甘肅水資源生態經濟系統能值分析評價

韓自奮 HAN Zi-fen；朱宏毅 ZHU Hong-yi；袁琛 YUAN Chen；游志剛 YOU Zhi-gang；張賽 ZHANG Sai

（①國網甘肅省電力公司，蘭州 730030；②國網甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州 730070）

0 引言

水資源生態經濟系統評價旨在分析水資源供需狀況、利用效率和服務價值，以及水資源對生態環境和經濟發展的影響[1]，是當前國際界研究熱點之一。我國西北地區水資源相對短缺，絕對需水日益增加，因生態環境需水不能擠占，系統規劃管理水資源面臨嚴峻挑戰，因此水資源生態經濟系統評價研究倍受重視。目前，相關研究已經開展并取得一些研究成果，如針對水電樞紐的水資源生態經濟系統評價，王思聰等提出服務價值評價方法，并探討水資源生態經濟系統評價中不同價值的統一度量[2]；張祥永通過建立水資源與生態耦合模型揭示我國近年水資源可持續性與生態系統服務耦合協調度的變化規律[3]；陳述通過研究水資源-經濟-生態系統的耦合關系發現長江流域水資源生態經濟系統協調度逐年上升[4]等。這些成果從不同層面探討水資源、生態環境和社會經濟三系統的價值及耦合協調關系，但不能反映系統之間的關系與貢獻率，進而不能解決三系統的最優結構配置及最優耦合協調問題。因此本文耦合水資源生態系統與水資源經濟系統為水資源生態經濟系統，并以甘肅為研究案例，基于能值分析區域水資源生態經濟系統，通過建立能值指標評價體系，主成分分析評價甘肅水資源生態經濟系統能值，旨在探討甘肅近十年來的發展劣勢項和優勢項及綜合發展問題，為甘肅未來經濟系統最優結構的有效配置提供技術支撐和數據支持。

1 研究區概況

甘肅平均海拔約1500-3000m，年均氣溫約0-15℃，全省年降水量從東南向西北遞減，年均降水量約300mm，最大值約734.9mm，最小值約36.6mm，常遭受干旱等自然災害，年徑流量大于1×108m3的河流78 條。據2022年統計，甘肅省地表水資源量238.3×108m3，人均水資源量956.1m3；全年總用水量110.2×108m3：生活用水量10.3×108m3，工業用水量6.3×108m3，農業用水量82.3×108m3，生態用水量11.3×108m3。全省常住人口2492.42×104人，地區生產總值11201.6×108元，人均地區生產總值44970 元，規模以上工業能源消費5344.4×104噸標準煤；省內斷面地表水質量監測良好比例為95.9%。

2 研究方法

2.1 水資源生態經濟系統

水資源生態經濟系統是由水資源生態系統和經濟系統通過技術系統耦合而成的復合系統。其中：水資源生態系統是由水資源、生態環境及社會環境的系統融合[5]，經濟系統是由社會再生產過程中的生產、交換、分配和消費等環節相互聯系和相互作用的多個經濟元素組成，技術系統是人類開發、利用、改造和保護自然物的物質手段、精神手段和信息手段的綜合體，在水資源生態系統和經濟系統耦合過程中起關鍵中介作用。水資源生態經濟系統優化發展的基礎是水資源、生態、經濟及其之間的相互協調。系統內的物質循環、能量轉換、信息傳遞和價值增殖等復雜多變的指標因子決定著系統的信息交換流量大、生態服務效應強、人類影響程度高和價值增殖能值多等特點。

2.2 能值分析法

2.2.1 能值分析的概念

能值是指某種形式能量中包含另一種形式能量的數量，通常能量最初都源自太陽能，因此太陽能常被用作衡量各種能量形式的基準。能值分析是研究某種流動或儲存的能量或物質在其產生過程中消耗另一種能量的量，是美國生態學家H.T.Odum 于20 世紀80年代提出的生態學理論[6-7]。該方法是以生態經濟系統為自組織系統，內部各種形式的能量隨系統運作流動而少部分以熵的形式散失，同時又以更高等級能量的形式流動。能值分析涉及環境生態學、資源能量學及社會經濟學[8]，對于合理利用自然資源，制定和實施經濟發展方針及可持續發展戰略都具有重要意義。

2.2.2 繪制能量系統圖

能值分析時，為明確系統結構、系統內外關系和能量流向，需繪制能量系統圖[9]（見圖1，實線表示能值流，虛線表示貨幣流）。

圖1 水資源生態經濟系統能量系統圖

2.3 能值指標體系構建

為有效評價水資源生態經濟系統，基于能量系統圖及能值分析表構建水資源生態經濟系統綜合能值指標體系如表1。

表1 水資源生態經濟系統的能值指標體系

2.4 主成分分析評價法

主成分分析是利用降維技術，簡化高維復雜問題，保留最重要的少數綜合變量，減少分析評價復雜性與工作量的方法；實際應用時：從重復交叉的諸多指標篩選能綜合反映系統綜合信息又具獨立性的變量；通過編程或SPSS軟件生成新的綜合指標；根據權重及主成分得分綜合評價系統[10]。

基本原理：根據需求選評價因子，依次記為x1、x2、…、xm；構造評價樣本，記為n 并轉為矩陣X；對X 進行正交變換等變形得新的綜合評價指標Fi可獲取主成分及其線性表達式：

式中：μi表示指標系數。絕對值越大則說明該指標對主成分的重要程度越大。

3 研究案例

3.1 數據來源及預處理

以甘肅省為研究案例，根據選自2011-2020年《甘肅省水資源公報》和《甘肅發展年鑒》等數據，推求可更新資源、能源自給率等25 個指標。因推求的各類數據單位各異，需標準化處理數據，采取min-max 標準化計算，通過熵權法計算各指標權重占比，從表1 中7 個準則層選取占比最高的指標進行主成分分析。

3.2 能值指標分析評價

3.2.1 能值指標計算

根據表1 計算甘肅省2011-2020年的系統能值、社會發展、經濟發展、自然環境、水資源及可持續發展，結果見表2。

表2 甘肅省2011-2020年各能值指標

3.2.2 能值指標評價

通過數據預處理及權重計算，各指標層權重最大為：能值交換率0.104、水資源投入率0.0659、可持續發展性能0.059、輸出能值0.0473、不可更新資源能值比率0.0465、能值投資率0.0405、能值密度0.0219，繪制2011-2020年7 個指標的變化曲線如圖2。

由圖2 可知：水資源投入率、不可更新資源能值和可持續發展性能在2011-2015年遞減，2015-2017年遞增，2017年后又下降。其中：不可更新資源能值2018-2019年維持不變，2019年后大幅上升；水資源投入率在2017-2019年遞減后又小幅增長；可持續發展性能在2017-2018年下降后逐年增長。輸出能值、能值密度和能值投資率逐年遞增至2015年達極大值，2015-2017年遞減，其中：能值投資率和能值密度于2017-2019年遞增，2019年出現下降趨勢；輸出能值于2017年出現增長后逐年遞減。能值交換率于2011-2015年基本保持不變，于2015-2019年逐年遞增至極大值，2019年出現下降趨勢。

3.3 主成分分析評價

通過熵權法選取權重較大的主要分析成分：水資源投入率、不可更新資源能值、可持續發展性能、輸出能值、能值密度、能值投資率和能值交換率，分析甘肅省2011-2020年水資源生態經濟系統影響成分可知：KMO 值為0.676，其Bartlett 球形檢驗結果符合標準，適合進行主成分分析。根據各成分的特征根及貢獻（表3）判斷本次分析有2 個主要成分：能值交換率和水資源投入率。

計算綜合評價指標：

F1=0.192×能值交換率-0.335×水資源投入率+0.019×可持續發展性能+0.04×輸出能值-0.21×不可更新資源能值比率+0.22×能值投資率+0.288×能值密度

F2=0.416×能值交換率-0.202×水資源投入率+0.325×可持續發展性能-0.27×輸出能值+0.032×不可更新資源能值比率-0.062×能值投資率+0.066×能值密度

可得：F=（0.517/0.936）×F1+（0.419/0.936）×F2。由因子權重=方差解釋率/旋轉后累積方差解釋率得：因子1 的權重為55.215%、因子2 的權重為44.785%，最終的綜合得分見表4。

表4 綜合得分

表4 顯示：2019年綜合得分最高，2018年次之，2011年最低。2011年綜合得分約-1.5，說明甘肅綜合發展水平當年較差；隨后，國家實施第十二個五年計劃等，可持續發展及環境保護得到重視，促使甘肅綜合經濟發展水平逐漸提升，2014年綜合得分>0，2019年達到最大值約1.3，因2019年末新冠疫情開始影響社會發展、經濟發展和水資源利用等，甘肅綜合發展水平又出現較大下降趨勢。發展中重要性順序：能值交換率>水資源投入率>可持續發展性能>輸出能值>不可更新資源能值比率>能值投資率>能值密度，說明甘肅在2011-2020年內重視發展經濟和水資源的開發利用，但自然環境和社會發展情況較差。

4 結論

①2011-2020年，甘肅經濟發展速度較快，但過度依賴資源出口和本地資源的開發利用，導致甘肅該時期自然環境負載率較高，可持續發展能力較差；同時人均能值較低、能值交換率較高，體現甘肅省未來開發潛力較高。②由于新冠疫情影響，2019年各項綜合發展均有下降趨勢；疫情恢復期，需充分開發利用水資源、加強開發旅游資源、及時調整進出口貿易，綜合考慮可持續性發展能力，提高水資源-生態-經濟的耦合度。③近10年內，甘肅水資源利用強度及人均使用量較低，需在未來發展中不斷重視水資源的開發利用，水資源承受的壓力需不斷調整并盡可能減小，在大力發展經濟的同時應與用水情況、自然生態保護相結合，以提高用水效率并不斷協調配置水資源，促進甘肅省可持續性發展。