基于可拓综合评价法的干旱区水资源承载力评价*<br/>——以河西走廊地区为例

基于可拓综合评价法的干旱区水资源承载力评价*
——以河西走廊地区为例

2018-01-30杜俊平叶得明陈年来

中国农业资源与区划 2017年12期

杜俊平，叶得明，陈年来

(1.河套学院经济管理系，内蒙古巴彦淖尔 015000； 2.甘肃农业大学经济管理学院，兰州 730070；3.甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070)

0 引言

水是人类生存和经济社会发展必不可少的自然资源[1]。水资源短缺已经成为制约人类生存和经济社会发展的“瓶颈”，这一现象在我国西部干旱地区尤为明显。河西走廊是我国典型的干旱区，该区域内水资源短缺，生态极其脆弱和敏感，促进其社会经济可持续发展和维护生态稳定迫在眉睫，对该地区水资源承载力进行研究，有利于了解其社会经济发展过程中水资源、社会、经济和生态的协调性和适应性，为决策机构制定合理的可持续经济社会发展策略具有参考价值。

水资源承载力的研究主要从定性和定量两个视角展开。定性研究是对水资源承载力做出等级划分，不给出水资源承载力的具体数值。学者们多采用模糊评价法[2-5]、主成分分析法[6-8]、物元分析法[9-10]、系统动力学分析法[11-12]、地理信息系统分析法[13-14]、人工神经网络法[15-17]、多目标决策法[18-19]、极大熵原理[20]等。定量研究是算出特定区域条件下水资源承载力指数，即依据区域水资源的状况测算出其所能承载的最大(适度)经济规模和最大(适度)人口规模的具体数值[21-22]。

考虑到水资源承载力边界的模糊性和河西走廊地区水资源系统的复杂性及不稳定性，该文采用定性可拓综合评价法对该区域真实情景和仿真情景的水资源承载力进行测评，是研究方法的一次尝试。

1 研究区域概况

河西走廊，位于甘肃省境内黄河以西，南北宽在40～100km之间，东西长约1 120km，东南起自乌鞘岭，西北止于祁连山以北，合黎山以南，疏勒河下游，日照强、风沙大、降雨量少，气候干燥的带形区域，包括武威、金昌、张掖、嘉峪关、酒泉5市，是古丝绸之路的重要交通要道。该区域土地总面积27.6万km2，占甘肃省国土面积的60.4%；总人口483.31万人，占甘肃总人口18.72%。据统计，河西走廊多年平均水资源量为93.99亿m3，其中地下水资源量为26.91亿m3，地表水资源量为87.57亿m3，可利用水资源量为80.31亿m3[23]。从经济增长和水资源量演变来看， 2003～2015年，该区域的地区GDP从366.11亿元增加到1 749.08亿元，年均增长13.93%，然而水资源总量从72.77亿m3下降到69.51亿m3，年均下降0.4%。从用水结构看，农业用水量：工业用水量：居民生活用水量：生态用水量=89.91： 7.34： 1.39： 1.36。社会经济发展的同时水资源总量明显下降，水资源和经济发展矛盾已经凸显，水资源紧缺已成为制约该地区经济社会发展的重要因素。

2 研究方法

2.1 可拓综合评价法

可拓学是1983年由我国学者蔡文提出的一门新兴科学。它是把事物的量和质结合起来的理论，其理论支柱是物元理论和可拓集合论，其逻辑细胞是物元，从定性和定量两个角度去研究事物并解决具有矛盾的问题[24]。可拓综合评价法主要有6个步骤[25-27]：(1)确定经典域R； (2)确定节域Rp； (3)确定待评价的物元Rd； (4)确定评价指标权重wi； (5)确定关联度kj(p)； (6)确定待评价事物的类别jx。

2.2 评价指标体系构建及评价等级划分

2.2.1 评价指标体系构建

表1 河西走廊水资源承载力评价指标体系

从现有的文献来看，水资源承载力评价指标体系构建主要依据环境评价理论框架设计，主要有：(1)经合组织与联合国环境规划署提出的PSR框架：即“压力(Pressure)—状态(State)—响应(Response)”； (2)联合国可持续发展委员会提出的DSR框架：即“驱动力(Driving Force)—状态(State)—响应(Response)”； (3)欧洲环境署总结二者优点设计出的DPSIR框架：即“驱动力(Driving Force)—压力(Pressure)—状态(State)—影响(Impact)—响应(Response)”[28]。该文基于上述理论框架，依据协同理论并结合河西走廊地区资源、经济、社会、生态的发展现状和特点，参考已有的水资源承载力研究文献[17， 29]，并考虑指标数据的可得性、代表性、科学性等特点，提出能够反映水资源承载力信息的WSEE评价指标体系，见表1，即“水资源系统—社会系统—经济系统—生态系统”。水资源系统反映区域水资源条件，社会系统反映区域水资源利用的社会效益，经济系统反映区域水资源利用的经济效益，生态系统反映区域水资源利用的生态效益。

2.2.2 河西走廊水资源承载力评价等级划分

为了表述水资源承载力的状态，该文将河西走廊地区水资源综合承载力划分为盈余可承载、基本可承载、临界承载、弱赤字承载、强赤字承载5个等级，分别用5、4、3、2、1表示。评价指标体系中的单项指标分级也按照这5个等级来确定，具体见表2。

表2 河西走廊地区水资源承载力等级划分

指标单位盈余可承载基本可承载临界承载弱赤字承载强赤字承载人均水资源量(C1)m3/人>30003000～20002000～10001000～500<500水资源开发利用率(C2)%<1010～2020～4040～60>60产水模数(C3)万m3/km2>4040～3030～2020～10<10产水系数(C4)>0.60.6～0.450.45～0.30.3～0.15<0.15用水模数(C5)万m3/km2<11～33～1010～15>15城镇居民生活用水定额(C6)L/(人·d)<5050～7070～130130～170>170农村居民生活用水定额(C7)L/(人·d)<4040～5555～110110～150>150万元农业产值用水量(C8)m3/万元<400400～800800～20002000～4000>4000万元工业增加值用水量(C9)m3/万元<5050～7575～100100～125>125节水灌溉率(C10)%>8080～6060～4040～20<20生态用水率(C11)%>55～33～22～1<1人均生活污水排放量(C12)t/人<1010～2525～4040～50>50万元工业增加值污水排放量(C13)t/万元<1010～2020～3030～40>40

单项指标分级的设定原则：(1)对于国际和国家公认单项指标值的单项指标，其分级标准依据国际标准和国家标准(国际和国家认可的标准值、国家或区域颁布的一些发展规划指标值)进行设定[30]，如C1、C2、C3、C6、C7、C11；(2) 对于目前还没有公认的指标值，但相关学术文献已经采用过的单项指标，参考文献资料指标值的拟定标准并作了适当调整[17]，如C8、C9、C10； (3)对于新设计的单项指标，根据其定义和内涵，并结合国家社会经济发展对该指标依赖和支撑程度以及该区域的经济社会发展特点和资源禀赋特征，科学合理的拟定其分级标准，如C4、C5、C12、C13。

2.3 仿真情景设置

选择与水资源承载力评价指标紧密相关的水资源总量、总人口、降雨量等变量来设置2016～2025年的仿真情景。利用河西走廊地区各市2003～2015年的水资源总量、总人口、降雨量、有效灌溉面积、节水灌溉面积、生态用水量的实际数据绘制相关的散点图及曲线，建立回归模型并求得2016～2025年的预测值。用水资源总量预测值和总人口预测值的比求得人均水资源量(C1)，用水资源总量预测值和计算区域面积的比求得产水模数(C3)，用水资源总量预测值和降雨量预测值的比求得产水系数(C4)，用节水灌溉面积预测值与有效灌溉面积预测值的比求得节水灌溉率(C10)。用水总量依据甘肃省出台的《甘肃省地级行政区2015年2020年2030年水资源管理控制指标》(以下简称《控制指标》)中规定的用水总量控制目标设置。用水总量控制目标分别为：武威2020年为16.15亿m3， 2030年为16.18亿m3；金昌2020年为6.57亿m3， 2030年为6.76亿m3；张掖2020年为20.11亿m3， 2030年为20.71亿m3；酒泉2020年为1.91亿m3， 2030年为2.01亿m3；嘉峪关2020年为1.91亿m3， 2030年为2.21亿m3。用水模数(C5)由用水总量与土地面积之比得到，水资源开发利用率(C2)由用水总量与水资源总量的比得到，生态用水率(C11)由生态用水量与用水总量的比得到。《控制指标》中规定武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关2030年的农田灌溉水有效利用系数在2015年的基础上分别提升10%、10%、8%、10%、 9%，则2030年的万元农业产值用水量(C8)也依据在2015年的基础上分别提升10%、10%、8%、10%、 9%的标准来设置，万元工业增加值用水量(C9)仍依据《控制指标》规定的到2030年武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关的万元工业增加值用水量分别控制在49 m3/万元、19 m3/万元、23 m3/万元、17 m3/万元、40 m3/万元来设置。城镇居民生活用水定额(C6)、农村居民生活用水定额(C7)设置依据《甘肃行业用水定额》中规定的城镇居民生活用水定额85L/(人·d)、农村居民生活用水定额40L/(人·d)，假设到2025年城镇居民生活用水定额(C6)和农村居民生活用水定额(C7)控制在85L/(人·d)、40L/(人·d)。利用河西走廊地区各市2003～2015年的人均生活污水排放量与人均生活用水定额、万元工业增加值污水排放量和万元工业增加值的用水量的实际数据绘制其相关关系曲线，并建立回归模型，用已经设置好的人均生活用水定额、万元工业增加值用水量代入模型求得人均生活污水排放量(C12)和万元工业增加值污水排放量(C13)。

2.4 经典域和节域的确定

依据河西走廊地区水资源承载力等级划分标准确定可拓综合评价的经典域和节域。

2.5 权重的确定

3 河西走廊水资源承载力评价的实证分析

利用前面构建的指标体系和测算权重的方法，采用可拓综合评价模型，借助Matlab7.0软件，对河西走廊真实情景期(2003～2015)和仿真情景期(2016～2025)的水资源承载力进行测算。

3.1 数据选取

该文所采用的群体指标原始数据均来源于2003～2015年河西走廊5市历年的国民经济和社会发展统计公报以及2003～2015年《甘肃水资源公报》， 2004～2016年的《甘肃统计年鉴》。部分指标数值是通过原始数据计算整理得到的。

3.2 河西走廊真实情景期2003～2015年水资源承载力评价结果

河西走廊5市真实情景期(2003～2015)水资源承载力评价结果见图1～5。

图1 武威市水资源承载力评价图2 金昌市水资源承载力评价

图3 张掖市水资源承载力评价图4 酒泉市水资源承载力评价

从2003～2015年，河西走廊地区5市水资源承载力综合水平总体上呈波动上升趋势，武威市从强赤字承载波动上升为弱赤字承载。金昌、张掖、酒泉、嘉峪关从强赤字承载过渡到临界承载状态。张掖市、酒泉市、嘉峪关市水资源承载力综合水平分别在2008年、2010年、2011年发生了突变。究其原因，张掖市的水资源承载力综合水平突变与当地当年的节水灌溉率提高和万元工业增加值用水量减小有关；酒泉市水资源承载力综合水平突变与当地当年社会系统的农村居民生活用水定额下降、经济系统中的万元工业增加值用水量减少等因素有关；嘉峪关市水资源承载力综合水平突变是由当地当年生态系统中万元工业增加值污水排放量、万元农业产值用水量以及万元工业增加值用水量的减少造成的。水资源系统除张掖以外其他4市基期和报告期都处于强赤字承载状态，张掖处于临界承载状态，张掖水资源系统评价关联度2003年为-0.033 2， 2015年下降为-0.033 5。武威、金昌、酒泉、嘉峪关的水资源系统评价关联度分别从2003年的-0.011 0、0.042 8、-0.044 2、0.022 6上升为-0.000 9、0.043 3、-0.028 2、0.093 1。社会系统武威、张掖、酒泉基期和报告期都处在基本可承载状态，金昌一直稳定在临界承载状态，嘉峪关由基本可承载波动演变为临界承载。经济系统都从强赤字承载波动演变为临界承载。生态系统呈现不同程度的上升趋势：武威、张掖从强赤字承载波动上升为弱赤字承载状态，金昌、酒泉、嘉峪关从强赤字承载演变为临界承载状态。表明，自2003年提出科学发展观以来，河西走廊地区不断推进产业结构优化，引导资源合理配置，加强生态保护，走出了一条科技含量较高、经济效益较高、环境污染较少的经济社会发展模式，探索出了一条基本适合该地区经济社会发展的“农业现代化、新型工业化和城镇化道路”。然而，由于日照强、蒸发快、降雨量少等自然原因造成的水资源短缺，再加上工业和农业生产规模不断增长对水资源需求的不断增加，该区域水资源与经济社会发展的矛盾仍然十分突出。

3.3 河西走廊仿真情景期2016～2025年水资源承载力评价结果

河西走廊五市仿真情景期(2016～2025)水资源承载力评价结果见图6～10。

图5 嘉峪关市水资源承载力评价图6 武威市水资源承载力评价

图7 金昌市水资源承载力评价图8 张掖市水资源承载力评价

图9 酒泉市水资源承载力评价图10 嘉峪关市水资源承载力评价

2016～2025年，除嘉峪关外，水资源承载力综合水平均呈逐步上升态势，武威和张掖从临界承载逐步上升为盈余可承载状态，金昌和酒泉由临界承载逐渐演变为基本可承载状态，而嘉峪关虽然一直处于强赤字承载状态，但对应的关联度已经从2015年的-0.073下降为-0.259，表明该区域水资源承载力综合水平有所提升。水资源系统张掖和酒泉分别从临界承载、弱赤字承载上升为基本可承载和临界承载状态；武威和金昌都处在强赤字承载状态，而关联度分别从2016年的0.011、0.068下降为2025年0.002、0.057；一直处于弱赤字承载状态的嘉峪关其关联度从基期的0.108下降为报告期的0.024；表明水资源系统承载情况整体有所改善。社会系统武威、张掖、酒泉处于基本可承载状态，金昌和嘉峪关从临界承载上升为基本可承载状态。经济系统武威和酒泉从临界承载上升为基本可承载状态，金昌、张掖和嘉峪关由临界状态演变为盈余可承载状态。生态系统武威、金昌和酒泉分别由基本可承载、临界承载、弱赤字承载逐渐演变为盈余可承载、基本可承载、临界承载状态；张掖一直处于基本可承载状态，嘉峪关一直稳定在盈余可承载状态，其评价水平主要受到生态用水率的影响，嘉峪关的生态用水率都高于10%。测评结果表明到2025年河西走廊地区随着水资源管控力度的加大、经济增长方式的转变以及“一带一路”战略的部署实施该区域将基本建成科技型、节水型、生态型、绿色型、外向型、创新型的社会经济生态长廊。

4 结论

2003～2015年，河西走廊水资源承载力综合水平整体上呈波动上升态势，武威市从强赤字承载波动上升为弱赤字承载。金昌、张掖、酒泉、嘉峪关从强赤字承载过渡到临界承载状态。水资源系统是制约其综合承载力上升的主要因素，农业用水比重过大，效益不高，水资源开发利用率明显偏高。

2016～2025年，河西走廊水资源承载力综合水平总体上呈逐步上升态势。农业用水量比重有所下降，万元农业产值用水量不断下降，万元工业增加值用水效益明显提升，水资源系统状况明显改善，表明社会经济发展减压是提高水资源承载力的主要措施，但水资源仍处在超负荷利用阶段，水资源进一步开发利用潜力有限。

该文采用可拓综合评价对河西走廊地区水资源承载力进行评价，是研究方法的一次尝试。由于研究选取指标的代表性和样本选择时间周期以及绘制曲线和预测模型的精度等原因，都可能会对研究结果的准确度产生一定影响。但2003～2015年的研究结论基本符合该区域水资源利用及社会经济发展的现状，能够比较客观反映其变化特征； 2016～2025仿真情景的研究结论有待该区域未来社会经济发展与水资源开发利用状况进一步验证。

[1] 王瑞波，姜文来.水资源生命周期理论初探.中国农业资源与区划， 2012， 33(5)： 29～33， 67

[2] 张晓鹏，张鑫.基于模糊综合评价法的区域水资源承载力研究．中国农村水利水电, 2009，(7)： 18～21

[3] 高超，梅亚东.吕孙云，等.基于AHP—Fuzzy法的汉江流域水资源承载力评价与预测.长江科学院院报， 2014, 31(9): 21～28

[4] 孙弘颜，汤洁，刘亚修.基于模糊评价方法的中国水资源承载力研究．东北师大学报(自然科学版)， 2007, 39(1): 131～135

[5] 蒋春林. 基于模糊综合评判模型的区域水资源承载力评价．水利科技与经济， 2015, 21(12): 1～3

[6] 陈腊娇，冯利华，毛小军.主成分分析法在水资源承载力影响因子评价中的应用．水利科技与经济， 2006, 12(6): 362～364

[7] 李高伟，韩美，刘莉，等.基于主成分分析的郑州市水资源承载力评价．地域研究与开发， 2014, 33(3): 139～142

[8] 许朗，黄莺，刘爱军，等．基于主成分分析的江苏省水资源承载力研究．长江流域资源与环境， 2011, 20(12): 1468～1474

[9] 施开放，刁承泰．重庆市三峡库区水资源承载力评价．灌溉排水学报， 2012, 31(5): 108～112

[10]李朦，解建仓，杨柳，等．基于模糊物元模型的渭北工业区地下水资源承载力评价．水资源与水工程学报， 2014, 25(4): 169～174

[11]赵筱青，饶辉，易琦，等．基于SD 模型的昆明市水资源承载力研究．中国人口·资源与环境， 2011, 21(12): 339～342

[12]刘士霞，张志斌，钟卓，等．基于 SD 模型的本溪市细河流域水资源承载力研究．水土保持应用技术, 2014，(2)： 4～5