天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源安全評(píng)估

張志君

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

水資源是干旱區(qū)綠洲社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，用水結(jié)構(gòu)和用水效率是水資源消耗的關(guān)鍵控制因素。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶作為新疆工業(yè)發(fā)展的核心區(qū)，近年來在新疆節(jié)水推進(jìn)工作在卓有成效的開展中，萬元GDP用水量指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，第二產(chǎn)業(yè)用水量呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)。但隨著鄉(xiāng)村振興、生態(tài)移民、扶貧搬遷等社會(huì)工作建設(shè)開展，水資源現(xiàn)狀與增加的用水需求之間的矛盾日益加劇，引發(fā)了一系列水安全問題。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶是新疆人口、城鎮(zhèn)、經(jīng)濟(jì)高度聚集的地區(qū)，而以農(nóng)業(yè)灌溉為主導(dǎo)的用水結(jié)構(gòu)短期內(nèi)無法打破，農(nóng)業(yè)用水壓減措施，缺乏系統(tǒng)的科學(xué)支撐，農(nóng)業(yè)大水漫灌、串灌現(xiàn)象普遍存在[1- 2]，現(xiàn)狀用水的超引、超用、擠占生態(tài)用水現(xiàn)象亟待解決，用水結(jié)構(gòu)不合理和用水效率低下的現(xiàn)狀，嚴(yán)重制約天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)性發(fā)展。

水資源安全評(píng)價(jià)方法主要有模糊綜合評(píng)價(jià)、集對(duì)分析法、TOPSIS法、灰色G(1，1)模型[3]等。關(guān)于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域水資源研究已有多位學(xué)者開展，王艷等[4]利用變權(quán)和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力進(jìn)行等級(jí)評(píng)估，秦楊金秋[5]采用DEA和Malmquist指數(shù)法，在時(shí)間和空間上對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源利用效率評(píng)估，張盼盼[6]利用TOPSIS法對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶城市承載綜合狀況進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)目前新的形勢(shì)下水安全戰(zhàn)略保障規(guī)劃要求[7- 10]，而較少有學(xué)者對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源安全評(píng)估。本文結(jié)合區(qū)域水資源現(xiàn)狀，構(gòu)建天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用集對(duì)分析法，選取11個(gè)指標(biāo)，對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水安全進(jìn)行綜合評(píng)估，這對(duì)未來該區(qū)域空間水資源合理配置和調(diào)水工作具有指導(dǎo)意義，為管理者做出合理決策提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶位于天山北麓，準(zhǔn)格爾盆地南緣，東起木壘縣，西至博州。地理坐標(biāo)79°53′E～96°23′E，40°43′N～47°15′N，總面積21.5萬km2，行政區(qū)劃上包含烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市、吐魯番市、昌吉州、博州全部、哈密市、伊犁州(奎屯市、伊寧市、察布查爾錫伯自治縣以及霍城縣)、塔城地區(qū)(烏蘇市和沙灣縣)9個(gè)行政分區(qū)[5，12]。多年平均(2001—2017)總供水量為96.3億m3，占區(qū)域水資源總量120.4億m3的80%。全疆總供水量為537億m3，占水資源總量859億m3的58%，均超過國際上公認(rèn)的水資源開發(fā)利用率50%的限度。行業(yè)用水中，生產(chǎn)用水量為90.3億m3，占93.8%(全疆95.8%)；生活用水量3.1億m3占3.2%(全疆1.5%)；生態(tài)用水量2.9億m3占3.0%(全疆2.7%)。近年來，該區(qū)域用水總量已經(jīng)超過紅線控制指標(biāo)，用水結(jié)構(gòu)不合理，高耗水產(chǎn)業(yè)比重大，環(huán)境資源約束強(qiáng)化，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型難度加大等問題日益凸顯。

數(shù)據(jù)來源于2017年《新疆水資源公報(bào)》、2018年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

區(qū)域水安全狀況需要依據(jù)人工-自然復(fù)合系統(tǒng)體現(xiàn)，本文利用區(qū)域水資源現(xiàn)狀，從水量、水質(zhì)、用水效率3個(gè)角度，建立準(zhǔn)則層，指標(biāo)層共選取11個(gè)指標(biāo)(C1-C11)，效益型指標(biāo)用“+”表示，成本型指標(biāo)用“-” 表示[13- 14]，構(gòu)建的水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重見表1。

表1 水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重

2.2 指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定

依據(jù)國內(nèi)外對(duì)水安全的定義，結(jié)合研究區(qū)氣候和水資源利用情況，參考臨近地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)成果[13- 15]，確定了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并劃分為5級(jí)(Ⅰ～Ⅴ級(jí))，見表2。

表2 新疆水資源安全評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 水資源安全評(píng)價(jià)模型

3.1 熵權(quán)法確定權(quán)重

權(quán)重是反映評(píng)價(jià)因素對(duì)于事物重要性程度，而熵權(quán)是依據(jù)指標(biāo)變異性大小來確定客觀權(quán)重，參照相關(guān)文獻(xiàn)[16]，步驟如下：①數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。將第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)X(xij)m×n(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)標(biāo)準(zhǔn)化，分成效益型指標(biāo)和成本性指標(biāo)，形成標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R(rij)m×n。②確定指標(biāo)j熵值hj。③確定第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)wj。

(1)

3.2 模糊集對(duì)分析評(píng)價(jià)法

集對(duì)分析法是將不確定系統(tǒng)中的2個(gè)有關(guān)聯(lián)的集合進(jìn)行構(gòu)造集對(duì)，當(dāng)應(yīng)用于水資源安全評(píng)價(jià)問題中，將指標(biāo)值xn(n=1，2，…，N)當(dāng)做集合An，將指標(biāo)j第k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)看作集合Zk(k=1，2，…，K，k為評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù))，將An和Zk集合構(gòu)造形成的集對(duì)H(An，Zk)，進(jìn)而通過集對(duì)的關(guān)系判斷關(guān)系的優(yōu)劣程度，即求聯(lián)系度μn。若將Zk特定為評(píng)價(jià)等級(jí)Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成的集合，其評(píng)價(jià)公式為[17- 18]：

μn=μAn～Z1=an+bn，1I1+bn，2I2+bn，3I3+cnJ

(7)

3.2.1單指標(biāo)聯(lián)系度

依據(jù)區(qū)域水資源安全評(píng)價(jià)4個(gè)門限值(S1、S2、S3、S4)，將水安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為5個(gè)區(qū)間，單指標(biāo)聯(lián)系度μn的表達(dá)式如下[17- 18]。

對(duì)于效益型指標(biāo)μn：

(2)

式中，S1>S2>S3>S4。

對(duì)于成本型指標(biāo)μn：

(3)

式中，S1

3.2.2樣本綜合聯(lián)系度

(1)準(zhǔn)則層綜合聯(lián)系度。將單指標(biāo)聯(lián)系度，結(jié)合準(zhǔn)則層各指標(biāo)權(quán)重，得準(zhǔn)則層綜合聯(lián)系度[18]：

(4)

式中，s—各準(zhǔn)則層中指標(biāo)個(gè)數(shù)；wj—準(zhǔn)則層第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

(2)樣本綜合聯(lián)系度。將指標(biāo)層權(quán)重結(jié)合樣本單指標(biāo)聯(lián)系度，得樣本綜合聯(lián)系度[18]：

(5)

式中，n—指標(biāo)個(gè)數(shù)；wn—指標(biāo)j的權(quán)重。

3.2.3評(píng)價(jià)等級(jí)確定

(1)置信度準(zhǔn)則。通常確定水資源安全狀態(tài)等級(jí)的公式為：

hk=(f1+f2+…+fK)>λ

(6)

(2)級(jí)別特征值法。其特點(diǎn)在于能克服模糊隸屬度函數(shù)判別結(jié)果失真，公式為：

gk=(1f1+2f2+3f3+4f4+5f5)

(7)

4 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

4.1 水安全影響因素分析

依據(jù)熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，準(zhǔn)則層中，水量、水質(zhì)、用水效率所占權(quán)重分別為0.526、0.174、0.3，從水量角度考慮，對(duì)水安全影響由大到小排序順序?yàn)槿司Y源量地下水開采潛力系數(shù)、供水模數(shù)、水資源供需比、產(chǎn)水模數(shù)；從水質(zhì)角度考慮，指標(biāo)由大到小排序?yàn)橹兴赜寐?、污徑比；從用水效率角度考慮，指標(biāo)由大到小排序?yàn)槿f元工業(yè)增加值用水量、萬元GDP用水量、灌溉定額、人均日生活用水量。

4.2 準(zhǔn)則層水資源安全等級(jí)確定

利用2018年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》及2017年《新疆水資源公報(bào)》中2017年水資源數(shù)據(jù)。結(jié)合上述集對(duì)分析方法評(píng)價(jià)步驟，對(duì)2017年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶9個(gè)行政區(qū)水安全準(zhǔn)則層評(píng)估，取λ=0.5，利用準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合公式(4)—(7)得到水量、水質(zhì)、水資源利用效率水資源安全評(píng)價(jià)等級(jí)及數(shù)值，準(zhǔn)則層水安全評(píng)價(jià)聯(lián)系數(shù)及水安全等級(jí)，見表3。

由表3可知，準(zhǔn)則層中水量子系統(tǒng)，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中部(烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市、昌吉州、博州)除博州、昌吉州位于Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、克拉瑪依市和石河子市屬于Ⅳ級(jí)外，其余屬于Ⅴ級(jí)。原因可能是因?yàn)殡S著“一帶一路”和絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展，區(qū)域城鎮(zhèn)化加劇，區(qū)域水資源存在用水總量超出水資源承載負(fù)荷，水利基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，供水保障能力不足等問題。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶東部(吐魯番市、哈密市)屬于Ⅴ級(jí)，區(qū)域氣候條件導(dǎo)致的資源性缺水，人均水資源量不足2000m3，區(qū)域灌區(qū)和田間農(nóng)業(yè)損耗水量較大，市區(qū)、平原區(qū)地下水開采強(qiáng)度較高，水資源短缺矛盾十分突出。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶西部(伊犁州、塔城地區(qū))屬于Ⅱ～Ⅲ級(jí)，由于區(qū)域所處地理環(huán)境相對(duì)優(yōu)越，地下水資源豐富，但近年來區(qū)域地下水超采現(xiàn)象加劇，缺少防洪等調(diào)蓄型控制工程。水質(zhì)子系統(tǒng)中，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶東部、中部、西部均屬于Ⅳ等級(jí)，雖然近年來河湖長制對(duì)區(qū)域入河、入湖排污等起到良好的作用，但區(qū)域中水回用程度整體屬于較低水平。水資源利用效率子系統(tǒng)中，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中部和東部均屬于Ⅲ級(jí)，區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為迅速，是天山北坡經(jīng)濟(jì)帶重工業(yè)、化工業(yè)分布的主要核心地帶。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶西部屬于Ⅴ級(jí)，存在區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉定額較高，農(nóng)業(yè)種植效益較低，山區(qū)牧民區(qū)耗水量高等問題。

表3 準(zhǔn)則層水安全評(píng)價(jià)聯(lián)系數(shù)及水安全等級(jí)

4.3 水安全等級(jí)確定

依據(jù)置信度準(zhǔn)則確定評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)，并利用級(jí)別特征值法得出水安全等級(jí)數(shù)值，確定天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水安全綜合聯(lián)系數(shù)及安全等級(jí)，見表4。

由表4可知，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的水安全等級(jí)屬于基本安全等級(jí)(Ⅲ級(jí))，依據(jù)置信度準(zhǔn)則，位于同一個(gè)等級(jí)，hk越大安全程度越高，判斷水資源安全等級(jí)，同時(shí)結(jié)合級(jí)別特征值法判別的水安全評(píng)價(jià)等級(jí)。屬于安全等級(jí)(Ⅱ級(jí))由高到低的順序?yàn)椋阂晾缰?2.722)、博州(2.739)；屬于基本安全等級(jí)(Ⅲ級(jí))由高到低的順序?yàn)椋核堑貐^(qū)(3.068)、昌吉州(0.328)；屬于不安全等級(jí)(Ⅳ級(jí))由高到低的順序?yàn)椋菏幼邮?3.611)、克拉瑪依市(0.3454)；屬于極不安全等級(jí)(Ⅴ級(jí))由高到低的順序?yàn)椋和卖敺?4.038)、哈密市(3.678)、烏魯木齊市(3.558)；級(jí)別特征值法與置信度準(zhǔn)則判斷結(jié)果較為一致。吐魯番市、哈密市、烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市是區(qū)域水安全調(diào)控的主要對(duì)象。評(píng)判結(jié)果與地區(qū)實(shí)際情況較為相符，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定指導(dǎo)意義。

表4 水資源安全評(píng)價(jià)綜合聯(lián)系數(shù)及水安全等級(jí)

4.4 結(jié)論與建議

天山北坡地區(qū)水資源缺乏，水資源總量少，地表水資源時(shí)空分布不均衡，季節(jié)性明顯，資源性和工程性缺水并存，制約著天山北坡地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。針對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源現(xiàn)狀利用情況，從用水需求保障提出相關(guān)建議，分別從節(jié)水、用水、調(diào)水、管水的角度提出相關(guān)對(duì)策建議。

(1)最大限度的多頭節(jié)水，發(fā)展節(jié)水型產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建節(jié)水型國民經(jīng)濟(jì)體系，建立水資源利用的約束機(jī)制、激勵(lì)機(jī)制，強(qiáng)化用水總量控制。重點(diǎn)支持節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展，多渠道資金投入，把工作重點(diǎn)從以開源和新建。通過一些節(jié)水機(jī)制、節(jié)水行動(dòng)、節(jié)水管理、節(jié)水宣傳等方面的系統(tǒng)部署，加快實(shí)現(xiàn)受水區(qū)從粗放用水向節(jié)約集約用水的轉(zhuǎn)變，建立起與水資源承載能力相協(xié)調(diào)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)體系，調(diào)整不同區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向和功能定位，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、工業(yè)與服務(wù)業(yè)，在重點(diǎn)城鎮(zhèn)化地區(qū)建議要“壓縮農(nóng)業(yè)用水，增加工業(yè)供水”方案，適當(dāng)增加對(duì)烏魯木齊、石河子、奎屯-獨(dú)山地區(qū)、準(zhǔn)東經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的分水配額。

(2)最大限度提高水綜合利用率，改革水資源管理體制，制定水權(quán)水票交易制度。通過科學(xué)管理和技術(shù)創(chuàng)新來降低單位農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)產(chǎn)值的用水量。在農(nóng)業(yè)用水方面，要采用噴灌、微灌、膜下滴灌等多種先進(jìn)灌溉方式，最大程度地減少水資源消耗和有效地提升農(nóng)業(yè)用水的效率。

(3)不斷深化水利管理體制的改革，將用水效率和效率的提高作為改革創(chuàng)新的重要目標(biāo)，完善流域管理與區(qū)域管理相結(jié)合，區(qū)域管理要服從流域管理，分工明確、運(yùn)轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)的水利管理體制；推進(jìn)城鄉(xiāng)水務(wù)一體化管理模式，促進(jìn)城鄉(xiāng)供水、水環(huán)境治理和防洪排澇等水利設(shè)施的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和建設(shè)，強(qiáng)化水利設(shè)施的統(tǒng)一管理。

(4)有度有序利用有限的水資源，擰緊制度“水龍頭”，扎緊“水口袋”。一要高度重視水資源高效配置和合理利用，合理分配好三生用水比例，嚴(yán)格控制流域和區(qū)域取用水總量，有度有序利用水資源，促進(jìn)人水和諧。

5 結(jié)語

本文利用集對(duì)分析法從水量、水質(zhì)、用水效率3個(gè)層面上選取用供水模數(shù)、用水模數(shù)、人均水資源量等11個(gè)指標(biāo)對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源安全狀況進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明：

(1)影響水安全因素，從準(zhǔn)則層分析，水量、水質(zhì)、用水效率層所占權(quán)重分別為0.526、0.174、0.3，水量是主要因素，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶西部>中部>東部；從指標(biāo)層分析，水量層中的人均水資源量、地下水開采潛力系數(shù)、供水模數(shù)，權(quán)重分別為0.125、0.109、0.108；水質(zhì)層中的中水回用率為0.114，用水效率層中的萬元工業(yè)增加值用水量為0.091。

(2)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2017年水安全等級(jí)屬于Ⅲ級(jí)，水安全等級(jí)屬于Ⅳ—Ⅴ級(jí)的行政區(qū)為吐魯番市、哈密市、烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市，是區(qū)域水安全需要進(jìn)行調(diào)控的主要區(qū)域。

(3)為緩解水資源安全不良態(tài)勢(shì)，要將工作重點(diǎn)放在調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高居民節(jié)水意識(shí)和嚴(yán)格控制灌溉面積增長，建立上游對(duì)中、下游生態(tài)用水的補(bǔ)償機(jī)制，扭轉(zhuǎn)新疆水資源安全面臨的危機(jī)。