塔里木河流域水資源承載力變化及其驅(qū)動(dòng)力分析

頡淵++孜比布拉·司馬義++鄭麗++帕孜麗婭木·木力提江

摘要：通過構(gòu)建水資源承載力指標(biāo)體系，選取18個(gè)水資源承載力影響因子，運(yùn)用主成分分析法對(duì)2005-2013年塔里木河流域水資源承載力變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并評(píng)價(jià)其驅(qū)動(dòng)力。分析出2005-2013年，F(xiàn)值從 -2.341 7增加到3.380 5，塔里木河流域水資源承載力總體上呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人口數(shù)量是塔里木河流域水資源承載力變化的主要驅(qū)動(dòng)力。最后提出應(yīng)合理控制農(nóng)業(yè)人口數(shù)量，合理規(guī)劃灌溉面積，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高新型城鎮(zhèn)化水平等建議，以增強(qiáng)水資源的可持續(xù)發(fā)展能力。

關(guān)鍵詞：水資源承載力；動(dòng)態(tài)變化；驅(qū)動(dòng)力；主成分分析；塔里木河流域

中圖分類號(hào)：TV213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）18-4685-006

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.016

水資源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，其承載能力的高低影響著地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。對(duì)水資源的研究一直是國內(nèi)外研究的重要課題之一。對(duì)于水資源承載力（Water Resources Carrying Capacity，WRCC）的研究，學(xué)者大多將水資源承載力納入可持續(xù)發(fā)展理論中，如 Harris[1]著重研究了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)水資源承載力狀況，并作為地區(qū)發(fā)展?jié)摿Φ囊豁?xiàng)衡量標(biāo)準(zhǔn)；Rijiberman等[2]在研究城市水資源承載力中將承載力作為區(qū)域水資源安全的衡量標(biāo)準(zhǔn)。中國雖然在水資源承載力研究上起步相對(duì)較晚，但成果頗豐。自20世紀(jì)80年代施雅風(fēng)明確提出水資源承載能力的概念，迄今為止仍然未形成一個(gè)完整的理論體系[3，4]。水資源承載力可理解為是一個(gè)度量區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受水資源制約的閾值，是水量供需平衡與退化到臨界狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的水資源量的人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模[5]。

水資源承載力的動(dòng)態(tài)分析和評(píng)價(jià)是根據(jù)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)該區(qū)域水資源的開發(fā)利用狀況進(jìn)行定量描述，從而全面地分析出水資源承載力的狀況，為水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)和決策支持[6]。常用的評(píng)價(jià)方法主要有背景分析法[7]、層次分析法、多目標(biāo)決策分析法、模糊綜合評(píng)判法[8]、DPSIR模型[9]、主成分分析法[10-12]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13]、綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)法[14]、區(qū)域水資源的供需平衡模型[15]等。本研究采用主成分分析法對(duì)塔里木河流域水資源承載力進(jìn)行定量研究，分析其動(dòng)態(tài)變化特征，并對(duì)其主要驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

塔里木河流域是中國最大的內(nèi)陸河流域，是干旱區(qū)典型的生態(tài)環(huán)境脆弱帶[16]。對(duì)于塔里木河流域水資源承載力的研究成果較多。對(duì)其梳理，主要有以下幾種觀點(diǎn)：①從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)，研究綠洲地區(qū)水資源脆弱性[17]、生態(tài)需水量[18]。②從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，研究氣候變暖背景下塔里木盆地水資源的可持續(xù)利用[19]、水資源利用方式[20]、水資源合理配置[21]、相對(duì)承載力[22]。③從人類活動(dòng)影響的角度出發(fā)，研究人類活動(dòng)對(duì)水資源和生態(tài)環(huán)境的影響[23]、城鎮(zhèn)化過程中水資源的利用[24]?？梢钥闯?，對(duì)塔里木河流域水資源承載力最新的動(dòng)態(tài)變化和驅(qū)動(dòng)力分析較少。因此，依據(jù)近期的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從整體上科學(xué)把握塔里木河流域的水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化特征，對(duì)地區(qū)政策措施的提出具有一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

塔里木河流域位于新疆南部天山與昆侖山、阿爾金山山脈之間，自西向東繞塔克拉瑪干沙漠北緣貫穿塔里木盆地，輻射面積達(dá)102×104 km2，是中國最大的內(nèi)陸河流域。屬大陸性暖溫帶極端干旱氣候，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干燥，水資源形成條件差[24]。流域涵蓋巴音郭楞蒙古族自治州（簡稱巴州）、克孜勒蘇柯爾克孜自治州（簡稱克州）、喀什地區(qū)、和田地區(qū)和阿克蘇地區(qū)。塔河干流自身不產(chǎn)流，三大源流阿克蘇河、葉爾羌河和和田河是其干流的主要補(bǔ)給來源，開都河-孔雀河流域曾與塔河干流失去地表水利聯(lián)系，近年來通過庫塔干渠與塔河干流相連，與三大源流統(tǒng)稱為“四源一干”。塔里木河流域主要以冰川融雪補(bǔ)給為主，是保障塔里木盆地經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和各族人民生活的生命線[25]。塔里木河流域各縣市主要沿河流分布，綠洲的人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源具有明顯的依賴性，水資源的承載能力關(guān)乎綠洲社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)來源

結(jié)合塔里木河流域特征，以塔里木河流域所在的5個(gè)地州的數(shù)據(jù)或總和為研究中所用的塔里木河流域部分?jǐn)?shù)據(jù)來源，以更好地從整體上反映城鎮(zhèn)化過程中塔里木河流域水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化特征。所用2005-2013年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來源于2006-2014年各年的《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》《新疆城市、縣城統(tǒng)計(jì)年報(bào)》《各地州統(tǒng)計(jì)年鑒》《各地州國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。

3 水資源承載力動(dòng)態(tài)特征分析及綜合評(píng)價(jià)

3.1 水資源承載力的主成分分析

運(yùn)用主成分計(jì)算公式及SPSS等統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)、相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值、主成分貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率（表1-表4）。由表2分析出水資源承載力的各項(xiàng)指標(biāo)之間存在著不同的相關(guān)性。其中，x1與x3、x1與x18、x3與x9、x3與x11、x3與x18、x7與x9、x17與x18之間分別存在著一定的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.92、0.88、0.86、0.89、0.85、0.95，證明可以進(jìn)行主成分分析。由表3可知前4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為91.029%（≥85%），總體代表了因子對(duì)塔里木河流域地區(qū)水資源承載力的影響，從而進(jìn)一步得到主成分載荷矩陣。

由統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算出相關(guān)矩陣R的特征值K、累積方差貢獻(xiàn)率E及主成分載荷矩陣（表3、表4）。由表3得知，當(dāng)E>85%時(shí)的最小m為4，因此本研究取前4個(gè)主成分進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的4個(gè)特征值分別為k1=8.936、k2=3.647、k3=2.281、k4=1.522。由方差貢獻(xiàn)率公式可知，各個(gè)特征值的方差貢獻(xiàn)率即為各主成分量的權(quán)重：e1=49.646%、e2=20.260%、e3=12.670%、e4=8.453%。從表3中可以看出前4個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到91.029%，因此，選擇前4個(gè)主成分作為研究對(duì)象。

3.2 水資源承載力動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)分析

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)軟件以及主成分的運(yùn)算公式得到主成分F1、F2、F3、F4與各因子之間的線性關(guān)系式，同時(shí)根據(jù)綜合得分=因子得分×方差貢獻(xiàn)率，計(jì)算綜合得分F。根據(jù)F值的大小來表明水資源承載力的情況，值越大說明該年度水資源承載力越小，然后對(duì)其進(jìn)行排序，通過排序來分析在一定時(shí)間序列上塔里木河流域水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化情況。

首先計(jì)算主成分函數(shù)表達(dá)式，由各自主成分的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化之后的變量y相乘得到。下面以2005年數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算，以此類推，可計(jì)算出2005-2013年各年的F值（表5）。

F1=0.321 8y1+0.169 3 y2+0.324 5 y3-0.311 4 y4+0.015 1 y5-0.179 6 y6+0.272 6 y7+0.280 3 y8+0.292 0 y9+0.109 1 y10+0.303 1 y11-0.279 0 y12-0.018 1 y13-0.116 4 y14+0.154 2 y15+0.011 0 y16+0.279 7 y17+0.312 1 y18

F2=-0.007 9 y1+0.179 1 y2+0.043 5 y3+0.043 5 y4+0.439 3 y5+0.336 2 y6+0.241 9 y7+0.225 2 y8+0.195 8 y9+0.092 2 y10-0.052 4 y11+0.028 3 y12+0.462 4 y13+0.230 9 y14-0.326 2 y15+0.316 3 y16-0.129 3 y17-0.092 7 y18

F3=-0.120 5 y1-0.033 8 y2-0.141 0 y3+0.126 5 y4-0.316 5 y5-0.337 7 y6+0.178 8 y7+0.162 2 y8-0.013 9 y9+0.526 4 y10+0.086 7 y11+0.035 8 y12+0.047 7 y13+0.439 6 y14-0.329 7 y15-0.270 8 y16+0.103 3 y17-0.043 0 y18

F4=0.004 1 y1+0.590 1 y2-0.042 1 y3-0.156 4 y4+0.168 6 y5+0.131 3 y6+0.005 7 y7-0.032 4 y8+0.006 5 y9-0.176 7 y10-0.196 2 y11+0.373 7 y12-0.220 5 y13+0.128 9 y14-0.138 6 y15-0.458 8 y16+0.225 3 y17+0.154 0 y18

F=0.496 5 F1+0.202 6 F2+0.126 7 F3+0.084 5 F4

水資源承載力與水資源承載力綜合評(píng)價(jià)的F值呈負(fù)相關(guān)。從表5和圖1可以看出2005-2008年F值變化較大，水資源承載能力降低較快；2008-2010年F值總體平穩(wěn)，水資源承載力下降緩慢；2010-2013年F值變化比較明顯，從-0.016 3上升到3.380 5，水資源承載力下降相應(yīng)也最為明顯?？傮w來看，塔里木盆地地區(qū)2005-2013年水資源承載力呈明顯的下降趨勢(shì)。

4 塔里木河流域水資源承載力變化驅(qū)動(dòng)力分析

由主成分載荷矩陣（表4）可以看出x1、x3、x7、x8、x9、x11、x17、x18與第一主成分有較大的正相關(guān)性，x5、x13與第二主成分有較大正相關(guān)性，x10與第三主成分有較大的正相關(guān)性，x2與第四主成分有較大的正相關(guān)性。綜上所述，將塔里木河流域地區(qū)水資源承載力驅(qū)動(dòng)因素歸納為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人口、第三產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展4個(gè)主要的驅(qū)動(dòng)力類型。

4.1 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

第一主成分包含了49.646%的主成分貢獻(xiàn)率，屬于主控因子，是影響塔里木河流域地區(qū)水資源承載力的主要驅(qū)動(dòng)力，可以控制其他因子的變化，主要包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、耕地面積和灌溉面積。近年來，在國家政策傾斜和對(duì)口支援下，塔里木河流域所在的南疆地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)取得了較快發(fā)展，但出現(xiàn)了水資源供需矛盾突出、生態(tài)環(huán)境退化和區(qū)域發(fā)展不平衡等諸多問題。2005-2013年，塔里木河流域地區(qū)生產(chǎn)總值從698.37億元增加到2 576.39億元，水資源需求不斷增大（圖2）。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得知，年末耕地面積從114.451萬hm2增加到169.344萬hm2，有效灌溉面積從112.284萬hm2增加到155.981萬hm2，農(nóng)業(yè)用水占用水總量的比重最大，并且呈現(xiàn)遞增的態(tài)勢(shì)，而工業(yè)、三產(chǎn)、居民生活和生態(tài)等用水量相對(duì)較少（圖3）。

4.2 人口

第二主成分包含了20.260%的貢獻(xiàn)率。主要是水資源總量和人均用水量。受水資源總量限制，水資源能夠承載的用水量有限。隨著人口的持續(xù)增長和人均用水量逐漸增加，對(duì)水資源承載力的影響相應(yīng)增大。2005-2013年，塔里木河流域地區(qū)總?cè)丝趶?43.12萬人增長到1 082.07萬人，增長幅度較大，用水量相應(yīng)增加。就人均用水量來看，2005-2009年基本穩(wěn)定，2010年有所下降，2010-2013年呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)上升趨勢(shì)。由此可知，近年來，人均用水量增加較快（圖2-3）。

4.3 第三產(chǎn)業(yè)

第三主成分包含了12.670%的貢獻(xiàn)率。主要是第三產(chǎn)業(yè)用水量。相對(duì)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，第三產(chǎn)業(yè)用水比重較小。如2013年，農(nóng)業(yè)用水量為348.02億m3，第三產(chǎn)業(yè)僅為0.68億m3，相差極大。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸加快，因此，第三產(chǎn)業(yè)仍對(duì)水資源承載力構(gòu)成一定的影響，主要體現(xiàn)在餐飲、住宿等服務(wù)業(yè)上。

4.4 城市化水平

第四主成分包含了8.453%的貢獻(xiàn)率。主要是城市化率。2005-2013年，塔里木河流域地區(qū)人口城鎮(zhèn)化率從44.02%增長到49.76%，增長幅度較大，并且研究末期值高于同期新疆的城鎮(zhèn)化率（44.47%）。但塔里木河流域地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展內(nèi)部差異明顯，2013年巴州城鎮(zhèn)化率為78.88%，阿克蘇地區(qū)為64.15%，克州地區(qū)為58.97%，喀什地區(qū)為37.91%，和田地區(qū)為35.15%。因此，在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中可以看出：城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，增加了用水總量；由于城鎮(zhèn)化發(fā)展不平衡，塔里木河流域地區(qū)仍分布有較多的農(nóng)村和農(nóng)業(yè)人口，這使得耕地面積和灌溉面積較大，需水量較多，不利于水資源的合理配置，嚴(yán)重制約著塔里木河流域地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

總體來看，塔里木河流域水資源承載力變化的主要驅(qū)動(dòng)力是農(nóng)業(yè)用水量和人口數(shù)量，而工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)等要素對(duì)水資源承載力的影響相對(duì)較小。從農(nóng)業(yè)用水量與表示水資源承載力的F值的相關(guān)性來看（圖4），R2=0.8789，擬合度較高，農(nóng)業(yè)用水量與F值存在著較高的相關(guān)性，表明在2005-2013年，農(nóng)業(yè)用水量與水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)。因此，塔里木河流域地區(qū)對(duì)于人地關(guān)系的處理、水土資源的合理化配置和發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)尤為重要，尤其需要對(duì)塔里木河流域的灌溉面積和農(nóng)業(yè)用水進(jìn)行控制。為保證塔里木河流域綜合治理的目標(biāo)要求，到2030年塔里木河流域所在的南疆地區(qū)總灌溉面積將控制在2.466 7×106 hm2以內(nèi)，農(nóng)業(yè)用水總規(guī)模宜控制在2.6×1010 m3左右，還水于生態(tài)[26]。從人口數(shù)量與F值的相關(guān)性來看，R2=0.878 9，擬合度較高，人口數(shù)量與F值有著較高的相關(guān)性。表明在2005-2013年，人口數(shù)量的變化與水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)（圖5）。

4 小結(jié)與討論

4.1 小結(jié)

1）運(yùn)用主成分分析的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)塔里木河流域地區(qū)水資源承載力進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和評(píng)價(jià)，利用專家打分法確定評(píng)價(jià)因子，既可以避免一些人為的主觀隨意性，又能簡化評(píng)價(jià)工作。通過主成分分析所得到的主成分較好地體現(xiàn)了塔里木河流域水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，也較好地分析出了農(nóng)業(yè)發(fā)展與人口等驅(qū)動(dòng)因子對(duì)水資源承載力的影響。

2）水資源承載力與水資源承載力綜合評(píng)價(jià)的F值呈負(fù)相關(guān)。通過綜合評(píng)價(jià)，2005-2013年，F(xiàn)值在波動(dòng)中增加，塔里木盆地水資源承載力總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。通過在時(shí)間序列上的綜合評(píng)價(jià)分析，較為直觀地得出了塔里木盆地水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化特征，對(duì)當(dāng)前塔里木河流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水資源可持續(xù)利用有一定的借鑒作用。

3）通過對(duì)變量進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，得出影響塔里木河流域水資源承載力的4個(gè)主成分，分析出水資源承載力變化的驅(qū)動(dòng)力為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人口、第三產(chǎn)業(yè)、城市化水平。其中，農(nóng)業(yè)用水與人口數(shù)量對(duì)塔里木河流域地區(qū)的水資源承載力影響最大?？梢钥闯?，農(nóng)業(yè)的發(fā)展和耕地灌溉對(duì)水資源需求較大，需要對(duì)農(nóng)業(yè)用水和灌溉面積進(jìn)行控制。

4.2 討論

塔里木河流域水資源開發(fā)利用要重點(diǎn)解決供需矛盾，圍繞水資源可持續(xù)發(fā)展的主題，塔里木河流域地區(qū)所在的南疆地五地州應(yīng)控制農(nóng)業(yè)和農(nóng)村人口，以防耕地面積盲目擴(kuò)張，緩解人地關(guān)系，減輕水資源壓力；積極培育二、三產(chǎn)業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高城鎮(zhèn)化發(fā)展水平，開展新型城鎮(zhèn)化事業(yè)；要增強(qiáng)對(duì)水資源的統(tǒng)籌調(diào)配能力，增加節(jié)水灌溉面積的比重，提高水資源的利用效率。要積極引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)的灌溉設(shè)備和技術(shù)，來應(yīng)對(duì)大量農(nóng)業(yè)用水需求對(duì)水資源承載力帶來的挑戰(zhàn)和威脅。通過保障生態(tài)環(huán)境用水和抑制生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)水資源的過度消耗，增強(qiáng)水資源的可持續(xù)發(fā)展能力。

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