基于能值的成都市水资源生态经济系统可持续性研究
2020-01-03黄晓荣魏晓玥
潘 荦，黄晓荣，，魏晓玥，张 浪
(1.四川大学水利水电学院，四川成都610065；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065)
0 引 言
随着城市化进程的加快，水资源短缺问题已越来越严重，水资源可持续发展状态研究已成为目前研究的热点和难点。而水资源作为一种同时具有生态属性和社会经济属性的自然资源，渗透到生态系统和社会经济系统的方方面面，无法将其剥离独立考虑其可持续发展状态。因此，将水资源生态系统和社会经济系统有机结合起来，以复合系统的形式考虑其可持续发展状态已成为共识[1]。目前，研究水资源生态经济系统的可持续发展状态的方法主要有主成分分析法、模糊数学法、灰色聚类评价法及投影寻踪模型等。张鹏、徐中兵等[2]利用模糊优选模型，研究了且末区域水资源可持续利用与经济社会协调发展的关系；杨广、何新林等[3]利用投影寻踪技术，研究了玛纳斯河流域的水资源可持续发展状态；李波、李春娇等[4]利用模糊数学模型，研究了辽宁省水资源生态经济系统的可持续发展状态。这些方法虽能在一定程度上评价水资源生态经济系统的可持续发展能力，却无法将系统内不同类别的能量进行相互比较，也无法衡量各种资源对于社会经济系统的真实贡献。
为此，本文针对传统评价方法存在的不足，考虑利用能值理论与分析方法来评价水资源生态经济系统的可持续发展状态，并以成都市为例进行实例分析，以期为评价系统的可持续发展状态提供一种新的思路和方法。
表1 成都市水资源生态经济系统可持续性发展评价指标体系
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
成都市作为四川省的省会，有着2 300多年的悠久历史。成都地处四川盆地西部的岷江中游段，境内地势差异明显，最高海拔5 364 m，最低海拔387 m，属于亚热带湿润季风气候区；全市年平均气温在15.2～16.6 ℃左右，年平均降水量为873 ～1 265 mm。成都共辖9个区、4个市、6个县，辖区面积约12 121 km2，是中国西南地区的科技金融中心和交通枢纽。近年来，成都大力发展经济，对外开放水平逐年提高，综合实力显著增强；至2015年，全市地区生产总值达到了10 801.2亿元，在全国省会城市中排名第三，其中第一、第二、第三产业分别实现增加值373.2亿、4 723.5亿、5 704.5亿元，分别增长3.9%、7.2%、9.0%。
1.2 研究方法简述
本文采用的是Odum创立的能值理论与分析方法，认为世界上主要的能量均源于太阳。因此，在能值分析中以太阳能为基准，利用能值转换率将不同类别、不同形式的能量转换为同一类别的太阳能[5- 6]，实现物质流、能量流、货币流的统一度量，以此来比较不同类别的能量的真实价值以及衡量各能量对生态经济系统发展的贡献程度。能值可用能量与能值转换率表示，即
能值 =能量×能值转换率
1.3 研究数据来源
本文采用的降雨量、水资源总量、用水总量等水资源相关数据来自《成都市水资源公报》(2009年～2016年)；其他可更新资源、不可更新资源以及外部系统反馈输入的能量及产品等数据均来自《成都统计年鉴》(2009年～2016年)、《成都市国民经济和社会发展统计公报》以及《四川省统计年鉴》(2009年～2016年)； 能值转换率和能量转换公式来自Odum[6]、蓝盛芳[7]等的研究成果。
2 评价指标体系构建
本文根据成都市水资源生态经济系统的能值流特点，利用能值分析方法，构建了成都市水资源生态经济系统可持续性发展评价指标体系，将能值指标分为系统能值流指标、经济发展能值评价指标、水资源能值评价指标以及可持续发展能值评价指标等4类，并据此评价成都市的经济发展状况、水资源开发利用情况及其可持续发展状况。成都市水资源生态经济系统可持续性发展评价指标体系见表1。
3 结果分析
据2008年～2015年成都市水资源生态经济系统主要资源流及货币流相关原始数据，参照Odum、蓝盛芳等给出的相关能量转换公式及能值转换率，利用表1构建的评价指标体系，计算出成都市水资源生态经济系统的主要能值流及其评价指标(见表2)。
表2 2008年～2015年成都市水资源生态经济系统主要能值指标计算结果
注：因2016年成都市的行政区划发生改变，故本次研究仅考虑至2015年。
3.1 系统能值流分析
成都市水资源生态经济系统投入的总能值包括可更新资源能值、不可更新资源能值以及经济反馈输入能值。一般情况下，某地区投入的总能值越多，表明该地区经济发展水平越高[8]。成都市系统能值流变化趋势见图1。从图1可以看出，2008年～2014年，成都市水资源生态经济系统投入的总能值呈上升趋势，2015年有所下降，下降的主要原因是2015年成都市的外商投资和进口商品数量大幅减少。总的来说，成都市近年来投入的总能值有所增加，经济发展较快。同时，系统内可更新资源能值所占比重较小，平均仅占总能值投入的2.3%，且呈现下降趋势，不可更新资源和反馈输入能值投入率虽有所波动，却一直处于一个较高的水平，对于系统发展的贡献程度较高。
图1 成都市系统能值流变化趋势
由此可以看出，近年来成都的经济增长主要依赖于不可更新资源的消耗以及反馈输入能值的投入，而对本地可更新资源的开发利用较少。
3.2 经济发展能值评价指标
能值-货币比率即系统内年投入总能值与当年的GDP之间的比值，能用来反映一个区域的现代化水平[9]。一般情况下，能值-货币比率越低，表示每单位货币所能购买到的能值越少，即该区域对无偿资源(自然资源)的依赖性较小，也即该地区的现代化水平越高[8]。成都市能值-货币比率变化趋势见图2。从图2可以看出，成都市2008年～2015年的能值-货币比率呈逐年下降趋势，从2008年的1.12×1012sej/$，下降到2015年的0.83×1012sej/$，下降了26%，成都市的现代化水平逐年提高。
图2 成都市能值-货币比率变化趋势
净能值产出率能用来反映经济系统生产利用能值效率的高低，一般情况下，净能值产出率越大，表明系统能值利用效率越高[10]。成都市净能值产出率变化趋势见图3。从图3可以看出，成都市2008年～2015年的净能值产出率波动较大，说明近几年成都市的能值利用效率不稳定，这可能是由于反馈输入能值的投入波动引起的。
图3 成都市净能值产出率变化趋势
3.3 水资源能值流及评价指标
水资源能值投入率即年用水能值与系统投入总能值之间的比值，能够反映水资源对经济系统发展的贡献程度[11-12]。成都市水资源能值投入率变化趋势见图4。从图4可以看出，成都市2008年～2015年的水资源能值投入率呈逐年减少的趋势，从2008年的11.64%减小到2015年的3.69%，降幅达到了68%。这表明在成都市的能值利用结构中，水资源所占的比重越来越小，成都市对水资源的依赖程度越来越小。
图4 成都市水资源能值投入率变化趋势
图5 成都市人均能值用量、人均水资源能值用量对比
图6 成都市能值利用强度、水资源能值利用强度对比
能值利用强度即单位面积消耗的能值数量，能用此来评价一个区域的经济开发水平。一般情况下，能值利用强度越高则该地区的经济开发水平就越高[10]；人均能值用量即人均消耗的能值数量，能反映人民的生活水平和质量，一般情况下，人均能值用量越高，则该地区人民的生活水平也就越高，生活品质也就越好[10]。成都市人均能值用量与人均水资源能值用量对比见图5。成都市能值利用强度与水资源能值利用强度对比见图6。从图5、6可以看出，成都市2008年～2014年的人均能值用量及能值利用强度均呈上升趋势。受2015年系统外部反馈输入能值大幅减少的影响，2014年～2015年有所降低，但整体来看仍呈现一个向上的趋势。由此表明，成都市近年来经济水平有所提高，人民生活水平和生活品质得以增强。同时，成都市近年来的人均水资源能值用量以及水资源能值利用强度均呈下降趋势，人均水资源能值用量从2008年的6.19×1014sej/人降低到2015年的3.60×1014sej/人，降低了42%；水资源能值利用强度从2008年的6.13×1013sej/m2降低到2015年的4.36×1013sej/m2，降低了29%，这不符合经济水平逐年提高的现状。成都市的水资源情况与其经济发展水平不相匹配，经济的快速发展伴随的是人均水资源能值用量及水资源利用强度的减少，成都水资源压力巨大。
相对于人均用水量和地均用水量而言，人均水资源能值用量和水资源能值利用强度能同时兼顾水资源的生态属性和社会经济属性，并且能和其他能值用量进行直接对比，是一种比较好的能够表现水资源开发利用状态的方式。
3.4 可持续发展能值评价指标
环境负载率是一个能反映经济系统的环境压力的指数。一般情况下，值越大表明该系统承受的环境压力越大[13]。成都市环境负载率及可持续发展指数变化趋势见图7。从图7可以看出，2008年～2015年成都市的环境负载率虽有所波动，但总体呈上升趋势，其中2014年的环境负载率最高达到了77.2，平均环境负载率为49.8，高于国内大部分地区[14-17](承德为8.36，泉州为40.2，青岛为18.2)。这表明成都市较国内其他地区而言，环境系统压力巨大。
图7 成都市环境负载率及可持续发展指数变化趋势
可持续发展指数ESI是由美国生态学家Brown.M.T和意大利生态学家Ulgiati.S提出的，能综合评价系统的可持续性发展性能的指数[18]。当ESI<1时，表明经济系统为消费型(多为发达国家或地区)；当1
4 结 语
从本文对成都市水资源生态经济统能值分析的结果可以看出：
(1)近年来，成都市的经济处于一个快速增长的态势，对外开放水平逐渐增强。但与此同时，过快的经济增长也带来了过大的环境负载率。成都市的发展主要是依靠不可更新资源以及反馈输入能值的投入，而对于可更新资源尤其是水资源的投入逐年减少，系统可持续发展能力较低。
(2)近年来，成都市的水资源能值投入率、人均水资源能值用量以及水资源能值利用强度均呈逐年下降的趋势。其中，水资源能值投入率降低了68%，水资源在成都市能值利用结构中所占的比重越来越小。与此同时，人均水资源能值用量降低了42%，水资源能值利用强度降低了29%，成都市的水资源现状已不能与其经济发展水平相匹配，水资源压力巨大。长此以往，水资源短缺问题必将成为制约成都市可持续发展的主要因素。
(3)成都市必须调整产业结构，遵循能值投入搭配原则，适当加大对水资源等可更新资源的投入，减小对不可更新资源的开发利用程度，以实现系统的可持续发展。除此之外，为防止水资源短缺问题制约成都市的经济发展，应大力发展节水农业、节水工业，提高工农业的水资源利用效率。同时，加大对沱江过境水以及雨水等非常规水源的利用力度，以实现经济的良性发展。
(4)利用能值理论与分析方法，不仅能量化水资源生态经济系统的经济发展水平和可持续发展能力，了解本区域的经济发展状况和可持续发展能力在全国的水平，同时还能将系统内不同类别的能量进行相互比较，以衡量各资源对于系统发展的真实贡献程度，是一种比较好的评价方法。
