塔里木河流域水資源生態承載力動態評價與預測

http：//www.renminzhujiang.cn

DOI：10.3969/j.issn.1001-9235.2024.03.009

朱雪穎，黃生志，黃強，等.塔里木河流域水資源生態承載力動態評價與預測［J］.人民珠江，2024，45（3）：79-88.

摘"要：采用水資源生態足跡模型，評估了塔里木河流域（簡稱為塔河流域）2005—2020年人均水資源生態足跡、生態承載力、生態盈虧以及生態承載狀況的演變過程，并運用灰色預測模型對2021—2030年的生態盈余/赤字進行預測。結果表明：2005—2020年塔河流域水資源整體上處于生態赤字狀態；多數區域水資源生態壓力指數大于1.0，生態狀況超載嚴重，萬元GDP水資源生態足跡持續下降，而水資源負載指數均呈上升趨勢；未來塔河流域水資源赤字狀態呈現逐年下降趨勢。研究成果能夠有效服務于塔河流域生態環境保護和水資源規劃與管理。

關鍵詞：生態足跡；生態承載力；生態赤字；灰色預測模型；塔里木河流域

中圖分類號：TV213.4""文獻標識碼：A""文章編號：1001-9235（2024）03-0079-10

Dynamic Evaluation and Prediction of Ecological Carrying Capacity of Water Resources in Tarim River Basin

ZHU Xueying，HUANG Shengzhi*，HUANG Qiang，ZHENG Xudong，ZHANG Shaoqing，GAO Yuejiao

（State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China，Xian University of Technology，Xian 710048，China）

Abstract：An ecological footprint model of water resources is used to evaluate the the evolution of per capita ecological footprint of water resources，ecological carrying capacity，ecological profit and loss，and ecological carrying status from 2005 to 2020 in the Tarim River Basin，and a gray prediction model is used to forecast the ecological surplus/deficit from 2021 to 2030.The results indicate that the water resources in the Tarim River Basin as a whole are in a state of ecological deficit，and the ecological pressure index of water resources in most regions is greater than 1.0.Ecological overload is serious;the ecological footprint of water resources per 10 000 yuan GDP continues to decline，while the load index of water resources is on the rise.In the future，the deficit of water resources in the Tahe River Basin will show a downward trend year by year.The research results can effectively serve the ecological environment protection and planning and management of water resources in the Tahe River Basin.

Keywords：ecological footprint;ecological carrying capacity;ecological deficit;gray prediction model;Tarim River Basin

水資源作為基礎性的自然資源，對人類生產生活以及維持生態系統的正常功能具有重要的作用。隨著社會發展，人口擴張，水資源供需矛盾和水污染問題日益突出，嚴重威脅社會經濟發展。因此，開展水資源生態承載狀況評價與預測分析對生態環境保護，實現區域的協調發展有重要的作用。

生態足跡理論于1992年由REES教授^［1］創立，用于衡量生態可持續發展狀況，其學生WACKERNAGEL博士于1996年對其進行完善，該理論主要通過比較人類利用自然資源的程度和自然所能提供的生態支撐程度，來衡量區域的可持續利用狀態。目前已有很多學者開展并豐富了生態足跡的研究^［2-5］，對于生態環境發展有正向促進作用^［6］。

中國張志強、徐中民等在1999年最先提出生態足跡概念，目前得到了廣泛的關注和應用。張志強等^［7-8］介紹了生態足跡理論及其計算方法，并指出了模型的優缺點^［9］。WANG等^［10］構建了包括生產用水、生活用水和生態環境需水3個水資源賬戶的水資源生態足跡模型。王文國等^［11］將生態足跡模型應用于四川省，計算其水資源生態足跡和生態承載力，并對時空分布特點進行了分析。歐洋銘等^［12］將構建的生態足跡計算模型應用于成都市，對水資源承載狀況的動態變化進行了分析。盧亞麗等^［13］通過GIS對長江經濟帶的水資源時空分布進行了分析。黃佳等^［14］選取社會發展中各類指標，計算并分析了山東省水資源生態足跡和生態承載力的相關性。陳成忠等^［15］用小波變化技術分析了生態足跡的波動變化。譚子粉等^［16］研究了長株潭的適度人口規模。

國內學者對生態足跡的研究從最初的靜態分析發展到了現在的動態分析^［17］。靜態分析具體指針對某一年的靜態研究，動態分析是在靜態分析的基礎上分析時間序列上不同年份生態足跡、生態承載力、生態盈虧的變化。目前的研究以國家^［18-19］、省市行政區、江河流域等為研究對象，對未來區域水資源的開發利用模式提供了決策建議。但對生態足跡理論定量評測等方面仍存在不足^［20-22］，同時目前主要是以靜態分析為主，對水資源生態足跡的時空演變和預測缺少全面而深入的研究^［23］。

灰色系統理論是由鄧聚龍提出的，灰色預測模型（Grey Dynamic Model，GM（1，1））是灰色系統理論重要的組成部分。該理論認為雖然系統數據變化多樣，但卻是有序的^［24］。通過對已知數據進行優化，然后將時間序列轉化為微分方程，從而構建一個可以用于預測未知數據的抽象系統，即Grey Dynamic Model（GM模型）^［25］。GM模型能夠將無規律的原始數據轉化成有一定規律的數據，被廣泛地應用于社會、經濟、醫學、生態、水利等領域研究。

塔里木河是中國最大的內陸河，是中國絲綢之路經濟帶的重要區域，同時也是生態敏感區和典型的干旱區。本文選取塔里木河流經的7個地州作為研究對象，采用水資源生態足跡模型，分析了2005—2020年各地州的水資源生態盈虧。其次，構建了水資源評價指標，定量評價其生態承載狀況。最后，采用灰色預測模型研究了未來塔里木河水資源生態盈虧演變趨勢。

1"研究區概況

塔里木河流域地處西北內陸干旱地區，緊鄰天山山脈和昆侖山脈，遠離海洋，水資源少。塔里木盆地由包含144條河流的九大水系組成，構成了塔里木河流域的河流水系，占地面積達到102萬km²，總水資源量達到了429億m³。流域的主要組成部分由7個地州組成（圖1）。研究區年均降水17.4～42.8 mm，蒸發量2 300～3 000 mm，年平均氣溫10.6～11.5 ℃^［26］，是中國典型的生態極端脆弱的地區，水資源的分布和配給方式是影響當地的社會經濟可持續發展的重要因素。

2"數據與研究方法

2.1"數據來源及處理

本研究所需要的降水、人口、水資源、生產用水、生活用水、生態環境用水、國內生產總值等數據來源于新疆維吾爾自治區統計局和水利廳公布的2005—2020年《新疆統計年鑒》和《新疆水資源公報》。

2.2"研究方法

2.2.1"水資源生態足跡模型

水資源生態足跡是將維持人類生產生活和生態環境消耗的水資源量轉化為空間面積，計算水資源賬戶的生態足跡，來評測區域發展的水資源需求量^［27］。按照用水性質劃分為3大用水賬戶，包括生活、生產和生態環境用水^［26］。其計算模型見式（1）：

EF_w=N×ef_w=N×γ_w×（W/P_w）（1）

式中"EF_w——水資源生態足跡，hm²；N——人口數；ef_w——人均水資源生態足跡，hm²；γ_w——水資源全球均衡因子，取5.19^［28］；W——人均消耗水資源量，m³；P_w——水資源全球平均生產能力，取3.14×103 m³/hm^2［29］。

2.2.2"水資源生態承載力模型

在生態足跡理論中，水資源生態承載能力表示為能提供給相應生物生存的面積。即在某一具體發展階段和空間尺度范圍內，為維持區域環境和社會的良性發展，水資源能夠提供的最大支撐能力^［30］。為了維持良好的生態環境，水資源開發利用量不能超過40% ^［31］。其計算模型見式（2）、（3）：

EC_w=N×ec_w=0.4×ψ×γ_w×（Q/P_w）（2）

ψ=v/v_g（3）

式中"EC_w——水資源生態承載力，hm²；N——人口數；ec_w——人均水資源生態承載力，hm²；ψ——水資源產量因子；γ_w——水資源全球均衡因子；Q——水資源量，m³；P_w——水資源全球平均生產能力，m³/hm²；v——區域單位面積產水量；v_g——全球單位面積產水量。

2.2.3"水資源生態赤字或盈余模型

區域的水資源生態承載力與生態足跡之差，反映該區域的生態承載力能否支撐人類生產生活的發展和生態環境的維持，用于衡量區域內的水資源能否支持社會經濟的可持續發展^［32］。其計算模型見式（4）：

ED_w=EC_w－EF_w（4）

式中若ED_w＞0，表示該區域水資源充足，能夠很好的滿足其用水需要；若ED_w=0，表示該區域水資源供求均衡，剛好滿足其用水需要；若ED_w＜0，表示該區域水資源短缺，不能滿足其用水需要。

2.2.4"水資源生態壓力指數

區域水資源生態足跡除以水資源生態承載力，反映該區域生態環境所面臨的壓力，其值的大小表示對水資源的利用程度^［32］。其計算見式（5）：

EPI_w=EF_w/EC_w（5）

式中EPI_w為水資源生態壓力指數。任志遠等^［33］劃分標準，當EPI_w＜0.5，說明開發該區域的水資源壓力小；當0.5≤EPI_w＜0.8，說明開發該區域的水資源壓力較小；當0.8≤EPI_w＜1，說明開發該區域的水資源壓力較大；當EPI_w≥1，說明開發該區域的水資源壓力大。

2.2.5"萬元GDP水資源生態足跡

區域水資源生態足跡與國內生產總值的比率，反映區域發展對水資源的利用程度，其值越大說明該區域對水資源的合理利用越好^［34］。計算見式（6）：

EFI_w=EF_w/GDP（6）

2.2.6"水資源負載指數

水資源負載指數用來評估水資源的可持續利用能力，通過衡量地區人口數量、國內生產總值和降水量來反映水資源的時空分布情況，從而更好地實現可持續發展^［35］。其值分為5個等級（表1），其計算見式（7）：

式中"C——水資源負載指數；P——人口數，萬人；G——國內生產總值，億元；Q——水資源總量，億m³；k——降水系數，取值為式（8）：

式中"R——年降水量，mm。

2.2.7"灰色預測模型

本文采用灰色預測模型對2020—2030年塔河流域的生態盈虧進行預測，從而預判未來塔河流域水資源利用的可持續性^［36-37］。其計算方法如下^［38］。

首先，設原始數據X^（0） ={X^（0）（1），X^（0）（2），…，X^（0）（n）}，累加生成序列 X^（1） ={X^（1）（1），X^（1）（2），…，X^（1）（n）}。之后生成均值序列：Z^（1）（k）=αX^（1） （k）+（1-α）X^（1） （k-1），建立相應的微分方程：dX^（1）/dt+aX^（1）=b，其中a稱為發展灰數，b稱為內生控制灰數。用最小二乘法可以確定參數矩陣的估計值：［a，b］^T=（B^TB）^-1B^TY_n。求原微分方程的解：X^（1）（t）=［X^（1）（0）-b/a］e^-at+b/a，還原原始數據序列得：X^（0）（t+1）=X^（1）（t+1）-X^（1）（t）=-a ［X^（0）（1）-b/a］e^-at，根據模型即可得到一組預測系列^［9］。其中原始數據是計算得到的2005—2020年生態盈虧數據，然后累加生成序列并建立相應的微分方程，確定參數a和b，由模型得到的預測序列中2005—2020年作為驗證集，進行模型精度檢驗。

模型精度檢驗：對模型進行殘差、相對誤差、平均相對誤差、建模精度的全面檢驗。

殘差為式（9）：

建模精度P可以表示為式（12）：

Pgt;90%表明模型精度滿足要求。

3"結果分析與討論

3.1"塔河流域2005—2020年水資源承載狀況演化特征

3.1.1"水資源生態足跡動態評價

由各用水賬戶人均生態足跡（圖2）可以看出，2005—2020 年，塔里木河流域人均水資源生態足跡波動變化，其中2013年達到最高值，為4.78 hm²/人，相比于2011年提高了0.66 hm²/人。生產用水生態足跡一直占比最大，年均為95.89%，表明塔河流域大部分水資源都投入了工農業生產等方面，由于產業結構的改變，近年來生產用水比例開始下降。而生態環境用水生態足跡年均僅占2.63%，表明塔河流域用于維持生態環境的水資源較少，但隨著國家對生態環境保護的重視，生態環境用水生態足跡由2005年的0.17 hm²/人增加到2018年的0.27 hm²/人，一定程度上緩解了生態用水壓力，提高了生態環境質量。生活用水生態足跡年均占比最小，但由于人口增長及生活質量的提高，導致生活用水量呈現出平穩上升趨勢，在2020年達到了0.12 hm²/人。綜合用水賬戶人均生態足跡來看，生產、生態、生活三大水資源賬戶生態足跡存在較大差異。因此，塔河流域水資源的可持續發展關鍵在于推動工農業結構轉型，提高用水效率。

由各州市人均水資源生態足跡（圖3）可以看出，塔河流域水資源生態足跡年際間差異不大，最大值、最小值分別出現在2013、2011年，其中巴州和阿克蘇地區的生態足跡值較大。從塔河流域內各地州歷年變化來看，喀什地區、和田地區、哈密地區與塔河流域整體變化基本一致，呈現下降趨勢。巴州水資源生態足跡先下降，后上升，而其他州的變化則相對平緩，其中克州的值最小。

3.1.2"水資源生態承載力動態評價

由各州市人均水資源生態承載力（圖4）可以看出，時間變化上塔河流域水資源生態承載力年際差異較大，2014年最低，為0.43 hm²/人；2006年最高，為0.99 hm²/人。各州的水資源承載力差異較大，克州的承載力遠大于其他各州，其次是和田地區和巴州的值較大，哈密地區和吐魯番地區的承載力遠小于其他各州。降水是水資源的主要來源，經計算，塔河流域水資源承載力與降雨量之間的相關系數為0.445（P＜0.01），呈正相關。

3.1.3"水資源生態盈虧動態評價

通過式（1）—（3）計算得到2005—2020年塔河流域人均水資源生態盈虧狀況（表2）。塔河流域水資源整體上處于生態赤字狀態。造成這種結果的主要原因是社會經濟發展迅速，加之人口的急劇擴張使得需水量增大，以及隨之而來的水污染導致的。整體來看，由于水資源的不合理利用，造成水資源的浪費，2005年生態赤字值為-3.91 hm²/人，2013年下降到-4.09 hm²/人，呈波動下降趨勢，生態赤字嚴重^［39］。但2014年以后，由于政府越來越注重生態環境保護，人均水資源生態赤字逐年上升，2020年上升到-3.73 hm²/人，流域水資源開發利用狀況得到改善。

3.2"塔河流域2005—2020年水資源評價指標

3.2.1"水資源生態壓力指數分析

各州市水資源生態壓力指數見圖5，可以看出克州的水資源生態壓力指數最小，14年間在1.0上下波動，其余各州水資源生態壓力指數值均在1.0以上，表明水資源的開發壓力大。在區域差異上，吐魯番地區的水資源壓力指數最大且增幅最大，最低值2015年為55.78，2019年上升至170.71，水資源生態狀況嚴重超載。和田地區和巴州變化趨勢大體一致，但和田地區的水資源生態壓力指數低于巴州。阿克蘇地區和喀什地區的生態壓力指數在10～40波動，遠高于克州，這主要是由于各州經濟發展狀況不同，其中喀什地區、阿克蘇地區農業規模不斷擴大，使得需水量不斷加大，水資源壓力指數增加。隨著經濟的發展、人口的擴張，塔河流域近15年對水資源的需求量增大，加大了生態環境的壓力，遠超出生態承載力的極限值，生態安全將成為今后的重點關注的研究內容^［40］。

3.2.2"萬元 GDP 水資源生態足跡

各州市萬元 GDP 水資源生態足跡見圖5，可以看出阿克蘇地區、喀什地區、克州、和田地區值較高，與各地區的產業結構有關，其中吐魯番地區、巴州、哈密地區的變化趨勢相近。2005—2020年，7個地州的萬元 GDP 水資源生態足跡整體有所下降，經趨勢檢驗R2均在0.6以上，其中和田地區的萬元 GDP 水資源生態足跡顯著減少；由2005年的13.55，下降至2020年的1.71，下降幅度高達87.38%。表明該地區提高了對水資源的利用效率，這與該地區不斷優化產業結構，完善節水設施等有關，對生態環境的發展有正向促進作用。

3.2.3"水資源負載指數

各州市水資源負載指數見圖5，各地的水資源負載指數呈明顯的上升趨勢，經趨勢檢驗吐魯番地區R2為0.51，巴州為0.31，其余5個州市均在0.6以上，表明水資源的利用效率在不斷提升。15年間吐魯番地區的水資源負載指數一直保持在10以上，而在2019年，這一指數更是攀升至25.32，表明該地水資源已經被充分利用，且開發潛力有限，亟需跨區域調水工程以滿足當地的用水需求。從各地州的水資源負載指數來看，克州最低，在Ⅳ級和Ⅴ級兩等級間波動，表明其水資源的開采量小，仍具有較大開發潛力。目前，阿克蘇地區、吐魯番地區、喀什地區、哈密地區的水資源開發程度已達到一定規模，未來的開發潛力較小，須調整產業結構，優化用水模式來提高用水效率。

3.3"塔河流域2005—2020年水資源承載狀況空間格局

根據2005—2020年塔河流域7個地州人均水資源生態盈虧狀況，在ArcGIS軟件中采用Jenks自然斷點法，將塔里木河流域人均水資源生態盈余/赤字劃分為5種類型，包括極度超載區（≤-5.20）、嚴重超載區（-5.20～-3.60）、超載區（-3.60～-2.55）、平衡臨界區（-2.55～0）、有余區（0≤）（圖6）^［23］。

由圖6可以看出，塔河流域整體上處于生態赤字狀態，水資源開發超載。克州人均水資源盈余雖有波動，但大部分年份都處于有余區，人均水資源盈余均值為0.26 hm²/人。其原因主要是克州四周環繞高原山區地形，用于生產性的土地較少，因此農業用水量較少，使得水資源壓力較小。阿克蘇地區和巴州始終處于極度超載區，但逐年有所降低，人均水資源生態赤字均值分別為6.97、5.61 hm²/人。喀什地區位于嚴重超載區，但人均水資源生態赤字逐年減小。

總體來看，2005—2020年塔河人均水資源生態盈虧整體上變化平穩，但各地州變化特征不一致。其中，克州、巴州人均水資源生態盈虧波動下降，可用水資源量變得緊張。克州2005年為水資源有余區，由0.13 hm²/人下降到2020年的-1.34 hm²/人，轉為水資源平衡臨界區。隨著社會發展、人口的擴張、生活質量提高、生產規模擴大，水資源將成為區域發展的重要性因素。喀什地區、和田地區、哈密地區人均水資源生態盈虧逐漸向好的趨勢發展，水資源的壓力有所降低。

3.4"塔河流域2021—2030年水資源生態盈虧狀況預測

通過灰色預測模型，對塔河流域2021—2030 年間的人均水資源生態盈虧進行預測（圖7）。通過對模型進行精度檢驗，表3為計算出的殘差和相對誤差，平均相對誤差為0.042 6，建模精度為95.74%，計算出的建模精度滿足要求。從圖7可以看出，塔河流域2021—2030年水資源仍然處于赤字狀態，從2021年的-3.856 hm²/人逐年下降至2030年的-3.982 hm²/人。主要是由于塔里木河流域降水量少，蒸發量大，且隨著社會經濟發展迅速和人口急劇擴張，加之工農業發展不完善，水資源利用率低，農業耗水量過多，造成水資源需求大于供給，超載嚴重。

4"結論

以塔河流域內的7個地州為研究區域，采用水資源生態足跡計算模型，對塔河流域2005—2020年人均水資源生態承載力、生態足跡、生態盈虧進行分析計算，并對各地州水資源承載狀況的時空分布進行了分析，同時，引用了3個水資源評價指標，動態評估塔河流域的生態支撐狀況，并運用灰色預測模型對2021—2030年的生態盈余/赤字進行預測。

a）2005—2020年塔河流域人均水資源生態足跡年際間差異不大，人均水資源承載力年際變化較大。生產用水量在三大用水賬戶中占比最大，高達95.89%，生態環境用水量和生活用水量占比較小。2005—2020年塔河流域水資源整體上處于生態赤字狀態，人均水資源生態赤字2005年值為-3.91 hm²/人，2013年值為-4.09 hm²/人，呈波動下降趨勢。2020年上升到-3.73 hm²/人，表明塔河流域水資源開發利用狀況得到改善。

b）2005—2020年除克州，其余各州水資源生態壓力指數均大于1.0，處于不安全狀態，生態狀況超載嚴重。塔河流域萬元GDP水資源生態足跡呈下降狀態，而水資源負載指數均呈上升趨勢，這將有利于生態環境的良性發展。

c）2021—2030年塔河流域水資源整體上仍處于赤字狀態，并呈現逐年下降趨勢，從2021年為-3.85 hm²/人，逐年減少至-3.92 hm²/人，并呈現逐年下降趨勢，未來形勢仍較嚴峻，今后要在利用中不斷提高水資源的利用效率。

本文用生態足跡模型評估區域水資源的可持續利用狀態，并對三類用水賬戶的占比情況進行了現狀評價，同時引用了多個評價指標對生態承載狀況進行動態評估，為水資源的科學管理提供了決策依據。然而本研究中所用的計算模型是傳統模型，沒有加入水污染賬戶生態足跡，但由于經濟的快速發展，水污染帶來的水環境問題將得到重視，水資源的供需矛盾也會隨之加劇。雖然本文所用的GM（1，1）預測模型對塔河流域水資源生態足跡擬合情況較好，但也只適用于中短期的預測。因此，在以后的研究中，需要繼續探索更準確的預警方法。

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（責任編輯：程"茜）

基金項目：新疆維吾爾自治區重點研發專項（2022B03024-4）；國家自然科學基金面上項目（52279026）

收稿日期：2023-10-15

作者簡介：朱雪穎（2000—），女，碩士研究生，主要從事水文水資源研究。E-mail：zhuxueying9@163.com

通信作者：黃生志（1988—），男，博士，教授，主要從事氣象變化與風險調控研究。E-mail：huangshengzhi7788@126.com