天山北坡經濟帶水資源安全評估

張志君

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

水資源是干旱區綠洲社會經濟發展的命脈，用水結構和用水效率是水資源消耗的關鍵控制因素。天山北坡經濟帶作為新疆工業發展的核心區，近年來在新疆節水推進工作在卓有成效的開展中，萬元GDP用水量指標呈現下降趨勢，第二產業用水量呈現增加態勢。但隨著鄉村振興、生態移民、扶貧搬遷等社會工作建設開展，水資源現狀與增加的用水需求之間的矛盾日益加劇，引發了一系列水安全問題。天山北坡經濟帶是新疆人口、城鎮、經濟高度聚集的地區，而以農業灌溉為主導的用水結構短期內無法打破，農業用水壓減措施，缺乏系統的科學支撐，農業大水漫灌、串灌現象普遍存在[1- 2]，現狀用水的超引、超用、擠占生態用水現象亟待解決，用水結構不合理和用水效率低下的現狀，嚴重制約天山北坡經濟帶的可持續性發展。

水資源安全評價方法主要有模糊綜合評價、集對分析法、TOPSIS法、灰色G(1，1)模型[3]等。關于天山北坡經濟帶區域水資源研究已有多位學者開展，王艷等[4]利用變權和模糊綜合評價法對天山北坡經濟帶水資源承載力進行等級評估，秦楊金秋[5]采用DEA和Malmquist指數法，在時間和空間上對天山北坡經濟帶水資源利用效率評估，張盼盼[6]利用TOPSIS法對天山北坡經濟帶城市承載綜合狀況進行評估。針對目前新的形勢下水安全戰略保障規劃要求[7- 10]，而較少有學者對天山北坡經濟帶水資源安全評估。本文結合區域水資源現狀，構建天山北坡經濟帶水資源安全評價指標體系，采用集對分析法，選取11個指標，對天山北坡經濟帶水安全進行綜合評估，這對未來該區域空間水資源合理配置和調水工作具有指導意義，為管理者做出合理決策提供參考依據。

1 研究區概況及數據來源

天山北坡經濟帶位于天山北麓，準格爾盆地南緣，東起木壘縣，西至博州。地理坐標79°53′E～96°23′E，40°43′N～47°15′N，總面積21.5萬km2，行政區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(烏蘇市和沙灣縣)9個行政分區[5，12]。多年平均(2001—2017)總供水量為96.3億m3，占區域水資源總量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%，均超過國際上公認的水資源開發利用率50%的限度。行業用水中，生產用水量為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%)；生態用水量2.9億m3占3.0%(全疆2.7%)。近年來，該區域用水總量已經超過紅線控制指標，用水結構不合理，高耗水產業比重大，環境資源約束強化，產業轉型難度加大等問題日益凸顯。

數據來源于2017年《新疆水資源公報》、2018年《新疆統計年鑒》。

2 水資源安全評價指標體系及評價標準

2.1 構建評價指標體系

區域水安全狀況需要依據人工-自然復合系統體現，本文利用區域水資源現狀，從水量、水質、用水效率3個角度，建立準則層，指標層共選取11個指標(C1-C11)，效益型指標用“+”表示，成本型指標用“-” 表示[13- 14]，構建的水資源安全評價指標體系及權重見表1。

表1 水資源安全評價指標體系及權重

2.2 指標等級標準確定

依據國內外對水安全的定義，結合研究區氣候和水資源利用情況，參考臨近地區水資源安全評價成果[13- 15]，確定了天山北坡經濟帶水安全等級標準，并劃分為5級(Ⅰ～Ⅴ級)，見表2。

表2 新疆水資源安全評價等級標準

3 水資源安全評價模型

3.1 熵權法確定權重

權重是反映評價因素對于事物重要性程度，而熵權是依據指標變異性大小來確定客觀權重，參照相關文獻[16]，步驟如下：①數據標準化。將第j個指標的數據X(xij)m×n(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)標準化，分成效益型指標和成本性指標，形成標準化矩陣R(rij)m×n。②確定指標j熵值hj。③確定第j個指標的熵權wj。

(1)

3.2 模糊集對分析評價法

集對分析法是將不確定系統中的2個有關聯的集合進行構造集對，當應用于水資源安全評價問題中，將指標值xn(n=1，2，…，N)當做集合An，將指標j第k級標準看作集合Zk(k=1，2，…，K，k為評價等級數)，將An和Zk集合構造形成的集對H(An，Zk)，進而通過集對的關系判斷關系的優劣程度，即求聯系度μn。若將Zk特定為評價等級Ⅰ級標準構成的集合，其評價公式為[17- 18]：

μn=μAn～Z1=an+bn，1I1+bn，2I2+bn，3I3+cnJ

(7)

3.2.1單指標聯系度

依據區域水資源安全評價4個門限值(S1、S2、S3、S4)，將水安全評價等級劃分為5個區間，單指標聯系度μn的表達式如下[17- 18]。

對于效益型指標μn：

(2)

式中，S1>S2>S3>S4。

對于成本型指標μn：

(3)

式中，S1

3.2.2樣本綜合聯系度

(1)準則層綜合聯系度。將單指標聯系度，結合準則層各指標權重，得準則層綜合聯系度[18]：

(4)

式中，s—各準則層中指標個數；wj—準則層第j個指標的權重。

(2)樣本綜合聯系度。將指標層權重結合樣本單指標聯系度，得樣本綜合聯系度[18]：

(5)

式中，n—指標個數；wn—指標j的權重。

3.2.3評價等級確定

(1)置信度準則。通常確定水資源安全狀態等級的公式為：

hk=(f1+f2+…+fK)>λ

(6)

(2)級別特征值法。其特點在于能克服模糊隸屬度函數判別結果失真，公式為：

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

(7)

4 評價結果及分析

4.1 水安全影響因素分析

依據熵權法確定指標權重，準則層中，水量、水質、用水效率所占權重分別為0.526、0.174、0.3，從水量角度考慮，對水安全影響由大到小排序順序為人均水資源量地下水開采潛力系數、供水模數、水資源供需比、產水模數；從水質角度考慮，指標由大到小排序為中水回用率、污徑比；從用水效率角度考慮，指標由大到小排序為萬元工業增加值用水量、萬元GDP用水量、灌溉定額、人均日生活用水量。

4.2 準則層水資源安全等級確定

利用2018年《新疆統計年鑒》及2017年《新疆水資源公報》中2017年水資源數據。結合上述集對分析方法評價步驟，對2017年天山北坡經濟帶9個行政區水安全準則層評估，取λ=0.5，利用準則層指標權重，結合公式(4)—(7)得到水量、水質、水資源利用效率水資源安全評價等級及數值，準則層水安全評價聯系數及水安全等級，見表3。

由表3可知，準則層中水量子系統，天山北坡經濟帶中部(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、Ⅲ級、克拉瑪依市和石河子市屬于Ⅳ級外，其余屬于Ⅴ級。原因可能是因為隨著“一帶一路”和絲綢之路經濟帶發展，區域城鎮化加劇，區域水資源存在用水總量超出水資源承載負荷，水利基礎設施薄弱，供水保障能力不足等問題。天山北坡經濟帶東部(吐魯番市、哈密市)屬于Ⅴ級，區域氣候條件導致的資源性缺水，人均水資源量不足2000m3，區域灌區和田間農業損耗水量較大，市區、平原區地下水開采強度較高，水資源短缺矛盾十分突出。天山北坡經濟帶西部(伊犁州、塔城地區)屬于Ⅱ～Ⅲ級，由于區域所處地理環境相對優越，地下水資源豐富，但近年來區域地下水超采現象加劇，缺少防洪等調蓄型控制工程。水質子系統中，天山北坡經濟帶東部、中部、西部均屬于Ⅳ等級，雖然近年來河湖長制對區域入河、入湖排污等起到良好的作用，但區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中，天山北坡經濟帶中部和東部均屬于Ⅲ級，區域社會經濟發展較為迅速，是天山北坡經濟帶重工業、化工業分布的主要核心地帶。天山北坡經濟帶西部屬于Ⅴ級，存在區域農業灌溉定額較高，農業種植效益較低，山區牧民區耗水量高等問題。

表3 準則層水安全評價聯系數及水安全等級

4.3 水安全等級確定

依據置信度準則確定評價結果等級，并利用級別特征值法得出水安全等級數值，確定天山北坡經濟帶水安全綜合聯系數及安全等級，見表4。

由表4可知，天山北坡經濟帶的水安全等級屬于基本安全等級(Ⅲ級)，依據置信度準則，位于同一個等級，hk越大安全程度越高，判斷水資源安全等級，同時結合級別特征值法判別的水安全評價等級。屬于安全等級(Ⅱ級)由高到低的順序為：伊犁州(2.722)、博州(2.739)；屬于基本安全等級(Ⅲ級)由高到低的順序為：塔城地區(3.068)、昌吉州(0.328)；屬于不安全等級(Ⅳ級)由高到低的順序為：石河子市(3.611)、克拉瑪依市(0.3454)；屬于極不安全等級(Ⅴ級)由高到低的順序為：吐魯番市(4.038)、哈密市(3.678)、烏魯木齊市(3.558)；級別特征值法與置信度準則判斷結果較為一致。吐魯番市、哈密市、烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市是區域水安全調控的主要對象。評判結果與地區實際情況較為相符，評價結果具有一定指導意義。

表4 水資源安全評價綜合聯系數及水安全等級

4.4 結論與建議

天山北坡地區水資源缺乏，水資源總量少，地表水資源時空分布不均衡，季節性明顯，資源性和工程性缺水并存，制約著天山北坡地區的經濟社會發展。針對天山北坡經濟帶水資源現狀利用情況，從用水需求保障提出相關建議，分別從節水、用水、調水、管水的角度提出相關對策建議。

(1)最大限度的多頭節水，發展節水型產業，構建節水型國民經濟體系，建立水資源利用的約束機制、激勵機制，強化用水總量控制。重點支持節水農業發展，多渠道資金投入，把工作重點從以開源和新建。通過一些節水機制、節水行動、節水管理、節水宣傳等方面的系統部署，加快實現受水區從粗放用水向節約集約用水的轉變，建立起與水資源承載能力相協調的經濟結構體系，調整不同區域經濟發展方向和功能定位，優化農業種植結構，發展節水農業、工業與服務業，在重點城鎮化地區建議要“壓縮農業用水，增加工業供水”方案，適當增加對烏魯木齊、石河子、奎屯-獨山地區、準東經濟技術開發區的分水配額。

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

(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新的重要目標，完善流域管理與區域管理相結合，區域管理要服從流域管理，分工明確、運轉協調的水利管理體制；推進城鄉水務一體化管理模式，促進城鄉供水、水環境治理和防洪排澇等水利設施的統籌協調和建設，強化水利設施的統一管理。

(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，嚴格控制流域和區域取用水總量，有度有序利用水資源，促進人水和諧。

5 結語

本文利用集對分析法從水量、水質、用水效率3個層面上選取用供水模數、用水模數、人均水資源量等11個指標對天山北坡經濟帶水資源安全狀況進行評估，結果表明：

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

(2)天山北坡經濟帶2017年水安全等級屬于Ⅲ級，水安全等級屬于Ⅳ—Ⅴ級的行政區為吐魯番市、哈密市、烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市，是區域水安全需要進行調控的主要區域。

(3)為緩解水資源安全不良態勢，要將工作重點放在調整產業結構、提高居民節水意識和嚴格控制灌溉面積增長，建立上游對中、下游生態用水的補償機制，扭轉新疆水資源安全面臨的危機。