塔里木河流域水資源適應性利用能力評價及調控

李 星，左其亭,2,3，韓淑穎，李東林，馬軍霞,3

(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)

21世紀以來，氣候變化影響下的水資源適應性研究成為全球應對氣候變化的重要需求和研究熱點。左其亭[1]對水資源適應性利用(adaptive utilization of water resources，AUWR)的定義為：在水資源開發利用過程中，遵循自然規律和社會發展規律，適應人類活動、氣候變化、陸面變化等環境變化帶來的影響，保障水系統良性循環所選擇的水資源利用方式。目前針對水資源適應性利用的量化方法研究較少。為定量評估水資源適應性利用水平，本文將水資源適應性利用能力定義為在水資源適應性利用理論指導下，以水資源適應性利用水平評價體系為基礎，通過定量評估方法得到的水資源適應性利用效果好壞與總體水平。在水資源適應性利用研究方面，劉昌明等[2]闡述了氣候變化對水文水資源的主要影響，提出了應對氣候變化的水資源適應性對策；夏軍等[3]研究了氣候變化下水資源脆弱性和適應性管理理論與方法研究的準則、原則以及氣候變化對水循環和水資源利用的影響，并針對水資源脆弱性變化提出了適應的對策和措施；張秀琴等[4]從“水資源適應性管理”的概念與內涵入手，對水資源管理適應氣候變化的研究現狀、重點研究領域及研究方法進行了系統總結并提出了存在的問題和未來研究重點；左其亭[5]對水資源適應性利用理論的應用規則、關鍵問題和解決途徑進行了全面闡釋；楊帆等[6]通過構建適用于生態變化的水流變化方程來制定適應生態的水量調度政策。在水資源調控研究方面，吳澤寧等[7]基于可持續發展的內涵和流域水資源利用的角度，提出了流域水資源調控方案可持續發展評價的準則和量化評價方法；Neelakantan等[8]利用BP神經網絡方法將模擬技術和優化方法結合應用于水庫調度仿真優化模型研究中；Basu[9]將模糊評價模型與進化算法相耦合，將聯合優化調度模型的多目標概化成單目標來優化求解。

塔里木河流域從20世紀80年代開始水資源問題與生態環境問題凸顯，針對塔里木河流域的研究也越來越多。王光焰等[10]對20世紀50年代以來塔里木河流域水資源問題進行了系統梳理，并提出了未來塔里木河流域水資源研究重點關注方向；艾克熱木·阿布拉等[11]根據塔里木河流域1960—2016年實測水文資料，分析了塔里木河流域水資源的變化規律和用水效率的變化情況，提出了針對性的建議和措施；廖淑敏等[12]則分析了生態輸水對塔里木河流域生態環境變化的影響。目前針對塔里木河流域水資源適應性利用能力方面的研究較少，有必要對塔里木河流域水資源適應性利用能力進行評價，為塔里木河流域發展提供有效支撐。為此本文利用TOPSIS法與耦合協調度方法對塔里木河流域及5地州水資源適應性利用能力進行量化研究，并基于當前存在的問題，以多維臨界調控模型對塔里木河流域各子系統協調發展程度進行調控。

1 研究區域概況及數據來源

1.1 研究區域概況

塔里木河位于新疆維吾爾自治區塔里木盆地北部，地理坐標為73°10′E～94°5′E、34°55′N～43°8′N，發源于天山山脈及喀喇昆侖山，全長 2 179 km，是中國最長的內陸河、世界第五大內陸河。塔里木河流域主要有和田河、葉爾羌河和阿克蘇河三大源流，流域面積102萬km2，包括5個地州的42個縣(市)和4個兵團師的45個團場，流域內人口逾1 200萬人。塔里木河流域多年平均天然徑流量為398.3億m3，流域水資源總量為429億m3。不合理的水資源開發利用對塔里木河流域的生態環境和經濟發展的可持續性造成了一定的影響，干流的水資源過度開發影響到各支流及下流的生態水系，對生態環境用水不斷壓縮導致生態環境退化。塔里木河流域人口占新疆的46.85%，GDP總值占新疆的27.68%，人均GDP遠低于新疆平均水平，且城鎮化水平低，經濟社會發展總體上較為落后。

1.2 數據來源

本文所用數據來自2005—2018新疆及克孜勒蘇柯爾克孜自治州(以下簡稱“克州”)、喀什地區、巴音郭楞蒙古自治州(以下簡稱“巴州”)、阿克蘇地區、和田地區國民經濟和社會發展統計年鑒。

2 研究方法

2.1 評價指標體系構建

評價水資源適應性利用能力，需要構建一套從水資源適應性利用理論兩大規律、四大原則、三大任務、四大功能四方面出發的評價指標體系[5]，綜合考慮塔里木河流域水資源稟賦條件和經濟社會、生態環境狀況，選定25個評價指標構建了涵蓋水資源、經濟社會、生態環境3個子系統的水資源適應性利用能力評價指標體系如圖1所示(括號內數值為指標權重)。

圖1 塔里木河流域水資源適應性利用能力評價指標體系

2.2 TOPSIS法

TOPSIS法[13]的核心思想是定義決策問題的最優解和最劣解的距離，通過計算各評價目標與理想解和反理想解的距離獲得與理想解的貼近度，實現評價目標的優劣排序[14]。貼近度取值在0～1之間，數值愈接近1，表示相應的評價目標越接近最優水平[15]。TOPSIS法計算步驟如下：

步驟1：根據評價方案和圖1所示的評價指標體系，建立指標體系判斷矩陣。設有m個待評方案，n個評價指標，xij為評價方案i(i=1,2,…,m)中評價指標j(j=1,2,…,n)的取值，可得判斷矩陣A=(Aij)。對評價指標數據進行規范化處理，按照指標屬性將評價指標分為越大越優型和越小越優型兩類，對應標準化計算公式分別為

(1)

(2)

式中：vij為規范化后的指標數值；xmax、xmin分別為各評價方案中指標的最大、最小值。

步驟2：確定最偏好和最不偏好的指標加權評價值集合，分別為

(3)

式中V+、V-分別為最偏好的方案(正理想解)和最不偏好的方案(負理想解)。

(4)

步驟4：計算評價方案i中評價對象與最優方案的貼近度Ri:

(5)

Ri越大，表明評價方案i的水平越接近最優水平。

根據上述公式計算得到水資源、經濟社會、生態環境子系統貼近度。

2.3 耦合協調度

利用耦合協調度可分析不同城市或區域間、同一城市或區域中不同時期的耦合協調發展狀況，并進行定量評價[16]。將水資源適應性利用能力水平轉化為水資源、經濟社會、生態環境3個子系統間的耦合協調度，用3個系統的耦合協調度來定量描述水資源適應性利用能力，水資源適應性利用能力計算公式[17]為

(6)

T=wWRRWR+wESRES+wEEREE

式中：D為水資源適應性利用能力，代表水資源、經濟社會、生態環境之間的耦合協調程度；C為耦合指數，代表水資源、經濟社會、生態環境之間發展水平耦合程度；T為綜合評價指數；RWR、RES、REE分別為水資源、經濟社會、生態環境子系統貼近度，由式(5)計算得到；wWR、wES、wEE分別為水資源、經濟社會、生態環境子系統權重，由熵權法計算得到。

2.4 多維臨界調控模型

多維臨界調控對象是自然和人文系統組成的復雜巨系統[18]。多維臨界調控可對多個相互矛盾的目標進行科學分析，使復雜巨系統向協調和有序方向運行，也可應用于水資源優化配置研究。為提升子系統間協調性，在塔里木河流域水資源適應性利用能力評價結果的基礎上，采用多維臨界調控模型對選定的序參量進行調控，實現子系統間的協調發展。多維臨界調控模型計算步驟[19]如下：

a. 確定多維調控模型有序度。子系統q評價指標j序參分量eqj有序度為

(7)

式中：uq(eqj)為序參分量eqj的有序度；emin、emax分別為eqj的最小和最大臨界閾值。序參分量eqj對子系統有序程度的“總貢獻”可通過uq(eqj)計算：

(8)

b. 確定序參量。由圖1可知，3個子系統中經濟社會系統權重最大(0.424)，人均水資源量、人均GDP、生態環境用水率指標分別是各子系統中權重最大的評價指標，因此在選定序參量過程中，考慮調控目標及指標權重的影響，將人均水資源量、人均GDP、生態環境用水率3個指標作為基本序參量進行調控，以建立水資源適應性能力評價和多維臨界調控的聯系，并考慮調控目標要求，確定另外2個序參量，見表1。

根據熵的含義，利用子系統有序度建立判別系統熵函數：

表1 塔里木河流域水資源適應性利用能力調控序參量

(9)

式中：Sr為系統熵；u1(e1)、u2(e2)、u3(e3)分別為水資源、經濟社會、生態環境子系統的有序度。

c. 根據判別公式尋優：

ΔSr=Sr,n+1-Sr,n

(10)

式中：Sr,n+1為系統第n+1次調控后的末態熵；Sr,n為第n次調控后的熵；ΔSr為第n+1次調控引起的熵變。根據熵變ΔSr的大小，可判斷系統演變方向。當連續調控所得ΔSr不斷接近于0時，表明調控后系統熵逐漸減小，系統熵收斂，即為尋優過程。

3 結果與分析

3.1 水資源適應性利用能力評價

采用式(1)～(5)計算塔里木河流域2004—2016年水資源、經濟社會、生態環境3個子系統貼近度，結果如圖2所示。由圖2可見：①水資源子系統貼近度呈現下降趨勢，由0.77降為0.21。塔里木河流域近些年用水需求不斷增加，造成水資源的過度開發利用，因此要建立完善的水資源開發與水量分配制度，合理使用水資源，兼顧農業和生態用水。②經濟社會子系統貼近度逐漸上升，由0.12上升到0.65，說明經濟社會發展水平得到提升。西部大開發戰略實施帶動地區農牧產業發展，經濟社會發展態勢良好。③生態環境子系統貼近度呈現下降趨勢，由0.38降為0.23，說明塔里木河流域生態環境遭到破壞。塔里木河流域耕地面積擴充、地下水超采、擠占生態用水等問題導致人水矛盾突出，使得生態環境整體水平較低。

圖2 塔里木河流域各子系統貼近度

采用式(6)計算出塔里木河流域及5地州2004—2016年水資源適應性利用能力，結果如圖3所示。整體來看，塔里木河流域水資源適應性利用能力由0.462上升為0.487，多年平均值為0.486，整體變化幅度較小，呈緩慢增加趨勢。各個子系統間相互影響制約，使得流域整體水資源適應性利用能力比較穩定。同時，水資源過度開發、生態環境惡化也是流域水資源適應性利用能力提升緩慢的主要原因。從各地州來看，和田地區水資源適應性利用能力平均值最高，克州、喀什、巴州、阿克蘇依次降低。和田地區自然環境和人才資源有限，開發利用程度低，經濟發展速度緩慢，但生態環境得到保護，水資源滿足基本需求，各子系統間協調發展；受葉爾羌河與阿克蘇河影響，阿克蘇與喀什地區是塔里木河流域水資源最豐富的地區，開發利用程度、經濟發展水平較高，但過度的開發利用導致生態赤字，故阿克蘇、喀什地區水資源適應性利用能力略低。此外，和田、喀什、巴州、阿克蘇4地州的水資源適應性利用能力均呈增加趨勢，但克州2016年僅為0.440，低于2004年的0.461，克州地處塔里木河流域西北位置，州內多為高山峻嶺，存在發展空間有限、氣候條件差、人口規模相對較少等問題，雖然生態環境較好，但經濟發展緩慢，水資源開發利用率低，導致系統間發展不匹配。

圖3 塔里木河流域及5地州水資源適應性利用能力

3.2 多維臨界調控

根據塔里木河流域水資源適應性能力評價結果，發現塔里木河流域在水資源、經濟社會、生態環境各方面發展不協調，因此需要進行調控，并確定調控指標閾值。

根據聯合國教科文組織規定的缺水警戒線確定人均水資源量最差值為1 700 m3，通過分析流域未來人口變化及水資源調查評價成果，并結合流域2004—2017年人均水資源量，確定其最優值為7 052 m3。《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》中規定在2030年，萬元工業增加值用水量控制在40 m3以下，同時考慮新疆、塔里木河流域及其各地(州)萬元工業增加值用水量情況，將40 m3作為最優值，將2004—2017年流域內5地州的最大值 437.3 m3作為最差值。根據2030年初步達到初等發達國家水平的規劃目標，人均GDP將達到約 14萬元，將其作為人均GDP最優值，最差值為2004—2017年塔里木河流域內5地州最差值，為0.453萬元。2017年中國城鎮化水平為0.585，而新疆為0.528，比較接近，同時未來我國城鎮化整體水平預測值在0.6左右，因此將0.6作為城鎮化水平最優值[20]，最差值為2004—2017年塔里木河流域內5地(州)最小值，為0.12。生態環境用水率閾值則是根據2004—2017年塔里木河流域及5地(州)的變化情況確定，最優值和最差值分別為0.028和0.002 1。

以2017年為現狀年，以2030年為目標年，對塔里木河流域水資源適應性利用能力進行調控。通過現狀年數據與閾值對比分析，合理調控序參量。調控過程中子系統序參量和系統熵值變化見表2。初始值為2017年流域現狀水平，系統熵為0.296，其中人均水資源量、人均GDP、城鎮化率、生態環境用水率為正向指標，調控值不斷增加；萬元工業增加值用水量為負向指標，調控值不斷減小。由調控結果可知，系統熵值由最初0.296降低到0.027，系統熵值不斷減小并趨于0。說明在外界調控措施作用下，水資源、經濟社會、生態環境子系統間協調性增強且趨于最優。對比2030年預測值，除萬元工業增加值用水量外，調控后的人均水資源量、人均GDP、城鎮化率、生態環境用水率均優于預測值，2030年預測值的系統熵值為0.360，說明在無外界調控措施情況下，塔里木河流域水資源、經濟社會、生態環境子系統間的協調有序程度不會增加，且有可能降低。在采用調控措施后，系統熵值可趨于0，實現各個子系統之間和諧發展，表明外界調控措施很有必要，在一定程度上可以保證流域可持續發展。在水資源稟賦較高的塔里木河流域，調控人均GDP、城鎮化率和生態環境用水率對改善人民生活品質、促進社會和諧發展和保證生態環境可持續發展具有重要意義。

表2 調控過程子系統序參量及系統熵值變化

4 結 論

a. 塔里木河流域在2004—2016年水資源適應性利用能力平均值為0.486，5地州水資源適應性利用能力均在0.4～0.5之間，整體處于中等水平；時間序列上，塔里木河流域水資源適應性利用能力呈現緩慢增長趨勢；空間上，阿克蘇地區水資源適應性利用能力平均水平最低，和田地區平均水平最高。

b. 通過多維臨界調控模型，對人均水資源量、萬元工業增加值用水量、人均GDP、城鎮化率、生態環境用水率等指標進行調控，系統熵值由現狀年0.296降低至0.027，說明在外界調控措施作用下，可有效降低系統熵值，實現系統尋優。

c. 塔里木河流域水資源適應性利用能力評價結果表明，構建的評價指標體系和量化方法可行有效。但構建的指標體系涉及指標過多，對基礎數據的完整性、準確性等要求較高；同時衡量水資源、生態環境子系統的指標有待進一步研究和完善。