地下水資源對新疆經濟社會支撐作用的定量評價

凌敏華，陳萬賀

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州大學水科學研究中心，河南 鄭州 450001；3.鄭州市水資源與水環境重點實驗室，河南 鄭州 450001)

與地表水資源相比，地下水資源具有分布廣、水質優良、供水穩定和多年調節等特點，可以有效緩解因水資源時空分布不均給區域生產生活帶來的影響，是維持地表水資源短缺地區經濟社會發展的基礎性和戰略性資源。新疆地處我國西北干旱區，地表水資源相對短缺，隨著經濟社會的快速發展，水資源供需矛盾日益突出，水資源已成為制約新疆一些地區經濟社會可持續發展的重要因素[1-2]。地下水資源在新疆經濟社會發展中發揮著十分重要的作用，但因新疆各地、市、州自然條件、經濟社會發展水平等存在差異，地下水資源支撐各地、市、州經濟社會發展的作用也不盡相同。如何衡量地下水資源對新疆經濟社會的支撐作用，掌握新疆各地、市、州地下水資源支撐經濟社會發展情況，對于保障新疆各地、市、州經濟社會健康穩定發展具有重要意義。

20世紀90年代，資源稀缺理論被引入水資源研究領域，水資源支撐能力研究便是其具體運用之一[3]。近年來，國內關于水資源支撐作用研究的成果豐富。汪黨獻等[4]提出了水資源支撐能力指標體系和計算方法，分析了我國各區域水資源支撐能力；李九一等[5]構建了水資源支撐指數(water supporting index， WSPI)，定量描述了不同水資源條件對區域經濟社會發展的支撐能力；左其亭等[6]定量分析了“一帶一路”倡儀實施前后水資源對區域發展的支撐能力；楊建鋒等[7]初步構建了地下水資源支撐度評價指標體系。國外學者對地下水問題探究的方向多集中于地下水可持續性評價方面。Chanapathi等[8]提出了地下水可持續性指數(fuzzy-based groundwater sustainability index， FGSI)，并采用不同模糊化方法來評估某些亞洲城市的地下水可持續性；Bui等[9]就河內地下水資源當前面臨的問題，引入了可持續性指標函數(sustainability index function， SIF)，對河內地下水數量、質量和管理方面的可持續性分別進行了評估。以上研究為量化地下水資源支撐作用提供了基礎，但相關研究[7,10]較少考慮綜合用水效率因素對地下水資源在經濟社會發展過程中提供支撐作用的影響。本文根據新疆各地、市、州經濟社會發展、水資源及其開發利用等實際情況，在借鑒有關研究成果的基礎上，分析影響地下水資源支撐經濟社會作用的主要因素，構建地下水資源對經濟社會支撐作用評價指標體系，基于和諧論[11]中“單指標量化-多指標綜合-多準則集成”評價(SMI-P)方法對2004—2016年新疆各地、市、州地下水資源對經濟社會的支撐作用進行定量評價，以期為新疆地下水資源可持續利用對策制定提供參考。

1 研究區域概況及數據來源

1.1 研究區域概況

新疆地處亞歐大陸腹地(34°25′N～48°10′N，73°40′E～96°18′E)，遠離海洋，受溫帶大陸性干旱氣候影響顯著，降水稀少，多年平均降水量僅150 mm左右。區域地貌類型多樣，地形復雜，北鄰阿爾泰山脈，南至昆侖山系，中部則為天山山脈，天山以北為準噶爾盆地，以南為塔里木盆地，形成了“三山夾兩盆”的特殊地理格局。新疆總面積166萬km2，下轄4個地級市、5個地區、5個自治州共14個地級行政區，是我國重要的糧食、棉花等生產基地。2016年，新疆總人口2 398萬人，其中城鎮人口1 159萬人，占總人口的48%；全年地區生產總值9 617億元，年均增長率7.6%；農作物播種面積約623.2萬hm2。

2004—2016年,新疆多年平均地表水資源量為860億m3，地下水資源量為538億m3，扣除地表水資源與地下水資源之間重復計算量，水資源總量為908億m3。2016年，新疆總供水量565.38億m3，其中地表水源供水量445.91億m3，地下水源供水量118.57億m3，中水回用量0.89億m3，分別占總供水量的78.9%、21%和0.1%。按用水行業分，2016年，農業地下水開采量102.88億m3，工業地下水開采量7.67億m3，生活地下水開采量5.86億m3，人工生態環境地下水開采量2.16億m3，分別占地下水開采總量的86.8%、6.5%、4.9%和1.8%。從地下水開發利用多年變化趨勢看，2004—2010年，新疆地下水開采量增長較快，從57.52億m3增長到96.81億m3，年均增速10.6%；2011—2016年新疆地下水開采量增速減緩，從97.75億m3增長到118.57億m3，年均增速為5%；2014年新疆地下水開采量達到2004—2016年的最大值，為 131.36億m3，2015、2016年地下水開采量又略有下降。

1.2 數據來源

為探究地下水資源對新疆各地、市、州經濟社會支撐作用的時空變化規律，本文在綜合考察數據的完整性、時效性以及可獲取性的基礎上，選取2004—2016年全疆14個地級行政單位的地下水資源量、供用水結構、地區生產總值、年末總人口等數據作為基礎數據。其中，相關水資源數據來源于2004—2016年《全國水資源公報》及2004—2016年《新疆水資源公報》，相關社會經濟數據來源于2004—2016年《新疆統計年鑒》及2004—2016年《新疆國民經濟和社會發展公報》。另外，由于新疆個別地級行政單位名稱過長，如昌吉回族自治州、博爾塔拉蒙古自治州、巴音郭楞蒙古自治州、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、伊犁哈薩克自治州等，以下分別簡稱為昌吉州、博州、巴州、克州、伊犁州。

2 研究方法

2.1 評價指標體系

地下水資源對經濟社會發展支撐作用的影響因素眾多，借鑒已有研究成果[7-15]，可總結為地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發潛力3方面的影響因素。地下水依存度反映了區域內經濟社會各用水行業對地下水供水的依賴程度；綜合用水效率反映了區域用水水平；地下水開發潛力反映了區域地下水資源豐富程度及開發狀態。受氣候變化、經濟社會發展以及節水技術進步等因素影響，地下水對區域經濟社會發展的支撐作用是動態變化的，區域經濟社會各類用水行業對地下水的依賴程度受當地地表水資源豐枯變化影響，綜合用水效率隨著區域經濟社會的發展及節水技術的進步和推廣而提高，地下水開發潛力一般隨著地下水開發程度增大而減小。在遵循科學性、整體性、動態變化性及可操作性等原則基礎上，綜合考慮新疆各地、市、州地下水資源利用現狀和經濟社會發展水平，選取了涵蓋地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發潛力3方面共13個指標，構建新疆地下水對經濟社會支撐作用評價指標體系如圖1所示。

圖1 地下水支撐作用評價指標體系

2.2 SMI-P方法

SMI-P方法評價的主要步驟包括單指標量化、多指標綜合、多準則集成等。

2.2.1單指標量化

為消除各指標量綱不同所帶來的影響，通過分段線性隸屬函數，將各指標統一映射到[0，1]上，從而得到各指標的支撐指數。根據已經出臺的行業規劃指標或標準、國家已有的規劃資料、相關研究成果[16-19]等綜合確定指標的特征節點值見表1。指標分為正向指標、逆向指標，正向指標表示隨著指標值增加地下水支撐作用也隨之增強；逆向指標則相反。對于指標k根據特征節點值按指標類型(正向或負向)采用以下公式計算支撐指數：

(1)

(2)

式中：μk為指標k的支撐指數；xk為指標k的值；ak、bk、ck、dk、ek分別為指標k的量化特征節點值。正向指標采用式(1)計算，負向指標采用式(2)計算。

表1 評價指標特征節點值

2.2.2多指標綜合

各準則層下的指標支撐指數分別集成，綜合得到各準則層支撐指數，計算公式為

(3)

(4)

(5)

式中：μD、μE、μP分別為地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發潛力準則層的支撐指數；μi、μj、μl分別為地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發潛力準則層所含各指標的支撐指數；n1、n2、n3分別為地下水依存度、綜合用水效率、地下水開發潛力準則層所含指標個數；wi、wj、wl為地下水依存度、綜合用水效率、地下水開發潛力準則層各指標的權重，采用層次分析法和熵權法加權平均確定[20]，如圖1所示。

2.2.3多準則集成

將地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發潛力準則層的支撐指數集成得到地下水支撐指數μG，用來表征地下水對經濟社會的支撐作用。地下水支撐指數計算公式為

(6)

式中α、β、γ分別為地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發潛力準則層的權重系數，分別取值0.6、0.3和0.1。

地下水支撐指數反映了地下水資源對區域經濟社會支撐作用強弱。地下水支撐指數越大，說明地下水資源對區域經濟社會發展的支撐作用越強。參考已有研究成果[7,10,16,21]，結合新疆地區實際，將地下水支撐指數評價標準劃分為5個等級，分別為弱支撐(0≤μG<0.2)、中等支撐(0.2≤μG<0.4)、強支撐(0.4≤μG<0.6)、高水平支撐(0.6≤μG<0.8)、理想支撐(0.8≤μG≤1.0)。

3 結果與分析

運用SMI-P方法計算得到了2004—2016年新疆各地、市、州地下水支撐指數，并從時間和空間維度分析新疆各地、市、州地下水資源支撐經濟社會發展情況。

3.1 時間維度分析

圖2為2004—2016年新疆各地、市、州地下水支撐指數變化趨勢。從各地、市、州支撐指數變化來看，大體上可分為兩類地區，一類是具有明顯上升趨勢的地區，如烏魯木齊市、昌吉州、克拉瑪依市、伊犁州、哈密市、博州等；另一類是呈先升后降趨勢的地區，如阿勒泰地區、克州、阿克蘇地區等。從地下水支撐指數年均增長速率來看，伊犁州、巴州增長迅速，伊犁州地下水支撐指數從2004年的0.18上升到2016年的0.42，年均增速8.16%，巴州地下水支撐指數從2004年的0.22上升到2016年的0.47，年均增速6.76%；博州、吐魯番市、克拉瑪依市、喀什地區、塔城地區等年均增速為3%～5%，其他地、市、州年均增速則相對較小。

(a) 北疆

新疆地處歐亞大陸中心，與8個國家接壤，對外口岸多，資源雄厚，是我國向西開放的重要窗口。西部大開發戰略、“一帶一路”倡儀的相繼實施，使得新疆可以充分發揮自身地理優勢，積極發展對外貿易。新疆地區生產總值從2004年的2 200億元上升到2016年的9 617億元，人口從2004年的1 963萬人增長到2016年的2 398萬人，2004—2016年耕地面積增長近240萬hm2[22]，經濟的快速發展、人口和耕地面積的增長，使得經濟社會對水資源需求大幅增加，但新疆大部分地區降水稀少，地表水資源短缺，只有依賴開采地下水資源才能滿足經濟社會發展用水需求，地下水開采量基本呈逐年增加趨勢，并且隨著經濟社會發展以及工農業節水技術推廣，綜合用水效率不斷提高，一些地區地下水支撐指數上升明顯。

3.2 空間維度分析

為進一步分析新疆地下水資源對經濟社會支撐作用的空間差異性，表2給出了2016年新疆各地、市、州地下水支撐指數計算結果。從表2可以得出，新疆地下水資源對經濟社會支撐作用地、市、州差異較大，烏魯木齊市、哈密市、昌吉州、吐魯番市地下水依存度大、綜合用水效率高，地下水資源對經濟社會的支撐作用均處于較強水平，但這些地區的地下水開發潛力已處于較低水平，說明未來地下水對這些地區經濟社會發展可進一步提供的支撐作用相對較小；伊犁州、巴州、博州、塔城地區地下水資源對經濟社會的支撐作用也處于強支撐水平，但地下水開發潛力處于較高水平，地下水資源仍有很大的開發空間；克拉瑪依市、克州、喀什地區、阿克蘇地區地下水對經濟社會的支撐作用均處于中等支撐水平，克拉瑪依市地下水依存度較大、綜合用水效率較高，但地下水開發潛力較低，喀什地區、阿克蘇地區則正好相反；阿勒泰地區和和田地區地下水對經濟社會的支撐作用較小，主要原因是阿勒泰地區地表水資源豐富，可以滿足經濟社會用水需求，和田地區經濟社會發展規模相對較小，水資源需求不大，地表水資源基本能滿足經濟社會用水需求。總體上，地下水資源對東疆和北疆地區經濟社會的支撐作用更大，南疆地區地下水資源對經濟社會的支撐作用普遍處于較低水平。

表2 2016年新疆地下水支撐指數計算結果

為分析地下水依存度、綜合用水效率、地下水開發潛力對各地、市、州地下水支撐作用的影響，選取2004年、2008年、2012年、2016年為代表年，繪制了代表年各地、市、州地下水依存程度、綜合用水效率、地下水開發潛力雷達圖(圖3)。從圖3可以看出，2004年僅有昌吉州、哈密市對地下水依存度較高，2008年、2012年各地、市、州對地下水依存程度不斷上升，南疆地區的巴州及北疆地區的烏魯木齊市、克拉瑪依市、博州等地區上升較為明顯，2016年大部分地區對地下水依存程度都有所下降。2004年、2008年、2012年、2016年新疆各地、市、州綜合用水效率在不同程度上都有所提高，其中烏魯木齊市作為新疆首府，經濟社會發展較快、節水措施實施較好，綜合用水效率提升最快；此外，從整體上看，東疆和北疆地區的綜合用水效率要明顯高于南疆。區域地下水開發潛力與地下水依存度聯系密切，隨著區域地下水依存度的提高，地下水開發潛力在不斷減小，如博州、巴州、塔城地區等。結合新疆各地、市、州地下水支撐指數時空變化趨勢，得出以下結論：隨著各地、市、州綜合用水效率的提升，盡管地下水依存度有所下降，但地下水支撐指數仍呈上升趨勢，說明綜合用水效率提高可增強地下水對經濟社會支撐作用，如吐魯番市、哈密市、昌吉州等；地下水開發潛力越大，并不能說明地下水對經濟社會發展的支撐作用也一定越大，如阿勒泰地區、阿克蘇地區等地下水具有較大開發潛力，但其地下水支撐指數較小。綜上所述，地下水資源對一個地區經濟社會發展的支撐作用需要綜合考慮地下水依存度、綜合用水效率、地下水開發潛力等方面的影響。

(a) 2004年

4 結 論

a. 時間上，隨著經濟快速發展、人口和耕地不斷增長，新疆大部分地、市、州地下水資源對經濟社會的支撐作用呈增強趨勢，伊犁州增強迅速，從2004年地下水弱支撐狀態轉變為2016年強支撐狀態，烏魯木齊市、博州、塔城地區、吐魯番市、巴州等地、市、州增強較快，均從2004年地下水中等支撐狀態轉變為2016年強支撐狀態，其余地、市、州地下水資源對經濟社會支撐作用變化不大，如昌吉州、哈密市等保持在強支撐狀態，阿勒泰地區等則保持在弱支撐狀態。

b. 空間上，新疆水資源分布不均和各地、市、州經濟社會發展水平差異，導致新疆各地、市、州對地下水資源需求不同。東疆和北疆地區經濟社會發展規模相對較大，但地表水資源短缺，地下水資源對其經濟社會發展的支撐作用相對南疆地區較強，因此，東疆和北疆地區地下水支撐指數普遍較高，南疆地區地下水支撐指數則相對較低。

c. 總體上，東疆和北疆地區經濟社會發展對地下水資源的依賴程度較大，隨著多年地下水的大量開采，地下水資源對其未來經濟社會進一步發展所能提供的支撐能力較小，而南疆地區則相反。