新疆水资源生态足迹核算与预测

雷亚君，张永福，张敏惠，梁雪梅，邵新娟

（1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046；2.新疆大学绿洲生态重点实验室，新疆乌鲁木齐830046）

新疆水资源生态足迹核算与预测

雷亚君1，2，张永福1，2，张敏惠1，2，梁雪梅1，2，邵新娟1，2

（1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046；2.新疆大学绿洲生态重点实验室，新疆乌鲁木齐830046）

根据水资源生态足迹的基本原理和计算模型，引入水资源负载指数，对新疆2005—2014年水资源生态足迹、水资源生态承载力进行计算，并运用灰色预测模型GM（1，1）对2015—2025年的生态赤字／盈余趋势进行预测。结果表明：①新疆历年水资源生态足迹大于水资源承载力，处于生态赤字状态，从2005年的－7.83×107hm2下降至2013年的－9.06×107hm2，水资源开发率很低；②2005—2014年新疆水资源生态足迹和承载力均呈上升趋势，人均生态足迹和人均承载力呈上下波动状态，生产用水生态足迹在三个水资源账户中比例最大，远远超出其它两部分，占总水资源足迹的95.86%；③水资源负载指数总体呈上升趋势，表明水资源的利用程度逐渐加强，2005—2012年负载指数在2～5之间，表明新疆水资源利用程度中等；2013—2014年负载指数在5～10之间，表明新疆水资源利用程度高，开发条件困难；④ 新疆水资源存在分布不均匀的状态，南疆、北疆、东疆差异较大，南疆、北疆水资源生态足迹、水资源承载力均大于东疆，而南、北疆万元GDP水资源生态足迹则小于东疆；⑤ 对2015—2025年水资源进行预测，新疆水资源一直处于生态赤字状态，而且水资源生态赤字呈逐年减小的趋势，水资源生态赤字越来越严重，今后的形势越来越严峻，在利用中提高节水意识。

生态足迹；水资源负载指数；水资源生态赤字；GM（1，1）模型

水是人类生存的重要源泉，社会经济发展离不开水资源的持续充足供给，水资源生态足迹是评价社会经济环境可持续发展的有效指标之一［1］，20世纪90年代，加拿大学者William Rees和MathisWackernagel等［2－4］提出了生态足迹模型（EF），是一种以土地为度量单位的可持续评估方法。该模型提出后得到了各国学者和机构的广泛应用［5－7］，1999年被徐中民等学者引入国内以来，成为研究热点［8－11］。王新华采用自下而上的水足迹核算方法，分析计算了2000年中国各省的人均水足迹［12］。邓晓军等采用自上而下的方法计算分析了四川省2004年的水足迹及其相关评价指标［13］。黄晶等运用水足迹理论，采用自上而下的方法计算评价了1990—2005年北京市水足迹及水资源利用的可持续性，在此基础上进一步分析了北京市农业用水结构的变化特征［14］。

新疆地处干旱半干旱区，有典型的山地—绿洲—荒漠生态系统，水资源的合理利用是维持新疆生态环境及本区域可持续发展的基础。目前生态足迹应用研究多集中在区域经济社会发展的生态足迹分析评价领域，有关单项资源的生态足迹研究较少。因此，本文对2005—2014年间新疆维吾尔自治区的水资源生态足迹和生态承载力进行计算分析，并对2015—2025年水资源生态赤字／盈余进行预测，以期对正确认识新疆水资源利用现状，实现区域水资源可持续利用提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

新疆维吾尔自治区地处亚欧大陆腹地的中纬地区，地跨北纬 34°25′～49°11′，东经 73°40′～96°18′。是生态环境的脆弱区与敏感区，干旱的气候是形成新疆脆弱生态环境基本特征直接的主导因素，地形复杂，高山与平原、盆地相间，沙漠与绿洲共存加剧了这种脆弱。天山以南为南疆，天山以北为北疆，哈密地区和吐鲁番地区为东疆，新疆的最低点艾丁湖低于海平面155m，最高点乔戈里峰为8 611m。

新疆三大山脉的积雪、冰川孕育汇集为500多条河流，分布于天山南北的盆地，其中较大的有塔里木河、伊犁河、额尔齐斯河、玛纳斯河、乌伦古河、开都河等20多条，新疆境内形成了独具特色的大冰川，共计1.86万余条，总面积2.4万多 km2，占全国冰川面积的42%，冰储量2.58亿m3，是新疆的天然“固体水库”。新疆的水资源极为丰富，人均占有量居全国前列。大沙漠占全国沙漠面积的2／3，其中塔里木盆地中的塔克拉玛干沙漠的面积为33.67万km2，是中国最大的沙漠，为世界第二大流动沙漠，仅次于阿拉伯半岛上的鲁卜哈利沙漠。准噶尔盆地的古尔班通古特沙漠，面积4.8万km2，为中国第二大沙漠。2014年，全疆水资源总量726.93亿m3，地表水资源总量686.55亿 m3，地下水资源总量 443.93亿m3，人均水资源为3 130 m3，其中乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市等区域人均水资源远低于1 000 m3，仅为 410、226、17 m3。水资源分配极不均衡，与人口、土地和经济布局不相匹配。

1.2 数据来源与处理

本文水资源数据主要来源于《2005—2014年新疆维吾尔自治区水资源公报》［15］；人口、GDP等经济数据主要来源于《2005—2014年新疆维吾尔自治区统计年鉴》［16］和各地州市的政府工作报告。数据处理软件采用 Excel 2010，DPS 7.05和 ArcGIS 9.3。

2 研究方法

2.1 灰色预测模型

灰色预测GM（1，1）模型是灰色系统理论的核心内容，通过部分已知的数据，将系统信息抽象的概念量化，量化的概念模型化，最后进行模型优化来预测部分未知的数据。如果所要预测的某项指标的原始数据波动性太大，其发展趋势无规律可循时，则无法用回归预测法对其进行预测。鉴于此，新疆生态足迹更适合用灰色预测法进行预测［17－18］。

具体计算方法如下［19］：

首先，设原始数据 X（0）有 n个值，即 X（0）＝｛X（0）（1），X（0）（2），…，X（0）（n）｝， 灰 色 预 测 模 型GM（1，1）相应的微分方程为过累加生成新序列 X（1）＝｛X（1）（1），X（1）（2），…，X（1）（n）｝。α和μ可利用最小二乘法求解。解得：，求解微分方程，便可以得到预1，2，3，…，n，根据模型即可得到一组预测系列。

模型精度检验：对GM（1，1）模型进行残差检验和后验差检验。如果残差检验和后验差检验都能通过，则说明模型精度较高，可以作为预测模型，否则，需进行残差修正，建立残差GM（1，1）模型，并把残差GM（1，1）的预测值加到原预测值中，以提高预测精度。

残差检验：残差检验即模型精度按点的检验。P＞90%才能满足模型的精度要求。

C值越小P值越大模型精度越高，一般要求 C＜0.35，最大不超过 0.65；P＞0.95，不得小于 0.7。模型精度等级划分［16］（表 1）。

表1 灰色预测精度检验等级Table 1 The grades of grey prediction accuracytest

2.2 水资源生态足迹模型

根据水资源生态足迹的内涵和用水特性，将水资源利用水分为生活用水、生产用水和生态环境用水三大类进行计算，具体计算步骤［20］如下：

水资源生态足迹：

式中，EFw为水资源总生态足迹（hm2）；N为人口总数（人）；efw为人均水资源生态足迹（hm2·cap－1）；γw为水资源的全球均衡因子，其取值为5.19；W为人均消耗的水资源量（m3）；Pw为世界水资源平均生产能力（m3·hm－2），其取值为 3 140m3·hm－2。

为便于计算，本研究选择根据WWF2002确定的水资源均衡因子5.19作为计算值，水资源全球平均生产能力 Pw：采用水文学中的产水模数来描述水资源生产能力，根据学者研究结果，世界水资源平均生产能力为 3 140m3·hm－2［6］。

2.3 水资源生态承载力

水资源生态承载力代表区域内水资源与各个用水账户之间存在的供需关系以及可持续程度，可将其定义为：某一区域在某一具体历史发展阶段，水资源最大供给量可供支持该区域资源、环境和社会（生态、生产和生活）可持续发展的能力。具体可表述为：某一区域在具体的发展阶段，考虑当前科技、文化、体制的影响，在当前的管理技术条件下，水资源对生态系统和经济系统良性发展的支撑能力［21］。因此，研究水资源生态承载力对于人类合理开发和利用水资源起到了相当重要的作用。

2.3.1 水资源生态承载力计算模型 水资源承载力［22］

式中，ECw为水资源承载力（hm2）；ecw为人均水资源承载力（hm2·cap－1）；Bw为计算区域水资源用地的产量因子；Aw为水资源全球均衡因子；Q为水资源总量（m3）；Pw为世界水资源平均生产能力（m3·hm－2）。

参照前人的研究成果，一个国家和一个地区的水资源承载力中的60%用于维持生态环境，因此在水资源承载力的计算中要乘以系数0.4［23］。水资源的产量因子采用该区域水资源平均生产能力与世界水资源平均生产能力的比值。2005—2014年新疆水资源平均生产能力为 6.91×104m3·hm－2，世界水资源平均生产能力为 31.40×104m3·hm－2［6］。因此新疆水资源产量因子为0.22。

2.3.2 水资源生态盈余和水资源生态赤字 水资源生态赤字和水资源生态盈余是将区域内水资源生态足迹和承载力相比较，就会得出水资源生态赤字或盈余，该指标可用来判断研究区域内水资源的可持续利用情况［6，24］。

当ECw＜EFw时，为水资源生态赤字，表明水资源处于不可持续状态；当 ECw＝EFw时，为水资源生态平衡；当ECw＞EFw时，为水资源生态盈余，表明水资源可持续发展。

2.4 水资源负载指数

水资源负载指数表示某个地方水资源的开发利用前景，其物理意义是区域水资源量与人口和国内生产总值决定的水资源需求量的关系，反映了区域水资源的利用水平及今后水资源开发的难易程度，它与水资源的可利用程度呈负相关。同时还能反映出以后该地区水资源开发的难易程度，分为5个等级（表2），孟丽红等［24］利用水资源负载指数反映了江西省2007—2011年的水资源利用、开发情况，结果与实际相符，说明引入水资源负载指数是正确的。其计算公式为［25］：

式中，C为水资源负载指数；P为人口（万人）；G为国内生产总值（亿元）；W为水资源总量（亿m3）；k为与降水有关的系数，R为年降水量（mm），其取值公式如下：

表2 水资源负载指数分级评价Table 2 Evaluation classification for carrying index ofwater resource

2.5 万元GDP水资源生态足迹

万元GDP水资源生态足迹（EFGDP），是用来衡量水资源的利用率的指标，指区域水资源生态足迹与地区生产总值（GDP）的比值［26］，公式如下：

3 结果与分析

3.1 新疆2005—2014年水资源生态足迹、生态承载力及生态赤字／盈余变化趋势

按照上述公式，计算结果见表3。新疆2005—2014年的水资源生态足迹总体呈上升趋势。生产用水生态足迹在三个水资源账户中比例最大，远远超出其它两部分，占总水资源足迹的95.86%，新疆用于生态环境方面的水资源最少，投入生产的水资源比重几乎占据了所有水资源，说明大部分的水资源都用于农业生产、工业生产，对于环境改善和保护的水资源投入量很少。生活用水的生态足迹所占比重也很小，但有逐渐增加的趋势，主要是因为人口增长、居住和生活水平提高引起的。2014年为最大值15.34×105hm2，比 2005年的 8.88×105hm2多了 6.46×105hm2。生产用水先增加后减少，从2005年的7.96×107hm2增加至2014年的9.47×107hm2，之后减少至9.38×107hm2。2005年水资源生态足迹为8.4×107hm2，到 2014年增加至 9.62×107hm2。万元GDP水资源生态足迹逐渐降低（图4），2013年达到最大值，为9.25×107hm2，说明新疆水资源利用率有逐年提高的趋势，但随着经济的发展，水资源消费依然旺盛，对水资源的需求量仍在逐渐增加。在空间分布上，南北东疆差异较大，南北疆水资源生态足迹是东疆水资源生态足迹的10倍左右，而南北疆万元GDP水资源生态足迹均小于东疆。

从图2可以看出，新疆人均水资源生态足迹保持在 3.255～4.765 hm2·人－1之间，呈先上升后下降的趋势，在 2006年达到最大值 4.765 hm2·人－1；南疆保持在1.963～2.754 hm2·人－1之间，在2006年达到最大值 2.754 hm2·人－1；北疆保持在 1.125～1.805 hm2·人－1之间，大体呈先上升后下降的趋势；东疆则保持在 0.152～0.207 hm2·人－1之间，气候较干燥，降水量少，人均水资源就比南北疆低得多。

新疆水资源承载力年际间差异不大（图1），在0.571×107～0.654×107hm2之间，南北疆水资源承载力远远大于东疆。新疆水资源承载力与降水量之间的相关性系数为0.51，说明水资源承载力与降水量呈正相关。

全疆和北疆的人均水资源承载力最高值出现在2006年，最低值出现在2011年；南疆人均水资源承载力保持在 0.133～0.187 hm2·人－1之间，最高值出现在2006年，最低值出现在2013年；东疆人均水资源承载力保持在 0.002～0.005 hm2·人－1之间，北疆人均水资源承载力最高可达东疆的8倍，南疆的人均水资源承载力最高可达东疆的13倍。在一定程度上水资源承载力受限于水文、气象、植被等自然资源因素。

从表3、图1和图2可以看出，新疆水资源处于生态赤字状态。整体来看，2005—2014年水资源生态赤字呈波动下降趋势，从2005年的－7.83×107hm2下降至2013年的－9.06×107hm2，由于当时人们不注意水资源合理利用，缺乏生态保护意识，耗水量大，造成水资源浪费，生态赤字严重，2014年又上升到－8.96×107hm2，说明新疆水资源利用情况正趋于合理。

表3 新疆2005—2014年水足迹和水资源承载能力Table 3 Ecological footprint ofwater resources and water resources carrying capacity in Xinjiang from 2005 to 2014

图1 新疆2005—2014年水资源生态足迹、水资源承载力和生态赤字Fig.1 Water resources footprint、water resources carrying capacity and ecological deficit in Xinjiang from 2005 to 2014

图2 新疆2005—2014年水资源人均生态足迹、人均水资源承载力和人均生态赤字Fig.2 Per capitawater resources footprint、water resources carrying capacity and ecological deficit in Xinjiang from 2005 to 2014

3.2 新疆2005—2014年水资源负载指数

从表4可以看出新疆的水资源负载指数呈上升趋势，表明水资源的利用程度逐渐加强，2005—2012年负载指数在2～5之间，表明新疆水资源利用程度中等；到了2013年以后新疆水资源开发利用已具有相当规模，水资源供给对国民经济发展有一定的保障，进一步开发潜力较小，必须采取一系列行之有效的节水、用水措施才能满足新疆可持续发展的要求。

图3 水资源承载力与降水量之间的相关性Fig.3 The correlation between water resources carrying capacity and rainfall

图4 新疆2005—2014年万元GDP生态足迹Fig.4 Water resources ecological footprint per 104 yuan GDP of Xinjiang from 2005 to 2014

表4 新疆2005—2014年水资源负载指数分级Table 4 Classification of load index ofwater resources in Xinjiang during 2005—2014

3.3 新疆2012—2014年各地州（市）水资源生态足迹与生态承载力

本研究对2012—2014年新疆15个地州（市）的水资源生态足迹和水资源承载力进行了分析。从图5中可以看出，巴州、阿克苏地区、阿勒泰地区、塔城地区人均水资源生态足迹较高，均在5 hm2·人－1以上。这些地区人口密度小，人均水资源占有量大，导致人均水资源生态足迹大；人均水资源生态足迹较低的地区位于天山以北的乌鲁木齐市、石河子市、伊犁州、克拉玛依市、克州等地区。人均水资源生态足迹受人口密度、经济结构、节水水平、气候条件和水资源条件等多种因素影响。

从万元GDP水资源生态足迹来看（图6），经济最发达的乌鲁木齐市最低，说明乌鲁木齐市比较注重水资源的利用，工业生产设备完善，技术先进，能够有效提高水资源利用效率；较高的区域分布在巴州、塔城、阿勒泰地区、阿克苏地区和昌吉州。主要与这些地区的产业结构有关，而且水资源丰富，导致万元GDP水资源生态足迹较高，说明水资源利用效率低。2012—2014年，大部分地州（市）万元GDP水资源生态足迹呈逐渐递减趋势。但是，塔城地区、阿克苏地区和阿勒泰地区的万元GDP水资源生态足迹呈逐渐递增趋势。

新疆水资源全部处于生态赤字状态，主要是由于经济高速发展下的人口和产业需水量激增，以及水污染、浪费和利用率低导致的。生态赤字较大的地区阿勒泰地区，高达9.944 hm2·人－1，其次是阿克苏地区、巴州，高达 5 hm2·人－1。

图6 新疆15个地州（市）2012—2014年万元GDP水资源生态足迹Fig.6 Water Resources ecological footprint per 104 yuan GDP in 15 cities of Xinjiang from 2012 to 2014

3.4 新疆水资源生态赤字／盈余的预测

3.4.1 预测模型 通过 GM（1，1）模型，对新疆2015—2025年间的水资源生态赤字／盈余情况进行预测分析。通过公式计算求得：α＝－0.0052，μ＝－3.4044。将值代入公式中得到预测模型：

3.4.2 模型检验 从表5中可以看出，新疆水资源生态赤字／盈余原始值与拟合值的误差较小。通过残差检验和后验差检验对模型进行精度检验，根据残差检验的各项公式计算出90.61%，满足精度要求。通过后验差检验计算得到原始数据方差 S1为0.3566，残差方差 S2为 0.6839，求得后验差比值 C为0.52，小误差频率 P为0.75，可以看出该模型有足够的精度，可以作为预测模型。

表5 2005—2014年新疆水资源生态赤字／盈余原始值与拟合值对比Table 5 The comparison table between original value and fitting value ofwater resources ecological footprint per capita and ecological deficit／surplus in Xinjiang from 2005 to 2014

3.4.3 预测结果 预测结果显示，新疆2015—2025年十年间水资源仍然处于赤字状态，2015年为－3.492 hm2·人－1，逐年减少至 －7.7679 hm2·人－1。随着经济的发展，水资源持续开发利用情况越来越不好，水资源生态足迹呈上升趋势，水资源承载力呈下降趋势，水资源生态赤字越来越严重。由于新疆经济发展迅速，工业发展不完善，水资源利用率低，农业用水逐步从粗放式利用转向集约化利用，人们环保意识薄弱。因此，今后的形势越来越严峻，在利用中提高节水意识。

图7 新疆2015－2025年水资源人均生态赤字／盈余预测Fig.7 Per capita ecological deficit／surplus in Xinjiang from 2015 to 2025

4 讨论与结论

通过水资源生态足迹模型和生态承载力模型，计算得到新疆水资源生态足迹和水资源承载力，通过GM（1，1）模型预测，分析新疆水资源综合利用的发展趋势。结果显示：

1）2005—2014年新疆水资源生态足迹和承载力均呈上升趋势；人均生态足迹和人均承载力呈上下波动状态。生产用水生态足迹在三个水资源账户中比例最大，远远超出其它两部分，占总水资源足迹的95.86%。

2）2005—2014年水资源呈生态赤字状态。整体来看呈波动下降趋势，从2005年的－7.83×107hm2下降至2013年的－9.06×107hm2，由于当时人们不注意水资源合理利用，缺乏生态保护观念，耗水量大，造成水资源浪费，生态赤字严重，2015年又上升到－8.96×107hm2，由于科学技术水平的提高和人们节水意识增强，水资源利用与管理正在逐渐趋于合理。

3）新疆的水资源负载指数呈上升趋势，表明水资源的利用程度逐渐加强，2005—2012年负载指数在2～5之间，表明新疆水资源利用程度中等；到了2013年以后新疆水资源开发利用已具有相当规模，水资源供给对国民经济发展有一定的保障，进一步开发潜力较小，必须要采取一系列行之有效的节水、用水措施才能满足新疆可持续发展的要求。

4）生态赤字预测结果为：新疆从2015—2025年十年间水资源仍然处于赤字状态，生态赤字2015年为－3.492 hm2·人－1，逐年减少至 －7.7679 hm2·人－1。说明今后的形势仍较严峻。

综上所述，新疆水资源利用情况一直处于不可持续状态，所以做好水资源合理利用与开发工作是未来新疆发展的重中之重。一方面优化水资源配置，防止水质污染，实行全面节水；另一方面增加水资源的重复利用率，完善相关的法律体系，建立合理的水资源管理制度。

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Calculation and prediction of water resource ecological footprint in Xinjiang

LEIYa-jun1，2，ZHANG Yong-fu1，2，ZHANG Min-hui1，2，LIANG Xue-mei1，2，SHAO Xin-juan1，2
（1.School of Resourcesɑnd Environment Science，Xinjiɑng University，Urumqi，Xinjiɑng 830046，Chinɑ；2.Key lɑborɑtory of Oɑsis Ecology，Ministry of Educɑtion，Xinjiɑng University，Urumqi，Xinjiɑng 830046，Chinɑ）

According to the basic principle and calculationmodel ofwater resources ecological footprint，the water resources load index is introduced to calculate the ecological footprint of water resources and the ecological carrying capacity ofwater resources in Xinjiang from 2005 to 2014，and the gray forecastingmodelGM（1，1）is used to predict the ecological deficit／surplus trends from 2015 to 2025.The results show that：① The ecological footprintofwater resources in Xinjiang is larger than the ecological capacity ofwater resources，and it is in ecological deficit，which decreases from－7.83×107hm2in 2005 to－9.06×107hm2in 2013，and the development rate ofwater resources is low；② The ecological footprint and carrying capacity ofwater resources in Xinjiang increased from 2005 to 2014，the per capita ecological footprint and the per capita carrying capacity fluctuated，and the ecological footprint of the production water was the largest among the threewater resourcesaccount，far exceeding the other two parts，accounted for95.86%of the total water footprint；③ The water resources load index showed an upward trend，indicating that the utilization of water resourceswas gradually strengthened.The load index was between 2～5 from 2004 to 2012，indicatedmoderate degree of utilization ofwater resources in Xinjiang；and the load index was between 5～10，the results show that Xinjiang’swater resources utilization is high and the development conditions are difficult；④ The distribution ofwater resources in Xinjiang is not uniform.The distribution ofwater resources in Southern Xinjiang，Northern Xinjiang and Eastern Xinjiang is quite different.Thewater footprint and ecological carrying capacity of Southern and Northern Xinjiang are greater than that of Eastern Xinjiang，and the Milion Yuan GDP water ecological footprint of Southern and Northern Xinjiang are less thanthat of Eastern Xinjiang；⑤ thewater resources ecological deficit from 2015 to 2025 had been predicted，it showed that Xinjiang’swater resources has been in the state of ecological deficit，which led to a decrease ofwater resources year by year.and the situation isworse which will be even severe in the future，so the use ofwater conservation awarenessmust be enhanced.

ecological footprint；load index ofwater resources；water resources ecological deficit；GM（1，1）model

TV213.9

A

1000-7601（2017）05-0142-09

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.21

2016-05-27

2016-07-12

雷亚君（1991—），女，新疆乌鲁木齐人，硕士研究生，研究方向为国土资源信息科技。E-mail：leiyajun1991＠sina.com。

张永福（1975—），男，新疆乌鲁木齐人，硕士生导师，主要从事国土资源评价方向的研究。E-mail：2812164105＠qq.com。