河湟地区人水系统的协同演化研究

(西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730000)

工业文明以来，气候变化多端，人口增长和城市迅速扩张引发了一系列的生态环境问题。人类对水资源的需求和越来越不合理的水文制度使水资源系统面临了巨大压力，特别是干旱和半干旱地区遭遇的水问题更为严重，人类社会与水之间的关系面临着前所未有的挑战和考验。可持续用水是联合国在2030年指导全球发展的第六个目标。水是人类和自然耦合系统可持续发展过程中最重要的元素之一，是自然社会发展的限制因素，影响着人类社会发展的历史进程。2017年第五版《世界水资源开发报告》指出，水是可持续发展的核心，必须加大改善人水关系的力度。我国正面临“水多(洪涝灾害)、水少(干旱)、水浑(水土流失)、水脏(水污染)”等多重问题[1]，这些都是人水关系失调、人水系统内部失控的表现。当前，我国面临促进社会经济发展和保护资源环境的双重压力，协调经济发展和资源环境保护之间的关系变得尤为重要。

人类面临着严峻的水问题，人们开始重新思考人与水、人与资源之间的关系，以寻求人与水共同发展的出口。实现人与水之间良性循环健康发展的关系，成为新时代人类沉重的历史使命。人地关系理论自提出以来一直备受关注，人水关系作为人地关系研究的分支，用以研究人和水之间的具体互动关系，是准确认知人水关系进而寻求协调人水矛盾路径的基础。人与水之间复杂关系的研究、构建和谐的人水关系地域系统成为近年的热点问题。虽然学者们从人水关系角度展开了较多研究，但依然面临更多理论与实践方面的难题，这与研究过程中涉及水文学科、生态学、经济社会学、人文科学等众多交叉学科有关。多数学者在研究过程中总结提出了人水系统的概念、内涵和研究模型，但无法将人水系统研究形成一套完整的理论体系，缺乏系统全面的人水系统协同演化理论与方法研究，关于人水系统的协同演化理论体系和定量模拟的研究是对人水关系研究体系的补充。

河湟地区虽然水系较多，但从整体上看，该地区地处高海拔的半干旱区，自然条件严酷，干旱缺水少水严重制约了经济发展，不利于生态环境文明发展。本文在已有的研究成果基础上，以河湟地区为研究对象，分析了人水系统协同演化机制。通过构建人水系统协同演化指标体系，针对河湟地区人水系统3个子系统的协同度进行综合评估，并结合信息熵理论、人水系统协同演化模型，探索人水系统协同演化方向。研究成果对河湟地区实现人水关系的可持续发展调控具有一定的指导意义。

1 人水系统的协同演化机制分析

人水系统作为人地关系地域系统重要的一环，是一个开放的和非线性的、复杂的大系统。人文系统和水文系统之间相互联系、相互影响，人水系统的演化是人类活动和水资源之间进行互动的过程，水资源为人类社会提供物质基础，人类反过来对水资源系统开发与利用，构成了人水相互作用过程中的彼此反馈和响应。正反馈也是一种熵减过程，表现为人类社会系统合理地开发利用水资源，为水环境提供有效保护；水资源系统产出可利用资源，为社会提供良好的环境条件。负反馈熵增过程表现为人类过度开发水资源造成水污染，使水资源结构功能及其水循环过程受到干扰，导致生态环境恶化，影响人类社会经济的可持续发展。

为协调人水关系和谐发展，本文研究了人水关系互为作用构成的人水系统的内在机制及演化规律。人水系统包含3个子系统，分别是社会经济子系统、生态环境子系统和资源开发利用子系统。人水系统的核心是系统的协同发展，人水系统的有序发展要求各子系统均保持一定的秩序，在动态的发展过程中维持平衡，促使社会经济子系统协调发展、生态环境子系统文明发展、资源开发利用子系统维稳有序，以实现人水系统的良性循环与可持续协同发展。为方便定量化研究，需阐明人水系统内部变量间的作用。人水系统可表述为以下函数关系[2]：

S=Fγ(X,Y,Z)

(1)

(2)

γ=f(e,d,t)

(3)

式(1)中，S为人水系统；F为人水系统元素变量的函数关系；X、Y和Z分别为社会经济元素组、生态环境元素组和水资源开发利用元素组。式(2)是3个子系统方程组，x、y和z为各子系统的构成元素。式(3)是条件函数，e表示人水系统各元素的有序性；d表示人水系统的空间尺度；t表示人水系统的时间尺度。

人水系统的协同演化内在机制从生物学角度可以视为一种竞争与合作关系，简称为“竞合机制”，是系统演化的驱动力，是人水系统内各子系统及其要素演化发展的内在动力。各子系统之间良好有序的合作有利于人水系统向协同演化方向发展，系统之间的恶性竞争、互相抑制的状态会引起人水系统的恶性循环。根据系统学理论，如果系统远离平衡态，一旦系统的某个参量改变到某个阈值，小的波动会引起系统的突变，使原来的无序混乱状态发生变化，进入新的有序状态，系统通过涨落而达到有序状态。人水系统通过子系统及其元素的协同作用，从无序混乱状态到有序结构转变，即维持着有序的耗散结构状态，通过子系统之间的合作在宏观尺度上产生时间、空间和功能结构，协同能以自组织方式完成。同时，人水系统的进化遵从热力学第二定律，熵是用以表征系统状态的物理量，熵的本质是系统无序程度的度量[3]。人水系统的熵变化包括两部分：一部分是系统内部不可逆过程引起的熵增加，其值恒大于零，即在人类活动影响下，人水系统之间、各子系统之间相互作用产生的不可逆发展过程。另一部分是系统与外界的物质、能量或信息交换引起的熵交流，其值可以为正、负或零，与自然的交换产生的水循环过程，是引入负熵流的具体表现。水资源利用过程中伴有的不同程度的生态破坏和环境污染，引起水污染、水土流失等环境问题，加大了熵值，增加了熵排放，因此总熵值变化与人水系统通过与外界物质、能量和信息交流产生的影响有关。系统的总熵值减少，表示此系统发生着有序演进的进程；反之，系统发生着无序无规则演化的过程。香农应用熵概念推导出与熵的玻尔兹曼表达式完全相同的信息熵公式，以解释系统发展机制及演化方向。系统的有序度变化与其总熵值变化成反比，熵变化分析可以判别人水系统演化方向。当熵值不断降低时，人水系统的有序度增加，表示有利于人类社会和水资源环境的可持续性发展。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文采用的2005、2011、2017年数据主要来源于《甘肃省统计年鉴》、《青海省统计年鉴》、《甘肃省水资源公报》、《青海省水资源公报》、《中国县(市)社会经济统计年鉴》、《中国城市统计年鉴》和各地市相应年份的国民经济和社会发展统计公报、政府工作报告等相关资料。

2.2 人水系统的协同演化模型

子系统的演化协同度:将人水系统的第i个子系统的第j个变量表示为xij,且αij≤xij≤βij，αij、βij为临界阈值，则第i个子系统的协同度为μi，计算公式为[2]：

(4)

其中，μij(xij)表示第i个子系统第j个变量xij的协同度；λj表示变量xij的权重；xijmax、xijmin分别表示变量的最大和最小临界阈值。变量越大越优型，协同度按式(5)计算；变量越小越优型，协同度按式(6)计算；变量在临界阈值内越接近某一值c越优型，协同度按式(7)计算：

(5)

(6)

(7)

人水系统的演化有序度:1948年香农在《通信的数学原理》论文中提出了“信息熵”的概念，用以表示系统的不确定性和信息的度量。熵反映了系统内部的混乱程度，熵越大，系统内部越混乱，有序度越小，说明人水系统朝无序方向演化；反之，朝有序方向演化。因此，熵被用来描述人水系统秩序的变化和演化状态。利用系统熵与有序程度之间的关系来构建一个可以反映人水系统有序度与子系统协同度之间关系的函数方程，公式为[3，4]:

(8)

(9)

其中：ES、RS分别表示人水系统的信息熵和有序度；μi表示子系统协同度。通过RS值的变化得到人水系统的演化方向：RS增大，系统演化方向有序；RS减小，系统演化方向混乱。

3 河湟地区人水系统的协同演化分析

3.1 研究区概况

河湟，河指黄河，湟指湟水。河湟地区指日月山以东，龙羊峡至寺沟峡之间的黄河流域及支流湟水流域(含大通河流域)的广阔区域。本文以兰西城市群规划范围界定为河湟地区研究区域，规划行政区范围包括甘肃省兰州市，白银市白银区、平川区、靖远县、景泰县，定西市安定区、陇西县、渭源县、临洮县，临夏回族自治州临夏市、东乡族自治县、永靖县、积石山保安族东乡族撒拉族自治县；青海省西宁市、海东市，海北藏族自治州海晏县，海南藏族自治州共和县、贵德县、贵南县，黄南藏族自治州同仁县、尖扎县，总面积9.75万km2。河湟地区行政区划范围如图1所示。

图1 河湟地区行政区划范围

黄河、湟水、大通河三大水系是河湟地区重要的水资源，由西北向东南流向，是西北地区重要的政治、经济、文化中心和工农业生产基地。河湟地区东接甘肃，西通柴达木盆地和中亚，南连川藏，北达河西走廊，地理位置关键，肩负着经济建设和战略转移的重任，是国家西部开发的窗口。随着人口的增加和国民经济的迅速发展，河湟地区表现出人水系统供需矛盾突出的特点，流域水资源问题已成为该地区社会经济发展和生态环境改善的障碍。整体上看，河湟地区是青藏高原的组成部分，处于高海拔的半干旱区，是农牧业的交叉地带，自然条件严酷，易受人类活动影响，引起其他环境因素变异。河湟区域长期以来一直面临干旱缺水、水污染、洪涝、地质灾害和水土流失等生态问题，这些基本情况决定了水资源在河湟地区农业生产和社会经济发展中占据的重要性。因此，对河湟地区人水关系进行研究，加强河湟地区水资源和生态环境的保护，以实现人水关系和谐显得尤为重要。人类对水资源利用占主导作用，人水系统协调发展机制研究有利于对水资源的合理利用，有效抑制流域生态环境的恶化，实现人口、资源、环境与经济的持续协调发展。

3.2 构建指标体系

本文为研究人水系统演化的发展水平，遵循客观性、系统性和实用性等原则，构建了河湟地区人水系统的协同演化指标体系(表1)。选取社会经济系统、生态环境系统和资源开发利用系统3个子系统的要素指标，这些指标是能够决定系统演化运行方向的序参量。序参量有正负性，序参量值越大，表示系统协同度越高的为正向参量；反之为负向参量。3个子系统在系统中缺一不可，具有同等重要性。根据层次分析法判断所选参量对上层级系统发展的重要性，进而确定指标权重。

表1 河湟地区人水系统协同演化指标体系

3.3 子系统的演化协同度分析

本文根据公式(4)—(7)，采用AHP层次分析法测算序参量的权重，计算了社会经济系统、生态环境系统和资源开发利用系统3个子系统2005、2011、2017年的协同度，结果如图2所示。

图2 河湟地区人水系统子系统演化协同度

由图2可以看出，2005、2011、2017年河湟地区3个子系统协同度呈现缓慢上升的趋势。2005年3个子系统协同度普遍较低，到2017年子系统协同度有了明显增长，然而协同度值整体偏低。其中，社会经济子系统协同度高于其他两个子系统；生态环境子系统在2005年协同度明显低于2011、2017年子系统协同度；资源开发利用子系统协同度增长最为缓慢，表明人类对水环境保护的投入力度不大，更加注重对社会经济的发展。随着近年来人们水环境保护意识的加强，开始逐步调整人与水之间的天平，以保持一种平衡。整体来看，3个子系统的发展水平表现为上升趋势，但社会经济子系统发展水平增长速度大于生态环境子系统和资源开发利用子系统，表明在河湟地区人类社会经济发展过程中，逐渐关注到对水资源生态环境系统的保护，只是水资源环境发展依旧缓慢。

3.4 人水系统协同演化有序度分析

根据公式(8)、公式(9)，得到河湟地区人水系统演化的有序度。结果如图3、图4所示。

图3 河湟地区人水系统演化有序度

图4 河湟地区各市州人水系统演化有序度

从结果来看，2005、2011、2017年河湟地区各市州人水系统信息熵值逐年下降，各系统内部处于熵减状态，有序度呈现逐年缓慢增长的趋势，到2017年系统有序度迅速增长，同时区域差异化较为明显。兰州市、白银市、定西市、西宁市、海东市临近河湟区域3大水系，社会经济发展水平较高、水资源开发力度强，同时注重对环境保护的投入，促使人水系统整体有序性不断提高。海北州是有序度增长最快、幅度最大的地区。海南州从各方面来看系统有序度都偏低，有序度有所增长但是极其缓慢。该地区社会经济发展水平较低，水资源开发能力有限，水生态环境保护投入力度低，人水系统协同演化发展状态较差；临夏州和黄南州的人水系统有序性处于中等水平，并且增长速度较缓。总体来看，河湟地区人水系统朝着有序演化的方向发展，各地区依然有较大的发展空间。

4 结论、建议与讨论

4.1 结论及建议

本文运用人水系统协同演化模型测算了河湟地区2005、2011、2017年人水系统3个子系统的协同度和系统有序度，结果表明：3个子系统的协同度在2011年之前波动不大，且值较低，2011年之后增长较快，子系统发展水平整体呈上升趋势，社会经济子系统的发展水平大于生态环境子系统和资源开发利用子系统。河湟地区人水系统的有序度缓慢上升，呈逐年上升趋势，但因受多方面因素的影响，区域差异明显。整体来看，河湟地区人水系统向健康有序的方向演化发展。

研究结果表明，人类活动对社会经济发展的影响是积极的，但对水资源利用产生的影响有正有负：正面影响为对水资源的合理规划、生产、利用，表现为熵减；负面影响为加重对水的消耗，引起对水资源不必要的浪费，产生水污染一系列恶性的环境问题，表现为熵增。人类应积极发挥主观能动性，合理支配使用水资源，尽量保持人水系统的熵减状态，促使人水系统与外界的物质能量交流活动发挥正面循环作用，而不是一步步使水资源环境面临更加糟糕的局面。

根据研究结果，本文提出以下建议：一是进一步提升河湟地区的社会经济发展水平；二是注重对水资源基础环境的保护，高度重视资源和环境保护，实施流域综合治理；三是积极主动引入低熵物质与能量减少熵排放，合理开发利用水资源。在生态环境切实有保障的情况下促进社会经济发展，尊重系统发展规律，促使各子系统协同发展，不能为寻求一方突破而忽视其他子系统的可持续发展，以保证河湟地区人水系统协同发展，达到人水和谐。

4.2 讨论

人水系统是复杂的系统，其演化路径受到与外界物质、能量和信息交换的影响，具有不确定性。本文构建的模型依然属于初步探索，不能完全表明系统演化的复杂过程，需做进一步的理论探索和实践研究。今后应深化对人水关系的纵深认知及定量模拟研究，从时间序列视角对人水关系进行全方面的横向定量分析，找出演变过程中的主导因素，深刻理解系统演变规律，促使人水系统朝向可持续方向发展，推出人水和谐相处的调控措施。