基于和谐论的黑河流域“水-经济-生态”发展结构评价与预测

吴 婕，丁 林

（甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000）

0 引言

水资源是支持人类生存的珍贵资源，同时也是社会经济发展和维持生态环境重要物质基础，水资源在发展社会经济过程中发挥了非常重要的作用［1］。然而随着社会经济快速发展，人类生产生活对水资源的需求日益增长，与生态用水之间为争夺有限水资源而产生矛盾，所遇到的水资源问题也日益突出［2］。水资源是社会经济、生态环境等各系统共同的承载主体，如果为了只追求发展经济而过度开发有限水资源，势必突破生态环境及水资源的承载能力，就会使水资源环境失去平衡，生态环境将遭到破坏，进而严重威胁到人类生存与发展。为保障社会经济可持续发展和维持生态环境和谐稳定，必须寻求一种平衡，使得水资源开发利用程度达到某一适宜水平，让可持续利用的水资源支撑经济社会的可持续发展，实现人与自然和谐共生［3］。

近年来，如何实现水资源的可持续利用与社会经济生态环境的和谐、协调发展已成为研究热点，许多学者并对此开展了相关研究。左其亭［3，4］基于和谐论开展了人水和谐评价指标及其量化方法，并将建立的和谐平衡模型应用于河南省；赵翔等［1］利用灰色关联方法筛选14个指标并建立和谐度评价模型，评价余姚市水资源与社会经济生态环境协调程度2007 年处于较高水平；戴会超等［5］从城市人水客观和谐与主观和谐两个方面，建立了城市人水和谐的评价指标与评价计算模型；梁士奎等［6］以人水和谐为目标，以区域取用水总量、用水效率和纳污能力为控制指标，采用人水和谐量化方法，进行了水资源配置结果和谐度分析；胡智丹等［7］建立了用水总量控制及流域治理效果评估指标体系，通过量化指标评分值和指标权重，采用加权平均方法进行综合评估；徐建芳等［8］建立了水资源利用和谐度评价数学模型，评价结果显示余姚市近年来水资源利用是科学、和谐；张成凤等［9］利用区间层次分析法对榆林市水资源配置系统的后效进行和谐性评价，相比常用的评价方法其配置方案更具有较好的适应性；王强等［10］基于可持续发展、和谐理论建立水资源配置和谐性评价体系，并对某市现状进行研究；陆赛等［11］建立基于信息熵的协调度评价模型构建了人水和谐评价指标体系，评价苏州市近年来人水和谐协调发展度呈上升趋势；郑二伟等［12］基于和谐论构建建立了地下水可持续利用评价体系，对河南省2001—2018 年18 个地市地下水可持续利用状况进行评价；崔建伟等［13］对从人水和谐论和量化方法进行总结，并用于水资源利用现状定量评价。王大洋等［14］采用SMI-P 法构建人水和谐度量化评价模型，并以层次分析-模糊变权法对23 个指标确定权重，分析广西区域2010-2015 年水和谐情况。上述研究主要集中水资源与经济、社会等的和谐发展和流域综合治理等方面，对已经地表水过度开发的流域，考虑水-经济-生态和谐统一的发展研究较少，在前人研究基础上，基于和谐理论以及水资源与社会经济、生态环境之间的相互关系，结合黑河流域地表水过度开发的实际情况，对三者协调发展评价进行初步探讨，以期为治理流域提供决策参考。

1 黑河流域用水现状

黑河是我国较大的一条内陆河，干流约长800 km［15］，流经甘肃张掖市、酒泉市、嘉峪关市，据统计，2015 年黑河流域总供水量38.13 亿m3，其中地表水供水量27.36 亿m3，占总供水量的71.75%；黑河流域总用水量38.13 亿m3，其中农业灌溉用水31.24 亿m3，占总用水量的81.93%，而工业用水为1.70 亿m3，仅占总用水量的4.46%；黑河流域总耗水量26.73 亿m3，其中农业灌溉耗水22.67 亿m3，占总用水量的72.59%。可见，黑河流域经济效益较差的农业灌溉用水占比偏大，耗水量也以农业灌溉耗水量为主，用水结构还未得到优化。

2015年甘肃省地表水资源开发利用率为31.92%，其中内流河流域水资源开发利用率高达97.07%，而内流河流域中黑河流域地表水资源开发利用率最高，达到131.27%，属于过度开发区，严重影响当地生态环境［16］。

2 地表水过度开发区“水-经济-生态”和谐性评价体系及量化方法

2.1 地表水过度开发区“水-经济-生态”和谐性指标体系建立

地表水过度开发区以协调流域生态建设、经济社会发展、优化水土资源配置为目标，综合国内外水资源管理等方面研究文献，结合黑河流域实际情况，基于和谐理论、可持续发展理论和系统科学的方法，提出了“水-经济-生态”系统和谐性评价指标体系。为有效评价地表水过度开发区社会经济、水环境及生态环境系统，采用1990 年OECD 提出的PSR 概念建立模型，综合考虑可持续性、整体性、系统性与可持续性相结合、典型性及针对性原则［17，18］，建立科学可行的“水-经济-生态”系统和谐性评价指标体系，整个指标体系分为3 层，由高到低分别为目标层、系统层和指标层。和谐性评价指标体系结构见图1。

图1 地表水过度开发区“水-经济-生态”和谐性评价指标体系结构图

目标层综合反应水资源系统和人类社会相互协调和共同发展的程度，用综合和谐度表示某个地区水资源系统和人类社会和谐发展的总体程度、总体效果及总体态势。

系统层包含3个子目标，分别从社会经济系统、生态环境系统以及水资源利用系统方面衡量整个“人水自然环境”系统和谐。

指标层按照子系统不同性质、考虑数据来源的可靠性，分析研究流域的系统结构和要素，筛选可操作性、代表性、系统性、科学性的指标［19，22］，结合黑河流域社会经济、水资源等现状及未来规划，选取能够表达各个子系统特征的14项评价指标。

2.2 评价方法

对地表水过度开发区“水-经济-生态”系统和谐性评价采用较为普遍的综合指数法，该方法用来进行和谐度分析，包括单项指标子和谐度计算、系统层和谐度计算和目标层综合和谐度的计算。其首先对评价指标消除量纲效应，进行数据归一化处理；其次根据各个指标在整个系统中的影响程度，选用层次分析法（AHP）进行参数赋权；然后将各单元无量纲指数和各参数权重进行加权平均计算系统层和谐度值，最后根据各系统和谐度的权重，加权计算综合目标层和谐度。

单项指标子和谐度根据研究区域实际情况，采用指数小于l 的幂函数y=a+bx1/2进行模型计算，该函数数值介于0～1 之间，规定极小值、平均值和极大值对应0、0.5、1 子和谐度值，任意指标代入该幂函数以便求出子和谐度。

系统层和谐度计算公式为：

式中：H为系统和谐度值的大小；Hi、ωi分别为第i个指标的和谐度数值和权重。

“水-经济-生态”综合和谐度计算公式为：

式中：WH为流域“水-经济-生态”综合和谐度；Hj、ωj为第j个系统的和谐度数值和权重。

2.3 和谐等级划分

为了直观表现地表水过度开发区不同时期和谐程度，参照相关文献和规定，将和谐度数值以0.2 为间隔划分为5 个等级，具体划分标准见表1。

表1 和谐等级划分标准

3 基于量化和谐论的黑河流域评价指标子和谐度模型的确定

根据国际公认的一些指标值和各种标准，再参考近年来我国社会人口和经济发展的实际状况，确定了甘肃省地表水过度开发区“水-经济-生态”和谐性指标体系中指标的核算标准，见表2；将和谐性指标体系中的各项指标平均值对应的子和谐度定为0.5，并根据评价的幂函数建立指标子和谐度评价模型见表3。

表2 黑河流域“水-经济-生态”指标体系及子和谐度核算标准

表3 黑河流域“水-经济-生态”和谐评价指标子和谐度模型

4 黑河流域“水-经济-生态”不同情景和谐度计算与分析

4.1 不同发展情景确定

为确保黑河流域生产、生活、生态各个环节均衡协调发展，实现生活水平稳步提升、生态环境良性循环、生产经济高效持续发展的目标，通过水资源优化配置、种植结构调整、大力推广节水技术等措施有效降低农业灌溉用水，提高工农业水资源利用效率，从而降低地表水开发利用率。因此，黑河流域在2015年社会经济、水资源利用保障和生态环境子系统政策不作任何调整的基础上，未来发展情景方案设计中适当考虑政府相关规划、计划，围绕经济GDP 增长率、地表水开发利用率和农田灌溉水利用效率等来分析和调整，得出黑河流域未来发展的4 种情景规划方案。通过“水-经济-生态”不同情景和谐度性评价与分析，对黑河流域的和谐度做出预测，为黑河流域未来发展提供参考依据。

情景Ⅰ为黑河流域依据《甘肃省国民经济和社会发展第十三个五年规划》、《甘肃省循环经济总体规划》、《甘肃省十三五高效节水灌溉发展规划》等，社会经济、生态环境和水资源利用保障系统不做任何调整，预测各系统的变化趋势。

情景Ⅱ为实现生态目标，降低地表水开发利用率，在保证人民生活水平不会大幅降低的前提下，适度调整GDP增长率。

情景Ⅲ针对流域内农业用水量大，发展高效节水面积还有一定空间，且情景II 不能有效降低地表水开发利用率，实现河流生态健康可持续发展，因此在情景I的基础上，保持GDP的增长速度不变，通过农作物种植结构调整、大力发展高效节水灌溉面积等措施，降低作物综合净灌溉定额，提高灌溉水利用系数，大幅度降低农业用水量，从而降低地表水开发利用率。

情景Ⅳ为确保实现流域生态目标，考虑到情景Ⅲ水利投资较大，实现起来有一定难度，因此考虑维持情景I中GDP的经济增速不变，同时基于最严格水资源管理制度的核心——“三条红线”，优化水资源配置、加大工业节水力度、推广高效节水灌溉技术，提高用水效率，同时适当调整农田灌溉面积，以确保河流生态健康可持续发展。

以上4种情景下的各指标模拟值见表4-6。

表4 社会经济系统指标值

表5 水资源利用保障系统指标值

表6 生态环境系统指标值 %

4.2 指标子和谐度计算及分析

根据表4-6及评价函数曲线计算得出黑河流域不同情景下2015 年、2020 年以及2030 年社会经济系统、水资源利用保障系统、生态环境系统各个指标的子和谐度，计算结果见图2-4。

图2 不同情景下黑河流域社会经济系统指标子和谐度变化图

图3 不同情景下黑河流域水资源利用保障系统指标子和谐度变化图

图4 不同情景下黑河流域生态环境系统指标子和谐度变化图

4.3 综合和谐度WH的计算与结果分析

由综合指数评价法，计算出黑河流域“水-经济-生态”指标体系综合和谐度，结果见表7。

经计算，2015 年黑河流域社会经济、水资源保障及生态环境系统和谐度分别为0.51、0.17、0.16，系统综合和谐度为0.22，黑河流域隶属等级为较不和谐；从表7 可知黑河流域2015 年到2030 年情景I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ综合和谐度包括各子系统的和谐度都有所提高，其中社会经济发展系统提高尤为明显，其和谐度值均在0.5 以上，表明其对整个流域综合和谐度贡献较大，制约最小。2020年4种情景综合和谐度相比2015年有所提高，但力度不大，隶属等级还是较不和谐，且4 种情景的HU、HE 和谐度均低于0.5，是影响黑河流域“水-经济-生态”不和谐的主要因素；2030 年，四种情景综合和谐度虽均大于0.5，但情景Ⅰ、Ⅱ中HU、HE还是低于0.5，情景Ⅰ、Ⅱ隶属等级为一般和谐，情景Ⅲ、Ⅳ的HS、HU、HE 均大于0.5，综合和谐度大于0.6，隶属等级均达到和谐，相比之下情景Ⅲ、Ⅳ是四个方案中相对较好的发展模式，说明这个两个方案配置相对合理且适宜性较好。

表7 不同情景下黑河流域“水-经济-生态”系统综合和谐度

5 黑河流域“水-经济-生态” 和谐发展结构预测

由以上的分析可知，黑河流域如果按以上任意一种情景发展下去，到2020 年和谐程度没有得到有效改善，均达不到一般和谐，这是因为流域内产业调整不到位、水资源管理体制不到位、节水效率低，同时决策层多重视经济发展，轻视生态环境的保护和治理，致使生态供水不足，进而引起生态环境恶化，导致和谐性评价最低，隶属不和谐；2030年继续调整政策，流域的和谐程度均有所改善，其中情景Ⅲ、Ⅳ优于情景Ⅰ、Ⅱ。

本项目推荐情景Ⅲ、情景Ⅳ为黑河流域“水-经济-生态”和谐发展结构模式。

由表8 可知，黑河流域的情景Ⅲ、Ⅳ，到2030 年地表水开发利用率分别为70.7%、68.3%，比2015 年分别降低了60.57%、62.97%，使得黑河流域退出地表水过度开发区，成为正常开发区，从而实现了水-经济-生态系统的良性循环，实现了河流生态健康可持续发展。

表8 黑河流域“水-经济-生态”和谐发展不同结构模式情景表

6 结语

为确保黑河流域未来水资源、社会经济、生态环境三者协调、共同发展，针对该流域地表水资源开发利用率较高的现状，建立地表水过度开发区“水-经济-生态”系统和谐性评价模型。黑河流域在适当考虑政府相关规划，同时围绕经济GDP 增长率、地表水开发利用率和农田灌溉水利用效率等来分析和调整，确定流域未来发展的四种情景模式。采用和谐模型分析黑河流域不同情景模式下人水和谐程度，结果显示不同情景下系统整体和谐性和各子系统和谐性均有不同提升，但2020年和谐程度还是隶属于较不和谐等级，2030 年继续调整政策，黑河流域在情景Ⅲ、Ⅳ和谐程度改善优于情景Ⅰ、Ⅱ，此结果比较符合黑河流域目前实际状况。评价体系采用的线性隶属度的方法，能够对黑河流域“水-经济-生态”系统和谐程度进行定量描述，其结果与流域实际情况总体相符，对探讨水资源短缺的北方流域可持续发展具有借鉴意义，但“水-经济-生态”系统是一个复杂的系统，地表水过度开发利用区形成因素不同，且建立的和谐性评价数学模型尚处于探索阶段中，评价指标确定具有一定的个人主观因素，进而影响了评价体系的适用性，这需要在今后研究工作进一步改进、完善。