吐魯番地區水資源-經濟-生態耦合協調發展分析

伏吉芮，瓦哈甫·哈力克,3，姚一平

(1.新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046；2.新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學旅游學院,烏魯木齊 830046)

0 引 言

耦合是一個物理學概念， 指2個或2個以上的系統通過各種相互作用而彼此影響的現象[1]。耦合度表示系統間相互作用程度的強弱，沒有利弊之分；耦合協調度則表示相互作用中良性耦合程度的大小，體現了協調狀況好壞程度。人類與生態環境之間的彼此作用從而導致了人類～自然耦合系統(Coupled Human And Natural Systems, CHANS) 的形成和發展[2]。自1988年開始至今，國際上已有多個研究CHANS的代表性項目，例如最早的以世界氣象組織和聯合國環境項目為資金來源的政府間氣候變化專門委員會(IPCC)以及以美國國家科學基金會為資金來源的自然～人類耦合系統動態項目等[3]。

隨著社會經濟發展，人類所面臨的資源，經濟和生態環境之間的矛盾日益強化，經濟和生態環境之間的協調發展已成為可持續發展的研究熱點之一。資源，經濟與生態環境之間的協調發展是人類發展追求的永恒目標[4]。水資源，經濟，生態系統耦合是自然資源和生態環境支撐系統與社會經濟發展系統間相互作用、相互脅迫，由低級共生向高級協調發展的過程[5]。資源，生態，經濟系統存在著交互耦合的互動關系，而協調度反映了社會經濟發展與生態環境及資源之間的最佳匹配狀態[6]。楊士弘[7]于1994年首次運用協調度分析和預測廣州市生態與經濟協調發展狀況, 喬標[8,9]、方創琳[10]、張富剛[11]等構建了具有代表性的評價指標體系左其亭[12]建立了體現生態經濟系統耦合關系的系統動力學模型。廖重斌[13]運用耦合理論以珠江三角洲為研究區進行耦合分析，畢其格[14]等人運用該理論對內蒙古人口和經濟系統耦合度進行了分析評價。張勝武[15]等研究了干旱區內陸河流域城鎮化與水資源的耦合機制。

Forrester、Meadows等通過對世界發展模型包括城市發展問題的專門研究，認為21世紀世界各國城市經濟活動的總體增長趨勢將面臨資源稀缺日益加劇的剛性約束，水資源約束是其中之一[16]。吐魯番地區是我國干旱區典型的破碎綠洲，自然環境極為惡劣，水資源匱乏，近年來，隨著人類活動的加強，旅游業和工業的發展，加劇了該地區資源與經濟生態、環境的失衡，引發了各種生態環境和資源問題，比如沙漠化和土壤鹽漬化以及水資源短缺等。吐魯番地區水資源-經濟-生態如何協調發展是該地區可持續發展的關鍵。本研究基于已有的CHANS理論基礎，將人與自然系統細化為水資源～經濟～生態系統，并結合耦合模型及耦合協調度模型計算吐魯番地區水資源-經濟-生態系統的耦合度及耦合協調度，為吐魯番地區的可持續發展提供有效建議。

1 研究區概況

吐魯番地區位于北緯41°12′～43°40′，東經87°16′～91°55′，總面積約69 713 km2，轄吐魯番市、鄯善縣、托克遜縣。吐魯番盆地屬于內封閉性的山間斷陷盆地[17]，四面高山環繞。該盆地西寬東窄，北高南低，區內大部分地區在海平面以下，最低處為艾丁湖，海拔為-154 m，是我國最低的內陸盆地。吐魯番屬獨特的暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候。日照長、氣溫高、晝夜溫差大、降水少、風力強五大特點，素有“火州”、“風庫”之稱。近年來，由于該區人類活動的加強，水資源短缺，極度干旱，沙漠化，生物多樣性減少等生態環境問題日益凸顯。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Map of the study area

吐魯番是一個以維吾爾族為主體的多民族共生共榮的地區。區內有維吾爾族、漢族、回族、哈薩克族、蒙古族、錫伯族、俄羅斯族、塔吉克族、滿族、東鄉族、壯族等27 個民族。目前已經形成了以石油、天然氣、無機鹽化工、金、銅、鐵開采、食品加工、紡織和建材為主的比較完整的工業體系。農業以葡萄和哈密瓜種植為主。此外，近年來吐魯番市以旅游業為核心的第三產業也取得了長足發展。但日益匱乏的水資源已經成為制約該區進一步發展的重要因素。實現水資源的有效利用，促進吐魯番地區社會經濟可持續發展。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

原始數據來源于《新疆統計年鑒 (2002—2014)》 、 《吐魯番統計年鑒(2002—2014)》 、《吐魯番地區水資源公報》和《吐魯番地區國民經濟和社會發展統計公報》。同時，結合了課題組2012-2015年在研究區的野外調查數據。

2.2 評價指標建立

指標權重用主成分分析法計算得出，根據研究內容的需要、數據獲得的方便性以及Spss17.0軟件進行因子分析時 KMO 大于0.6的條件，我們從水資源子系統中的多個指標中選取符合條件的5個指標地表水(億m3)、人均水資源擁有量(m3)、地下水(億m3)、工業用水(億m3) 、農業用水(億m3)；從經濟子系統中選取符合條件的6個指標：第二產業總產值(億元)，進出口總額(萬美元)、社會消費品零售總額(億元)、GDP(億元)、社會固定資產投資(億元)、人均GDP(萬元)作為經濟子系統的評價指標；從生態子系統中選取符合條件的6個指標：固體廢棄物綜合利用率(%)、人均公共綠地面積(m2)、工業廢水排放達標率(%)、工業廢水排放量(萬t)、工業固體廢物生產量(萬t)、工業廢氣排放總量(萬m3)作為生態環境的子系統的評價指標。

2.3 耦合協調度模型和計算方法

首先，對原始數據進行無量綱處理，其目的是為了消除原始數據因量綱不同而造成數據處理不便。用x′iy′i和z′k分別為描述水資源、經濟和生態環境特征的具體指標。對初始數據的具體標準化處理方法為：

正向化指標：x′i=xi-max{xi}/max(xi)-min(xi),i=1,2,…,5

逆向化指標：x′i=max{xi}-xi/max(xi)-min(xi),i=1,2,…,5

(1)

對經濟和生態指標y′j、z′k分別用上述方法進行處理，其中j=1,2，…,6；k=1,2，…,6。

(2)

公式(2)可用來計算各子系統中指標的權重，其中Ai為各指標的因子載荷，ai是水資源指標的權重，同理，運用公式(2)也可以計算出經濟子系統和生態環境子系統的權重，我們將其定義為bi、ci。

水資源、經濟，生態環境的綜合評價函數如下所示：其中ai、bi、ci分別是水資源，經濟，生態環境系統各指標的權重。f(x)是水資源綜合評價指數，g(y)是經濟子系統綜合評價指數，h(z)是生態環境子系統綜合評價指數。

(3)

(4)

(5)

依據學者廖重斌[18]1999年的相關研究和其他學者[19,20-23]的研究，構建了耦合度模型：

Cn=n{(u1,u2,…,um)/[∏(u1+u2)]}

(6)

本文涉及3個子系統，即水資源子系統，經濟子系統，生態環境子系統，因此在本文中n=3，故有：

(7)

因為耦合度模型只是計算耦合度，而耦合度是表明系統之間作用的強度的指標，并不能反應系統之間的協調度。因此要引入耦合協調度模型(公式(8))來計算耦合協調度，耦合協調度能反映耦合狀況和水資源，經濟和生態環境之間的協調程度。

(8)

式中；C為耦合度；D為耦合協調度；T為水資源-經濟-生態環境大系統的綜合評價指數；α、β、δ為待定系數。

吐魯番地區作為非常典型的干旱區，水資源是該地區發展最為關鍵的因素，同時水資源也是水資源～經濟～生態這個大的系統中最基本的子系統，而在生態環境極為脆弱的吐魯番，生態環境是人類生存和經濟發展的重要依托，同時，吐魯番的經濟水平還有待提高。因此，在參考文獻的基礎上，結合專家打分，將待定系數定為0.35、0.3和0.4。

在本文中，我們將借鑒廖重斌學者在1999年對珠江三角洲地區環境和經濟耦合協調度劃分的標準，對吐魯番地區的水資源，經濟、生態環境進行耦合協調類型的劃分。

3 結果分析

3.1 水資源—經濟—生態三大系統耦合協調度計算

利用公式(1)對各原始數據進行標準化處理，得到各指標標準化后的值，然后運用Spss17.0統計軟件，結合公式(2)計算出各子系統各指標的權重。如表2所示。

表1 耦合協調度和耦合協調類型劃分Tab.1 Coupling coordination degree and coupling coordination classification

把各指標權重與公式(3)、(4)、(5)結合，計算水資源子系統的綜合評價指數、經濟子系統的綜合評價指數和生態環境綜合評價指數f(x)、g(y)和h(z)；依據耦合度公式，把每年所對應的f(x)、g(y)和h(z)值代入公式(6)和(7)，就得到2001-2013年每年的水資源—經濟—生態系統的耦合度C；結合α=0.35、β=0.3、δ=0.4和具體的f(x)、g(y)和h(z)值，依據公式(8)計算出水資源—經濟—生態這個大系統的綜合評價指數T及耦合協調度D。如表3所示。

由于綜合得分值越高，則發展速度越快，得分越低則發展速度滯后，所以我們定義，當f(x)=min{f(x),g(y),h(z)}時，

表3 水資源—經濟—生態綜合指數及耦合度、耦合協調度Tab.3 The comprehensive index of water resources-economy- ecology system and coupling degree and coupling coordination

為水資源滯后型，當g(y)=min{f(x),g(y),h(z)}時，為經濟滯后型，當h(z)=min{f(x),g(y),h(z)}時，為生態滯后型，當f(x)=g(y)=h(z)時，為協同發展型。根據計算結果，吐魯番地區2001-2013年的耦合協調類型及發展類型劃分如表4。

表4 吐魯番地區水資源—經濟—生態耦合協調類型Tab.4 The coupling coordination type of water resources-economy-ecology system in Turpan area

3.2 水資源—經濟—生態系統耦合評價

3.2.1 評價指標分析

本研究所采用的指標是從眾多原始指標中通過主成分分析選取而來，各指標在各子系統中權重如表2所示。水資源子系統中，權重占前三位的指標有地表水，地下水和農業用水，權重分別為0.280、0.281、0.250，相較于其他地區，吐魯番地區的水資源十分匱乏，在充分利用地表水的同時，人們不得不開采地下水，所以地下水在水資源子系統中的貢獻比較大，同時，吐魯番地區發展綠洲農業，無水不成綠洲，該地區的農業用水量占到水資源使用量的95%以上，而工業用水所占比例不足5%，農業用水對水資源子系統的貢獻僅次于地表水和地下水，而工業用水的貢獻最小(0.103)。經濟子系統中，貢獻為前三位的是GDP(0.200)、社會消費品零售總額(0.199)、社會固定資產投資(0.194)，GDP始終是經濟發展中的重中之重。生態子系統中，貢獻為前三位的是工業固體廢物生產量(0.229)、工業廢氣排放量(0.221)和人均公共綠地面積(0.216)，吐魯番地區生態環境自身脆弱，近年工業發展為該地區帶來經濟效益的同時也加重該地區的環境負擔，工業廢物生產量和工業廢氣排放量所占權重較大，人均綠地面積也是今后生態環境建設中的關鍵。

3.2.2 水資源—經濟—生態系統耦合及耦合協調度分析

從表3可以看出，水資源子系統綜合評價指數在2001-3013年間呈總體上升趨勢，期間略有波動，其中2003年(0.212)和2009年(0.398)分別低于2002(0.215)和2008(0.406)。2003年該地區水資源面臨嚴重威脅，為了緩解水資源壓力，2004年開始實施限制開荒政策，以減少農業用水量。2009年該地區地表水已不能滿足當地的生產生活需要，而從其他地區調水并未實現，為了生存發展，開始開挖大量機井，采用地下水，雖然這一措施有效解決了當前缺水的問題，但超采地下水所帶來的長遠的生態環境問題不容小覷。經濟子系統綜合評價指數除了在2010年(0.498)低于2009年，其余各年都呈攀升態勢，2009年該地區的水資源供應不足問題也影響到了經濟發展。生態子系統綜合評價指數在2004-2005年略有下降，其余各年呈上升趨勢，2004年實施限制開荒后，由于作物種植的季節性，荒地和耕地并未在一年之內劃分清楚，而是在作物采收之后，這就到導致耕荒未分，因此這兩年生態環境發展較慢。

水資源—經濟—生態系統的綜合評價指數一直處于上升狀態，整個大系統的發展狀況良好。從耦合度和耦合協調度來看，2001-2013年大體呈攀升趨勢，就耦合度而言，2010年(0.991)到2013年(0.986)已達到較高水平，而耦合協調度在2013年也達到0.823，也就是達到了良好耦合協調的水平。盡管水資源子系統和經濟子系統以及生態環境子系統在某一年的綜合評價指數比較低，發展狀況不太好，但是在人類活動干預及政策調整下，子系統會在一兩年之類恢復，而整個水資源—經濟—生態系統并未受到大的影響，這就說明在人與自然耦合系統中，人類也起著非常重要的作用，人類活動對水資源—經濟—生態系統協調發展起著關鍵作用。

3.2.3水資源—經濟—生態系統耦合協調類型及發展等級劃分

從表4可以看出，2001年，吐魯番地區的耦合協調類型為中度失調衰退類型，耦合協調度只有0.275，當時該地區經濟發展緩慢，當地人的環境意識并不強，大部分水資源也只是用來維持基本生存，因此發展等級是經濟滯后型。2002-2005年該區耦合協調類型雖然有所變化，但發展等級依然是經濟滯后型，耦合協調類型分別是輕度失調衰退類型，輕度失調衰退類型、輕度失調衰退類型、瀕臨失調衰退類型，雖然該階段經濟發展緩慢，但水資源和生態環境發展協調。2006-2009年發展類型為生態滯后型，耦合協調度類型分別為瀕臨失調衰退類型、勉強耦合協調類型、勉強耦合協調類型、初級耦合協調類型，這4年，該地區的經濟發展速度較快，但經濟發展與水資源、生態基本保持協調發展狀態。2010-2013年耦合協調度類型分別為中級耦合協調類型、中級耦合協調類型、中級耦合協調類型、良好耦合協調類型，發展類型為水資源滯后型，說明當地經濟發展水平較好，與生態環境協調發展，但水資源供應還需加強。

3.3 各子系統評價指數與耦合度及耦合協調度的時間序列性

水資源子系統，經濟子系統，生態子系統以及水資源—經濟—生態系統的綜合評價指數在2001-2013年間大體處于上升趨勢，而且該趨勢與水資源—經濟—生態耦合度及耦合協調度趨勢基本一致。但是，水資源綜合評價指數和生態環境綜合評價指數波動較大，從圖2可以看出，水資源綜合評價指數較大的年份，生態環境綜合評價指數也會呈現與之一致的波動，同時，耦合度也會呈現相對應的波動，這說明水資源—經濟—生態系統的耦合度對水資源和生態環境的變化是非常敏感的。耦合協調度，經濟綜合評價指數和水資源—經濟—生態系統的綜合評價指數波動較小上升趨勢比較穩定。

圖2 評價指數、耦合度及耦合協調度發展趨勢圖Fig.2 Evaluation index, coupling degree and coupling coordination development trend chart

4 結 語

通過計算吐魯番地區水資源、經濟，生態各子系統的綜合評價指數，水資源—經濟—生態系統的綜合評價指數，以及系統的耦合度及耦合協調度，我們可以得出：隨著社會經濟的發展，這些指數都是不斷上升的，這說明，盡管經濟發展給吐魯番地區的水資源帶來了一定的壓力，但是通過人為調控，水資源—經濟—生態系統向著良性循環發展。2001-2006年期間，吐魯番地區的經濟發展指數較低，水資源和生態環境綜合評價指數較高，說明雖然當時的經濟發展滯后，但是資源和環境狀況是極好的，2004年由于政府實施限制開荒政策，耕地面積減少，農業耗水量大量減少，2005年的水資源綜合指數在這幾年間最高；2006-2008年，該地區開始大力發展經濟，但是由于處于經濟快速發展的初步期，耗水量較少，而且對于資源與環境的破壞并不突出，因此這一階段經濟發展與水資源、生態環境較為協調；2009-2013年，由于經濟發展已有一定的基礎，這一階段經濟發展較快，耗水量較多，因該地區水資源十分短缺，這一時期的經濟發展已對水資源供應造成一定壓力，而且由于工業和建筑業快速發展，工業三廢排放量迅速增加，對生態環境造成的污染較為嚴重。雖然吐魯番地區水資源所面臨形勢十分嚴峻，但水資源—經濟—生態系統的耦合協調度也在2013年達到了良好耦合協調模型，吐魯番地區的水資源，經濟，生態環境基本能夠協調發展。

在發展過程中應注意：①不要片面追求經濟效益而以超采地下水為代價，現階段，經濟發展速度較快，但水資源還是非常短缺，任何發展都不能以破壞生態環境和水資源安全為代價。②吐魯番地區生態環境脆弱，極易受到破壞，隨著社會經濟發展，生態環境面臨的威脅日益嚴重，減少工業污染，增加植樹造林面積等措施可緩解此威脅。③要優化水資源配置，使水資源得到合理利用，同時，要采取節水措施，加強節水意識，減少廢污水排放量，提高廢污水處理率，加大中水回用力度，保證水資源安全，促進區域經濟協調發展。經濟發展要以長遠計，這樣水資源水資源—經濟—生態系統才能協調發展，可持續發展才能得以保證。

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