基于和諧理論的黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展分析

貢 力 ，馬夢含，靳春玲，逯曄坤，張 鑫

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 調(diào)水工程及輸水安全研究所，甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

隨著人口增長以及社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對于生態(tài)環(huán)境的破壞和自然資源的開發(fā)，使得生態(tài)問題日漸凸顯，區(qū)域可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)承載力能否繼續(xù)維持和支撐社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展已經(jīng)成為我國當(dāng)前必須思考與討論的問題之一[1-2]。由于我國改革開放以來，生產(chǎn)力迅速發(fā)展，沒有過多考慮生態(tài)問題，使得生態(tài)問題成為制約我國目前發(fā)展的主要問題之一。同時，快速的城市化進(jìn)程引發(fā)了城市霧霾、突發(fā)水污染、城市洪水、土壤污染等一系列環(huán)境問題[3]，資源消耗急劇增加，生態(tài)環(huán)境日漸惡化，這些都是導(dǎo)致高消耗、低效率發(fā)展的原因，使得人類發(fā)展與資源環(huán)境有所失衡，難以維持和諧統(tǒng)一的局面?？沙掷m(xù)發(fā)展不僅僅只是經(jīng)濟(jì)發(fā)展問題，它與人類社會發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)息息相關(guān)，因此，對于生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的研究與分析已迫在眉睫。

促進(jìn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)代社會管理的必然需要。國內(nèi)外專家學(xué)者開展了大量的研究并取得了較大進(jìn)展，其中Hai等[4]利用概念模型和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)(NSI)開發(fā)了一種包含整個系統(tǒng)屬性的新指標(biāo)，并對流域水系統(tǒng)進(jìn)行可持續(xù)性評估；Lu等[5]以黑河流域為例，構(gòu)建了流域中游農(nóng)業(yè)發(fā)展與下游生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性之間的權(quán)衡關(guān)系；章光新等[6]對生態(tài)-社會協(xié)調(diào)可持續(xù)的流域水資源進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐分析；樊新剛等[7]利用構(gòu)建的耦合分析模型對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力的能值進(jìn)行了分析評價；賈小樂等[8]基于能值分析理論，對2015年環(huán)太湖城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展研究，綜合評價了其可持續(xù)發(fā)展程度以及健康狀態(tài)；粟一帆等[9]以漢江中下游為例，探究水利工程建設(shè)對于流域生態(tài)系統(tǒng)健康的影響；韓艷利等[10]對于黃河流域生態(tài)補(bǔ)償類型與重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行了探討；李冰瑤等[11]建立了水資源可持續(xù)利用安全評價指標(biāo)體系，分析研究了水資源與生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展協(xié)調(diào)問題；彭月等[12]構(gòu)建了生命安全評價體系，以黃河流域為例，對于區(qū)域生態(tài)案例進(jìn)行了評價。

黃河流域在中國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)安全方面具有重要意義[13]，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展座談會中提出對于黃河流域的治理保護(hù)已經(jīng)迫在眉睫，作為我國生態(tài)屏障、重要經(jīng)濟(jì)地帶以及脫貧攻堅重要區(qū)域，它在我國有著無法代替的地位，保護(hù)黃河是重大國家戰(zhàn)略，已經(jīng)成為千秋大計，加強(qiáng)黃河流域治理，對于加強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)、維持社會穩(wěn)定具有重要意義。黃河流域水資源情況復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境極其脆弱[14-16]，是世界上治理最艱巨、保護(hù)難度最大的河流之一。黃河作為孕育了中華文明的中華民族母親河，其歷史意義重大，黃河生態(tài)文明建設(shè)在國家生態(tài)安全維護(hù)中有著無法替代的重要戰(zhàn)略地位。然而，當(dāng)前對于黃河流域的治理與保護(hù)投入不足，對于黃河流域水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的研究不足，而蘭州由于其獨(dú)特的地理位置，作為唯一一個黃河穿城而過的省會城市，對黃河意義重大[17]。因此本文采用和諧理論[18]對黃河流域中的蘭州段進(jìn)行水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展分析，利用混合交叉賦權(quán)計算權(quán)重，以黃河蘭州段2010-2017年為例進(jìn)行水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展分析評價，分析黃河蘭州段2010-2017年間水生態(tài)可持續(xù)和諧性等級，研究成果有利于促進(jìn)黃河后續(xù)治理能力，對于后續(xù)保護(hù)黃河生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)黃河蘭州段地處甘肅境內(nèi)黃河上游地區(qū)，全長152 km，系劉家峽水庫壩下至黑山峽河段，沿途接納湟水河、莊浪河、宛川河等，蘭州市城區(qū)段從西固新城橋到東部的包蘭橋長達(dá)42 km。該河段地理位置獨(dú)特，于峽谷川地間穿行，深居內(nèi)陸，降雨較少，氣候干燥。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)主要來源于：(1)《甘肅省水資源公報(2010-2017)》《甘肅省水利發(fā)展統(tǒng)計公報(2010-2017)》《甘肅省統(tǒng)計年鑒(2010-2017)》和《蘭州市統(tǒng)計年鑒(2010-2017)》；(2)《甘肅省生態(tài)保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃(2010-2017)》和《蘭州市十三五環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》。

黃河蘭州河段資料依據(jù)甘肅省水資源公報及統(tǒng)計年鑒等中蘭州水文站統(tǒng)計資料所得。

2.3 指標(biāo)體系構(gòu)建

在本文中，筆者依據(jù)目標(biāo)、準(zhǔn)則以及指標(biāo)層三者構(gòu)成水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展完整的評價指標(biāo)體系[19-20]，準(zhǔn)則層主要由社會、經(jīng)濟(jì)、水生態(tài)、水資源、水管理5個系統(tǒng)和諧性構(gòu)成。社會、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和諧性主要為人類生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對各類資源環(huán)境所帶來的壓力影響，如人口密度、人均GDP等；水生態(tài)、水資源系統(tǒng)和諧性主要表示與水資源相關(guān)的環(huán)境以及資源要素當(dāng)前所處的狀態(tài)，同時也包括水資源自身的恢復(fù)能力以及自凈性，這些都是動態(tài)變化的，如工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)排放率、生態(tài)環(huán)境用水比例、工業(yè)用水重復(fù)利用率、水資源總量、水資源開發(fā)利用率等；水管理系統(tǒng)和諧性則是指人類在自身社會經(jīng)濟(jì)活動以及政策上對于水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的能動反映，如水法律法規(guī)建設(shè)程度、公眾對河流保護(hù)的自覺度等。其中系統(tǒng)中的水生態(tài)、水資源系統(tǒng)和諧性的部分指標(biāo)，例如河流開發(fā)利用率、年徑流量、年平均含沙量等均為流域尺度，其余為蘭州行政區(qū)資料。最終，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理各組指標(biāo)體系，去除研究階段內(nèi)變化劇烈的指標(biāo)，按照客觀性、科學(xué)性、全面性以及實(shí)用性的原則，確定最終完善的指標(biāo)體系[21-22]，水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系見表1。

表1 水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系

2.4 和諧理論安全評價模型

2.4.1 和諧理論 左其亭于2009年在《和諧論的數(shù)學(xué)描述方法及應(yīng)用》首次提出和諧、和諧理論的定量化問題[23]，和諧相處這一觀點(diǎn)在人與人、人與自然中存在已久，我國一向存在“天人合一”[24]的哲學(xué)思想，和諧(harmony)是為了能夠達(dá)到“協(xié)調(diào)、一致、平衡、完整、適應(yīng)”關(guān)系而采取的行動，因此，和諧理論的提出，對于運(yùn)用和諧思想解決諸如人與自然、水文和諧、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義。

2.4.2 和諧度方程簡介 和諧度方程HDE(harmony degree equation)[25]是為了使和諧程度能夠定量表達(dá)而提出的一種評價方法，左其亭[25]對和諧度方程進(jìn)行了一系列詳細(xì)全面的介紹，構(gòu)建了以和諧論量化為重點(diǎn)的理論體系，隨著對于和諧理論的深入研究，和諧方程已經(jīng)應(yīng)用于諸如水資源優(yōu)化配置、人水關(guān)系[26-28]的和諧辨識方法、跨流域調(diào)水、污染物排放量分配等多個領(lǐng)域[29]。評價計算過程敘述如下(和諧度方程評價流程詳見圖1)：

圖1 和諧度方程評價流程

(1)確定評價目的，選取合適評價體系。

(2)確定評價標(biāo)準(zhǔn)Z=(X，μ)。

(3)權(quán)重計算。

(4)利用和諧度方程HD=ai-bj確定參數(shù)a,b,i,j的值，計算各指標(biāo)HD(xk)。

(5)計算綜合程度評價值HD，評價分析，得出結(jié)論。

2.4.3 混合交叉賦權(quán)確定指標(biāo)權(quán)重 本文權(quán)重采用混合交叉賦權(quán)(Mixed cross-weighting，MCW)，主要利用客觀變異系數(shù)法影響主觀賦權(quán)G1法[30-33]，減少其主觀性。具體步驟如下：

(1)專家完成各個評價指標(biāo)的打分與排序。

(2)計算指標(biāo)變異系數(shù)。

(1)

(2)

式中：σk為第k個評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；Ck為第k個評價指標(biāo)的變異系數(shù)值。

(3)計算相鄰兩指標(biāo)重要性程度比值rk。

(3)

(4)根據(jù)上述確定的重要性程度比值，計算第m個評價指標(biāo)的權(quán)重wm。

(4)

(5)依次計算第m-1，m-2，…，3，2個指標(biāo)的權(quán)重。

wk-1=rkwk(k=m-1,m-2,…,3,2)

(5)

(6)重復(fù)以上權(quán)重計算步驟，確定準(zhǔn)則層權(quán)重，最終計算指標(biāo)對目標(biāo)層的權(quán)重。

(6)

2.4.4 綜合評價步驟 對水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價是一個復(fù)雜定性的多屬性指標(biāo)評價，結(jié)合對于水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價的各項指標(biāo)以及實(shí)際情況，將目標(biāo)層進(jìn)行逐層細(xì)化用來構(gòu)建指標(biāo)體系。結(jié)合和諧理論，筆者將評價過程大致分為以下4個步驟：(1)構(gòu)建指標(biāo)體系；(2)利用MCW計算指標(biāo)權(quán)重；(3)利用和諧度方程確定評價指標(biāo)和諧度值；(4)加權(quán)平均確定出黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和諧度值，以表2中水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和諧度值劃分標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，確定最終可持續(xù)發(fā)展程度。

根據(jù)上述評價步驟，具體評價流程如圖2所示。

圖2 黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價流程

3 結(jié)果分析

3.1 指標(biāo)權(quán)重計算

利用公式(1)～(6)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理及權(quán)重計算，計算結(jié)果見表3。

表3 指標(biāo)歸一化及權(quán)重計算結(jié)果

利用上述MCW權(quán)重計算方法，經(jīng)計算，求得黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展各指標(biāo)權(quán)重，即W=[0.0817，0.0817，0.0667，0.0803，0.0562，0.0468，0.0468，0.0327，0.0274，0.0274，0.0260，0.0228，0.0219，0.0219，0.0547，0.0475，0.0390，0.0390，0.0468，0.0468，0.0438，0.0419]T。

3.2 黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)和諧度計算

首先依據(jù)模糊思想理論計算各指標(biāo)的和諧參數(shù)，將和諧參數(shù)按照0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1劃分為5個等級，與指標(biāo)等級Ⅴ～Ⅰ相對應(yīng)。

鑒于篇幅，僅給出2014-2017年的各評價指標(biāo)和諧參數(shù)值的計算結(jié)果，見表4。再采用和諧度方程，計算黃河蘭州段可持續(xù)發(fā)展2010-2017年各評價指標(biāo)和諧度值，結(jié)果見表5。

表4 2014-2017年黃河蘭州段可持續(xù)發(fā)展各評價指標(biāo)和諧參數(shù)值

表5 2010-2017年黃河蘭州段可持續(xù)發(fā)展各評價指標(biāo)和諧度值

3.3 確定黃河蘭州段可持續(xù)發(fā)展和諧程度

根據(jù)多因素和諧度方程確定黃河蘭州段可持續(xù)發(fā)展和諧度值，并對照表2確定出黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和諧程度，具體結(jié)果見表6。

表2 黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和諧度值劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.4 討論

(1)根據(jù)表3指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果可知，社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對于水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展影響較大，表明人類活動對于水生態(tài)可持續(xù)影響重大，因此應(yīng)著重把控人類的生產(chǎn)活動，加大對于生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)程度，促進(jìn)生態(tài)和諧可持續(xù)發(fā)展。

(2)黃河蘭州段在2010-2017年間，可持續(xù)發(fā)展各評價指標(biāo)和諧度值逐漸呈上升趨勢，和諧度為負(fù)的指標(biāo)逐漸減少(表6)。其中部分指標(biāo)變化程度略微緩慢，還處于負(fù)值狀態(tài)，應(yīng)分析其具體原因，重點(diǎn)觀察；在社會、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)范圍下的評價指標(biāo)，人口密度、人口增長率變化不是很明顯，人均 GDP 以及經(jīng)濟(jì)增長率呈較為明顯上升趨勢，其余指標(biāo)隨時間變化穩(wěn)步上升；在水生態(tài)系統(tǒng)的評價指標(biāo)中，工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率、生態(tài)環(huán)境用水比例以及工業(yè)用水重復(fù)利用率呈明顯上升趨勢，其余指標(biāo)隨時間變化整體也呈現(xiàn)上升趨勢；在水資源、水管理系統(tǒng)中，各指標(biāo)上升趨勢明顯。

表6 2010-2017年黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展準(zhǔn)則層各系統(tǒng)和諧度值及和諧程度評價

綜合來看，社會、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對于促進(jìn)水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)不大，水資源、水管理系統(tǒng)次之。2010-2017年，由于黃河蘭州段經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，民生水平的逐漸提升以及環(huán)境保護(hù)治理措施日漸完善，水生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)對于促進(jìn)水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展尤為重要，需進(jìn)一步加大工業(yè)、農(nóng)業(yè)節(jié)水力度，完善應(yīng)急措施，加大懲戒力度，從根源解決問題，共同促進(jìn)黃河流域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

(3)由表6中和諧度值可知，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、水生態(tài)系統(tǒng)和水管理系統(tǒng)和諧度值從極其不可持續(xù)到一般可持續(xù)上升趨勢顯著，得到基本改善，變化較為明顯；社會系統(tǒng)以及水資源系統(tǒng)和諧性變化程度較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。利用和諧理論對于黃河蘭州段可持續(xù)發(fā)展情況進(jìn)行最終評價分析可得：2010-2012年水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等級為Ⅴ級，即極其不可持續(xù)狀態(tài)；2013-2014年水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等級為Ⅳ級，即不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；2015-2016年水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等級為Ⅲ級，即較不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；2017年水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等級為Ⅱ級，即一般可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。由此可見，黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力隨時間逐步提升。

4 結(jié) 論

(1)本文通過生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的意義以及影響因素，構(gòu)建了黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展分析指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)，將和諧理論運(yùn)用于評價體系中，建立了完整、可行的評價模型。通過混合交叉賦權(quán)計算權(quán)重，利用和諧方程確定最終水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展程度，該模型理論用于水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價是合理、可行的，同時也適用于其他不同類型系統(tǒng)的綜合評價。

(2)權(quán)重計算采取G1法與變異系數(shù)法組合的形式計算，使主觀G1法客觀化，減少了評價結(jié)果的主觀性，使得評價結(jié)果更為準(zhǔn)確，突顯了當(dāng)前黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展中各評價指標(biāo)的相對性，評價結(jié)果符合實(shí)際。

(3)基于和諧理論對于黃河蘭州段2010-2017年水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行分析評價，2010-2012年水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等級為Ⅴ級極其不可持續(xù)狀態(tài)；2013-2014年為Ⅳ級不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；2015-2016年為Ⅲ級較不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；2017年為Ⅱ級一般可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。表明黃河蘭州段水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展水平正在穩(wěn)步提升，但還未達(dá)到完全可持續(xù)狀態(tài)，應(yīng)繼續(xù)加大改革措施，提高生態(tài)保護(hù)能力，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。