塔里木河流域水資源-經濟社會-生態(tài)環(huán)境耦合系統(tǒng)和諧程度量化分析

吳青松，馬軍霞,2，左其亭,2,3，韓淑穎

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州市水資源與水環(huán)境重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.鄭州大學水科學研究中心，河南 鄭州 450001)

水資源是維持生態(tài)平衡、保障人類生存和經濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎性資源[1]。經濟社會的快速發(fā)展有助于提升國家或地區(qū)的經濟實力，促進社會繁榮穩(wěn)定，但同時會增加水資源的供給壓力，且其產生的大量污染物將給地區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來嚴重負面影響[2-3]。水環(huán)境惡化和水資源過度開發(fā)利用等現(xiàn)象破壞地區(qū)水循環(huán)過程，進一步加劇水資源短缺現(xiàn)狀，進而抑制經濟社會發(fā)展，打破生態(tài)平衡[4-5]。水資源開發(fā)利用、經濟社會發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護之間存在著復雜、變動的互饋關系[6]。目前，已有學者綜合考慮水資源、經濟社會、生態(tài)環(huán)境，針對水資源承載力[7-8]、水資源安全[9]、水資源利用效率[10]、流域健康[11]等方面開展了大量研究，水資源-經濟社會-生態(tài)環(huán)境耦合系統(tǒng)研究成為研究熱點。

塔里木河位于新疆南部北緣，是中國第一大內陸河，在保障流域用水安全、經濟社會良性發(fā)展和生態(tài)環(huán)境健康等方面起著至關重要的作用。空間布局上，各地州地質地貌、氣候條件、水資源稟賦、用水技術水平等方面均存在顯著差異。眾多學者針對塔里木河流域水資源開發(fā)利用、地區(qū)發(fā)展狀況和生態(tài)環(huán)境質量等方面開展了大量研究[12-13],如，艾克熱木·阿布拉等[14]運用水文頻率分析法和DEA模型探究了塔里木河流域水資源的變化規(guī)律和用水效率；劉昀東等[15]基于生態(tài)足跡模型研究了塔里木河流域1950—2015年的生態(tài)承載力和生態(tài)足跡的變化趨勢，并評估其可持續(xù)發(fā)展水平。從現(xiàn)有研究成果來看，分析塔里木河流域水資源-經濟社會-生態(tài)環(huán)境各要素之間互饋關系的研究較少，缺少系統(tǒng)全面定量描述各地州水-經濟-生態(tài)系統(tǒng)和諧水平和識別和諧發(fā)展的主要影響因子的研究。

本文選取塔里木河流域5地州為研究對象，基于組合權重單指標量化-多指標綜合-多準則集成(the evaluation method of single index quantification and multiple index synthesis and poly-criteria integration，SMI-P)評價方法[16-17]對其水資源-經濟社會-生態(tài)環(huán)境耦合系統(tǒng)進行和諧程度量化評估，并分析和諧程度的時空差異性，以期為塔里木河流域的資源優(yōu)化配置和區(qū)域協(xié)調發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

塔里木河發(fā)源于天山山脈及喀喇昆侖山，流經巴音郭楞蒙古自治州(巴州)、阿克蘇地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州(克州)、喀什地區(qū)、和田地區(qū)5地州，主要支流包括阿克蘇河、葉爾羌河等[18]。塔里木河流域面積約102萬km2，僅次于長江流域，位居全國第二位。5個地州總面積109.59萬km2，約占新疆總面積的66%，2016年末5個地州常住人口約1 131萬人，耕地面積169萬hm2，國內生產總值0.28萬億元，分別約占新疆的47.2%、41.0%和29.2%[19]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究期為2007—2016年，共選取18個指標對5個地州水資源-經濟社會-生態(tài)環(huán)境耦合系統(tǒng)進行和諧程度量化研究。指標數(shù)據(jù)主要來源于各地州統(tǒng)計年鑒、《水資源公報》《新疆統(tǒng)計年鑒》《新疆水資源公報》及政府工作報告等。

2 研究方法

2.1 指標體系構建

針對水資源-經濟社會-生態(tài)環(huán)境耦合系統(tǒng)進行和諧程度量化分析，在構建指標體系時需綜合考慮全面性和代表性、科學性和目的性、可操作性和實用性等原則。對水資源子系統(tǒng)，所選指標主要涉及水資源稟賦、資源開發(fā)利用水平兩個方面；經濟社會子系統(tǒng)主要考慮地區(qū)經濟水平、社會發(fā)展狀況；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)則主要體現(xiàn)地區(qū)水生態(tài)、水環(huán)境狀況。綜上，構建了包含水資源、經濟社會、生態(tài)環(huán)境3個準則層，產水模數(shù)、人均水資源量等共18個指標的和諧程度評價指標體系[8,16,20]，如圖1所示。此外，參考已有相關文獻[4,20]和國家規(guī)范，并考慮地區(qū)特性和實際狀況，確定各指標節(jié)點值，見表1。

圖1 和諧程度評價指標體系

表1 評價指標節(jié)點值

2.2 權重確定方法

采用G1賦權法[21]和熵權法[22]分別確定各指標的主觀權重和客觀權重。對同一指標，主觀權重在時間尺度上均取同一數(shù)值，而熵權法計算時以5個地州指標數(shù)據(jù)為樣本，故客觀權重在時間序列上存在差異。基于上述方法，記指標k的主、客觀權重分別為wSk和wOk，考慮使用上述單一權重可能無法完整描述各指標的重要性信息，故將兩種方法綜合得到組合權重wZk[23]。

(1)

式中：α、β分別為主觀、客觀偏好程度系數(shù)；D(wSk,wOk)為歐氏距離函數(shù)。

2.3 和諧度量化方法

2.3.1單指標量化

采用模糊隸屬度方法描述評價指標以便于計算和對比分析，通過模糊隸屬函數(shù)f(Ckt)將各指標統(tǒng)一映射到[0，1]上，Ckt為指標k在t時刻的數(shù)值，所得隸屬度即為指標的和諧度，其中評價指標分為正向、逆向和雙向3類，不同特征指標的和諧度可分別用相應的分段線性隸屬函數(shù)計算得到[24]，各指標節(jié)點具體取值見表1。

2.3.2多指標綜合

基于上述單指標和諧度及權重計算結果，可分別計算水資源、經濟社會、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的和諧度：

(2)

式中：Dwt、Dst、Det為t時刻水資源、經濟社會、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和諧度；Dws(Ckt)、Dss(Ckt)、Des(Ckt)分別為通過模糊隸屬函數(shù)映射得到的t時刻水資源、經濟社會、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)中指標k的和諧度；n1,n2,n3分別為各子系統(tǒng)的指標個數(shù)。

2.3.3多準則集成

根據(jù)和諧量化的全面性準則，地區(qū)整體和諧度需要綜合考慮水資源、經濟社會、生態(tài)環(huán)境多個方面，因此，進一步運用多準則集成方法計算耦合系統(tǒng)和諧度:

Dt=wwDwt+wsDst+weDet

(3)

式中：ww、ws、we分別為水資源、經濟社會、生態(tài)環(huán)境3個子系統(tǒng)和諧度的權重，考慮各系統(tǒng)的相對重要程度及協(xié)同發(fā)展的必要性，均取1/3；Dt為t時刻耦合系統(tǒng)整體和諧度。基于上述量化步驟所得的指標、子系統(tǒng)、耦合系統(tǒng)和諧度可判斷其和諧等級，D=0時為完全不和諧，0

3 結果與分析

3.1 指標權重

表2為評價指標部分年份的主觀、客觀及組合權重數(shù)值，可以看出，水資源子系統(tǒng)中組合權重最大指標為人均水資源量，最小為農田單位面積灌溉用水量，經濟社會子系統(tǒng)分別為人均GDP和單方水糧食生產量，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)則持續(xù)為地區(qū)森林覆蓋率和化肥施用強度。此外，對同一指標，其權重大小在時間尺度上存在一定的波動幅度，表現(xiàn)為因樣本數(shù)據(jù)變化而導致的差異性；而對同一子系統(tǒng)，不同指標重要性排位并未發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)為指標權重在時間尺度上的統(tǒng)一性；綜合來看，當前權重能夠較好反映指標在時空尺度的重要性程度。

表2 指標權重計算結果

3.2 子系統(tǒng)及耦合系統(tǒng)和諧度

3.2.1水資源子系統(tǒng)

水資源、經濟社會、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)及三者耦合系統(tǒng)和諧度計算結果見圖2。由圖2(a)可知，各地州水資源子系統(tǒng)和諧程度在研究期內整體呈現(xiàn)上升趨勢，但地區(qū)之間差異明顯。其中，克州水資源子系統(tǒng)和諧程度相對較好，和諧度由2007年的0.538(接近不和諧)增加到2016年的0.661(較和諧)，且2014—2016年均處于較和諧狀態(tài)，這主要得益于地區(qū)降水豐富、產流模數(shù)較大、人均水資源量多。相對而言，阿克蘇和喀什地區(qū)和諧程度均較差，和諧度在研究期內分別維持在0.278～0.376和0.286～0.366，持續(xù)處于較不和諧狀態(tài)，原因為水資源開發(fā)利用率過高且用水技術水平相對落后。此外，巴州及和田地區(qū)和諧程度分列第二、三位，由于水資源量隨機性的影響，其和諧度在研究期具有波動變化趨勢。

3.2.2經濟社會子系統(tǒng)

由圖2(b)可知，和田地區(qū)和諧程度最差，和諧度介于0.193～0.374，近年來雖逐漸提升，但仍處于較不和諧狀態(tài)，主要制約指標為人均GDP。與此同時，克州和喀什地區(qū)均由較不和諧上升為接近不和諧，且處于持續(xù)增長趨勢。阿克蘇地區(qū)和諧度則由2007年的0.357(較不和諧)增加到2016年的0.608(較和諧)，研究期內跨越接近不和諧階段，改善效果顯著，主要得益于經濟發(fā)展，城鄉(xiāng)居民收入水平迅速提升。由于巴州人口密度較低，經濟發(fā)展受到一定程度的限制，在研究期內持續(xù)處于較不和諧狀態(tài)，和諧度增長比例最小，僅為28.1%。

3.2.3生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)

由圖2(c)可以看出，2007—2016年5地州生態(tài)環(huán)境改善效果顯著。克州和諧度從0.213增長到0.628，增幅最大約195%，表明該地區(qū)節(jié)能減排、綠化建設等措施得到有效實施。巴州增幅最小為68%，但其起點較高，2007年幾乎達到接近不和諧，研究期內實現(xiàn)了向較和諧狀態(tài)的轉變。整體而言，目前大部分地區(qū)處于較和諧狀態(tài)且將繼續(xù)提升，其中2016年阿克蘇地區(qū)和諧度為0.770，即將達到基本和諧狀態(tài)。然而和田地區(qū)和諧程度仍較差，2016年處于較不和諧狀態(tài)，結合研究結果，該地區(qū)應重點關注降低萬元GDP氨氮排放水平，避免水體環(huán)境污染，此外，植樹造林及城市綠化等方面亦有待加強。

3.2.4耦合系統(tǒng)

綜合考慮3個子系統(tǒng)的和諧度計算得到耦合系統(tǒng)和諧度，見圖2(d)。由圖2(d)可知，在用水技術水平提升、經濟社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護等多方面的綜合作用下，各地區(qū)耦合系統(tǒng)和諧度整體處于持續(xù)提升狀態(tài)。其中，巴州和諧度最好，和諧度在研究期內由0.457增長到0.615，是目前唯一達到較和諧程度的地區(qū)。相對而言，和田地區(qū)各子系統(tǒng)及耦合系統(tǒng)和諧度偏低，且該地區(qū)人均水資源量不確定性較大，和諧度變化呈現(xiàn)略微波動趨勢。時間尺度上，2012年后各地區(qū)和諧度增長速度明顯加快，推測與最嚴格水資源管理制度的實施有關。整體而言，目前大多數(shù)地區(qū)處于接近不和諧狀態(tài)，尚未出現(xiàn)基本和諧狀態(tài)，5地州和諧度仍存在較大進步空間。

(a) 水資源

3.3 子系統(tǒng)貢獻比例分析

基于上述和諧度量化結果，進一步探究各子系統(tǒng)對耦合系統(tǒng)和諧度的貢獻率及其時空差異，結果見圖3。由圖3可知，3個子系統(tǒng)貢獻比例變化趨勢為：水資源系統(tǒng)總體呈現(xiàn)下降趨勢且較為明顯，其中巴州從55.4%下降到37.3%，側面反映了其經濟社會發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護成效顯著，且能夠較好協(xié)調三者關系以維持良好發(fā)展狀態(tài)；經濟社會系統(tǒng)無明顯趨勢，具體來說，阿克蘇和喀什地區(qū)表現(xiàn)為先增后減，克州及和田地區(qū)雖為增加趨勢但所占份額仍較小，巴州則處于平穩(wěn)變動狀態(tài)；生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢，目前巴州、阿克蘇和喀什地區(qū)均已超過水資源系統(tǒng)排在第一位，而和田地區(qū)在研究期內由22.3%增長為29.1%，增長速度略顯緩慢。

空間維度上，不同地區(qū)的子系統(tǒng)對耦合系統(tǒng)和諧度的貢獻率差異顯著。如，克州及和田地區(qū)水資源系統(tǒng)持續(xù)起主導作用，原因為該地區(qū)水資源相對豐富，故下一步可依托其良好的水資源稟賦加快經濟社會發(fā)展步伐，加大生態(tài)環(huán)境改善工作力度。相對而言，由于阿克蘇地區(qū)綠化建設程度及城鎮(zhèn)化率較高，本地水資源量不能滿足其發(fā)展需求，水資源系統(tǒng)和諧度較低，多年平均貢獻率僅24.1%，研究期內經濟社會和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)起主要貢獻作用。同樣對于喀什地區(qū)，其水資源系統(tǒng)貢獻率次序在研究期內由首位下降到末位，水資源條件同樣將成為其和諧發(fā)展的制約因素。因此，上述地區(qū)應重點考慮從水資源優(yōu)化配置、產業(yè)結構調整等方面入手研究以實現(xiàn)水資源的合理開發(fā)利用。

綜上所述，各子系統(tǒng)對耦合系統(tǒng)和諧度的貢獻率在時空維度上均存在明顯差異，主要原因為各評價指標數(shù)值在研究期內的動態(tài)變化及地區(qū)差異性。因此，為實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調發(fā)展，加快提升地區(qū)耦合系統(tǒng)和諧程度，各地州應相互借鑒先進經驗，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，在此基礎上尋求符合自身水資源稟賦、社會現(xiàn)狀、地理特征和區(qū)域特色的和諧發(fā)展模式。

3.4 促進地區(qū)和諧發(fā)展的對策

a. 水資源方面。各地州應依據(jù)水資源稟賦合理規(guī)劃以滿足其發(fā)展需求，對目前開發(fā)利用程度較高的阿克蘇和喀什地區(qū)，考慮“開源”和“節(jié)流”兩個方面，尋求新水源的同時加強節(jié)水宣傳教育，提升各行業(yè)節(jié)水意識；塔里木河流域管理部門應統(tǒng)籌考慮流域水量分配，通過調水工程和水權交易等措施實現(xiàn)有限的水資源在五地州間的優(yōu)化配置；此外，各地州均需加強對高耗水行業(yè)的管理，特別是阿克蘇和喀什地區(qū)，應注重引進先進用水技術，提升工農業(yè)用水技術水平。

(a) 巴州

b. 經濟社會方面。改革經濟社會發(fā)展模式，優(yōu)化產業(yè)結構，考慮地區(qū)實際情況，政策引導增加第三產業(yè)所占份額，提升居民收入，尤其針對當前經濟發(fā)展較為滯后的和田地區(qū)；巴州、阿克蘇等地區(qū)應因地制宜，種植經濟、耐旱、高產出作物，調整作物種植面積空間布局，保障糧食安全的同時提升經濟效益；各地州均需合理調控地區(qū)人口密度，適當加快地區(qū)城市化進程，營造良好生活環(huán)境以滿足居民美好生活需求。

c. 生態(tài)環(huán)境方面。加大污水處理設施投資，提升污水處理能力，嚴格把控污水排放標準，對水資源相對豐富的巴州、克州及和田地區(qū)，充分利用其水體自凈能力；控制作物化肥、農藥使用量，開發(fā)高效利用技術，控制污染傳播范圍以減少面源污染；提高污廢水回用率，保障地區(qū)生態(tài)用水，提高森林覆蓋率和建成區(qū)綠化覆蓋率，維持生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性。

4 結 論

a. 各地州耦合系統(tǒng)和諧度在研究期內整體處于提升狀態(tài)，提升幅度最大為克州，最小為巴州，目前大多數(shù)地區(qū)仍處于接近不和諧狀態(tài)，5地州耦合系統(tǒng)和諧度仍存在較大進步空間。

b. 耦合系統(tǒng)和諧度最好的地區(qū)為巴州，和諧度在研究期內由0.457增長到0.615，在2016年首次達到較和諧，克州和阿克蘇地區(qū)稍次之，相對而言，和田及喀什地區(qū)起步狀態(tài)較差，各子系統(tǒng)及耦合系統(tǒng)和諧度在研究期內持續(xù)呈現(xiàn)顯著的滯后態(tài)勢。

c. 各地州子系統(tǒng)對耦合系統(tǒng)和諧度的貢獻率時空差異明顯。時間維度上，水資源系統(tǒng)總體呈現(xiàn)下降趨勢且較為明顯，經濟社會系統(tǒng)無明顯趨勢，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢；空間維度上，克州及和田地區(qū)水資源系統(tǒng)持續(xù)起主導作用，巴州和喀什地區(qū)在研究期內由水資源系統(tǒng)轉為生態(tài)環(huán)境，而阿克蘇地區(qū)則保持由經濟社會和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)起主要貢獻作用。