干旱区水资源承载力空间布局研究——以新疆为例

(塔里木大学 经济与管理学院,新疆 阿拉尔 843300)

1 引言

2007年亚太经合组织的一项研究表明[1],水资源短缺是当前及未来一段时间亚太地区面临的一项严峻挑战,成为该地区实现可持续发展的重大障碍之一。2009年,世界银行建议我国改革和加强水资源管理框架,重点放在明晰政府、市场、社会三者各自的作用及其相互关系上,充分利用市场手段提高水资源管理部门的效率,强化水污染控制措施的执行,对污染突发事件的准备等,以解决我国水资源短缺问题[2]。2013年，在“世界水日”20周年纪念会议上,时任联合国秘书长潘基文说:“当前世界约1/3的人口生活在中度或高度缺水的国家,世界上近1/2的人口到2030年即将面临水资源匮乏,未来世界水资源需求量将会比供应量高出40%。”[3]《2018年世界水资源开发报告》[4]显示:由于人口增长、经济发展和消费方式转变等因素,全球水资源需求正在以每年1%的速度增长,未来受工业用水需求量、生活用水需求量、农业需水量、生态系统退化等多重因素的影响,这一速度将在未来20年大幅加快,水资源已成为世界各国经济、社会的重要瓶颈,我国尤为突出。

我国提出:“坚持人与自然和谐共生[5],建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计”,“推进资源全面节约和循环利用,实施国家节水行动,降低能耗、物耗,实现生产系统和生活系统循环链接”，“开展国土绿化行动,推进荒漠化、石漠化、水土流失综合治理,强化湿地保护和恢复,加强地质灾害防治”。2018年，我国提出[6]:“全面划定并严守生态保护红线”，“加强地下水保护和修复,扩大湿地保护和恢复范围”，“建设天蓝、地绿、水清的美丽中国”。

国外对水资源承载力研究较少。Rijiberman等最早将承载力用于研究城市水资源评价和管理体系,并将其作为城市水资源供需和城市社会安全保障的重要测量标准;Harris等对农业生产区域水资源与农业的承载能力关系和影响机制进行了深入研究[7]。国内对水资源承载力研究从1980年开始,新疆水资源软科学课题组最早提出“水资源承载能力”概念,之后研究重点多集中于我国西北干旱与半干旱区。韩琦等[7]从城市、区域和流域尺度对水资源承载力研究现状进行了总结,并对我国西北干旱半干旱区水资源承载力进行了评述和展望;杜俊平等[8]利用可拓综合评价法对河西走廊地区2003—2015年水资源承载力进行了评价,预测了2006—2015年河西走廊地区水资源承载力仿真情景;杨琳琳等[9]构建了水资源系统、社会经济系统、生态环境系统,运用BP神经网络模型对新疆2004—2013年水资源承载力进行了分析,预测了2014—2020年新疆水资源承载力;李青等[10]构建了水资源系统、社会系统、经济系统、生态环境系统等四个系统,运用模糊层次分析法对2000—2011年新疆喀什地区水资源承载力进行了分析,预测了2012—2015年喀什地区水资源承载力;赵向豪等[11]运用灰色关联法对2004—2013年新疆天山北坡经济带水资源承载力进行了分析,发现生产、生活、生态三个部门对其影响较大;段新光等[12]选取8个水资源承载力因子,运用模糊评价法对新疆水资源承载力现状进行了评价,发现新疆水资源开发利用已具有一定规模;张元杰[13]从水资源、社会经济、生态环境3个层次中选取14个评价指标,对新疆昌吉水资源承载力进行了分析评价;张振龙等[14]在对2000—2015年新疆水资源生态足迹、承载力和水资源负载动态特征的基础上,利用ARIMA模型预测了新疆2020年水资源生态足迹、承载力与赤字情况;汪菲等[15]运用改进后的相对资源承载力模型计算了新疆2000—2010年的相对资源人口承载力和相对资源经济承载力,进一步分析了新疆15个地区(州、市)相对资源承载力的时空演变;陈万旭等[16]在分析新疆人—地关系系统基础上,构建了新疆的PRED系统,利用相对资源承载力修正模型对2000—2014年新疆相对资源承载力进行了分析。以往研究多集中于干旱区水资源承载力时空动态演变,对干旱区内部不同地区的水资源承载力现状和协调发展、均衡发展涉猎较少,在我国乃至全球水资源日益严峻的形势下,研究当下干旱区内部不同地区水资源承载力现状,提出区域内部均衡、协调发展具有重大研究意义。作为干旱区典型的新疆,水资源对内被戈壁、沙漠、山脉隔绝,对外与中亚8国分割，在不考虑不可预测的气候因子的影响下,新疆是典型的干旱区水资源“自循环系统”,因此研究新疆不同地区水资源承载力具有较强的学术价值与现实意义。

2 研究区域概况

新疆维吾尔自治区(简称“新疆”)位于我国西部边陲,外与中亚8个国家接壤,内与甘肃、青海、西藏3个省区相邻。河西走廊荒凉戈壁、塔里木盆地、昆仑山脉将新疆与内地省市隔离,“三山加两盆”将新疆绿洲分割为“OTO”绿色隔离带，即环塔里木的南疆绿洲“O”型绿洲带、沿边境与天山南北坡“T”型绿洲带、环准格尔盆地北疆“O”型绿洲带。新疆远离海洋、深居内陆、降水量少、气候干燥等特殊的区位地理和气候条件,使新疆成为典型的干旱地区。以2015年为例,新疆年降水量2942亿m3,与多年平均值相比多15.6%,比2014年偏多22.9%,其中地表水资源量873.1亿m3、地下水资源量536.3亿m3,水资源总量917.6亿m3;居民生活用水量10.02亿m3、城镇公共耗水量10.02亿m3,人均用水量923.7m3;废污水排放总量10.777亿t,其中城镇居民生活废污水排放量3.479亿t;第二产业废污水排放量6.130亿t,占废污水排放总量的56.9%;第三产业废污水排放量1.168亿t,占废污水排放总量的10.8%;万元GDP用水量619m3,万元工业增加值用水量619m3,生态环境用水量5.79亿m3。同时,由于城镇化、经济发展、生态环境治理等“丝绸经济带核心区”建设重点工程的实施,进一步加剧了新疆水资源承载力状况。

3 指标构建与模型选取

3.1 构建评价指标体系

首先,水资源承载力是由水资源存量和流量决定的,在不考虑外界环境的影响下,水资源存量越多,水资源承载力越强,反之越弱[7-10]。其次,水资源承载力受制于城镇化发展、居民消耗等社会发展,粗放型的社会发展会加剧水资源承载力状况,反之资源节约型社会的构建会缓解水资源承载力情况[11-14]。第三,水资源承载力受到经济发展带来的负效应,尤其是在粗放型农业发展、工业化、低端服务业发展等影响下,会加剧水资源承载力减少[15,16]。第四,由于干旱区特殊的自然条件,水资源承载力除了关系到城镇化、工业化等社会经济因子的影响外,还关系到干旱区的经济发展和社会稳定。综上所述,在综合国内外学者对干旱区水资源承载力研究成果的基础上,本文结合新疆经济社会和各地区的发展状况,依据指标选取的科学性、可量化性、可获得性、典型性等原则,构建了水资源系统、社会系统、经济系统、生态系统4个维度、28个评价指标的干旱区水资源承载力综合评价指标体系,见表1。

表1 干旱区水资源承载力综合评价指标体系

3.2 干旱区水资源承载力评价模型

对各指标进行无量纲化处理,其正向指标无量纲化计算公式为:

(1)

逆向指标无量纲化公式为:

(2)

式中,Kij为第j地区指标标准化的变量值;Zij为第j地区第i个指标的实际变量值;min(Zij)、max(Zij)分别为对应指标序列中实际变量值中的最小值、最大值。

采用因子分析方法,求得特征根系、特征根的贡献率以及各主成分因子的得分。各主成分得分的计算公式为:

(3)

(4)

式中,Fj为所提取的n个主成分中第j个主成分的得分;aij为主成分和各指标的相关系数;Ki为标准化后的值;Hmn为第m个指标第n个地区的载荷值;Tj为第j个主成分的特征值,j=1,…,n。

计算各地区水资源承载力综合得分,综合得分的计算公式为:

(5)

式中,Qn为第n个地区水资源承载力的综合得分;bn为第n个指标主成分贡献率;Fjn为所提取的第n个地区j个主成分的得分。

4 实证分析

本研究样本数据来自相关年份的《中国统计年鉴》、《新疆统计年鉴》、《新疆水资源公报》、《新疆国民经济和社会发展统计公告》。为减少气候变化下动态数据对区域静态数据的影响,使样本数据更能代表现实实际,观测数据均采用新疆2000—2015年水资源各指标的加权平均值作为样本数据,经过整理和计算最终形成原始数据。

4.1 样本数据可靠性检验

本文主要运用Spass22.0软件，采用内部一致性Cronbach′s α检验。由表2可知,28个指标的原始数据与标准化数据的Cronbach′s α值分别为0.96,表明数据具有较高的可靠性。

表2 可靠性检验

对标准化数据进行因子分析检验见表3。通过KMO和Bartlett检验可知:KMO值为0.898,大于0.5,且Sig的值为0.00小于0.05,因此样本数据可进行因子分析。

表3 KMO和Bartlett的检验

4.2 提取公共因子

本文对28个公共因子提取公因子方差(表4),28个公共因子方差提取率均超过80%,表明可进行因子分析,主成分因子均能代表样本数据。

表4 公因子方差

4.3 求各主因子特征值及方差贡献率

各主因子的特征值和累计方差贡献率见表5。经过6次旋转后,6个因子的显著性水平分别为7.952、6.664、3.678、3.357、2.058、1.443,其累计方差贡献率为89.830%,表明提取的6个主因子能解释89.830%的样本变量表征,可反映水资源承载力的具体情况。

表5 各主因子特征值及方差贡献率

4.4 提取主成分因子

经过主成分分析,28个样本观测值最终转化为6个主成分因子,能解释89.83%的原始数据。从表6可见,第一主成分因子包括W1、W2、W3、W4、W5、S17个指标,该主成分指标以水资源系统因子为主,命名为“水资源支持力”;第二主成分因子包括S3、E2、E3、E4、E5、E6、E7、T1、T8、T910个指标,该主成分指标以经济系统因子为主,命名为“水资源经济承载力”;第三主成分因子包括W6、E1、T2、T64个指标,该主成分指标以生态系统因子为主,命名为“水资源农业承载力”;第四主成分因子包括S5、S6、T4、T54个指标,该主成分指标以社会、生态系统因子为主,命名为“水资源农村承载力”;第五主成分因子包括S2、S4、T73个指标,该主成分指标以社会系统因子为主,命名为“水资源城镇承载力”;第六主成分因子包括T31个指标,该主成份指标以生态系统因子为主,命名为“水资源生态承载力”。

表6 主成分因子

表7 各地区水资源承载力

4.5 水资源承载力综合评价

运用干旱区水资源承载力评价模型,最终测算出新疆各地区的水资源支持力、水资源经济承载力、水资源农业承载力、水资源农村承载力、水资源城镇承载力、水资源生态承载力和水资源综合承载力等情况,见表7。

水资源支持力布局分析:表7可见,全疆水资源支持力排名倒数第二,水资源支持力最低的是克拉玛依市,表明新疆水资源分布极其不均衡。负荷为正值且从高到低依次为巴州、和田、伊犁、阿勒泰、克州、喀什、塔城;负荷为负值且从高到低依次为阿克苏、昌吉、哈密、博州、吐鲁番、乌鲁木齐、石河子、全疆、克拉玛依。2000—2015年,巴州、和田、伊犁、阿勒泰、克州、喀什、塔城等地区年均降水量、地表水资源量、年均地表水资源量、地下水资源量、总水资源量均超过其他地区,水资源支持力总体空间布局呈“南强北弱、西强东弱”的空间布局。即环塔里木的巴州、和田、克州、喀什等南疆地区水资源支持力较强,沿边境伊犁、阿勒泰、塔城等地区水资源支持力也较强,沿天山的天山南北坡经济带的腹心地带北部地区和吐鲁番、哈密等东部地区水资源支持力较弱。

水资源经济承载力布局分析:表7可见,水资源经济承载力负荷为正值且从高到低依次为乌鲁木齐、巴州、昌吉、克拉玛依、伊犁;负荷为负值且从高到低依次为喀什、石河子、哈密、阿克苏、全疆、博州、塔城、吐鲁番、和田、阿勒泰、克州。2000—2015年,乌鲁木齐、巴州、昌吉、克拉玛依、伊犁等经济发展给该地区水资源经济承载力带来了极大挑战,加剧了该地区水资源承载力状况,该地区人均用水量、第二产业用水量、第三产业用水量、工业耗水量、万元GDP用水量、生态用水量、第二产业废污水排放量、第三产业废污水排放量均高于同期其他地区,水资源的经济承载力呈现“经济发达地区水资源承载力弱、经济发展中地区水资源承载力次之、欠发达地区水资源承载力强”。目前新疆经济发展处于“粗放型、高耗能”经济发展模式,水资源的经济承载力总体空间布局呈“南强、中弱、北强”的空间布局。

水资源农业承载力布局分析:表7可见,水资源农业承载力负荷为正值且从高到低依次为喀什、阿克苏、昌吉、塔城、伊犁;负荷为负值且从高到低依次为全疆、博州、阿勒泰、吐鲁番、克拉玛依、巴州、石河子、乌鲁木齐、哈密、和田、克州。2000—2015年,喀什、阿克苏、昌吉、塔城、伊犁等地区的农业综合开发利用给水资源承载力带来了压力,加剧了该地区水资源环境恶化,该地区总用水量、第一产业用水量、农田灌溉耗水量、地下水利用量等高于同期的其他地区,全疆农业生产总体呈现粗放式发展,水资源综合利用率较低,水资源农业承载力总体较弱,水资源农业承载力总体空间布局呈“南弱北强、东强西弱”的分布格局。

水资源农村承载力布局分析:表7可见,水资源农村承载力负荷为正值且从高到低依次为和田、克拉玛依、阿克苏、喀什、全疆、石河子、吐鲁番、乌鲁木齐、阿勒泰;负荷为负值且从高到低依次为巴州、伊犁、克州、博州、昌吉、哈密、塔城。2000—2015年,和田、克拉玛依、阿克苏、喀什、全疆、石河子、吐鲁番、乌鲁木齐、阿勒泰等地区农村发展用水量较高,农村节约型水资源发展意识不强、利用效率不足。该地区城镇人均生活用水量、农村人均生活用水量、农田实灌亩均用水量、农业综合平均用水量等均高于同期其他地区,农村水资源利用低质低效带给水资源农村承载力较大压力,水资源农村承载力总体空间布局呈“南弱北强、东弱西强”的分布格局。

水资源城镇承载力布局分析:表7可见,水资源城镇承载力负荷为正值且从高到低依次为乌鲁木齐、伊犁、喀什、哈密、和田、克州、吐鲁番、石河子;负荷为负值且从高到低依次为全疆、昌吉、塔城、阿克苏、博州、阿勒泰、巴州、克拉玛依。2000—2015年,乌鲁木齐、伊犁、喀什、哈密、和田、克州、吐鲁番、石河子等地区城镇化速度推进较快,伴随而来的水资源利用量也随之较大,与其他地区同期相比,该地区水资源城镇承载力压力较大。该地区居民生活用水量、人均用水量、城镇居民生活废污水排量等均高于同期其他地区,城镇水资源耗费较高,水资源循环利用较低,带给水资源城镇承载力较大压力,水资源城镇承载力总体为大中城市水资源承载力弱,中小城镇水资源承载力强,空间布局呈“南弱北强、东弱西强”的分布格局。

水资源生态承载力布局分析:表7可见,水资源生态承载力负荷为正值且从高到低依次为巴州、和田、吐鲁番、哈密、喀什、昌吉;负荷为负值且从高到低依次为乌鲁木齐、博州、克州、塔城、阿克苏、阿勒泰、石河子、伊犁、克拉玛依。2000—2015年,巴州、和田、吐鲁番、哈密、喀什、昌吉等地区水产养殖产业发展速度加快,随之而来的是水资源耗费加大。该地区林牧渔畜用水量高于同期其他地区,带给水资源生态承载力较大压力,水资源生态承载力空间布局呈“南弱北强、东弱西强”的分布格局。

水资源综合承载力布局分析:表7可见,新疆水资源综合承载力负荷为正值且从高到低依次为巴州、伊犁、喀什、和田、乌鲁木齐、昌吉、阿克苏、阿勒泰;负荷为负值且从高到低依次为塔城、克州、克拉玛依、哈密、吐鲁番、全疆、博州、石河子。2000—2015年,新疆水资源综合承载力布局呈“南弱北强、东弱西强”的分布格局。即巴州、喀什、和田、阿克苏、克州等南疆地区水资源承载压力较大,伊犁、阿勒泰、塔城、克拉玛依等沿边境地区水资源承载压力较大。

综合水资源支持力、经济承载力、农业承载力、农村承载力、城镇承载力、生态承载力六个方面因素,新疆各地区水资源承载力都面临重大挑战,除了水资源综合利用效率低下、经济粗放发展方式、城镇化等共有原因之外,各地区水资源承载力日益恶化的关键影响因素各不相同。①影响巴州、伊犁水资源承载力的主要因素是经济粗放式发展、城镇化推进进程等。②影响喀什、和田水资源承载力的主要因素是水资源自然补给量不足、农村水资源利用低质低效、农业水资源利用率低、生态环境水资源返补高等。③影响乌鲁木齐、昌吉水资源承载力的主要因素是人口聚集加速、经济发展提速、城镇化等。④影响阿克苏、阿勒泰、塔城、克州等地区水资源承载力的主要因素是农业用水低质低效、经济结构不合理、农村水资源浪费严重等。⑤影响克拉玛依、哈密、吐鲁番、博州、石河子等地区水资源承载力的主要因素是水资源自然补给量不足、生态环境治理水资源返补高等。

5 结论

本文为检测新疆水资源承载力空间布局,建立了水资源承载力综合评价指标体系。通过因子分析发现:2000—2015年,新疆水资源支持力总体空间布局呈“南强北弱、西强东弱”的空间布局,水资源经济承载力总体空间布局呈“南强、中弱、北强”的空间布局,水资源农业承载力总体空间布局呈“南弱北强、东强西弱”的分布格局,水资源农村承载力总体空间布局呈“南弱北强、东弱西强”的分布格局,水资源城镇承载力总体空间布局呈“南弱北强、东弱西强”的分布格局,水资源生态承载力空间布局呈“南弱北强、东弱西强”的分布格局,水资源综合承载力间布局呈“南弱北强、东弱西强”的分布格局。

综合水资源支持力、经济承载力、农业承载力、农村承载力、城镇承载力、生态承载力六个方面因素,新疆各地区水资源承载力均面临重大挑战,学术界除了应关注水资源综合利用效率低下、经济粗放式发展、城镇化、公民节水意识、气候变动带来的动态因素等共有因素影响之外,更应抓住各地区水资源承载力关键影响因素与关键环节,因地制宜、合理施策。今后干旱区水资源承载力应重点解决以下问题:①协调好干旱区水资源系统与其周边水资源系统之间的关系,强化水资源系统内外互补,提高干旱区水资源支持能力,增加“蓄水池”的存量。②协调好干旱区水资源系统内部各区域发展,抓住重点、精准施策,合理引导干旱区内部水资源的流量与流向。③大力倡导水资源环保意识,大力推广科学用水新观念。