新疆白楊河流域水資源承載力分析

張桂林

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

水資源作為不可再生的自然資源，影響著一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，決定了人類的生存[1]。經(jīng)過第一次、第二次工業(yè)革命后，環(huán)境污染、水資源短缺等現(xiàn)象已嚴(yán)重影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人民幸福生活的質(zhì)量，因此各國(guó)分別把水資源問題作為國(guó)家戰(zhàn)略主要議題之一[2]。當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已經(jīng)嚴(yán)重影響水資源利用和生態(tài)環(huán)境，解決水資源供需問題和加強(qiáng)流域可利用水資源管理，同時(shí)保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前亟待需要解決的問題[3]。

“承載力”一詞最早源于生態(tài)學(xué)，人們從種群的發(fā)展規(guī)律中逐漸認(rèn)識(shí)承載力的意義。直到20世紀(jì)60年代，人們提出了水資源承載力概念，水資源承載力作為評(píng)價(jià)區(qū)域水資源的一個(gè)基本度量，是衡量地區(qū)水資源緊缺可持續(xù)發(fā)展的決定性指標(biāo)[4]。張旭等[5]采用主成分分析法尋找影響阿克蘇河流域水資源承載力的因素，得到人口、經(jīng)濟(jì)、水資源總量、農(nóng)業(yè)用水是影響阿克蘇流域水資源承載力的主要因素。譚琨等[6]通過分析文山市的水資源現(xiàn)狀，建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)文山市進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià)，得出當(dāng)下文山市環(huán)境承載力最大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)承載力最小，表明流域整體承載力較好，資源條件趨弱，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后。Marianne Milano 等[7]以埃布羅集水區(qū)為例，建立降雨-徑流模型和一個(gè)驅(qū)動(dòng)的蓄水壩水資源綜合評(píng)價(jià)模型，針對(duì)奧蘭地區(qū)水資源短缺現(xiàn)象。

本文通過對(duì)新疆白楊河流域水資源利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，目前該流域存在水資源短缺、地下水超采、上下游配水不均等現(xiàn)象。為了更加直觀地反映該流域水資源利用現(xiàn)狀，因此選擇與該流域緊密相關(guān)的19個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立水資源承載力綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)該流域水資源進(jìn)行承載力計(jì)算，更加直觀地反映當(dāng)下該流域水資源利用現(xiàn)狀，為白楊河流域管理局對(duì)該流域水資源的管理提供參考，加強(qiáng)水資源的管理和利用。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

新疆白楊河古稱白水河，位于博格達(dá)山、喀拉烏成山、覺羅塔格山之中，呈三面環(huán)山，總體地勢(shì)西北高、東南低，發(fā)源于東天山支脈博格達(dá)山南坡，系阿拉溝支流，屬艾丁湖水系，上游烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)的黑溝、阿克蘇河、高崖子河是白楊河流域的主要水源，由北流向南，最終注入距托克遜縣城東南約50 km的艾丁湖，其間在巴依托海峽谷又有柯爾堿溝匯入其中，流域總面積5 173.4 km2。新疆白楊河流域水系分布圖見圖1。

圖1 新疆白楊河流域水系分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究以2018年為現(xiàn)狀年，該流域經(jīng)濟(jì)、用水量、耕地面積等各項(xiàng)有關(guān)數(shù)據(jù)來源于歷年烏魯木齊年鑒、新疆年鑒、(2015、2017、2018年)吐魯番年鑒、(2013、2018年)新疆白楊河流域規(guī)劃。見表1。

表1 新疆白楊河流域現(xiàn)狀年數(shù)據(jù)

2 水資源承載力綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 影響水資源承載力的因素

水資源承載力指標(biāo)體系是水資源承載力評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，決定水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。以對(duì)水資源承載力系統(tǒng)的客觀認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，尋找影響流域水資源承載力的各種因素[8]。影響一個(gè)地區(qū)水資源承載力的因素主要有水資源總量、開發(fā)利用和污染程度、人類社會(huì)活動(dòng)、生態(tài)環(huán)境需水、水資源優(yōu)化配置等。水資源總量決定了一個(gè)地區(qū)水資源承載力。水資源的開發(fā)利用程度能直接影響一個(gè)地區(qū)水資源總量。水質(zhì)是影響水資源總量的主要因素，只有符合人類生活用水標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)才能被利用。人類的社會(huì)活動(dòng)、生活方式直接影響一個(gè)地區(qū)的水資源總量的變化，不同生產(chǎn)力下在同樣的水量創(chuàng)造出農(nóng)業(yè)和工業(yè)產(chǎn)品數(shù)量不同。水資源承載力是在以保護(hù)生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)上發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)，定量確定生態(tài)環(huán)境保護(hù)準(zhǔn)則和生態(tài)環(huán)境需水量[9]。因此，水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取過程中要嚴(yán)格遵循科學(xué)性、整體性、實(shí)用性原則。

2.2 構(gòu)建指標(biāo)體系

新疆白楊河流域水資源承載力指標(biāo)體系根據(jù)科學(xué)性、整體性、實(shí)用性、數(shù)據(jù)可獲得性原則進(jìn)行選取，把新疆白楊河流域、托克遜縣、達(dá)坂城區(qū)的承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次。目標(biāo)層包括承載力指數(shù)和協(xié)調(diào)指數(shù)，表示新疆白楊河流域水資源承載力綜合評(píng)價(jià)總目標(biāo)；準(zhǔn)則層包括水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、協(xié)調(diào)系統(tǒng)，指標(biāo)層選取與新疆白楊河流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣水資源承載力緊密聯(lián)系的19個(gè)具體評(píng)價(jià)指標(biāo)。借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新疆白楊河流域構(gòu)建水資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表2。

表2 水資源承載綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3 構(gòu)建水資源承載力綜合評(píng)價(jià)模型

運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)新疆白楊河流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià)，根據(jù)流域水資源利用和社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀選取19個(gè)最能反映社會(huì)發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，代入水資源承載力的計(jì)算公式，進(jìn)而計(jì)算流域綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。

1)經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)。經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)反映當(dāng)前該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展給水資源帶來的壓力，它將當(dāng)前經(jīng)濟(jì)壓力與水資源所能承受的經(jīng)濟(jì)壓力作對(duì)比，該地區(qū)水資源面臨的經(jīng)濟(jì)壓力隨著比值的增大逐漸增大。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：FEI為經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)；GDP為當(dāng)前經(jīng)濟(jì)規(guī)模，萬元；GDPmax為地區(qū)持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)下的水資源承載力最大經(jīng)濟(jì)規(guī)模，萬元。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：W為水資源總量，m3；a為水資源開發(fā)利用系數(shù)；gdp為萬元產(chǎn)值用水量，m3。

2)人口壓力指數(shù)。人口壓力指數(shù)體現(xiàn)當(dāng)前流域水資源面臨人口壓力的大小，它是當(dāng)前流域人口除以流域水資源所能承受的最大人口數(shù)量，流域水資源面臨的壓力隨人口壓力的增大而增大。計(jì)算公式如下：

(3)

式中：FPI為人口壓力指數(shù)；P為當(dāng)前流域人口，人；Pmax為流域所能承受的最大人口規(guī)模，人。計(jì)算公式如下：

(4)

式中：W為水資源總量，m3；pop為人均用水量下限，這里取1 000 m3[10]。

3)承載壓力指數(shù)。承載壓力指數(shù)描述流域內(nèi)復(fù)合系統(tǒng)發(fā)展所承載的壓力[11]。計(jì)算公式如下：

(5)

式中：PI為水資源復(fù)合系統(tǒng)的壓力指數(shù)；SI為水資源復(fù)合系統(tǒng)的支持力指數(shù)。

水資源復(fù)合系統(tǒng)的壓力指數(shù)PI計(jì)算公式：

(6)

水資源復(fù)合系統(tǒng)支持力指數(shù)SI計(jì)算公式為：

(7)

式中：wsi、wpi為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；Xi為標(biāo)準(zhǔn)化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4)協(xié)調(diào)指數(shù)。協(xié)調(diào)指數(shù)表示流域資源環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的協(xié)調(diào)狀態(tài)，流域水資源利用水平與協(xié)調(diào)指數(shù)成正向關(guān)系，計(jì)算公式如下：

(8)

式中：whi為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；Xi標(biāo)準(zhǔn)化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

5)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。在人口壓力指數(shù)、經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)、承載力指數(shù)以及協(xié)調(diào)指數(shù)的基礎(chǔ)上，從宏觀和綜合兩個(gè)角度量化水資源承載力的大小，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型，有效分析流域水資源承載力的狀態(tài)和配水協(xié)調(diào)情況。水資源綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算公式如下：

(9)

式中：α、β為人口壓力指數(shù)和經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)代表的權(quán)重，這里取0.5；FPI為人口壓力指數(shù)；FEI為經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)；BPI承載壓力指數(shù)；HI協(xié)調(diào)指數(shù)。

根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，把水資源承載力標(biāo)準(zhǔn)分為5個(gè)級(jí)別[11]。見表3。

表3 水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)

3 結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

利用熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重：①對(duì)初始值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，減少各指標(biāo)之間的差距。②對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后出現(xiàn)負(fù)值的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，計(jì)算各指標(biāo)中每個(gè)樣本所占比重。③計(jì)算各指標(biāo)熵冗余度。④計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。以新疆白楊河流域2013-2018年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用熵權(quán)法求得個(gè)指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3.2 計(jì)算綜合評(píng)價(jià)模型

將表4中的指標(biāo)權(quán)重分別帶入式(1)、式(3)、式(5)、式(8)，計(jì)算新疆白楊河流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣的人口壓力指數(shù)、經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)、承載力壓力指數(shù)、協(xié)調(diào)指數(shù)，把得到的壓力指數(shù)帶入式(9)，計(jì)算流域承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，其中白楊河流域和達(dá)坂城區(qū)處于水資源承載力瀕臨超載，水資源利用處于不協(xié)調(diào)狀態(tài)。新疆白楊河流域及各地區(qū)水資源承載力詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 新疆白楊河流域水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 水資源承載力結(jié)果分析

1)人口壓力指數(shù)和經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)分析。從表5可知，現(xiàn)狀年新疆白楊河流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣的人口壓力指數(shù)分別為0.4、0.3、0.5，經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)分別為0.9、0.7和1.0。經(jīng)濟(jì)給流域水資源帶來的壓力相對(duì)較大。從空間上看，人口壓力指數(shù)和經(jīng)濟(jì)壓力呈現(xiàn)上游低、下游高的現(xiàn)象。

2)承載壓力指數(shù)分析。新疆白楊河及各供水地區(qū)現(xiàn)狀年承載壓力指數(shù)見表5，從空間上看，新疆白楊河流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣的承載壓力指數(shù)均大于2，表明當(dāng)下流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展給流域水資源帶來的壓力較大，其中下游托克遜地區(qū)承載壓力最大。

3)協(xié)調(diào)壓力指數(shù)分析。流域及各供水地區(qū)協(xié)調(diào)壓力指數(shù)均為0.5，流域各地的水資源與社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)水平不斷提高。

4)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分析。托克遜縣水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)較高，處于瀕臨超載，水資源利用處于輕度不協(xié)調(diào)狀態(tài)，在短期內(nèi)水資源不會(huì)影響流域和達(dá)坂城地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，當(dāng)下需提高流域的水資源利用效率。新疆白楊河流域和達(dá)坂城區(qū)水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)相對(duì)較低，屬于輕度超載范圍，水資源利用處于水資源短缺狀態(tài)。

4 結(jié) 論

以新疆白楊河流域2013-2018年水資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)新疆白楊河流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣進(jìn)行承載力評(píng)價(jià)，結(jié)論如下：

1)通過各系統(tǒng)所占權(quán)重對(duì)比分析，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的權(quán)重為0.3，對(duì)新疆白楊河流域的水資源承載力影響較大；生態(tài)系統(tǒng)的權(quán)重為0.05，對(duì)該流域水資源承載力影響較小。

2)流域人口給水資源帶來的壓力相對(duì)較小，經(jīng)濟(jì)壓力較大。從空間上看，人口壓力指數(shù)和經(jīng)濟(jì)壓力呈現(xiàn)上游低、下游高的現(xiàn)象。同時(shí)，流域各地的水資源與社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)水平不斷提高。

3)當(dāng)前新疆白楊河流域和達(dá)坂城區(qū)水資源綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分別為1.0和0.9，處于瀕臨超載和輕度不協(xié)調(diào)。托克遜縣水資源綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為1.2，處于輕度超載和水資源短缺的狀態(tài)。