干旱區水資源承載力空間布局研究
——以新疆為例

(塔里木大學 經濟與管理學院,新疆 阿拉爾 843300)

1 引言

2007年亞太經合組織的一項研究表明[1],水資源短缺是當前及未來一段時間亞太地區面臨的一項嚴峻挑戰,成為該地區實現可持續發展的重大障礙之一。2009年,世界銀行建議我國改革和加強水資源管理框架,重點放在明晰政府、市場、社會三者各自的作用及其相互關系上,充分利用市場手段提高水資源管理部門的效率,強化水污染控制措施的執行,對污染突發事件的準備等,以解決我國水資源短缺問題[2]。2013年，在“世界水日”20周年紀念會議上,時任聯合國秘書長潘基文說:“當前世界約1/3的人口生活在中度或高度缺水的國家,世界上近1/2的人口到2030年即將面臨水資源匱乏,未來世界水資源需求量將會比供應量高出40%。”[3]《2018年世界水資源開發報告》[4]顯示:由于人口增長、經濟發展和消費方式轉變等因素,全球水資源需求正在以每年1%的速度增長,未來受工業用水需求量、生活用水需求量、農業需水量、生態系統退化等多重因素的影響,這一速度將在未來20年大幅加快,水資源已成為世界各國經濟、社會的重要瓶頸,我國尤為突出。

我國提出:“堅持人與自然和諧共生[5],建設生態文明是中華民族永續發展的千年大計”,“推進資源全面節約和循環利用,實施國家節水行動,降低能耗、物耗,實現生產系統和生活系統循環鏈接”，“開展國土綠化行動,推進荒漠化、石漠化、水土流失綜合治理,強化濕地保護和恢復,加強地質災害防治”。2018年，我國提出[6]:“全面劃定并嚴守生態保護紅線”，“加強地下水保護和修復,擴大濕地保護和恢復范圍”，“建設天藍、地綠、水清的美麗中國”。

國外對水資源承載力研究較少。Rijiberman等最早將承載力用于研究城市水資源評價和管理體系,并將其作為城市水資源供需和城市社會安全保障的重要測量標準;Harris等對農業生產區域水資源與農業的承載能力關系和影響機制進行了深入研究[7]。國內對水資源承載力研究從1980年開始,新疆水資源軟科學課題組最早提出“水資源承載能力”概念,之后研究重點多集中于我國西北干旱與半干旱區。韓琦等[7]從城市、區域和流域尺度對水資源承載力研究現狀進行了總結,并對我國西北干旱半干旱區水資源承載力進行了評述和展望;杜俊平等[8]利用可拓綜合評價法對河西走廊地區2003—2015年水資源承載力進行了評價,預測了2006—2015年河西走廊地區水資源承載力仿真情景;楊琳琳等[9]構建了水資源系統、社會經濟系統、生態環境系統,運用BP神經網絡模型對新疆2004—2013年水資源承載力進行了分析,預測了2014—2020年新疆水資源承載力;李青等[10]構建了水資源系統、社會系統、經濟系統、生態環境系統等四個系統,運用模糊層次分析法對2000—2011年新疆喀什地區水資源承載力進行了分析,預測了2012—2015年喀什地區水資源承載力;趙向豪等[11]運用灰色關聯法對2004—2013年新疆天山北坡經濟帶水資源承載力進行了分析,發現生產、生活、生態三個部門對其影響較大;段新光等[12]選取8個水資源承載力因子,運用模糊評價法對新疆水資源承載力現狀進行了評價,發現新疆水資源開發利用已具有一定規模;張元杰[13]從水資源、社會經濟、生態環境3個層次中選取14個評價指標,對新疆昌吉水資源承載力進行了分析評價;張振龍等[14]在對2000—2015年新疆水資源生態足跡、承載力和水資源負載動態特征的基礎上,利用ARIMA模型預測了新疆2020年水資源生態足跡、承載力與赤字情況;汪菲等[15]運用改進后的相對資源承載力模型計算了新疆2000—2010年的相對資源人口承載力和相對資源經濟承載力,進一步分析了新疆15個地區(州、市)相對資源承載力的時空演變;陳萬旭等[16]在分析新疆人—地關系系統基礎上,構建了新疆的PRED系統,利用相對資源承載力修正模型對2000—2014年新疆相對資源承載力進行了分析。以往研究多集中于干旱區水資源承載力時空動態演變,對干旱區內部不同地區的水資源承載力現狀和協調發展、均衡發展涉獵較少,在我國乃至全球水資源日益嚴峻的形勢下,研究當下干旱區內部不同地區水資源承載力現狀,提出區域內部均衡、協調發展具有重大研究意義。作為干旱區典型的新疆,水資源對內被戈壁、沙漠、山脈隔絕,對外與中亞8國分割，在不考慮不可預測的氣候因子的影響下,新疆是典型的干旱區水資源“自循環系統”,因此研究新疆不同地區水資源承載力具有較強的學術價值與現實意義。

2 研究區域概況

新疆維吾爾自治區(簡稱“新疆”)位于我國西部邊陲,外與中亞8個國家接壤,內與甘肅、青海、西藏3個省區相鄰。河西走廊荒涼戈壁、塔里木盆地、昆侖山脈將新疆與內地省市隔離,“三山加兩盆”將新疆綠洲分割為“OTO”綠色隔離帶，即環塔里木的南疆綠洲“O”型綠洲帶、沿邊境與天山南北坡“T”型綠洲帶、環準格爾盆地北疆“O”型綠洲帶。新疆遠離海洋、深居內陸、降水量少、氣候干燥等特殊的區位地理和氣候條件,使新疆成為典型的干旱地區。以2015年為例,新疆年降水量2942億m3,與多年平均值相比多15.6%,比2014年偏多22.9%,其中地表水資源量873.1億m3、地下水資源量536.3億m3,水資源總量917.6億m3;居民生活用水量10.02億m3、城鎮公共耗水量10.02億m3,人均用水量923.7m3;廢污水排放總量10.777億t,其中城鎮居民生活廢污水排放量3.479億t;第二產業廢污水排放量6.130億t,占廢污水排放總量的56.9%;第三產業廢污水排放量1.168億t,占廢污水排放總量的10.8%;萬元GDP用水量619m3,萬元工業增加值用水量619m3,生態環境用水量5.79億m3。同時,由于城鎮化、經濟發展、生態環境治理等“絲綢經濟帶核心區”建設重點工程的實施,進一步加劇了新疆水資源承載力狀況。

3 指標構建與模型選取

3.1 構建評價指標體系

首先,水資源承載力是由水資源存量和流量決定的,在不考慮外界環境的影響下,水資源存量越多,水資源承載力越強,反之越弱[7-10]。其次,水資源承載力受制于城鎮化發展、居民消耗等社會發展,粗放型的社會發展會加劇水資源承載力狀況,反之資源節約型社會的構建會緩解水資源承載力情況[11-14]。第三,水資源承載力受到經濟發展帶來的負效應,尤其是在粗放型農業發展、工業化、低端服務業發展等影響下,會加劇水資源承載力減少[15,16]。第四,由于干旱區特殊的自然條件,水資源承載力除了關系到城鎮化、工業化等社會經濟因子的影響外,還關系到干旱區的經濟發展和社會穩定。綜上所述,在綜合國內外學者對干旱區水資源承載力研究成果的基礎上,本文結合新疆經濟社會和各地區的發展狀況,依據指標選取的科學性、可量化性、可獲得性、典型性等原則,構建了水資源系統、社會系統、經濟系統、生態系統4個維度、28個評價指標的干旱區水資源承載力綜合評價指標體系,見表1。

表1 干旱區水資源承載力綜合評價指標體系

3.2 干旱區水資源承載力評價模型

對各指標進行無量綱化處理,其正向指標無量綱化計算公式為:

(1)

逆向指標無量綱化公式為:

(2)

式中,Kij為第j地區指標標準化的變量值;Zij為第j地區第i個指標的實際變量值;min(Zij)、max(Zij)分別為對應指標序列中實際變量值中的最小值、最大值。

采用因子分析方法,求得特征根系、特征根的貢獻率以及各主成分因子的得分。各主成分得分的計算公式為:

(3)

(4)

式中,Fj為所提取的n個主成分中第j個主成分的得分;aij為主成分和各指標的相關系數;Ki為標準化后的值;Hmn為第m個指標第n個地區的載荷值;Tj為第j個主成分的特征值,j=1,…,n。

計算各地區水資源承載力綜合得分,綜合得分的計算公式為:

(5)

式中,Qn為第n個地區水資源承載力的綜合得分;bn為第n個指標主成分貢獻率;Fjn為所提取的第n個地區j個主成分的得分。

4 實證分析

本研究樣本數據來自相關年份的《中國統計年鑒》、《新疆統計年鑒》、《新疆水資源公報》、《新疆國民經濟和社會發展統計公告》。為減少氣候變化下動態數據對區域靜態數據的影響,使樣本數據更能代表現實實際,觀測數據均采用新疆2000—2015年水資源各指標的加權平均值作為樣本數據,經過整理和計算最終形成原始數據。

4.1 樣本數據可靠性檢驗

本文主要運用Spass22.0軟件，采用內部一致性Cronbach′s α檢驗。由表2可知,28個指標的原始數據與標準化數據的Cronbach′s α值分別為0.96,表明數據具有較高的可靠性。

表2 可靠性檢驗

對標準化數據進行因子分析檢驗見表3。通過KMO和Bartlett檢驗可知:KMO值為0.898,大于0.5,且Sig的值為0.00小于0.05,因此樣本數據可進行因子分析。

表3 KMO和Bartlett的檢驗

4.2 提取公共因子

本文對28個公共因子提取公因子方差(表4),28個公共因子方差提取率均超過80%,表明可進行因子分析,主成分因子均能代表樣本數據。

表4 公因子方差

4.3 求各主因子特征值及方差貢獻率

各主因子的特征值和累計方差貢獻率見表5。經過6次旋轉后,6個因子的顯著性水平分別為7.952、6.664、3.678、3.357、2.058、1.443,其累計方差貢獻率為89.830%,表明提取的6個主因子能解釋89.830%的樣本變量表征,可反映水資源承載力的具體情況。

表5 各主因子特征值及方差貢獻率

4.4 提取主成分因子

經過主成分分析,28個樣本觀測值最終轉化為6個主成分因子,能解釋89.83%的原始數據。從表6可見,第一主成分因子包括W1、W2、W3、W4、W5、S17個指標,該主成分指標以水資源系統因子為主,命名為“水資源支持力”;第二主成分因子包括S3、E2、E3、E4、E5、E6、E7、T1、T8、T910個指標,該主成分指標以經濟系統因子為主,命名為“水資源經濟承載力”;第三主成分因子包括W6、E1、T2、T64個指標,該主成分指標以生態系統因子為主,命名為“水資源農業承載力”;第四主成分因子包括S5、S6、T4、T54個指標,該主成分指標以社會、生態系統因子為主,命名為“水資源農村承載力”;第五主成分因子包括S2、S4、T73個指標,該主成分指標以社會系統因子為主,命名為“水資源城鎮承載力”;第六主成分因子包括T31個指標,該主成份指標以生態系統因子為主,命名為“水資源生態承載力”。

表6 主成分因子

表7 各地區水資源承載力

4.5 水資源承載力綜合評價

運用干旱區水資源承載力評價模型,最終測算出新疆各地區的水資源支持力、水資源經濟承載力、水資源農業承載力、水資源農村承載力、水資源城鎮承載力、水資源生態承載力和水資源綜合承載力等情況,見表7。

水資源支持力布局分析:表7可見,全疆水資源支持力排名倒數第二,水資源支持力最低的是克拉瑪依市,表明新疆水資源分布極其不均衡。負荷為正值且從高到低依次為巴州、和田、伊犁、阿勒泰、克州、喀什、塔城;負荷為負值且從高到低依次為阿克蘇、昌吉、哈密、博州、吐魯番、烏魯木齊、石河子、全疆、克拉瑪依。2000—2015年,巴州、和田、伊犁、阿勒泰、克州、喀什、塔城等地區年均降水量、地表水資源量、年均地表水資源量、地下水資源量、總水資源量均超過其他地區,水資源支持力總體空間布局呈“南強北弱、西強東弱”的空間布局。即環塔里木的巴州、和田、克州、喀什等南疆地區水資源支持力較強,沿邊境伊犁、阿勒泰、塔城等地區水資源支持力也較強,沿天山的天山南北坡經濟帶的腹心地帶北部地區和吐魯番、哈密等東部地區水資源支持力較弱。

水資源經濟承載力布局分析:表7可見,水資源經濟承載力負荷為正值且從高到低依次為烏魯木齊、巴州、昌吉、克拉瑪依、伊犁;負荷為負值且從高到低依次為喀什、石河子、哈密、阿克蘇、全疆、博州、塔城、吐魯番、和田、阿勒泰、克州。2000—2015年,烏魯木齊、巴州、昌吉、克拉瑪依、伊犁等經濟發展給該地區水資源經濟承載力帶來了極大挑戰,加劇了該地區水資源承載力狀況,該地區人均用水量、第二產業用水量、第三產業用水量、工業耗水量、萬元GDP用水量、生態用水量、第二產業廢污水排放量、第三產業廢污水排放量均高于同期其他地區,水資源的經濟承載力呈現“經濟發達地區水資源承載力弱、經濟發展中地區水資源承載力次之、欠發達地區水資源承載力強”。目前新疆經濟發展處于“粗放型、高耗能”經濟發展模式,水資源的經濟承載力總體空間布局呈“南強、中弱、北強”的空間布局。

水資源農業承載力布局分析:表7可見,水資源農業承載力負荷為正值且從高到低依次為喀什、阿克蘇、昌吉、塔城、伊犁;負荷為負值且從高到低依次為全疆、博州、阿勒泰、吐魯番、克拉瑪依、巴州、石河子、烏魯木齊、哈密、和田、克州。2000—2015年,喀什、阿克蘇、昌吉、塔城、伊犁等地區的農業綜合開發利用給水資源承載力帶來了壓力,加劇了該地區水資源環境惡化,該地區總用水量、第一產業用水量、農田灌溉耗水量、地下水利用量等高于同期的其他地區,全疆農業生產總體呈現粗放式發展,水資源綜合利用率較低,水資源農業承載力總體較弱,水資源農業承載力總體空間布局呈“南弱北強、東強西弱”的分布格局。

水資源農村承載力布局分析:表7可見,水資源農村承載力負荷為正值且從高到低依次為和田、克拉瑪依、阿克蘇、喀什、全疆、石河子、吐魯番、烏魯木齊、阿勒泰;負荷為負值且從高到低依次為巴州、伊犁、克州、博州、昌吉、哈密、塔城。2000—2015年,和田、克拉瑪依、阿克蘇、喀什、全疆、石河子、吐魯番、烏魯木齊、阿勒泰等地區農村發展用水量較高,農村節約型水資源發展意識不強、利用效率不足。該地區城鎮人均生活用水量、農村人均生活用水量、農田實灌畝均用水量、農業綜合平均用水量等均高于同期其他地區,農村水資源利用低質低效帶給水資源農村承載力較大壓力,水資源農村承載力總體空間布局呈“南弱北強、東弱西強”的分布格局。

水資源城鎮承載力布局分析:表7可見,水資源城鎮承載力負荷為正值且從高到低依次為烏魯木齊、伊犁、喀什、哈密、和田、克州、吐魯番、石河子;負荷為負值且從高到低依次為全疆、昌吉、塔城、阿克蘇、博州、阿勒泰、巴州、克拉瑪依。2000—2015年,烏魯木齊、伊犁、喀什、哈密、和田、克州、吐魯番、石河子等地區城鎮化速度推進較快,伴隨而來的水資源利用量也隨之較大,與其他地區同期相比,該地區水資源城鎮承載力壓力較大。該地區居民生活用水量、人均用水量、城鎮居民生活廢污水排量等均高于同期其他地區,城鎮水資源耗費較高,水資源循環利用較低,帶給水資源城鎮承載力較大壓力,水資源城鎮承載力總體為大中城市水資源承載力弱,中小城鎮水資源承載力強,空間布局呈“南弱北強、東弱西強”的分布格局。

水資源生態承載力布局分析:表7可見,水資源生態承載力負荷為正值且從高到低依次為巴州、和田、吐魯番、哈密、喀什、昌吉;負荷為負值且從高到低依次為烏魯木齊、博州、克州、塔城、阿克蘇、阿勒泰、石河子、伊犁、克拉瑪依。2000—2015年,巴州、和田、吐魯番、哈密、喀什、昌吉等地區水產養殖產業發展速度加快,隨之而來的是水資源耗費加大。該地區林牧漁畜用水量高于同期其他地區,帶給水資源生態承載力較大壓力,水資源生態承載力空間布局呈“南弱北強、東弱西強”的分布格局。

水資源綜合承載力布局分析:表7可見,新疆水資源綜合承載力負荷為正值且從高到低依次為巴州、伊犁、喀什、和田、烏魯木齊、昌吉、阿克蘇、阿勒泰;負荷為負值且從高到低依次為塔城、克州、克拉瑪依、哈密、吐魯番、全疆、博州、石河子。2000—2015年,新疆水資源綜合承載力布局呈“南弱北強、東弱西強”的分布格局。即巴州、喀什、和田、阿克蘇、克州等南疆地區水資源承載壓力較大,伊犁、阿勒泰、塔城、克拉瑪依等沿邊境地區水資源承載壓力較大。

綜合水資源支持力、經濟承載力、農業承載力、農村承載力、城鎮承載力、生態承載力六個方面因素,新疆各地區水資源承載力都面臨重大挑戰,除了水資源綜合利用效率低下、經濟粗放發展方式、城鎮化等共有原因之外,各地區水資源承載力日益惡化的關鍵影響因素各不相同。①影響巴州、伊犁水資源承載力的主要因素是經濟粗放式發展、城鎮化推進進程等。②影響喀什、和田水資源承載力的主要因素是水資源自然補給量不足、農村水資源利用低質低效、農業水資源利用率低、生態環境水資源返補高等。③影響烏魯木齊、昌吉水資源承載力的主要因素是人口聚集加速、經濟發展提速、城鎮化等。④影響阿克蘇、阿勒泰、塔城、克州等地區水資源承載力的主要因素是農業用水低質低效、經濟結構不合理、農村水資源浪費嚴重等。⑤影響克拉瑪依、哈密、吐魯番、博州、石河子等地區水資源承載力的主要因素是水資源自然補給量不足、生態環境治理水資源返補高等。

5 結論

本文為檢測新疆水資源承載力空間布局,建立了水資源承載力綜合評價指標體系。通過因子分析發現:2000—2015年,新疆水資源支持力總體空間布局呈“南強北弱、西強東弱”的空間布局,水資源經濟承載力總體空間布局呈“南強、中弱、北強”的空間布局,水資源農業承載力總體空間布局呈“南弱北強、東強西弱”的分布格局,水資源農村承載力總體空間布局呈“南弱北強、東弱西強”的分布格局,水資源城鎮承載力總體空間布局呈“南弱北強、東弱西強”的分布格局,水資源生態承載力空間布局呈“南弱北強、東弱西強”的分布格局,水資源綜合承載力間布局呈“南弱北強、東弱西強”的分布格局。

綜合水資源支持力、經濟承載力、農業承載力、農村承載力、城鎮承載力、生態承載力六個方面因素,新疆各地區水資源承載力均面臨重大挑戰,學術界除了應關注水資源綜合利用效率低下、經濟粗放式發展、城鎮化、公民節水意識、氣候變動帶來的動態因素等共有因素影響之外,更應抓住各地區水資源承載力關鍵影響因素與關鍵環節,因地制宜、合理施策。今后干旱區水資源承載力應重點解決以下問題:①協調好干旱區水資源系統與其周邊水資源系統之間的關系,強化水資源系統內外互補,提高干旱區水資源支持能力,增加“蓄水池”的存量。②協調好干旱區水資源系統內部各區域發展,抓住重點、精準施策,合理引導干旱區內部水資源的流量與流向。③大力倡導水資源環保意識,大力推廣科學用水新觀念。