水资源总量约束条件下玛纳斯河流域绿洲水资源承载力研究

古力生木?安甫丁　杨广　王吉伟　许新港　黄洲

摘要：水資源承载力是衡量人水和谐的重要参照目标和尺度之一，分析和研究水资源承载力对指导区域经济社会可持续发展有重大意义。新疆兵团第八师作为天山北坡经济带重要城市，近年来随着区域工农业的发展加之水资源“三条红线”约束下水资源供水量的减少，导致区域用水供需问题日益尖锐。本文采用系统动力学模型与模糊综合评判法相结合，构建了玛纳斯河流域绿洲城市水资源承载力系统动力学模型，基于水资源总量约束设置现状延续型、高效节水型、环境保护型及综合发展型4种情景，对研究区水资源承载力历史状况（2013-2019年）和未来趋势（2020-2030年）进行评估和模拟预测。结果表明：在现状延续型发展下，区域水资源用水总量到2030年将超出水资源用水总量控制指标的50%；在高效节水型和环境保护型情景下，到2030年区域水资源承载值分别达到0.433和0.432，增长幅度较小；在综合发展型情景下，区域水资源承载力显著提高，到2030年增长至0.471，有效兼顾了水资源和环境保护及社会经济发展，为最佳方案。本文研究结果可为西北干旱区绿洲水资源和社会经济的可持续发展提供科学参考。

关键词：水资源承载力；系统动力学模型；模糊综合评判法；玛纳斯河流域

中图分类号：TV213文献标志码：文献标识码A

Research on WRCC of oasis in Manas River Basin under the constraint of total water resources

GULISHENGMU  Anfuding1，2，YANG  Guang1，2*，WANG  Jiwei3，XU  Xingang1，2，HUANG  Zhou1，2

（1 College of Water Conservancy & Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832000，China; 2 Key Laboratory

of Cold and Arid Regions Eco－Hydraulic Engineering of Xinjiang Production & Construction Corps，Shihezi，Xinjiang 832000，

China; 3 Hydrology and Water Resources Management Center of the Eighth Division，Shihezi，Xinjiang 832000，China）

Abstract：Water resource carrying capacity （WRCC） is essential for characterizing the harmony between humans and water resources in an area.Investigation of the WRCC is useful for guiding the sustainable development of a region.The Eighth Division of the Corps is an important city in the economic belt on the northern slope of the Tianshan Mountains.In recent years，with the development of regional industry and agriculture and the reduction of water supply under the constraints of the "three red lines" of water resources.The problem of regional water supply and demand has become increasingly acute.To this end，this paper uses a combination of system dynamics model and fuzzy comprehensive evaluation method to construct a system dynamics model for the WRCC of the oasis in the Manas River Basin.Based on the total amount of water resources constraints，set up 4 scenarios，including the continuation of the status quo，efficient water conservation，environmental protection and comprehensive development.The study carried out the assessment and simulation prediction of the historical status （2013-2019） and future trends （2020-2030） of the basin's WRCC.The results show that：Under the continuation of the status quo development，the total regional water resources will exceed 50% of the total water resources control target by 2030;Under the high－efficiency water－saving and environmental protection scenarios，the regional WRCC will reach 0.433 and 0.432 respectively by 2030，with a small growth rate;Under the comprehensive development scenario，the regional WRCC has improved most significantly.It grows to 0.471 by 2030，and effectively taking into account water resources and environmental protection and economic development.The comprehensive development scenario is considered to be the best solution.The research results can provide a scientific reference for the sustainable development of water resources and social economy in the oasis in the arid region of Northwest China.

Key words：water resources carrying capacity;system dynamics model;fuzzy comprehensive evaluation method;Manas River Basin

0 引言

水资源承载力是指在一定的社会经济和科技发展水平下，满足以区域环境健康和社会经济可持续发展相协调为目标的区域水资源能够支撑社会经济可持续发展的合理规模［1］。深入研究区域水资源承载力并进行正确、合理的评估，可以促进区域水资源的充分科学利用，推动区域社会经济的可持续发展［2］。

国内水资源承载力研究始于干旱缺水的西北地区，其中新疆地区研究居多，一直是研究的热点区域。如刘夏等［3］基于系统动力学模型，以水资源红线为约束，进行了塔里木河流域水资源承载力趋势的评估和预测；段新光等［4］选取主要影响水资源承载力的指标因素，运用模糊综合评判法对新疆水资源承载力进行了评价；热孜亚·阿曼等［5］采用系统动力学理论，建立了新疆水资源承载力系统动力学模型，通过对5个情景的模拟，预测了区域未来承载规模。国内外研究水资源承载力的方法和文献较多，但将水资源红线约束与预测模型耦合研究较少，尤其在西北干旱地区。

玛纳斯河流域位于西北干旱区，是天山北坡经济带重要发展区域，水资源是制约该区域生态经济系统演化发展最主要的限制因素［6］。近年来该区域工农业生产和城市建设的快速发展，区域水资源开发利用程度较高，加之水资源“三条红线”约束下水资源供水量的减少，造成缺水现象愈发严重，如区域2018年可供水量为13.89亿m3，各行业实际发展总需水量为19.47亿m3，缺水量高达5.58亿m3，水资源供需矛盾日益突出［7］，因此，分析水资源 “三条红线”约束下玛纳斯河流域绿洲城市第八师水资源相适宜的经济社会发展模式，以期保证区域水资源与经济社会的可持续发展。本文研究基于SD模型［8］的水资源、社会经济和生态环境子系统，设计了4种情景进行模拟仿真与预测，同时运用模糊综合评判法进行了区域水资源承载力的定量评估，分析不同情景方案下第八师水资源承载力的发展趋势，寻找在有效提高第八师水资源承载力的前提下，实现水资源、社会经济、生态环境综合发展的最佳方案，旨在為玛纳斯河流域绿洲城市水资源和社会经济的可持续发展提供科学的参考依据。

1 数据来源和方法

1.1 数据来源

本文选用社会经济、水资源供需和环境方面的数据，主要数据来源于《新疆生产建设兵团统计年鉴》（2013—2019）、《新疆生产建设兵团国民经济和社会发展统计公报》（2013—2019）、《八师石河子市水利年报》（2013—2019）、《第八师石河子市“十四五”期间水资源利用研究报告》（2020）、《石河子市城市总体规划（2015—2030）水资源论证报告书》等。

1.2 模糊综合评判法

获得区域高质量水资源承载力评价体系的前提是选择多项具有代表性的评价指标［9］。本文结合综合赋权法和模糊综合评判法对第八师水资源承载力进行评估，以期反映区域实际情况的评估结果。具体方法如下：

（1）用分别建立评价对象的因素集C={c1，c2，…，cn}和评语集V={v1，v2，…，vm}。在参考国内外较权威的可持续发展等相关指标值、当地政府的发展规划及相关研究成果［10-11］的基础上，确定本研究承载力评价指标标准。

评价指标标准见表1。

（2）用单因素模糊评价对影响因素Ci进行评价，得到单因素评价集ri=（ri1，ri2，ri3，ri4，ri5），然后分别确定每个影响因素的隶属度，以生成隶属度矩阵R。

（3）将层次分析法和熵权法相结合确定指标综合权重。先参照文献［12］中的层次分析法确定准则层中各子系统的权重Wj1，再将指标层中各评价指标参照文献［13］中的熵权法确定权重Wj2，最后经两层权重相乘得出综合权重A，进行一致性检查CR=CI/RI=0.018＜0.1（图1），满足一致性检验，表明权重计算结果可靠。

（4）根据计算得到的隶属度矩阵R和权重A，利用公式B=A·R得到模糊综合评价矩阵B。为了便于比较评估，对各等级进行量化，对等级v1、v2、v3、v4、v5分别取α1=0.1，α2=0.3，α3=0.5，α4=0.7，α5=0.9。根据下式计算水资源承载力的综合分数θ=∑5j=1bjαj/∑5j=1bj。

1.3 系统动力学法

1956年美国麻省理工学院FORRESTER J W教授于创建系统动力学（SD， System Dynamics），目前，SD主要借助计算机模拟建立动态仿真模型，并针对不同影响因素可能引起的系统变化进行试验，寻找改进系统行为的机会和途径，使模型结果更贴近于实际［14］；SD在水资源方面的应用研究主要集中于区域需水预测、水资源承载力计算和水资源综合利用方面。

2 水资源承载力仿真模型构建

2.1 研究区概况

新疆生产建设兵团第八师位于新疆天山北麓中段，准噶尔盆地南缘的玛纳斯河流域内，属于天山北坡经济带，地理坐标介于东经84°58′～86°24′，北纬43°26′～45°20′，区域土地总面积7 529km2，境内有玛纳斯河、宁家河、金沟河、巴音沟河4条河流，4条河流年平均径流量20.811亿m3，区域年平均可分水量12.17亿m3。近年来工农业经济的快速发展加剧了第八师水资源问题，水量和水质的混合型短缺制约着区域经济社会的可持续发展。因此，区域当务之急是了解如何确保水资源、社会经济和环境的综合发展。

2.2 SD模型构建

水资源承载力的概念兼顾了水资源系统、社会经济系统和生态环境系统等的综合影响，所以在衡量或评价区域水资源承载力状况时，重点考虑区域水资源条件、社会规模、经济结构以及生态环境等因素的影响。因此，根据第八师实际状况建立了由水资源子系统、社会经济子系统及生态环境子系统组成的系统动力学模型。

2.2.1 模型系统边界的确定

本文主要针对第八师水资源承载力進行研究，所选取的系统边界为第八师地理空间边界，时间序列选取2013—2030年，其中2013年为模型历史基准年，2019年为预测基准年，2013—2019年为模型检验阶段，2020—2030年为预测模拟阶段，时间步长为1年。

2.2.2 模型系统流图绘制及方程设定

第八师水资源承载力系统动力学模型如图2所示。模型共由5个状态变量，分别是总人口数量、农田灌溉面积、农业增加值、建筑业及第三产业增加值和工业增加值，速率变量5个，分别是人口增长量灌溉面积变化率、农业增加值增长量、建筑业及第三产业增加值增长量和工业增加值增长量，1个常数和49个辅助变量和表函数构成（图2）。各子系统中所包含的主要方程如表2所示。

2.3 模型验证与灵敏度分析

2.3.1 模型误差分析

本文选取GDP、总人口、用水总量、污水排放量农田灌溉面积等核心变量，通过比较2013至2019年模拟数据与实际数据进行验证，模拟结果（图3）与历史实际数据基本吻合，误差均未超过10%，即模型基本符合实际情况，具有有效性。

2.3.2 模型敏感性分析

通过增加或减小10%的关键参数值进行系统敏感性分析，结果显示（图4），除中水回用率的敏感性大于10%外，其余大部分参数敏感值都在0～10%之间，说明构建的SD模型较稳定，满足建模要求。

2.4 区域水资源承载力评价

由于影响区域水资源承载力的每个评价指标的大小和标准不同，采用模糊综合评判方法对评价指标进行量化。基于区域水资源承载力状态分类方法，将计算出的水资源承载力综合评分值θ分为五类（表3），对第八师水资源承载力进行定量和定性分析［15］。

3 玛纳斯河流域绿洲水资源承载力模拟与分析

3.1 模型情景设计

本文设计了不同的情景方案进行第八师水资源承载力仿真模拟与预测，探索区域适宜的发展模式。

（1）情景1。现状延续型，在该情景下，模型中的各变量保持区域当前发展趋势不变。

（2）情景2。高效节水型，该情景偏向于提高用水效率和节约用水量。根据水资源“三条红线”用水指标要求，区域2025、2030年用水总量控制指标分别为12.20、11.15亿m3。结合水资源总量约束条件，设置农业灌溉用水量为2013—2019年7年的最小值，建筑及第三产业增加值、工业增加值的单位用水量每五年比上一年减少20%，城市和农村人均生活用水量比预测基准年减少10%。

（3）情景3。环境保护型，该情景重点考虑控制环境污染，加强生态环境保护。设置生态环境用水量每五年比上一年增加10%，2025、2030年的污水处理率分别提高至75%、85%，工业及生活污水排放系数和COD排放系数取历史最小值。

（4）情景4。综合发展型，该情景综合考虑协调发展经济、节约水资源及生态环境，并结合第八师实际情况，将农业、工业、建筑业及第三产业增加值的增长率分别调整为3%、6%、6%。

3.2 情景模拟结果分析

3.2.1 模拟情景方案的比较

根据模型检验结果对模型进行仿真，得到不同情景下的水资源承载力影响因素动态仿真结果（图5）显示：

（1）在现状延续型情景下，2030年第八师水资源可承载的经济和人口规模分别达到914.13亿元和274.988万人；区域实现GDP和污水排放总量将分别为962.458亿元和1.47亿m3，分别是2019年的1.82倍和1.81倍；工业用水量到2030年达到1.13亿m3，较2019年增长0.51亿m3。随着区域社会经济快速发展，水资源供需比将由2019年的0.97下降至2030年的0.73，区域发展所需要的用水总量超过了供水量，水资源紧缺问题益发严重。

（2）在高效节水型情景下，水资源子系统各变量要素以区域水资源总量约束为基础条件，社会经济及生态环境子系统各变量以区域发展规划目标为主要条件来设定，在该情景下2030年第八师水资源能承载经济规模1 393.11亿元、人口规模319.645万人，GDP实现1 119.54亿元，显著高于现状延续型情景；工业用水量为1.15亿m3低于环境保护与综合发展型方案；水资源供需比将在2030年达到1.05，表明该情景方案有助于区域用水效率的提高和用水量的节约，可缓解第八师水资源供需矛盾，提高区域的水资源承载能力。

（3）在环境保护型情景下，水资源可承载经济规模、人口规模将在2030年分别达到1022.85亿元和300.194万人；污水排放总量达到1.05亿m3为四种方案中的最小值，生态环境用水量为四种方案中的最大值，表明该情景方案下区域污水排放量得到了进一步控制，区域水环境与水污染有进一步改善。但该情景下的区域经济增长缓慢，水资源供需比下降至0.92，主要原因是环境保护力度的加大使生态环境用水量增大，而增加的环境用水需求会作用于水资源总量约束因子，水资源的约束又会作用于经济增长，减缓其增长速度。

（4）在综合发展型情景下，区域水资源可承载的经济规模、人口规模、GDP将分别达到1 416.18亿元、321.145万人和1 124.01亿元，增长趋势均高于其余三种情景；污水排放总量仅略高于环境保护型情景；水资源供需比高于除高效节水型情景的其他情景方案。表明综合发展型情景综合考虑了第八师经济高质量发展、水资源和生态环境的保护，为实现更加均衡的区域可持续发展模式提供更优的方案，也有利于提高区域水资源承载力。

3.2.2 不同情景方案下的水资源承载力

由图6可知：在历史期2013—2015年第八师水资源承载力均小于0.4处于“不良”状态，2016—2019年虽保持正常承载状态，但有先升后降向不良承载状态发展趋势。模拟预测期不同情景下的第八师水资源承载力状态存在明显差异。在现状延续情景下，区域水资源承载力从2019年的0.417下降至2030年的0.393，处于不良承载状态，并有继续下降趋势，说明现状延续发展模式不符合第八师可持续发展要求。在高效节水情景下，区域水资源承载力有一定的改善，到2030年上升至0.433。在环境保护型情景下，区域水资源承载力缓慢增长，到2030年增长至0.432。在综合发展情景下，第八师水资源承载力显著提升，2030年达到0.471，并逐年增长，说明该情景方案可有效提高区域水资源承载状态。

综合模拟结果和不同方案下的水资源承载力可知：在现状延续型情景下，区域水資源承载状态持续下降，不利于第八师可持续发展。在高效节水和环境保护情景下，区域水资源承载值虽有一定的提高，但其增长幅度较小。在综合发展情景下，区域水资源承载力提升最显著，并有效兼顾了水资源和环境保护及社会经济发展，相较于其余3种情景，更有利于八师水资源、经济、环境的协调、可持续发展。因此，认为综合发展情景为最佳方案。

4 讨论

农业用水和土地利用变化对控制水资源总量红线和改善区域水资源承载力有较大影响（图8），2019年、2025年及2030年流域绿洲区农业用水量分别为11.77亿m3、10.75亿m3、9.97亿m3，占经济社会用水总量红线的87%、88%及89.4%，2000—2010年流域耕地转换面积为7 315.07km2，其中其他类型土地向耕地转移3 129.82km2，2010—2020年流域耕地转换面积为7 804.22km2，其中其他类型土地向耕地转移682.95km2，2010—2020年流域其他类型地向林地转移33.25km2，向草地转移218.07km2，耕地转移面积显著高于林地与草地。耕地面积增加会加大区域对农业用水的需求量，而增加的农业用水需求会作用于水资源约束因子，水资源的约束又会影响社会经济发展和生态环境建设。为确保区域经济的高质量发展和生态环境的进一步改善，需增加高产行业和生态用水量，但增加的用水会加大总用水量，从而导致区域总用水量极大可能超过红线标准，故降低农业用水量是满足水资源总量红线要求的关键因素之一。而土地利用变化对绿洲城市社会经济发展及环境建设有着直接或间接的影响，从而影响区域水资源承载力的变化，对区域未来发展具有重要的指导意义。

5 结论

本文采用系统动力学与模糊综合评判法相结合，对八师水资源承载力发展趋势进行分析研究后

（1）通过历史验证和灵敏度分析，该模型均可用于第八师水资源承载力仿真预测。

（2）水资源承载力仿真预测结果显示：若按照现状延续型发展，第八师水资源用水总量到2030年将超出水资源用水总量控制指标的50%，农业用水是导致水资源用水量超过红线标准的主要因素。

（3）第八师水资源承载力模拟结果表明：在综合发展型情景下，水资源承载值增长趋势显著，此模拟情景能够有效提高第八师水资源承载力的前提下实现水资源、社会经济、生态环境可持续发展，研究成果可为规划和制定流域绿洲区社会经济可持续发展方案及水资源的合理利用提供科学参考。

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（责任编辑：编辑张忠）

收稿日期：2022-06-15

基金项目：兵团重点领域科技攻关计划（2021AB021），国家自然科学基金（U1803244，52269006），兵团科技合作计划（2022BC001），第三次新疆综合科学考察课题（2021xjkk0804）

作者简介：古力生木·安甫丁（1997—），女，硕士研究生，专业研究方向为水文与水资源，e－mail： gulishengmu@163.com。

*通信作者：杨广（1983—），男，教授，博士生导师，主要从事水资源高效利用研究，e－mail： mikeyork@163.com。