地下水資源對新疆經(jīng)濟(jì)社會支撐作用的定量評價

凌敏華，陳萬賀

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

與地表水資源相比，地下水資源具有分布廣、水質(zhì)優(yōu)良、供水穩(wěn)定和多年調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，可以有效緩解因水資源時空分布不均給區(qū)域生產(chǎn)生活帶來的影響，是維持地表水資源短缺地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性資源。新疆地處我國西北干旱區(qū)，地表水資源相對短缺，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，水資源已成為制約新疆一些地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1-2]。地下水資源在新疆經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用，但因新疆各地、市、州自然條件、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平等存在差異，地下水資源支撐各地、市、州經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的作用也不盡相同。如何衡量地下水資源對新疆經(jīng)濟(jì)社會的支撐作用，掌握新疆各地、市、州地下水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情況，對于保障新疆各地、市、州經(jīng)濟(jì)社會健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

20世紀(jì)90年代，資源稀缺理論被引入水資源研究領(lǐng)域，水資源支撐能力研究便是其具體運(yùn)用之一[3]。近年來，國內(nèi)關(guān)于水資源支撐作用研究的成果豐富。汪黨獻(xiàn)等[4]提出了水資源支撐能力指標(biāo)體系和計(jì)算方法，分析了我國各區(qū)域水資源支撐能力；李九一等[5]構(gòu)建了水資源支撐指數(shù)(water supporting index， WSPI)，定量描述了不同水資源條件對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支撐能力；左其亭等[6]定量分析了“一帶一路”倡儀實(shí)施前后水資源對區(qū)域發(fā)展的支撐能力；楊建鋒等[7]初步構(gòu)建了地下水資源支撐度評價指標(biāo)體系。國外學(xué)者對地下水問題探究的方向多集中于地下水可持續(xù)性評價方面。Chanapathi等[8]提出了地下水可持續(xù)性指數(shù)(fuzzy-based groundwater sustainability index， FGSI)，并采用不同模糊化方法來評估某些亞洲城市的地下水可持續(xù)性；Bui等[9]就河內(nèi)地下水資源當(dāng)前面臨的問題，引入了可持續(xù)性指標(biāo)函數(shù)(sustainability index function， SIF)，對河內(nèi)地下水?dāng)?shù)量、質(zhì)量和管理方面的可持續(xù)性分別進(jìn)行了評估。以上研究為量化地下水資源支撐作用提供了基礎(chǔ)，但相關(guān)研究[7,10]較少考慮綜合用水效率因素對地下水資源在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展過程中提供支撐作用的影響。本文根據(jù)新疆各地、市、州經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、水資源及其開發(fā)利用等實(shí)際情況，在借鑒有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，分析影響地下水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會作用的主要因素，構(gòu)建地下水資源對經(jīng)濟(jì)社會支撐作用評價指標(biāo)體系，基于和諧論[11]中“單指標(biāo)量化-多指標(biāo)綜合-多準(zhǔn)則集成”評價(SMI-P)方法對2004—2016年新疆各地、市、州地下水資源對經(jīng)濟(jì)社會的支撐作用進(jìn)行定量評價，以期為新疆地下水資源可持續(xù)利用對策制定提供參考。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

新疆地處亞歐大陸腹地(34°25′N～48°10′N，73°40′E～96°18′E)，遠(yuǎn)離海洋，受溫帶大陸性干旱氣候影響顯著，降水稀少，多年平均降水量僅150 mm左右。區(qū)域地貌類型多樣，地形復(fù)雜，北鄰阿爾泰山脈，南至昆侖山系，中部則為天山山脈，天山以北為準(zhǔn)噶爾盆地，以南為塔里木盆地，形成了“三山夾兩盆”的特殊地理格局。新疆總面積166萬km2，下轄4個地級市、5個地區(qū)、5個自治州共14個地級行政區(qū)，是我國重要的糧食、棉花等生產(chǎn)基地。2016年，新疆總?cè)丝? 398萬人，其中城鎮(zhèn)人口1 159萬人，占總?cè)丝诘?8%；全年地區(qū)生產(chǎn)總值9 617億元，年均增長率7.6%；農(nóng)作物播種面積約623.2萬hm2。

2004—2016年,新疆多年平均地表水資源量為860億m3，地下水資源量為538億m3，扣除地表水資源與地下水資源之間重復(fù)計(jì)算量，水資源總量為908億m3。2016年，新疆總供水量565.38億m3，其中地表水源供水量445.91億m3，地下水源供水量118.57億m3，中水回用量0.89億m3，分別占總供水量的78.9%、21%和0.1%。按用水行業(yè)分，2016年，農(nóng)業(yè)地下水開采量102.88億m3，工業(yè)地下水開采量7.67億m3，生活地下水開采量5.86億m3，人工生態(tài)環(huán)境地下水開采量2.16億m3，分別占地下水開采總量的86.8%、6.5%、4.9%和1.8%。從地下水開發(fā)利用多年變化趨勢看，2004—2010年，新疆地下水開采量增長較快，從57.52億m3增長到96.81億m3，年均增速10.6%；2011—2016年新疆地下水開采量增速減緩，從97.75億m3增長到118.57億m3，年均增速為5%；2014年新疆地下水開采量達(dá)到2004—2016年的最大值，為 131.36億m3，2015、2016年地下水開采量又略有下降。

1.2 數(shù)據(jù)來源

為探究地下水資源對新疆各地、市、州經(jīng)濟(jì)社會支撐作用的時空變化規(guī)律，本文在綜合考察數(shù)據(jù)的完整性、時效性以及可獲取性的基礎(chǔ)上，選取2004—2016年全疆14個地級行政單位的地下水資源量、供用水結(jié)構(gòu)、地區(qū)生產(chǎn)總值、年末總?cè)丝诘葦?shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，相關(guān)水資源數(shù)據(jù)來源于2004—2016年《全國水資源公報(bào)》及2004—2016年《新疆水資源公報(bào)》，相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2004—2016年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》及2004—2016年《新疆國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展公報(bào)》。另外，由于新疆個別地級行政單位名稱過長，如昌吉回族自治州、博爾塔拉蒙古自治州、巴音郭楞蒙古自治州、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、伊犁哈薩克自治州等，以下分別簡稱為昌吉州、博州、巴州、克州、伊犁州。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)體系

地下水資源對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展支撐作用的影響因素眾多，借鑒已有研究成果[7-15]，可總結(jié)為地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發(fā)潛力3方面的影響因素。地下水依存度反映了區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會各用水行業(yè)對地下水供水的依賴程度；綜合用水效率反映了區(qū)域用水水平；地下水開發(fā)潛力反映了區(qū)域地下水資源豐富程度及開發(fā)狀態(tài)。受氣候變化、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展以及節(jié)水技術(shù)進(jìn)步等因素影響，地下水對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支撐作用是動態(tài)變化的，區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會各類用水行業(yè)對地下水的依賴程度受當(dāng)?shù)氐乇硭Y源豐枯變化影響，綜合用水效率隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展及節(jié)水技術(shù)的進(jìn)步和推廣而提高，地下水開發(fā)潛力一般隨著地下水開發(fā)程度增大而減小。在遵循科學(xué)性、整體性、動態(tài)變化性及可操作性等原則基礎(chǔ)上，綜合考慮新疆各地、市、州地下水資源利用現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平，選取了涵蓋地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發(fā)潛力3方面共13個指標(biāo)，構(gòu)建新疆地下水對經(jīng)濟(jì)社會支撐作用評價指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 地下水支撐作用評價指標(biāo)體系

2.2 SMI-P方法

SMI-P方法評價的主要步驟包括單指標(biāo)量化、多指標(biāo)綜合、多準(zhǔn)則集成等。

2.2.1單指標(biāo)量化

為消除各指標(biāo)量綱不同所帶來的影響，通過分段線性隸屬函數(shù)，將各指標(biāo)統(tǒng)一映射到[0，1]上，從而得到各指標(biāo)的支撐指數(shù)。根據(jù)已經(jīng)出臺的行業(yè)規(guī)劃指標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)、國家已有的規(guī)劃資料、相關(guān)研究成果[16-19]等綜合確定指標(biāo)的特征節(jié)點(diǎn)值見表1。指標(biāo)分為正向指標(biāo)、逆向指標(biāo)，正向指標(biāo)表示隨著指標(biāo)值增加地下水支撐作用也隨之增強(qiáng)；逆向指標(biāo)則相反。對于指標(biāo)k根據(jù)特征節(jié)點(diǎn)值按指標(biāo)類型(正向或負(fù)向)采用以下公式計(jì)算支撐指數(shù)：

(1)

(2)

式中：μk為指標(biāo)k的支撐指數(shù)；xk為指標(biāo)k的值；ak、bk、ck、dk、ek分別為指標(biāo)k的量化特征節(jié)點(diǎn)值。正向指標(biāo)采用式(1)計(jì)算，負(fù)向指標(biāo)采用式(2)計(jì)算。

表1 評價指標(biāo)特征節(jié)點(diǎn)值

2.2.2多指標(biāo)綜合

各準(zhǔn)則層下的指標(biāo)支撐指數(shù)分別集成，綜合得到各準(zhǔn)則層支撐指數(shù)，計(jì)算公式為

(3)

(4)

(5)

式中：μD、μE、μP分別為地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發(fā)潛力準(zhǔn)則層的支撐指數(shù)；μi、μj、μl分別為地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發(fā)潛力準(zhǔn)則層所含各指標(biāo)的支撐指數(shù)；n1、n2、n3分別為地下水依存度、綜合用水效率、地下水開發(fā)潛力準(zhǔn)則層所含指標(biāo)個數(shù)；wi、wj、wl為地下水依存度、綜合用水效率、地下水開發(fā)潛力準(zhǔn)則層各指標(biāo)的權(quán)重，采用層次分析法和熵權(quán)法加權(quán)平均確定[20]，如圖1所示。

2.2.3多準(zhǔn)則集成

將地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發(fā)潛力準(zhǔn)則層的支撐指數(shù)集成得到地下水支撐指數(shù)μG，用來表征地下水對經(jīng)濟(jì)社會的支撐作用。地下水支撐指數(shù)計(jì)算公式為

(6)

式中α、β、γ分別為地下水依存度、綜合用水效率和地下水開發(fā)潛力準(zhǔn)則層的權(quán)重系數(shù)，分別取值0.6、0.3和0.1。

地下水支撐指數(shù)反映了地下水資源對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會支撐作用強(qiáng)弱。地下水支撐指數(shù)越大，說明地下水資源對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支撐作用越強(qiáng)。參考已有研究成果[7,10,16,21]，結(jié)合新疆地區(qū)實(shí)際，將地下水支撐指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個等級，分別為弱支撐(0≤μG<0.2)、中等支撐(0.2≤μG<0.4)、強(qiáng)支撐(0.4≤μG<0.6)、高水平支撐(0.6≤μG<0.8)、理想支撐(0.8≤μG≤1.0)。

3 結(jié)果與分析

運(yùn)用SMI-P方法計(jì)算得到了2004—2016年新疆各地、市、州地下水支撐指數(shù)，并從時間和空間維度分析新疆各地、市、州地下水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情況。

3.1 時間維度分析

圖2為2004—2016年新疆各地、市、州地下水支撐指數(shù)變化趨勢。從各地、市、州支撐指數(shù)變化來看，大體上可分為兩類地區(qū)，一類是具有明顯上升趨勢的地區(qū)，如烏魯木齊市、昌吉州、克拉瑪依市、伊犁州、哈密市、博州等；另一類是呈先升后降趨勢的地區(qū)，如阿勒泰地區(qū)、克州、阿克蘇地區(qū)等。從地下水支撐指數(shù)年均增長速率來看，伊犁州、巴州增長迅速，伊犁州地下水支撐指數(shù)從2004年的0.18上升到2016年的0.42，年均增速8.16%，巴州地下水支撐指數(shù)從2004年的0.22上升到2016年的0.47，年均增速6.76%；博州、吐魯番市、克拉瑪依市、喀什地區(qū)、塔城地區(qū)等年均增速為3%～5%，其他地、市、州年均增速則相對較小。

(a) 北疆

新疆地處歐亞大陸中心，與8個國家接壤，對外口岸多，資源雄厚，是我國向西開放的重要窗口。西部大開發(fā)戰(zhàn)略、“一帶一路”倡儀的相繼實(shí)施，使得新疆可以充分發(fā)揮自身地理優(yōu)勢，積極發(fā)展對外貿(mào)易。新疆地區(qū)生產(chǎn)總值從2004年的2 200億元上升到2016年的9 617億元，人口從2004年的1 963萬人增長到2016年的2 398萬人，2004—2016年耕地面積增長近240萬hm2[22]，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口和耕地面積的增長，使得經(jīng)濟(jì)社會對水資源需求大幅增加，但新疆大部分地區(qū)降水稀少，地表水資源短缺，只有依賴開采地下水資源才能滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展用水需求，地下水開采量基本呈逐年增加趨勢，并且隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展以及工農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)推廣，綜合用水效率不斷提高，一些地區(qū)地下水支撐指數(shù)上升明顯。

3.2 空間維度分析

為進(jìn)一步分析新疆地下水資源對經(jīng)濟(jì)社會支撐作用的空間差異性，表2給出了2016年新疆各地、市、州地下水支撐指數(shù)計(jì)算結(jié)果。從表2可以得出，新疆地下水資源對經(jīng)濟(jì)社會支撐作用地、市、州差異較大，烏魯木齊市、哈密市、昌吉州、吐魯番市地下水依存度大、綜合用水效率高，地下水資源對經(jīng)濟(jì)社會的支撐作用均處于較強(qiáng)水平，但這些地區(qū)的地下水開發(fā)潛力已處于較低水平，說明未來地下水對這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展可進(jìn)一步提供的支撐作用相對較小；伊犁州、巴州、博州、塔城地區(qū)地下水資源對經(jīng)濟(jì)社會的支撐作用也處于強(qiáng)支撐水平，但地下水開發(fā)潛力處于較高水平，地下水資源仍有很大的開發(fā)空間；克拉瑪依市、克州、喀什地區(qū)、阿克蘇地區(qū)地下水對經(jīng)濟(jì)社會的支撐作用均處于中等支撐水平，克拉瑪依市地下水依存度較大、綜合用水效率較高，但地下水開發(fā)潛力較低，喀什地區(qū)、阿克蘇地區(qū)則正好相反；阿勒泰地區(qū)和和田地區(qū)地下水對經(jīng)濟(jì)社會的支撐作用較小，主要原因是阿勒泰地區(qū)地表水資源豐富，可以滿足經(jīng)濟(jì)社會用水需求，和田地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)模相對較小，水資源需求不大，地表水資源基本能滿足經(jīng)濟(jì)社會用水需求?？傮w上，地下水資源對東疆和北疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的支撐作用更大，南疆地區(qū)地下水資源對經(jīng)濟(jì)社會的支撐作用普遍處于較低水平。

表2 2016年新疆地下水支撐指數(shù)計(jì)算結(jié)果

為分析地下水依存度、綜合用水效率、地下水開發(fā)潛力對各地、市、州地下水支撐作用的影響，選取2004年、2008年、2012年、2016年為代表年，繪制了代表年各地、市、州地下水依存程度、綜合用水效率、地下水開發(fā)潛力雷達(dá)圖(圖3)。從圖3可以看出，2004年僅有昌吉州、哈密市對地下水依存度較高，2008年、2012年各地、市、州對地下水依存程度不斷上升，南疆地區(qū)的巴州及北疆地區(qū)的烏魯木齊市、克拉瑪依市、博州等地區(qū)上升較為明顯，2016年大部分地區(qū)對地下水依存程度都有所下降。2004年、2008年、2012年、2016年新疆各地、市、州綜合用水效率在不同程度上都有所提高，其中烏魯木齊市作為新疆首府，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展較快、節(jié)水措施實(shí)施較好，綜合用水效率提升最快；此外，從整體上看，東疆和北疆地區(qū)的綜合用水效率要明顯高于南疆。區(qū)域地下水開發(fā)潛力與地下水依存度聯(lián)系密切，隨著區(qū)域地下水依存度的提高，地下水開發(fā)潛力在不斷減小，如博州、巴州、塔城地區(qū)等。結(jié)合新疆各地、市、州地下水支撐指數(shù)時空變化趨勢，得出以下結(jié)論：隨著各地、市、州綜合用水效率的提升，盡管地下水依存度有所下降，但地下水支撐指數(shù)仍呈上升趨勢，說明綜合用水效率提高可增強(qiáng)地下水對經(jīng)濟(jì)社會支撐作用，如吐魯番市、哈密市、昌吉州等；地下水開發(fā)潛力越大，并不能說明地下水對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支撐作用也一定越大，如阿勒泰地區(qū)、阿克蘇地區(qū)等地下水具有較大開發(fā)潛力，但其地下水支撐指數(shù)較小。綜上所述，地下水資源對一個地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支撐作用需要綜合考慮地下水依存度、綜合用水效率、地下水開發(fā)潛力等方面的影響。

(a) 2004年

4 結(jié) 論

a. 時間上，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口和耕地不斷增長，新疆大部分地、市、州地下水資源對經(jīng)濟(jì)社會的支撐作用呈增強(qiáng)趨勢，伊犁州增強(qiáng)迅速，從2004年地下水弱支撐狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?016年強(qiáng)支撐狀態(tài)，烏魯木齊市、博州、塔城地區(qū)、吐魯番市、巴州等地、市、州增強(qiáng)較快，均從2004年地下水中等支撐狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?016年強(qiáng)支撐狀態(tài)，其余地、市、州地下水資源對經(jīng)濟(jì)社會支撐作用變化不大，如昌吉州、哈密市等保持在強(qiáng)支撐狀態(tài)，阿勒泰地區(qū)等則保持在弱支撐狀態(tài)。

b. 空間上，新疆水資源分布不均和各地、市、州經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平差異，導(dǎo)致新疆各地、市、州對地下水資源需求不同。東疆和北疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)模相對較大，但地表水資源短缺，地下水資源對其經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支撐作用相對南疆地區(qū)較強(qiáng)，因此，東疆和北疆地區(qū)地下水支撐指數(shù)普遍較高，南疆地區(qū)地下水支撐指數(shù)則相對較低。

c. 總體上，東疆和北疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對地下水資源的依賴程度較大，隨著多年地下水的大量開采，地下水資源對其未來經(jīng)濟(jì)社會進(jìn)一步發(fā)展所能提供的支撐能力較小，而南疆地區(qū)則相反。