塔里木河流域水资源承载力变化及其驱动力分析

摘要:通过构建水资源承载力指标体系,选取18个水资源承载力影响因子,运用主成分分析法对2005-2013年塔里木河流域水资源承载力变化趋势进行分析,并评价其驱动力。分析出2005-2013年,F值从 -2.341 7增加到3.380 5,塔里木河流域水资源承载力总体上呈现明显下降趋势。
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 摘要:通过构建水资源承载力指标体系,选取18个水资源承载力影响因子,运用主成分分析法对2005-2013年塔里木河流域水资源承载力变化趋势进行分析,并评价其驱动力。分析出2005-2013年,F值从 -2.341 7增加到3.380 5,塔里木河流域水资源承载力总体上呈现明显下降趋势。农业生产和人口数量是塔里木河流域水资源承载力变化的主要驱动力。最后提出应合理控制农业人口数量,合理规划灌溉面积,推动产业结构调整,提高新型城镇化水平等建议,以增强水资源的可持续发展能力。
  关键词:水资源承载力;动态变化;驱动力;主成分分析;塔里木河流域
  中图分类号:TV213 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2016)18-4685-006
  DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.016
  水资源是人类赖以生存和发展的基础,其承载能力的高低影响着地区社会经济的发展。对水资源的研究一直是国内外研究的重要课题之一。对于水资源承载力(Water Resources Carrying Capacity,WRCC)的研究,学者大多将水资源承载力纳入可持续发展理论中,如 Harris[1]着重研究了农业生产地区水资源承载力状况,并作为地区发展潜力的一项衡量标准;Rijiberman等[2]在研究城市水资源承载力中将承载力作为区域水资源安全的衡量标准。中国虽然在水资源承载力研究上起步相对较晚,但成果颇丰。自20世纪80年代施雅风明确提出水资源承载能力的概念,迄今为止仍然未形成一个完整的理论体系[3,4]。水资源承载力可理解为是一个度量区域社会经济发展受水资源制约的阈值,是水量供需平衡与退化到临界状态所对应的水资源量的人口数量和经济发展规模[5]。
  水资源承载力的动态分析和评价是根据水资源承载力评价指标,运用数学模型对该区域水资源的开发利用状况进行定量描述,从而全面地分析出水资源承载力的状况,为水资源可持续利用提供科学依据和决策支持[6]。常用的评价方法主要有背景分析法[7]、层次分析法、多目标决策分析法、模糊综合评判法[8]、DPSIR模型[9]、主成分分析法[10-12]、人工神经网络[13]、综合评价指标法[14]、区域水资源的供需平衡模型[15]等。本研究采用主成分分析法对塔里木河流域水资源承载力进行定量研究,分析其动态变化特征,并对其主要驱动力进行评价。
  塔里木河流域是中国最大的内陆河流域,是干旱区典型的生态环境脆弱带[16]。对于塔里木河流域水资源承载力的研究成果较多。对其梳理,主要有以下几种观点:①从生态学角度出发,研究绿洲地区水资源脆弱性[17]、生态需水量[18]。②从可持续发展的角度出发,研究气候变暖背景下塔里木盆地水资源的可持续利用[19]、水资源利用方式[20]、水资源合理配置[21]、相对承载力[22]。③从人类活动影响的角度出发,研究人类活动对水资源和生态环境的影响[23]、城镇化过程中水资源的利用[24]。可以看出,对塔里木河流域水资源承载力最新的动态变化和驱动力分析较少。因此,依据近期的统计数据,从整体上科学把握塔里木河流域的水资源承载力的动态变化特征,对地区政策措施的提出具有一定的借鉴意义。
  1 研究区概况与数据来源
  1.1 研究区概况
  塔里木河流域位于新疆南部天山与昆仑山、阿尔金山山脉之间,自西向东绕塔克拉玛干沙漠北缘贯穿塔里木盆地,辐射面积达102×104 km2,是中国最大的内陆河流域。属大陆性暖温带极端干旱气候,降雨稀少,蒸发强烈,气候干燥,水资源形成条件差[24]。流域涵盖巴音郭楞蒙古族自治州(简称巴州)、克孜勒苏柯尔克孜自治州(简称克州)、喀什地区、和田地区和阿克苏地区。塔河干流自身不产流,三大源流阿克苏河、叶尔羌河和和田河是其干流的主要补给来源,开都河-孔雀河流域曾与塔河干流失去地表水利联系,近年来通过库塔干渠与塔河干流相连,与三大源流统称为“四源一干”。塔里木河流域主要以冰川融雪补给为主,是保障塔里木盆地经济、生态和各族人民生活的生命线[25]。塔里木河流域各县市主要沿河流分布,绿洲的人口和经济发展对水资源具有明显的依赖性,水资源的承载能力关乎绿洲社会和经济的可持续发展。
  1.2 数据来源
  结合塔里木河流域特征,以塔里木河流域所在的5个地州的数据或总和为研究中所用的塔里木河流域部分数据来源,以更好地从整体上反映城镇化过程中塔里木河流域水资源承载力的动态变化特征。所用2005-2013年统计数据主要来源于2006-2014年各年的《新疆统计年鉴》《新疆城市、县城统计年报》《各地州统计年鉴》《各地州国民经济和社会发展统计公报》。
  3 水资源承载力动态特征分析及综合评价
  3.1 水资源承载力的主成分分析
  运用主成分计算公式及SPSS等统计软件对样本数据进行计算,得到标准化数据、相关系数矩阵、特征值、主成分贡献率和累计贡献率(表1-表4)。由表2分析出水资源承载力的各项指标之间存在着不同的相关性。其中,x1与x3、x1与x18、x3与x9、x3与x11、x3与x18、x7与x9、x17与x18之间分别存在着一定的相关性,其相关系数分别为0.97、0.92、0.88、0.86、0.89、0.85、0.95,证明可以进行主成分分析。由表3可知前4个主成分的累计贡献率为91.029%(≥85%),总体代表了因子对塔里木河流域地区水资源承载力的影响,从而进一步得到主成分载荷矩阵。
  由统计软件计算出相关矩阵R的特征值K、累积方差贡献率E及主成分载荷矩阵(表3、表4)。由表3得知,当E>85%时的最小m为4,因此本研究取前4个主成分进行分析,对应的4个特征值分别为k1=8.936、k2=3.647、k3=2.281、k4=1.522。由方差贡献率公式可知,各个特征值的方差贡献率即为各主成分量的权重:e1=49.646%、e2=20.260%、e3=12.670%、e4=8.453%。从表3中可以看出前4个主成分的贡献率已经达到91.029%,因此,选择前4个主成分作为研究对象。 3.2 水资源承载力动态变化趋势分析
  运用统计软件以及主成分的运算公式得到主成分F1、F2、F3、F4与各因子之间的线性关系式,同时根据综合得分=因子得分×方差贡献率,计算综合得分F。根据F值的大小来表明水资源承载力的情况,值越大说明该年度水资源承载力越小,然后对其进行排序,通过排序来分析在一定时间序列上塔里木河流域水资源承载力的动态变化情况。
  首先计算主成分函数表达式,由各自主成分的特征向量与标准化之后的变量y相乘得到。下面以2005年数据为例进行计算,以此类推,可计算出2005-2013年各年的F值(表5)。
  F1=0.321 8y1+0.169 3 y2+0.324 5 y3-0.311 4 y4+0.015 1 y5-0.179 6 y6+0.272 6 y7+0.280 3 y8+0.292 0 y9+0.109 1 y10+0.303 1 y11-0.279 0 y12-0.018 1 y13-0.116 4 y14+0.154 2 y15+0.011 0 y16+0.279 7 y17+0.312 1 y18
  F2=-0.007 9 y1+0.179 1 y2+0.043 5 y3+0.043 5 y4+0.439 3 y5+0.336 2 y6+0.241 9 y7+0.225 2 y8+0.195 8 y9+0.092 2 y10-0.052 4 y11+0.028 3 y12+0.462 4 y13+0.230 9 y14-0.326 2 y15+0.316 3 y16-0.129 3 y17-0.092 7 y18
  F3=-0.120 5 y1-0.033 8 y2-0.141 0 y3+0.126 5 y4-0.316 5 y5-0.337 7 y6+0.178 8 y7+0.162 2 y8-0.013 9 y9+0.526 4 y10+0.086 7 y11+0.035 8 y12+0.047 7 y13+0.439 6 y14-0.329 7 y15-0.270 8 y16+0.103 3 y17-0.043 0 y18
  F4=0.004 1 y1+0.590 1 y2-0.042 1 y3-0.156 4 y4+0.168 6 y5+0.131 3 y6+0.005 7 y7-0.032 4 y8+0.006 5 y9-0.176 7 y10-0.196 2 y11+0.373 7 y12-0.220 5 y13+0.128 9 y14-0.138 6 y15-0.458 8 y16+0.225 3 y17+0.154 0 y18
  F=0.496 5 F1+0.202 6 F2+0.126 7 F3+0.084 5 F4
  水资源承载力与水资源承载力综合评价的F值呈负相关。从表5和图1可以看出2005-2008年F值变化较大,水资源承载能力降低较快;2008-2010年F值总体平稳,水资源承载力下降缓慢;2010-2013年F值变化比较明显,从-0.016 3上升到3.380 5,水资源承载力下降相应也最为明显。总体来看,塔里木盆地地区2005-2013年水资源承载力呈明显的下降趋势。
  4 塔里木河流域水资源承载力变化驱动力分析
  由主成分载荷矩阵(表4)可以看出x1、x3、x7、x8、x9、x11、x17、x18与第一主成分有较大的正相关性,x5、x13与第二主成分有较大正相关性,x10与第三主成分有较大的正相关性,x2与第四主成分有较大的正相关性。综上所述,将塔里木河流域地区水资源承载力驱动因素归纳为工农业生产、人口、第三产业和城镇化发展4个主要的驱动力类型。
  4.1 工农业生产
  第一主成分包含了49.646%的主成分贡献率,属于主控因子,是影响塔里木河流域地区水资源承载力的主要驱动力,可以控制其他因子的变化,主要包括农业用水、工业用水、耕地面积和灌溉面积。近年来,在国家政策倾斜和对口支援下,塔里木河流域所在的南疆地区社会经济取得了较快发展,但出现了水资源供需矛盾突出、生态环境退化和区域发展不平衡等诸多问题。2005-2013年,塔里木河流域地区生产总值从698.37亿元增加到2 576.39亿元,水资源需求不断增大(图2)。由统计数据得知,年末耕地面积从114.451万hm2增加到169.344万hm2,有效灌溉面积从112.284万hm2增加到155.981万hm2,农业用水占用水总量的比重最大,并且呈现递增的态势,而工业、三产、居民生活和生态等用水量相对较少(图3)。
  4.2 人口
  第二主成分包含了20.260%的贡献率。主要是水资源总量和人均用水量。受水资源总量限制,水资源能够承载的用水量有限。随着人口的持续增长和人均用水量逐渐增加,对水资源承载力的影响相应增大。2005-2013年,塔里木河流域地区总人口从943.12万人增长到1 082.07万人,增长幅度较大,用水量相应增加。就人均用水量来看,2005-2009年基本稳定,2010年有所下降,2010-2013年呈现出明显的波动上升趋势。由此可知,近年来,人均用水量增加较快(图2-3)。
  4.3 第三产业
  第三主成分包含了12.670%的贡献率。主要是第三产业用水量。相对于工农业生产用水,第三产业用水比重较小。如2013年,农业用水量为348.02亿m3,第三产业仅为0.68亿m3,相差极大。但随着经济的发展和产业结构的优化,第三产业发展逐渐加快,因此,第三产业仍对水资源承载力构成一定的影响,主要体现在餐饮、住宿等服务业上。
  4.4 城市化水平
  第四主成分包含了8.453%的贡献率。主要是城市化率。2005-2013年,塔里木河流域地区人口城镇化率从44.02%增长到49.76%,增长幅度较大,并且研究末期值高于同期新疆的城镇化率(44.47%)。但塔里木河流域地区城镇化发展内部差异明显,2013年巴州城镇化率为78.88%,阿克苏地区为64.15%,克州地区为58.97%,喀什地区为37.91%,和田地区为35.15%。因此,在城镇化进程中可以看出:城镇化进程的加快,增加了用水总量;由于城镇化发展不平衡,塔里木河流域地区仍分布有较多的农村和农业人口,这使得耕地面积和灌溉面积较大,需水量较多,不利于水资源的合理配置,严重制约着塔里木河流域地区的可持续发展。 总体来看,塔里木河流域水资源承载力变化的主要驱动力是农业用水量和人口数量,而工业、第三产业等要素对水资源承载力的影响相对较小。从农业用水量与表示水资源承载力的F值的相关性来看(图4),R2=0.8789,拟合度较高,农业用水量与F值存在着较高的相关性,表明在2005-2013年,农业用水量与水资源承载力的动态变化密切相关。因此,塔里木河流域地区对于人地关系的处理、水土资源的合理化配置和发展节水农业尤为重要,尤其需要对塔里木河流域的灌溉面积和农业用水进行控制。为保证塔里木河流域综合治理的目标要求,到2030年塔里木河流域所在的南疆地区总灌溉面积将控制在2.466 7×106 hm2以内,农业用水总规模宜控制在2.6×1010 m3左右,还水于生态[26]。从人口数量与F值的相关性来看,R2=0.878 9,拟合度较高,人口数量与F值有着较高的相关性。表明在2005-2013年,人口数量的变化与水资源承载力的动态变化密切相关(图5)。
  4 小结与讨论
  4.1 小结
  1)运用主成分分析的数理统计方法对塔里木河流域地区水资源承载力进行动态分析和评价,利用专家打分法确定评价因子,既可以避免一些人为的主观随意性,又能简化评价工作。通过主成分分析所得到的主成分较好地体现了塔里木河流域水资源承载力的动态变化趋势,也较好地分析出了农业发展与人口等驱动因子对水资源承载力的影响。
  2)水资源承载力与水资源承载力综合评价的F值呈负相关。通过综合评价,2005-2013年,F值在波动中增加,塔里木盆地水资源承载力总体上呈现下降趋势。通过在时间序列上的综合评价分析,较为直观地得出了塔里木盆地水资源承载力的动态变化特征,对当前塔里木河流域工农业生产与水资源可持续利用有一定的借鉴作用。
  3)通过对变量进行数据运算,得出影响塔里木河流域水资源承载力的4个主成分,分析出水资源承载力变化的驱动力为工农业生产、人口、第三产业、城市化水平。其中,农业用水与人口数量对塔里木河流域地区的水资源承载力影响最大。可以看出,农业的发展和耕地灌溉对水资源需求较大,需要对农业用水和灌溉面积进行控制。
  4.2 讨论
  塔里木河流域水资源开发利用要重点解决供需矛盾,围绕水资源可持续发展的主题,塔里木河流域地区所在的南疆地五地州应控制农业和农村人口,以防耕地面积盲目扩张,缓解人地关系,减轻水资源压力;积极培育二、三产业进行产业结构调整,提高城镇化发展水平,开展新型城镇化事业;要增强对水资源的统筹调配能力,增加节水灌溉面积的比重,提高水资源的利用效率。要积极引进国内外先进的灌溉设备和技术,来应对大量农业用水需求对水资源承载力带来的挑战和威胁。通过保障生态环境用水和抑制生产活动对水资源的过度消耗,增强水资源的可持续发展能力。
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