基于Bossel指標(biāo)體系對敦煌盆地水資源可持續(xù)利用評價

凌新穎，馬金珠，于海超，楊 歡，齊 識，李宗杰

(蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000)

0 引 言

近幾年隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進，作為絲綢之路重點城市之一的敦煌市經(jīng)濟建設(shè)得到了迅速發(fā)展。由于敦煌盆地地處西北干旱地區(qū)、氣候惡劣、水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源一度成為制約其發(fā)展的“瓶頸”[1,2]。伴隨著當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展，日益惡化的生態(tài)環(huán)境問題凸顯，給區(qū)域可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。敦煌市水利電力局地下水位觀測報告顯示，近些年敦煌盆地地下水位平均每年下降30～40 cm，北部地區(qū)偏少(地下水位平均每年下降20～30 cm)，到目前為止總降幅在9～10 m以上[3]。基于目前敦煌盆地水資源短缺與生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)狀，對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、水資源合理配置、生態(tài)環(huán)境保護刻不容緩。

1992年, 主題為“世紀(jì)的發(fā)展與展望”的國際水和環(huán)境大會于愛爾蘭召開,提出水資源可持續(xù)性研究問題；國內(nèi)學(xué)者開始對水資源可持續(xù)利用評價的研究始于20世紀(jì)90年代[4]。隨著研究深入，Shepard 插值模型、多目標(biāo)決策層次分析法、多級模糊綜合評價模型、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等[5-14]越來越多的數(shù)學(xué)模型被應(yīng)用于水資源可持續(xù)評價領(lǐng)域。國內(nèi)外在水資源可持續(xù)利用評價方法上各有千秋，但截至目前，對于中國西北地區(qū)的研究頗少，還難以找到一套切實適合于西北干旱區(qū)脆弱生態(tài)條件的評價體系和方法來進行科學(xué)評價，且現(xiàn)有體系中指標(biāo)選取與評價方法存在諸多不足之處，有待進一步研究。運用Bossel原理，參考大量相關(guān)文獻，針對敦煌盆地獨特自然環(huán)境與人文地理條件篩選評價指標(biāo)，構(gòu)建評價體系，為西北干旱地區(qū)水資源可持續(xù)利用評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

敦煌是甘肅省酒泉市管轄區(qū)域內(nèi)的縣級市，位于甘肅、新疆、青海三省交會點。敦煌位于東經(jīng)92°13′～95°30′，北緯39°40′～41°35′ ，東鄰瓜州縣，西至甘肅西北部與新疆維吾爾自治區(qū)接壤，南靠祁連山[3]。土地總面積為3.12萬km2，其中荒地、山地、戈壁、沙漠、鹽堿地等占土地總面積的93.15%；而綠洲面積僅占敦煌盆地總面積的6.85%。敦煌盆地海拔1 050～1 900 m，境內(nèi)丘陵、沙漠、戈壁兼而有之。深居西北干旱內(nèi)陸區(qū)的敦煌盆地，日照強烈，降水貧乏，是典型的大陸性氣候。多年平均降水量只有39.90 mm，但多年平均蒸發(fā)量卻高達2 486 mm，差距相當(dāng)懸殊。

敦煌市水資源總量由兩部分組成，一是天然河川徑流量和南湖泉水量4.18 億m3；二是地下水可開采量0.35 億m3?？衫盟Y源量4.53 億m3[15,16]。2014年敦煌市總用水量為3.54 億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量為3.04 億m3，用水比例為85.78%；工業(yè)用水量為0.08 億m3，用水比例為2.28%；生活用水量為0.13 億m3，占總用水量的3.77%；生態(tài)用水量為0.25 億m3，占7.18%；政府預(yù)留水量為0.04 億m3。

2 資料與方法

2.1 研究資料

本文資料主要來源于敦煌市水務(wù)局、敦煌市水利電力局、敦煌市統(tǒng)計局等單位，敦煌市統(tǒng)計年鑒、甘肅省水資源公報[17-20]。

2.2 研究方法

本文運用Bossel基本類定向指標(biāo)對復(fù)合系統(tǒng)進行評價，將敦煌市復(fù)合系統(tǒng)劃分為水資源、生態(tài)、經(jīng)濟、人口、社會5個子系統(tǒng)，從發(fā)展協(xié)調(diào)性與發(fā)展態(tài)勢考慮，結(jié)合當(dāng)?shù)鬲毺氐淖匀画h(huán)境與人文地理特征篩選評價指標(biāo)，因地制宜建立評價指標(biāo)體系框架，系統(tǒng)地評價當(dāng)?shù)氐乃Y源可持續(xù)性程度。

2.2.1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

Bossel星圖法基本原理為：設(shè)一個時間斷面上有m維數(shù)據(jù)，作一個圓并把圓周m等分，由圓心連接m個等分點，出現(xiàn)m個輻射狀半徑，作為m個坐標(biāo)軸，代表m項定向指標(biāo)。以圓心為原點，每個坐標(biāo)軸作4等分，坐標(biāo)分別為0、1、2、3、4，點繪各個子系統(tǒng)與復(fù)合系統(tǒng)基本類定向指標(biāo)評價值于相應(yīng)軸上，依次連接，形成復(fù)合系統(tǒng)或各子系統(tǒng)的星圖。Bossel基本類定向指標(biāo)的基本思想是:用生存、能效、自由等6個定向指標(biāo)描述系統(tǒng)的各項標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)的衡量系統(tǒng)的發(fā)展水平與程度[21,22]。Bossel星圖法見圖1。

圖1 Bossel星圖Fig.1 Orientor Stars

不同于其他水資源可持續(xù)利用評價研究在構(gòu)建評價指標(biāo)時劃分子系統(tǒng)不明確、指標(biāo)選取不完善的情況[3]，本文基于Bossel屬性細分理論模型與敦煌市實地情況，明確地將敦煌市復(fù)合系統(tǒng)劃分為水資源、生態(tài)、經(jīng)濟、社會、人口 5個子系統(tǒng)，針對當(dāng)?shù)厮Y源利用與管理和社會經(jīng)濟發(fā)展切實問題，因地制宜選取敦煌市干旱指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、人口密度、居民基尼系數(shù)等30個指標(biāo)，構(gòu)建復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)評價框架。另外，各項指標(biāo)從不同側(cè)面綜合說明敦煌市水資源可持續(xù)狀態(tài)，符合系統(tǒng)性與綜合性統(tǒng)一[23]。敦煌市復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)利用評價體系框架見表1。

表1 敦煌市復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)利用評價體系框架Tab.1 The sustainable utilization of water resources in composite system evaluation framework

2.2.2 定向指標(biāo)量化及系統(tǒng)評分值計算

為使評價科學(xué)、準(zhǔn)確，首先應(yīng)進行定向指標(biāo)無量綱化。以Bossel法為基礎(chǔ)，采用五級評分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合敦煌市實地狀況，參考相關(guān)文獻，根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)法規(guī)、國際情況與專家打分、權(quán)威認(rèn)證，得指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)表[1]，見表2。

表2 敦煌市指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)表Tab.2 The evaluation standard in Dunhuang

設(shè)正向指標(biāo)分級值為a1

對于正向指標(biāo)，有：

(1)

對于逆向指標(biāo)，有：

(2)

2.2.3 系統(tǒng)指數(shù)值計算

國內(nèi)外普遍采用[0,1]區(qū)間數(shù)表示復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)程度?？沙掷m(xù)程度為1，最低為0。本文采用直線型法，其中A(t)表示各子系統(tǒng)以及復(fù)合系統(tǒng)在各定向指標(biāo)下的最小評價值，S(t)為各子系統(tǒng)及復(fù)合系統(tǒng)的基本定向指標(biāo)指數(shù)值，見公式(3)：

(3)

經(jīng)計算得出，敦煌市復(fù)合系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)的指數(shù)值分別為：0.516 1、0.250 0、0.250 0、0.963 4、0.325 0、0.753 8。

2.2.4 評價等級標(biāo)準(zhǔn)的確定

按照國際標(biāo)準(zhǔn)，評價等級標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 敦煌市復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)性等級劃分Tab.3 The grading of sustainability of composite system

3 結(jié)果與討論

3.1 定向指標(biāo)分析

由圖2可知，生存類定向指標(biāo)水資源、生態(tài)子系統(tǒng)評分值皆在1左右，表明敦煌市復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)利用的規(guī)范環(huán)境狀態(tài)會在本身情況惡劣(水資源短缺、生態(tài)問題嚴(yán)峻)或在長期掠奪式開發(fā)的影響下惡化，在很大程度上限制區(qū)域發(fā)展；能效類指標(biāo)敦煌市經(jīng)濟、人口系統(tǒng)能效類指標(biāo)發(fā)展指數(shù)為4，表明經(jīng)濟、人口子系統(tǒng)所需要的物質(zhì)與信息情況處于優(yōu)良的狀態(tài)；自由類指標(biāo)水資源、生態(tài)、社會的評分值在[1, 1.3]，均處于威脅狀態(tài)，復(fù)合系統(tǒng)(2.064 3)本身受到的其他環(huán)境系統(tǒng)的影響多樣，自身發(fā)展受到其他系統(tǒng)(如生態(tài)、水、社會)的限制；安全類指標(biāo)各子系統(tǒng)以及復(fù)合系統(tǒng)的評分值多數(shù)在2.5以上，說明在敦煌市復(fù)合系統(tǒng)中，因規(guī)范的環(huán)境狀態(tài)波動而導(dǎo)致系統(tǒng)環(huán)境狀態(tài)遠離規(guī)范狀況的概率較小，即安全性較高；適應(yīng)指標(biāo)數(shù)值在子系統(tǒng)與復(fù)合系統(tǒng)中大多介于[3, 4]，表明系統(tǒng)的環(huán)境狀態(tài)發(fā)生突變，由一種規(guī)范環(huán)境狀態(tài)轉(zhuǎn)為另一種規(guī)范狀態(tài)可能性較小，但生態(tài)子系統(tǒng)的適應(yīng)指標(biāo)較低，說明了當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境狀況，受到大規(guī)模破壞之后生態(tài)崩潰可能性不容忽視；共存類指標(biāo)發(fā)展指數(shù)皆在[3, 4]，說明復(fù)合系統(tǒng)與子系統(tǒng)及其他系統(tǒng)的性能狀態(tài)對系統(tǒng)本身影響較小[1]。

6個定向指標(biāo)對復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)程度的貢獻率為共存(3.803 0)>安全(3.191 1)>適應(yīng)(3.084 0)>能效(3.058 2)>生存(2.598 8)>自由(2.064 3)。說明系統(tǒng)對共存類指標(biāo)變化極敏感，安全、適應(yīng)、能效類指標(biāo)對系統(tǒng)較敏感，生存、自由類指標(biāo)對系統(tǒng)影響較小。

圖2 子系統(tǒng)與復(fù)合系統(tǒng)各定向指標(biāo)評分值Fig.2 The evaluation of orienter indexes in subsidiary and composite systems

3.2 綜合評判分析

敦煌市區(qū)域復(fù)合系統(tǒng)處于弱可持續(xù)狀態(tài)。由圖3知，系統(tǒng)的可持續(xù)利用狀態(tài)對經(jīng)濟、人口子系統(tǒng)的依賴程度較高。5個子系統(tǒng)對復(fù)合系統(tǒng)的可持續(xù)利用貢獻率依次為：經(jīng)濟(0.963 4)>人口(0.753 8)>社會(0.325 0)>生態(tài)(0.250 0)=水資源(0.250 0)，其中，經(jīng)濟、人口子系統(tǒng)為可持續(xù)狀態(tài)，而生態(tài)、水資源子系統(tǒng)為不可持續(xù)，社會子系統(tǒng)為弱不可續(xù)。

圖3 綜合評判圖Fig.3 The evaluation of synthesis

敦煌市的水資源和生態(tài)子系統(tǒng)指數(shù)值皆偏小，處于危險狀態(tài)。這與敦煌市本身自然地理特征有關(guān)，敦煌市干旱少雨，蒸發(fā)強烈，自然狀態(tài)下水資源短缺，季節(jié)性匱乏；人為因素更加劇這種趨勢：敦煌市水資源開發(fā)利用率達90%以上，逐年增加的國民經(jīng)濟用水直接擠占生態(tài)環(huán)境用水，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮Y源更加短缺，天然植被退化，荒漠化加劇，生態(tài)平衡受到威脅。

經(jīng)濟、人口子系統(tǒng)指數(shù)值皆處于[0.75,1]，說明敦煌市的經(jīng)濟發(fā)展與人口社會處于優(yōu)秀的狀態(tài)。敦煌市統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2014年敦煌全市GDP、人均GDP、城市人均可支配收入均處于較高水平，從事實角度吻合了評價結(jié)果。但當(dāng)?shù)厣鐣酉到y(tǒng)指數(shù)值為0.325 0，處于威脅狀態(tài)，社會子系統(tǒng)對復(fù)合系統(tǒng)的可持續(xù)程度有限制。從社會子系統(tǒng)選取指標(biāo)來看，主要是居民基尼系數(shù)(0.470 0)處于較不利狀態(tài)，表明敦煌市雖經(jīng)濟發(fā)展良好，但居民貧富差距大。

4 結(jié) 語

敦煌市區(qū)域復(fù)合系統(tǒng)處于弱可持續(xù)狀態(tài)，系統(tǒng)的可持續(xù)利用狀態(tài)對經(jīng)濟、人口子系統(tǒng)依賴程度較高。其中，經(jīng)濟、人口系統(tǒng)處于可持續(xù)狀態(tài)，而生態(tài)、水資源子系統(tǒng)為不可持續(xù)，社會子系統(tǒng)為弱不可續(xù)狀態(tài)。

通過對影響敦煌復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)利用狀態(tài)的定向指標(biāo)的分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對共存類指標(biāo)的變化極敏感，系統(tǒng)對安全、適應(yīng)、能效類指標(biāo)較敏感，生存、自由類指標(biāo)對系統(tǒng)的影響較小。

綜合來看，敦煌市的經(jīng)濟發(fā)展與人民生活雖處于較高水平，但水資源短缺、生態(tài)環(huán)境破壞現(xiàn)象仍在加劇。大量的水資源被用于農(nóng)業(yè)灌溉與工業(yè)生產(chǎn)以發(fā)展經(jīng)濟，僅有極少量水資源用于生態(tài)用途，暗示了敦煌市的經(jīng)濟是用生態(tài)環(huán)境換來的，說明以旅游業(yè)為主要收入來源的敦煌市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理。政府及相關(guān)用水部門應(yīng)重視水資源科學(xué)合理配置與生態(tài)環(huán)境保護，發(fā)展科技用水，提高農(nóng)業(yè)效率，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，將高耗水產(chǎn)業(yè)逐漸向低耗水產(chǎn)業(yè)發(fā)展。另外，雖然敦煌市經(jīng)濟發(fā)展處于優(yōu)良狀態(tài)，但貧富差距大。因此，敦煌市在經(jīng)濟發(fā)展的同時，還應(yīng)該注重先富的一部分帶動后富的一部分，減少貧富差距，達到共同富裕，促進和諧發(fā)展。