基于可拓綜合評價法的干旱區(qū)水資源承載力評價*
——以河西走廊地區(qū)為例

杜俊平，葉得明，陳年來

(1.河套學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理系，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730070)

0 引言

水是人類生存和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展必不可少的自然資源[1]。水資源短缺已經(jīng)成為制約人類生存和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的“瓶頸”，這一現(xiàn)象在我國西部干旱地區(qū)尤為明顯。河西走廊是我國典型的干旱區(qū)，該區(qū)域內(nèi)水資源短缺，生態(tài)極其脆弱和敏感，促進(jìn)其社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和維護(hù)生態(tài)穩(wěn)定迫在眉睫，對該地區(qū)水資源承載力進(jìn)行研究，有利于了解其社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中水資源、社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的協(xié)調(diào)性和適應(yīng)性，為決策機(jī)構(gòu)制定合理的可持續(xù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展策略具有參考價值。

水資源承載力的研究主要從定性和定量兩個視角展開。定性研究是對水資源承載力做出等級劃分，不給出水資源承載力的具體數(shù)值。學(xué)者們多采用模糊評價法[2-5]、主成分分析法[6-8]、物元分析法[9-10]、系統(tǒng)動力學(xué)分析法[11-12]、地理信息系統(tǒng)分析法[13-14]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[15-17]、多目標(biāo)決策法[18-19]、極大熵原理[20]等。定量研究是算出特定區(qū)域條件下水資源承載力指數(shù)，即依據(jù)區(qū)域水資源的狀況測算出其所能承載的最大(適度)經(jīng)濟(jì)規(guī)模和最大(適度)人口規(guī)模的具體數(shù)值[21-22]。

考慮到水資源承載力邊界的模糊性和河西走廊地區(qū)水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性及不穩(wěn)定性，該文采用定性可拓綜合評價法對該區(qū)域真實情景和仿真情景的水資源承載力進(jìn)行測評，是研究方法的一次嘗試。

1 研究區(qū)域概況

河西走廊，位于甘肅省境內(nèi)黃河以西，南北寬在40～100km之間，東西長約1 120km，東南起自烏鞘嶺，西北止于祁連山以北，合黎山以南，疏勒河下游，日照強(qiáng)、風(fēng)沙大、降雨量少，氣候干燥的帶形區(qū)域，包括武威、金昌、張掖、嘉峪關(guān)、酒泉5市，是古絲綢之路的重要交通要道。該區(qū)域土地總面積27.6萬km2，占甘肅省國土面積的60.4%； 總?cè)丝?83.31萬人，占甘肅總?cè)丝?8.72%。據(jù)統(tǒng)計，河西走廊多年平均水資源量為93.99億m3，其中地下水資源量為26.91億m3，地表水資源量為87.57億m3，可利用水資源量為80.31億m3[23]。從經(jīng)濟(jì)增長和水資源量演變來看， 2003～2015年，該區(qū)域的地區(qū)GDP從366.11億元增加到1 749.08億元，年均增長13.93%，然而水資源總量從72.77億m3下降到69.51億m3，年均下降0.4%。從用水結(jié)構(gòu)看，農(nóng)業(yè)用水量：工業(yè)用水量：居民生活用水量：生態(tài)用水量=89.91： 7.34： 1.39： 1.36。社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時水資源總量明顯下降，水資源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾已經(jīng)凸顯，水資源緊缺已成為制約該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素。

2 研究方法

2.1 可拓綜合評價法

可拓學(xué)是1983年由我國學(xué)者蔡文提出的一門新興科學(xué)。它是把事物的量和質(zhì)結(jié)合起來的理論，其理論支柱是物元理論和可拓集合論，其邏輯細(xì)胞是物元，從定性和定量兩個角度去研究事物并解決具有矛盾的問題[24]。可拓綜合評價法主要有6個步驟[25-27]：(1)確定經(jīng)典域R； (2)確定節(jié)域Rp； (3)確定待評價的物元Rd； (4)確定評價指標(biāo)權(quán)重wi； (5)確定關(guān)聯(lián)度kj(p)； (6)確定待評價事物的類別jx。

2.2 評價指標(biāo)體系構(gòu)建及評價等級劃分

2.2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

表1 河西走廊水資源承載力評價指標(biāo)體系

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來看，水資源承載力評價指標(biāo)體系構(gòu)建主要依據(jù)環(huán)境評價理論框架設(shè)計，主要有：(1)經(jīng)合組織與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提出的PSR框架：即“壓力(Pressure)—狀態(tài)(State)—響應(yīng)(Response)”； (2)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會提出的DSR框架：即“驅(qū)動力(Driving Force)—狀態(tài)(State)—響應(yīng)(Response)”； (3)歐洲環(huán)境署總結(jié)二者優(yōu)點設(shè)計出的DPSIR框架：即“驅(qū)動力(Driving Force)—壓力(Pressure)—狀態(tài)(State)—影響(Impact)—響應(yīng)(Response)”[28]。該文基于上述理論框架，依據(jù)協(xié)同理論并結(jié)合河西走廊地區(qū)資源、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點，參考已有的水資源承載力研究文獻(xiàn)[17， 29]，并考慮指標(biāo)數(shù)據(jù)的可得性、代表性、科學(xué)性等特點，提出能夠反映水資源承載力信息的WSEE評價指標(biāo)體系，見表1，即“水資源系統(tǒng)—社會系統(tǒng)—經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)—生態(tài)系統(tǒng)”。水資源系統(tǒng)反映區(qū)域水資源條件，社會系統(tǒng)反映區(qū)域水資源利用的社會效益，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)反映區(qū)域水資源利用的經(jīng)濟(jì)效益，生態(tài)系統(tǒng)反映區(qū)域水資源利用的生態(tài)效益。

2.2.2 河西走廊水資源承載力評價等級劃分

為了表述水資源承載力的狀態(tài)，該文將河西走廊地區(qū)水資源綜合承載力劃分為盈余可承載、基本可承載、臨界承載、弱赤字承載、強(qiáng)赤字承載5個等級，分別用5、4、3、2、1表示。評價指標(biāo)體系中的單項指標(biāo)分級也按照這5個等級來確定，具體見表2。

表2 河西走廊地區(qū)水資源承載力等級劃分

指標(biāo)單位盈余可承載基本可承載臨界承載弱赤字承載強(qiáng)赤字承載人均水資源量(C1)m3/人>30003000～20002000～10001000～500<500水資源開發(fā)利用率(C2)%<1010～2020～4040～60>60產(chǎn)水模數(shù)(C3)萬m3/km2>4040～3030～2020～10<10產(chǎn)水系數(shù)(C4)>0.60.6～0.450.45～0.30.3～0.15<0.15用水模數(shù)(C5)萬m3/km2<11～33～1010～15>15城鎮(zhèn)居民生活用水定額(C6)L/(人·d)<5050～7070～130130～170>170農(nóng)村居民生活用水定額(C7)L/(人·d)<4040～5555～110110～150>150萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量(C8)m3/萬元<400400～800800～20002000～4000>4000萬元工業(yè)增加值用水量(C9)m3/萬元<5050～7575～100100～125>125節(jié)水灌溉率(C10)%>8080～6060～4040～20<20生態(tài)用水率(C11)%>55～33～22～1<1人均生活污水排放量(C12)t/人<1010～2525～4040～50>50萬元工業(yè)增加值污水排放量(C13)t/萬元<1010～2020～3030～40>40

單項指標(biāo)分級的設(shè)定原則：(1)對于國際和國家公認(rèn)單項指標(biāo)值的單項指標(biāo)，其分級標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)(國際和國家認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)值、國家或區(qū)域頒布的一些發(fā)展規(guī)劃指標(biāo)值)進(jìn)行設(shè)定[30]，如C1、C2、C3、C6、C7、C11；(2) 對于目前還沒有公認(rèn)的指標(biāo)值，但相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)已經(jīng)采用過的單項指標(biāo)，參考文獻(xiàn)資料指標(biāo)值的擬定標(biāo)準(zhǔn)并作了適當(dāng)調(diào)整[17]，如C8、C9、C10； (3)對于新設(shè)計的單項指標(biāo)，根據(jù)其定義和內(nèi)涵，并結(jié)合國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對該指標(biāo)依賴和支撐程度以及該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展特點和資源稟賦特征，科學(xué)合理的擬定其分級標(biāo)準(zhǔn)，如C4、C5、C12、C13。

2.3 仿真情景設(shè)置

選擇與水資源承載力評價指標(biāo)緊密相關(guān)的水資源總量、總?cè)丝凇⒔涤炅康茸兞縼碓O(shè)置2016～2025年的仿真情景。利用河西走廊地區(qū)各市2003～2015年的水資源總量、總?cè)丝凇⒔涤炅俊⒂行Ч喔让娣e、節(jié)水灌溉面積、生態(tài)用水量的實際數(shù)據(jù)繪制相關(guān)的散點圖及曲線，建立回歸模型并求得2016～2025年的預(yù)測值。用水資源總量預(yù)測值和總?cè)丝陬A(yù)測值的比求得人均水資源量(C1)，用水資源總量預(yù)測值和計算區(qū)域面積的比求得產(chǎn)水模數(shù)(C3)，用水資源總量預(yù)測值和降雨量預(yù)測值的比求得產(chǎn)水系數(shù)(C4)，用節(jié)水灌溉面積預(yù)測值與有效灌溉面積預(yù)測值的比求得節(jié)水灌溉率(C10)。用水總量依據(jù)甘肅省出臺的《甘肅省地級行政區(qū)2015年2020年2030年水資源管理控制指標(biāo)》(以下簡稱《控制指標(biāo)》)中規(guī)定的用水總量控制目標(biāo)設(shè)置。用水總量控制目標(biāo)分別為：武威2020年為16.15億m3， 2030年為16.18億m3；金昌2020年為6.57億m3， 2030年為6.76億m3；張掖2020年為20.11億m3， 2030年為20.71億m3；酒泉2020年為1.91億m3， 2030年為2.01億m3；嘉峪關(guān)2020年為1.91億m3， 2030年為2.21億m3。用水模數(shù)(C5)由用水總量與土地面積之比得到，水資源開發(fā)利用率(C2)由用水總量與水資源總量的比得到，生態(tài)用水率(C11)由生態(tài)用水量與用水總量的比得到。《控制指標(biāo)》中規(guī)定武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)2030年的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)在2015年的基礎(chǔ)上分別提升10%、10%、8%、10%、 9%，則2030年的萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量(C8)也依據(jù)在2015年的基礎(chǔ)上分別提升10%、10%、8%、10%、 9%的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置，萬元工業(yè)增加值用水量(C9)仍依據(jù)《控制指標(biāo)》規(guī)定的到2030年武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)的萬元工業(yè)增加值用水量分別控制在49 m3/萬元、19 m3/萬元、23 m3/萬元、17 m3/萬元、40 m3/萬元來設(shè)置。城鎮(zhèn)居民生活用水定額(C6)、農(nóng)村居民生活用水定額(C7)設(shè)置依據(jù)《甘肅行業(yè)用水定額》中規(guī)定的城鎮(zhèn)居民生活用水定額85L/(人·d)、農(nóng)村居民生活用水定額40L/(人·d)，假設(shè)到2025年城鎮(zhèn)居民生活用水定額(C6)和農(nóng)村居民生活用水定額(C7)控制在85L/(人·d)、40L/(人·d)。利用河西走廊地區(qū)各市2003～2015年的人均生活污水排放量與人均生活用水定額、萬元工業(yè)增加值污水排放量和萬元工業(yè)增加值的用水量的實際數(shù)據(jù)繪制其相關(guān)關(guān)系曲線，并建立回歸模型，用已經(jīng)設(shè)置好的人均生活用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量代入模型求得人均生活污水排放量(C12)和萬元工業(yè)增加值污水排放量(C13)。

2.4 經(jīng)典域和節(jié)域的確定

依據(jù)河西走廊地區(qū)水資源承載力等級劃分標(biāo)準(zhǔn)確定可拓綜合評價的經(jīng)典域和節(jié)域。

2.5 權(quán)重的確定

3 河西走廊水資源承載力評價的實證分析

利用前面構(gòu)建的指標(biāo)體系和測算權(quán)重的方法，采用可拓綜合評價模型，借助Matlab7.0軟件，對河西走廊真實情景期(2003～2015)和仿真情景期(2016～2025)的水資源承載力進(jìn)行測算。

3.1 數(shù)據(jù)選取

該文所采用的群體指標(biāo)原始數(shù)據(jù)均來源于2003～2015年河西走廊5市歷年的國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報以及2003～2015年《甘肅水資源公報》， 2004～2016年的《甘肅統(tǒng)計年鑒》。部分指標(biāo)數(shù)值是通過原始數(shù)據(jù)計算整理得到的。

3.2 河西走廊真實情景期2003～2015年水資源承載力評價結(jié)果

河西走廊5市真實情景期(2003～2015)水資源承載力評價結(jié)果見圖1～5。

圖1 武威市水資源承載力評價 圖2 金昌市水資源承載力評價

圖3 張掖市水資源承載力評價 圖4 酒泉市水資源承載力評價

從2003～2015年，河西走廊地區(qū)5市水資源承載力綜合水平總體上呈波動上升趨勢，武威市從強(qiáng)赤字承載波動上升為弱赤字承載。金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)從強(qiáng)赤字承載過渡到臨界承載狀態(tài)。張掖市、酒泉市、嘉峪關(guān)市水資源承載力綜合水平分別在2008年、2010年、2011年發(fā)生了突變。究其原因，張掖市的水資源承載力綜合水平突變與當(dāng)?shù)禺?dāng)年的節(jié)水灌溉率提高和萬元工業(yè)增加值用水量減小有關(guān)； 酒泉市水資源承載力綜合水平突變與當(dāng)?shù)禺?dāng)年社會系統(tǒng)的農(nóng)村居民生活用水定額下降、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的萬元工業(yè)增加值用水量減少等因素有關(guān)； 嘉峪關(guān)市水資源承載力綜合水平突變是由當(dāng)?shù)禺?dāng)年生態(tài)系統(tǒng)中萬元工業(yè)增加值污水排放量、萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量以及萬元工業(yè)增加值用水量的減少造成的。水資源系統(tǒng)除張掖以外其他4市基期和報告期都處于強(qiáng)赤字承載狀態(tài)，張掖處于臨界承載狀態(tài)，張掖水資源系統(tǒng)評價關(guān)聯(lián)度2003年為-0.033 2， 2015年下降為-0.033 5。武威、金昌、酒泉、嘉峪關(guān)的水資源系統(tǒng)評價關(guān)聯(lián)度分別從2003年的-0.011 0、0.042 8、-0.044 2、0.022 6上升為-0.000 9、0.043 3、-0.028 2、0.093 1。社會系統(tǒng)武威、張掖、酒泉基期和報告期都處在基本可承載狀態(tài)，金昌一直穩(wěn)定在臨界承載狀態(tài)，嘉峪關(guān)由基本可承載波動演變?yōu)榕R界承載。經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)都從強(qiáng)赤字承載波動演變?yōu)榕R界承載。生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢：武威、張掖從強(qiáng)赤字承載波動上升為弱赤字承載狀態(tài)，金昌、酒泉、嘉峪關(guān)從強(qiáng)赤字承載演變?yōu)榕R界承載狀態(tài)。表明，自2003年提出科學(xué)發(fā)展觀以來，河西走廊地區(qū)不斷推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，引導(dǎo)資源合理配置，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)，走出了一條科技含量較高、經(jīng)濟(jì)效益較高、環(huán)境污染較少的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展模式，探索出了一條基本適合該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的“農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、新型工業(yè)化和城鎮(zhèn)化道路”。然而，由于日照強(qiáng)、蒸發(fā)快、降雨量少等自然原因造成的水資源短缺，再加上工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷增長對水資源需求的不斷增加，該區(qū)域水資源與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的矛盾仍然十分突出。

3.3 河西走廊仿真情景期2016～2025年水資源承載力評價結(jié)果

河西走廊五市仿真情景期(2016～2025)水資源承載力評價結(jié)果見圖6～10。

圖5 嘉峪關(guān)市水資源承載力評價 圖6 武威市水資源承載力評價

圖7 金昌市水資源承載力評價 圖8 張掖市水資源承載力評價

圖9 酒泉市水資源承載力評價 圖10 嘉峪關(guān)市水資源承載力評價

2016～2025年，除嘉峪關(guān)外，水資源承載力綜合水平均呈逐步上升態(tài)勢，武威和張掖從臨界承載逐步上升為盈余可承載狀態(tài)，金昌和酒泉由臨界承載逐漸演變?yōu)榛究沙休d狀態(tài)，而嘉峪關(guān)雖然一直處于強(qiáng)赤字承載狀態(tài)，但對應(yīng)的關(guān)聯(lián)度已經(jīng)從2015年的-0.073下降為-0.259，表明該區(qū)域水資源承載力綜合水平有所提升。水資源系統(tǒng)張掖和酒泉分別從臨界承載、弱赤字承載上升為基本可承載和臨界承載狀態(tài)； 武威和金昌都處在強(qiáng)赤字承載狀態(tài)，而關(guān)聯(lián)度分別從2016年的0.011、0.068下降為2025年0.002、0.057； 一直處于弱赤字承載狀態(tài)的嘉峪關(guān)其關(guān)聯(lián)度從基期的0.108下降為報告期的0.024； 表明水資源系統(tǒng)承載情況整體有所改善。社會系統(tǒng)武威、張掖、酒泉處于基本可承載狀態(tài)，金昌和嘉峪關(guān)從臨界承載上升為基本可承載狀態(tài)。經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)武威和酒泉從臨界承載上升為基本可承載狀態(tài)，金昌、張掖和嘉峪關(guān)由臨界狀態(tài)演變?yōu)橛嗫沙休d狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)武威、金昌和酒泉分別由基本可承載、臨界承載、弱赤字承載逐漸演變?yōu)橛嗫沙休d、基本可承載、臨界承載狀態(tài)； 張掖一直處于基本可承載狀態(tài)，嘉峪關(guān)一直穩(wěn)定在盈余可承載狀態(tài)，其評價水平主要受到生態(tài)用水率的影響，嘉峪關(guān)的生態(tài)用水率都高于10%。測評結(jié)果表明到2025年河西走廊地區(qū)隨著水資源管控力度的加大、經(jīng)濟(jì)增長方式的轉(zhuǎn)變以及“一帶一路”戰(zhàn)略的部署實施該區(qū)域?qū)⒒窘ǔ煽萍夹汀⒐?jié)水型、生態(tài)型、綠色型、外向型、創(chuàng)新型的社會經(jīng)濟(jì)生態(tài)長廊。

4 結(jié)論

2003～2015年，河西走廊水資源承載力綜合水平整體上呈波動上升態(tài)勢，武威市從強(qiáng)赤字承載波動上升為弱赤字承載。金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)從強(qiáng)赤字承載過渡到臨界承載狀態(tài)。水資源系統(tǒng)是制約其綜合承載力上升的主要因素，農(nóng)業(yè)用水比重過大，效益不高，水資源開發(fā)利用率明顯偏高。

2016～2025年，河西走廊水資源承載力綜合水平總體上呈逐步上升態(tài)勢。農(nóng)業(yè)用水量比重有所下降，萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量不斷下降，萬元工業(yè)增加值用水效益明顯提升，水資源系統(tǒng)狀況明顯改善，表明社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展減壓是提高水資源承載力的主要措施，但水資源仍處在超負(fù)荷利用階段，水資源進(jìn)一步開發(fā)利用潛力有限。

該文采用可拓綜合評價對河西走廊地區(qū)水資源承載力進(jìn)行評價，是研究方法的一次嘗試。由于研究選取指標(biāo)的代表性和樣本選擇時間周期以及繪制曲線和預(yù)測模型的精度等原因，都可能會對研究結(jié)果的準(zhǔn)確度產(chǎn)生一定影響。但2003～2015年的研究結(jié)論基本符合該區(qū)域水資源利用及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)狀，能夠比較客觀反映其變化特征； 2016～2025仿真情景的研究結(jié)論有待該區(qū)域未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源開發(fā)利用狀況進(jìn)一步驗證。

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