吐魯番地區(qū)水資源-經濟-生態(tài)耦合協(xié)調發(fā)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(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046；2.新疆大學資源與環(huán)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(tǒng)通過各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象[1]。耦合度表示系統(tǒng)間相互作用程度的強弱，沒有利弊之分；耦合協(xié)調度則表示相互作用中良性耦合程度的大小，體現(xiàn)了協(xié)調狀況好壞程度。人類與生態(tài)環(huán)境之間的彼此作用從而導致了人類～自然耦合系統(tǒng)(Coupled Human And Natural Systems, CHANS) 的形成和發(fā)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(lián)合國環(huán)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(tǒng)動態(tài)項目等[3]。

隨著社會經濟發(fā)展，人類所面臨的資源，經濟和生態(tài)環(huán)境之間的矛盾日益強化，經濟和生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調發(fā)展已成為可持續(xù)發(fā)展的研究熱點之一。資源，經濟與生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調發(fā)展是人類發(fā)展追求的永恒目標[4]。水資源，經濟，生態(tài)系統(tǒng)耦合是自然資源和生態(tài)環(huán)境支撐系統(tǒng)與社會經濟發(fā)展系統(tǒng)間相互作用、相互脅迫，由低級共生向高級協(xié)調發(fā)展的過程[5]。資源，生態(tài)，經濟系統(tǒng)存在著交互耦合的互動關系，而協(xié)調度反映了社會經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境及資源之間的最佳匹配狀態(tài)[6]。楊士弘[7]于1994年首次運用協(xié)調度分析和預測廣州市生態(tài)與經濟協(xié)調發(fā)展狀況, 喬標[8,9]、方創(chuàng)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(xiàn)生態(tài)經濟系統(tǒng)耦合關系的系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)耦合度進行了分析評價。張勝武[15]等研究了干旱區(qū)內陸河流域城鎮(zhèn)化與水資源的耦合機制。

Forrester、Meadows等通過對世界發(fā)展模型包括城市發(fā)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(qū)是我國干旱區(qū)典型的破碎綠洲，自然環(huán)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(yè)和工業(yè)的發(fā)展，加劇了該地區(qū)資源與經濟生態(tài)、環(huán)境的失衡，引發(fā)了各種生態(tài)環(huán)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(qū)水資源-經濟-生態(tài)如何協(xié)調發(fā)展是該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。本研究基于已有的CHANS理論基礎，將人與自然系統(tǒng)細化為水資源～經濟～生態(tài)系統(tǒng)，并結合耦合模型及耦合協(xié)調度模型計算吐魯番地區(qū)水資源-經濟-生態(tài)系統(tǒng)的耦合度及耦合協(xié)調度，為吐魯番地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供有效建議。

1 研究區(qū)概況

吐魯番地區(qū)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(huán)繞。該盆地西寬東窄，北高南低，區(qū)內大部分地區(qū)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(qū)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(tài)環(huán)境問題日益凸顯。

圖1 研究區(qū)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(qū)。區(qū)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(xiāng)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(yè)體系。農業(yè)以葡萄和哈密瓜種植為主。此外，近年來吐魯番市以旅游業(yè)為核心的第三產業(yè)也取得了長足發(fā)展。但日益匱乏的水資源已經成為制約該區(qū)進一步發(fā)展的重要因素。實現(xiàn)水資源的有效利用，促進吐魯番地區(qū)社會經濟可持續(xù)發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

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

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(jù)研究內容的需要、數(shù)據(jù)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(tǒng)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(yè)用水(億m3) 、農業(yè)用水(億m3)；從經濟子系統(tǒng)中選取符合條件的6個指標：第二產業(yè)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(tǒng)的評價指標；從生態(tài)子系統(tǒng)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(yè)廢水排放達標率(%)、工業(yè)廢水排放量(萬t)、工業(yè)固體廢物生產量(萬t)、工業(yè)廢氣排放總量(萬m3)作為生態(tài)環(huán)境的子系統(tǒng)的評價指標。

2.3 耦合協(xié)調度模型和計算方法

首先，對原始數(shù)據(jù)進行無量綱處理，其目的是為了消除原始數(shù)據(jù)因量綱不同而造成數(shù)據(jù)處理不便。用x′iy′i和z′k分別為描述水資源、經濟和生態(tài)環(huán)境特征的具體指標。對初始數(shù)據(jù)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(tài)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(tǒng)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(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的權重，我們將其定義為bi、ci。

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

(3)

(4)

(5)

依據(jù)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(tǒng)，即水資源子系統(tǒng)，經濟子系統(tǒng)，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，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(tǒng)之間作用的強度的指標，并不能反應系統(tǒng)之間的協(xié)調度。因此要引入耦合協(xié)調度模型(公式(8))來計算耦合協(xié)調度，耦合協(xié)調度能反映耦合狀況和水資源，經濟和生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調程度。

(8)

式中；C為耦合度；D為耦合協(xié)調度；T為水資源-經濟-生態(tài)環(huán)境大系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)；α、β、δ為待定系數(shù)。

吐魯番地區(qū)作為非常典型的干旱區(qū)，水資源是該地區(qū)發(fā)展最為關鍵的因素，同時水資源也是水資源～經濟～生態(tài)這個大的系統(tǒng)中最基本的子系統(tǒng)，而在生態(tài)環(huán)境極為脆弱的吐魯番，生態(tài)環(huán)境是人類生存和經濟發(fā)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(shù)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(qū)環(huán)境和經濟耦合協(xié)調度劃分的標準，對吐魯番地區(qū)的水資源，經濟、生態(tài)環(huán)境進行耦合協(xié)調類型的劃分。

3 結果分析

3.1 水資源—經濟—生態(tài)三大系統(tǒng)耦合協(xié)調度計算

利用公式(1)對各原始數(shù)據(jù)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(tǒng)計軟件，結合公式(2)計算出各子系統(tǒng)各指標的權重。如表2所示。

表1 耦合協(xié)調度和耦合協(xié)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(tǒng)的綜合評價指數(shù)、經濟子系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)和生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(shù)f(x)、g(y)和h(z)；依據(jù)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(tài)系統(tǒng)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(jù)公式(8)計算出水資源—經濟—生態(tài)這個大系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)T及耦合協(xié)調度D。如表3所示。

由于綜合得分值越高，則發(fā)展速度越快，得分越低則發(fā)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(tài)綜合指數(shù)及耦合度、耦合協(xié)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(tài)滯后型，當f(x)=g(y)=h(z)時，為協(xié)同發(fā)展型。根據(jù)計算結果，吐魯番地區(qū)2001-2013年的耦合協(xié)調類型及發(fā)展類型劃分如表4。

表4 吐魯番地區(qū)水資源—經濟—生態(tài)耦合協(xié)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(tài)系統(tǒng)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(tǒng)中權重如表2所示。水資源子系統(tǒng)中，權重占前三位的指標有地表水，地下水和農業(yè)用水，權重分別為0.280、0.281、0.250，相較于其他地區(qū)，吐魯番地區(qū)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(tǒng)中的貢獻比較大，同時，吐魯番地區(qū)發(fā)展綠洲農業(yè)，無水不成綠洲，該地區(qū)的農業(yè)用水量占到水資源使用量的95%以上，而工業(yè)用水所占比例不足5%，農業(yè)用水對水資源子系統(tǒng)的貢獻僅次于地表水和地下水，而工業(yè)用水的貢獻最小(0.103)。經濟子系統(tǒng)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(fā)展中的重中之重。生態(tài)子系統(tǒng)中，貢獻為前三位的是工業(yè)固體廢物生產量(0.229)、工業(yè)廢氣排放量(0.221)和人均公共綠地面積(0.216)，吐魯番地區(qū)生態(tài)環(huán)境自身脆弱，近年工業(yè)發(fā)展為該地區(qū)帶來經濟效益的同時也加重該地區(qū)的環(huán)境負擔，工業(yè)廢物生產量和工業(yè)廢氣排放量所占權重較大，人均綠地面積也是今后生態(tài)環(huán)境建設中的關鍵。

3.2.2 水資源—經濟—生態(tài)系統(tǒng)耦合及耦合協(xié)調度分析

從表3可以看出，水資源子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)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(qū)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(yè)用水量。2009年該地區(qū)地表水已不能滿足當?shù)氐纳a生活需要，而從其他地區(qū)調水并未實現(xiàn)，為了生存發(fā)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(tài)環(huán)境問題不容小覷。經濟子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)除了在2010年(0.498)低于2009年，其余各年都呈攀升態(tài)勢，2009年該地區(qū)的水資源供應不足問題也影響到了經濟發(fā)展。生態(tài)子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)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(jié)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(tài)環(huán)境發(fā)展較慢。

水資源—經濟—生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)一直處于上升狀態(tài)，整個大系統(tǒng)的發(fā)展狀況良好。從耦合度和耦合協(xié)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(xié)調度在2013年也達到0.823，也就是達到了良好耦合協(xié)調的水平。盡管水資源子系統(tǒng)和經濟子系統(tǒng)以及生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)在某一年的綜合評價指數(shù)比較低，發(fā)展狀況不太好，但是在人類活動干預及政策調整下，子系統(tǒng)會在一兩年之類恢復，而整個水資源—經濟—生態(tài)系統(tǒng)并未受到大的影響，這就說明在人與自然耦合系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展起著關鍵作用。

3.2.3水資源—經濟—生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調類型及發(fā)展等級劃分

從表4可以看出，2001年，吐魯番地區(qū)的耦合協(xié)調類型為中度失調衰退類型，耦合協(xié)調度只有0.275，當時該地區(qū)經濟發(fā)展緩慢，當?shù)厝说沫h(huán)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(fā)展等級是經濟滯后型。2002-2005年該區(qū)耦合協(xié)調類型雖然有所變化，但發(fā)展等級依然是經濟滯后型，耦合協(xié)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(fā)展緩慢，但水資源和生態(tài)環(huán)境發(fā)展協(xié)調。2006-2009年發(fā)展類型為生態(tài)滯后型，耦合協(xié)調度類型分別為瀕臨失調衰退類型、勉強耦合協(xié)調類型、勉強耦合協(xié)調類型、初級耦合協(xié)調類型，這4年，該地區(qū)的經濟發(fā)展速度較快，但經濟發(fā)展與水資源、生態(tài)基本保持協(xié)調發(fā)展狀態(tài)。2010-2013年耦合協(xié)調度類型分別為中級耦合協(xié)調類型、中級耦合協(xié)調類型、中級耦合協(xié)調類型、良好耦合協(xié)調類型，發(fā)展類型為水資源滯后型，說明當?shù)亟洕l(fā)展水平較好，與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展，但水資源供應還需加強。

3.3 各子系統(tǒng)評價指數(shù)與耦合度及耦合協(xié)調度的時間序列性

水資源子系統(tǒng)，經濟子系統(tǒng)，生態(tài)子系統(tǒng)以及水資源—經濟—生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)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(tài)耦合度及耦合協(xié)調度趨勢基本一致。但是，水資源綜合評價指數(shù)和生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(shù)波動較大，從圖2可以看出，水資源綜合評價指數(shù)較大的年份，生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(shù)也會呈現(xiàn)與之一致的波動，同時，耦合度也會呈現(xiàn)相對應的波動，這說明水資源—經濟—生態(tài)系統(tǒng)的耦合度對水資源和生態(tài)環(huán)境的變化是非常敏感的。耦合協(xié)調度，經濟綜合評價指數(shù)和水資源—經濟—生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)波動較小上升趨勢比較穩(wěn)定。

圖2 評價指數(shù)、耦合度及耦合協(xié)調度發(fā)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(qū)水資源、經濟，生態(tài)各子系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)，水資源—經濟—生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)，以及系統(tǒng)的耦合度及耦合協(xié)調度，我們可以得出：隨著社會經濟的發(fā)展，這些指數(shù)都是不斷上升的，這說明，盡管經濟發(fā)展給吐魯番地區(qū)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(tài)系統(tǒng)向著良性循環(huán)發(fā)展。2001-2006年期間，吐魯番地區(qū)的經濟發(fā)展指數(shù)較低，水資源和生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(shù)較高，說明雖然當時的經濟發(fā)展滯后，但是資源和環(huán)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(yè)耗水量大量減少，2005年的水資源綜合指數(shù)在這幾年間最高；2006-2008年，該地區(qū)開始大力發(fā)展經濟，但是由于處于經濟快速發(fā)展的初步期，耗水量較少，而且對于資源與環(huán)境的破壞并不突出，因此這一階段經濟發(fā)展與水資源、生態(tài)環(huán)境較為協(xié)調；2009-2013年，由于經濟發(fā)展已有一定的基礎，這一階段經濟發(fā)展較快，耗水量較多，因該地區(qū)水資源十分短缺，這一時期的經濟發(fā)展已對水資源供應造成一定壓力，而且由于工業(yè)和建筑業(yè)快速發(fā)展，工業(yè)三廢排放量迅速增加，對生態(tài)環(huán)境造成的污染較為嚴重。雖然吐魯番地區(qū)水資源所面臨形勢十分嚴峻，但水資源—經濟—生態(tài)系統(tǒng)的耦合協(xié)調度也在2013年達到了良好耦合協(xié)調模型，吐魯番地區(qū)的水資源，經濟，生態(tài)環(huán)境基本能夠協(xié)調發(fā)展。

在發(fā)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(xiàn)階段，經濟發(fā)展速度較快，但水資源還是非常短缺，任何發(fā)展都不能以破壞生態(tài)環(huán)境和水資源安全為代價。②吐魯番地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，極易受到破壞，隨著社會經濟發(fā)展，生態(tài)環(huán)境面臨的威脅日益嚴重，減少工業(yè)污染，增加植樹造林面積等措施可緩解此威脅。③要優(yōu)化水資源配置，使水資源得到合理利用，同時，要采取節(jié)水措施，加強節(jié)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(qū)域經濟協(xié)調發(fā)展。經濟發(fā)展要以長遠計，這樣水資源水資源—經濟—生態(tài)系統(tǒng)才能協(xié)調發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展才能得以保證。

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