一管理的新思路和新方法,將水資源納入區域可持續發展進行綜合管理和優化配置,以期實現區域水資源系統和諧、可持續的發展目標。

關鍵詞：水資源系統;可持續能力;協調狀態;綜合評價;系統安全;遼寧省

可持續發展的核心問題是滿足人的需求,實現自然資源的可持續利用[1]。作為自然資源的重要組成部分,水資源的可持續利用問題一直是相關學科領域聚焦的熱點[2]。受水資源稟賦和經濟社會發展的階段性特征影響,中國局部地區面臨的水資源問題日益突出,水資源問題與能源問題、環境問題并列成為制約經濟社會可持續發展的瓶頸[3]。為此,國內眾多學者圍繞水資源的可持續開發和利用開展了大量研究。在理論研究層面,關偉等[4-5]借鑒系統科學中的耦合概念,將水資源與經濟社會的耦合理論應用到區域發展評價體系之中;李翠梅等[6]提出水資源可持續發展公眾化概念,用評價公眾化水平來反映水資源可持續發展程度;陳寧等[7]把水資源開發利用、社會與經濟可持續發展和可持續發展能力結合起來,界定了水資源可持續發展概念,并建立評價指標體系。在宏觀決策層面,姚榮等[8]基于區域水資源總量、可供水量、需水量和可利用量的數量關系,應用水資源承載力、供水能力等評價了區域水資源可持續利用水平;劉恒等[9-13]從區域水資源稟賦、經濟社會發展階段、水資源開發利用水平、科技文化發展水平的非均衡視角,基于水資源可持續管理理念分析了水資源可持續利用概念的內涵及影響因素,提出針對水資源的攻擊性、社會需求和環境協調統一性,建立因地制宜的水資源可持續評價指標體系。在研究方法層面,國內學者應用層次分析、集對分析、FAHP-PP、水足跡、模糊物元模型、可變模糊理論、神經網絡模型、差值模型和主成分分析[14-22]等方法開展了廣泛研究,豐富了水資源可持續利用的評價方法。

以往研究多側重于水資源可持續概念內涵與外延的闡述、可持續利用評價方法及評價指標體系的構建等,而從系統論的角度對水資源可持續發展階段的劃分及其演變規律、相關方法論的研究稍顯滯后。鑒于此,筆者擬從水資源受區域資源條件、生態環境、開發利用水平及經濟社會發展要素構成的復合系統支撐的視角,借鑒壓力(pressure)-狀態(state)-響應(response)模型(PSR模型),構建區域水資源系統評價指標體系,在此基礎上,應用主成分分析法、加權函數法及離差系數法,將可持續與協調發展內涵納入系統安全概念,提出水資源系統的綜合評價方法,并結合有關數據,以遼寧省水資源系統綜合評價為例進行實證分析,以期為豐富水資源的可持續評價工作提供參考和借鑒。

1研究方法

1.1基于可持續能力和協調狀態的水資源系統內涵界定

作為一種寶貴資源,水所具有的自然屬性、經濟屬性和社會屬性,使其功能更加多元化。水資源作為一種與人類發展聯系緊密的自然資源,其循環、利用與發展,除了受到資源本身和所處生態環境狀況的影響外,必然還受到人類活動的影響,人類經濟、社會和科技的發展在一定程度上改變了水資源的發展狀況。杜朝陽等[23]提出可持續水資源系統概念,將可持續水資源系統定義為以水資源系統為核心和紐帶,把社會系統、經濟系統、生態環境系統聯成一體,彼此相互依賴、相互作用,并在時間和空間上能夠持續演變的復雜系統。借鑒上述定義,筆者從一個地區資源條件、生態環境、開發利用水平及經濟社會發展要素相互耦合、共同支撐水資源發展的視角,將水資源系統定義為由若干子系統構成的區域水資源系統。據此定義，水資源系統具有如下特點:系統運轉的動力是水資源,核心是人類利用,生態環境和開發利用水平、經濟社會要素分別為水資源系統的自然基礎和社會基礎。水資源系統是一個多目標、多層次的非線性開放系統,內部機制越復雜的系統可持續性(穩定性)和協調性越好,系統的主體是系統自身的可持續能力及子系統之間的協調能力。

1.2水資源系統可持續能力的評價與表征方法

1.2.1水資源系統可持續能力的評價指標體系

自然資源的可持續利用實質是謀求資源永續利用、環境保護與經濟增長、社會發展的協調一致[7]。根據對水資源系統內涵的界定,將區域水資源系統可持續能力評價分為自然資源條件(資源子系統)、生態環境狀況(生態環境子系統)、水資源開發利用水平(開發利用子系統)和經濟社會發展(經濟社會子系統)4個方面。參考和借鑒有關領域的研究成果[9,23-28],基于PSR模型,考慮數據可得性,篩選出25項評價指標構建區域水資源系統可持續能力的評價指標體系(表1)。表1中,正向、負向指標分別指對于水資源可持續利用來說越大越優和越小越優的指標,適中型指標則是數值需控制在一定范圍內的指標。

表1　水資源系統可持續能力評價指標體系

注:人口受教育程度=受小學教育人數×3+受中等教育人數×6+受普通高等教育人數×10。

1.2.2水資源系統可持續能力的表征方法

如表1所示,區域水資源系統的可持續能力受到自然資源條件、生態環境狀況、開發利用水平和經濟社會發展的支撐與制約。為此,借鑒度量可持續發展的相關指標,引入可持續度作為表征區域水資源系統及其子系統可持續能力的指標,模型如下:

(1)

式中:Ri為支撐區域水資源系統的第i個子系統的可持續度(i=1, 2,3,4),分別對應資源、生態環境、開發利用、經濟社會4個子系統,即第i個子系統下各項指標支撐該子系統可持續發展的能力;Wi為第i個子系統的權重;D為區域水資源系統可持續度,表征由各個子系統支撐的水資源系統整體可持續能力,其值越大,表示水資源可持續能力越強,反之越小。

鑒于有關水資源和經濟狀況各項數據之間不可避免地存在一定相關性,為減少指標相關性的影響,引入主成分分析法,通過降維技術把多個變量化成少數幾個不相關的主成分,同時保留原始變量的絕大部分信息,因此子系統的可持續度數值用主成分分析分別在4個子系統的評價指標中(表1)提取主成分,計算主成分得分獲取子系統的可持續度,其值越大,表明該子系統可持續能力越強,該子系統支撐系統整體可持續的貢獻越大,反之,則貢獻越小。

為使評價結果更直觀且便于比較,參考相關研究成果[29-30],基于水資源可持續度概念,提出水資源系統或子系統的可持續能力等級劃分標準(表2)。表2中,從上向下依次表示水資源系統(子系統)的可持續能力越來越高,對應水資源系統的可持續狀態越來越好(從Ⅰ～Ⅴ級依次記得分Zd=1, 2, …,5,用于進行水資源系統綜合評價)。

表2　區域水資源系統可持續能力等級劃分標準

1.3水資源系統的協調能力評價與表征方法

水資源系統由自然資源條件、生態環境狀況、開發利用水平和經濟社會要素等4方面構成,只有4個子系統協調發展、齊頭并進,才能使得水資源系統穩健、可持續地發展,從而實現區域水資源的永續利用。參考文獻[31],筆者用水資源系統協調度來評價各子系統之間的協調關系,評價模型如下:

(2)

式中:S為4個子系統可持續度的標準差;M為4個子系統可持續度的平均值;C為水資源系統協調度。

C值越大,表明各子系統之間越均衡、系統整體發展越協調；反之,表明各子系統間發展越不均衡,水資源系統整體發展趨于不協調狀態。同樣,基于評價結果的可視性和便于比較,將水資源系統協調度進行等級劃分,分為5個等級(表3),分別記得分Zc=1, 2, …, 5。

表3　區域水資源系統協調狀態的等級劃分標準

1.4區域水資源系統的綜合評價方法

當前人類發展面臨的重大需求之一,是實現區域水資源的安全、高效和持續利用,而進行水資源綜合管理的基礎,是通過水資源系統綜合評價了解區域水資源的現狀。為此,從區域水資源系統安全的高度,將水資源系統的可持續度及協調度整合為水資源系統安全指標,據此進行綜合評價:水資源系統的可持續能力是實現區域水資源永續利用的前提和基礎,足夠的資源量、良好的生態環境狀況、較高的科技與經濟社會發展水平才能支撐起整個水資源系統的可持續發展,缺少任何因素或因素條件不夠,水資源系統的可持續發展都無從談起;而系統的協調能力是區域水資源永續利用的根本保障,水資源供需平衡、經濟社會發展與自然條件相匹配才能保證水資源系統發展是長遠的、可持續的。只有同時具有良好的可持續能力和協調狀況,區域水資源系統才可能處于安全狀態。水資源系統的綜合評價流程見圖1。

圖1　水資源系統綜合評價流程圖

若水資源系統的可持續度低于臨界可持續度,即可持續等級處于Ⅰ級和Ⅱ級(得分Zd<3),則表明水資源系統可持續能力不足,區域的資源條件、生態環境狀況、水資源開發利用水平和經濟社會發展水平不足以支撐水資源系統發展需要,將之界定為系統不安全狀態。只有水資源系統的可持續能力達到中等及以上水平才具備安全基礎,進而需要對系統的協調狀況進行判斷:若系統協調度在臨界狀態之下(即協調度與可持續度的累積得分低于6),同樣將系統界定為不安全狀態;只有綜合得分及格(累積得分≥6)才能將系統評價為安全狀態。為增強綜合評價結果的可操作性,將評價結果進一步細化:將水資源系統安全等級劃分為5級,設定綜合得分Z的范圍在1～10之間(Z=Zd+Zc)。劃分標準見表4。

表4　水資源系統綜合評價等級劃分標準

2實證分析

2.1研究區概況和數據來源

遼寧省土地面積14.8萬km2,遼西、遼東兩側為山地丘陵,中部為遼河平原。遼寧地處歐亞大陸東岸中緯度地區,屬于溫帶大陸性季風氣候,多年平均降水量為600～1 000 mm,雨量時空分布不均,年均水資源總量約為286.7億m3。遼寧水系(主要由遼河、渾河、太子河、大小凌河、繞陽河及鴨綠江組成)流量年際年內分配不均,水資源安全形勢不容樂觀。遼寧省是我國發展潛力較大的商品糧基地,是農業大省,對水資源需求較大。同時作為中國重要的老工業基地,遼寧省工業門類較為齊全,但水資源供需矛盾十分突出。遼寧也是我國較早實行對外開放的沿海省份之一,第二產業和第三產業比較發達,對水資源需求較高。有鑒于此,筆者基于前述水資源系統綜合評價方法對2003—2013年遼寧省水資源系統的演進態勢進行綜合評價。

有關數據來源說明如下:原始數據主要取自相關年份中國統計出版社的遼寧省統計年鑒、遼寧省

環境狀況公報[32]、遼寧省水資源公報[33]和遼寧省國民經濟與社會發展統計公報[34]等,缺失數據應用線性插值法計算得出。

2.2遼寧省水資源系統可持續能力評價與分析

2.2.1子系統可持續能力計算結果分析

依據主成分分析法及有關數據,計算2003—2013年遼寧省水資源系統4個子系統的可持續度(圖2),結果表明在整個研究時段內,資源子系統的可持續度波動變化較大,生態環境、開發利用和經濟社會3個子系統的可持續度變化波動不大。

圖2　2003—2013年遼寧省水資源系統各子系統可持續度對比

資源子系統可持續度主要受區域氣候條件的隨機變化影響,在2005、2009、2010、2012和2013年都呈現明顯波動;2009年自然資源條件可持續度明顯低于其他時段,主要受該年降水量較少的影響,2009年遼寧省經歷了干旱少雨的天氣,降水量也比其他年份少,因而對地表水和地下水水量等造成嚴重影響,導致2009年自然資源條件可持續度偏低;而2005、2010、2012和2013年自然資源條件可持續度偏高,是因為該時段內降水量明顯多于其他年份,尤其是在2010年和2012年降水量分別達到966 mm和866 mm,水資源總量較大;2003—2004年、2006—2008年和2011年屬于遼寧省年均降水量正常年份,資源子系統可持續度較為一致。為體現年均降水量對資源子系統可持續性的影響,制作遼寧省年均降水量與資源子系統可持續度的關系圖,見圖3。圖3顯示遼寧省2003—2013年資源子系統可持續度與年均降水量有較大關系,呈現相似波動趨勢,說明年均降水量對區域資源條件有較大影響。兼顧其他指標的影響,資源子系統可持續度的波動較年均降水量的波動有所加重。由此可見,資源子系統可持續度受區域自然條件影響較大,遼寧省水資源條件先天并無優勢,因此,相關部門在水資源規劃管理上的努力尤其重要。

圖3　2003—2013年遼寧省資源子系統可持續度與年均降水量對比

生態環境子系統、開發利用子系統和經濟社會子系統的可持續度總體上呈現隨時間而增加的趨勢,體現了隨著科技水平和經濟社會的進步,人們對生態環境保護的意識越來越好,生態環境保護能力和力度都有所提高,對水資源的開發利用水平也起到促進作用,如污水處理率逐年提高,居民生活用水綜合定額和生產用水綜合定額隨人們節水意識的增強和節水設施的完善而逐漸減少,水資源利用效率提高,相應的子系統可持續度基本呈現隨時間而增加的態勢。

2.2.2水資源系統可持續能力結果分析

依據式(1)及有關數據計算4個子系統的權重,分別計算其主觀權重和客觀權重,然后再加權平均。主觀權重由層次分析法得出,向量為w1=[0.195, 0.138, 0.391,0.276]T,客觀權重由主成分分析方法提取的成分得分系數得出,向量為w2=[0.206, 0.215, 0.292,0.287]T,據此得出綜合權重向量為W=[0.201, 0.177, 0.341,0.282]T。利用表2的標準進行等級劃分和階段評價,得出2003—2013年遼寧省水資源系統可持續能力的評價結果,見圖4。

圖4　2003—2013年遼寧省水資源系統可持續度變化趨勢

圖4顯示，2003—2013年遼寧省水資源系統可持續能力整體呈增強趨勢,除2010年為突出點外,2003—2010年和2011—2013年可持續度都持續上升。對比各子系統可持續度的變化趨勢(圖2)，可知研究時段內遼寧省水資源系統可持續能力整體增強，短期波動的主要貢獻因素來自生態環境子系統、開發利用子系統、經濟社會子系統,負面因素主要來自資源子系統可持續度的波動變化:2010年研究區降水量陡增至966 mm,達到11年來的最大值,使資源子系統的貢獻超過研究時段內其他子系統的正面貢獻。結合數據資料發現,2012年遼寧省降水量也處于較高水平,因此資源子系統的可持續度也比較高,但同時也受到開發利用子系統中水利科研經費減少的影響。

2003—2013年遼寧省水資源系統可持續能力的級別及其狀態表現為:2003—2004處于Ⅰ級、強不可持續狀態;2005—2007年處于Ⅱ級、弱不可持續狀態;2008—2009年處于Ⅲ級、臨界可持續狀態;2010—2011年處于Ⅳ級、弱可持續狀態;2012—2013年處于Ⅴ級、強可持續狀態。

表5　2003—2013年遼寧省水資源系統綜合評價結果

注:表中“—”表示水資源系統可持續度過低,無需計算其協調能力。

2.3遼寧省水資源系統協調狀態分析

2003—2013年遼寧省水資源系統各個子系統可持續度見圖5。從圖5可以看出:同一年內各個子系統狀態參差不齊、差別較大,并未呈現共同發展、齊頭并進的態勢,因此有必要對各個子系統的協調狀況進行評價。利用式(2)及有關數據計算2003—2013年遼寧省水資源系統各子系統的協調度,結合表3對2003—2013年遼寧省水資源系統協調度進行對比,結果見圖6。

圖5　2003—2013年遼寧省水資源系統各子系統可持續度對比

圖6　2003—2013年遼寧省水資源系統協調度對比

與水資源可持續能力級別及可持續狀態的“短期波動、長期增強”態勢不同,遼寧省水資源系統協調狀態與級別整體呈無序狀態,具體可劃分為4種情況:2003—2004年各子系統可持續度較低,并且差別較大,整體處于Ⅰ級、不協調狀態;2009年各子系統可持續度有所提高,但資源子系統與其他3個子系統相比,差距較大,處于Ⅱ級、較不協調狀態;而2005—2008年各子系統的可持續度均在0.2之上,并且4個子系統之間的差距較小,系統處于Ⅲ級、臨界協調狀態,2011年資源子系統可持續度落后于其他3個子系統可持續度較多,因此系統也處于Ⅲ級、臨界協調狀態;2010年各子系統差距較小,系統處于Ⅳ級、比較協調狀態;2012—2013年各子系統可持續度高,子系統之間協調度的差距也小,相互契合、協調有度,系統處于Ⅴ級、協調狀態。

2.4遼寧省水資源系統綜合評價結果分析

按照遼寧省各年份水資源系統可持續能力得分Zd與協調能力得分Zc,計算水資源系統綜合得分Z,應用圖1所示流程計算遼寧省水資源系統的綜合評分,再依據表4所示的綜合評價等級和狀態劃分標準,得到2003—2013年遼寧省水資源系統的綜合評價結果(表5)。

表5顯示:由于2003—2007年遼寧省水資源系統可持續度均低于中等水平,在一定程度上約束了經濟社會發展,因此處于Ⅰ級,不安全狀態;2009年遼寧省水資源系統可持續度達到臨界狀態,但是協調狀態處于比較不協調,綜合評價得分低于6分,同樣處于Ⅰ級,不安全狀態。2008—2013年遼寧省水資源系統可持續度處于或高于中等水平,系統可持續能力提高,結合系統協調度的評價得分,綜合評價結果為:2008年遼寧省水資源系統綜合評價等級為Ⅱ級,處于臨界安全狀態;2011年為Ⅲ級、比較安全狀態;2010年為Ⅳ級、安全狀態;2012—2013年為Ⅴ級,極安全狀態。整體來看,遼寧省水資源系統安全級別逐漸提高,2009年出現波動,主要是協調度低于相鄰年份。由此可見,子系統之間的相互協調對整個水資源系統狀態亦有重要影響。

3結論與討論

水資源系統由區域自然資源、生態環境、經濟社會發展等諸多要素相互耦合構成,同時受到人類開發利用水平的綜合影響,其內部機制越復雜、系統越穩定。水資源系統綜合狀態受系統可持續能力和系統協調能力的共同影響。本文從區域資源條件、生態環境狀況、水資源開發利用水平和經濟社會發展與水資源相輔相成的角度,界定了水資源系統概念,并基于可持續理論及系統協調理論,提出了區域水資源系統綜合評價方法,通過對2003—2013年遼寧省水資源系統綜合評價進行實證分析,得到以下幾點結論:

a. 研究時段內遼寧省水資源系統可持續度總體呈增強趨勢,2010年受年內降水因素影響,系統可持續能力突出增高;其他時段水資源系統協調度呈無序狀態,2005—2008年及2010—2013年兩個時段的系統協調狀態較好,其余年份系統整體不協調;研究時段內遼寧省水資源系統安全態勢趨于好轉,近年來綜合評價等級提高。

b. 近年來遼寧省水資源開發、利用與用水保障工作績效明顯,但有關部門應更加注重水資源系統的協調狀態,以水資源的永續利用為目標,結合本地區的實際情況,因地制宜地確定水資源綜合管理方案,逐步增強水資源系統的可持續能力及協調能力,因為只有各子系統良性互動,才能促使水資源系統穩定。

水資源系統是一個開放的復雜系統,系統狀態受人類活動與自然狀況的雙重影響。加強流域生態環境的保護力度、提高水資源開發利用水平、促進經濟社會健康穩定發展,能夠在一定程度上彌補區域水資源稟賦的先天不足。通過人為手段改善區域水資源系統的可持續能力及系統協調能力,可滿足人類生存和發展的需求。筆者借鑒前人研究成果,從系統協調理論與可持續理論相結合的視角確定水資源綜合評價方案,評價結果在某種程度上具有可視性、可操作性,便于在不同時空尺度推廣應用。需要指出的是,限于原始數據的可得性,并基于評價結果的可靠性,筆者僅從4個方面、25個指標探討11年內的遼寧省水資源系統演進態勢。今后有必要延長時間序列,并從空間角度對綜合評價方案進行實證分析和改進,以期進一步提高評價過程的科學性，增強評價結果的可靠性。

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Study of method for evaluation of water resources system based on sustainability and coordinated condition

ZHENG Defeng, ZHANG Yu, WEI Qiurui, SUN Caizhi

(SchoolofUrbanandEnvironmentalSciences,LiaoningNormalUniversity,Dalian116029,China)

Abstract：Based on the implications of sustainable development and the system coordination theories, and from the perspectives of regional resources, the ecological environment, the level of water resources development and utilization, and economic-social development coupling of joint support for the water resources system, we used the pressure-state-response (PSR) model to establish a comprehensive evaluation index system for regional water resources. With reference to previous studies, we put forward the concepts of the sustainable degree and coordinated degree of regional water resources systems and a method for quantitative characterization. On this basis, we propose a comprehensive evaluation method for water resources systems. We carried out an empirical analysis of the security of water resources in Liaoning Province during the period from 2003 to 2013 according to related data. The results are as follows: (1) During the study period, the sustainable degree of the water resources system in Liaoning Province exhibited a rising trend on the whole. The sustainable degree of the resources sub-system showed an unsteady change due to natural factors, and those of the other three sub-systems showed an increasing trend year by year. (2) The coordinated degree of the water resources system of Liaoning Province fluctuated during the study period. The regional resources, ecological environment, level of water resources development and utilization, and economic-social development coupling led to an unstable coordinated relation between the sub-systems. (3) The security level of the water resources system of Liaoning Province increased gradually during the study period, and the security state improved as well. In the future, relevant departments should strengthen the protection of natural resources and the eco-environment, improve the level of water resources exploitation and utilization, and promote regional economic and social development. Besides, exploring new thoughts and methods for coordinated development and unified management of water resources, and involving water resources in regional sustainable development for comprehensive management and optimizing allocation may help to achieve the goal of coordinated and sustainable development of the regional water resources system.

Key words：water resources system; sustainability; coordinated condition; comprehensive evaluation; system security; Liaoning Province

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.005

基金項目:遼寧省教育廳人文社會科學研究基地項目(ZJ2014034);遼寧省社科聯遼寧經濟社會發展立項課題(2016lslktzixxjc-11);教育部人文社會科學研究規劃基金(14YJAZH112)

作者簡介:鄭德鳳(1970—),女,副教授,博士,主要從事水資源評價與管理、資源與環境經濟研究。E-mail: defengzheng@lnnu.edu.cn

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0024-09

(收稿日期：2015-05-27編輯：彭桃英)