新疆水資源時空變化特征及適應(yīng)性利用戰(zhàn)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(huán)境重點實驗室，河南 鄭州 450001)

水作為自然界的基礎(chǔ)資源，與經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護關(guān)系密切，甚至起到了決定性作用。因此水資源的開發(fā)利用需要適應(yīng)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(xié)調(diào)人水關(guān)系。由于新疆氣候極端干旱，植被覆蓋度較低，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，溫度變化劇烈、人水關(guān)系極不協(xié)調(diào)，故亟須了解新疆水資源時空變化特征，并在此基礎(chǔ)上進行水資源適應(yīng)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(yīng)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(nèi)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(jié)新疆水資源稟賦及利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進行了長期戰(zhàn)略對策研究。此外，筆者在文獻[6]中提出了水資源適應(yīng)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(yīng)性利用理論的應(yīng)用規(guī)則、關(guān)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(yīng)用研究框架。但總體來看，水資源演變下的水資源適應(yīng)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(huán)境下的水資源適應(yīng)性利用戰(zhàn)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(nèi)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(fā)強烈的沙漠地區(qū)，水資源較為緊缺，屬于干旱內(nèi)陸[9]。由于缺水、日照強烈、蒸散發(fā)強等原因，新疆的生態(tài)環(huán)境十分脆弱。此外，新疆水資源的時空分布不均對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展形成了較強約束。

1.2 新疆水資源時間變化特征及開發(fā)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(shù)據(jù)來源于1988—2018年的《新疆統(tǒng)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(xiàn)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(wěn)定，在880億m3左右波動。2000年以后，新疆水資源量呈現(xiàn)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(guān)。總體來看，新疆水資源量及降水量都呈現(xiàn)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(yè)的發(fā)展，新疆水資源開發(fā)利用目的、理念及方式發(fā)生了翻天覆地的變化?？v觀新疆水資源開發(fā)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(chǎn)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(fā)利用水平極低，水利設(shè)施極不完善，不具備應(yīng)對環(huán)境變化的水資源開發(fā)利用能力。②1978年我國改革開放前，為保障農(nóng)業(yè)發(fā)展，新疆逐步興建了大批基礎(chǔ)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(fā)利用水平開始上升，防洪調(diào)蓄體系雛形初顯。③1978年我國改革開放以后，新疆水利設(shè)施建設(shè)不斷完善，水資源開發(fā)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(guī)，水資源管理水平逐步提高。在原有水資源開發(fā)利用基礎(chǔ)上，開展了農(nóng)村飲用水安全工程建設(shè)、水土保持治理工程建設(shè)、河流堤防工程加固。此階段，新疆水資源開發(fā)利用水平穩(wěn)步提高，防洪調(diào)蓄體系逐步完善。④“十二五”規(guī)劃以來，新疆水利建設(shè)投入不斷增加，水利事業(yè)蓬勃發(fā)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(guī)定和考核方法，水資源管理逐漸完善，水權(quán)水市場建立、生態(tài)文明建設(shè)、水土保持綜合治理和防洪調(diào)蓄建設(shè)齊頭并進。此階段，新疆水資源開發(fā)利用水平達到全新高度，防洪調(diào)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(diào)控

新疆水資源空間分布不均，整體上呈現(xiàn)北多南少、西多東少，山區(qū)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(qū)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(qū)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(xiàn)極不均衡的空間分布特征。

新疆的經(jīng)濟發(fā)展呈現(xiàn)明顯的空間集聚狀態(tài)。總體來看，北疆經(jīng)濟發(fā)展水平較高，南疆經(jīng)濟發(fā)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(qū)的13倍、喀什地區(qū)的8倍。此外，位于天山北坡經(jīng)濟帶的烏魯木齊市、石河子市及克拉瑪依市是新疆經(jīng)濟最發(fā)達、產(chǎn)業(yè)最集中、人口最密集的區(qū)域，經(jīng)濟發(fā)展水平普遍較高。但是這些地區(qū)的水資源量卻并不豐富，屬于嚴重的資源型缺水地區(qū)。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(qū)。相對而言，位于南疆的和田、喀什地區(qū)經(jīng)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(diào)配線路

新疆經(jīng)濟發(fā)展布局與水資源的空間分布存在明顯不匹配現(xiàn)象，如圖2所示。部分地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展超過當?shù)厮Y源承載能力，嚴重制約了區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展并導致生態(tài)環(huán)境惡化。為改善水資源空間不均衡的現(xiàn)狀，可通過跨區(qū)域或流域調(diào)水工程調(diào)整水資源分配格局，加大引調(diào)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(fā)利用中西水東引、北水南調(diào)的宏觀戰(zhàn)略布局。近年來，新疆在伊犁河、額爾齊斯河、塔里木河流域規(guī)劃建設(shè)了一系列水利工程。其中，“引額調(diào)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(diào)水路線①②③)?！耙~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(jīng)濟區(qū)及沿線地區(qū)，有效解決了該地區(qū)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(diào)往額爾齊斯河中游，主要供應(yīng)當?shù)剞r(nóng)牧業(yè)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(diào)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(diào)水(圖2中顯示為調(diào)水路線⑤)，向3個重點胡楊林保護片區(qū)和孔雀河中下游緊急補水，實現(xiàn)塔里木河流域上、中、下游的全覆蓋。這些調(diào)水工程一定程度上解決了水資源時空分布不均、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)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(fā)利用潛力很大[12-13]，未來可考慮將伊犁河水調(diào)往北疆及塔里木河流域(圖2中顯示為調(diào)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(diào)配難度較大，未來應(yīng)著眼于大生態(tài)、大格局、大戰(zhàn)略的全新思路，積極探索科學可行的水資源調(diào)配路線，制定空間均衡管控下的水資源適應(yīng)性利用對策，以使水資源開發(fā)利用與水資源天然分布及經(jīng)濟社會發(fā)展布局相適應(yīng)。

2 不同氣候模式下新疆水資源演變分析

實現(xiàn)水資源的合理開發(fā)利用需考慮未來氣候變化和人類活動的影響?？茖W評估新疆未來氣候變化下的水資源情勢，是制定該地區(qū)水資源適應(yīng)性利用對策及戰(zhàn)略的基礎(chǔ)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(shù)平均法處理柵格數(shù)據(jù)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(jié)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(xiàn)出明顯的差異，RCP2.6情景下出現(xiàn)降水偏低年份最多，RCP4.5和RCP8.5基本相當，出現(xiàn)上述現(xiàn)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(qū)水循環(huán)，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(jié)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)為下降趨勢，而RCP8.5下則呈現(xiàn)緩慢增加趨勢。分析多模式平均結(jié)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(jié)合已有研究發(fā)現(xiàn)，由于氣候變化的影響，新疆未來整體將持續(xù)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(qū)2026—2055年降水量整體表現(xiàn)為南增北減。具體空間分布為，北疆大部分地區(qū)和東疆部分地區(qū)略微減少，而伊犁河谷和南疆大部分地區(qū)則顯著增多，且其年際變率呈現(xiàn)逐漸增大趨勢[15]。綜上分析，未來新疆地區(qū)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(fā)量，同時降水的年內(nèi)、年際及空間差異性變化將進一步改變現(xiàn)有的水資源時空分配格局，加劇水資源開發(fā)利用的復雜性，現(xiàn)有的水資源利用方式亟須做出相應(yīng)的調(diào)整。與此同時，人類活動的更高強度作用將加大對地區(qū)水資源承載能力的需求程度，加深對生態(tài)環(huán)境的破壞力度[12]。因此，為合理開發(fā)利用水資源以支撐新疆地區(qū)持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展，需考慮現(xiàn)狀水平和未來變化，提出對應(yīng)的水資源適應(yīng)性利用對策及戰(zhàn)略框架。

(a) RCP2.6

3 變化環(huán)境下新疆水資源適應(yīng)性利用對策及戰(zhàn)略框架

3.1 水資源適應(yīng)性利用理論及應(yīng)用

合理應(yīng)對環(huán)境變化對人水系統(tǒng)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)，引導水資源合理開發(fā)利用以保障水系統(tǒng)良性循環(huán)，需要以水資源適應(yīng)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(yīng)性利用理論的框架體系，簡單來說，水資源適應(yīng)性利用以人文系統(tǒng)與水系統(tǒng)聯(lián)系而成的人水系統(tǒng)為研究對象，在考慮人類活動、水文氣象等驅(qū)動因子動態(tài)變化的基礎(chǔ)上，遵循自然規(guī)律和社會發(fā)展規(guī)律，科學調(diào)整水資源利用方式以實現(xiàn)水資源在時空維度的可持續(xù)開發(fā)利用，進而實現(xiàn)人水和諧目標。

圖4 新疆水資源適應(yīng)性利用對策及戰(zhàn)略框架

應(yīng)用水資源適應(yīng)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(yīng)性利用方案，需遵循相應(yīng)的規(guī)律和原則，也不能刻板地套用固定模式，而應(yīng)結(jié)合地區(qū)現(xiàn)狀、未來規(guī)劃等具體問題進行具體分析。此外，制定水資源適應(yīng)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(guī)律，是一個螺旋上升、循環(huán)往復的過程，因此，只有系統(tǒng)地考慮上述多個方面，才能在實踐中正確、有效應(yīng)用水資源適應(yīng)性利用理論，在動態(tài)優(yōu)化的過程中體現(xiàn)其所具備的主體功能，完成其所肩負的重要任務(wù)。如，筆者在文獻[6]進行了南水北調(diào)中線水源區(qū)水資源適應(yīng)性利用研究，根據(jù)南水北調(diào)中線、引漢濟江和引漢濟渭三大調(diào)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(yīng)性利用方案。此外，我國提出的諸多治水思想和戰(zhàn)略都蘊含著對水資源適應(yīng)性利用的思考[5]。

3.2 應(yīng)對環(huán)境變化的新疆水資源適應(yīng)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(huán)境造成的水系統(tǒng)改變，本文提出了變化環(huán)境下的新疆水資源適應(yīng)性利用對策及戰(zhàn)略框架，見圖4。針對新疆人水系統(tǒng)，首先剖析新疆水資源的時空變化特征，在此基礎(chǔ)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(yīng)環(huán)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(diào)整水資源利用方案，直至得到該環(huán)境下的和諧平衡[17]；最后，確定最終的水資源利用方案并應(yīng)用于實際問題的解決。水資源適應(yīng)性利用方案的確定是一個循環(huán)往復的過程，當環(huán)境、氣候等發(fā)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(huán)境變化會打破原有人水和諧關(guān)系，使得原有水資源利用方式無法通過評估，需要再次調(diào)整水資源利用方案，直至得到新變化環(huán)境下的和諧平衡。

根據(jù)新疆水資源適應(yīng)性利用對策，結(jié)合上述分析結(jié)果，未來一段時期內(nèi)，新疆降水呈現(xiàn)增加態(tài)勢，降水這一環(huán)境變化會對新疆水資源造成影響，原有的人水和諧關(guān)系會有所改變。因此，需要通過科學的方法重新調(diào)整水資源利用方案，如進行水資源均衡調(diào)控、強化水資源管理、調(diào)整經(jīng)濟發(fā)展模式等，以達到新環(huán)境下的和諧平衡，實現(xiàn)人水和諧目標。針對不同地區(qū)，由于氣候變化或引水工程帶來的改變，各地區(qū)也應(yīng)制定相應(yīng)的水資源適應(yīng)性利用方案，通過加強管理、調(diào)整經(jīng)濟規(guī)模、強化節(jié)水等方法實現(xiàn)新條件下的和諧平衡。

3.3 新疆水資源適應(yīng)性利用戰(zhàn)略

面對新疆水資源特征及未來演變趨勢，實現(xiàn)新疆水資源適應(yīng)性利用，需要構(gòu)建三大支撐體系，即工程支撐、政策支撐及科技支撐，對應(yīng)水資源均衡調(diào)配、節(jié)水優(yōu)先、嚴格水資源管理、智慧水利四大戰(zhàn)略。

a. 水資源均衡調(diào)配戰(zhàn)略。新疆地域遼闊，資源富集，各地區(qū)水資源條件和經(jīng)濟社會發(fā)展水平差異較大。為解決人水發(fā)展不匹配及潛在的環(huán)境變化問題，新疆應(yīng)著眼于構(gòu)建多層次、多功能、多形式的調(diào)水渠道網(wǎng)絡(luò)，從區(qū)域、流域、城市層面布局水系連通網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)跨區(qū)域調(diào)水的同時，增強年內(nèi)、年際調(diào)解，提高新疆變化環(huán)境下的水資源調(diào)配能力。

b. 節(jié)水優(yōu)先戰(zhàn)略。面對水資源緊缺的現(xiàn)實情形，新疆需要開展節(jié)水優(yōu)先戰(zhàn)略。一方面，積極發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，并合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。由于新疆水資源利用結(jié)構(gòu)不甚合理，農(nóng)業(yè)用水量長期占用水總量的90%以上，因此新疆節(jié)水的主要潛力在農(nóng)業(yè)。另一方面，合理開采地下水資源，利用地下水輸水距離近、調(diào)度方便的特點[10]，將地下水開發(fā)與高效節(jié)水相結(jié)合。

c. 嚴格水資源管理戰(zhàn)略。在統(tǒng)一規(guī)劃的前提下，加強監(jiān)測，強化管理，有助于提高新疆水資源適應(yīng)性能力。在水資源管理中應(yīng)注重最嚴格水資源管理和水生態(tài)文明建設(shè)，強化水資源稅收、水權(quán)交易、生態(tài)補償?shù)戎贫取?/p>

d. 智慧水利戰(zhàn)略。為保障變化環(huán)境下的新疆水資源適應(yīng)性利用能力，需要實現(xiàn)流域科學管理。水資源開發(fā)利用應(yīng)實現(xiàn)信息化、管理智能化，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)新疆傳統(tǒng)水利向智慧水利轉(zhuǎn)變，構(gòu)建科學合理的水資源利用管理平臺。除此之外，應(yīng)提高自身科技水平，大力發(fā)展節(jié)水科技、中水回用技術(shù)以應(yīng)對變化環(huán)境下的水資源利用問題。

4 結(jié) 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(jù)對水資源適應(yīng)性利用的理解，提出了水資源均衡調(diào)配、節(jié)水優(yōu)先、嚴格水資源管理、智慧水利四大戰(zhàn)略。在今后研究中，可進一步深入水資源適應(yīng)性利用機理研究，定量識別主要驅(qū)動因子，加強變化環(huán)境下水系統(tǒng)模擬研究，量化水資源適應(yīng)性利用對策。