新疆水資源開發(fā)利用的空間均衡分析

李倩文，左其亭,2,3，李東林，韓春輝

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州大學(xué)水科學(xué)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)

水資源是支撐人類生存發(fā)展的基礎(chǔ)性資源，水資源的開發(fā)利用與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)[1-2]。隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人類活動對水資源的需求增加，水資源開發(fā)利用強度提高，同時也帶來一系列問題，如水資源匱乏、水環(huán)境污染、水土流失等，這些問題一定程度上制約著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展[3]。新疆位于我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)，國土面積廣闊，地形地貌和氣候條件較為特殊，水資源的天然空間分布極不均衡，各地州水資源開發(fā)利用情況也各不相同。

目前針對新疆水資源開發(fā)利用已有較多研究，如岳春芳等[4]基于新疆水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在問題，對新疆各類水資源開發(fā)利用方式的利弊進(jìn)行了分析；謝蕾等[5]系統(tǒng)梳理了當(dāng)前天山北坡水資源利用的主要問題并提出相應(yīng)對策；克里木等[6]按照水資源流域分區(qū)、行政分區(qū)分析了水資源稟賦及其開發(fā)利用規(guī)律。這些研究大多集中于全疆或某一地區(qū)，且大多為定性分析。自習(xí)近平總書記提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路以來，水資源空間分布相關(guān)研究逐漸成為熱點。目前針對新疆地區(qū)已有相關(guān)研究，如張羽威等[7]采用GIS與空間相關(guān)分析方法，研究新疆各地州GDP與水資源利用的空間分布；宋建等[8]采用洛倫茲曲線和基尼系數(shù)，研究新疆水資源與耕地、人口等因素的空間匹配性。這些研究雖然對水資源空間分布和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展格局進(jìn)行了量化，但考慮因素較為單一，未能綜合反映水資源開發(fā)利用的空間格局?？傮w來看，目前針對新疆各地州水資源開發(fā)利用空間均衡的量化分析較少。

基于此，本文采用水資源分布的空間均衡度計算方法，通過計算2004—2017年新疆各地州水資源開發(fā)利用相關(guān)指標(biāo)的空間均衡系數(shù)及總體空間均衡度，并與水資源開發(fā)利用的基尼系數(shù)進(jìn)行比較，以期剖析新疆水資源開發(fā)利用的空間格局，為平衡各地州的水資源合理開發(fā)利用、進(jìn)行水資源空間均衡管控提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

新疆地處我國西北內(nèi)陸，是我國陸地面積最大的省級行政區(qū)，國土面積廣闊，地理跨度較大?！叭綂A兩盆”的特殊地理條件，導(dǎo)致天然水資源空間分布不均衡，整體呈現(xiàn)出北多南少、西多東少，山區(qū)較多、平原較少的空間特征[9]。

近年來，新疆經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展迅速，2017年全疆用水總量達(dá)552.3億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量514.4億m3，占總用水量的93.14%。從經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平來看，2004—2017年間北疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，如克拉瑪依市人均GDP遠(yuǎn)超其他地州，且經(jīng)濟(jì)增長迅速，而南疆如和田地區(qū)、喀什地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后，始終處于較低水平且增長緩慢，各地州的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異較大，最大相差135 091元(2017年)。與此同時，由于經(jīng)濟(jì)因素、人口密度、水資源稟賦、節(jié)水水平等多因素的共同影響，各地州用水情況差異很大。阿勒泰地區(qū)人均用水量較高，和田地區(qū)萬元GDP用水量始終高于其他地州，吐魯番市單位面積農(nóng)田灌溉用水量較高，克拉瑪依市的人均污廢水排放量遠(yuǎn)高于其他地州。各地州的用水結(jié)構(gòu)、水資源開發(fā)利用方式及程度均有較大差異，呈現(xiàn)出較大的空間不均衡特征。

通過對《新疆統(tǒng)計年鑒》《新疆水資源公報》和各地州統(tǒng)計年鑒以及各地州水資源公報中的相關(guān)數(shù)據(jù)整理分析得到相關(guān)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 指標(biāo)選取

水資源開發(fā)利用涉及水資源稟賦、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多方面。參照大量相關(guān)研究[10-14]，依據(jù)科學(xué)性、全面性、代表性、可操作性及實用性等原則，選取涵蓋水資源稟賦、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、水資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境等方面的12個典型指標(biāo)，用于空間均衡分析。

水資源稟賦方面，選取人均水資源量和產(chǎn)水系數(shù)兩個指標(biāo)，其中，人均水資源量反映水資源條件；產(chǎn)水系數(shù)為水資源總量與年降水量的比值，反映降水轉(zhuǎn)化為水資源的能力。經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展方面，選取人均GDP和城鎮(zhèn)化率，分別反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和城鎮(zhèn)化水平，人均用水量反映總體用水狀況，萬元GDP用水量反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合用水水平，萬元工業(yè)增加值用水量反映工業(yè)用水水平，單位面積農(nóng)田灌溉用水量反映農(nóng)業(yè)用水水平，水資源開發(fā)利用率反映水資源開發(fā)利用程度，供水模數(shù)為供水總量與區(qū)域面積的比值，反映供水保障程度。生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面，選取人均污廢水排放量及生態(tài)環(huán)境用水比例兩個指標(biāo)分別反映水污染狀況及生態(tài)用水保障程度。

2.2 空間均衡度計算方法

水資源空間均衡理論及量化方法由左其亭等[15-16]于2019年提出。水資源空間均衡指水資源空間分布、經(jīng)濟(jì)社會空間布局、生態(tài)環(huán)境空間功能所呈現(xiàn)的一種平衡狀態(tài)。

水資源分布的空間均衡度計算方法[17]分為兩步，首先計算地州i指標(biāo)j的空間均衡系數(shù)Aij：

(1)

然后計算總體空間均衡度。由于各空間點分布不均勻，故將指標(biāo)j的空間均衡系數(shù)按地州i的面積加權(quán)，計算指標(biāo)j的總體空間均衡度Bj：

(2)

式中：Si為地州i的面積；S為新疆總面積。

各指標(biāo)在水資源開發(fā)利用的總體空間均衡度中的貢獻(xiàn)大小可以通過權(quán)重來表征，如果認(rèn)為各指標(biāo)具有相等重要性時可以采用等權(quán)重計算。本文假定各指標(biāo)權(quán)重相等，加權(quán)平均得到水資源開發(fā)利用12個指標(biāo)的總體空間均衡度B：

(3)

2.3 基尼系數(shù)計算方法

基尼系數(shù)是國際上用以衡量一個國家或地區(qū)居民收入差距的常用指標(biāo)。基尼系數(shù)在0～1之間，其值越小表明收入分配越趨于平等，其值越大表明收入差距越大。由于計算簡便，評價結(jié)果較為直觀且準(zhǔn)確，基尼系數(shù)在其他領(lǐng)域也有一定應(yīng)用，如土地利用[18]、能源消耗[19]、用水結(jié)構(gòu)分析[20]、水資源空間匹配狀況[21]等。因此，采用基尼系數(shù)的計算方法[22]，首先計算2004—2017年指標(biāo)j的基尼系數(shù)Gj；其次，同理假定各指標(biāo)權(quán)重相等，加權(quán)平均得到水資源開發(fā)利用的基尼系數(shù)G，用于和空間均衡度計算結(jié)果對比。

3 結(jié)果與分析

3.1 各指標(biāo)空間均衡分析

3.1.1代表年2017年空間均衡系數(shù)

以2017年為例，各地州部分指標(biāo)的空間均衡系數(shù)計算結(jié)果如表1所示。對于人均GDP，由于克拉瑪依市的人均GDP遠(yuǎn)高于其他地州，其空間均衡系數(shù)為0；和田地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對其他地州較為落后，其空間均衡系數(shù)也較小，僅為0.19；塔城地區(qū)、博爾塔拉蒙古自治州(以下簡稱“博州”)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平接近全疆平均值，其空間均衡系數(shù)高達(dá)0.86、0.82。對于城鎮(zhèn)化率，克拉瑪依市的城市化水平為99%，遠(yuǎn)高于其他地州，其空間均衡系數(shù)為0；塔城地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州(以下簡稱“巴州”)、伊犁州直屬縣(市)(以下簡稱“伊犁州(直屬)”)的城鎮(zhèn)化水平接近全疆平均值，空間均衡系數(shù)較高。對于人均水資源量，阿勒泰地區(qū)水資源最為豐富，其空間均衡系數(shù)為0；烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市水資源相較其他地州匱乏，其空間均衡系數(shù)也較低，在0.01～0.1之間；和田地區(qū)人均水資源量接近全疆平均值，空間均衡系數(shù)高達(dá)0.94。對于人均用水量，阿勒泰地區(qū)人均用水量最高，其空間均衡系數(shù)最小，僅為0.02；烏魯木齊市人均用水量最小，其空間均衡系數(shù)也僅為0.2；喀什地區(qū)人均用水量接近全疆平均值，其空間均衡系數(shù)最高，為0.98。其他指標(biāo)的計算結(jié)果類似?？傮w而言，指標(biāo)值過高或過低地州的空間均衡系數(shù)均較小，而接近全疆平均水平的地州空間均衡系數(shù)較大，這與實際情況相符。

表1 2017年各地州部分指標(biāo)的空間均衡系數(shù)

進(jìn)一步結(jié)合各地州實際情況進(jìn)行分析。位于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的烏魯木齊市、昌吉回族自治州(以下簡稱“昌吉州”)、石河子市、克拉瑪依市是新疆經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、產(chǎn)業(yè)最集中、人口最密集的區(qū)域，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及城鎮(zhèn)化水平較高，相應(yīng)地，供水模數(shù)、水資源開發(fā)利用率及人均污廢水排放量也較高；而這些地州人均水資源量卻不大，一定程度上屬于資源性缺水；同時這些地州對生態(tài)環(huán)境保護(hù)較為重視，生態(tài)環(huán)境用水比例較大。位于南部的喀什地區(qū)、和田地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州(以下簡稱“克州”)等經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及城鎮(zhèn)化水平相對落后，水資源開發(fā)利用率普遍較低，相應(yīng)地，人均污廢水排放量也較小；由于位于塔里木河流域，天然的水資源較為豐富，這些地州生態(tài)環(huán)境用水比例普遍較低。位于東部的吐魯番市和哈密市是新疆農(nóng)業(yè)的主要集中地，單位面積農(nóng)田灌溉用水量相對較高；這些地州工業(yè)發(fā)展水平較為落后，相應(yīng)地，節(jié)水技術(shù)水平及工業(yè)用水效率較低，萬元工業(yè)增加值用水量較高。

3.1.2代表年2017年總體空間均衡度

2017年各指標(biāo)的總體空間均衡度見表2。其中城鎮(zhèn)化率、單位面積農(nóng)田灌溉用水量的總體空間均衡度較高，表明各地州的城鎮(zhèn)化水平及農(nóng)田灌溉用水水平相當(dāng)，空間差異不大。這與新疆大部分地州發(fā)展綠洲農(nóng)業(yè)有關(guān)，農(nóng)業(yè)用水量占比較大，2017年全疆農(nóng)業(yè)用水量514.4億m3，占總用水量的93.14%。而水資源開發(fā)利用率的總體空間均衡度最低，表明各地州水資源開發(fā)利用程度有較大差異。其中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的石河子市、克拉瑪依市水資源開發(fā)利用率遠(yuǎn)高于其他地州。

表2 2004—2017年各指標(biāo)總體空間均衡度

3.1.32004—2017年總體空間均衡度

從時間維度來看，2004—2017年各指標(biāo)總體空間均衡度如表2所示。水資源稟賦方面，人均水資源量的總體空間均衡度較為穩(wěn)定，產(chǎn)水系數(shù)受到各地州水資源量及降水量年際變化的影響，其總體空間均衡度波動上升，表明隨著人類活動的增強，各地州由于天然的降水量引起的水資源量改變的差異有所減小。

經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展方面，人均GDP的總體空間均衡度增幅較大，表明近年來隨著全疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高，各地州經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異逐漸減小，經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局趨于均衡。人均用水量的總體空間均衡度在2011—2012年前后有明顯下降，這與最嚴(yán)格水資源管理制度的實施有關(guān)；2011年國家明確要求實行最嚴(yán)格水資源管理制度，嚴(yán)格實行用水總量控制，但具體到各地州實際實施情況存在一定差異，故短時間內(nèi)該指標(biāo)總體空間均衡度有一定程度下降。萬元GDP用水量的總體空間均衡度持續(xù)增加，且增幅較大，表明各地州經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水水平趨于一致，這與各地州經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異減小，以及用水效率及節(jié)水水平普遍提升有關(guān)。萬元工業(yè)增加值用水量的總體空間均衡度增長顯著，反映出隨著工業(yè)發(fā)展水平提高，工業(yè)用水效率普遍提升，各地州工業(yè)用水水平差異減小。單位面積農(nóng)田灌溉用水量的總體空間均衡度維持在較高水平，較為穩(wěn)定。2012年前后，該指標(biāo)的總體空間均衡度變化較為明顯。這與吐魯番市單位面積農(nóng)田灌溉用水量的減少有關(guān)；吐魯番主要發(fā)展綠洲農(nóng)業(yè)，單位面積農(nóng)田灌溉用水量明顯高于其他地州，2011年吐魯番市大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，減少灌溉用水，極端值的減小對總體空間均衡度影響較大。水資源開發(fā)利用率的總體空間均衡度一直處于較低水平，各地州水資源開發(fā)利用程度差異較大，但近年來有明顯改善。

生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面，人均廢污水排放量的總體空間均衡度近年來有減小趨勢，這與各地州廢污水排放的控制力度不同有關(guān)，如烏魯木齊市、克拉瑪依市等經(jīng)濟(jì)水平較高地州的廢污水排放量持續(xù)增長，而博州、巴州的廢污水排放量近年來有所下降，各地州廢污水排放量變化并不同步。生態(tài)環(huán)境用水比例的總體空間均衡度波動上升，表明各地州對生態(tài)環(huán)境用水的保障程度逐漸增加，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視程度普遍提升。

3.2 水資源開發(fā)利用空間均衡分析

綜合各指標(biāo)的總體空間均衡度，得到水資源開發(fā)利用的總體空間均衡度如圖1所示。從圖1可以看出，2004—2017年水資源開發(fā)利用的總體空間均衡度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，表明隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、水資源開發(fā)利用技術(shù)水平的提升，以及水資源管理制度的不斷改革和完善，水資源開發(fā)利用的空間不均衡現(xiàn)象有所改善。其中，較2011年以前，2011年之后水資源開發(fā)利用的總體空間均衡度上升明顯，這與2011年新疆實施的水資源管理體制改革有關(guān)。

圖1 2004—2017年水資源開發(fā)利用的總體空間均衡度與基尼系數(shù)

3.3 兩種計算方法的結(jié)果比較

將采用空間均衡度計算方法得到的水資源開發(fā)利用的總體空間均衡度與采用基尼系數(shù)計算方法得到的水資源開發(fā)利用基尼系數(shù)進(jìn)行比較，如圖1所示，空間均衡度越大越好，基尼系數(shù)越小越好，整體上二者變化趨勢相反，反映的本質(zhì)一致。從長期變化趨勢看，2004—2017年，水資源開發(fā)利用的基尼系數(shù)呈下降趨勢，表明各地州水資源開發(fā)利用的不平等現(xiàn)象有所緩解，這與水資源開發(fā)利用的總體空間均衡度升高所反映的現(xiàn)象一致。且具體到每一年，大部分年份中二者呈現(xiàn)反向的變化趨勢，揭示出相同的本質(zhì)；表明從長期變化趨勢看，兩種方法反映的情況基本接近，兩種方法具有較好的一致性；但部分年份，如2005—2006年和2008—2009年，二者變化趨勢一致，所得結(jié)論相反。因此，可以推測，以較短時間序列研究區(qū)域空間均衡變化趨勢，得出的結(jié)論是不充分的，在探究空間均衡的變化時，應(yīng)以長期的變化趨勢作為分析的基礎(chǔ)。

3.4 啟示與建議

a. 統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展布局，合理開發(fā)利用水資源。新疆各地州水資源稟賦差異較大，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平與天然水資源條件不匹配。各地州應(yīng)依據(jù)水資源稟賦，合理制定經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)劃，科學(xué)控制水資源開發(fā)利用強度。如位于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的烏魯木齊市、昌吉州、克拉瑪依市，未來應(yīng)著力于提高水資源利用效率，以緩解資源性缺水問題。

b. 堅持節(jié)水優(yōu)先，持續(xù)推進(jìn)節(jié)水型社會建設(shè)。新疆農(nóng)業(yè)用水量占比很大，未來應(yīng)大力推廣滴灌、噴灌等先進(jìn)節(jié)水技術(shù)，提升農(nóng)業(yè)水資源利用效率。同時，應(yīng)加強政府引導(dǎo)，依托媒體進(jìn)行節(jié)水宣傳，提高居民節(jié)水意識。

c. 加強水資源統(tǒng)一綜合管理，形成全疆“一盤棋”的水資源開發(fā)利用格局。近年來，天山北坡水資源綜合開發(fā)工程、伊犁河水資源綜合開發(fā)工程、塔里木河流域綜合治理工程等已為平衡各地州水資源合理開發(fā)利用起到積極作用，未來應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃全疆水資源管理，逐步實現(xiàn)水資源空間均衡管控。

4 結(jié) 論

a. 在水資源開發(fā)利用相關(guān)的各指標(biāo)中，城鎮(zhèn)化率、單位面積農(nóng)田灌溉用水量的空間分布較為均衡，各地州水資源開發(fā)利用率的差距最大。

b. 水資源開發(fā)利用的總體空間均衡度在2004—2017年緩慢升高，水資源開發(fā)利用狀況整體向空間均衡的方向緩慢發(fā)展。

c. 2004—2017年間，除個別年份外，整體上空間均衡度計算方法與基尼系數(shù)計算方法具有較好的一致性；在研究空間均衡的變化時，短時間內(nèi)所得結(jié)論并不充分，應(yīng)從長期的變化趨勢進(jìn)行分析。

d. 未來應(yīng)統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展布局，合理開發(fā)利用水資源；堅持節(jié)水優(yōu)先，持續(xù)推進(jìn)節(jié)水型社會建設(shè)；加強水資源統(tǒng)一綜合管理，形成全疆“一盤棋”的水資源開發(fā)利用格局，逐步實現(xiàn)水資源空間均衡管控。