新疆水資源脆弱性評(píng)價(jià)研究

圖布新

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實(shí)驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830000)

水資源脆弱性的概念最早是在20世紀(jì)60年代末提出的。研究者主要研究地表水和水資源系統(tǒng)的脆弱性[1]。綜合國(guó)內(nèi)外的研究成果，將水資源脆弱性的概念概括為:在一定的歷史階段，水資源系統(tǒng)在服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的過(guò)程中，受到外界因素如氣候變化和人類活動(dòng)的干擾和脅迫，其正常結(jié)構(gòu)和功能的狀態(tài)和性質(zhì)受到影響和破壞，而破壞后的性質(zhì)很難恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)[2]。水資源系統(tǒng)本身的影響因素包括水資源系統(tǒng)本身的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、功能和復(fù)雜性。不同地區(qū)水資源系統(tǒng)的脆弱性受其結(jié)構(gòu)和功能差異的影響[3]。物種越豐富，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，土壤侵蝕率越低，系統(tǒng)的脆弱性越弱。相反，系統(tǒng)越脆弱。這不僅與盆地的生態(tài)環(huán)境、盆地的年降水量、土壤的滲透能力、通過(guò)盆地的水量和地下水的再生能力有關(guān)，還與自然地理位置、水文氣象條件和區(qū)域本身的下墊面條件有關(guān)[4]。新疆是典型的缺水地區(qū)，地處干旱地帶，水資源一直短缺。新疆水資源脆弱性分析對(duì)新疆水資源和生態(tài)環(huán)境分析具有重要影響，對(duì)新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 區(qū)域概況

新疆位于中國(guó)西北部，新疆中部，歐亞大陸的心臟，東臨吐魯番市。在西面，是昌吉市的邊界[5]。屬溫帶大陸性干燥氣候，7、8月最熱，平均氣溫25.7℃;最冷的是1月份，平均氣溫為-15.2℃。地勢(shì)起伏多山。南部和東北高地，中部和北部低地。山區(qū)占總面積的50%以上。

水資源是新疆內(nèi)陸干旱地區(qū)最寶貴的資源。新疆的水資源有多種形式，如冰川融水、地表徑流和地下徑流。降水是水資源的供給源，降水的變化直接影響水資源的變化。新疆地表水水質(zhì)良好。河流是內(nèi)陸河。河流又短又分散。它們來(lái)自山區(qū)，主要靠冰雪融水為生。水庫(kù)水位隨季節(jié)變化很大，分布在綠洲或平原水庫(kù)。新疆有46條河流，分別屬于烏魯木齊河、頭屯河、白洋河、阿拉溝湖和柴窩堡湖[6]。新疆地下水和冰川資源豐富，主要分布在烏魯木齊河上游、頭屯河天山和東部博格達(dá)山，儲(chǔ)量73.9億 m3，平均融化量1.23億 m3[7]。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的基本原則，根據(jù)可收集的研究資料，從自然、社會(huì)、氣象、水資源等方面出發(fā)構(gòu)建水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。具體如圖1所示。

圖1 新疆水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 主成分分析

本文采用主成分分析法對(duì)新疆水資源脆弱性影響因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。主成分分析是通過(guò)壓縮變量個(gè)數(shù)，用較少的變量去解釋原始數(shù)據(jù)中的大部分變量，剔除冗余信息的方法[8]。具體計(jì)算步驟如下[8]：

(1)

計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣：

(2)

(3)

計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率，將累計(jì)貢獻(xiàn)率大等于85%的確定為主成分[9]：

(4)

(5)

計(jì)算綜合得分對(duì)區(qū)域水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.3 水資源脆弱性評(píng)價(jià)

在確定水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，采用主成分分析的方法對(duì)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)成分系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)公式(6)計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)因子的權(quán)重，最后計(jì)算脆弱性綜合得分，依據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)表(見表1)準(zhǔn)確地進(jìn)行脆弱性水平評(píng)價(jià)。

表1 水資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)表

pi=(Fm×a)/β

(6)

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)收集資料情況，以新疆地區(qū)2008年、2010年、2014年、2018年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》以及《水資源公報(bào)》為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，借助SPSS 22.0軟件對(duì)10個(gè)指標(biāo)因子進(jìn)行主成分?jǐn)?shù)據(jù)分析處理，得到分析結(jié)果如表2～表5所示。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征值、貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的成分得分系數(shù)

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)因子權(quán)重表

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)因子綜合得分

經(jīng)主成分分析法進(jìn)行分析得到由表2所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征值、貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率。可以看到2008年和2010年有三個(gè)主成分因子，而2014年和2018年有四個(gè)主成分因子。此外，2008年三個(gè)成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.16%，2010年三個(gè)成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.61%，2014年四個(gè)成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為91.98%，2018年四個(gè)成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為94.51%，隨著時(shí)間的增加累計(jì)貢獻(xiàn)率也隨著線性增長(zhǎng)。表明，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展對(duì)水資源脆弱性的影響所占的指標(biāo)因子變多，影響的范圍變得寬泛，涉及的方面增多。

為方便整理表格，故將植被覆蓋率、地下水更新能力、人均GDP、人均水資源量、人口密度、年降水量、單位面積產(chǎn)水量、水資源開發(fā)利用率、水資源供需比、水土流失率十個(gè)指標(biāo)因子用C1-C10代替。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)分析的結(jié)果數(shù)據(jù)，得到如圖2所示的新疆水資源脆弱性年際變化趨勢(shì)圖。

圖2 新疆水資源脆弱性年際變化趨勢(shì)圖

由圖2我們可以看到，隨著時(shí)間的增加，新疆水資源脆弱性評(píng)價(jià)的綜合得分較高，說(shuō)明水資源脆弱性越來(lái)越嚴(yán)重，從輕度脆弱性變?yōu)橹囟却嗳跣浴Ｐ陆堑湫偷馁Y源型缺水地區(qū)。近年來(lái)，隨著新疆城市化進(jìn)程的加快，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口持續(xù)增長(zhǎng)。生產(chǎn)和生活用水增加，廢水排放量也逐年增加，導(dǎo)致其水資源系統(tǒng)逐漸遭到破壞，水資源的脆弱性日益增強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

水資源脆弱性的評(píng)價(jià)研究是一個(gè)綜合性的地區(qū)研究，涉及范圍包括自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、氣象變化以及水資源的發(fā)展現(xiàn)狀等。研究其意義不僅對(duì)于地區(qū)水資源情況的了解利用具有重要意義，同時(shí)對(duì)于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人文氣象的研究都具有不可忽視的影響。本文結(jié)合新疆地區(qū)當(dāng)?shù)氐那闆r，從自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、氣象條件以及水資源情況四個(gè)方面出發(fā)，構(gòu)建了包含一個(gè)目標(biāo)層、四個(gè)準(zhǔn)則層和十個(gè)指標(biāo)因子的水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，依據(jù)收集到的數(shù)據(jù)資料，通過(guò)主成分分析的方法對(duì)不同年份的水資源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，得到2008年和2010年有三個(gè)主成分因子對(duì)水資源脆弱性產(chǎn)生影響，分別是植被覆蓋率、地下水更新能力、人均GDP，而2014年和2018年有四個(gè)主成分因子對(duì)水資源脆弱性產(chǎn)生影響，分別是植被覆蓋率、地下水更新能力、人均GDP、人均水資源量，涉及自然、水資源和社會(huì)發(fā)展三個(gè)方面。此外借助origin軟件對(duì)新疆水資源脆弱性年際變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，得到隨著時(shí)間的增加，新疆水資源脆弱性水平越高，表明新疆水資源越脆弱，越需要進(jìn)行實(shí)施節(jié)水研究。本研究對(duì)于新疆地區(qū)水資源研究具有重要意義，同時(shí)為其他相關(guān)研究提供一定的參考價(jià)值。