基于Bossel指标体系对敦煌盆地水资源可持续利用评价

凌新颖，马金珠，于海超，杨 欢，齐 识，李宗杰

(兰州大学资源环境学院，兰州 730000)

0 引 言

近几年随着“一带一路”战略的推进，作为丝绸之路重点城市之一的敦煌市经济建设得到了迅速发展。由于敦煌盆地地处西北干旱地区、气候恶劣、水资源短缺、生态环境脆弱，水资源一度成为制约其发展的“瓶颈”[1,2]。伴随着当地社会经济的发展，日益恶化的生态环境问题凸显，给区域可持续发展带来严峻挑战。敦煌市水利电力局地下水位观测报告显示，近些年敦煌盆地地下水位平均每年下降30～40 cm，北部地区偏少(地下水位平均每年下降20～30 cm)，到目前为止总降幅在9～10 m以上[3]。基于目前敦煌盆地水资源短缺与生态环境恶化的现状，对区域可持续发展、水资源合理配置、生态环境保护刻不容缓。

1992年, 主题为“世纪的发展与展望”的国际水和环境大会于爱尔兰召开,提出水资源可持续性研究问题；国内学者开始对水资源可持续利用评价的研究始于20世纪90年代[4]。随着研究深入，Shepard 插值模型、多目标决策层次分析法、多级模糊综合评价模型、粒子群算法、神经网络模型等[5-14]越来越多的数学模型被应用于水资源可持续评价领域。国内外在水资源可持续利用评价方法上各有千秋，但截至目前，对于中国西北地区的研究颇少，还难以找到一套切实适合于西北干旱区脆弱生态条件的评价体系和方法来进行科学评价，且现有体系中指标选取与评价方法存在诸多不足之处，有待进一步研究。运用Bossel原理，参考大量相关文献，针对敦煌盆地独特自然环境与人文地理条件筛选评价指标，构建评价体系，为西北干旱地区水资源可持续利用评价提供科学依据。

1 研究区域概况

敦煌是甘肃省酒泉市管辖区域内的县级市，位于甘肃、新疆、青海三省交会点。敦煌位于东经92°13′～95°30′，北纬39°40′～41°35′ ，东邻瓜州县，西至甘肃西北部与新疆维吾尔自治区接壤，南靠祁连山[3]。土地总面积为3.12万km2，其中荒地、山地、戈壁、沙漠、盐碱地等占土地总面积的93.15%；而绿洲面积仅占敦煌盆地总面积的6.85%。敦煌盆地海拔1 050～1 900 m，境内丘陵、沙漠、戈壁兼而有之。深居西北干旱内陆区的敦煌盆地，日照强烈，降水贫乏，是典型的大陆性气候。多年平均降水量只有39.90 mm，但多年平均蒸发量却高达2 486 mm，差距相当悬殊。

敦煌市水资源总量由两部分组成，一是天然河川径流量和南湖泉水量4.18 亿m3；二是地下水可开采量0.35 亿m3。可利用水资源量4.53 亿m3[15,16]。2014年敦煌市总用水量为3.54 亿m3，其中农业用水量为3.04 亿m3，用水比例为85.78%；工业用水量为0.08 亿m3，用水比例为2.28%；生活用水量为0.13 亿m3，占总用水量的3.77%；生态用水量为0.25 亿m3，占7.18%；政府预留水量为0.04 亿m3。

2 资料与方法

2.1 研究资料

本文资料主要来源于敦煌市水务局、敦煌市水利电力局、敦煌市统计局等单位，敦煌市统计年鉴、甘肃省水资源公报[17-20]。

2.2 研究方法

本文运用Bossel基本类定向指标对复合系统进行评价，将敦煌市复合系统划分为水资源、生态、经济、人口、社会5个子系统，从发展协调性与发展态势考虑，结合当地独特的自然环境与人文地理特征筛选评价指标，因地制宜建立评价指标体系框架，系统地评价当地的水资源可持续性程度。

2.2.1 构建评价指标体系

Bossel星图法基本原理为：设一个时间断面上有m维数据，作一个圆并把圆周m等分，由圆心连接m个等分点，出现m个辐射状半径，作为m个坐标轴，代表m项定向指标。以圆心为原点，每个坐标轴作4等分，坐标分别为0、1、2、3、4，点绘各个子系统与复合系统基本类定向指标评价值于相应轴上，依次连接，形成复合系统或各子系统的星图。Bossel基本类定向指标的基本思想是:用生存、能效、自由等6个定向指标描述系统的各项标准，科学的衡量系统的发展水平与程度[21,22]。Bossel星图法见图1。

图1 Bossel星图Fig.1 Orientor Stars

不同于其他水资源可持续利用评价研究在构建评价指标时划分子系统不明确、指标选取不完善的情况[3]，本文基于Bossel属性细分理论模型与敦煌市实地情况，明确地将敦煌市复合系统划分为水资源、生态、经济、社会、人口 5个子系统，针对当地水资源利用与管理和社会经济发展切实问题，因地制宜选取敦煌市干旱指数、植被覆盖指数、人口密度、居民基尼系数等30个指标，构建复合系统可持续评价框架。另外，各项指标从不同侧面综合说明敦煌市水资源可持续状态，符合系统性与综合性统一[23]。敦煌市复合系统可持续利用评价体系框架见表1。

表1 敦煌市复合系统可持续利用评价体系框架Tab.1 The sustainable utilization of water resources in composite system evaluation framework

2.2.2 定向指标量化及系统评分值计算

为使评价科学、准确，首先应进行定向指标无量纲化。以Bossel法为基础，采用五级评分标准，结合敦煌市实地状况，参考相关文献，根据国内外有关法规、国际情况与专家打分、权威认证，得指标评价标准表[1]，见表2。

表2 敦煌市指标评价标准表Tab.2 The evaluation standard in Dunhuang

设正向指标分级值为a1

对于正向指标，有：

(1)

对于逆向指标，有：

(2)

2.2.3 系统指数值计算

国内外普遍采用[0,1]区间数表示复合系统可持续程度。可持续程度为1，最低为0。本文采用直线型法，其中A(t)表示各子系统以及复合系统在各定向指标下的最小评价值，S(t)为各子系统及复合系统的基本定向指标指数值，见公式(3)：

(3)

经计算得出，敦煌市复合系统、水资源子系统、生态子系统、经济子系统、社会子系统、人口子系统的指数值分别为：0.516 1、0.250 0、0.250 0、0.963 4、0.325 0、0.753 8。

2.2.4 评价等级标准的确定

按照国际标准，评价等级标准见表3。

表3 敦煌市复合系统可持续性等级划分Tab.3 The grading of sustainability of composite system

3 结果与讨论

3.1 定向指标分析

由图2可知，生存类定向指标水资源、生态子系统评分值皆在1左右，表明敦煌市复合系统可持续利用的规范环境状态会在本身情况恶劣(水资源短缺、生态问题严峻)或在长期掠夺式开发的影响下恶化，在很大程度上限制区域发展；能效类指标敦煌市经济、人口系统能效类指标发展指数为4，表明经济、人口子系统所需要的物质与信息情况处于优良的状态；自由类指标水资源、生态、社会的评分值在[1, 1.3]，均处于威胁状态，复合系统(2.064 3)本身受到的其他环境系统的影响多样，自身发展受到其他系统(如生态、水、社会)的限制；安全类指标各子系统以及复合系统的评分值多数在2.5以上，说明在敦煌市复合系统中，因规范的环境状态波动而导致系统环境状态远离规范状况的概率较小，即安全性较高；适应指标数值在子系统与复合系统中大多介于[3, 4]，表明系统的环境状态发生突变，由一种规范环境状态转为另一种规范状态可能性较小，但生态子系统的适应指标较低，说明了当地脆弱的生态环境状况，受到大规模破坏之后生态崩溃可能性不容忽视；共存类指标发展指数皆在[3, 4]，说明复合系统与子系统及其他系统的性能状态对系统本身影响较小[1]。

6个定向指标对复合系统可持续程度的贡献率为共存(3.803 0)>安全(3.191 1)>适应(3.084 0)>能效(3.058 2)>生存(2.598 8)>自由(2.064 3)。说明系统对共存类指标变化极敏感，安全、适应、能效类指标对系统较敏感，生存、自由类指标对系统影响较小。

图2 子系统与复合系统各定向指标评分值Fig.2 The evaluation of orienter indexes in subsidiary and composite systems

3.2 综合评判分析

敦煌市区域复合系统处于弱可持续状态。由图3知，系统的可持续利用状态对经济、人口子系统的依赖程度较高。5个子系统对复合系统的可持续利用贡献率依次为：经济(0.963 4)>人口(0.753 8)>社会(0.325 0)>生态(0.250 0)=水资源(0.250 0)，其中，经济、人口子系统为可持续状态，而生态、水资源子系统为不可持续，社会子系统为弱不可续。

图3 综合评判图Fig.3 The evaluation of synthesis

敦煌市的水资源和生态子系统指数值皆偏小，处于危险状态。这与敦煌市本身自然地理特征有关，敦煌市干旱少雨，蒸发强烈，自然状态下水资源短缺，季节性匮乏；人为因素更加剧这种趋势：敦煌市水资源开发利用率达90%以上，逐年增加的国民经济用水直接挤占生态环境用水，导致当地水资源更加短缺，天然植被退化，荒漠化加剧，生态平衡受到威胁。

经济、人口子系统指数值皆处于[0.75,1]，说明敦煌市的经济发展与人口社会处于优秀的状态。敦煌市统计局数据显示，2014年敦煌全市GDP、人均GDP、城市人均可支配收入均处于较高水平，从事实角度吻合了评价结果。但当地社会子系统指数值为0.325 0，处于威胁状态，社会子系统对复合系统的可持续程度有限制。从社会子系统选取指标来看，主要是居民基尼系数(0.470 0)处于较不利状态，表明敦煌市虽经济发展良好，但居民贫富差距大。

4 结 语

敦煌市区域复合系统处于弱可持续状态，系统的可持续利用状态对经济、人口子系统依赖程度较高。其中，经济、人口系统处于可持续状态，而生态、水资源子系统为不可持续，社会子系统为弱不可续状态。

通过对影响敦煌复合系统可持续利用状态的定向指标的分析，发现系统对共存类指标的变化极敏感，系统对安全、适应、能效类指标较敏感，生存、自由类指标对系统的影响较小。

综合来看，敦煌市的经济发展与人民生活虽处于较高水平，但水资源短缺、生态环境破坏现象仍在加剧。大量的水资源被用于农业灌溉与工业生产以发展经济，仅有极少量水资源用于生态用途，暗示了敦煌市的经济是用生态环境换来的，说明以旅游业为主要收入来源的敦煌市产业结构不合理。政府及相关用水部门应重视水资源科学合理配置与生态环境保护，发展科技用水，提高农业效率，优化产业结构，将高耗水产业逐渐向低耗水产业发展。另外，虽然敦煌市经济发展处于优良状态，但贫富差距大。因此，敦煌市在经济发展的同时，还应该注重先富的一部分带动后富的一部分，减少贫富差距，达到共同富裕，促进和谐发展。