吐鲁番地区水资源-经济-生态耦合协调发展分析

伏吉芮，瓦哈甫·哈力克,3，姚一平

(1.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046；2.新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐 830046; 3.新疆大学旅游学院,乌鲁木齐 830046)

0 引 言

耦合是一个物理学概念， 指2个或2个以上的系统通过各种相互作用而彼此影响的现象[1]。耦合度表示系统间相互作用程度的强弱，没有利弊之分；耦合协调度则表示相互作用中良性耦合程度的大小，体现了协调状况好坏程度。人类与生态环境之间的彼此作用从而导致了人类～自然耦合系统(Coupled Human And Natural Systems, CHANS) 的形成和发展[2]。自1988年开始至今，国际上已有多个研究CHANS的代表性项目，例如最早的以世界气象组织和联合国环境项目为资金来源的政府间气候变化专门委员会(IPCC)以及以美国国家科学基金会为资金来源的自然～人类耦合系统动态项目等[3]。

随着社会经济发展，人类所面临的资源，经济和生态环境之间的矛盾日益强化，经济和生态环境之间的协调发展已成为可持续发展的研究热点之一。资源，经济与生态环境之间的协调发展是人类发展追求的永恒目标[4]。水资源，经济，生态系统耦合是自然资源和生态环境支撑系统与社会经济发展系统间相互作用、相互胁迫，由低级共生向高级协调发展的过程[5]。资源，生态，经济系统存在着交互耦合的互动关系，而协调度反映了社会经济发展与生态环境及资源之间的最佳匹配状态[6]。杨士弘[7]于1994年首次运用协调度分析和预测广州市生态与经济协调发展状况, 乔标[8,9]、方创琳[10]、张富刚[11]等构建了具有代表性的评价指标体系左其亭[12]建立了体现生态经济系统耦合关系的系统动力学模型。廖重斌[13]运用耦合理论以珠江三角洲为研究区进行耦合分析，毕其格[14]等人运用该理论对内蒙古人口和经济系统耦合度进行了分析评价。张胜武[15]等研究了干旱区内陆河流域城镇化与水资源的耦合机制。

Forrester、Meadows等通过对世界发展模型包括城市发展问题的专门研究，认为21世纪世界各国城市经济活动的总体增长趋势将面临资源稀缺日益加剧的刚性约束，水资源约束是其中之一[16]。吐鲁番地区是我国干旱区典型的破碎绿洲，自然环境极为恶劣，水资源匮乏，近年来，随着人类活动的加强，旅游业和工业的发展，加剧了该地区资源与经济生态、环境的失衡，引发了各种生态环境和资源问题，比如沙漠化和土壤盐渍化以及水资源短缺等。吐鲁番地区水资源-经济-生态如何协调发展是该地区可持续发展的关键。本研究基于已有的CHANS理论基础，将人与自然系统细化为水资源～经济～生态系统，并结合耦合模型及耦合协调度模型计算吐鲁番地区水资源-经济-生态系统的耦合度及耦合协调度，为吐鲁番地区的可持续发展提供有效建议。

1 研究区概况

吐鲁番地区位于北纬41°12′～43°40′，东经87°16′～91°55′，总面积约69 713 km2，辖吐鲁番市、鄯善县、托克逊县。吐鲁番盆地属于内封闭性的山间断陷盆地[17]，四面高山环绕。该盆地西宽东窄，北高南低，区内大部分地区在海平面以下，最低处为艾丁湖，海拔为-154 m，是我国最低的内陆盆地。吐鲁番属独特的暖温带大陆性干旱荒漠气候。日照长、气温高、昼夜温差大、降水少、风力强五大特点，素有“火州”、“风库”之称。近年来，由于该区人类活动的加强，水资源短缺，极度干旱，沙漠化，生物多样性减少等生态环境问题日益凸显。

图1 研究区示意图Fig.1 Map of the study area

吐鲁番是一个以维吾尔族为主体的多民族共生共荣的地区。区内有维吾尔族、汉族、回族、哈萨克族、蒙古族、锡伯族、俄罗斯族、塔吉克族、满族、东乡族、壮族等27 个民族。目前已经形成了以石油、天然气、无机盐化工、金、铜、铁开采、食品加工、纺织和建材为主的比较完整的工业体系。农业以葡萄和哈密瓜种植为主。此外，近年来吐鲁番市以旅游业为核心的第三产业也取得了长足发展。但日益匮乏的水资源已经成为制约该区进一步发展的重要因素。实现水资源的有效利用，促进吐鲁番地区社会经济可持续发展。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

原始数据来源于《新疆统计年鉴 (2002—2014)》 、 《吐鲁番统计年鉴(2002—2014)》 、《吐鲁番地区水资源公报》和《吐鲁番地区国民经济和社会发展统计公报》。同时，结合了课题组2012-2015年在研究区的野外调查数据。

2.2 评价指标建立

指标权重用主成分分析法计算得出，根据研究内容的需要、数据获得的方便性以及Spss17.0软件进行因子分析时 KMO 大于0.6的条件，我们从水资源子系统中的多个指标中选取符合条件的5个指标地表水(亿m3)、人均水资源拥有量(m3)、地下水(亿m3)、工业用水(亿m3) 、农业用水(亿m3)；从经济子系统中选取符合条件的6个指标：第二产业总产值(亿元)，进出口总额(万美元)、社会消费品零售总额(亿元)、GDP(亿元)、社会固定资产投资(亿元)、人均GDP(万元)作为经济子系统的评价指标；从生态子系统中选取符合条件的6个指标：固体废弃物综合利用率(%)、人均公共绿地面积(m2)、工业废水排放达标率(%)、工业废水排放量(万t)、工业固体废物生产量(万t)、工业废气排放总量(万m3)作为生态环境的子系统的评价指标。

2.3 耦合协调度模型和计算方法

首先，对原始数据进行无量纲处理，其目的是为了消除原始数据因量纲不同而造成数据处理不便。用x′iy′i和z′k分别为描述水资源、经济和生态环境特征的具体指标。对初始数据的具体标准化处理方法为：

正向化指标：x′i=xi-max{xi}/max(xi)-min(xi),i=1,2,…,5

逆向化指标：x′i=max{xi}-xi/max(xi)-min(xi),i=1,2,…,5

(1)

对经济和生态指标y′j、z′k分别用上述方法进行处理，其中j=1,2，…,6；k=1,2，…,6。

(2)

公式(2)可用来计算各子系统中指标的权重，其中Ai为各指标的因子载荷，ai是水资源指标的权重，同理，运用公式(2)也可以计算出经济子系统和生态环境子系统的权重，我们将其定义为bi、ci。

水资源、经济，生态环境的综合评价函数如下所示：其中ai、bi、ci分别是水资源，经济，生态环境系统各指标的权重。f(x)是水资源综合评价指数，g(y)是经济子系统综合评价指数，h(z)是生态环境子系统综合评价指数。

(3)

(4)

(5)

依据学者廖重斌[18]1999年的相关研究和其他学者[19,20-23]的研究，构建了耦合度模型：

Cn=n{(u1,u2,…,um)/[∏(u1+u2)]}

(6)

本文涉及3个子系统，即水资源子系统，经济子系统，生态环境子系统，因此在本文中n=3，故有：

(7)

因为耦合度模型只是计算耦合度，而耦合度是表明系统之间作用的强度的指标，并不能反应系统之间的协调度。因此要引入耦合协调度模型(公式(8))来计算耦合协调度，耦合协调度能反映耦合状况和水资源，经济和生态环境之间的协调程度。

(8)

式中；C为耦合度；D为耦合协调度；T为水资源-经济-生态环境大系统的综合评价指数；α、β、δ为待定系数。

吐鲁番地区作为非常典型的干旱区，水资源是该地区发展最为关键的因素，同时水资源也是水资源～经济～生态这个大的系统中最基本的子系统，而在生态环境极为脆弱的吐鲁番，生态环境是人类生存和经济发展的重要依托，同时，吐鲁番的经济水平还有待提高。因此，在参考文献的基础上，结合专家打分，将待定系数定为0.35、0.3和0.4。

在本文中，我们将借鉴廖重斌学者在1999年对珠江三角洲地区环境和经济耦合协调度划分的标准，对吐鲁番地区的水资源，经济、生态环境进行耦合协调类型的划分。

3 结果分析

3.1 水资源—经济—生态三大系统耦合协调度计算

利用公式(1)对各原始数据进行标准化处理，得到各指标标准化后的值，然后运用Spss17.0统计软件，结合公式(2)计算出各子系统各指标的权重。如表2所示。

表1 耦合协调度和耦合协调类型划分Tab.1 Coupling coordination degree and coupling coordination classification

把各指标权重与公式(3)、(4)、(5)结合，计算水资源子系统的综合评价指数、经济子系统的综合评价指数和生态环境综合评价指数f(x)、g(y)和h(z)；依据耦合度公式，把每年所对应的f(x)、g(y)和h(z)值代入公式(6)和(7)，就得到2001-2013年每年的水资源—经济—生态系统的耦合度C；结合α=0.35、β=0.3、δ=0.4和具体的f(x)、g(y)和h(z)值，依据公式(8)计算出水资源—经济—生态这个大系统的综合评价指数T及耦合协调度D。如表3所示。

由于综合得分值越高，则发展速度越快，得分越低则发展速度滞后，所以我们定义，当f(x)=min{f(x),g(y),h(z)}时，

表3 水资源—经济—生态综合指数及耦合度、耦合协调度Tab.3 The comprehensive index of water resources-economy- ecology system and coupling degree and coupling coordination

为水资源滞后型，当g(y)=min{f(x),g(y),h(z)}时，为经济滞后型，当h(z)=min{f(x),g(y),h(z)}时，为生态滞后型，当f(x)=g(y)=h(z)时，为协同发展型。根据计算结果，吐鲁番地区2001-2013年的耦合协调类型及发展类型划分如表4。

表4 吐鲁番地区水资源—经济—生态耦合协调类型Tab.4 The coupling coordination type of water resources-economy-ecology system in Turpan area

3.2 水资源—经济—生态系统耦合评价

3.2.1 评价指标分析

本研究所采用的指标是从众多原始指标中通过主成分分析选取而来，各指标在各子系统中权重如表2所示。水资源子系统中，权重占前三位的指标有地表水，地下水和农业用水，权重分别为0.280、0.281、0.250，相较于其他地区，吐鲁番地区的水资源十分匮乏，在充分利用地表水的同时，人们不得不开采地下水，所以地下水在水资源子系统中的贡献比较大，同时，吐鲁番地区发展绿洲农业，无水不成绿洲，该地区的农业用水量占到水资源使用量的95%以上，而工业用水所占比例不足5%，农业用水对水资源子系统的贡献仅次于地表水和地下水，而工业用水的贡献最小(0.103)。经济子系统中，贡献为前三位的是GDP(0.200)、社会消费品零售总额(0.199)、社会固定资产投资(0.194)，GDP始终是经济发展中的重中之重。生态子系统中，贡献为前三位的是工业固体废物生产量(0.229)、工业废气排放量(0.221)和人均公共绿地面积(0.216)，吐鲁番地区生态环境自身脆弱，近年工业发展为该地区带来经济效益的同时也加重该地区的环境负担，工业废物生产量和工业废气排放量所占权重较大，人均绿地面积也是今后生态环境建设中的关键。

3.2.2 水资源—经济—生态系统耦合及耦合协调度分析

从表3可以看出，水资源子系统综合评价指数在2001-3013年间呈总体上升趋势，期间略有波动，其中2003年(0.212)和2009年(0.398)分别低于2002(0.215)和2008(0.406)。2003年该地区水资源面临严重威胁，为了缓解水资源压力，2004年开始实施限制开荒政策，以减少农业用水量。2009年该地区地表水已不能满足当地的生产生活需要，而从其他地区调水并未实现，为了生存发展，开始开挖大量机井，采用地下水，虽然这一措施有效解决了当前缺水的问题，但超采地下水所带来的长远的生态环境问题不容小觑。经济子系统综合评价指数除了在2010年(0.498)低于2009年，其余各年都呈攀升态势，2009年该地区的水资源供应不足问题也影响到了经济发展。生态子系统综合评价指数在2004-2005年略有下降，其余各年呈上升趋势，2004年实施限制开荒后，由于作物种植的季节性，荒地和耕地并未在一年之内划分清楚，而是在作物采收之后，这就到导致耕荒未分，因此这两年生态环境发展较慢。

水资源—经济—生态系统的综合评价指数一直处于上升状态，整个大系统的发展状况良好。从耦合度和耦合协调度来看，2001-2013年大体呈攀升趋势，就耦合度而言，2010年(0.991)到2013年(0.986)已达到较高水平，而耦合协调度在2013年也达到0.823，也就是达到了良好耦合协调的水平。尽管水资源子系统和经济子系统以及生态环境子系统在某一年的综合评价指数比较低，发展状况不太好，但是在人类活动干预及政策调整下，子系统会在一两年之类恢复，而整个水资源—经济—生态系统并未受到大的影响，这就说明在人与自然耦合系统中，人类也起着非常重要的作用，人类活动对水资源—经济—生态系统协调发展起着关键作用。

3.2.3水资源—经济—生态系统耦合协调类型及发展等级划分

从表4可以看出，2001年，吐鲁番地区的耦合协调类型为中度失调衰退类型，耦合协调度只有0.275，当时该地区经济发展缓慢，当地人的环境意识并不强，大部分水资源也只是用来维持基本生存，因此发展等级是经济滞后型。2002-2005年该区耦合协调类型虽然有所变化，但发展等级依然是经济滞后型，耦合协调类型分别是轻度失调衰退类型，轻度失调衰退类型、轻度失调衰退类型、濒临失调衰退类型，虽然该阶段经济发展缓慢，但水资源和生态环境发展协调。2006-2009年发展类型为生态滞后型，耦合协调度类型分别为濒临失调衰退类型、勉强耦合协调类型、勉强耦合协调类型、初级耦合协调类型，这4年，该地区的经济发展速度较快，但经济发展与水资源、生态基本保持协调发展状态。2010-2013年耦合协调度类型分别为中级耦合协调类型、中级耦合协调类型、中级耦合协调类型、良好耦合协调类型，发展类型为水资源滞后型，说明当地经济发展水平较好，与生态环境协调发展，但水资源供应还需加强。

3.3 各子系统评价指数与耦合度及耦合协调度的时间序列性

水资源子系统，经济子系统，生态子系统以及水资源—经济—生态系统的综合评价指数在2001-2013年间大体处于上升趋势，而且该趋势与水资源—经济—生态耦合度及耦合协调度趋势基本一致。但是，水资源综合评价指数和生态环境综合评价指数波动较大，从图2可以看出，水资源综合评价指数较大的年份，生态环境综合评价指数也会呈现与之一致的波动，同时，耦合度也会呈现相对应的波动，这说明水资源—经济—生态系统的耦合度对水资源和生态环境的变化是非常敏感的。耦合协调度，经济综合评价指数和水资源—经济—生态系统的综合评价指数波动较小上升趋势比较稳定。

图2 评价指数、耦合度及耦合协调度发展趋势图Fig.2 Evaluation index, coupling degree and coupling coordination development trend chart

4 结 语

通过计算吐鲁番地区水资源、经济，生态各子系统的综合评价指数，水资源—经济—生态系统的综合评价指数，以及系统的耦合度及耦合协调度，我们可以得出：随着社会经济的发展，这些指数都是不断上升的，这说明，尽管经济发展给吐鲁番地区的水资源带来了一定的压力，但是通过人为调控，水资源—经济—生态系统向着良性循环发展。2001-2006年期间，吐鲁番地区的经济发展指数较低，水资源和生态环境综合评价指数较高，说明虽然当时的经济发展滞后，但是资源和环境状况是极好的，2004年由于政府实施限制开荒政策，耕地面积减少，农业耗水量大量减少，2005年的水资源综合指数在这几年间最高；2006-2008年，该地区开始大力发展经济，但是由于处于经济快速发展的初步期，耗水量较少，而且对于资源与环境的破坏并不突出，因此这一阶段经济发展与水资源、生态环境较为协调；2009-2013年，由于经济发展已有一定的基础，这一阶段经济发展较快，耗水量较多，因该地区水资源十分短缺，这一时期的经济发展已对水资源供应造成一定压力，而且由于工业和建筑业快速发展，工业三废排放量迅速增加，对生态环境造成的污染较为严重。虽然吐鲁番地区水资源所面临形势十分严峻，但水资源—经济—生态系统的耦合协调度也在2013年达到了良好耦合协调模型，吐鲁番地区的水资源，经济，生态环境基本能够协调发展。

在发展过程中应注意：①不要片面追求经济效益而以超采地下水为代价，现阶段，经济发展速度较快，但水资源还是非常短缺，任何发展都不能以破坏生态环境和水资源安全为代价。②吐鲁番地区生态环境脆弱，极易受到破坏，随着社会经济发展，生态环境面临的威胁日益严重，减少工业污染，增加植树造林面积等措施可缓解此威胁。③要优化水资源配置，使水资源得到合理利用，同时，要采取节水措施，加强节水意识，减少废污水排放量，提高废污水处理率，加大中水回用力度，保证水资源安全，促进区域经济协调发展。经济发展要以长远计，这样水资源水资源—经济—生态系统才能协调发展，可持续发展才能得以保证。

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