阿克蘇地區(qū)水資源承載力變化及驅(qū)動力生態(tài)脆弱性分析

王 晶, 薛聯(lián)青,2， 張洛晨, 魏光輝

(1.河海大學 水文水資源學院， 江蘇 南京210098； 2.河海大學文天學院， 安徽馬鞍山 243000； 3.新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

水資源承載力一般指地區(qū)的水資源在不破壞社會經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)時最大可承載的工、農(nóng)業(yè)規(guī)模和人口水平[1]，關(guān)系到區(qū)域人口、資源、經(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[2]，是水資源可持續(xù)發(fā)展研究中的重要組成部分[3]。但隨著資源與環(huán)境問題的突出，生態(tài)文明建設(shè)被提高到前所未有的高度[4-5]，區(qū)域資源與環(huán)境的壓力及其可持續(xù)性是生態(tài)文明建設(shè)首先要考慮的關(guān)鍵問題[6]。針對水資源利用與經(jīng)濟社會生態(tài)相關(guān)性問題開展的研究涵蓋水資源供需平衡[7-8]、水資源持續(xù)利用[9-10]，著重研究水資源與生態(tài)系統(tǒng)有生態(tài)需水[11-12]、生態(tài)水足跡[13-14]等。評估生態(tài)的生態(tài)環(huán)境脆弱性是指生態(tài)環(huán)境受到外界干擾作用超出自身的調(diào)節(jié)范圍，而表現(xiàn)出對干擾的敏感程度[15]，是隨著氣候變化和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重影響應(yīng)運而出的可持續(xù)發(fā)展研究熱點[16]。在一定程度上，不僅水資源短缺會加劇生態(tài)環(huán)境破壞，區(qū)域的生態(tài)狀況也會反作用于水資源承載能力，即生態(tài)的脆弱程度可直接作用到區(qū)域水資源承載力上?；谏鷳B(tài)脆弱性的水資源承載能力分析實質(zhì)上是在生態(tài)脆弱性的降低可提高水資源承載力的關(guān)系基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)狀生態(tài)破壞狀況評價找出影響因素，并加以調(diào)整以實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的增加和水資源承載力的提高。

塔里木河是我國最長的內(nèi)流河[17]，自身不產(chǎn)流，其水資源主要來自源流和地下水的補給[18]，水是其自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會賴以存在的核心制約要素[19]。近年來隨著人口增長、城鎮(zhèn)化推進和社會經(jīng)濟發(fā)展，塔里木河流域受到水資源短缺和生態(tài)環(huán)境脆弱的多重脅迫[20]，加速了水資源承載力的降低，因此科學地評價塔里木河源流區(qū)水資源承載力和生態(tài)情況發(fā)展十分有必要。本文根據(jù)阿克蘇綠洲地區(qū)的2004-2014年水資源狀況，結(jié)合主成分分析和模糊層次分析，研究水資源承載力及其驅(qū)動因素生態(tài)脆弱性的變化趨勢，并指出提高生態(tài)防御力是提高水資源承載力的關(guān)鍵。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇地區(qū)位于塔里木河的上游，全區(qū)總面積31.52×104km2，屬暖溫干旱氣候區(qū)，年均氣溫10℃，光熱充足，蒸發(fā)強烈、降雨稀少，年均降水量75 mm左右。境內(nèi)共有1 293條冰川，由16條主要干流及大小60多條主要泉水河流組成昆瑪力克河、阿克蘇河、渭干河三大水系，地表水年徑流量129.4×108m3，地下水總儲量106.2×108m3[21]。阿克蘇地區(qū)注重農(nóng)業(yè)發(fā)展，土地多為耕地，灌溉模式落后，耗水量巨大，水資源量的相對匱乏限制了經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，阿克蘇地區(qū)行政區(qū)及水系分布如圖1所示。

圖1 阿克蘇地區(qū)行政區(qū)及水系分布

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中選取新疆阿克蘇地區(qū)2004-2014年的12個國民經(jīng)濟發(fā)展指標數(shù)據(jù)來自新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計年鑒和阿克蘇地區(qū)水資源公報，阿克蘇地區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。

2.2 水資源承載力評價方法

選擇主成分分析法評價水資源承載力。主成分分析法是一種將高維變量空間降維處理的多元統(tǒng)計方法，目前在水文水資源領(lǐng)域應(yīng)用較多。該方法主要基于指標間的相互關(guān)系，在損失很少原始信息的前提下通過計算協(xié)方差將多個影響因子綜合為幾個相互獨立的主成分[22]。其中貢獻率計算方法為[23]：

(1)

本研究在計算歷年水資源承載力得分時采用每個主成分的特征值占總特征值之和的比例作為計算主成分綜合得分模型[21]：

(2)

式(1)、(2)中:ri為第i個主成分的貢獻率，累積貢獻率達到85%即可確定為主成分;λi為第i個主成分的特征值；Fi為第i個主成分得分。

經(jīng)濟、社會、生態(tài)等多方面的因素會影響水資源承載力，要結(jié)合地區(qū)實際狀況，按照科學性、全面性、系統(tǒng)性和可行性原則[24]，構(gòu)建阿克蘇地區(qū)水資源承載力指標體系，具體包括12個指標[21]：人口X1，104人；GDPX2，108元；固定資產(chǎn)投資X3，108元；工業(yè)總產(chǎn)值X4，108元；農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值X5，108元；城鎮(zhèn)居民消費總值X6，108元；土地面積X7，103hm2；水資源總量X8，108m3；耕地面積X9，103hm2；生產(chǎn)用水量X10，108m3；生態(tài)環(huán)境用水量X11，108m3；生活用水量X12，108m3。

2.3 生態(tài)脆弱性評價方法

本次研究阿克蘇地區(qū)的生態(tài)脆弱性采用綜合指數(shù)法，綜合因子得分即生態(tài)環(huán)境脆弱度主要考慮經(jīng)模糊層次分析法計算的權(quán)重和極差法標準化處理后的指標。

2.3.1 計算權(quán)重 采用模糊層次分析法確定指標權(quán)重。將生態(tài)脆弱性分解為目標、準則、指標3個層次，建立遞階層次結(jié)構(gòu)，結(jié)合影響因素構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣，計算具體指標權(quán)重 (表1)?？紤]到研究區(qū)生態(tài)環(huán)境內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易對外界干擾異常敏感的特點，結(jié)合收集的數(shù)據(jù)選擇能真實反映研究區(qū)生態(tài)脆弱性的評價指標，搭建“成因及結(jié)果表現(xiàn)”綜合評價指標體系。

表1 生態(tài)脆弱性評價指標權(quán)重結(jié)果

2.3.2 等級劃分 生態(tài)環(huán)境脆弱度是用來量化研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性程度，根據(jù)其數(shù)值大小可比較分析不同年份的生態(tài)脆弱度。

極差法：選取的指標對生態(tài)脆弱性有正向和負向影響(表1)，正向影響是脆弱性隨著評價指標值增大而增加，不利于生態(tài)保護，負向影響是脆弱性隨著評價指標減小而增加，促進生態(tài)保護。

為方便綜合比較分析，采用不同處理計算公式如下[23]：

正向評價指標：

(3)

負向評價指標：

(4)

(5)

式中:Zi是第i個指標的標準化處理后的無量綱值；xi是第i指標的實際數(shù)值；xmax、xmin是2004-2014年實際數(shù)值中的最大、最小值；I為生態(tài)脆弱度數(shù)值；Wi為模糊分析法得出的指標權(quán)重(表1)，n為指標個數(shù)。

分等級賦值法：根據(jù)研究區(qū)的具體特征，參照趙躍龍等[25]脆弱度分級方法將阿克蘇地區(qū)的生態(tài)脆弱度劃為4個等級，分為輕度、中度、強度和極強度脆弱區(qū)[15](表2)。

表2 阿克蘇地區(qū)生態(tài)脆弱性分級標準

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源承載力評價

3.1.1 主成分綜合評價 對阿克蘇地區(qū)水資源承載力評價指標進行主成分分析，由公式(1)得到表3主成分特征值及貢獻率。

表3 主成分特征值及貢獻率

表3前面兩行數(shù)據(jù)表明其前兩個主成分的累計貢獻率達到86.579%，可以選取為第一、第二主成分，反映水資源指標多數(shù)信息(表4)，可進一步分析阿克蘇地區(qū)水資源承載力的變化。

表4 主成分載荷矩陣

表4中，X1，X2，X3，X4，X5，X6與第一主成分正相關(guān)性很大，是與經(jīng)濟社會發(fā)展相關(guān)的指標；X11，X8與第二主成分有較大的正相關(guān)。且在干旱地區(qū)，生態(tài)用水量的多少將直接影響地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，所以這兩個指標切實關(guān)系到生態(tài)環(huán)境的保障。因此，經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保障可歸納為影響阿克蘇地區(qū)水資源承載力的主要因素。

根據(jù)式(2)計算阿克蘇地區(qū)綜合主成分值，其中，λ1=8.878，λ2=1.512。為了可以直觀地反映出阿克蘇地區(qū)2004-2014年水資源承載力的動態(tài)變化情況，根據(jù)綜合得分畫出各年水資源承載力變化趨勢圖見圖2，F(xiàn)值越小，說明當年的水資源承載力越大[24]。

總體上，2004-2014年阿克蘇地區(qū)水資源承載力隨時間變化呈下降趨勢。2004年最高，此后逐年下降，至2014年最低，這段期間水資源不斷被開發(fā)利用，并且強度逐年增加。分析主成分，水資源承載力的總體變化趨勢與第一主成分即經(jīng)濟社會發(fā)展成分大體相同，說明第一主成分對水資源承載力的影響大，即以農(nóng)為主的快速社會經(jīng)濟發(fā)展對阿克蘇地區(qū)的水資源壓力較大。而第二主成分變化較復(fù)雜，分值交替升降，說明地區(qū)生態(tài)用水保障具有不穩(wěn)定性，與當?shù)厮疅釛l件和用水結(jié)構(gòu)變化相關(guān)。干旱少雨的自然條件使得水資源愈加匱乏，灌溉效率的低下增加了農(nóng)業(yè)用水量，這就導(dǎo)致生態(tài)用水量迅速降低，生態(tài)保障減少，違背了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的耗水需求，限制了區(qū)域水資源承載力的提高。

圖2 阿克蘇地區(qū)水資源承載力主成分及綜合得分趨勢圖

3.1.2 第一主成分分析 第一主成分主要體現(xiàn)社會經(jīng)濟發(fā)展，對主成分有73.98%的貢獻率，屬于主控驅(qū)動因子。據(jù)圖3分析阿克蘇地區(qū)的人口和經(jīng)濟發(fā)展，人口10年間增長30.29×104，其中農(nóng)村人口增加10.43×104，并有持續(xù)增加的趨勢，而城鎮(zhèn)化率上升緩慢，因為阿克蘇地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達，農(nóng)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致人口的集聚效應(yīng)，農(nóng)村人口多于城市人口，帶來城鎮(zhèn)化較慢的問題。同時人口作為對資源可持續(xù)發(fā)展的外界持久壓力，與水資源承載力的動態(tài)變化密切相關(guān)。人口的快速增長使得水足跡迅速增加，耕地面積從33.632×104hm2增加到61.494×104hm2，一產(chǎn)用水量也從98.45×108m3增加到109.11×108m3，由此產(chǎn)生水資源承載壓力巨大的問題，供需矛盾越發(fā)突出。GDP在10年間約增加3.7倍，年均增長率為16.76%，其中農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值約占50%，可見阿克蘇地區(qū)的經(jīng)濟增長多依賴于農(nóng)業(yè)，但農(nóng)業(yè)占用最大比重的水量，這就使得工業(yè)、生活和生態(tài)等用水量不斷減少。因此，農(nóng)業(yè)的大幅發(fā)展雖帶來一定程度的經(jīng)濟發(fā)展但也大大加深了人與土地、水資源的矛盾。

3.1.3 第二主成分分析 生態(tài)環(huán)境用水率主要影響第二主成分，反映地區(qū)生態(tài)用水保障對水資源承載力的影響。整體上，阿克蘇地區(qū)生態(tài)環(huán)境用水量較少，時間上分布不均勻，是根據(jù)實際農(nóng)業(yè)用水情況剩余分配的，極不利于河道兩岸的生態(tài)保護和地區(qū)生態(tài)的長遠發(fā)展。且阿克蘇地區(qū)作為典型的塔里木河源流區(qū)，自然降水稀少，基礎(chǔ)的生態(tài)環(huán)境脆弱性強且破壞后恢復(fù)困難，如果生態(tài)水量沒有保障，生態(tài)破壞將愈加嚴重，因此進行生態(tài)恢復(fù)重建顯得尤為重要。但無論基于生態(tài)保護還是恢復(fù)生態(tài)破壞都需增加生態(tài)用水量，這與實際分配少量的生態(tài)用水情況相差較遠，使得供需水矛盾更加突出，所以不理想的生態(tài)條件對水資源承載力的作用是負面消極的。

3.2 驅(qū)動力生態(tài)脆弱度分析

3.2.1 生態(tài)脆弱度與水資源承載力關(guān)系 生態(tài)發(fā)展對水資源的可持續(xù)利用影響較大，且由上述主成分分析出生態(tài)用水保障是影響阿克蘇地區(qū)水資源承載力的第二主成分，不理想的生態(tài)條件會對水資源承載力產(chǎn)生消極作用，可見，生態(tài)保護對該區(qū)水資源承載力有較大的影響。要緩解地區(qū)水資源承載力壓力，就要提高生態(tài)防御性，而阿克蘇地區(qū)本身脆弱的生態(tài)環(huán)境易受人類活動影響，所以深入研究其生態(tài)脆弱性，科學地評價其生態(tài)脆弱性的變化情況有利于協(xié)調(diào)阿克蘇地區(qū)今后生態(tài)與社會經(jīng)濟共同發(fā)展，進一步提高區(qū)域水資源承載力。

3.2.2 生態(tài)脆弱度現(xiàn)狀分析 根據(jù)公式(3)～(5)計算阿克蘇地區(qū)2004-2014年生態(tài)脆弱度，具體計算結(jié)果見圖4。

分析圖4，阿克蘇地區(qū)2004-2014年生態(tài)脆弱度大體呈上升態(tài)勢，水資源承載力呈直線下降趨勢，環(huán)境不斷被破壞的同時引起水資源承載力的急劇下降。根據(jù)表2的脆弱度劃分，2004-2006年處于輕度脆弱區(qū);2007-2008年處于中度脆弱區(qū)；2009、2011-2014年在強度脆弱區(qū)內(nèi)波動，2010年高達極強度脆弱區(qū)。水資源承載力情況不理想，尤其近年來水資源承載能力極差，開發(fā)利用已接近極限。

圖4 阿克蘇地區(qū)2004-2014年生態(tài)脆弱度及水資源承載力變化趨勢

2004-2010年阿克蘇地區(qū)的生態(tài)脆弱度緩慢上升，水資源承載力不斷下降。這段時期國家開始實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略，積極開拓周邊國家市場，新疆正處于“十一五”建設(shè)，阿克蘇地區(qū)經(jīng)濟得到持續(xù)快速的增長，農(nóng)業(yè)高速發(fā)展，工業(yè)化擴大，環(huán)境資源需求消耗也不斷增長。且由于深處西北內(nèi)陸，缺乏高科技產(chǎn)業(yè)鏈，粗放的高投入低產(chǎn)出增長方式增加了經(jīng)濟成本，大大破壞了經(jīng)濟與生態(tài)的和諧性，使得生態(tài)脆弱性不斷加大，間接導(dǎo)致地區(qū)水資源承載力的持續(xù)下降。2011-2014年生態(tài)脆弱度有小幅度波動，此時新疆地區(qū)開始“十二五”規(guī)劃建設(shè)實施，經(jīng)濟高速增長的同時綜合實力不斷增強，農(nóng)業(yè)和工業(yè)的進一步發(fā)展導(dǎo)致生態(tài)與經(jīng)濟社會發(fā)展脫軌，環(huán)境資源遭到無限制的使用，生態(tài)脆弱度大幅上升，帶來水資源承載力接近承載極限，水資源和生態(tài)成為阻礙經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸因素。

3.2.3 基于生態(tài)脆弱性評價的水資源承載力影響因素 由表1準則層權(quán)重可知，自然成因和結(jié)果表現(xiàn)是影響阿克蘇地區(qū)生態(tài)脆弱性主要因素，社會成因影響相對較小。分析指標層權(quán)重，自然成因中權(quán)重較高的指標有森林覆蓋率和年降水量。植被覆蓋率體現(xiàn)植物生長茂盛狀況，降水量是植被生長的條件，地區(qū)綠化程度是最為影響生態(tài)脆弱性的；結(jié)果表現(xiàn)中生態(tài)環(huán)境用水和農(nóng)業(yè)依賴度權(quán)重較高，強調(diào)生態(tài)要有保障即要增加生態(tài)用水量，控制農(nóng)業(yè)用水量，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)要優(yōu)化調(diào)整；分析社會方面，人均GDP權(quán)重較高，經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境承載力超載，生態(tài)脆弱性增加。綜合縱向比較分析權(quán)重，森林覆蓋率比重占的最多，加強森林植被建設(shè)對降低脆弱度至關(guān)重要。

自然和人為因素綜合作用導(dǎo)致阿克蘇地區(qū)的生態(tài)環(huán)境日漸惡化，氣候條件干燥，水資源和森林資源有限，所以生態(tài)環(huán)境先決條件較差，不利于形成生態(tài)環(huán)境持續(xù)發(fā)展的良好基礎(chǔ)。近年來又因該地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)發(fā)展脫軌，以農(nóng)為主經(jīng)濟發(fā)展方式單一而粗放，不僅經(jīng)濟效益增加少，生態(tài)環(huán)境也受到大范圍地破壞。選擇生態(tài)破壞最嚴重的2010年繪制生態(tài)影響因子的雷達圖(圖5)。分析圖5，2010年影響因子中除有關(guān)生態(tài)保障的森林覆蓋率與生態(tài)用水影響較大，農(nóng)業(yè)的發(fā)展是生態(tài)脆弱性上升的主要原因。過高的農(nóng)業(yè)依賴度雖可促進經(jīng)濟發(fā)展，但加大了水資源承載壓力，農(nóng)業(yè)用水嚴重負載；居高不下的墾殖率使得人與資源的矛盾更加突出，粗放低效的土地使用方式導(dǎo)致資源浪費，環(huán)境污染加重，同時對當?shù)氐臍夂蛴绊憞乐?，加劇了暴雨、春旱等極端氣候現(xiàn)象的出現(xiàn)頻率，陷入了自然生態(tài)互相作用的惡性循環(huán)中。

圖5 阿克蘇地區(qū)2010年生態(tài)脆弱性因子影響程度雷達圖

4 結(jié) 論

本文基于主成分分析的阿克蘇地區(qū)水資源承載力評價，對驅(qū)動力因素生態(tài)脆弱性進行探究分析，得出如下結(jié)論：

(1)2004-2014年阿克蘇地區(qū)的水資源承載力呈現(xiàn)明顯下降趨勢，人口增加與以農(nóng)為主的經(jīng)濟增長和低保障的生態(tài)用水率是引起水資源承載力下降的主要驅(qū)動力。

(2)生態(tài)脆弱性增加會加劇水資源承載力下降，阿克蘇地區(qū)2004-2014年生態(tài)脆弱性逐年上升，通過保障生態(tài)用水量、提高森林覆蓋率、控制耕地面積的措施可降低生態(tài)脆弱性，實現(xiàn)水資源承載力的回升。

(3)本文選取的評價指標體系需進一步完善。因數(shù)據(jù)有限，選取的指標具有代表性但不夠全面且有一定的區(qū)域局限性，如何確定合適的生態(tài)指標有待探討。

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