基于PSR模型的新疆兵团水资源生态安全评估及制约因素分析＊

刘 芳，梁红军

（1.石河子大学经济与管理学院，新疆石河子832003；2.石河子大学马克思主义学院，新疆石河子832003）

一、引言

水资源是区域生态环境改善、生态服务产品供给、社会经济活动承载、人类文明演化的基础和核心元素。水资源的空间分配、产业分配和功能分配的有效性影响着区域经济、社会和人口发展的协调性和稳定性。党中央历来重视生态文明建设，“绿水青山就是金山银山”已经成为全国人民发展现代经济、创造美好生活的新理念。新疆生产建设兵团（以下简称兵团）地处西北干旱区，肩负着屯垦戍边和维稳戍边的重要使命，是新疆实现社会稳定和长久治安总目标的重要力量，同时也是边疆生态文明建设的重要力量。水资源是兵团发展各项事业的基础性、战略性资源，经过六十多年的发展，兵团人兴修水利、开垦荒地，形成了一个个田陌连片、渠系纵横、林带成网、道路畅通的绿洲生态网格。然而，在兵团社会经济快速发展过程中，水资源利用仍存在产业分配失调、利用效率较低、水环境污染管控迟滞、生态用水无法持续保障等一系列问题，不仅直接制约水资源的生态承载容量，而且间接引致兵团南北区域发展不平衡、边境团场农户贫弱等诸多经济、社会问题。为促进兵团资源、经济、社会和人口可持续发展，充分发挥水资源要素供给与生态调节作用，维护和保障水资源生态安全是必由之路、迫切之需。因此，本文研究兵团水资源生态安全这一问题，对于推进兵团屯垦戍边和维稳戍边事业发展，确保边疆安全稳定具有重要的学术价值和实践意义。

国内外众多学者分别从不同角度、不同侧面围绕水资源生态安全进行了研究。国外研究侧重水生态系统风险评估[1-2]、水环境管理制度优化[3]、水权市场建设[4]、水污染原因追溯及水污染治理技术创新[5-6]等方面；而国内研究内容主要涉及流域水生态承载力评估[7-8]、基于水生态承载力的产业结构优化[9]、水资源约束下城镇发展[10]、多元驱动的水资源优化利用[11]等，研究方法因学科而异，表现为多样性，如均方差—TOPSIS[12]、遗传投影寻踪法[13]、模糊综合评价法[14]、PSR模型[15]、系统动力学模型[16]等，研究成果对于促进兵团水资源生态环境改善具有一定借鉴意义。国内研究较多以全国、省域或流域为研究对象，侧重水生态安全状况结果的判定，而对西北干旱区，特别是绿洲水资源生态安全的评价及影响因素研究较少，缺乏对绿洲水生态安全关键制约因素的判定与解释，相关政策的实践指导作用较弱。为此，本文以兵团为例，运用P（压力）-S（状态）-R（响应）模型和熵值法综合产业、城镇和人口因素构建水资源生态安全指标体系，对兵团2009—2016年间的水资源生态安全状况进行评估、辨识警情，结合障碍度分析法剖析影响水资源生态安全的制约因素，以期为兵团制定科学水资源保护与利用政策、提升水资源生态安全水平、促进兵团屯垦戍边和维稳戍边事业发展，提供学术依据和理论参考。

二、研究区域与研究方法

（一）研究区域概况

兵团下辖14个师，178个农牧团场，地处东经73°40′～96°23′，北纬34°25′～49°10′之间，土地面积为7.06万km2，占新疆总面积的4.24%，属典型的大陆性干旱气候。兵团境内有伊犁河、玛纳斯河、塔里木河等400多条河流经过。2016年末人口283.41万，城镇化率达66%，三大产业对经济贡献率分别为14.5%、51.4%和34.1%。据《兵团水利年报》数据统计，2016年兵团农业灌溉、工业生产、城乡生活、生态环境用水量分别达到107.42亿m3、3.34亿m3、2.19亿m3、13.26亿m3。

（二）研究方法

1.水资源生态安全评价指标体系构建

PSR模型最早由加拿大学者于1979年提出，用于探讨人口发展与资源消耗、环境变化之间的动态关系及相互影响。目前，兵团众多团场发展面临水资源紧缺、水生态负载重等环境约束。本文以PSR理论为指导，从压力、状态、响应三方面构建。包含准则层、指数层、指标层3个层次、25个单项指标的水资源生态安全综合评估指标体系（见表1)。其中，水资源压力来源于经济增长、三产用水和人口增长等方面，状态表现为水资源经消耗、使用后的存量状态以及支持社会经济发展得到经济产出结果和生态污染结果，响应则是人们为了改善水资源环境、缓解水资源压力而采取的政策与措施。文中研究数据主要来源于《新疆生产建设兵团统计年鉴（2010—2017年）》《新疆统计年鉴（2010—2017年）》《新疆水资源公报（2010—2017年）》及《兵团水利年报》，部分指标数据通过年鉴基础数据计算转换取得。

2.指标权重的确定

熵值法是根据指标在各被评价对象之间的差异大小，即分辨能力大小来确定权重，计算简单、应用广泛，对原始数据利用比较充分，信息损失少。本文采用熵值法来确定评价指标权重，并结合相关专家建议和兵团情况适当调整权重，以提高评价质量。熵值法具体步骤如下：

（1）数据标准化处理。为消除指标量纲差异对评价结果的影响，进行指标标准化转换：

式中，X*ij为指标的标准化值，Xij为第i师的第j项指标原值,Xmax为所有师的第j项指标的最大值,Xmin为所有师的第j项指标的最小值。正向指标的标准化选用前者，逆向指标的标准化选后者。

（2）构建比重矩阵。计算第i师的第j项指标比重Yij,建立数据比重矩阵

（3）计算指标信息熵值和信息效用值。式中,ej是熵值，K为常数,K=1/(ln(m))；dj是信息效用值。

（4）计算指标权重。权重越大，对评价结果贡献越大，第j项指标的权重为：

（5）采用加权求和公式计算第i师水资源生态安全综合评价值U，U越大表明水资源生态安全状况越好；m为指标个数。权重计算结果见表1。

表1 兵团水资源生态安全评价指标体系

3.水资源生态安全级别及预警评判标准

为科学辨识、把握兵团水资源生态安全状况及演化趋势，并进行有效预警，结合已有生态安全预警研究成果，设置5级评判标准（见表2）。

表2 水资源资源生态安全级别及预警标准评判表

三、兵团水资源生态安全结果分析

兵团整体及各师水资源生态安全状况评价结果分析如下。

（一）整体态势评价

兵团水资源生态安全特征（见表3）及其原因可总结为以下三个方面：

1.多年水资源生态安全级别较低。2009—2014年间，兵团水资源生态一直处于“较不安全”和“敏感”阶段，警情由橙色预警向黄色预警过渡，水资源生态环境较差，社会经济、城镇人口的发展远远超过水资源承载能力。主要原因是：随着人口的增长和城镇化水平的提高，人均用水量、工业污水排放量和城镇居民生活污水排放量也随之增长，水资源生态系统压力倍增。

2.水资源生态安全整体呈趋好态势。2015年是兵团水资源生态安全级别转变的分水岭，水资源生态状况开始进入“较安全”阶段，表现为蓝色预警，水资源生态系统能够较好地支撑兵团经济发展。主要原因是兵团认真落实国务院设定的最严格水资源管理制度。从用水总量、用水效率和水功能区纳污限制三个方面对水资源进行系统管理，开展规划水资源论证工作，编制规划水资源论证报告，逐步推进水价综合改革，促进水资源的优化配置和水利事业健康发展。特别是塔里木河流域实现水资源统一管理，结束了“九龙治水”的分割局面，对兵团用水安全提供了根本的制度保障。据《兵团水利年报》统计，2009—2016年，兵团农田水利投资年均30亿元，建成大中小型水库共计137座等。①数据来源：新疆生产建设兵团年鉴编辑委员会《兵团年鉴（2016）》，第57-63页。通过大力推广喷、滴、微灌等节水技术，兵团农业综合灌溉亩均用水量由2009年的628.7立方米下降到2016年619.7立方米，农业年节水量超过10亿m3。②数据来源：新疆维吾尔自治区水利厅编制《新疆维吾尔自治区水利资源公报（2009—2016）》，第18-21页。万元GDP用水量和万元工业增加值用水量分别由2009年的1906.30立方米、90.70立方米下降到2016年的624.58立方米、41.68立方米，通过技术创新不断提升污水处理能力，工业废水达标排放率和污水处理率分别由2009年的63.30%、39.40%提升到2016年的78.9%和78.5%。③数据来源：新疆维吾尔自治区水利厅编制《新疆维吾尔自治区水利资源公报（2009—2016）》，第22-23页。

3.水资源生态安全等级提升空间很大。通过综合治理，兵团水资源生态安全状况趋于好转，但是总体而言，水资源处在承载力边缘，其生态服务功能有待进一步提高。产业层面：农业用水总量占比依然在90%以上，特别是地处南疆的兵团，受气候干燥、蒸发量大、降水量少等自然条件的影响，其农业灌溉亩均用水远远超过北疆的兵团。这意味着兵团要继续加大高新节水灌溉面积，进一步挖掘节水空间，通过高标准农田建设，完善田、林、路、渠规划，降低渠道渗漏量，提高农业用水效率。兵团工业在节水和污水治理方面取得显著进步，但仍存在改进空间，其中，食品行业和化工行业的大多数企业因平均规模小、生产工艺较落后而耗水量偏大。因此，工业方面需要企业增强节水意识，不断加强技术创新，通过中水回用、生产废水循序使用、提高水循环冷却系统技术等措施获得更好的节水效果。

表3 2009—2016年兵团水资源生态安全演化态势

（二）兵团各师水资源生态安全状况及警情分析

根据兵团各师水资源生态安全测度指数及预警判断标准，对兵团各师2010年和2015年进行水资源生态安全的空间格局分析（见表4），结论如下：

1.整体看，2010年到2015年兵团水资源生态安全格局没有呈现非常明显的“北强南弱”的局面。可能的解释是人均用水量、农业综合灌溉亩均用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、森林覆盖率、工业废水达标排放率等多为相对指标、比例指标，而南北疆兵团的水资源分布非均衡性较强，地区差异大，水资源生态环境优劣分布基本类似，同时人口密度、人口增长率、工业污染等分布也表现类似特征，使得人均数据分布相对均衡，从数据本身更能反映自然资源、经济行为、社会状况和人力干扰对水资源生态安全影响的真实性。

2.从水资源生态安全压力指标看，2010年遭受水资源压力排前三位的是十四师、八师和六师，而且相应的压力等级状态持续到了2015年，表明这三个师来自生态、环境、经济和社会四个方面的压力较大。2010年水资源生态压力相对较小的是三师、五师，到了2015年相对较小的是一师和三师。

3.水资源生态安全响应指数在2010和2015年表现出较强的离散特点，各师表现出不同层次的响应特点。水资源生态安全响应指标主要由森林覆盖率、工业废水达标排放率、污水处理率、农田水利投资、每万职工拥有科技人员指标构成，直接或间接反映各师对生态文明建设、森林资源抚育、工业废水处理、基础水利设施建设等政策的响应和贯彻落实程度，可能的解释是各师地处流域、资源禀赋、政策强度等差异造成不同的响应程度。

4.2010年，只有二师和六师的水资源生态安全处于敏感的黄色预警状态，其他各师基本还处在较不安全的橙色预警状态，表明兵团各师水资源承载能力极其脆弱。经过5年的发展，一师、五师、八师和十四师的水资源生态安全提升到敏感的黄色预警状态，其他各师则过渡到较安全的蓝色预警状态，三师、四师、七师、九师、十二师和十三师的水资源生态改善状况较为明显。

表4 兵团各师水资源生态安全状况比较

四、兵团水资源生态安全制约因素分析

（一）制约因素诊断方法

为缓解兵团水资源生态压力，提升水资源承载能力，需进一步探明水资源生态安全的制约因素及制约度。水资源生态安全制约度分析可理解为单一指标值对水资源生态安全综合值影响程度的定量分解，表明该单项指标对水资源生态安全的障碍程度。水资源生态安全制约度依次通过计算指标贡献度、指标偏离度和指标制约度得到，公式如下：

（1）指标贡献度：

式中，Cij表示指标贡献度，反映单项指标对水资源生态安全的影响水平。Akj为第j项单项指标所属的第k个准则层的权重，Bj为第j项单项指标权重。

（2）指标偏离度：

式中，Dij表示指标偏离度，反映单项指标与水资源生态安全综合评价值的偏离程度。X*ij为第i师第j项指标标准化值。

（3）指标制约度：

式中，Eij表示指标制约度，反映单项指标对水资源生态安全制约程度高低。

（4）各准则层指标对水资源生态安全制约度：

（二）制约因素结果分析

1.因素制约度分析

本文分别选取2010年和2015年相关数据，依据上述制约度测算公式计算得到兵团水资源生态安全排名前十二位的主要影响因素及其制约度（见表5）。

表5 兵团水资源生态安全主要制约因素及其制约度排序

由表5分析可知，稳定的制约因素：始终对兵团水资源生态安全有制约影响的因素是农田水利投资、每万职工拥有科技人员和人口增长率。其中，农田水利投资的制约度由2010年的16.34%上升到2015年27.54%，每万职工拥有科技人员的制约度由2010年的9.59%上升到2015年25.82%，人口增长率的制约度由2010年的2.77%上升到2015年3.27%。水是关系农业健康发展的第一位要素。自古兴修水利本是应对气候变化、抵御自然灾害、改善生产条件、保障粮食安全的大事，因此，农田水利建设投资到任何时候都不能减弱放松。目前兵团面临水资源总量少和季节性缺水双重压力，必须通过新建、改建调蓄工程解决季节性缺水问题，充分保障供水能力。研究期内，兵团每万名职工科技人员年均流失率为1.04%，科技进步靠人才，科技人员的流失直接或间接影响到水利工程建设科技水平的提升、水污染修复技术的研发与应用等，进而影响了水生态安全，同时也从反面说明，技术进步带来的经济总体用水量的减少在一定程度上能提高水资源的安全度。兵团总人口增加带来更多水资源的消耗和居民生活污水排放的增加。水质和水量是影响水资源人口承载力的两个重要指标，只有对水资源进行科学合理的开发和利用，对污水采取更严格的净化措施才能提升水资源综合承载力。

变动的制约因素：从2010到2015年其他制约因素的变动也充分表明，水资源生态安全是动态的不断演化的过程，具有内在的联系性和规律性。2010年，兵团水资源生态安全的其他制约因素为污水处理率、二三产业从业人员比重、自然灾害损失、连队常住居民及城镇居民家庭人均可支配收入、城镇化水平、二三产业生产总值构成、万元工业增加值用水量、人均GDP，其制约度分别为14.74%、8.35%、7.10%、6.66%、6.57%、5.21%、4.69%、4.19%和3.07%。而到了2015年，这些因素的制约度远远低于1.44%，可能的解释为污水处理率、城镇化水平的提升及自然灾害损失的减少有利于兵团所属流域水质的改善和水污染的降低；二三产业生产总值比重的持续提升和万元工业增加值用水量的持续减少，反映出产业结构和产业用水结构的调整对水资源生态安全的改善具有贡献性。连队常住居民及城镇居民家庭人均可支配收入和人均GDP的增长，表明经济的增长在一定程度上有利于水生态安全级别的提升。一方面收入的增长促使人们追求饮用更健康的水；另一方面经济发展和GDP增长为生产、生活水质水量的需求提供了坚实的物质保障。2015年，制约度跃升的因素有人口密度、单位面积水资源量、人均水资源量、地均农药用量、地均化肥用量、人均用水量、污水排放量、工业污染物和农业综合灌溉亩均用水量，其制约度分别为10.43%、8.20%、7.08%、4.63%、4.25%、3.83%、1.98%、1.52%和1.44%。可能的解释为人口密度、地均农药用量、地均化肥用量、污水排放量、工业污染物的增加，直接或间接增加了土壤、大气污染，伴随污染物的运动和物质循环，水体污染也随之加剧，进而降低水生态承载力。人均水资源量的减少、人均用水量的增加、单位面积水资源量的减少抑制了水资源生态安全级别提升。尽管兵团农业综合灌溉亩均用水量在研究期内是递减的，但农业用水占比依然很高，对水资源生态安全构成威胁，这充分表明农业节水潜力有待挖掘。城镇化建设的加快，促进了人口聚集，也加大了城镇用水。数据表明，兵团城镇生活用水量由2010年的9 037.34万立方米上升为2015年的13 443.25万立方米①数据来源：新疆生产建设兵团水利局编制《兵团水利年报（2010—2015）》，第8-12页。，其中一半以上的水来自地下水，特别是兵团一些师地下水接近可开采量，个别师地下水超采严重。主要原因是这些师的地表水资源较为匮乏，对地下水依赖度程度较高。

2.系统制约度分析

为进一步分析准则层的制约度，把准则层包含的各因素制约度相叠加，得出各个方面的总制约度。计算结果表明：2010年压力层系统总制约度为34.11%，状态层系统总制约度为23.50%，响应层系统总制约度为42.39%，到2015年三个子系统对应的总制约度分别为22.89%、23.75%和53.36%。可见，响应层系统是影响兵团水资源生态安全的首位子系统，其制约度上升了10.97%，需要增加森林覆盖率、农田水利投资、每万职工拥有科技人员，提升工业废水达标排放率和污水处理率，减轻水资源压力、提升承载力。状态层系统制约度相对稳定，压力层系统制约度呈现降低特征，减少了10.6%。

五、研究结论与启示

通过对新疆兵团2009-2016年间水资源生态安全状况评估、警情辨别及其制约因素分析，得到以下结论：（1）兵团水资源生态安全级别较低，但总体趋向安全发展，预警信号由橙色转为蓝色。2015年是兵团水资源生态安全转变的分水岭，得益于节水技术的持续应用和最严格水资源管理制度的实施。（2）兵团各师地域差异和社会经济发展差异显著，水资源生态安全压力、响应指数表现为空间离散性，北疆兵团水资源安全状况略优于南疆兵团。（3）水资源生态承载力代表水资源生态系统支撑社会经济发展的一种能力，其大小与社会经济系统开发利用水资源深度紧密相关，兵团水资源生态安全的级别高低主要受农田水利投资、万名职工拥有科技人员数、人口增长、城镇发展水平、产业结构等因素制约。

通过以上分析，研究启示如下：（1）全面落实最严格水资源管理制度。实施用水总量控制，加快推进由粗放用水方式向节约用水方式的根本性转变，由低效利用向高效产出配置方向转变，以农业节水为重点，通过节水挖潜与水资源优化配置，将节出的水量用于工业、城镇化发展和生态环境改善。（2）增强科技创新力，调整产业结构。大力研发农业节水技术、工业节水技术，污水净化技术，加强水资源的循环利用，提高用水效率。通过产业结构优化、用水结构优化，改善水生态承载容量。（3）优化财政支农政策，加大农田水利投资建设，提高供水保障能力。建设现代化灌区，对有自压条件的地方采用管道输水，减少输水损失和田间无效蒸发，降低农业毛灌定额，提高水资源综合利用效率。（4）大力实施污染水体修复、水土流失综合治理工程。加强水环境治理与水污染修复技术开发与应用，通过防护林建设，恢复天然植被，防治水土流失，营造绿洲生态。（5）保持适度人口规模，提高人口素质。在兵团水资源生态承载范围内适度扩大人口规模，优化人口结构，通过激励性政策引进、培养创新科技人才，开展各类科普活动，提高公民科学素养，培养人人节约用水、爱护水环境的良好习惯。