瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)的安全評價

李鵬飛，楊廣，李小龍，楊明杰，陳東，王杰

（現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子，832003）

近年來，隨著瑪納斯河流域人口的增加以及經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源和生態(tài)環(huán)境問題日益突出；因此，實現(xiàn)瑪納斯河流域內(nèi)的水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定的可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫。1995年，馮尚友從實證論和系統(tǒng)論上論證了水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)的客觀存在[1]，水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)是指以水資源系統(tǒng)為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)相互交織、相互作用、相互耦合的復(fù)合系統(tǒng)。水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)與單一系統(tǒng)的主要區(qū)別在于其具有自然、社會、經(jīng)濟和人文屬性的綜合效應(yīng)。復(fù)合系統(tǒng)的安全評價將為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供合理的決策依據(jù)[2]。

國外學(xué)者對水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)安全的評價主要側(cè)重于某個方面，并建立了各種模型，如區(qū)域計劃多方案擬模型[3-4]、生態(tài)模擬和經(jīng)濟優(yōu)化綜合模型[5]、環(huán)境經(jīng)濟決策與多目標規(guī)劃模型[6]、通用平衡模型等[7]。1965年，美國加利福尼亞大學(xué)的查德發(fā)表了題為《模糊集合》的論文，標志著模糊數(shù)學(xué)理論的誕生，并很快在模糊理論的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了模糊綜合評判法[8]；20世紀70年代美國匹茲堡大學(xué)教授沙提提出層次分析法[9]；1978年，美國 A.Charnes和 W.W.Cooper等人首先提出了 DEA方法[10]；1981年，Hwang和 Yoon提出了逼近理想點的排序方法[11]；澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織（CSIRO）學(xué)者從環(huán)境背景、環(huán)境變化、經(jīng)濟變化趨勢三方面建立了一種量化的評估流域環(huán)境質(zhì)量的安全指標；聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署（OECD）建立的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)框架模型（PSR）被廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)安全的研究中，這一框架使得系統(tǒng)之間的因果關(guān)系更加清晰且便于研究。

系統(tǒng)安全思想在20世紀90年代被引入我國，受到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注并且成為熱點問題。系統(tǒng)評價的方法主要可分為定量分析評價和定性與定量結(jié)合的分析評價兩大類，其中后者使用較為廣泛。具體方法有線性規(guī)劃法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、層次分析法等。史正濤等[12]運用邊際效益遞減原理對昆明市水安全進行評價；王業(yè)耀等[13]分析了廣泛應(yīng)用的幾類評價方法的特點、應(yīng)用前景、發(fā)展過程、階段性研究進展和應(yīng)用案例，為河流生態(tài)質(zhì)量評價體系的建立及發(fā)展方向提供建議和參考；鄭德鳳等[14]提出基于熵值法和熵權(quán)理論改進的突變模型，評價方法科學(xué)合理且結(jié)果客觀準確；焦珂?zhèn)サ萚15]構(gòu)建了基于水質(zhì)與生物指標兩個方面的水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，輔以綜合污染指數(shù)法計算出各樣點的健康評價得分，對松花江流域的水生態(tài)系統(tǒng)健康進行綜合評價；李朦等[16]建立統(tǒng)籌經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境和再生水資源價值4個方面的評價指標體系，采用專家調(diào)查法和熵權(quán)法相結(jié)合的方法確定各評價指標的權(quán)重，采用模糊綜合評判法及層次分析法對評價結(jié)果進行校驗；左其亭等[17]回顧梳理了我國水資源系統(tǒng)研究的發(fā)展歷程，在對研究方法對比分析的基礎(chǔ)上，把水資源相關(guān)評價計算方法分為經(jīng)驗公式法、綜合評價法、系統(tǒng)分析法三大類。

本文通過構(gòu)建瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)安全評價指標體系，采取定性與定量結(jié)合的層次分析法和“邊際效益遞減”原理綜合評價瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)的安全程度，可為區(qū)域可持續(xù)安全發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)安全評價指標體系

1.1 瑪納斯河流域概況

（1）水資源概況。瑪納斯河流域位于天山北麓，準噶爾盆地南緣，總面積3.05×104km2，地勢南高北低。自東向西分別有塔西河、瑪納斯河、寧佳河、金溝河、巴音溝河6條內(nèi)陸河，水資源量山區(qū)多余平原，東部多于西部，由南向北流入準噶爾盆地。各河流的主要補給水源為冰川積雪，天山山區(qū)高、中山區(qū)降水也為各河流的徑流量提供了另一補給水源[18]。地下水主要以潛水為主，埋深在10-50m，通過河流及渠道滲漏、田間入滲、春季融水入滲、平原水庫入滲和降水入滲補給[19]。

（2）生態(tài)概況?，敿{斯河流域在近50年內(nèi)大力發(fā)展農(nóng)、牧、工業(yè)和人工綠洲生態(tài)，最大限度利用了干旱區(qū)的水資源，有效改變了自然面貌。2015年瑪納斯河流域灌溉面積達31.33萬 hm2，其中農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量95%，工業(yè)和生產(chǎn)用水占5%?，敿{斯河流域的生態(tài)環(huán)境發(fā)展為人類提供了良好的生存條件[20]。

（3）社會經(jīng)濟概況?，敿{斯河流域在50年內(nèi)，人口數(shù)量從最初的5.5萬增長至現(xiàn)在的100萬人；糧食產(chǎn)量從1949年往后50年增加約3倍之多[21]；流域國內(nèi)生產(chǎn)總值從0.1億元增長到610.40億元，特別是2005年之后經(jīng)濟發(fā)展速度大幅增長。2014年流域的第一產(chǎn)業(yè)增加值為231億元，第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的增加值分別為229億元和183億元[22]。

1.2 評價指標

水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)安全評價指標體系構(gòu)建遵循以下原則[23]：

（1）整體性原則。指評價指標為一個完整的體系，服務(wù)于整個系統(tǒng)，應(yīng)該針對各個方面綜合考慮，同時也要避免體系過度龐大和復(fù)雜。

（2）科學(xué)性原則。指評價指標體系要建立在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，能真實反應(yīng)系統(tǒng)的安全狀況和本質(zhì)特征，從而使評價結(jié)果具有真實性和客觀性。

（3）動態(tài)性原則。指系統(tǒng)的發(fā)展是變化的，構(gòu)建的評價指標體系需要反應(yīng)出系統(tǒng)不同時期的發(fā)展特點，同時也能指示未來的發(fā)展情況。

（4）簡明性和現(xiàn)實性原則。指所選指標應(yīng)該概念明確且容易獲取，同時也要實用和易于理解。

根據(jù)以上4個原則，再結(jié)合系統(tǒng)分析的同類指標體系[24-26]選定的水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)評價指標如表1所示。

表1 系統(tǒng)評價指標選取表Tab.1 Selection of system evaluation index

1.3 權(quán)重的確定

本文系統(tǒng)評價采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）進行權(quán)重的計算。它是一種有效多目標規(guī)劃方法，也是一種最優(yōu)化技術(shù)，是定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法[27]。將瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)分成三個組成部分，分別是水資源子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)和經(jīng)濟子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)為一個層次，各層次之間互不相交，見表1。建立瑪納斯河流域遞階層次結(jié)構(gòu)之后，再以目標層元素A為準則，對下一層次C1、C2、C3起支配作用，采納借鑒一些經(jīng)驗豐富學(xué)識淵博的專家做出分析，針對目標層元素A下一層次的其中兩個元素Ci和Cj哪一個比較重要，重要程度的表示如表2所示。指標層和準則層的關(guān)系同理。

表2 程度數(shù)值比例標度表Tab.2 Degree valuescale

指標層所有因素Pi對于目標層A相對重要性的權(quán)值計算稱為層次總排序。這個過程是從目標層A到指標層P進行的。準則層C的n個因素對目標層A的排序為a1，a2，a3…an；指標層P的m個因素對準則層Ci的單層次排序為b1，b2，b3…bn；指標層P的層次總排序，即指標層第i個因素對目標層的權(quán)值為ai·bi.層次總排序計算結(jié)果見表3。

表3 層次總排序表Tab.3 Hierarchical total ordering

2 水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)安全評價

2.1 評價模型

本文采用“邊際效益遞減”原理來分析各指標對整體系統(tǒng)的影響[28]?！斑呺H效益遞減”原理是經(jīng)濟學(xué)的一種基本原理，是指在短期生產(chǎn)過程中，在其他條件不變（如技術(shù)水平不變）的前提下，增加某種生產(chǎn)要素的投入，當該生產(chǎn)要素投入數(shù)量增加到一定程度以后，增加一單位該要素所帶來的效益增加量是遞減的，邊際收益遞減規(guī)律是以技術(shù)水平和其他生產(chǎn)要素的投入數(shù)量保持不變?yōu)闂l件進行討論的一種規(guī)律。

評價指標體系的所有指標可以分為三大類，各類指標有著不同的評價模型。第1類指標是越大越優(yōu)曲線型指標，這類指標的評價模型由于其邊際效益變化規(guī)律采用的是冪函數(shù)[29]：

第2類指標類型是越小越優(yōu)曲線型，該指標的評價模型根據(jù)邊際效益變化規(guī)律采用的冪函數(shù)是[29]：

第3類指標是直線型指標，其評價模型采用一次函數(shù)[29]：

根據(jù)國內(nèi)外公認的水安全評價標準并結(jié)合專家的建議，參考近年來的流域社會人口和經(jīng)濟發(fā)展實際情況，充分考慮近年來流域的社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境及水資源的關(guān)聯(lián)性，確定指標的評價核算標準，代入模型中得出系數(shù)a和b值，由此確定系統(tǒng)安全評價模型[26，30]。

表4 系統(tǒng)安全評價模型Tab.4 System safety evaluation model

2.2 評價標準

根據(jù)瑪納斯河流域?qū)嶋H情況，結(jié)合國際標準和國家標準、綜合分析相關(guān)研究成果及歷史資料，本文將瑪納斯河流域的水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)安全評價標準分為5個等級：Ⅰ級（非常安全）、Ⅱ級（安全）、Ⅲ級（基本安全）、Ⅳ級（不安全）、Ⅴ級（非常不安全）。根據(jù)國家標準和流域的生態(tài)類型特征及經(jīng)濟發(fā)展狀況，評價指標分級標準的范圍和具體描述見表5。

表5 安全狀態(tài)分級表Tab5 Safety status classification table

2.3 安全評價指數(shù)

將流域各指標各年的數(shù)值帶入其對應(yīng)的指標評價模型中，求得該年指標相應(yīng)得分y。結(jié)合各子系統(tǒng)內(nèi)指標的權(quán)重，根據(jù)公式（4）計算出各子系統(tǒng)各年的安全評價指數(shù)[30]。

復(fù)合系統(tǒng)的安全評價需要結(jié)合各子系統(tǒng)的權(quán)重，再通過公式（5）對子系統(tǒng)安全評價指數(shù)加權(quán)求和，計算出瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)各年的安全評價指數(shù)[30]。

計算結(jié)果見表6。

表6 流域各評價指標得分情況Tab.6 Evaluation index scores of River Basin

續(xù)表6

3 系統(tǒng)評價結(jié)果與分析

3.1 子系統(tǒng)評價

在瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)的3個子系統(tǒng)中，水資源子系統(tǒng)C1所占的權(quán)重為0.64，經(jīng)濟子系統(tǒng)C2所占的權(quán)重為0.26，而生態(tài)子系統(tǒng)C3所占的權(quán)重為0.10。由于準則層中水資源子系統(tǒng)C1的對目標層的權(quán)重最大，所以其包含的指標對目標層的權(quán)重也相對整體較大；而經(jīng)濟子系統(tǒng)C2中人均GDPP6最大，說明該指標在經(jīng)濟子系統(tǒng)中對目標層的影響比較明顯；生態(tài)子系統(tǒng)C3在3個子系統(tǒng)中對目標層的權(quán)重所占最小，但是其包含的生態(tài)環(huán)境用水率P10對目標層的權(quán)重卻很高，說明生態(tài)環(huán)境用水率在總系統(tǒng)中占有一個比較重要的地位，有著較為明顯的影響效果。

經(jīng)過評價指數(shù)的計算，根據(jù)安全狀態(tài)的分級標準可知：

（1）水資源子系統(tǒng)C1和生態(tài)子系統(tǒng)C3都處在Ⅱ級（不安全）的狀態(tài)之中，并且水資源子系統(tǒng)C1的安全評價指數(shù)還呈現(xiàn)出一個持續(xù)下降的趨勢。其主要原因是瑪納斯河流域的人均水資源量和人均日生活用水量都在逐年下降，而水資源的開發(fā)利用率卻持續(xù)升高，這導(dǎo)致水資源子系統(tǒng)C1的安全狀態(tài)呈現(xiàn)下降的趨勢；而生態(tài)子系統(tǒng)C3雖然處在Ⅱ級（不安全）的狀態(tài)中，由于瑪納斯河流域的植被覆蓋率和污水處理率在逐年上升，所以總體呈現(xiàn)一個上升的趨勢。

（2）經(jīng)濟子系統(tǒng)C2的安全狀態(tài)較好，從2000年的Ⅱ級（不安全）上升到2015年的Ⅳ級（安全），并且上升趨勢明顯漲幅較大。究其原因主要是由于近年來瑪納斯河流域大力發(fā)展經(jīng)濟，城市化率和人口密度等相關(guān)指標也是呈現(xiàn)一個持續(xù)增長的狀態(tài)。

（3）對于水資源子系統(tǒng)C1存在的問題，應(yīng)當采取相應(yīng)的保護措施，出臺相關(guān)的保護規(guī)定，規(guī)范水資源的開發(fā)利用，改善其安全狀態(tài)；過低的水價是引發(fā)水資源問題的主要原因之一，可以制定合理的水價進行水資源管理[31]，同時也要兼顧生態(tài)環(huán)境的保護與治理，爭取做到個子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖1 各子系統(tǒng)安全評價指數(shù)Fig.1 Safety evaluation index of each subsystem

3.2 水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)評價

在瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)指標體系中，對本文選取的10個指標通過層次分析法計算結(jié)果如下：

（1）人均水資源量P1所占權(quán)重最大且與第二相差較遠，為0.41；水資源開發(fā)利用率P2所占權(quán)重第二，為0.15；指標人均GDPP6所占權(quán)重排名第三，為0.11。

（2）比例在前 6位的是人均水資源量P1（權(quán)重0.41）、水資源開發(fā)利用率P2（權(quán)重0.15）、人均GDPP6（權(quán)重 0.11）、城市化率P4（權(quán)重 0.08）、人均日生活用水量P3（權(quán)重0.08）、生態(tài)環(huán)境用水率P11（權(quán)重0.07）。

通過評價指數(shù)的計算結(jié)果（圖2）可知：

（1）瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)從2000年-2015年一直處在Ⅱ級（不安全）的狀態(tài)。

（2）2005年系統(tǒng)的安全狀態(tài)最差，從2005年后，系統(tǒng)的安全評價指數(shù)呈現(xiàn)出一個上升的趨勢，且上升幅度很大。造成這種趨勢的原因是：經(jīng)濟子系統(tǒng)C2和生態(tài)子系統(tǒng)C3的安全評價指數(shù)都是上升的趨勢，對復(fù)合系統(tǒng)具有一定的影響，而水資源子系統(tǒng)C1的下降趨勢使得復(fù)合系統(tǒng)的增長幅度相對較緩。雖然復(fù)合系統(tǒng)安全評價指數(shù)整體呈現(xiàn)上升趨勢，但是仍然需要對水資源子系統(tǒng)C1方面進行大力保護，包括提高用水效率加強節(jié)水、加強水資源規(guī)劃管理、污水資源化等措施；同時維持經(jīng)濟子系統(tǒng)C2和生態(tài)子系統(tǒng)C3的穩(wěn)定增長，確保各子系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖2 瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)安全評價指數(shù)Fig.2 Manas River Basin water resources-ecoeconomic complex system safety evaluation index

4 結(jié)論與討論

通過本文對瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)安全評價的計算與分析取得了以下結(jié)論：

（1）本文采用的研究方法和原理可靠有效，建立瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)安全評價指標體系，將瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)分為水資源子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)和經(jīng)濟子系統(tǒng)，選定的10個指標建立評價指標體系能代表流域情況進行評價，具有一定的現(xiàn)實意義和學(xué)術(shù)價值，可為區(qū)域可持續(xù)安全發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

（2）瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)中水資源子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)和經(jīng)濟子系統(tǒng)權(quán)重分別為0.64、0.26和0.10，表明水資源為該流域復(fù)合系統(tǒng)影響占主導(dǎo)作用。

（3）2000年、2005年、2010年和 2015年的水資源子系統(tǒng)C1安全狀態(tài)很差并且呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢；生態(tài)子系統(tǒng)C3安全狀態(tài)較差但呈現(xiàn)上升趨勢

（4）經(jīng)濟子系統(tǒng)C2安全狀態(tài)由不安全變?yōu)榘踩⑶矣写蠓仙内厔?。計算得出瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)2000年、2005年、2010年和2015系統(tǒng)都處在Ⅱ級（不安全）的狀態(tài)，其中2005年安全狀態(tài)最差，從2005年往后開始呈現(xiàn)上升的趨勢且上升幅度較大。

5 對策

瑪納斯河流域水資源-生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)安全的主要問題是：水資源可持續(xù)利用水平下降、水資源利用結(jié)構(gòu)不合理、水資源管理難以協(xié)調(diào)和缺少民主參與等問題。

本文針對這些問題提出的對策如下：提高用水效率加強節(jié)水、加強水資源規(guī)劃管理、污水資源化等保護措施，同時也要兼顧生態(tài)環(huán)境的保護和與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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