韓自?shī)^ 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(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州 730030；②國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州 730070）

0 引言

水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)旨在分析水資源供需狀況、利用效率和服務(wù)價(jià)值，以及水資源對(duì)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響[1]，是當(dāng)前國(guó)際界研究熱點(diǎn)之一。我國(guó)西北地區(qū)水資源相對(duì)短缺，絕對(duì)需水日益增加，因生態(tài)環(huán)境需水不能擠占，系統(tǒng)規(guī)劃管理水資源面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究倍受重視。目前，相關(guān)研究已經(jīng)開(kāi)展并取得一些研究成果，如針對(duì)水電樞紐的水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)，王思聰?shù)忍岢龇?wù)價(jià)值評(píng)價(jià)方法，并探討水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)中不同價(jià)值的統(tǒng)一度量[2]；張祥永通過(guò)建立水資源與生態(tài)耦合模型揭示我國(guó)近年水資源可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合協(xié)調(diào)度的變化規(guī)律[3]；陳述通過(guò)研究水資源-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)系統(tǒng)的耦合關(guān)系發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)度逐年上升[4]等。這些成果從不同層面探討水資源、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)三系統(tǒng)的價(jià)值及耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，但不能反映系統(tǒng)之間的關(guān)系與貢獻(xiàn)率，進(jìn)而不能解決三系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)配置及最優(yōu)耦合協(xié)調(diào)問(wèn)題。因此本文耦合水資源生態(tài)系統(tǒng)與水資源經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)為水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，并以甘肅為研究案例，基于能值分析區(qū)域水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，通過(guò)建立能值指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，主成分分析評(píng)價(jià)甘肅水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值，旨在探討甘肅近十年來(lái)的發(fā)展劣勢(shì)項(xiàng)和優(yōu)勢(shì)項(xiàng)及綜合發(fā)展問(wèn)題，為甘肅未來(lái)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)的有效配置提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)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(zāi)害，年徑流量大于1×108m3的河流78 條。據(jù)2022年統(tǒng)計(jì)，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(yè)用水量6.3×108m3，農(nóng)業(yè)用水量82.3×108m3，生態(tài)用水量11.3×108m3。全省常住人口2492.42×104人，地區(qū)生產(chǎn)總值11201.6×108元，人均地區(qū)生產(chǎn)總值44970 元，規(guī)模以上工業(yè)能源消費(fèi)5344.4×104噸標(biāo)準(zhǔn)煤；省內(nèi)斷面地表水質(zhì)量監(jiān)測(cè)良好比例為95.9%。

2 研究方法

2.1 水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)

水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是由水資源生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)通過(guò)技術(shù)系統(tǒng)耦合而成的復(fù)合系統(tǒng)。其中：水資源生態(tài)系統(tǒng)是由水資源、生態(tài)環(huán)境及社會(huì)環(huán)境的系統(tǒng)融合[5]，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是由社會(huì)再生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)、交換、分配和消費(fèi)等環(huán)節(jié)相互聯(lián)系和相互作用的多個(gè)經(jīng)濟(jì)元素組成，技術(shù)系統(tǒng)是人類開(kāi)發(fā)、利用、改造和保護(hù)自然物的物質(zhì)手段、精神手段和信息手段的綜合體，在水資源生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合過(guò)程中起關(guān)鍵中介作用。水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)展的基礎(chǔ)是水資源、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)及其之間的相互協(xié)調(diào)。系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞和價(jià)值增殖等復(fù)雜多變的指標(biāo)因子決定著系統(tǒng)的信息交換流量大、生態(tài)服務(wù)效應(yīng)強(qiáng)、人類影響程度高和價(jià)值增殖能值多等特點(diǎn)。

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(shù)量，通常能量最初都源自太陽(yáng)能，因此太陽(yáng)能常被用作衡量各種能量形式的基準(zhǔn)。能值分析是研究某種流動(dòng)或儲(chǔ)存的能量或物質(zhì)在其產(chǎn)生過(guò)程中消耗另一種能量的量，是美國(guó)生態(tài)學(xué)家H.T.Odum 于20 世紀(jì)80年代提出的生態(tài)學(xué)理論[6-7]。該方法是以生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)為自組織系統(tǒng)，內(nèi)部各種形式的能量隨系統(tǒng)運(yùn)作流動(dòng)而少部分以熵的形式散失，同時(shí)又以更高等級(jí)能量的形式流動(dòng)。能值分析涉及環(huán)境生態(tài)學(xué)、資源能量學(xué)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)[8]，對(duì)于合理利用自然資源，制定和實(shí)施經(jīng)濟(jì)發(fā)展方針及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略都具有重要意義。

2.2.2 繪制能量系統(tǒng)圖

能值分析時(shí)，為明確系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)外關(guān)系和能量流向，需繪制能量系統(tǒng)圖[9]（見(jiàn)圖1，實(shí)線表示能值流，虛線表示貨幣流）。

圖1 水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖

2.3 能值指標(biāo)體系構(gòu)建

為有效評(píng)價(jià)水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，基于能量系統(tǒng)圖及能值分析表構(gòu)建水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合能值指標(biāo)體系如表1。

表1 水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的能值指標(biāo)體系

2.4 主成分分析評(píng)價(jià)法

主成分分析是利用降維技術(shù)，簡(jiǎn)化高維復(fù)雜問(wèn)題，保留最重要的少數(shù)綜合變量，減少分析評(píng)價(jià)復(fù)雜性與工作量的方法；實(shí)際應(yīng)用時(shí)：從重復(fù)交叉的諸多指標(biāo)篩選能綜合反映系統(tǒng)綜合信息又具獨(dú)立性的變量；通過(guò)編程或SPSS軟件生成新的綜合指標(biāo)；根據(jù)權(quán)重及主成分得分綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)[10]。

基本原理：根據(jù)需求選評(píng)價(jià)因子，依次記為x1、x2、…、xm；構(gòu)造評(píng)價(jià)樣本，記為n 并轉(zhuǎn)為矩陣X；對(duì)X 進(jìn)行正交變換等變形得新的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Fi可獲取主成分及其線性表達(dá)式：

式中：μi表示指標(biāo)系數(shù)。絕對(duì)值越大則說(shuō)明該指標(biāo)對(duì)主成分的重要程度越大。

3 研究案例

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

以甘肅省為研究案例，根據(jù)選自2011-2020年《甘肅省水資源公報(bào)》和《甘肅發(fā)展年鑒》等數(shù)據(jù)，推求可更新資源、能源自給率等25 個(gè)指標(biāo)。因推求的各類數(shù)據(jù)單位各異，需標(biāo)準(zhǔn)化處理數(shù)據(jù)，采取min-max 標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重占比，從表1 中7 個(gè)準(zhǔn)則層選取占比最高的指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。

3.2 能值指標(biāo)分析評(píng)價(jià)

3.2.1 能值指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)表1 計(jì)算甘肅省2011-2020年的系統(tǒng)能值、社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、自然環(huán)境、水資源及可持續(xù)發(fā)展，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 甘肅省2011-2020年各能值指標(biāo)

3.2.2 能值指標(biāo)評(píng)價(jià)

通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理及權(quán)重計(jì)算，各指標(biāo)層權(quán)重最大為：能值交換率0.104、水資源投入率0.0659、可持續(xù)發(fā)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(gè)指標(biāo)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(xù)發(fā)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(zhǎng)；可持續(xù)發(fā)展性能在2017-2018年下降后逐年增長(zhǎng)。輸出能值、能值密度和能值投資率逐年遞增至2015年達(dá)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(xiàn)下降趨勢(shì)；輸出能值于2017年出現(xiàn)增長(zhǎng)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(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.3 主成分分析評(píng)價(jià)

通過(guò)熵權(quán)法選取權(quán)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(xù)發(fā)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(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)影響成分可知：KMO 值為0.676，其Bartlett 球形檢驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)，適合進(jìn)行主成分分析。根據(jù)各成分的特征根及貢獻(xiàn)（表3）判斷本次分析有2 個(gè)主要成分：能值交換率和水資源投入率。

計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)：

F1=0.192×能值交換率-0.335×水資源投入率+0.019×可持續(xù)發(fā)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(xù)發(fā)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(quán)重=方差解釋率/旋轉(zhuǎn)后累積方差解釋率得：因子1 的權(quán)重為55.215%、因子2 的權(quán)重為44.785%，最終的綜合得分見(jiàn)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(shuō)明甘肅綜合發(fā)展水平當(dāng)年較差；隨后，國(guó)家實(shí)施第十二個(gè)五年計(jì)劃等，可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)得到重視，促使甘肅綜合經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平逐漸提升，2014年綜合得分>0，2019年達(dá)到最大值約1.3，因2019年末新冠疫情開(kāi)始影響社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源利用等，甘肅綜合發(fā)展水平又出現(xiàn)較大下降趨勢(shì)。發(fā)展中重要性順序：能值交換率>水資源投入率>可持續(xù)發(fā)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(shuō)明甘肅在2011-2020年內(nèi)重視發(fā)展經(jīng)濟(jì)和水資源的開(kāi)發(fā)利用，但自然環(huán)境和社會(huì)發(fā)展情況較差。

4 結(jié)論

①2011-2020年，甘肅經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快，但過(guò)度依賴資源出口和本地資源的開(kāi)發(fā)利用，導(dǎo)致甘肅該時(shí)期自然環(huán)境負(fù)載率較高，可持續(xù)發(fā)展能力較差；同時(shí)人均能值較低、能值交換率較高，體現(xiàn)甘肅省未來(lái)開(kāi)發(fā)潛力較高。②由于新冠疫情影響，2019年各項(xiàng)綜合發(fā)展均有下降趨勢(shì)；疫情恢復(fù)期，需充分開(kāi)發(fā)利用水資源、加強(qiáng)開(kāi)發(fā)旅游資源、及時(shí)調(diào)整進(jìn)出口貿(mào)易，綜合考慮可持續(xù)性發(fā)展能力，提高水資源-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)的耦合度。③近10年內(nèi)，甘肅水資源利用強(qiáng)度及人均使用量較低，需在未來(lái)發(fā)展中不斷重視水資源的開(kāi)發(fā)利用，水資源承受的壓力需不斷調(diào)整并盡可能減小，在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)應(yīng)與用水情況、自然生態(tài)保護(hù)相結(jié)合，以提高用水效率并不斷協(xié)調(diào)配置水資源，促進(jìn)甘肅省可持續(xù)性發(fā)展。