新疆水資源生態足跡核算與預測

雷亞君，張永福，張敏惠，梁雪梅，邵新娟

（1.新疆大學資源與環境科學學院，新疆烏魯木齊830046；2.新疆大學綠洲生態重點實驗室，新疆烏魯木齊830046）

新疆水資源生態足跡核算與預測

雷亞君1，2，張永福1，2，張敏惠1，2，梁雪梅1，2，邵新娟1，2

（1.新疆大學資源與環境科學學院，新疆烏魯木齊830046；2.新疆大學綠洲生態重點實驗室，新疆烏魯木齊830046）

根據水資源生態足跡的基本原理和計算模型，引入水資源負載指數，對新疆2005—2014年水資源生態足跡、水資源生態承載力進行計算，并運用灰色預測模型GM（1，1）對2015—2025年的生態赤字／盈余趨勢進行預測。結果表明：①新疆歷年水資源生態足跡大于水資源承載力，處于生態赤字狀態，從2005年的－7.83×107hm2下降至2013年的－9.06×107hm2，水資源開發率很低；②2005—2014年新疆水資源生態足跡和承載力均呈上升趨勢，人均生態足跡和人均承載力呈上下波動狀態，生產用水生態足跡在三個水資源賬戶中比例最大，遠遠超出其它兩部分，占總水資源足跡的95.86%；③水資源負載指數總體呈上升趨勢，表明水資源的利用程度逐漸加強，2005—2012年負載指數在2～5之間，表明新疆水資源利用程度中等；2013—2014年負載指數在5～10之間，表明新疆水資源利用程度高，開發條件困難；④ 新疆水資源存在分布不均勻的狀態，南疆、北疆、東疆差異較大，南疆、北疆水資源生態足跡、水資源承載力均大于東疆，而南、北疆萬元GDP水資源生態足跡則小于東疆；⑤ 對2015—2025年水資源進行預測，新疆水資源一直處于生態赤字狀態，而且水資源生態赤字呈逐年減小的趨勢，水資源生態赤字越來越嚴重，今后的形勢越來越嚴峻，在利用中提高節水意識。

生態足跡；水資源負載指數；水資源生態赤字；GM（1，1）模型

水是人類生存的重要源泉，社會經濟發展離不開水資源的持續充足供給，水資源生態足跡是評價社會經濟環境可持續發展的有效指標之一［1］，20世紀90年代，加拿大學者William Rees和MathisWackernagel等［2－4］提出了生態足跡模型（EF），是一種以土地為度量單位的可持續評估方法。該模型提出后得到了各國學者和機構的廣泛應用［5－7］，1999年被徐中民等學者引入國內以來，成為研究熱點［8－11］。王新華采用自下而上的水足跡核算方法，分析計算了2000年中國各省的人均水足跡［12］。鄧曉軍等采用自上而下的方法計算分析了四川省2004年的水足跡及其相關評價指標［13］。黃晶等運用水足跡理論，采用自上而下的方法計算評價了1990—2005年北京市水足跡及水資源利用的可持續性，在此基礎上進一步分析了北京市農業用水結構的變化特征［14］。

新疆地處干旱半干旱區，有典型的山地—綠洲—荒漠生態系統，水資源的合理利用是維持新疆生態環境及本區域可持續發展的基礎。目前生態足跡應用研究多集中在區域經濟社會發展的生態足跡分析評價領域，有關單項資源的生態足跡研究較少。因此，本文對2005—2014年間新疆維吾爾自治區的水資源生態足跡和生態承載力進行計算分析，并對2015—2025年水資源生態赤字／盈余進行預測，以期對正確認識新疆水資源利用現狀，實現區域水資源可持續利用提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

新疆維吾爾自治區地處亞歐大陸腹地的中緯地區，地跨北緯 34°25′～49°11′，東經 73°40′～96°18′。是生態環境的脆弱區與敏感區，干旱的氣候是形成新疆脆弱生態環境基本特征直接的主導因素，地形復雜，高山與平原、盆地相間，沙漠與綠洲共存加劇了這種脆弱。天山以南為南疆，天山以北為北疆，哈密地區和吐魯番地區為東疆，新疆的最低點艾丁湖低于海平面155m，最高點喬戈里峰為8 611m。

新疆三大山脈的積雪、冰川孕育匯集為500多條河流，分布于天山南北的盆地，其中較大的有塔里木河、伊犁河、額爾齊斯河、瑪納斯河、烏倫古河、開都河等20多條，新疆境內形成了獨具特色的大冰川，共計1.86萬余條，總面積2.4萬多 km2，占全國冰川面積的42%，冰儲量2.58億m3，是新疆的天然“固體水庫”。新疆的水資源極為豐富，人均占有量居全國前列。大沙漠占全國沙漠面積的2／3，其中塔里木盆地中的塔克拉瑪干沙漠的面積為33.67萬km2，是中國最大的沙漠，為世界第二大流動沙漠，僅次于阿拉伯半島上的魯卜哈利沙漠。準噶爾盆地的古爾班通古特沙漠，面積4.8萬km2，為中國第二大沙漠。2014年，全疆水資源總量726.93億m3，地表水資源總量686.55億 m3，地下水資源總量 443.93億m3，人均水資源為3 130 m3，其中烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市等區域人均水資源遠低于1 000 m3，僅為 410、226、17 m3。水資源分配極不均衡，與人口、土地和經濟布局不相匹配。

1.2 數據來源與處理

本文水資源數據主要來源于《2005—2014年新疆維吾爾自治區水資源公報》［15］；人口、GDP等經濟數據主要來源于《2005—2014年新疆維吾爾自治區統計年鑒》［16］和各地州市的政府工作報告。數據處理軟件采用 Excel 2010，DPS 7.05和 ArcGIS 9.3。

2 研究方法

2.1 灰色預測模型

灰色預測GM（1，1）模型是灰色系統理論的核心內容，通過部分已知的數據，將系統信息抽象的概念量化，量化的概念模型化，最后進行模型優化來預測部分未知的數據。如果所要預測的某項指標的原始數據波動性太大，其發展趨勢無規律可循時，則無法用回歸預測法對其進行預測。鑒于此，新疆生態足跡更適合用灰色預測法進行預測［17－18］。

具體計算方法如下［19］：

首先，設原始數據 X（0）有 n個值，即 X（0）＝｛X（0）（1），X（0）（2），…，X（0）（n）｝， 灰 色 預 測 模 型GM（1，1）相應的微分方程為過累加生成新序列 X（1）＝｛X（1）（1），X（1）（2），…，X（1）（n）｝。α和μ可利用最小二乘法求解。解得：，求解微分方程，便可以得到預1，2，3，…，n，根據模型即可得到一組預測系列。

模型精度檢驗：對GM（1，1）模型進行殘差檢驗和后驗差檢驗。如果殘差檢驗和后驗差檢驗都能通過，則說明模型精度較高，可以作為預測模型，否則，需進行殘差修正，建立殘差GM（1，1）模型，并把殘差GM（1，1）的預測值加到原預測值中，以提高預測精度。

殘差檢驗：殘差檢驗即模型精度按點的檢驗。P＞90%才能滿足模型的精度要求。

C值越小P值越大模型精度越高，一般要求 C＜0.35，最大不超過 0.65；P＞0.95，不得小于 0.7。模型精度等級劃分［16］（表 1）。

表1 灰色預測精度檢驗等級Table 1 The grades of grey prediction accuracytest

2.2 水資源生態足跡模型

根據水資源生態足跡的內涵和用水特性，將水資源利用水分為生活用水、生產用水和生態環境用水三大類進行計算，具體計算步驟［20］如下：

水資源生態足跡：

式中，EFw為水資源總生態足跡（hm2）；N為人口總數（人）；efw為人均水資源生態足跡（hm2·cap－1）；γw為水資源的全球均衡因子，其取值為5.19；W為人均消耗的水資源量（m3）；Pw為世界水資源平均生產能力（m3·hm－2），其取值為 3 140m3·hm－2。

為便于計算，本研究選擇根據WWF2002確定的水資源均衡因子5.19作為計算值，水資源全球平均生產能力 Pw：采用水文學中的產水模數來描述水資源生產能力，根據學者研究結果，世界水資源平均生產能力為 3 140m3·hm－2［6］。

2.3 水資源生態承載力

水資源生態承載力代表區域內水資源與各個用水賬戶之間存在的供需關系以及可持續程度，可將其定義為：某一區域在某一具體歷史發展階段，水資源最大供給量可供支持該區域資源、環境和社會（生態、生產和生活）可持續發展的能力。具體可表述為：某一區域在具體的發展階段，考慮當前科技、文化、體制的影響，在當前的管理技術條件下，水資源對生態系統和經濟系統良性發展的支撐能力［21］。因此，研究水資源生態承載力對于人類合理開發和利用水資源起到了相當重要的作用。

2.3.1 水資源生態承載力計算模型 水資源承載力［22］

式中，ECw為水資源承載力（hm2）；ecw為人均水資源承載力（hm2·cap－1）；Bw為計算區域水資源用地的產量因子；Aw為水資源全球均衡因子；Q為水資源總量（m3）；Pw為世界水資源平均生產能力（m3·hm－2）。

參照前人的研究成果，一個國家和一個地區的水資源承載力中的60%用于維持生態環境，因此在水資源承載力的計算中要乘以系數0.4［23］。水資源的產量因子采用該區域水資源平均生產能力與世界水資源平均生產能力的比值。2005—2014年新疆水資源平均生產能力為 6.91×104m3·hm－2，世界水資源平均生產能力為 31.40×104m3·hm－2［6］。因此新疆水資源產量因子為0.22。

2.3.2 水資源生態盈余和水資源生態赤字 水資源生態赤字和水資源生態盈余是將區域內水資源生態足跡和承載力相比較，就會得出水資源生態赤字或盈余，該指標可用來判斷研究區域內水資源的可持續利用情況［6，24］。

當ECw＜EFw時，為水資源生態赤字，表明水資源處于不可持續狀態；當 ECw＝EFw時，為水資源生態平衡；當ECw＞EFw時，為水資源生態盈余，表明水資源可持續發展。

2.4 水資源負載指數

水資源負載指數表示某個地方水資源的開發利用前景，其物理意義是區域水資源量與人口和國內生產總值決定的水資源需求量的關系，反映了區域水資源的利用水平及今后水資源開發的難易程度，它與水資源的可利用程度呈負相關。同時還能反映出以后該地區水資源開發的難易程度，分為5個等級（表2），孟麗紅等［24］利用水資源負載指數反映了江西省2007—2011年的水資源利用、開發情況，結果與實際相符，說明引入水資源負載指數是正確的。其計算公式為［25］：

式中，C為水資源負載指數；P為人口（萬人）；G為國內生產總值（億元）；W為水資源總量（億m3）；k為與降水有關的系數，R為年降水量（mm），其取值公式如下：

表2 水資源負載指數分級評價Table 2 Evaluation classification for carrying index ofwater resource

2.5 萬元GDP水資源生態足跡

萬元GDP水資源生態足跡（EFGDP），是用來衡量水資源的利用率的指標，指區域水資源生態足跡與地區生產總值（GDP）的比值［26］，公式如下：

3 結果與分析

3.1 新疆2005—2014年水資源生態足跡、生態承載力及生態赤字／盈余變化趨勢

按照上述公式，計算結果見表3。新疆2005—2014年的水資源生態足跡總體呈上升趨勢。生產用水生態足跡在三個水資源賬戶中比例最大，遠遠超出其它兩部分，占總水資源足跡的95.86%，新疆用于生態環境方面的水資源最少，投入生產的水資源比重幾乎占據了所有水資源，說明大部分的水資源都用于農業生產、工業生產，對于環境改善和保護的水資源投入量很少。生活用水的生態足跡所占比重也很小，但有逐漸增加的趨勢，主要是因為人口增長、居住和生活水平提高引起的。2014年為最大值15.34×105hm2，比 2005年的 8.88×105hm2多了 6.46×105hm2。生產用水先增加后減少，從2005年的7.96×107hm2增加至2014年的9.47×107hm2，之后減少至9.38×107hm2。2005年水資源生態足跡為8.4×107hm2，到 2014年增加至 9.62×107hm2。萬元GDP水資源生態足跡逐漸降低（圖4），2013年達到最大值，為9.25×107hm2，說明新疆水資源利用率有逐年提高的趨勢，但隨著經濟的發展，水資源消費依然旺盛，對水資源的需求量仍在逐漸增加。在空間分布上，南北東疆差異較大，南北疆水資源生態足跡是東疆水資源生態足跡的10倍左右，而南北疆萬元GDP水資源生態足跡均小于東疆。

從圖2可以看出，新疆人均水資源生態足跡保持在 3.255～4.765 hm2·人－1之間，呈先上升后下降的趨勢，在 2006年達到最大值 4.765 hm2·人－1；南疆保持在1.963～2.754 hm2·人－1之間，在2006年達到最大值 2.754 hm2·人－1；北疆保持在 1.125～1.805 hm2·人－1之間，大體呈先上升后下降的趨勢；東疆則保持在 0.152～0.207 hm2·人－1之間，氣候較干燥，降水量少，人均水資源就比南北疆低得多。

新疆水資源承載力年際間差異不大（圖1），在0.571×107～0.654×107hm2之間，南北疆水資源承載力遠遠大于東疆。新疆水資源承載力與降水量之間的相關性系數為0.51，說明水資源承載力與降水量呈正相關。

全疆和北疆的人均水資源承載力最高值出現在2006年，最低值出現在2011年；南疆人均水資源承載力保持在 0.133～0.187 hm2·人－1之間，最高值出現在2006年，最低值出現在2013年；東疆人均水資源承載力保持在 0.002～0.005 hm2·人－1之間，北疆人均水資源承載力最高可達東疆的8倍，南疆的人均水資源承載力最高可達東疆的13倍。在一定程度上水資源承載力受限于水文、氣象、植被等自然資源因素。

從表3、圖1和圖2可以看出，新疆水資源處于生態赤字狀態。整體來看，2005—2014年水資源生態赤字呈波動下降趨勢，從2005年的－7.83×107hm2下降至2013年的－9.06×107hm2，由于當時人們不注意水資源合理利用，缺乏生態保護意識，耗水量大，造成水資源浪費，生態赤字嚴重，2014年又上升到－8.96×107hm2，說明新疆水資源利用情況正趨于合理。

表3 新疆2005—2014年水足跡和水資源承載能力Table 3 Ecological footprint ofwater resources and water resources carrying capacity in Xinjiang from 2005 to 2014

圖1 新疆2005—2014年水資源生態足跡、水資源承載力和生態赤字Fig.1 Water resources footprint、water resources carrying capacity and ecological deficit in Xinjiang from 2005 to 2014

圖2 新疆2005—2014年水資源人均生態足跡、人均水資源承載力和人均生態赤字Fig.2 Per capitawater resources footprint、water resources carrying capacity and ecological deficit in Xinjiang from 2005 to 2014

3.2 新疆2005—2014年水資源負載指數

從表4可以看出新疆的水資源負載指數呈上升趨勢，表明水資源的利用程度逐漸加強，2005—2012年負載指數在2～5之間，表明新疆水資源利用程度中等；到了2013年以后新疆水資源開發利用已具有相當規模，水資源供給對國民經濟發展有一定的保障，進一步開發潛力較小，必須采取一系列行之有效的節水、用水措施才能滿足新疆可持續發展的要求。

圖3 水資源承載力與降水量之間的相關性Fig.3 The correlation between water resources carrying capacity and rainfall

圖4 新疆2005—2014年萬元GDP生態足跡Fig.4 Water resources ecological footprint per 104 yuan GDP of Xinjiang from 2005 to 2014

表4 新疆2005—2014年水資源負載指數分級Table 4 Classification of load index ofwater resources in Xinjiang during 2005—2014

3.3 新疆2012—2014年各地州（市）水資源生態足跡與生態承載力

本研究對2012—2014年新疆15個地州（市）的水資源生態足跡和水資源承載力進行了分析。從圖5中可以看出，巴州、阿克蘇地區、阿勒泰地區、塔城地區人均水資源生態足跡較高，均在5 hm2·人－1以上。這些地區人口密度小，人均水資源占有量大，導致人均水資源生態足跡大；人均水資源生態足跡較低的地區位于天山以北的烏魯木齊市、石河子市、伊犁州、克拉瑪依市、克州等地區。人均水資源生態足跡受人口密度、經濟結構、節水水平、氣候條件和水資源條件等多種因素影響。

從萬元GDP水資源生態足跡來看（圖6），經濟最發達的烏魯木齊市最低，說明烏魯木齊市比較注重水資源的利用，工業生產設備完善，技術先進，能夠有效提高水資源利用效率；較高的區域分布在巴州、塔城、阿勒泰地區、阿克蘇地區和昌吉州。主要與這些地區的產業結構有關，而且水資源豐富，導致萬元GDP水資源生態足跡較高，說明水資源利用效率低。2012—2014年，大部分地州（市）萬元GDP水資源生態足跡呈逐漸遞減趨勢。但是，塔城地區、阿克蘇地區和阿勒泰地區的萬元GDP水資源生態足跡呈逐漸遞增趨勢。

新疆水資源全部處于生態赤字狀態，主要是由于經濟高速發展下的人口和產業需水量激增，以及水污染、浪費和利用率低導致的。生態赤字較大的地區阿勒泰地區，高達9.944 hm2·人－1，其次是阿克蘇地區、巴州，高達 5 hm2·人－1。

圖6 新疆15個地州（市）2012—2014年萬元GDP水資源生態足跡Fig.6 Water Resources ecological footprint per 104 yuan GDP in 15 cities of Xinjiang from 2012 to 2014

3.4 新疆水資源生態赤字／盈余的預測

3.4.1 預測模型 通過 GM（1，1）模型，對新疆2015—2025年間的水資源生態赤字／盈余情況進行預測分析。通過公式計算求得：α＝－0.0052，μ＝－3.4044。將值代入公式中得到預測模型：

3.4.2 模型檢驗 從表5中可以看出，新疆水資源生態赤字／盈余原始值與擬合值的誤差較小。通過殘差檢驗和后驗差檢驗對模型進行精度檢驗，根據殘差檢驗的各項公式計算出90.61%，滿足精度要求。通過后驗差檢驗計算得到原始數據方差 S1為0.3566，殘差方差 S2為 0.6839，求得后驗差比值 C為0.52，小誤差頻率 P為0.75，可以看出該模型有足夠的精度，可以作為預測模型。

表5 2005—2014年新疆水資源生態赤字／盈余原始值與擬合值對比Table 5 The comparison table between original value and fitting value ofwater resources ecological footprint per capita and ecological deficit／surplus in Xinjiang from 2005 to 2014

3.4.3 預測結果 預測結果顯示，新疆2015—2025年十年間水資源仍然處于赤字狀態，2015年為－3.492 hm2·人－1，逐年減少至 －7.7679 hm2·人－1。隨著經濟的發展，水資源持續開發利用情況越來越不好，水資源生態足跡呈上升趨勢，水資源承載力呈下降趨勢，水資源生態赤字越來越嚴重。由于新疆經濟發展迅速，工業發展不完善，水資源利用率低，農業用水逐步從粗放式利用轉向集約化利用，人們環保意識薄弱。因此，今后的形勢越來越嚴峻，在利用中提高節水意識。

圖7 新疆2015－2025年水資源人均生態赤字／盈余預測Fig.7 Per capita ecological deficit／surplus in Xinjiang from 2015 to 2025

4 討論與結論

通過水資源生態足跡模型和生態承載力模型，計算得到新疆水資源生態足跡和水資源承載力，通過GM（1，1）模型預測，分析新疆水資源綜合利用的發展趨勢。結果顯示：

1）2005—2014年新疆水資源生態足跡和承載力均呈上升趨勢；人均生態足跡和人均承載力呈上下波動狀態。生產用水生態足跡在三個水資源賬戶中比例最大，遠遠超出其它兩部分，占總水資源足跡的95.86%。

2）2005—2014年水資源呈生態赤字狀態。整體來看呈波動下降趨勢，從2005年的－7.83×107hm2下降至2013年的－9.06×107hm2，由于當時人們不注意水資源合理利用，缺乏生態保護觀念，耗水量大，造成水資源浪費，生態赤字嚴重，2015年又上升到－8.96×107hm2，由于科學技術水平的提高和人們節水意識增強，水資源利用與管理正在逐漸趨于合理。

3）新疆的水資源負載指數呈上升趨勢，表明水資源的利用程度逐漸加強，2005—2012年負載指數在2～5之間，表明新疆水資源利用程度中等；到了2013年以后新疆水資源開發利用已具有相當規模，水資源供給對國民經濟發展有一定的保障，進一步開發潛力較小，必須要采取一系列行之有效的節水、用水措施才能滿足新疆可持續發展的要求。

4）生態赤字預測結果為：新疆從2015—2025年十年間水資源仍然處于赤字狀態，生態赤字2015年為－3.492 hm2·人－1，逐年減少至 －7.7679 hm2·人－1。說明今后的形勢仍較嚴峻。

綜上所述，新疆水資源利用情況一直處于不可持續狀態，所以做好水資源合理利用與開發工作是未來新疆發展的重中之重。一方面優化水資源配置，防止水質污染，實行全面節水；另一方面增加水資源的重復利用率，完善相關的法律體系，建立合理的水資源管理制度。

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Calculation and prediction of water resource ecological footprint in Xinjiang

LEIYa-jun1，2，ZHANG Yong-fu1，2，ZHANG Min-hui1，2，LIANG Xue-mei1，2，SHAO Xin-juan1，2
（1.School of Resourcesɑnd Environment Science，Xinjiɑng University，Urumqi，Xinjiɑng 830046，Chinɑ；2.Key lɑborɑtory of Oɑsis Ecology，Ministry of Educɑtion，Xinjiɑng University，Urumqi，Xinjiɑng 830046，Chinɑ）

According to the basic principle and calculationmodel ofwater resources ecological footprint，the water resources load index is introduced to calculate the ecological footprint of water resources and the ecological carrying capacity ofwater resources in Xinjiang from 2005 to 2014，and the gray forecastingmodelGM（1，1）is used to predict the ecological deficit／surplus trends from 2015 to 2025.The results show that：① The ecological footprintofwater resources in Xinjiang is larger than the ecological capacity ofwater resources，and it is in ecological deficit，which decreases from－7.83×107hm2in 2005 to－9.06×107hm2in 2013，and the development rate ofwater resources is low；② The ecological footprint and carrying capacity ofwater resources in Xinjiang increased from 2005 to 2014，the per capita ecological footprint and the per capita carrying capacity fluctuated，and the ecological footprint of the production water was the largest among the threewater resourcesaccount，far exceeding the other two parts，accounted for95.86%of the total water footprint；③ The water resources load index showed an upward trend，indicating that the utilization of water resourceswas gradually strengthened.The load index was between 2～5 from 2004 to 2012，indicatedmoderate degree of utilization ofwater resources in Xinjiang；and the load index was between 5～10，the results show that Xinjiang’swater resources utilization is high and the development conditions are difficult；④ The distribution ofwater resources in Xinjiang is not uniform.The distribution ofwater resources in Southern Xinjiang，Northern Xinjiang and Eastern Xinjiang is quite different.Thewater footprint and ecological carrying capacity of Southern and Northern Xinjiang are greater than that of Eastern Xinjiang，and the Milion Yuan GDP water ecological footprint of Southern and Northern Xinjiang are less thanthat of Eastern Xinjiang；⑤ thewater resources ecological deficit from 2015 to 2025 had been predicted，it showed that Xinjiang’swater resources has been in the state of ecological deficit，which led to a decrease ofwater resources year by year.and the situation isworse which will be even severe in the future，so the use ofwater conservation awarenessmust be enhanced.

ecological footprint；load index ofwater resources；water resources ecological deficit；GM（1，1）model

TV213.9

A

1000-7601（2017）05-0142-09

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.21

2016-05-27

2016-07-12

雷亞君（1991—），女，新疆烏魯木齊人，碩士研究生，研究方向為國土資源信息科技。E-mail：leiyajun1991＠sina.com。

張永福（1975—），男，新疆烏魯木齊人，碩士生導師，主要從事國土資源評價方向的研究。E-mail：2812164105＠qq.com。