貴州省水利建設、生態建設和石漠化治理的耦合性

雷 薇, 張 超, 周文龍, 王永濤

(1.貴州省水利科學研究院, 貴州 貴陽 550002; 2.貴州飛翔環保工程有限公司,

貴州 貴陽 550002; 3.貴州省山地資源研究所, 貴州 貴陽 550001)

貴州省水利建設、生態建設和石漠化治理的耦合性

雷 薇1, 張 超2, 周文龍3, 王永濤1

(1.貴州省水利科學研究院, 貴州 貴陽 550002; 2.貴州飛翔環保工程有限公司,

貴州 貴陽 550002; 3.貴州省山地資源研究所, 貴州 貴陽 550001)

摘要：[目的] 研究貴州省水利建設、生態建設、石漠化治理即“三位一體”的耦合性，促進三者之間的工程項目整合，以期達到效益最大化。 [方法] 根據系統學理論，將“三位”作為3個子系統，建立評價指標體系，采用主成分分析法，運用SPSS軟件和耦合度模型計算。 [結果] 耦合系統在3個規劃期(2006—2010年，2011—2015年，2016—2020年)的耦合度分別為0.68，0.86和0.89，說明在“三位一體”規劃前耦合系統處于磨合期，規劃后耦合系統處于高級耦合期且具有良好共振耦合。 [結論] “三位一體”規劃能有效突破制約貴州省發展的瓶頸，促進貴州地區社會經濟生態的可持續發展。建議繼續加強3者的工程項目建設。

關鍵詞：“三位一體”; 主成分分析法; 耦合度模型

貴州省地處云貴高原東部，是一個亞熱帶強烈喀斯特化的高原山區。特殊的自然地理條件，造成貴州石多土少，地形破碎，水文結構復雜，水土流失嚴重，石漠化發生，洪澇干旱自然災害頻發。究其原因主要是由于全球氣象變化、人地矛盾突出、工程性缺水等因素所誘發。隨著人們對生態與社會經濟發展關聯性的重視，2011年《貴州省水利建設生態建設石漠化治理規劃》(以下稱“三位一體”規劃)出臺，規劃對打破水資源、生態環境對社會經濟承載力薄弱以及石漠化發生帶來生存威脅的瓶頸制約有重要的意義。規劃[1]指出，貴州省水利建設滯后、生態環境脆弱、石漠化加劇之間有著十分緊密的內在聯系，三者相互疊加，相互影響。這3者是有關聯的，但核心是水，如果沒有水，石漠化治理也無法進行，生態環境也無法改變；只有從根本上解決了水的問題，生態建設、石漠化治理才有基礎，水土條件、耕地質量才能得到改善。因此，研究水利建設、生態建設、石漠化治理系統之間的耦合關系、系統指標選取及貢獻、系統耦合度，是“三位一體”工作開展的科學依據，對于整合3個系統工程項目，避免工程重復建設，發揮“三位一體”的社會、經濟、生態效益，對促進貴州地區的整體發展具有重要意義。

1“三位一體”系統耦合

1.1　子系統脆弱性

(1) 水利建設滯后，工程性缺水突出。貴州地區年降雨量豐富，但是時空分布不均，常造成區域性或季節性洪澇干旱交替發生的現象。由于長期以來，資金投入不足，水利基礎設施建設嚴重滯后，加上喀斯特山區地質地貌條件復雜，導致水利工程建設條件差，形成特有的喀斯特山區“工程性缺水”。至2009年，該地區中型水庫僅34座，各類水利工程供水量9.20×109m3，人均供水量僅2 420 m3，僅為全國平均水平的54%[1]。

(2) 水土流失嚴重，生態環境惡化。貴州地區生態環境十分脆弱，由于地形破碎、山高坡陡，山體勢能高，土壤容易被降雨沖刷流失，造成土少植被稀，森林覆蓋率低的狀態。森林植被不足，森林生態效應削弱，導致植被賦存水土資源能力差、生物生境條件差、區域氣候調節性能差等。該地區的森林覆蓋率達39%，牧草地面積1.60×104km2，林草植被質量不高。該區水土流失面積7.30×104km2，占國土面積的42%，年均土壤侵蝕總量達2.50×108t，相當于每年流失266.67 km2耕地的表土層[1]。

(3) 人地矛盾嚴峻，石漠化加劇。貴州石漠化發生，除了自然因素影響外，主要還是人為因素占較大的比重。由于20世紀，貴州地區經濟發展與區位、資源優勢錯位，人口增長與環境容量失衡，資源開發利用與產業結構失諧，貧困長期失調，發展戰略決策上的失誤等方面原因[2]，導致人地關系矛盾的突出。在喀斯特脆弱生態環境下，人地矛盾突出，人類為了生存向自然界無休止的獲取資源，特別是土地資源和水資源，自然環境遭受破壞，引發石漠化的發生。貴州地區石漠化面積3.3 km2，占國土面積的19%，居全國各省區之首，且近年來仍以每年1%左右的速度在繼續擴大[1]。

1.2　“三位一體”耦合內涵

1.2.1“三位一體”系統耦合分析1994年任繼周[3]通過研究生態系統耦合，提出了農業系統中，由于追求農業生產量的擴大，不可避免的出現自由能累積現象，自由能的積累轉變為勢能的增長，促使不同生態系統實現結構和功能的結合，從而產生新的、較高層次的生態系統。在這種能的驅動下，新的生態系統形成超循環，這種超循環聯通了兩個或兩個以上的生態系統，即稱為生態系統的耦合。首先分析“三位一體”水利工程、生態工程、石漠化工程相互之間的作用及意義。規劃中要求提高水利對經濟社會發展的支撐能力，可見水利工程是民生工程，修建水利工程的目的主要對區域水資源進行綜合調配，提供農業生產和生態用水需求，保障城鎮居民生活用水及農村人口飲水安全，切實解決貴州工程性缺水問題。規劃中對生態建設，要求提高其對經濟社會發展的承載能力，生態建設主要是提高森林覆蓋率，特別是“兩江”上游生態屏障建設，減少水土流失遏制石漠化的擴展態勢。而石漠化治理工程是基于石漠化地區的生態建設、水利建設、扶貧工程等集成，包括林草植被保護和建設工程、草地建設和草食畜牧業發展工程、基本農田建設工程、農村能源建設工程、異地扶貧搬遷和勞務輸出。可見，水利建設是生態建設和石漠化治理的重要保障，而生態建設和石漠化治理是確保水資源開發利用持續發展的生態基礎。根據耦合理論，“三位一體”系統耦合定義為，在工程項目建設中，以水資源為耦合鏈，采用工程技術手段，通過時空上合理布置水利、生態、石漠化工程措施，使工程系統要素之間構成因果關系鏈的過程。所產生的耦合系統功效更加強大，結構更加合理，發展更加有序。

1.2.2“三位一體”系統耦合度在耦合發展中水利建設、生態建設、石漠化治理不斷調和，3者協同發展，但是3個子系統之間也會出現相悖，影響到耦合系統或子系統的正常結構和功能。因此需要研究3個子系統的耦合要素之間的相互作用、彼此影響的程度，即“三位一體”系統耦合度。耦合度分析主要分兩個步驟： (1) 選取水利建設、生態建設、石漠化治理子系統的綜合評價指標，評估指標貢獻程度，得出子系統的綜合得分； (2) 采用耦合度模型，計算各時期系統之間的耦合度，并進行評價。

1.3　耦合子系統測度指標

根據“三位一體”系統耦合的內涵，按照科學性、全面性和可操作性等一般原則，借鑒相關文獻資料研究成果[4-7]，結合“三位一體”規劃中水利建設、生態建設和石漠化治理的建設目標和工程內容，選取系統耦合指標為3個子系統22項指標，各指標的數據詳見表1，反映系統耦合協調發展水平。

表1　貴州省水利建設、生態建設、石漠化治理的綜合評價指標[1,8-10]

2系統綜合評價

評價方式采用對水利建設、生態建設、石漠化治理3個子系統，基于工程目標和工程內容選取指標(表1)，通過主成分分析法計算貢獻程度，得到3個規劃時期的綜合評分。再運用耦合度計算模型，計算3個規劃時期內系統的耦合度，以此判別3者之間的耦合狀態。

2.1　主成分分析法

主成分分析是研究如何通過少數幾個由原始變量構成的主要分量來描述或解釋多變量的方差—協方差結構特征。具有3個特點：即降維處理，統計簡化和數據解釋[11]。

2.2　耦合度計算模型

根據耦合度理論，得出水利建設、生態建設、石漠化治理三者之間的耦合度計算模型：

(1)

式中：C——協調度，反映水利建設、生態建設和石漠化3個子系統演進的同步程度，三者之間的差距越小越好； T——綜合發展水平評價指數，反映這3個子系統的整體效益或水平，其值越大越好； D——耦合度，協調度C與綜合發展水平T的幾何平均值[12]。X——水利建設評價結果； Y——生態建設評價結果； Z——石漠化治理評價結果，均為[0,1]的標準化指數； α，β，γ——特定權數，分別定為1/3，即3個子系統具有相同的重要性。耦合度值D∈[0,1]，當D=1時，耦合度最大，系統間相互作用、相互影響的程度最大，系統之間達到良性共振耦合，利于系統有序發展；當D=0時，耦合度極小，系統間不存在相互作用和相互影響，系統之間處于無關狀態，系統趨向無序發展。

2.3　評價結果

采用SPSS軟件進行主成分分析計算[13]，首先將各子系統的多指標進行降維處理并得出各指標相對于新指標的載荷(表1)，最后計算出3個規劃時期水利建設、生態建設、石漠化治理的綜合得分，再運用耦合度模型計算3個子系統耦合協調度(表2)。

表2　研究區3個子系統綜合得分及耦合協調度

2.3.1指標載荷分析從表1中看出，指標載荷大于0.5的指標，對各子系統都有較大的貢獻。在水利建設系統中貢獻大小順序為：水利工程的供水能力>工程投資和建設規模>水土保持治理能力；生態保持系統中各指標涉及生態工程的規模和效益，因此貢獻都較大；石漠化治理的貢獻體現在投資額和工程量方面，在石漠化治理工程中，工程面積大且效益大，指標的貢獻也就大，一般在石漠化治理的項目貢獻順序為：封山育林面積>人工造林面積>草地改良面積>坡改梯的面積。

2.3.2耦合結果分析根據耦合度D值的大小，劃分耦合過程為初步耦合期、磨合期以及高度耦合期：初步耦合期(0≤D>0.45)，這一時期水利建設、生態建設、石漠化治理工程項目相互聯系不明顯，工程整合低，原因為生態環境保護與修復思想和項目建設剛剛起步，水利建設只有少數農田水利涉及生態范圍，而生態建設與石漠化治理投資少、項目少；磨合期(0.45≤D>0.7)，這一時期水利建設、生態建設、石漠化治理工程項目相互聯系開始顯著，工程整合較高，因為生態建設開始重視水資源的作用，并將水利建設作為生態可持續發展的支持項目；高度耦合期(0.7≤D>1)，隨著生態工程的進程，水利建設、生態建設、石漠化治理工程項目的整合模式較成熟，且效益逐步顯著，三者之間達到良好耦合狀態，形成有序發展的耦合系統。通過表2得出的計算結果分析，“十一五”期間3者耦合度為0.68，說明系統耦合處于磨合期，3個子系統之間隨著工程項目的增加，逐步探索最優的配置協調方式。由于“十一五”期間貴州地區發生干旱等特大自然災害，引發工程性缺水問題，同時，災害也給生態環境的承載力拉了警鐘，在災害面前人們抵抗能力還是較為薄弱。在此期間，貴州地區全面實施生態立省戰略，加強工程項目的投資建設，構筑“兩江上游重要生態屏障”，水利基礎設施保障能力全面提升，石漠化治理完成55個試點縣第一批治理工作。“十二五”期間也是“三位一體”規劃的近期目標期，系統耦合度為0.86，且遠期目標期耦合度為0.89，說明整個“三位一體”規劃期耦合處于高度磨合期。2011年《貴州省水利建設生態建設石漠化治理綜合規劃》實施以來，進一步加大水利建設、生態建設、石漠化治理的資金投入和項目規模，逐漸形成子系統之間工程整合的示范模式[14]，在未來的規劃實施過程中，將對高效的技術模式進行推廣應用，擴展耦合系統的良性循環，有效打破制約貴州地區經濟社會發展的瓶頸起到決定性的作用。

3建議與措施

根據指標貢獻和系統耦合結果分析，建議3個子系統及耦合系統應在投資資金、工程規模和數量、技術模式和管理體制等方面進一步發展。

(1) 多渠道引進投資資金，落實資金到位。投資資金對系統的貢獻和影響較大，充足的資金才能保障工程的正常建設和運行。現階段水利建設、生態建設、石漠化治理主要依靠中央和地方財政投資，由于投資范圍廣，財政能力不足等原因，導致許多工程建設沒有形成集中連片，不能產生顯著的效益。因此，建議多渠道引進投資資金，將工程項目與市場掛鉤，明確工程使用產權，鼓勵企業承包工程建設和運行，鼓勵農民組織協會自行管理維護工程措施等，例如水利建設要求明確水權，水價改革，農民用水戶協會進行水價征收和工程管護；生態保護要求林業產權明晰，產業結構轉變；石漠化工程的“政府+企業+農戶”經營管理模式等。

(2) 嚴格三條紅線的水資源管理要求，發揮水的耦合鍵作用。水利工程的供水能力和農田灌溉水利用系數指標對水利建設系統的貢獻較大，同時指標也是水資源三條控制紅線的要求范圍。因此發揮水的耦合鍵作用，按照水資源配置、節約和保護原則，以工程建設的形式保障生態需水量，加大骨干水源工程建設、大中小微并舉、開源節流并重，合理規劃水源工程、灌區續改建工程、農村飲水安全工程、坡耕地綜合治理工程和“五小”水利工程，切實解決工程性缺水問題，提高水利工程對經濟社會和生態環境的承載力。

(3) 增加工程規模和數量，優化配置整合工程。水利工程規模和數量直接影響水資源開發利用能力、水資源承載能力、生態建設需水供應能力、節水能力等。生態工程規模和數量影響森林覆蓋率提升、水土流失量下降、環境污染程度減輕、生態環境質量提升等。石漠化工程規模和數量關系到石漠化速度的減緩、石漠化面積的縮小、石漠化等級的下降等。優化配置整合工程，是在建設區域內，通過三方資金整合，水利、生態、石漠化工程優化配置，使系統耦合，減少重復投資和建設帶來的弊端，突顯經濟、社會、生態效益，達到區域可持續發展目的。

(4) 創新項目科技示范，探索新型技術模式。“三位一體”耦合系統涉及水利、林學、農學、自然地理學和生態學等多學科的理論知識，需要各學科的科研力量的聯合攻關，分工合作，發揮各學科優勢。例如石漠化示范區建設，開展科技產學研集一體的項目，形成研究技術體系、應用體系與效益動態監測評價體系，使示范區資源得到合理利用和配置，生態環境得到明顯改善實現區域社會經濟與生態環境和諧可持續發展[14]。因此，科技示范是將系統耦合進行實際應用，探索耦合機制和方式的主要途徑。建設“三位一體”科技示范，總結水利建設、生態建設、石漠化治理的經驗，集成工程技術模式，探索新型技術模式加以推廣應用，進一步優化耦合系統，發揮顯著效益。

(5) 完善法律法規，建立管理體系。完善水利、生態、石漠化方面的相關法律法規，明確水權、林權等自然資源的產權，深化水資源管理體制改革，建立水權分配體系、用水定額標準、水價征收制度；深化林權管理制度改革，完成確權面積勘界，健全森林生態效益補償機制，限定森林采伐額度，簡化采伐審批程序；健全石漠化地區生態補償機制，研制石漠化治理工程規劃設計標準、監測指標標準、效益評價標準等。法律法規的完善及管理體制的健全，使“三位一體”規劃實施，有法可依，有章可循，協調有序地推動貴州生態環境保護事業的發展。

4結 論

通過對貴州水利建設、生態建設、石漠化治理的耦合性研究，依據“十一五”、“十二五”、“三位一體”三個時期目標和工程內容的規劃數據，采用主成分分析法綜合評價3個子系統的綜合得分，運用耦合度計算模型，得出三個規劃時期的耦合度分別為0.68，0.86，0.89，說明“三位一體”規劃前耦合系統處于磨合期，規劃后耦合系統處于高度耦合期，系統發展協調有序，“三位一體”規劃有效解決工程性缺水、生態脆弱性、石漠化速度緩解的問題，突破制約貴州發展的瓶頸，提高水資源和生態環境的承載力，促進貴州地區工業化、城鎮化和農業現代的可持續發展。

根據指標貢獻和影響因素，建議3個子系統及耦合系統應在投資資金、工程規模和數量、技術模式及管理體制等方面加強整合促進發展。要明確3個子系統具體的耦合關系，還需在今后開展3個子系統耦合關系與結構方程模型的研究，進一步透視系統之間的耦合強度和耦合機制，將此運用于水資源開發利用、優化配置、承載力等方面，提高水資源的社會、經濟、生態效益，達到推進貴州地區社會經濟發展的目的。

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Coupling of Water Conservancy Construction, Ecological Construction, Rocky Desertification Control System in Guizhou Province

LEI Wei1, ZHANG Chao2, ZHOU Wenlong3, WANG Yongtao1

(1.GuizhouAcademyofHydraulicSciences,Guiyang,Guizhou550002,China; 2.GuizhouFeixiangEnvironmentalProtectionEngineeringCo.Ltd,Guiyang,Guizhou550002,China; 3.GuizhouInstituteofMountainResources,Guiyang,Guizhou550001,China)

Abstract：[Objective] Study on the coupling of water conservancy construction, ecological construction, rocky desertification which are the trinity planning was carried out in Guizhou Province to promote the project integration between the three aspects, and to achieve the maximum benefit. [Methods] According to the system theory, the trinity as the three subsystem, evaluation index system was established using principal component analysis method, the SPSS software and the coupling degree model were used to calculate. [Results] The coupled system in the coupling of the three planning periods(2006—2010，2011—2015，2016—2020) were 0.68, 0.86, 0.89, respectively, indicating that the coupled system was in the run-in period before the trinity planning， and it had the good resonance coupling after the trinity planning. [Conclusion] The trinity planning can effectively break the bottleneck restriction of the development, and promote social, economic and ecological sustainable development in Guizhou Province. It is proposed to continue to strengthen the construction of the projects with these three aspects.

Keywords:the trinity planning; principal component analysis; coupling degree model

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0258-05

中圖分類號：F205

收稿日期：2014-04-03修回日期：2014-05-27

資助項目：水利部公益性行業專項“貴州生態脆弱區水資源安全保障的關鍵技術研究”(201201025); 貴州省水利廳科研項目(KT201306); 貴州省科學技術基金項目(黔科合J字[2012]2216號)

第一作者：雷薇(1982—),女(瑤族),貴州省貴陽市,碩士研究生,工程師,主要從事喀斯特水資源環境方面的研究。E-mail:21498135@qq.com。