甘肃水资源生态经济系统能值分析评价

韩自奋 HAN Zi-fen；朱宏毅 ZHU Hong-yi；袁琛 YUAN Chen；游志刚 YOU Zhi-gang；张赛 ZHANG Sai

（①国网甘肃省电力公司，兰州 730030；②国网甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州 730070）

0 引言

水资源生态经济系统评价旨在分析水资源供需状况、利用效率和服务价值，以及水资源对生态环境和经济发展的影响[1]，是当前国际界研究热点之一。我国西北地区水资源相对短缺，绝对需水日益增加，因生态环境需水不能挤占，系统规划管理水资源面临严峻挑战，因此水资源生态经济系统评价研究倍受重视。目前，相关研究已经开展并取得一些研究成果，如针对水电枢纽的水资源生态经济系统评价，王思聪等提出服务价值评价方法，并探讨水资源生态经济系统评价中不同价值的统一度量[2]；张祥永通过建立水资源与生态耦合模型揭示我国近年水资源可持续性与生态系统服务耦合协调度的变化规律[3]；陈述通过研究水资源-经济-生态系统的耦合关系发现长江流域水资源生态经济系统协调度逐年上升[4]等。这些成果从不同层面探讨水资源、生态环境和社会经济三系统的价值及耦合协调关系，但不能反映系统之间的关系与贡献率，进而不能解决三系统的最优结构配置及最优耦合协调问题。因此本文耦合水资源生态系统与水资源经济系统为水资源生态经济系统，并以甘肃为研究案例，基于能值分析区域水资源生态经济系统，通过建立能值指标评价体系，主成分分析评价甘肃水资源生态经济系统能值，旨在探讨甘肃近十年来的发展劣势项和优势项及综合发展问题，为甘肃未来经济系统最优结构的有效配置提供技术支撑和数据支持。

1 研究区概况

甘肃平均海拔约1500-3000m，年均气温约0-15℃，全省年降水量从东南向西北递减，年均降水量约300mm，最大值约734.9mm，最小值约36.6mm，常遭受干旱等自然灾害，年径流量大于1×108m3的河流78 条。据2022年统计，甘肃省地表水资源量238.3×108m3，人均水资源量956.1m3；全年总用水量110.2×108m3：生活用水量10.3×108m3，工业用水量6.3×108m3，农业用水量82.3×108m3，生态用水量11.3×108m3。全省常住人口2492.42×104人，地区生产总值11201.6×108元，人均地区生产总值44970 元，规模以上工业能源消费5344.4×104吨标准煤；省内断面地表水质量监测良好比例为95.9%。

2 研究方法

2.1 水资源生态经济系统

水资源生态经济系统是由水资源生态系统和经济系统通过技术系统耦合而成的复合系统。其中：水资源生态系统是由水资源、生态环境及社会环境的系统融合[5]，经济系统是由社会再生产过程中的生产、交换、分配和消费等环节相互联系和相互作用的多个经济元素组成，技术系统是人类开发、利用、改造和保护自然物的物质手段、精神手段和信息手段的综合体，在水资源生态系统和经济系统耦合过程中起关键中介作用。水资源生态经济系统优化发展的基础是水资源、生态、经济及其之间的相互协调。系统内的物质循环、能量转换、信息传递和价值增殖等复杂多变的指标因子决定着系统的信息交换流量大、生态服务效应强、人类影响程度高和价值增殖能值多等特点。

2.2 能值分析法

2.2.1 能值分析的概念

能值是指某种形式能量中包含另一种形式能量的数量，通常能量最初都源自太阳能，因此太阳能常被用作衡量各种能量形式的基准。能值分析是研究某种流动或储存的能量或物质在其产生过程中消耗另一种能量的量，是美国生态学家H.T.Odum 于20 世纪80年代提出的生态学理论[6-7]。该方法是以生态经济系统为自组织系统，内部各种形式的能量随系统运作流动而少部分以熵的形式散失，同时又以更高等级能量的形式流动。能值分析涉及环境生态学、资源能量学及社会经济学[8]，对于合理利用自然资源，制定和实施经济发展方针及可持续发展战略都具有重要意义。

2.2.2 绘制能量系统图

能值分析时，为明确系统结构、系统内外关系和能量流向，需绘制能量系统图[9]（见图1，实线表示能值流，虚线表示货币流）。

图1 水资源生态经济系统能量系统图

2.3 能值指标体系构建

为有效评价水资源生态经济系统，基于能量系统图及能值分析表构建水资源生态经济系统综合能值指标体系如表1。

表1 水资源生态经济系统的能值指标体系

2.4 主成分分析评价法

主成分分析是利用降维技术，简化高维复杂问题，保留最重要的少数综合变量，减少分析评价复杂性与工作量的方法；实际应用时：从重复交叉的诸多指标筛选能综合反映系统综合信息又具独立性的变量；通过编程或SPSS软件生成新的综合指标；根据权重及主成分得分综合评价系统[10]。

基本原理：根据需求选评价因子，依次记为x1、x2、…、xm；构造评价样本，记为n 并转为矩阵X；对X 进行正交变换等变形得新的综合评价指标Fi可获取主成分及其线性表达式：

式中：μi表示指标系数。绝对值越大则说明该指标对主成分的重要程度越大。

3 研究案例

3.1 数据来源及预处理

以甘肃省为研究案例，根据选自2011-2020年《甘肃省水资源公报》和《甘肃发展年鉴》等数据，推求可更新资源、能源自给率等25 个指标。因推求的各类数据单位各异，需标准化处理数据，采取min-max 标准化计算，通过熵权法计算各指标权重占比，从表1 中7 个准则层选取占比最高的指标进行主成分分析。

3.2 能值指标分析评价

3.2.1 能值指标计算

根据表1 计算甘肃省2011-2020年的系统能值、社会发展、经济发展、自然环境、水资源及可持续发展，结果见表2。

表2 甘肃省2011-2020年各能值指标

3.2.2 能值指标评价

通过数据预处理及权重计算，各指标层权重最大为：能值交换率0.104、水资源投入率0.0659、可持续发展性能0.059、输出能值0.0473、不可更新资源能值比率0.0465、能值投资率0.0405、能值密度0.0219，绘制2011-2020年7 个指标的变化曲线如图2。

由图2 可知：水资源投入率、不可更新资源能值和可持续发展性能在2011-2015年递减，2015-2017年递增，2017年后又下降。其中：不可更新资源能值2018-2019年维持不变，2019年后大幅上升；水资源投入率在2017-2019年递减后又小幅增长；可持续发展性能在2017-2018年下降后逐年增长。输出能值、能值密度和能值投资率逐年递增至2015年达极大值，2015-2017年递减，其中：能值投资率和能值密度于2017-2019年递增，2019年出现下降趋势；输出能值于2017年出现增长后逐年递减。能值交换率于2011-2015年基本保持不变，于2015-2019年逐年递增至极大值，2019年出现下降趋势。

3.3 主成分分析评价

通过熵权法选取权重较大的主要分析成分：水资源投入率、不可更新资源能值、可持续发展性能、输出能值、能值密度、能值投资率和能值交换率，分析甘肃省2011-2020年水资源生态经济系统影响成分可知：KMO 值为0.676，其Bartlett 球形检验结果符合标准，适合进行主成分分析。根据各成分的特征根及贡献（表3）判断本次分析有2 个主要成分：能值交换率和水资源投入率。

计算综合评价指标：

F1=0.192×能值交换率-0.335×水资源投入率+0.019×可持续发展性能+0.04×输出能值-0.21×不可更新资源能值比率+0.22×能值投资率+0.288×能值密度

F2=0.416×能值交换率-0.202×水资源投入率+0.325×可持续发展性能-0.27×输出能值+0.032×不可更新资源能值比率-0.062×能值投资率+0.066×能值密度

可得：F=（0.517/0.936）×F1+（0.419/0.936）×F2。由因子权重=方差解释率/旋转后累积方差解释率得：因子1 的权重为55.215%、因子2 的权重为44.785%，最终的综合得分见表4。

表4 综合得分

表4 显示：2019年综合得分最高，2018年次之，2011年最低。2011年综合得分约-1.5，说明甘肃综合发展水平当年较差；随后，国家实施第十二个五年计划等，可持续发展及环境保护得到重视，促使甘肃综合经济发展水平逐渐提升，2014年综合得分>0，2019年达到最大值约1.3，因2019年末新冠疫情开始影响社会发展、经济发展和水资源利用等，甘肃综合发展水平又出现较大下降趋势。发展中重要性顺序：能值交换率>水资源投入率>可持续发展性能>输出能值>不可更新资源能值比率>能值投资率>能值密度，说明甘肃在2011-2020年内重视发展经济和水资源的开发利用，但自然环境和社会发展情况较差。

4 结论

①2011-2020年，甘肃经济发展速度较快，但过度依赖资源出口和本地资源的开发利用，导致甘肃该时期自然环境负载率较高，可持续发展能力较差；同时人均能值较低、能值交换率较高，体现甘肃省未来开发潜力较高。②由于新冠疫情影响，2019年各项综合发展均有下降趋势；疫情恢复期，需充分开发利用水资源、加强开发旅游资源、及时调整进出口贸易，综合考虑可持续性发展能力，提高水资源-生态-经济的耦合度。③近10年内，甘肃水资源利用强度及人均使用量较低，需在未来发展中不断重视水资源的开发利用，水资源承受的压力需不断调整并尽可能减小，在大力发展经济的同时应与用水情况、自然生态保护相结合，以提高用水效率并不断协调配置水资源，促进甘肃省可持续性发展。