塔里木河流域水資源-經濟社會-生態環境耦合系統和諧程度量化分析

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)

水資源是維持生態平衡、保障人類生存和經濟社會發展的戰略性、基礎性資源[1]。經濟社會的快速發展有助于提升國家或地區的經濟實力，促進社會繁榮穩定，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生態環境帶來嚴重負面影響[2-3]。水環境惡化和水資源過度開發利用等現象破壞地區水循環過程，進一步加劇水資源短缺現狀，進而抑制經濟社會發展，打破生態平衡[4-5]。水資源開發利用、經濟社會發展及生態環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、生態環境，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-生態環境耦合系統研究成為研究熱點。

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、經濟社會良性發展和生態環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利用、地區發展狀況和生態環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律和用水效率；劉昀東等[15]基于生態足跡模型研究了塔里木河流域1950—2015年的生態承載力和生態足跡的變化趨勢，并評估其可持續發展水平。從現有研究成果來看，分析塔里木河流域水資源-經濟社會-生態環境各要素之間互饋關系的研究較少，缺少系統全面定量描述各地州水-經濟-生態系統和諧水平和識別和諧發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-生態環境耦合系統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化配置和區域協調發展提供參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

塔里木河發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、克孜勒蘇柯爾克孜自治州(克州)、喀什地區、和田地區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 數據來源

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-生態環境耦合系統進行和諧程度量化研究。指標數據主要來源于各地州統計年鑒、《水資源公報》《新疆統計年鑒》《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-生態環境耦合系統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，所選指標主要涉及水資源稟賦、資源開發利用水平兩個方面；經濟社會子系統主要考慮地區經濟水平、社會發展狀況；生態環境子系統則主要體現地區水生態、水環境狀況。綜上，構建了包含水資源、經濟社會、生態環境3個準則層，產水模數、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]和國家規范，并考慮地區特性和實際狀況，確定各指標節點值，見表1。

圖1 和諧程度評價指標體系

表1 評價指標節點值

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值，而熵權法計算時以5個地州指標數據為樣本，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；D(wSk,wOk)為歐氏距離函數。

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f(Ckt)將各指標統一映射到[0，1]上，Ckt為指標k在t時刻的數值，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計算得到[24]，各指標節點具體取值見表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、生態環境子系統的和諧度：

(2)

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

2.3.3多準則集成

根據和諧量化的全面性準則，地區整體和諧度需要綜合考慮水資源、經濟社會、生態環境多個方面，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、生態環境3個子系統和諧度的權重，考慮各系統的相對重要程度及協同發展的必要性，均取1/3；Dt為t時刻耦合系統整體和諧度。基于上述量化步驟所得的指標、子系統、耦合系統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、客觀及組合權重數值，可以看出，水資源子系統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，經濟社會子系統分別為人均GDP和單方水糧食生產量，生態環境子系統則持續為地區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，表現為因樣本數據變化而導致的差異性；而對同一子系統，不同指標重要性排位并未發生明顯變化，表現為指標權重在時間尺度上的統一性；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 子系統及耦合系統和諧度

3.2.1水資源子系統

水資源、經濟社會、生態環境子系統及三者耦合系統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和諧程度在研究期內整體呈現上升趨勢，但地區之間差異明顯。其中，克州水資源子系統和諧程度相對較好，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，這主要得益于地區降水豐富、產流模數較大、人均水資源量多。相對而言，阿克蘇和喀什地區和諧程度均較差，和諧度在研究期內分別維持在0.278～0.376和0.286～0.366，持續處于較不和諧狀態，原因為水資源開發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

由圖2(b)可知，和田地區和諧程度最差，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，主要制約指標為人均GDP。與此同時，克州和喀什地區均由較不和諧上升為接近不和諧，且處于持續增長趨勢。阿克蘇地區和諧度則由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，主要得益于經濟發展，城鄉居民收入水平迅速提升。由于巴州人口密度較低，經濟發展受到一定程度的限制，在研究期內持續處于較不和諧狀態，和諧度增長比例最小，僅為28.1%。

3.2.3生態環境子系統

由圖2(c)可以看出，2007—2016年5地州生態環境改善效果顯著?？酥莺椭C度從0.213增長到0.628，增幅最大約195%，表明該地區節能減排、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，研究期內實現了向較和諧狀態的轉變。整體而言，目前大部分地區處于較和諧狀態且將繼續提升，其中2016年阿克蘇地區和諧度為0.770，即將達到基本和諧狀態。然而和田地區和諧程度仍較差，2016年處于較不和諧狀態，結合研究結果，該地區應重點關注降低萬元GDP氨氮排放水平，避免水體環境污染，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

綜合考慮3個子系統的和諧度計算得到耦合系統和諧度，見圖2(d)。由圖2(d)可知，在用水技術水平提升、經濟社會發展、生態環境保護等多方面的綜合作用下，各地區耦合系統和諧度整體處于持續提升狀態。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。相對而言，和田地區各子系統及耦合系統和諧度偏低，且該地區人均水資源量不確定性較大，和諧度變化呈現略微波動趨勢。時間尺度上，2012年后各地區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，目前大多數地區處于接近不和諧狀態，尚未出現基本和諧狀態，5地州和諧度仍存在較大進步空間。

(a) 水資源

3.3 子系統貢獻比例分析

基于上述和諧度量化結果，進一步探究各子系統對耦合系統和諧度的貢獻率及其時空差異，結果見圖3。由圖3可知，3個子系統貢獻比例變化趨勢為：水資源系統總體呈現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展及生態環境保護成效顯著，且能夠較好協調三者關系以維持良好發展狀態；經濟社會系統無明顯趨勢，具體來說，阿克蘇和喀什地區表現為先增后減，克州及和田地區雖為增加趨勢但所占份額仍較小，巴州則處于平穩變動狀態；生態環境系統呈現持續增加趨勢，目前巴州、阿克蘇和喀什地區均已超過水資源系統排在第一位，而和田地區在研究期內由22.3%增長為29.1%，增長速度略顯緩慢。

空間維度上，不同地區的子系統對耦合系統和諧度的貢獻率差異顯著。如，克州及和田地區水資源系統持續起主導作用，原因為該地區水資源相對豐富，故下一步可依托其良好的水資源稟賦加快經濟社會發展步伐，加大生態環境改善工作力度。相對而言，由于阿克蘇地區綠化建設程度及城鎮化率較高，本地水資源量不能滿足其發展需求，水資源系統和諧度較低，多年平均貢獻率僅24.1%，研究期內經濟社會和生態環境子系統起主要貢獻作用。同樣對于喀什地區，其水資源系統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展的制約因素。因此，上述地區應重點考慮從水資源優化配置、產業結構調整等方面入手研究以實現水資源的合理開發利用。

綜上所述，各子系統對耦合系統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值在研究期內的動態變化及地區差異性。因此，為實現區域協調發展，加快提升地區耦合系統和諧程度，各地州應相互借鑒先進經驗，實現優勢互補，在此基礎上尋求符合自身水資源稟賦、社會現狀、地理特征和區域特色的和諧發展模式。

3.4 促進地區和諧發展的對策

a. 水資源方面。各地州應依據水資源稟賦合理規劃以滿足其發展需求，對目前開發利用程度較高的阿克蘇和喀什地區，考慮“開源”和“節流”兩個方面，尋求新水源的同時加強節水宣傳教育，提升各行業節水意識；塔里木河流域管理部門應統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有限的水資源在五地州間的優化配置；此外，各地州均需加強對高耗水行業的管理，特別是阿克蘇和喀什地區，應注重引進先進用水技術，提升工農業用水技術水平。

(a) 巴州

b. 經濟社會方面。改革經濟社會發展模式，優化產業結構，考慮地區實際情況，政策引導增加第三產業所占份額，提升居民收入，尤其針對當前經濟發展較為滯后的和田地區；巴州、阿克蘇等地區應因地制宜，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人口密度，適當加快地區城市化進程，營造良好生活環境以滿足居民美好生活需求。

c. 生態環境方面。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，充分利用其水體自凈能力；控制作物化肥、農藥使用量，開發高效利用技術，控制污染傳播范圍以減少面源污染；提高污廢水回用率，保障地區生態用水，提高森林覆蓋率和建成區綠化覆蓋率，維持生態系統可持續性。

4 結 論

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

b. 耦合系統和諧度最好的地區為巴州，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，克州和阿克蘇地區稍次之，相對而言，和田及喀什地區起步狀態較差，各子系統及耦合系統和諧度在研究期內持續呈現顯著的滯后態勢。

c. 各地州子系統對耦合系統和諧度的貢獻率時空差異明顯。時間維度上，水資源系統總體呈現下降趨勢且較為明顯，經濟社會系統無明顯趨勢，生態環境系統呈現持續增加趨勢；空間維度上，克州及和田地區水資源系統持續起主導作用，巴州和喀什地區在研究期內由水資源系統轉為生態環境，而阿克蘇地區則保持由經濟社會和生態環境系統起主要貢獻作用。