新疆水資源時空變化特征及適應性利用戰略研究

左其亭，李佳偉，馬軍霞,3，吳青松，郭佳航，李倩文

(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)

水作為自然界的基礎資源，與經濟社會發展和生態環境保護關系密切，甚至起到了決定性作用。因此水資源的開發利用需要適應自然變化及人類活動帶來的疊加影響，進而通過主動的人為措施來協調人水關系。由于新疆氣候極端干旱，植被覆蓋度較低，生態環境十分脆弱，溫度變化劇烈、人水關系極不協調，故亟須了解新疆水資源時空變化特征，并在此基礎上進行水資源適應性利用研究。目前，部分學者開展了氣候變化和人類活動影響下的水資源時空演變及適應性利用研究,如，張慧等[1]基于遙感影像、水文氣象資料，對氣候變化背景下奎屯河流域近50 a冰川變化及其對水資源的影響進行了研究；Ngom等[2]分析了人類活動對塞內加爾水資源快速演變的影響；王國慶等[3]采用水文模擬定量評估了氣候要素變化和人類活動對山西省嵐河流域河川徑流的影響;趙娜娜等[4]研究2020—2050年不同氣候變化情景下若爾蓋濕地流域徑流變化趨勢以及氣候變化對濕地徑流的影響。還有學者開展水資源利用對策和空間均衡的研究，如，克里木等[5]在總結新疆水資源稟賦及利用現狀的基礎上，進行了長期戰略對策研究。此外，筆者在文獻[6]中提出了水資源適應性利用模式及其理論體系，并在文獻[7]中完善了水資源適應性利用理論的應用規則、關鍵問題和解決途徑，在文獻[8]中提出了水資源空間均衡理論方法及應用研究框架。但總體來看，水資源演變下的水資源適應性利用問題仍有待進一步研究。本文擬進行新疆水資源時空變化特征分析和變化環境下的水資源適應性利用戰略研究。

1 新疆水資源時空變化特征分析

1.1 新疆概況

新疆位于我國西北部，面積約166萬km2，是我國陸地面積最大的省級行政單元。新疆整體水資源量較豐富，域內河流交錯、湖泊廣袤，人均水資源量位于全國前列，約為全國人均水資源量的2倍，但水資源總量小，約占全國水資源總量的3%。新疆不可利用的冰川儲量大，且有較多降雨稀少、蒸發強烈的沙漠地區，水資源較為緊缺，屬于干旱內陸[9]。由于缺水、日照強烈、蒸散發強等原因，新疆的生態環境十分脆弱。此外，新疆水資源的時空分布不均對區域經濟發展形成了較強約束。

1.2 新疆水資源時間變化特征及開發利用階段分析

新疆降水量和水資源量的時間變化趨勢見圖1(數據來源于1988—2018年的《新疆統計年鑒》)。由圖1可知，新疆1988—2018年降水量隨時間波動上升，多年平均降水量約168.5 mm。其中，1988—2000年間降水量波動劇烈，并于1996年達到1988—2018年最大值，而后在1997年陡降，降為1988—2018年間最小值；2000年以后，新疆降水量年際變化減緩，但由于氣候變化的影響，依然保持波動上升趨勢，并且在超強厄爾尼諾現象的影響下，2016年降水量達到 220 mm。1988—1999年間新疆水資源量較為穩定，在880億m3左右波動。2000年以后，新疆水資源量呈現先上升后下降的周期變化趨勢，其中，2011年水資源量為1988—2018年間極大值，達 1 113億m3，與附近年份降水量增加密切相關。總體來看，新疆水資源量及降水量都呈現增長趨勢。

圖1 新疆水資源量及年降水量變化趨勢

隨著水利事業的發展，新疆水資源開發利用目的、理念及方式發生了翻天覆地的變化。縱觀新疆水資源開發利用，可以分為4個階段：①1949年中華人民共和國成立前，新疆人口稀少，生產水平很低，水資源利用主要依靠坎兒井和引水渠道，全疆僅有3處不完整的水庫。此階段，新疆水資源開發利用水平極低，水利設施極不完善，不具備應對環境變化的水資源開發利用能力。②1978年我國改革開放前，為保障農業發展，新疆逐步興建了大批基礎水利工程，并且開始注重防洪。1952年修建了喀群引水樞紐，是葉爾羌河第一級引水樞紐，后來依次修建了大泉溝水庫、猛進水庫、八一水庫。此階段，新疆水資源開發利用水平開始上升，防洪調蓄體系雛形初顯。③1978年我國改革開放以后，新疆水利設施建設不斷完善，水資源開發利用逐漸合理。1988年頒布《中華人民共和國水法》后，新疆頒布了地方性法規，水資源管理水平逐步提高。在原有水資源開發利用基礎上，開展了農村飲用水安全工程建設、水土保持治理工程建設、河流堤防工程加固。此階段，新疆水資源開發利用水平穩步提高，防洪調蓄體系逐步完善。④“十二五”規劃以來，新疆水利建設投入不斷增加，水利事業蓬勃發展。自2011年開始實施最嚴格水資源管理制度，新疆制定了大量管理規定和考核方法，水資源管理逐漸完善，水權水市場建立、生態文明建設、水土保持綜合治理和防洪調蓄建設齊頭并進。此階段，新疆水資源開發利用水平達到全新高度，防洪調蓄體系基本完善。

1.3 新疆水資源空間變化特征及空間均衡調控

新疆水資源空間分布不均，整體上呈現北多南少、西多東少，山區多、平原少的空間分布特征。以2018年為例，北疆年均降水量較大，達238.1 mm，是全疆年均降水量(168.5 mm)的1.4倍；南疆降水次之，為95.8 mm；東疆地區降水極其稀少，僅為 37.0 mm，為北疆降水量的16%。除降水量差距大外，各地區水資源量的空間分布也極不均衡。北疆面積占全疆23%，但水資源量達416.08億m3，占全疆的48%；東疆面積占全疆12%，但水資源量僅22.31億m3，僅占全疆的3%，與南北疆差距懸殊。具體到各地州，不同地州差距極為懸殊，水資源呈現極不均衡的空間分布特征。

新疆的經濟發展呈現明顯的空間集聚狀態。總體來看，北疆經濟發展水平較高，南疆經濟發展水平較低，其中和田、喀什最為落后。以2018年為例，克拉瑪依市人均GDP最高，達15萬元，是和田地區的13倍、喀什地區的8倍。此外，位于天山北坡經濟帶的烏魯木齊市、石河子市及克拉瑪依市是新疆經濟最發達、產業最集中、人口最密集的區域，經濟發展水平普遍較高。但是這些地區的水資源量卻并不豐富，屬于嚴重的資源型缺水地區。以克拉瑪依市和石河子市為例，2018年兩市的人均GDP居全疆前列，但其水資源量分別僅為0.46億m3和0.15億m3，遠低于其他地區。相對而言，位于南疆的和田、喀什地區經濟水平較低，但水資源豐度較高，地下水資源豐富[10]。

圖2 2018年新疆水資源量和人均GDP空間分布及水資源調配線路

新疆經濟發展布局與水資源的空間分布存在明顯不匹配現象，如圖2所示。部分地區經濟發展超過當地水資源承載能力，嚴重制約了區域經濟社會可持續發展并導致生態環境惡化。為改善水資源空間不均衡的現狀，可通過跨區域或流域調水工程調整水資源分配格局，加大引調水力度，滿足各地不同的用水需求。新疆水資源西多東少、北多南少的客觀自然條件決定了其水資源開發利用中西水東引、北水南調的宏觀戰略布局。近年來，新疆在伊犁河、額爾齊斯河、塔里木河流域規劃建設了一系列水利工程。其中，“引額調水”工程位于新疆北部，包括“引額濟克”“引額濟烏”“西水東引”三大部分(圖2中顯示為調水路線①②③)。“引額濟克”和“引額濟烏”通過從額爾齊斯河引水到克拉瑪依和烏魯木齊經濟區及沿線地區，有效解決了該地區資源型缺水問題；“西水東引”將額爾齊斯河下游支流布爾津河的余水調往額爾齊斯河中游，主要供應當地農牧業用水。此外，2000年以來，從開都河及博斯騰湖向塔里木河下游緊急輸水(圖2中顯示為調水路線④)，有效解決了塔里木河下游部分河道近30年的斷流問題[11]。2001年啟動了塔里木河流域近期綜合治理工程，2016年實施塔里木河全流域調水(圖2中顯示為調水路線⑤)，向3個重點胡楊林保護片區和孔雀河中下游緊急補水，實現塔里木河流域上、中、下游的全覆蓋。這些調水工程一定程度上解決了水資源時空分布不均、經濟結構布局不合理的問題。此外，伊犁河全流域處于迎風面，降水豐富，是全疆徑流量最豐富的河流，目前水資源可開發利用潛力很大[12-13]，未來可考慮將伊犁河水調往北疆及塔里木河流域(圖2中顯示為調水路線⑥、⑦)。從長遠來看，新疆面積廣闊、地形地貌復雜且河流眾多，水資源調配難度較大，未來應著眼于大生態、大格局、大戰略的全新思路，積極探索科學可行的水資源調配路線，制定空間均衡管控下的水資源適應性利用對策，以使水資源開發利用與水資源天然分布及經濟社會發展布局相適應。

2 不同氣候模式下新疆水資源演變分析

實現水資源的合理開發利用需考慮未來氣候變化和人類活動的影響。科學評估新疆未來氣候變化下的水資源情勢，是制定該地區水資源適應性利用對策及戰略的基礎工作。選取3個在新疆具有較好模擬能力的CMIP5全球氣候模式[14-15]，即CanESM2、CNRM-CM5和MPI-ESM-LR，考慮RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5這3種溫室氣體排放情景，模式輸出均采用r1i1p1集合成員，運用算術平均法處理柵格數據得到面平均值，基準期確定為1988—2018年，以此分析新疆未來降水變化趨勢和幅度，結果見圖3。由圖3可知，相較于基準期平均降水量，不同氣候模式預估2026—2055年降水量均偏多，僅有部分年份處于偏低水平，在此趨勢中，不同排放情景也表現出明顯的差異，RCP2.6情景下出現降水偏低年份最多，RCP4.5和RCP8.5基本相當，出現上述現象的主要原因為所選氣候模式為升溫模式，氣候變暖會加速新疆地區水循環，進而導致降水偏多。此外，相較氣溫等變量，不同氣候模式對降水的預估結果存在較大的不確定性，為更好描述未來新疆降水變化趨勢，對預估結果進行線性擬合得趨勢線見圖3。具體來說，CanESM2和CNRM-CM5兩種模式在不同排放情景下均表現為增加趨勢，線性升率分別介于每10 a 3.69～7.29 mm和2.76～9.07 mm；相對而言，MPI-ESM-LR模式在RCP2.6和RCP4.5排放情景下表現為下降趨勢，而RCP8.5下則呈現緩慢增加趨勢。分析多模式平均結果，3種不同排放情景下新疆未來多年平均降水量較基準期將分別增加15.6%、20.8%和22.2%。

進一步結合已有研究發現，由于氣候變化的影響，新疆未來整體將持續保持變暖增濕趨勢，但變化趨勢在空間維度上存在較為顯著的差異。針對降水量相對較多的夏季，新疆地區2026—2055年降水量整體表現為南增北減。具體空間分布為，北疆大部分地區和東疆部分地區略微減少，而伊犁河谷和南疆大部分地區則顯著增多，且其年際變率呈現逐漸增大趨勢[15]。綜上分析，未來新疆地區降水增加將在一定程度上導致水資源量的增多，然而氣溫升高會加大水資源的蒸散發量，同時降水的年內、年際及空間差異性變化將進一步改變現有的水資源時空分配格局，加劇水資源開發利用的復雜性，現有的水資源利用方式亟須做出相應的調整。與此同時，人類活動的更高強度作用將加大對地區水資源承載能力的需求程度，加深對生態環境的破壞力度[12]。因此，為合理開發利用水資源以支撐新疆地區持續高質量發展，需考慮現狀水平和未來變化，提出對應的水資源適應性利用對策及戰略框架。

(a) RCP2.6

3 變化環境下新疆水資源適應性利用對策及戰略框架

3.1 水資源適應性利用理論及應用

合理應對環境變化對人水系統發展帶來的挑戰，引導水資源合理開發利用以保障水系統良性循環，需要以水資源適應性利用理論作為支撐[16]。筆者在文獻[7]具體給出了水資源適應性利用理論的框架體系，簡單來說，水資源適應性利用以人文系統與水系統聯系而成的人水系統為研究對象，在考慮人類活動、水文氣象等驅動因子動態變化的基礎上，遵循自然規律和社會發展規律，科學調整水資源利用方式以實現水資源在時空維度的可持續開發利用，進而實現人水和諧目標。

圖4 新疆水資源適應性利用對策及戰略框架

應用水資源適應性利用理論解決具體問題的過程中，不能主觀隨意地制定水資源適應性利用方案，需遵循相應的規律和原則，也不能刻板地套用固定模式，而應結合地區現狀、未來規劃等具體問題進行具體分析。此外，制定水資源適應性利用方案不是一蹴而就，它符合唯物辯證法的否定之否定規律，是一個螺旋上升、循環往復的過程，因此，只有系統地考慮上述多個方面，才能在實踐中正確、有效應用水資源適應性利用理論，在動態優化的過程中體現其所具備的主體功能，完成其所肩負的重要任務。如，筆者在文獻[6]進行了南水北調中線水源區水資源適應性利用研究，根據南水北調中線、引漢濟江和引漢濟渭三大調水工程的實施劃分了3個階段，分別確定了3個階段的水資源適應性利用方案。此外，我國提出的諸多治水思想和戰略都蘊含著對水資源適應性利用的思考[5]。

3.2 應對環境變化的新疆水資源適應性利用對策選擇途徑

面對新疆水資源的時空演變特征，以及不確定氣候環境造成的水系統改變，本文提出了變化環境下的新疆水資源適應性利用對策及戰略框架，見圖4。針對新疆人水系統，首先剖析新疆水資源的時空變化特征，在此基礎上制定初步的水資源利用方案；其次，水資源利用方案需要適應環境變化的影響，通過制定一套完整的評估方法對該水資源利用方式進行評估，當水資源利用方式無法通過評估時，重新調整水資源利用方案，直至得到該環境下的和諧平衡[17]；最后，確定最終的水資源利用方案并應用于實際問題的解決。水資源適應性利用方案的確定是一個循環往復的過程，當環境、氣候等發生變化時，會造成水資源時空變化，進而影響水資源利用方案的制定。更重要的是，環境變化會打破原有人水和諧關系，使得原有水資源利用方式無法通過評估，需要再次調整水資源利用方案，直至得到新變化環境下的和諧平衡。

根據新疆水資源適應性利用對策，結合上述分析結果，未來一段時期內，新疆降水呈現增加態勢，降水這一環境變化會對新疆水資源造成影響，原有的人水和諧關系會有所改變。因此，需要通過科學的方法重新調整水資源利用方案，如進行水資源均衡調控、強化水資源管理、調整經濟發展模式等，以達到新環境下的和諧平衡，實現人水和諧目標。針對不同地區，由于氣候變化或引水工程帶來的改變，各地區也應制定相應的水資源適應性利用方案，通過加強管理、調整經濟規模、強化節水等方法實現新條件下的和諧平衡。

3.3 新疆水資源適應性利用戰略

面對新疆水資源特征及未來演變趨勢，實現新疆水資源適應性利用，需要構建三大支撐體系，即工程支撐、政策支撐及科技支撐，對應水資源均衡調配、節水優先、嚴格水資源管理、智慧水利四大戰略。

a. 水資源均衡調配戰略。新疆地域遼闊，資源富集，各地區水資源條件和經濟社會發展水平差異較大。為解決人水發展不匹配及潛在的環境變化問題，新疆應著眼于構建多層次、多功能、多形式的調水渠道網絡，從區域、流域、城市層面布局水系連通網絡，實現跨區域調水的同時，增強年內、年際調解，提高新疆變化環境下的水資源調配能力。

b. 節水優先戰略。面對水資源緊缺的現實情形，新疆需要開展節水優先戰略。一方面，積極發展高效節水農業，并合理調整產業結構。由于新疆水資源利用結構不甚合理，農業用水量長期占用水總量的90%以上，因此新疆節水的主要潛力在農業。另一方面，合理開采地下水資源，利用地下水輸水距離近、調度方便的特點[10]，將地下水開發與高效節水相結合。

c. 嚴格水資源管理戰略。在統一規劃的前提下，加強監測，強化管理，有助于提高新疆水資源適應性能力。在水資源管理中應注重最嚴格水資源管理和水生態文明建設，強化水資源稅收、水權交易、生態補償等制度。

d. 智慧水利戰略。為保障變化環境下的新疆水資源適應性利用能力，需要實現流域科學管理。水資源開發利用應實現信息化、管理智能化，充分利用物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術，實現新疆傳統水利向智慧水利轉變，構建科學合理的水資源利用管理平臺。除此之外，應提高自身科技水平，大力發展節水科技、中水回用技術以應對變化環境下的水資源利用問題。

4 結 語

本文基于新疆水資源變化特征及不同氣候模式下的演變分析，依據對水資源適應性利用的理解，提出了水資源均衡調配、節水優先、嚴格水資源管理、智慧水利四大戰略。在今后研究中，可進一步深入水資源適應性利用機理研究，定量識別主要驅動因子，加強變化環境下水系統模擬研究，量化水資源適應性利用對策。