天山北坡经济带水资源安全评估

张志君

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

水资源是干旱区绿洲社会经济发展的命脉，用水结构和用水效率是水资源消耗的关键控制因素。天山北坡经济带作为新疆工业发展的核心区，近年来在新疆节水推进工作在卓有成效的开展中，万元GDP用水量指标呈现下降趋势，第二产业用水量呈现增加态势。但随着乡村振兴、生态移民、扶贫搬迁等社会工作建设开展，水资源现状与增加的用水需求之间的矛盾日益加剧，引发了一系列水安全问题。天山北坡经济带是新疆人口、城镇、经济高度聚集的地区，而以农业灌溉为主导的用水结构短期内无法打破，农业用水压减措施，缺乏系统的科学支撑，农业大水漫灌、串灌现象普遍存在[1- 2]，现状用水的超引、超用、挤占生态用水现象亟待解决，用水结构不合理和用水效率低下的现状，严重制约天山北坡经济带的可持续性发展。

水资源安全评价方法主要有模糊综合评价、集对分析法、TOPSIS法、灰色G(1，1)模型[3]等。关于天山北坡经济带区域水资源研究已有多位学者开展，王艳等[4]利用变权和模糊综合评价法对天山北坡经济带水资源承载力进行等级评估，秦杨金秋[5]采用DEA和Malmquist指数法，在时间和空间上对天山北坡经济带水资源利用效率评估，张盼盼[6]利用TOPSIS法对天山北坡经济带城市承载综合状况进行评估。针对目前新的形势下水安全战略保障规划要求[7- 10]，而较少有学者对天山北坡经济带水资源安全评估。本文结合区域水资源现状，构建天山北坡经济带水资源安全评价指标体系，采用集对分析法，选取11个指标，对天山北坡经济带水安全进行综合评估，这对未来该区域空间水资源合理配置和调水工作具有指导意义，为管理者做出合理决策提供参考依据。

1 研究区概况及数据来源

天山北坡经济带位于天山北麓，准格尔盆地南缘，东起木垒县，西至博州。地理坐标79°53′E～96°23′E，40°43′N～47°15′N，总面积21.5万km2，行政区划上包含乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市、吐鲁番市、昌吉州、博州全部、哈密市、伊犁州(奎屯市、伊宁市、察布查尔锡伯自治县以及霍城县)、塔城地区(乌苏市和沙湾县)9个行政分区[5，12]。多年平均(2001—2017)总供水量为96.3亿m3，占区域水资源总量120.4亿m3的80%。全疆总供水量为537亿m3，占水资源总量859亿m3的58%，均超过国际上公认的水资源开发利用率50%的限度。行业用水中，生产用水量为90.3亿m3，占93.8%(全疆95.8%)；生活用水量3.1亿m3占3.2%(全疆1.5%)；生态用水量2.9亿m3占3.0%(全疆2.7%)。近年来，该区域用水总量已经超过红线控制指标，用水结构不合理，高耗水产业比重大，环境资源约束强化，产业转型难度加大等问题日益凸显。

数据来源于2017年《新疆水资源公报》、2018年《新疆统计年鉴》。

2 水资源安全评价指标体系及评价标准

2.1 构建评价指标体系

区域水安全状况需要依据人工-自然复合系统体现，本文利用区域水资源现状，从水量、水质、用水效率3个角度，建立准则层，指标层共选取11个指标(C1-C11)，效益型指标用“+”表示，成本型指标用“-” 表示[13- 14]，构建的水资源安全评价指标体系及权重见表1。

表1 水资源安全评价指标体系及权重

2.2 指标等级标准确定

依据国内外对水安全的定义，结合研究区气候和水资源利用情况，参考临近地区水资源安全评价成果[13- 15]，确定了天山北坡经济带水安全等级标准，并划分为5级(Ⅰ～Ⅴ级)，见表2。

表2 新疆水资源安全评价等级标准

3 水资源安全评价模型

3.1 熵权法确定权重

权重是反映评价因素对于事物重要性程度，而熵权是依据指标变异性大小来确定客观权重，参照相关文献[16]，步骤如下：①数据标准化。将第j个指标的数据X(xij)m×n(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)标准化，分成效益型指标和成本性指标，形成标准化矩阵R(rij)m×n。②确定指标j熵值hj。③确定第j个指标的熵权wj。

(1)

3.2 模糊集对分析评价法

集对分析法是将不确定系统中的2个有关联的集合进行构造集对，当应用于水资源安全评价问题中，将指标值xn(n=1，2，…，N)当做集合An，将指标j第k级标准看作集合Zk(k=1，2，…，K，k为评价等级数)，将An和Zk集合构造形成的集对H(An，Zk)，进而通过集对的关系判断关系的优劣程度，即求联系度μn。若将Zk特定为评价等级Ⅰ级标准构成的集合，其评价公式为[17- 18]：

μn=μAn～Z1=an+bn，1I1+bn，2I2+bn，3I3+cnJ

(7)

3.2.1单指标联系度

依据区域水资源安全评价4个门限值(S1、S2、S3、S4)，将水安全评价等级划分为5个区间，单指标联系度μn的表达式如下[17- 18]。

对于效益型指标μn：

(2)

式中，S1>S2>S3>S4。

对于成本型指标μn：

(3)

式中，S1

3.2.2样本综合联系度

(1)准则层综合联系度。将单指标联系度，结合准则层各指标权重，得准则层综合联系度[18]：

(4)

式中，s—各准则层中指标个数；wj—准则层第j个指标的权重。

(2)样本综合联系度。将指标层权重结合样本单指标联系度，得样本综合联系度[18]：

(5)

式中，n—指标个数；wn—指标j的权重。

3.2.3评价等级确定

(1)置信度准则。通常确定水资源安全状态等级的公式为：

hk=(f1+f2+…+fK)>λ

(6)

(2)级别特征值法。其特点在于能克服模糊隶属度函数判别结果失真，公式为：

gk=(1f1+2f2+3f3+4f4+5f5)

(7)

4 评价结果及分析

4.1 水安全影响因素分析

依据熵权法确定指标权重，准则层中，水量、水质、用水效率所占权重分别为0.526、0.174、0.3，从水量角度考虑，对水安全影响由大到小排序顺序为人均水资源量地下水开采潜力系数、供水模数、水资源供需比、产水模数；从水质角度考虑，指标由大到小排序为中水回用率、污径比；从用水效率角度考虑，指标由大到小排序为万元工业增加值用水量、万元GDP用水量、灌溉定额、人均日生活用水量。

4.2 准则层水资源安全等级确定

利用2018年《新疆统计年鉴》及2017年《新疆水资源公报》中2017年水资源数据。结合上述集对分析方法评价步骤，对2017年天山北坡经济带9个行政区水安全准则层评估，取λ=0.5，利用准则层指标权重，结合公式(4)—(7)得到水量、水质、水资源利用效率水资源安全评价等级及数值，准则层水安全评价联系数及水安全等级，见表3。

由表3可知，准则层中水量子系统，天山北坡经济带中部(乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市、昌吉州、博州)除博州、昌吉州位于Ⅱ级、Ⅲ级、克拉玛依市和石河子市属于Ⅳ级外，其余属于Ⅴ级。原因可能是因为随着“一带一路”和丝绸之路经济带发展，区域城镇化加剧，区域水资源存在用水总量超出水资源承载负荷，水利基础设施薄弱，供水保障能力不足等问题。天山北坡经济带东部(吐鲁番市、哈密市)属于Ⅴ级，区域气候条件导致的资源性缺水，人均水资源量不足2000m3，区域灌区和田间农业损耗水量较大，市区、平原区地下水开采强度较高，水资源短缺矛盾十分突出。天山北坡经济带西部(伊犁州、塔城地区)属于Ⅱ～Ⅲ级，由于区域所处地理环境相对优越，地下水资源丰富，但近年来区域地下水超采现象加剧，缺少防洪等调蓄型控制工程。水质子系统中，天山北坡经济带东部、中部、西部均属于Ⅳ等级，虽然近年来河湖长制对区域入河、入湖排污等起到良好的作用，但区域中水回用程度整体属于较低水平。水资源利用效率子系统中，天山北坡经济带中部和东部均属于Ⅲ级，区域社会经济发展较为迅速，是天山北坡经济带重工业、化工业分布的主要核心地带。天山北坡经济带西部属于Ⅴ级，存在区域农业灌溉定额较高，农业种植效益较低，山区牧民区耗水量高等问题。

表3 准则层水安全评价联系数及水安全等级

4.3 水安全等级确定

依据置信度准则确定评价结果等级，并利用级别特征值法得出水安全等级数值，确定天山北坡经济带水安全综合联系数及安全等级，见表4。

由表4可知，天山北坡经济带的水安全等级属于基本安全等级(Ⅲ级)，依据置信度准则，位于同一个等级，hk越大安全程度越高，判断水资源安全等级，同时结合级别特征值法判别的水安全评价等级。属于安全等级(Ⅱ级)由高到低的顺序为：伊犁州(2.722)、博州(2.739)；属于基本安全等级(Ⅲ级)由高到低的顺序为：塔城地区(3.068)、昌吉州(0.328)；属于不安全等级(Ⅳ级)由高到低的顺序为：石河子市(3.611)、克拉玛依市(0.3454)；属于极不安全等级(Ⅴ级)由高到低的顺序为：吐鲁番市(4.038)、哈密市(3.678)、乌鲁木齐市(3.558)；级别特征值法与置信度准则判断结果较为一致。吐鲁番市、哈密市、乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市是区域水安全调控的主要对象。评判结果与地区实际情况较为相符，评价结果具有一定指导意义。

表4 水资源安全评价综合联系数及水安全等级

4.4 结论与建议

天山北坡地区水资源缺乏，水资源总量少，地表水资源时空分布不均衡，季节性明显，资源性和工程性缺水并存，制约着天山北坡地区的经济社会发展。针对天山北坡经济带水资源现状利用情况，从用水需求保障提出相关建议，分别从节水、用水、调水、管水的角度提出相关对策建议。

(1)最大限度的多头节水，发展节水型产业，构建节水型国民经济体系，建立水资源利用的约束机制、激励机制，强化用水总量控制。重点支持节水农业发展，多渠道资金投入，把工作重点从以开源和新建。通过一些节水机制、节水行动、节水管理、节水宣传等方面的系统部署，加快实现受水区从粗放用水向节约集约用水的转变，建立起与水资源承载能力相协调的经济结构体系，调整不同区域经济发展方向和功能定位，优化农业种植结构，发展节水农业、工业与服务业，在重点城镇化地区建议要“压缩农业用水，增加工业供水”方案，适当增加对乌鲁木齐、石河子、奎屯-独山地区、准东经济技术开发区的分水配额。

(2)最大限度提高水综合利用率，改革水资源管理体制，制定水权水票交易制度。通过科学管理和技术创新来降低单位农业产值、工业产值的用水量。在农业用水方面，要采用喷灌、微灌、膜下滴灌等多种先进灌溉方式，最大程度地减少水资源消耗和有效地提升农业用水的效率。

(3)不断深化水利管理体制的改革，将用水效率和效率的提高作为改革创新的重要目标，完善流域管理与区域管理相结合，区域管理要服从流域管理，分工明确、运转协调的水利管理体制；推进城乡水务一体化管理模式，促进城乡供水、水环境治理和防洪排涝等水利设施的统筹协调和建设，强化水利设施的统一管理。

(4)有度有序利用有限的水资源，拧紧制度“水龙头”，扎紧“水口袋”。一要高度重视水资源高效配置和合理利用，合理分配好三生用水比例，严格控制流域和区域取用水总量，有度有序利用水资源，促进人水和谐。

5 结语

本文利用集对分析法从水量、水质、用水效率3个层面上选取用供水模数、用水模数、人均水资源量等11个指标对天山北坡经济带水资源安全状况进行评估，结果表明：

(1)影响水安全因素，从准则层分析，水量、水质、用水效率层所占权重分别为0.526、0.174、0.3，水量是主要因素，天山北坡经济带西部>中部>东部；从指标层分析，水量层中的人均水资源量、地下水开采潜力系数、供水模数，权重分别为0.125、0.109、0.108；水质层中的中水回用率为0.114，用水效率层中的万元工业增加值用水量为0.091。

(2)天山北坡经济带2017年水安全等级属于Ⅲ级，水安全等级属于Ⅳ—Ⅴ级的行政区为吐鲁番市、哈密市、乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市，是区域水安全需要进行调控的主要区域。

(3)为缓解水资源安全不良态势，要将工作重点放在调整产业结构、提高居民节水意识和严格控制灌溉面积增长，建立上游对中、下游生态用水的补偿机制，扭转新疆水资源安全面临的危机。