基于和諧論的黑河流域“水-經濟-生態”發展結構評價與預測

吳 婕，丁 林

（甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

水資源是支持人類生存的珍貴資源，同時也是社會經濟發展和維持生態環境重要物質基礎，水資源在發展社會經濟過程中發揮了非常重要的作用［1］。然而隨著社會經濟快速發展，人類生產生活對水資源的需求日益增長，與生態用水之間為爭奪有限水資源而產生矛盾，所遇到的水資源問題也日益突出［2］。水資源是社會經濟、生態環境等各系統共同的承載主體，如果為了只追求發展經濟而過度開發有限水資源，勢必突破生態環境及水資源的承載能力，就會使水資源環境失去平衡，生態環境將遭到破壞，進而嚴重威脅到人類生存與發展。為保障社會經濟可持續發展和維持生態環境和諧穩定，必須尋求一種平衡，使得水資源開發利用程度達到某一適宜水平，讓可持續利用的水資源支撐經濟社會的可持續發展，實現人與自然和諧共生［3］。

近年來，如何實現水資源的可持續利用與社會經濟生態環境的和諧、協調發展已成為研究熱點，許多學者并對此開展了相關研究。左其亭［3，4］基于和諧論開展了人水和諧評價指標及其量化方法，并將建立的和諧平衡模型應用于河南省；趙翔等［1］利用灰色關聯方法篩選14個指標并建立和諧度評價模型，評價余姚市水資源與社會經濟生態環境協調程度2007 年處于較高水平；戴會超等［5］從城市人水客觀和諧與主觀和諧兩個方面，建立了城市人水和諧的評價指標與評價計算模型；梁士奎等［6］以人水和諧為目標，以區域取用水總量、用水效率和納污能力為控制指標，采用人水和諧量化方法，進行了水資源配置結果和諧度分析；胡智丹等［7］建立了用水總量控制及流域治理效果評估指標體系，通過量化指標評分值和指標權重，采用加權平均方法進行綜合評估；徐建芳等［8］建立了水資源利用和諧度評價數學模型，評價結果顯示余姚市近年來水資源利用是科學、和諧；張成鳳等［9］利用區間層次分析法對榆林市水資源配置系統的后效進行和諧性評價，相比常用的評價方法其配置方案更具有較好的適應性；王強等［10］基于可持續發展、和諧理論建立水資源配置和諧性評價體系，并對某市現狀進行研究；陸賽等［11］建立基于信息熵的協調度評價模型構建了人水和諧評價指標體系，評價蘇州市近年來人水和諧協調發展度呈上升趨勢；鄭二偉等［12］基于和諧論構建建立了地下水可持續利用評價體系，對河南省2001—2018 年18 個地市地下水可持續利用狀況進行評價；崔建偉等［13］對從人水和諧論和量化方法進行總結，并用于水資源利用現狀定量評價。王大洋等［14］采用SMI-P 法構建人水和諧度量化評價模型，并以層次分析-模糊變權法對23 個指標確定權重，分析廣西區域2010-2015 年水和諧情況。上述研究主要集中水資源與經濟、社會等的和諧發展和流域綜合治理等方面，對已經地表水過度開發的流域，考慮水-經濟-生態和諧統一的發展研究較少，在前人研究基礎上，基于和諧理論以及水資源與社會經濟、生態環境之間的相互關系，結合黑河流域地表水過度開發的實際情況，對三者協調發展評價進行初步探討，以期為治理流域提供決策參考。

1 黑河流域用水現狀

黑河是我國較大的一條內陸河，干流約長800 km［15］，流經甘肅張掖市、酒泉市、嘉峪關市，據統計，2015 年黑河流域總供水量38.13 億m3，其中地表水供水量27.36 億m3，占總供水量的71.75%；黑河流域總用水量38.13 億m3，其中農業灌溉用水31.24 億m3，占總用水量的81.93%，而工業用水為1.70 億m3，僅占總用水量的4.46%；黑河流域總耗水量26.73 億m3，其中農業灌溉耗水22.67 億m3，占總用水量的72.59%。可見，黑河流域經濟效益較差的農業灌溉用水占比偏大，耗水量也以農業灌溉耗水量為主，用水結構還未得到優化。

2015年甘肅省地表水資源開發利用率為31.92%，其中內流河流域水資源開發利用率高達97.07%，而內流河流域中黑河流域地表水資源開發利用率最高，達到131.27%，屬于過度開發區，嚴重影響當地生態環境［16］。

2 地表水過度開發區“水-經濟-生態”和諧性評價體系及量化方法

2.1 地表水過度開發區“水-經濟-生態”和諧性指標體系建立

地表水過度開發區以協調流域生態建設、經濟社會發展、優化水土資源配置為目標，綜合國內外水資源管理等方面研究文獻，結合黑河流域實際情況，基于和諧理論、可持續發展理論和系統科學的方法，提出了“水-經濟-生態”系統和諧性評價指標體系。為有效評價地表水過度開發區社會經濟、水環境及生態環境系統，采用1990 年OECD 提出的PSR 概念建立模型，綜合考慮可持續性、整體性、系統性與可持續性相結合、典型性及針對性原則［17，18］，建立科學可行的“水-經濟-生態”系統和諧性評價指標體系，整個指標體系分為3 層，由高到低分別為目標層、系統層和指標層。和諧性評價指標體系結構見圖1。

圖1 地表水過度開發區“水-經濟-生態”和諧性評價指標體系結構圖

目標層綜合反應水資源系統和人類社會相互協調和共同發展的程度，用綜合和諧度表示某個地區水資源系統和人類社會和諧發展的總體程度、總體效果及總體態勢。

系統層包含3個子目標，分別從社會經濟系統、生態環境系統以及水資源利用系統方面衡量整個“人水自然環境”系統和諧。

指標層按照子系統不同性質、考慮數據來源的可靠性，分析研究流域的系統結構和要素，篩選可操作性、代表性、系統性、科學性的指標［19，22］，結合黑河流域社會經濟、水資源等現狀及未來規劃，選取能夠表達各個子系統特征的14項評價指標。

2.2 評價方法

對地表水過度開發區“水-經濟-生態”系統和諧性評價采用較為普遍的綜合指數法，該方法用來進行和諧度分析，包括單項指標子和諧度計算、系統層和諧度計算和目標層綜合和諧度的計算。其首先對評價指標消除量綱效應，進行數據歸一化處理；其次根據各個指標在整個系統中的影響程度，選用層次分析法（AHP）進行參數賦權；然后將各單元無量綱指數和各參數權重進行加權平均計算系統層和諧度值，最后根據各系統和諧度的權重，加權計算綜合目標層和諧度。

單項指標子和諧度根據研究區域實際情況，采用指數小于l 的冪函數y=a+bx1/2進行模型計算，該函數數值介于0～1 之間，規定極小值、平均值和極大值對應0、0.5、1 子和諧度值，任意指標代入該冪函數以便求出子和諧度。

系統層和諧度計算公式為：

式中：H為系統和諧度值的大小；Hi、ωi分別為第i個指標的和諧度數值和權重。

“水-經濟-生態”綜合和諧度計算公式為：

式中：WH為流域“水-經濟-生態”綜合和諧度；Hj、ωj為第j個系統的和諧度數值和權重。

2.3 和諧等級劃分

為了直觀表現地表水過度開發區不同時期和諧程度，參照相關文獻和規定，將和諧度數值以0.2 為間隔劃分為5 個等級，具體劃分標準見表1。

表1 和諧等級劃分標準

3 基于量化和諧論的黑河流域評價指標子和諧度模型的確定

根據國際公認的一些指標值和各種標準，再參考近年來我國社會人口和經濟發展的實際狀況，確定了甘肅省地表水過度開發區“水-經濟-生態”和諧性指標體系中指標的核算標準，見表2；將和諧性指標體系中的各項指標平均值對應的子和諧度定為0.5，并根據評價的冪函數建立指標子和諧度評價模型見表3。

表2 黑河流域“水-經濟-生態”指標體系及子和諧度核算標準

表3 黑河流域“水-經濟-生態”和諧評價指標子和諧度模型

4 黑河流域“水-經濟-生態”不同情景和諧度計算與分析

4.1 不同發展情景確定

為確保黑河流域生產、生活、生態各個環節均衡協調發展，實現生活水平穩步提升、生態環境良性循環、生產經濟高效持續發展的目標，通過水資源優化配置、種植結構調整、大力推廣節水技術等措施有效降低農業灌溉用水，提高工農業水資源利用效率，從而降低地表水開發利用率。因此，黑河流域在2015年社會經濟、水資源利用保障和生態環境子系統政策不作任何調整的基礎上，未來發展情景方案設計中適當考慮政府相關規劃、計劃，圍繞經濟GDP 增長率、地表水開發利用率和農田灌溉水利用效率等來分析和調整，得出黑河流域未來發展的4 種情景規劃方案。通過“水-經濟-生態”不同情景和諧度性評價與分析，對黑河流域的和諧度做出預測，為黑河流域未來發展提供參考依據。

情景Ⅰ為黑河流域依據《甘肅省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃》、《甘肅省循環經濟總體規劃》、《甘肅省十三五高效節水灌溉發展規劃》等，社會經濟、生態環境和水資源利用保障系統不做任何調整，預測各系統的變化趨勢。

情景Ⅱ為實現生態目標，降低地表水開發利用率，在保證人民生活水平不會大幅降低的前提下，適度調整GDP增長率。

情景Ⅲ針對流域內農業用水量大，發展高效節水面積還有一定空間，且情景II 不能有效降低地表水開發利用率，實現河流生態健康可持續發展，因此在情景I的基礎上，保持GDP的增長速度不變，通過農作物種植結構調整、大力發展高效節水灌溉面積等措施，降低作物綜合凈灌溉定額，提高灌溉水利用系數，大幅度降低農業用水量，從而降低地表水開發利用率。

情景Ⅳ為確保實現流域生態目標，考慮到情景Ⅲ水利投資較大，實現起來有一定難度，因此考慮維持情景I中GDP的經濟增速不變，同時基于最嚴格水資源管理制度的核心——“三條紅線”，優化水資源配置、加大工業節水力度、推廣高效節水灌溉技術，提高用水效率，同時適當調整農田灌溉面積，以確保河流生態健康可持續發展。

以上4種情景下的各指標模擬值見表4-6。

表4 社會經濟系統指標值

表5 水資源利用保障系統指標值

表6 生態環境系統指標值 %

4.2 指標子和諧度計算及分析

根據表4-6及評價函數曲線計算得出黑河流域不同情景下2015 年、2020 年以及2030 年社會經濟系統、水資源利用保障系統、生態環境系統各個指標的子和諧度，計算結果見圖2-4。

圖2 不同情景下黑河流域社會經濟系統指標子和諧度變化圖

圖3 不同情景下黑河流域水資源利用保障系統指標子和諧度變化圖

圖4 不同情景下黑河流域生態環境系統指標子和諧度變化圖

4.3 綜合和諧度WH的計算與結果分析

由綜合指數評價法，計算出黑河流域“水-經濟-生態”指標體系綜合和諧度，結果見表7。

經計算，2015 年黑河流域社會經濟、水資源保障及生態環境系統和諧度分別為0.51、0.17、0.16，系統綜合和諧度為0.22，黑河流域隸屬等級為較不和諧；從表7 可知黑河流域2015 年到2030 年情景I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ綜合和諧度包括各子系統的和諧度都有所提高，其中社會經濟發展系統提高尤為明顯，其和諧度值均在0.5 以上，表明其對整個流域綜合和諧度貢獻較大，制約最小。2020年4種情景綜合和諧度相比2015年有所提高，但力度不大，隸屬等級還是較不和諧，且4 種情景的HU、HE 和諧度均低于0.5，是影響黑河流域“水-經濟-生態”不和諧的主要因素；2030 年，四種情景綜合和諧度雖均大于0.5，但情景Ⅰ、Ⅱ中HU、HE還是低于0.5，情景Ⅰ、Ⅱ隸屬等級為一般和諧，情景Ⅲ、Ⅳ的HS、HU、HE 均大于0.5，綜合和諧度大于0.6，隸屬等級均達到和諧，相比之下情景Ⅲ、Ⅳ是四個方案中相對較好的發展模式，說明這個兩個方案配置相對合理且適宜性較好。

表7 不同情景下黑河流域“水-經濟-生態”系統綜合和諧度

5 黑河流域“水-經濟-生態” 和諧發展結構預測

由以上的分析可知，黑河流域如果按以上任意一種情景發展下去，到2020 年和諧程度沒有得到有效改善，均達不到一般和諧，這是因為流域內產業調整不到位、水資源管理體制不到位、節水效率低，同時決策層多重視經濟發展，輕視生態環境的保護和治理，致使生態供水不足，進而引起生態環境惡化，導致和諧性評價最低，隸屬不和諧；2030年繼續調整政策，流域的和諧程度均有所改善，其中情景Ⅲ、Ⅳ優于情景Ⅰ、Ⅱ。

本項目推薦情景Ⅲ、情景Ⅳ為黑河流域“水-經濟-生態”和諧發展結構模式。

由表8 可知，黑河流域的情景Ⅲ、Ⅳ，到2030 年地表水開發利用率分別為70.7%、68.3%，比2015 年分別降低了60.57%、62.97%，使得黑河流域退出地表水過度開發區，成為正常開發區，從而實現了水-經濟-生態系統的良性循環，實現了河流生態健康可持續發展。

表8 黑河流域“水-經濟-生態”和諧發展不同結構模式情景表

6 結語

為確保黑河流域未來水資源、社會經濟、生態環境三者協調、共同發展，針對該流域地表水資源開發利用率較高的現狀，建立地表水過度開發區“水-經濟-生態”系統和諧性評價模型。黑河流域在適當考慮政府相關規劃，同時圍繞經濟GDP 增長率、地表水開發利用率和農田灌溉水利用效率等來分析和調整，確定流域未來發展的四種情景模式。采用和諧模型分析黑河流域不同情景模式下人水和諧程度，結果顯示不同情景下系統整體和諧性和各子系統和諧性均有不同提升，但2020年和諧程度還是隸屬于較不和諧等級，2030 年繼續調整政策，黑河流域在情景Ⅲ、Ⅳ和諧程度改善優于情景Ⅰ、Ⅱ，此結果比較符合黑河流域目前實際狀況。評價體系采用的線性隸屬度的方法，能夠對黑河流域“水-經濟-生態”系統和諧程度進行定量描述，其結果與流域實際情況總體相符，對探討水資源短缺的北方流域可持續發展具有借鑒意義，但“水-經濟-生態”系統是一個復雜的系統，地表水過度開發利用區形成因素不同，且建立的和諧性評價數學模型尚處于探索階段中，評價指標確定具有一定的個人主觀因素，進而影響了評價體系的適用性，這需要在今后研究工作進一步改進、完善。