新疆區域水資源承載力綜合評價與效率分析

段 鑫 李明蕊 任群羅

新疆財經大學經濟學院

0 引言

隨著絲綢之路經濟帶的提出，新疆在新時代也會獲得新的機遇。在建設絲綢之路經濟帶過程中，新疆的政策、政治、文化等都將會發揮很重要的作用。但是，水資源的匱乏將會在一定程度上阻礙新疆實現高質量發展。水資源是經濟發展的戰略性資源，人類社會活動對水資源的壓力日趨增大。隨著經濟的增長，工業化和產業結構的優化升級，對水的需求加大，因此整個新疆和各個地州都面臨著缺水的考驗。

1 問題提出

新疆對水資源承載力的研究起步較晚，從上世紀80年代后期至今共分為三個階段。第一階段是水資源概念形成階段，主要是對部分河流（如烏魯木齊河流）水資源進行了研究[1]。 第二階段是1996-2000 年屬于水資源承載力探索研究發展階段，開始對烏魯木齊干旱區城市水資源承載力進行分析研究[2]。第三階段是從2001年至今主要是水資源承載力研究階段，一個是橫向研究，一個是縱向研究。并且采用多種方法進行研究：主要有主成分分析方法[3-6]、神經網絡方法[7]、模糊綜合法[8]、投影追蹤技術[9]、FAHP方法[10]、灰色關聯法[11]。部分學者在新疆水資源負載動態的基礎上，運用ARIMA模型預測了2020年新疆水資源生態足跡情況[12-13]。國內大多學者常用DEA 方法來測算水資源效率[14-20]；也有少許學者采用超效率DEA和Tobit模型或者因子分析的突變系數進行水資源效率測算[21-23]。

通過以上分析我們可以看出學者們對地區水資源橫向和縱向結合起來研究的文獻較少，對新疆地區研究的更是少之又少；將水資源承載力與水資源效率結合起來考慮的也較少。因此本文采用主成分分析法分析新疆區域的水資源承載力，采用DEA模型分析新疆區域水資源的效率。

2 材料與方法

2.1 研究區域概況與數據來源

新疆位于中國西北邊陲，面積166萬Km2，地處73°40′E～96°18′E，34°25′N～48°10′N，行政區包括首府烏魯木齊，克拉瑪依、吐魯番、哈密、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、阿勒泰、阿克蘇、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什、和田和伊犁哈薩克自治州，共有三個地級市，6 個地區，5 個自治州。地形多樣，北部阿爾泰山，南部為昆侖山系，天山橫亙于新疆中部，將其分為南北兩半，南部是塔里木盆地，北部是準噶爾盆地，因此也習慣上稱之為“三山夾二盆”。由于地處內陸，并且四周有高山阻擋，海洋氣流不易到達，因此氣候干燥，降水很少，蒸發量大。大部分地區春夏和秋冬之日溫差極大。2017 年年末，自治區內共有人口2 444.67 萬人，生產總值達到10 881.96 億元首次突破萬億，水資源總量達到1 013.07億m3。

新疆區域內大小河流有500 多條，其中較大的有塔里木河、伊犁河、額爾齊斯河、瑪納斯河等20條，也有博斯騰湖、賽里木湖等湖泊。雖然新疆水資源較為豐富，但年均降水量很少，蒸發量很大，而水資源與社會穩定、經濟發展之間又有密切的聯系，因此，有必要研究新疆整體和各地區水資源的承載力。2017年新疆十五地州水資源總量分布見圖1。

圖1 2017年新疆各地州水資源分布圖

圖1中，顏色越深表示水資源總量越豐富，顏色越淺表示水資源總量匱乏，由圖1 可見東疆的哈密和吐魯番地區水資源匱乏；伊犁和巴州擁有豐富的水資源；塔城、阿勒泰、博州、和田、阿克蘇、喀什水資源總量較為豐富；昌吉和烏魯木齊水資源較匱乏，總體來看新疆整體缺水。

本文所采用的指標數據均來自于2008-2018年《新疆統計年鑒》以及各地區的統計年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1 主成分分析法

本文首先采用主成分分析法。主成分分析法是由Karl Parson 在1901 年首先提出，由Hotelling將它引入到隨機變量中。此方法主要是設法將原來指標重新組合成一組新的互相無關的幾個綜合指標來代替原有的指標，同時根據實際需要從中選取幾個較少的綜合指標盡可能多地反映原來的指標信息。主要步驟如下：

1）將原始數據進行標準化處理。

對原矩陣進行標準化處理，變換公式為：

2）計算樣本相關矩陣R。

3）求相關矩陣的特征值和特征向量。特征值的大小所反映的是其代表的影響因素對該選項在研究對象中的大小以及額度，特征值越大影響越大。

可以得到m 個特征值和特征向量，分別為

4）選擇主成分，并計算貢獻率。

5）對所選擇的主成分進行解釋。主成分的計算公式為：

2.2.2 DEA模型的構建

1)假設有n 個同質的DMU (j=1,2,3,.....n),每個DMU 使用m 種投入( i=1,2,3,....)，生產出s 種產出(r=1,2,3,....),記DMU 對應的投入、產出量分別為：

3 新疆水資源承載力研究

3.1 水資源承載力縱向指標選取

在指標的選擇上，遵循科學原則，參照大部分研究水資源供需選取的指標，共選取11個指標對新疆2007-2017 年的水資源承載情況進行分析。這11 個指標分別為：地區生產總值（）、總人口（）、全社會固定資產投資（）、供水總量（）、地表水（）、第一產業用水（）、第二產業用水（）、第三產業用水（）、居民生活用水（）、生態環境用水（）、人均用水量（）。

3.2 主成分分析

3.2.1 驅動因子相關系數矩陣

計算各個指標之間的相關系數，然后得到新疆水資源承載力各評價指標之間的相關系數矩陣和它們之間的顯著性關系。

由表1 可以發現總人口、固定資產投資和生產總值之間有很強的相關性，相關系數達到0.954、0.979；供水總量與生產總值、總人口、全社會固定投資、一產、二產和居民生活用水之間都有較強的相關性；二產、地下水、居民用水量與生產總值、總人口有較強的相關性。由此可見，經濟發展與水資源供需之間存在相關性。

3.2.2 特征值和貢獻率

計算相關系數矩陣的特征值、貢獻率和累積貢獻率，以及旋轉后的貢獻率和累積貢獻率見表2。

表1 2007-2017年新疆全省驅動因子相關系數矩陣

表2 系數矩陣的特征值和貢獻率

由表2 可知，前三個主成分的累積貢獻率已達到了93.846%，能夠較全面地反映影響新疆水資源承載力變化的驅動因子。碎石圖一般以特征值為縱坐標，因子數為橫坐標生成的散點圖，一般取拐點前所有的因子和拐點后的第一個因子作為主成分，因此我們取三個主成分。

3.2.3 因子載荷矩陣

由表3可知，第一主成分與地區生產總值、社會固定資產投資、總人口、第一產業用水和居民生活用水之間呈現較強的正相關關系。因此可以看出經濟發展是影響水資源承載力的關鍵因素。隨著新疆經濟的發展，水資源的需求也會不斷增加，對水資源的承載力負擔會加劇。并且伴隨“一帶一路”倡議的提出，新疆作為“一帶一路”上的核心區，未來的前景會越來越好，因此人口也將是影響水資源承載力的重要因素。

第二成分與地區生產總值、社會固投、水資源總量、第二產業用水和生態環境用水之間有較強的正相關關系；與供水總量、地下水、一產用水之間有較強的負相關關系。這與新疆是我國的能源大省有一定的關系。第二產業是新疆發展的支柱產業，石油、天然氣、煤炭儲量也很豐富，因此高能耗、低技術、高污染企業是新疆重工業產業的特征。隨著科學技術的發展，新疆的產業結構也正在經歷著優化升級和調整階段。隨著“十八大”將生態文明提升到我國未來發展的一個重要指標后，生態用水會增長。新疆由于氣候因素，以冰山雪水和幾條主河作為重要的供水來源，再加上氣候干燥，蒸發量大，部分農民不懂得滴灌技術，采用漫灌，使一產用水增加，加重水資源承載力負擔。因此，我們可以看出第二成分主要與新疆產業結構調整有關。

第三成分與二產用水、生態環境用水、人均用水有較強的正相關關系，與三產用水和居民生活用水之間有較強的負相關關系?？梢钥闯鏊Y源的承載力與人口發展有很大的關系。見表4。

表3 因子載荷矩陣

表4 成分得分

表5 中，F1,F2,F3 是主成分得分，F 為綜合得分，由表5 可以得到主成分得分和綜合得分有正有負，此處的正負并不能反映水資源承載力的實際水平，而是代表其所處的位置，正值表示高于所評價時間段的平均水平，負值表示低于所評價時間段的平均水平；綜合得分越大，說明水資源承載力越大；綜合得分越小，說明水資源承載力越小。因此我們可以看出2007-2010 年新疆水資源承載力不斷下降，2010-2011 年水資源承載力增加，2011-2014年水資源承載力又不斷下降，2015-2017年水資源承載力逐漸趨于穩定。

3.3 水資源橫向指標選取

在指標的選擇上，參照大部分研究水資源供需選取的指標，遵循科學原則，共選取13 個指標對新疆十五個水資源承載力情況進行分析。這些指標分別為：地區生產總值（×104元）、總人口（×104人）、全社會固定資產投資（×104元）、供水總量（×103m3）、地表水（×103m3）、第一產業用水（×103m3）、第二產業用水（×103m3）、第三產業用水（×103m3）、居民生活用水（×103m3）、生態環境用水（×103m3）、人均用水量（m3），地下水（×103m3），降雨量（mm）。

3.4 主成分分析

3.4.1 驅動因子系數矩陣

計算各個指標之間的相關系數，然后得到新疆水資源承載力各評價指標之間的相關系數矩陣和它們之間的顯著性關系。

表5 綜合得分表

由表6可以看出地區生產總值與社會固定資產投資、二產用水和生態環境用水之間存在較強的正相關關系，二產用水與社會固定投資之間有較強的正相關關系，居民生活用水與三產用水之間有較強的正相關關系，供水總量與一產用水量之間有很強的正相關性，人口與居民生活用水和三產用水量之間有較強的正相關關系。因此我們可以判斷新疆各地區水資源承載力的大小與經濟發展、產業結構和人口活動有較強的顯著性。

3.4.2 特征值和貢獻率

計算相關系數矩陣的特征值、貢獻率和累積貢獻率，以及旋轉后的貢獻率和累積貢獻率。

特征值及貢獻率見表7。

由表7 可知，前三個主成分的累積貢獻率已經達到了80.537%，能較全面地反映影響新疆水資源承載力變化的驅動因子。而碎石圖一般以特征值為縱坐標，因子數為橫坐標生成的散點圖，一般取拐點前所有的因子和拐點后的第一個因子作為主成分，因此我們取三個主成分。

表6 驅動因子系數矩陣

表7 特征值和貢獻率

3.4.3 因子載荷矩陣

因子載荷矩陣見表8。

第一主成分與人口、居民生活用水、地區生產總值、社會固定資產投資、地下水、地表水、第一產業用水量、第三產業用水和供水總量之間有很強的正相關性。主要體現了經濟發展因子的影響因素。

第二主成分與第二產業用水量、生態環境用水、地區生產總值、社會固定資產投資有較強的正相關性；與第一產業用水、地表水和供水總量之間有較強的弱相關性。主要體現了產業結構因子的影響。

第三主成分與第三產業、生態環境用水和人均用水有較強的正相關性。主要體現了人口活動因子的影響。

3.4.4 得分表

各因素的得分表見表9。綜合得分表見表10。

由表10可見，第一主成分較高的地區有克拉瑪依市、哈密市、吐魯番市、阿克蘇地區和克州；第二主成分較高的地區有烏魯木齊市、吐魯番市、伊犁哈薩克自治州、巴州、克州和和田地區；第三主成分較高的地區有烏魯木齊市、伊犁州直屬縣、巴州、阿勒泰和阿克蘇地區。而綜合成分較高的地區有烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市、伊犁哈薩克自治州、阿勒泰、克州和巴州，我們可以看出大部分地區都集中在東疆和北疆。由此可見，經濟發展、人口活動和產業結構調整都是影響水資源承載力的重要因素。

4 水資源效率分析

4.1 指標選取

投入產出指標的選取遵循科學、可行的原則，所有指標見表11。投入指標主要有：

第一產業用水：主要代表的是農業生產用水，新疆是糧食大省，農作物種類豐富，因而選取它作為一個重要指標。第二產業用水：主要是工業部門用水，來源主要有兩個途徑，一是通過河流、地下水或者地表水直接獲得，二是利用加工處理后的污水。第三產業用水：主要是服務業用水。隨著產業結構的不斷轉型，新疆的三產發展迅速，用水量逐年增加。生活用水：主要指居民用水，滿足居民生活的需要。新疆總人口達到二千多萬人，需水量較大。生態用水：為更好地持續發展，因此將生態用水作為一個衡量指標。產出指標為生產總值，將GDP作為產出指標。

表8 因子載荷矩陣

表9 各因素得分表

表10 綜合得分表

表11 水資源利用效率指標體系

4.2 DEA實證結果分析

由表12可見，新疆14個地區（伊犁哈薩克自治州除外）在2006-2015年期間總體上運用水資源比較合理；烏魯木齊和克拉瑪依在這十年間水資源效率值始終為1，塔城地區、博州和喀什地區在大多數年份綜合利用效率也為1；伊犁州直屬縣（市）、克州、和田地區的綜合利用率偏低；哈密地區在2006-2009年期間水資源綜合利用率逐年降低，在2009 年之后開始上升穩定在0.7～0.8 之間；伊犁州直屬縣（市）的水資源綜合利用率在2006-2011 年期間呈降低的趨勢，2011 年之后開始有上升的趨勢；阿勒泰地區的水資源綜合利用率有較大的波動，呈現U字形狀；巴州水資源綜合利用率在2006-2009年期間持續為1，有較好的利用率，在2009 年后呈現出先升高然后降低再升高的波動趨勢；阿克蘇地區水資源的綜合利用率也有較大的波動，在2009 年達到最低點僅為0.564，此后始終在0.6～0.8 之間；和田地區水資源綜合利用率最低，有三個年份都在0.5以下，表明水資源綜合利用率很差。

新疆十四個地區的技術效率在2006-2015 年的變化趨勢見表13。烏魯木齊、克拉瑪依、博州、克州、喀什地區在這十年間技術效率始終為1，剩余的九個地區在大部分年份技術效率為1,說明新疆各地區在這十年間水資源的技術效率比較可觀合理。

表12 水資源綜合效率

表13 水資源技術效率

水資源規模效率見表14。由表14 可得出:2006-2015 年烏魯木齊和克拉瑪依的水資源規模效率始終為1，表明規模收益不變；塔城地區、博州和喀什地區有九年規模效率為1，表明這三個地區水資源規模效率整體良好；伊犁州直屬縣（市）、巴州、阿克蘇地區、昌吉回族自治州水資源規模效率始終在0.9 以上，表明這些地區水資源規模效率整體良好。剩余的其他地區則在個別年份存在較大的波動，比如吐魯番地區在2014 和2015 年水資源規模效率降低至0.63 和0.66；哈密地區在2009 年則降低至0.516；阿勒泰地區在2008、2009 年水資源規模效率都在0.7 以下；克州地區在2009 年為0.498，2015年為0.41；和田地區水資源規模效率在2015年為0.546。

表14 水資源規模效率

5 結論與建議

綜合上述分析，可以得出以下結論：

1)主成分分析法對于水資源承載力的研究和評價具有較強的適應性，評價結果客觀地反映了水資源承載力的實際變化趨勢，具體影響水資源承載力驅動因子是：經濟發展、人口活動、產業結構與水資源稟賦。各個因子在時間維度與地區間的影響程度是有差異的。

2)新疆全省水資源承載力在2007-2017 年之間呈現出先下降，再增加，再下降，最后趨于穩定。各個地區在2017 年的水資源承載力有較大的差別，總體來看，烏魯木齊、克拉瑪依、吐魯番等東疆的城市水資源承載力的得分較高，伊犁、塔城等北疆地區水資源承載力次之；最后是喀什、和田、阿克蘇等南疆地區。

3)新疆十四個地州的水資源綜合利用效率不相同。在2006-2015 年期間總體上運用水資源比較合理。烏魯木齊和克拉瑪依在這十年間水資源效率值始終為1，塔城地區、博州和喀什地區綜合利用效率較高；伊犁州直屬縣（市）、克州、和田地區的綜合利用率偏低；哈密地區、伊犁州直屬縣（市）、阿勒泰地區、巴州、阿克蘇地區水資源綜合利用效率在某些年份有較大波動，和田地區水資源綜合利用率為最低。

4)新疆十四個地區的技術效率在2006-2015年的變化各不相同。烏魯木齊、克拉瑪依、博州、克州、喀什地區在這十年間技術效率始終為1，剩余的九個地區在大部分年份技術效率值為0.7以上,說明新疆各地區在這十年間水資源的技術效率比較可觀合理。

5)新疆十四地州的規模效率在2006-2015年的變化：烏魯木齊和克拉瑪依的水資源規模效率在2006-2015 年這十年間始終為1，表明規模收益不變；塔城地區、博州和喀什地區有九年規模效率為1，伊犁州直屬縣（市）、巴州、阿克蘇地區、昌吉回族自治州水資源規模效率保持在0.9 以上，表明這些地區水資源規模效率整體也是良好；剩余的其他地區則在個別年份存在較大的波動。

根據以上結論，提出如下建議：

1)隨著“一帶一路”戰略的提出，國家戰略重點西移，新疆經濟發展和居民生活用水的需求將不斷增加。十八大以來，生態文明建設作為比較重要的一個環節，生態用水量也在不斷增加。但新疆水資源問題十分嚴重，因此要大力倡導合理用水，節約水資源。絲綢之路經濟帶將帶來新的機遇，繼續大力調整產業結構，發展高新技術產業和新興服務業，加快農業結構戰略性調整，擴大附加值高并且耗水量少的農作物的播種。從粗放型傳統灌溉轉變為集約型現代灌溉農業。嚴格保護淺層地下水，并建立以深層地下水為主的水資源儲備制度，大力推進水利基礎設施建設，從傳統的以供水管路為主，向需水管路為基礎的轉變，協調國內外關系，實施互利共贏的國際河流分水戰略。

2)可通過加強疆內區域合作，發揮各自區域優勢，共享有限的水資源，尤其是水資源利用效率較低的地區，要加大投入力度，進行改善。

3)從總體上看，西部地區水資源利用效率低下，一定程度是受到技術因素的限制,要不斷加大科技投入，科學用水、科學生產，用技術進步推動水資源的可持續利用。