新疆白杨河流域水资源承载力分析

2022-06-22张桂林

水利科技与经济 2022年6期

张桂林

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

水资源作为不可再生的自然资源，影响着一个国家或地区的社会经济发展，决定了人类的生存[1]。经过第一次、第二次工业革命后，环境污染、水资源短缺等现象已严重影响国民经济的发展及人民幸福生活的质量，因此各国分别把水资源问题作为国家战略主要议题之一[2]。当前社会经济的发展已经严重影响水资源利用和生态环境，解决水资源供需问题和加强流域可利用水资源管理，同时保障社会经济可持续发展是当前亟待需要解决的问题[3]。

“承载力”一词最早源于生态学，人们从种群的发展规律中逐渐认识承载力的意义。直到20世纪60年代，人们提出了水资源承载力概念，水资源承载力作为评价区域水资源的一个基本度量，是衡量地区水资源紧缺可持续发展的决定性指标[4]。张旭等[5]采用主成分分析法寻找影响阿克苏河流域水资源承载力的因素，得到人口、经济、水资源总量、农业用水是影响阿克苏流域水资源承载力的主要因素。谭琨等[6]通过分析文山市的水资源现状，建立模糊综合评价模型对文山市进行水资源承载力评价，得出当下文山市环境承载力最大，社会经济承载力最小，表明流域整体承载力较好，资源条件趋弱，社会经济发展落后。Marianne Milano 等[7]以埃布罗集水区为例，建立降雨-径流模型和一个驱动的蓄水坝水资源综合评价模型，针对奥兰地区水资源短缺现象。

本文通过对新疆白杨河流域水资源利用现状进行分析，目前该流域存在水资源短缺、地下水超采、上下游配水不均等现象。为了更加直观地反映该流域水资源利用现状，因此选择与该流域紧密相关的19个评价指标，建立水资源承载力综合评价模型对该流域水资源进行承载力计算，更加直观地反映当下该流域水资源利用现状，为白杨河流域管理局对该流域水资源的管理提供参考，加强水资源的管理和利用。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

新疆白杨河古称白水河，位于博格达山、喀拉乌成山、觉罗塔格山之中，呈三面环山，总体地势西北高、东南低，发源于东天山支脉博格达山南坡，系阿拉沟支流，属艾丁湖水系，上游乌鲁木齐市达坂城区的黑沟、阿克苏河、高崖子河是白杨河流域的主要水源，由北流向南，最终注入距托克逊县城东南约50 km的艾丁湖，其间在巴依托海峡谷又有柯尔碱沟汇入其中，流域总面积5 173.4 km2。新疆白杨河流域水系分布图见图1。

图1 新疆白杨河流域水系分布

1.2 数据来源

本研究以2018年为现状年，该流域经济、用水量、耕地面积等各项有关数据来源于历年乌鲁木齐年鉴、新疆年鉴、(2015、2017、2018年)吐鲁番年鉴、(2013、2018年)新疆白杨河流域规划。见表1。

表1 新疆白杨河流域现状年数据

2 水资源承载力综合评价模型

2.1 影响水资源承载力的因素

水资源承载力指标体系是水资源承载力评价的基础和关键，决定水资源承载力评价结果的准确性。以对水资源承载力系统的客观认识为基础，寻找影响流域水资源承载力的各种因素[8]。影响一个地区水资源承载力的因素主要有水资源总量、开发利用和污染程度、人类社会活动、生态环境需水、水资源优化配置等。水资源总量决定了一个地区水资源承载力。水资源的开发利用程度能直接影响一个地区水资源总量。水质是影响水资源总量的主要因素，只有符合人类生活用水标准的水质才能被利用。人类的社会活动、生活方式直接影响一个地区的水资源总量的变化，不同生产力下在同样的水量创造出农业和工业产品数量不同。水资源承载力是在以保护生态环境基础上发展社会经济，定量确定生态环境保护准则和生态环境需水量[9]。因此，水资源承载力评价指标的选取过程中要严格遵循科学性、整体性、实用性原则。

2.2 构建指标体系

新疆白杨河流域水资源承载力指标体系根据科学性、整体性、实用性、数据可获得性原则进行选取，把新疆白杨河流域、托克逊县、达坂城区的承载力评价指标划分为目标层、准则层和指标层3个层次。目标层包括承载力指数和协调指数，表示新疆白杨河流域水资源承载力综合评价总目标；准则层包括水资源系统、社会系统、经济系统、生态系统、协调系统，指标层选取与新疆白杨河流域、达坂城区、托克逊县水资源承载力紧密联系的19个具体评价指标。借鉴前人的经验，对新疆白杨河流域构建水资源综合评价指标体系，见表2。

表2 水资源承载综合评价指标

2.3 构建水资源承载力综合评价模型

运用综合评价模型对新疆白杨河流域、达坂城区、托克逊县进行水资源承载力评价，根据流域水资源利用和社会发展现状选取19个最能反映社会发展的评价指标，通过熵权法计算各指标权重，代入水资源承载力的计算公式，进而计算流域综合评价指数。

1)经济压力指数。经济压力指数反映当前该地区经济发展给水资源带来的压力，它将当前经济压力与水资源所能承受的经济压力作对比，该地区水资源面临的经济压力随着比值的增大逐渐增大。计算公式如下：

(1)

式中：FEI为经济压力指数；GDP为当前经济规模，万元；GDPmax为地区持续发展状态下的水资源承载力最大经济规模，万元。计算公式如下：

(2)

式中：W为水资源总量，m3；a为水资源开发利用系数；gdp为万元产值用水量，m3。

2)人口压力指数。人口压力指数体现当前流域水资源面临人口压力的大小，它是当前流域人口除以流域水资源所能承受的最大人口数量，流域水资源面临的压力随人口压力的增大而增大。计算公式如下：

(3)

式中：FPI为人口压力指数；P为当前流域人口，人；Pmax为流域所能承受的最大人口规模，人。计算公式如下：

(4)

式中：W为水资源总量，m3；pop为人均用水量下限，这里取1 000 m3[10]。

3)承载压力指数。承载压力指数描述流域内复合系统发展所承载的压力[11]。计算公式如下：

(5)

式中：PI为水资源复合系统的压力指数；SI为水资源复合系统的支持力指数。

水资源复合系统的压力指数PI计算公式：

(6)

水资源复合系统支持力指数SI计算公式为：

(7)

式中：wsi、wpi为评价指标的权重；Xi为标准化后的评价指标。

4)协调指数。协调指数表示流域资源环境和社会可持续发展的协调状态，流域水资源利用水平与协调指数成正向关系，计算公式如下：

(8)

式中：whi为评价指标的权重；Xi标准化后的评价指标。

5)综合评价指数。在人口压力指数、经济压力指数、承载力指数以及协调指数的基础上，从宏观和综合两个角度量化水资源承载力的大小，构建综合评价模型，有效分析流域水资源承载力的状态和配水协调情况。水资源综合评价指数计算公式如下：

(9)

式中：α、β为人口压力指数和经济压力指数代表的权重，这里取0.5；FPI为人口压力指数；FEI为经济压力指数；BPI承载压力指数；HI协调指数。

根据前人的经验，把水资源承载力标准分为5个级别[11]。见表3。

表3 水资源承载力综合评价指数分级

3 结果与分析

3.1 计算指标权重

利用熵权法计算各指标权重：①对初始值进行标准化处理，减少各指标之间的差距。②对标准化后出现负值的数据进行修正，计算各指标中每个样本所占比重。③计算各指标熵冗余度。④计算各指标权重。以新疆白杨河流域2013-2018年的数据为基础，运用熵权法求得个指标权重，计算结果见表4。

表4 水资源承载力评价指标权重

3.2 计算综合评价模型

将表4中的指标权重分别带入式(1)、式(3)、式(5)、式(8)，计算新疆白杨河流域、达坂城区、托克逊县的人口压力指数、经济压力指数、承载力压力指数、协调指数，把得到的压力指数带入式(9)，计算流域承载力综合评价指数，其中白杨河流域和达坂城区处于水资源承载力濒临超载，水资源利用处于不协调状态。新疆白杨河流域及各地区水资源承载力详细计算结果见表5。