吳 婕，丁 林

（甘肅省水利科學(xué)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(jīng)濟(jì)發(fā)展和維持生態(tài)環(huán)境重要物質(zhì)基礎(chǔ)，水資源在發(fā)展社會經(jīng)濟(jì)過程中發(fā)揮了非常重要的作用［1］。然而隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人類生產(chǎn)生活對水資源的需求日益增長，與生態(tài)用水之間為爭奪有限水資源而產(chǎn)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(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等各系統(tǒng)共同的承載主體，如果為了只追求發(fā)展經(jīng)濟(jì)而過度開發(fā)有限水資源，勢必突破生態(tài)環(huán)境及水資源的承載能力，就會使水資源環(huán)境失去平衡，生態(tài)環(huán)境將遭到破壞，進(jìn)而嚴(yán)重威脅到人類生存與發(fā)展。為保障社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和維持生態(tài)環(huán)境和諧穩(wěn)定，必須尋求一種平衡，使得水資源開發(fā)利用程度達(dá)到某一適宜水平，讓可持續(xù)利用的水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)人與自然和諧共生［3］。

近年來，如何實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用與社會經(jīng)濟(jì)生態(tài)環(huán)境的和諧、協(xié)調(diào)發(fā)展已成為研究熱點(diǎn)，許多學(xué)者并對此開展了相關(guān)研究。左其亭［3，4］基于和諧論開展了人水和諧評價指標(biāo)及其量化方法，并將建立的和諧平衡模型應(yīng)用于河南省；趙翔等［1］利用灰色關(guān)聯(lián)方法篩選14個指標(biāo)并建立和諧度評價模型，評價余姚市水資源與社會經(jīng)濟(jì)生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)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(biāo)與評價計算模型；梁士奎等［6］以人水和諧為目標(biāo)，以區(qū)域取用水總量、用水效率和納污能力為控制指標(biāo)，采用人水和諧量化方法，進(jìn)行了水資源配置結(jié)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(biāo)體系，通過量化指標(biāo)評分值和指標(biāo)權(quán)重，采用加權(quán)平均方法進(jìn)行綜合評估；徐建芳等［8］建立了水資源利用和諧度評價數(shù)學(xué)模型，評價結(jié)果顯示余姚市近年來水資源利用是科學(xué)、和諧；張成鳳等［9］利用區(qū)間層次分析法對榆林市水資源配置系統(tǒng)的后效進(jìn)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(yīng)性；王強(qiáng)等［10］基于可持續(xù)發(fā)展、和諧理論建立水資源配置和諧性評價體系，并對某市現(xiàn)狀進(jìn)行研究；陸賽等［11］建立基于信息熵的協(xié)調(diào)度評價模型構(gòu)建了人水和諧評價指標(biāo)體系，評價蘇州市近年來人水和諧協(xié)調(diào)發(fā)展度呈上升趨勢；鄭二偉等［12］基于和諧論構(gòu)建建立了地下水可持續(xù)利用評價體系，對河南省2001—2018 年18 個地市地下水可持續(xù)利用狀況進(jìn)行評價；崔建偉等［13］對從人水和諧論和量化方法進(jìn)行總結(jié)，并用于水資源利用現(xiàn)狀定量評價。王大洋等［14］采用SMI-P 法構(gòu)建人水和諧度量化評價模型，并以層次分析-模糊變權(quán)法對23 個指標(biāo)確定權(quán)重，分析廣西區(qū)域2010-2015 年水和諧情況。上述研究主要集中水資源與經(jīng)濟(jì)、社會等的和諧發(fā)展和流域綜合治理等方面，對已經(jīng)地表水過度開發(fā)的流域，考慮水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)和諧統(tǒng)一的發(fā)展研究較少，在前人研究基礎(chǔ)上，基于和諧理論以及水資源與社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境之間的相互關(guān)系，結(jié)合黑河流域地表水過度開發(fā)的實際情況，對三者協(xié)調(diào)發(fā)展評價進(jìn)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(xiàn)狀

黑河是我國較大的一條內(nèi)陸河，干流約長800 km［15］，流經(jīng)甘肅張掖市、酒泉市、嘉峪關(guān)市，據(jù)統(tǒng)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(nóng)業(yè)灌溉用水31.24 億m3，占總用水量的81.93%，而工業(yè)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(nóng)業(yè)灌溉耗水22.67 億m3，占總用水量的72.59%。可見，黑河流域經(jīng)濟(jì)效益較差的農(nóng)業(yè)灌溉用水占比偏大，耗水量也以農(nóng)業(yè)灌溉耗水量為主，用水結(jié)構(gòu)還未得到優(yōu)化。

2015年甘肅省地表水資源開發(fā)利用率為31.92%，其中內(nèi)流河流域水資源開發(fā)利用率高達(dá)97.07%，而內(nèi)流河流域中黑河流域地表水資源開發(fā)利用率最高，達(dá)到131.27%，屬于過度開發(fā)區(qū)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境［16］。

2 地表水過度開發(fā)區(qū)“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”和諧性評價體系及量化方法

2.1 地表水過度開發(fā)區(qū)“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”和諧性指標(biāo)體系建立

地表水過度開發(fā)區(qū)以協(xié)調(diào)流域生態(tài)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、優(yōu)化水土資源配置為目標(biāo)，綜合國內(nèi)外水資源管理等方面研究文獻(xiàn)，結(jié)合黑河流域?qū)嶋H情況，基于和諧理論、可持續(xù)發(fā)展理論和系統(tǒng)科學(xué)的方法，提出了“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”系統(tǒng)和諧性評價指標(biāo)體系。為有效評價地表水過度開發(fā)區(qū)社會經(jīng)濟(jì)、水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，采用1990 年OECD 提出的PSR 概念建立模型，綜合考慮可持續(xù)性、整體性、系統(tǒng)性與可持續(xù)性相結(jié)合、典型性及針對性原則［17，18］，建立科學(xué)可行的“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”系統(tǒng)和諧性評價指標(biāo)體系，整個指標(biāo)體系分為3 層，由高到低分別為目標(biāo)層、系統(tǒng)層和指標(biāo)層。和諧性評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 地表水過度開發(fā)區(qū)“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”和諧性評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖

目標(biāo)層綜合反應(yīng)水資源系統(tǒng)和人類社會相互協(xié)調(diào)和共同發(fā)展的程度，用綜合和諧度表示某個地區(qū)水資源系統(tǒng)和人類社會和諧發(fā)展的總體程度、總體效果及總體態(tài)勢。

系統(tǒng)層包含3個子目標(biāo)，分別從社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)以及水資源利用系統(tǒng)方面衡量整個“人水自然環(huán)境”系統(tǒng)和諧。

指標(biāo)層按照子系統(tǒng)不同性質(zhì)、考慮數(shù)據(jù)來源的可靠性，分析研究流域的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和要素，篩選可操作性、代表性、系統(tǒng)性、科學(xué)性的指標(biāo)［19，22］，結(jié)合黑河流域社會經(jīng)濟(jì)、水資源等現(xiàn)狀及未來規(guī)劃，選取能夠表達(dá)各個子系統(tǒng)特征的14項評價指標(biāo)。

2.2 評價方法

對地表水過度開發(fā)區(qū)“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”系統(tǒng)和諧性評價采用較為普遍的綜合指數(shù)法，該方法用來進(jìn)行和諧度分析，包括單項指標(biāo)子和諧度計算、系統(tǒng)層和諧度計算和目標(biāo)層綜合和諧度的計算。其首先對評價指標(biāo)消除量綱效應(yīng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理；其次根據(jù)各個指標(biāo)在整個系統(tǒng)中的影響程度，選用層次分析法（AHP）進(jìn)行參數(shù)賦權(quán)；然后將各單元無量綱指數(shù)和各參數(shù)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均計算系統(tǒng)層和諧度值，最后根據(jù)各系統(tǒng)和諧度的權(quán)重，加權(quán)計算綜合目標(biāo)層和諧度。

單項指標(biāo)子和諧度根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況，采用指數(shù)小于l 的冪函數(shù)y=a+bx1/2進(jìn)行模型計算，該函數(shù)數(shù)值介于0～1 之間，規(guī)定極小值、平均值和極大值對應(yīng)0、0.5、1 子和諧度值，任意指標(biāo)代入該冪函數(shù)以便求出子和諧度。

系統(tǒng)層和諧度計算公式為：

式中：H為系統(tǒng)和諧度值的大?。籋i、ωi分別為第i個指標(biāo)的和諧度數(shù)值和權(quán)重。

“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”綜合和諧度計算公式為：

式中：WH為流域“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”綜合和諧度；Hj、ωj為第j個系統(tǒng)的和諧度數(shù)值和權(quán)重。

2.3 和諧等級劃分

為了直觀表現(xiàn)地表水過度開發(fā)區(qū)不同時期和諧程度，參照相關(guān)文獻(xiàn)和規(guī)定，將和諧度數(shù)值以0.2 為間隔劃分為5 個等級，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 和諧等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 基于量化和諧論的黑河流域評價指標(biāo)子和諧度模型的確定

根據(jù)國際公認(rèn)的一些指標(biāo)值和各種標(biāo)準(zhǔn)，再參考近年來我國社會人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實際狀況，確定了甘肅省地表水過度開發(fā)區(qū)“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”和諧性指標(biāo)體系中指標(biāo)的核算標(biāo)準(zhǔn)，見表2；將和諧性指標(biāo)體系中的各項指標(biāo)平均值對應(yīng)的子和諧度定為0.5，并根據(jù)評價的冪函數(shù)建立指標(biāo)子和諧度評價模型見表3。

表2 黑河流域“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”指標(biāo)體系及子和諧度核算標(biāo)準(zhǔn)

表3 黑河流域“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”和諧評價指標(biāo)子和諧度模型

4 黑河流域“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”不同情景和諧度計算與分析

4.1 不同發(fā)展情景確定

為確保黑河流域生產(chǎn)、生活、生態(tài)各個環(huán)節(jié)均衡協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)生活水平穩(wěn)步提升、生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)高效持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，通過水資源優(yōu)化配置、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、大力推廣節(jié)水技術(shù)等措施有效降低農(nóng)業(yè)灌溉用水，提高工農(nóng)業(yè)水資源利用效率，從而降低地表水開發(fā)利用率。因此，黑河流域在2015年社會經(jīng)濟(jì)、水資源利用保障和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)政策不作任何調(diào)整的基礎(chǔ)上，未來發(fā)展情景方案設(shè)計中適當(dāng)考慮政府相關(guān)規(guī)劃、計劃，圍繞經(jīng)濟(jì)GDP 增長率、地表水開發(fā)利用率和農(nóng)田灌溉水利用效率等來分析和調(diào)整，得出黑河流域未來發(fā)展的4 種情景規(guī)劃方案。通過“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”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(yù)測，為黑河流域未來發(fā)展提供參考依據(jù)。

情景Ⅰ為黑河流域依據(jù)《甘肅省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃》、《甘肅省循環(huán)經(jīng)濟(jì)總體規(guī)劃》、《甘肅省十三五高效節(jié)水灌溉發(fā)展規(guī)劃》等，社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和水資源利用保障系統(tǒng)不做任何調(diào)整，預(yù)測各系統(tǒng)的變化趨勢。

情景Ⅱ為實現(xiàn)生態(tài)目標(biāo)，降低地表水開發(fā)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(diào)整GDP增長率。

情景Ⅲ針對流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量大，發(fā)展高效節(jié)水面積還有一定空間，且情景II 不能有效降低地表水開發(fā)利用率，實現(xiàn)河流生態(tài)健康可持續(xù)發(fā)展，因此在情景I的基礎(chǔ)上，保持GDP的增長速度不變，通過農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、大力發(fā)展高效節(jié)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(shù)，大幅度降低農(nóng)業(yè)用水量，從而降低地表水開發(fā)利用率。

情景Ⅳ為確保實現(xiàn)流域生態(tài)目標(biāo)，考慮到情景Ⅲ水利投資較大，實現(xiàn)起來有一定難度，因此考慮維持情景I中GDP的經(jīng)濟(jì)增速不變，同時基于最嚴(yán)格水資源管理制度的核心——“三條紅線”，優(yōu)化水資源配置、加大工業(yè)節(jié)水力度、推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)，提高用水效率，同時適當(dāng)調(diào)整農(nóng)田灌溉面積，以確保河流生態(tài)健康可持續(xù)發(fā)展。

以上4種情景下的各指標(biāo)模擬值見表4-6。

表4 社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)指標(biāo)值

表5 水資源利用保障系統(tǒng)指標(biāo)值

表6 生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)指標(biāo)值 %

4.2 指標(biāo)子和諧度計算及分析

根據(jù)表4-6及評價函數(shù)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(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、水資源利用保障系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)各個指標(biāo)的子和諧度，計算結(jié)果見圖2-4。

圖2 不同情景下黑河流域社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)指標(biāo)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(tǒng)指標(biāo)子和諧度變化圖

圖4 不同情景下黑河流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)指標(biāo)子和諧度變化圖

4.3 綜合和諧度WH的計算與結(jié)果分析

由綜合指數(shù)評價法，計算出黑河流域“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”指標(biāo)體系綜合和諧度，結(jié)果見表7。

經(jīng)計算，2015 年黑河流域社會經(jīng)濟(jì)、水資源保障及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和諧度分別為0.51、0.17、0.16，系統(tǒng)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(tǒng)的和諧度都有所提高，其中社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)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(xiàn)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(jīng)濟(jì)-生態(tài)”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(dá)到和諧，相比之下情景Ⅲ、Ⅳ是四個方案中相對較好的發(fā)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(jīng)濟(jì)-生態(tài)”系統(tǒng)綜合和諧度

5 黑河流域“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)” 和諧發(fā)展結(jié)構(gòu)預(yù)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(fā)展下去，到2020 年和諧程度沒有得到有效改善，均達(dá)不到一般和諧，這是因為流域內(nèi)產(chǎn)業(yè)調(diào)整不到位、水資源管理體制不到位、節(jié)水效率低，同時決策層多重視經(jīng)濟(jì)發(fā)展，輕視生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和治理，致使生態(tài)供水不足，進(jìn)而引起生態(tài)環(huán)境惡化，導(dǎo)致和諧性評價最低，隸屬不和諧；2030年繼續(xù)調(diào)整政策，流域的和諧程度均有所改善，其中情景Ⅲ、Ⅳ優(yōu)于情景Ⅰ、Ⅱ。

本項目推薦情景Ⅲ、情景Ⅳ為黑河流域“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”和諧發(fā)展結(jié)構(gòu)模式。

由表8 可知，黑河流域的情景Ⅲ、Ⅳ，到2030 年地表水開發(fā)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(fā)區(qū)，成為正常開發(fā)區(qū)，從而實現(xiàn)了水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，實現(xiàn)了河流生態(tài)健康可持續(xù)發(fā)展。

表8 黑河流域“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”和諧發(fā)展不同結(jié)構(gòu)模式情景表

6 結(jié)語

為確保黑河流域未來水資源、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境三者協(xié)調(diào)、共同發(fā)展，針對該流域地表水資源開發(fā)利用率較高的現(xiàn)狀，建立地表水過度開發(fā)區(qū)“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”系統(tǒng)和諧性評價模型。黑河流域在適當(dāng)考慮政府相關(guān)規(guī)劃，同時圍繞經(jīng)濟(jì)GDP 增長率、地表水開發(fā)利用率和農(nóng)田灌溉水利用效率等來分析和調(diào)整，確定流域未來發(fā)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(jié)果顯示不同情景下系統(tǒng)整體和諧性和各子系統(tǒng)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(xù)調(diào)整政策，黑河流域在情景Ⅲ、Ⅳ和諧程度改善優(yōu)于情景Ⅰ、Ⅱ，此結(jié)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?qū)诤恿饔颉八?經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”系統(tǒng)和諧程度進(jìn)行定量描述，其結(jié)果與流域?qū)嶋H情況總體相符，對探討水資源短缺的北方流域可持續(xù)發(fā)展具有借鑒意義，但“水-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，地表水過度開發(fā)利用區(qū)形成因素不同，且建立的和諧性評價數(shù)學(xué)模型尚處于探索階段中，評價指標(biāo)確定具有一定的個人主觀因素，進(jìn)而影響了評價體系的適用性，這需要在今后研究工作進(jìn)一步改進(jìn)、完善。