河湟地區人水系統的協同演化研究

(西北師范大學 地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730000)

工業文明以來，氣候變化多端，人口增長和城市迅速擴張引發了一系列的生態環境問題。人類對水資源的需求和越來越不合理的水文制度使水資源系統面臨了巨大壓力，特別是干旱和半干旱地區遭遇的水問題更為嚴重，人類社會與水之間的關系面臨著前所未有的挑戰和考驗。可持續用水是聯合國在2030年指導全球發展的第六個目標。水是人類和自然耦合系統可持續發展過程中最重要的元素之一，是自然社會發展的限制因素，影響著人類社會發展的歷史進程。2017年第五版《世界水資源開發報告》指出，水是可持續發展的核心，必須加大改善人水關系的力度。我國正面臨“水多(洪澇災害)、水少(干旱)、水渾(水土流失)、水臟(水污染)”等多重問題[1]，這些都是人水關系失調、人水系統內部失控的表現。當前，我國面臨促進社會經濟發展和保護資源環境的雙重壓力，協調經濟發展和資源環境保護之間的關系變得尤為重要。

人類面臨著嚴峻的水問題，人們開始重新思考人與水、人與資源之間的關系，以尋求人與水共同發展的出口。實現人與水之間良性循環健康發展的關系，成為新時代人類沉重的歷史使命。人地關系理論自提出以來一直備受關注，人水關系作為人地關系研究的分支，用以研究人和水之間的具體互動關系，是準確認知人水關系進而尋求協調人水矛盾路徑的基礎。人與水之間復雜關系的研究、構建和諧的人水關系地域系統成為近年的熱點問題。雖然學者們從人水關系角度展開了較多研究，但依然面臨更多理論與實踐方面的難題，這與研究過程中涉及水文學科、生態學、經濟社會學、人文科學等眾多交叉學科有關。多數學者在研究過程中總結提出了人水系統的概念、內涵和研究模型，但無法將人水系統研究形成一套完整的理論體系，缺乏系統全面的人水系統協同演化理論與方法研究，關于人水系統的協同演化理論體系和定量模擬的研究是對人水關系研究體系的補充。

河湟地區雖然水系較多，但從整體上看，該地區地處高海拔的半干旱區，自然條件嚴酷，干旱缺水少水嚴重制約了經濟發展，不利于生態環境文明發展。本文在已有的研究成果基礎上，以河湟地區為研究對象，分析了人水系統協同演化機制。通過構建人水系統協同演化指標體系，針對河湟地區人水系統3個子系統的協同度進行綜合評估，并結合信息熵理論、人水系統協同演化模型，探索人水系統協同演化方向。研究成果對河湟地區實現人水關系的可持續發展調控具有一定的指導意義。

1 人水系統的協同演化機制分析

人水系統作為人地關系地域系統重要的一環，是一個開放的和非線性的、復雜的大系統。人文系統和水文系統之間相互聯系、相互影響，人水系統的演化是人類活動和水資源之間進行互動的過程，水資源為人類社會提供物質基礎，人類反過來對水資源系統開發與利用，構成了人水相互作用過程中的彼此反饋和響應。正反饋也是一種熵減過程，表現為人類社會系統合理地開發利用水資源，為水環境提供有效保護；水資源系統產出可利用資源，為社會提供良好的環境條件。負反饋熵增過程表現為人類過度開發水資源造成水污染，使水資源結構功能及其水循環過程受到干擾，導致生態環境惡化，影響人類社會經濟的可持續發展。

為協調人水關系和諧發展，本文研究了人水關系互為作用構成的人水系統的內在機制及演化規律。人水系統包含3個子系統，分別是社會經濟子系統、生態環境子系統和資源開發利用子系統。人水系統的核心是系統的協同發展，人水系統的有序發展要求各子系統均保持一定的秩序，在動態的發展過程中維持平衡，促使社會經濟子系統協調發展、生態環境子系統文明發展、資源開發利用子系統維穩有序，以實現人水系統的良性循環與可持續協同發展。為方便定量化研究，需闡明人水系統內部變量間的作用。人水系統可表述為以下函數關系[2]：

S=Fγ(X,Y,Z)

(1)

(2)

γ=f(e,d,t)

(3)

式(1)中，S為人水系統；F為人水系統元素變量的函數關系；X、Y和Z分別為社會經濟元素組、生態環境元素組和水資源開發利用元素組。式(2)是3個子系統方程組，x、y和z為各子系統的構成元素。式(3)是條件函數，e表示人水系統各元素的有序性；d表示人水系統的空間尺度；t表示人水系統的時間尺度。

人水系統的協同演化內在機制從生物學角度可以視為一種競爭與合作關系，簡稱為“競合機制”，是系統演化的驅動力，是人水系統內各子系統及其要素演化發展的內在動力。各子系統之間良好有序的合作有利于人水系統向協同演化方向發展，系統之間的惡性競爭、互相抑制的狀態會引起人水系統的惡性循環。根據系統學理論，如果系統遠離平衡態，一旦系統的某個參量改變到某個閾值，小的波動會引起系統的突變，使原來的無序混亂狀態發生變化，進入新的有序狀態，系統通過漲落而達到有序狀態。人水系統通過子系統及其元素的協同作用，從無序混亂狀態到有序結構轉變，即維持著有序的耗散結構狀態，通過子系統之間的合作在宏觀尺度上產生時間、空間和功能結構，協同能以自組織方式完成。同時，人水系統的進化遵從熱力學第二定律，熵是用以表征系統狀態的物理量，熵的本質是系統無序程度的度量[3]。人水系統的熵變化包括兩部分：一部分是系統內部不可逆過程引起的熵增加，其值恒大于零，即在人類活動影響下，人水系統之間、各子系統之間相互作用產生的不可逆發展過程。另一部分是系統與外界的物質、能量或信息交換引起的熵交流，其值可以為正、負或零，與自然的交換產生的水循環過程，是引入負熵流的具體表現。水資源利用過程中伴有的不同程度的生態破壞和環境污染，引起水污染、水土流失等環境問題，加大了熵值，增加了熵排放，因此總熵值變化與人水系統通過與外界物質、能量和信息交流產生的影響有關。系統的總熵值減少，表示此系統發生著有序演進的進程；反之，系統發生著無序無規則演化的過程。香農應用熵概念推導出與熵的玻爾茲曼表達式完全相同的信息熵公式，以解釋系統發展機制及演化方向。系統的有序度變化與其總熵值變化成反比，熵變化分析可以判別人水系統演化方向。當熵值不斷降低時，人水系統的有序度增加，表示有利于人類社會和水資源環境的可持續性發展。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文采用的2005、2011、2017年數據主要來源于《甘肅省統計年鑒》、《青海省統計年鑒》、《甘肅省水資源公報》、《青海省水資源公報》、《中國縣(市)社會經濟統計年鑒》、《中國城市統計年鑒》和各地市相應年份的國民經濟和社會發展統計公報、政府工作報告等相關資料。

2.2 人水系統的協同演化模型

子系統的演化協同度:將人水系統的第i個子系統的第j個變量表示為xij,且αij≤xij≤βij，αij、βij為臨界閾值，則第i個子系統的協同度為μi，計算公式為[2]：

(4)

其中，μij(xij)表示第i個子系統第j個變量xij的協同度；λj表示變量xij的權重；xijmax、xijmin分別表示變量的最大和最小臨界閾值。變量越大越優型，協同度按式(5)計算；變量越小越優型，協同度按式(6)計算；變量在臨界閾值內越接近某一值c越優型，協同度按式(7)計算：

(5)

(6)

(7)

人水系統的演化有序度:1948年香農在《通信的數學原理》論文中提出了“信息熵”的概念，用以表示系統的不確定性和信息的度量。熵反映了系統內部的混亂程度，熵越大，系統內部越混亂，有序度越小，說明人水系統朝無序方向演化；反之，朝有序方向演化。因此，熵被用來描述人水系統秩序的變化和演化狀態。利用系統熵與有序程度之間的關系來構建一個可以反映人水系統有序度與子系統協同度之間關系的函數方程，公式為[3，4]:

(8)

(9)

其中：ES、RS分別表示人水系統的信息熵和有序度；μi表示子系統協同度。通過RS值的變化得到人水系統的演化方向：RS增大，系統演化方向有序；RS減小，系統演化方向混亂。

3 河湟地區人水系統的協同演化分析

3.1 研究區概況

河湟，河指黃河，湟指湟水。河湟地區指日月山以東，龍羊峽至寺溝峽之間的黃河流域及支流湟水流域(含大通河流域)的廣闊區域。本文以蘭西城市群規劃范圍界定為河湟地區研究區域，規劃行政區范圍包括甘肅省蘭州市，白銀市白銀區、平川區、靖遠縣、景泰縣，定西市安定區、隴西縣、渭源縣、臨洮縣，臨夏回族自治州臨夏市、東鄉族自治縣、永靖縣、積石山保安族東鄉族撒拉族自治縣；青海省西寧市、海東市，海北藏族自治州海晏縣，海南藏族自治州共和縣、貴德縣、貴南縣，黃南藏族自治州同仁縣、尖扎縣，總面積9.75萬km2。河湟地區行政區劃范圍如圖1所示。

圖1 河湟地區行政區劃范圍

黃河、湟水、大通河三大水系是河湟地區重要的水資源，由西北向東南流向，是西北地區重要的政治、經濟、文化中心和工農業生產基地。河湟地區東接甘肅，西通柴達木盆地和中亞，南連川藏，北達河西走廊，地理位置關鍵，肩負著經濟建設和戰略轉移的重任，是國家西部開發的窗口。隨著人口的增加和國民經濟的迅速發展，河湟地區表現出人水系統供需矛盾突出的特點，流域水資源問題已成為該地區社會經濟發展和生態環境改善的障礙。整體上看，河湟地區是青藏高原的組成部分，處于高海拔的半干旱區，是農牧業的交叉地帶，自然條件嚴酷，易受人類活動影響，引起其他環境因素變異。河湟區域長期以來一直面臨干旱缺水、水污染、洪澇、地質災害和水土流失等生態問題，這些基本情況決定了水資源在河湟地區農業生產和社會經濟發展中占據的重要性。因此，對河湟地區人水關系進行研究，加強河湟地區水資源和生態環境的保護，以實現人水關系和諧顯得尤為重要。人類對水資源利用占主導作用，人水系統協調發展機制研究有利于對水資源的合理利用，有效抑制流域生態環境的惡化，實現人口、資源、環境與經濟的持續協調發展。

3.2 構建指標體系

本文為研究人水系統演化的發展水平，遵循客觀性、系統性和實用性等原則，構建了河湟地區人水系統的協同演化指標體系(表1)。選取社會經濟系統、生態環境系統和資源開發利用系統3個子系統的要素指標，這些指標是能夠決定系統演化運行方向的序參量。序參量有正負性，序參量值越大，表示系統協同度越高的為正向參量；反之為負向參量。3個子系統在系統中缺一不可，具有同等重要性。根據層次分析法判斷所選參量對上層級系統發展的重要性，進而確定指標權重。

表1 河湟地區人水系統協同演化指標體系

3.3 子系統的演化協同度分析

本文根據公式(4)—(7)，采用AHP層次分析法測算序參量的權重，計算了社會經濟系統、生態環境系統和資源開發利用系統3個子系統2005、2011、2017年的協同度，結果如圖2所示。

圖2 河湟地區人水系統子系統演化協同度

由圖2可以看出，2005、2011、2017年河湟地區3個子系統協同度呈現緩慢上升的趨勢。2005年3個子系統協同度普遍較低，到2017年子系統協同度有了明顯增長，然而協同度值整體偏低。其中，社會經濟子系統協同度高于其他兩個子系統；生態環境子系統在2005年協同度明顯低于2011、2017年子系統協同度；資源開發利用子系統協同度增長最為緩慢，表明人類對水環境保護的投入力度不大，更加注重對社會經濟的發展。隨著近年來人們水環境保護意識的加強，開始逐步調整人與水之間的天平，以保持一種平衡。整體來看，3個子系統的發展水平表現為上升趨勢，但社會經濟子系統發展水平增長速度大于生態環境子系統和資源開發利用子系統，表明在河湟地區人類社會經濟發展過程中，逐漸關注到對水資源生態環境系統的保護，只是水資源環境發展依舊緩慢。

3.4 人水系統協同演化有序度分析

根據公式(8)、公式(9)，得到河湟地區人水系統演化的有序度。結果如圖3、圖4所示。

圖3 河湟地區人水系統演化有序度

圖4 河湟地區各市州人水系統演化有序度

從結果來看，2005、2011、2017年河湟地區各市州人水系統信息熵值逐年下降，各系統內部處于熵減狀態，有序度呈現逐年緩慢增長的趨勢，到2017年系統有序度迅速增長，同時區域差異化較為明顯。蘭州市、白銀市、定西市、西寧市、海東市臨近河湟區域3大水系，社會經濟發展水平較高、水資源開發力度強，同時注重對環境保護的投入，促使人水系統整體有序性不斷提高。海北州是有序度增長最快、幅度最大的地區。海南州從各方面來看系統有序度都偏低，有序度有所增長但是極其緩慢。該地區社會經濟發展水平較低，水資源開發能力有限，水生態環境保護投入力度低，人水系統協同演化發展狀態較差；臨夏州和黃南州的人水系統有序性處于中等水平，并且增長速度較緩。總體來看，河湟地區人水系統朝著有序演化的方向發展，各地區依然有較大的發展空間。

4 結論、建議與討論

4.1 結論及建議

本文運用人水系統協同演化模型測算了河湟地區2005、2011、2017年人水系統3個子系統的協同度和系統有序度，結果表明：3個子系統的協同度在2011年之前波動不大，且值較低，2011年之后增長較快，子系統發展水平整體呈上升趨勢，社會經濟子系統的發展水平大于生態環境子系統和資源開發利用子系統。河湟地區人水系統的有序度緩慢上升，呈逐年上升趨勢，但因受多方面因素的影響，區域差異明顯。整體來看，河湟地區人水系統向健康有序的方向演化發展。

研究結果表明，人類活動對社會經濟發展的影響是積極的，但對水資源利用產生的影響有正有負：正面影響為對水資源的合理規劃、生產、利用，表現為熵減；負面影響為加重對水的消耗，引起對水資源不必要的浪費，產生水污染一系列惡性的環境問題，表現為熵增。人類應積極發揮主觀能動性，合理支配使用水資源，盡量保持人水系統的熵減狀態，促使人水系統與外界的物質能量交流活動發揮正面循環作用，而不是一步步使水資源環境面臨更加糟糕的局面。

根據研究結果，本文提出以下建議：一是進一步提升河湟地區的社會經濟發展水平；二是注重對水資源基礎環境的保護，高度重視資源和環境保護，實施流域綜合治理；三是積極主動引入低熵物質與能量減少熵排放，合理開發利用水資源。在生態環境切實有保障的情況下促進社會經濟發展，尊重系統發展規律，促使各子系統協同發展，不能為尋求一方突破而忽視其他子系統的可持續發展，以保證河湟地區人水系統協同發展，達到人水和諧。

4.2 討論

人水系統是復雜的系統，其演化路徑受到與外界物質、能量和信息交換的影響，具有不確定性。本文構建的模型依然屬于初步探索，不能完全表明系統演化的復雜過程，需做進一步的理論探索和實踐研究。今后應深化對人水關系的縱深認知及定量模擬研究，從時間序列視角對人水關系進行全方面的橫向定量分析，找出演變過程中的主導因素，深刻理解系統演變規律，促使人水系統朝向可持續方向發展，推出人水和諧相處的調控措施。