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、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]?？赏鼐C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?、降雨量等變量來設(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?、降雨量、有效灌溉面積、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?！犊刂浦笜?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、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?、?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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