环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (12): 1880-1888  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.32

引用本文  

张振龙, 孙慧, 苏洋. 新疆干旱区水资源生态足迹与承载力的动态特征与预测[J]. 环境科学研究, 2017, 30(12): 1880-1888.
ZHANG Zhenlong, SUN Hui, SU Yang. Dynamic Characteristics and Prediction of Ecological Footprint and Carrying Capacity of Water Resources in Arid Areas of Xinjiang[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(12): 1880-1888.

基金项目

国家自然科学基金项目(71463056);新疆维吾尔自治区自然科学基金(2016D01B054)

责任作者

孙慧(1963-), 女, 江苏泗阳人, 教授, 博导, 主要从事人口、资源与环境经济可持续发展研究, shui@xju.edu.cn

作者简介

张振龙(1981-), 男, 山东临沂人, 博士, 主要从事人口、资源与环境经济可持续发展研究, 18999921777@163.com

文章历史

收稿日期:2017-06-13
修订日期:2017-08-23
新疆干旱区水资源生态足迹与承载力的动态特征与预测
张振龙1,2 , 孙慧1,2 , 苏洋3     
1. 新疆大学新疆创新管理研究中心, 新疆 乌鲁木齐 830046;
2. 新疆大学经济与管理学院, 新疆 乌鲁木齐 830046;
3. 新疆农业大学经济与贸易学院, 新疆 乌鲁木齐 830052
摘要:为实现新疆水资源与社会、经济和生态环境的协调发展,在测算了新疆2000—2015年水资源生态足迹、承载力和水资源负载动态特征的基础上,利用ARIMA模型对2020年新疆水资源生态足迹、承载力及赤字情况进行预测.结果表明:① 2000—2015年,新疆总水资源生态足迹总体略有下降,但波动剧烈;用水结构中存在着其他用水部门侵占生态用水现象;2016—2020年,新疆水资源生态足迹总体呈“W”型波动下降趋势.② 新疆水资源生态承载力不断下降,由2000年的0.13×104 hm2降至2014年的0.07×104 hm2,降幅达46.15%,处于非常严峻的生态赤字状态,赤字率达99%以上;2016—2017年,新疆水资源生态承载力继续波动下降,降幅超过生态足迹.③ 2000—2015年,新疆水资源负载指数大幅上升,水资源负载级别从Ⅳ级变为Ⅱ级,水资源利用程度提高,开发潜力下降;2016—2020年,新疆水资源负载指数从5.54快速升至6.50,负载级别虽仍为Ⅱ级,但未来潜力不断下降,开发条件愈加困难.研究显示,新疆水资源生态赤字程度已远远超过水资源承载能力,采取有效措施实现水资源对经济社会发展的有效支撑和持续利用是当务之急.
关键词水资源    生态足迹    承载力    预测    新疆    
Dynamic Characteristics and Prediction of Ecological Footprint and Carrying Capacity of Water Resources in Arid Areas of Xinjiang
ZHANG Zhenlong1,2 , SUN Hui1,2 , SU Yang3     
1. Center for Innovation Management Research of Xinjiang University, Urumqi 830046, China;
2. School of Economics and Management, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;
3. School of Economics and Management, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
Abstract: In order to realize the coordinated development of water resources together with social, economic and ecological environments in Xinjiang, we calculated and analyzed the dynamic characteristics of carrying capacity, ecological footprint and load index of water resources. Using the ARIMA model, we also predicted ecological footprint, carrying capacity and load situation of water resources in 2020 in Xinjiang. The results showed that:(1) The ecological footprint of the total water resources in Xinjiang during 2005-2015 showed a slightly downward tendency. There was a phenomenon that other departments seized the ecological use of water. The prediction results showed that the ecological footprint of water resources in Xinjiang province will generally show a 'W'-type downward fluctuation tendency from 2016 to 2020. (2) The carrying capacity of water resources in Xinjiang during 2000-2015 showed a rapid downward tendency, declining from 0.13×104 hm2 to 0.07×104 hm2 (a decrease of 46.15%). Xinjiang was in a state of severe ecological deficit, with the ecological deficit rate above 99%. The prediction results showed that the ecological carrying capacity of water resources in Xinjiang had a downward tendency from 2016 to 2017. (3) The load index of water resources in Xinjiang showed a steady upward trend, and the load level of water resources changed from grade IV level to grade Ⅱ. The utilization of water resources was improved, and water resources development potential declined. The prediction results showed that the Xinjiang water resource load index will increase from 5.54 to 6.50 from 2016 to 2020. Although the level may still be grade Ⅱ, the utilization rate of water resources will continue to improve. With the declining potential, the development conditions are getting more and more difficult. The results indicate that the ecological deficit of water resources in Xinjiang has far exceeded the carrying capacity of water resources. It is imperative to take measures to realize the effective support and sustainable utilization of water resources for economic and social development.
Keywords: ecological footprint    carrying capacity    load index    forecast    water resource    

在干旱、半干旱地区,水资源不足是社会经济发展和生态环境改善的限制性因子,也是生态安全和经济发展面临的最大挑战[1-2].新疆远离海洋,“三山夹两盆”的地貌特征使新疆形成了封闭内陆盆地型干旱气候[3].新疆统计年鉴数据显示,2014年全疆水资源总量726.93×108 m3,其中,地表水资源量686.55×108 m3,地表水与地下水之间重复量高达403.55×108 m3.全疆多年平均入境水量为90×108 m3,出境水量222×108 m3.水资源短缺问题已成为制约新疆社会经济持续发展与生态环境永续利用的关键因素[4],如何科学合理地解决这一矛盾,实现水资源与社会、经济和生态环境的协调发展,是新疆当前迫切需要解决的重要课题之一[5].要实现这一目的,首先要对当前及未来一段时期新疆水资源的承载状况进行测算与预测.

国内学者对水资源生态足迹与承载力问题进行了广泛研究,特别是对测算方法的探讨较多,出现了主成分分析法、物元综合评价模型、熵模型等多种测度方法[6-14],丰富和推动了水资源承载力研究内容.但是,这些研究大多需要建立评价指标体系,由于不同学者主观认知对指标选择的影响较大,从而导致评价结果的较大差异.而生态足迹法是从人类需求层面计算人类对环境资源占用,从供给方面计算生态环境的承载力,通过二者之间的比较来分析不同尺度单元的生态环境可持续发展状况[15-24],为全面评估区域水资源的生态功能提供了可靠手段.

研究者在水资源生态足迹及承载力的预测方面也进行了丰富的探讨[25-32],重点主要集中在预测方法的选择.已有的研究主要采用两种方法进行预测:① 建立系统动力学模型[33],利用情景设定来预测水资源生态足迹与承载力.由于水资源生态足迹的影响因素众多且关系复杂,很难通过一个简单的模型关系将其说明清楚;情景设定的主观性又太强,成为难以克服的问题所在;② 利用时间序列模型,对既有序列进行预测,利用数据的逻辑关系来探讨其未来发展趋势[34-35].研究内容方面,已有研究主要集中在对水资源生态足迹与生态承载力两个方面的预测,尚没有学者结合区域的水资源总量、降水、人口和GDP等多个因素,对未来区域水资源负载能力进行综合分析与预测.事实上,水资源生态足迹与承载力都只能对当前水资源开发利用与负载情况进行简单反映,而水资源负载指数则可以将二者结合起来,对水资源是否过载及其程度评等划级,从而更加真实全面反映一个区域水资源负载状况.而在研究区域的选择方面,目前的研究主要集中在国家层面和流域层面,难以体现省域差异和水资源行政区域管辖制的特点[36].

鉴于此,该研究拟通过生态足迹法构建新疆二级水资源账户,对2000—2015年新疆水资源生态足迹、承载力和负载指数的动态特征进行研究,并利用ARIMA模型对2016—2020年新疆水资源生态足迹、承载力和负载指数进行预测,以期为新疆水资源可持续利用提供理论参考和借鉴.

1 研究方法与数据来源 1.1 研究思路

一般而言,对水资源可持续利用程度的衡量主要是通过水资源生态盈余和生态赤字来表示.当一个地区的生态足迹小于其水资源生态承载力时,水资源呈盈余状态,表明这个地区水资源处于可持续利用状态,可以保证区域经济、生态与环境的良性循环;反之,则出现水资源生态赤字,表明这个地区的水资源利用处于不可持续状态,水资源不能满足区域社会经济发展的需求,或者是以破坏环境为代价来维持区域经济的发展[37-39].

该研究对新疆水资源可持续利用情况的历史动态特征进行模拟,在此基础上,利用ARIMA模型对未来可持续利用情况进行预测.基本研究思路:① 对2000—2015年新疆水资源生态足迹进行测度,对其动态特征进行分析;运用ARIMA模型对2016—2020年新疆水资源生态足迹进行预测与分析. ② 对2000—2015年新疆水资源承载力进行测度,对其动态特征进行分析;运用ARIMA模型对2016—2020年新疆水资源承载力进行预测与分析. ③ 根据前两步测算得出的水资源生态足迹和承载力结果,结合新疆水资源总量、降水、人口、GDP等因子,计算得出2000—2015年新疆水资源负载指数,并对2016—2020年新疆水资源负载指数进行预测分析.

1.2 研究方法 1.2.1 水资源生态足迹计算方法

生态足迹法是由加拿大经济学家William于20世纪90年代提出的,该方法通过引入生态生产性土地来定量分析自然资源的可持续利用程度.根据Wackernagel的生态足迹模型,水资源生态足迹如同其他各个帐户,将消耗的水资源量转化为相应帐户的生产面积—水资源用地面积.因此,在水资源生态足迹下建立5个水资源生态足迹二级帐户,分别为农业用水、工业用水、服务业用水、生活用水和生态环境用水,具体公式见文献[35-39].

1.2.2 水资源承载力计算方法

根据生态足迹理论,水资源承载力用水资源的生物生产能力来衡量,即水资源利用所能承载的相应生物生存面积.水资源承载力模型、产量因子、全球均衡因子(0.47) 等见文献[35-39].

1.2.3 水资源负载指数计算方法

水资源负载指数描述区域水资源的开发利用前景,用来反映区域水资源的利用水平与人口和经济发展之间的关系,同时在一定程度上反映出今后水资源开发的难易程度,其计算公式:

$c = k\frac{{\sqrt {nG} }}{W}$ (1)

式中:c为水资源负载指数,具体分级见表 1n为人口数量,104人;G为国内生产总值,108元;W为水资源总量,108 m3k为与降水有关的系数,根据封志明等[40]的研究,当降水量(R)小于等于200 mm时,k为1.0.由于新疆全年平均降水量通常低于200 mm,因此这里设定k为1.0.

表 1 水资源负载指数分级[40] Table 1 Load index classification of water resources
1.2.4 ARIMA模型

ARIMA模型也叫B-J模型,是Box和Jenkins共同提出的综合自回归移动平均模型[10]. ARIMA模型克服了传统预测模型的不足,在对时间序列过去值和现值分析的基础上,考察了未来值的变化,是一种精度很高的预测方法,尤其是在短期预测中精度更高[41].

ARIMA模型的方程可以用不同形式表示,该研究采用的是普遍使用的一个方程.

若序列{Y}能通过d次差分后变成平稳序列{Z},则:

${z_t} = {\Delta ^d}{y_t} = {\left( {1 - B} \right)^d}{y_t}$ (2)

于是,可以建立ARIMA(p, d, q)模型:

$\begin{array}{c} {z_t} = u + {\varphi _1}{z_{t - 1}} + \ldots + {\varphi _p}{z_{t - p}} + {\varepsilon _t} + \\ {\theta _1}{\varepsilon _{t - 1}} + \ldots + {\theta _q}{\varepsilon _{t - q}} \end{array}$ (3)

式中:zt为平稳序列;ytd阶单整序列;B为滞后算子;参数u为常数;φ1φ2,…,φt为自回归模型AR的系数;p为自回归模型AR的阶数;εt是均值为0,方差为σ2的白噪声序列;θ1θ2,…,θt是移动平均模型MA的系数;q为移动平均模型MA的阶数;d为差分阶次。

ARIMA模型建模需要经过序列平稳性检验、模型初步识别、模型参数估计和模型诊断分析4个步骤.该模型适用于非平稳时间序列,应用中需要通过若干次差分将非平稳时间序列转化为平稳时间序列,再对平稳时间序列进行定阶和参数估计,得到pq的值,然后就可以依据ARIMA(p, d, q)模型对时间序列进行预测分析.

1.3 数据来源

水资源总量、农业用水量、工业用水量、生活用水、生态环境用水量以及新疆人口及经济发展相关数据均来源于历年《新疆统计年鉴》;考虑到数据的可获取性和一致性,这里选取研究区间为2000—2020年,其中生态足迹、承载力和负载指数动态特征的测度区间为2000—2015年,预测区间为2016—2020年.

2 结果与讨论 2.1 新疆水资源生态足迹动态特征及预测 2.1.1 新疆水资源生态足迹动态特征

2000—2015年新疆水资源以及农业用水、工业用水、服务业用水、生活用水和生态环境用水的生态足迹计算结果如表 2所示.

表 2 新疆水资源生态足迹测算结果 Table 2 Calculation results of ecological footprint of water resources in Xinjiang

表 2可见,2000—2015年,新疆总水资源生态足迹总体持平,略有下降(16 a间仅降了0.33×104 hm2,降幅不足3%),但波动剧烈.大致可分为两个阶段:第一阶段为2000—2009年,该阶段以总水资源生态足迹快速下降为标志,年均下降0.30×104 hm2,这主要是由于工业用水和生活用水的快速增加,大幅挤压生态环境用水所致.第二阶段为2009—2015年,该阶段总水资源生态足迹先是跳跃至历史最高点16.82×104 hm2(2010年),之后稳步下降,2015年又反弹.之所以在2010年的生态足迹达到最高,主要由于当年水资源总量比之前年份有大幅增加.这与韩舒等[42]的研究成果不同,究其原因,主要在于水资源生态足迹的计算方法差异,韩舒等[42]在计算新疆水资源生态足迹时,对新疆出口虚拟水量进行了扣除.

从水资源生态足迹的构成来看,新疆农业用水的生态足迹远高于其他4个水资源账户的生态足迹,并且农业用水的生态足迹呈稳步上升的趋势,16 a间增加了20.65%.长期以来,农业用水生态足迹占新疆总水资源生态足迹的50%以上,最高年份2014年的占比高达75.69%.从新疆农业用水的方向来看,主要用于农田灌溉,这是新疆干旱少雨气候条件下进行农业生产的必然选择.

工业用水生态足迹平均为0.17×104 hm2,在总水资源生态足迹中的占比不足2%.这体现了新疆工业化水平相对较低,结构比较单一,以资源型重工业为主、轻工业发展滞后的工业结构,也是新疆工业需水量较低的主要原因.但从发展趋势来看,自2000年以来,工业用水生态足迹不断提高,增加了近50%,可见目前新疆工业发展较为迅速.

服务业生态足迹一直较低,多年平均值为0.02×104 hm2,在总水资源生态足迹中占比不到0.2%.但从服务业生态足迹的发展趋势来看,呈不断增加态势.

生活用水生态足迹平均值为0.13×104 hm2,在总水资源生态足迹中的占比不足1%,主要由新疆人口数量较少所致.但近年来生活用水生态足迹也在不断增加,相较于2003年,2015年新疆生活用水生态足迹已增加了66.66%.

生态环境用水生态足迹的平均值为0.24×104 hm2,占总水资源生态足迹的比重不到2%,并且呈不断下降趋势.主要原因在于,在新疆社会经济快速发展的过程当中,水资源利用向具有经济效益的部门不断偏移,三次产业用水及生活用水不断侵占生态环境用水,环境用水压力不断增加.

2.1.2 新疆水资源生态足迹预测

经检验,发现新疆水资源生态足迹(EF)序列为平稳序列;经反复计算,得出ARIMA(4, 0, 8) 是最合适的模型,不仅通过了适应性检验,而且模型预测的平均误差的绝对值仅为0.21%,应用ARIMA(4, 0, 8) 模型对新疆水资源生态足迹进行短期预测是可行的.

从预测结果(见图 1)来看,2016—2020年新疆总水资源生态足迹总体略有回落,降幅为1.13%.这可能是受新疆经济增长速度回落的影响,使得水资源生态足迹有所下降.从时序演进过程来看,2016—2020年,新疆总水资源生态足迹预测结果呈“W”型波动下降趋势,水资源生态足迹于2018年达到最大值(12.22×104 hm2).究其原因,主要在于长期以来新疆农业生产过程中的“大小年”波动,导致水资源生态足迹的大小波动,进而影响到未来水资源生态足迹的规律性波动.

图 1 2016—2020年新疆水资源生态足迹预测 Fig.1 The ecological footprint prediction of water resources in Xinjiang from 2016 to 2020
2.2 新疆水资源承载力动态特征与预测 2.2.1 新疆水资源承载力动态特征

从水资源承载力(见表 3)来看,2000—2014年,新疆水资源生态承载力不断下降,15 a间下降了46.15%;2015年有所反弹.由于新疆气候相对干旱,降水稀少,水资源供应主要靠高山冰雪融水和地下水,而随着新疆产业规模不断扩大,人口总量持续增加,对水资源的需求将会进一步增加,导致水资源供给能力减弱,对社会经济的支撑能力下降,最终又影响到新疆社会经济发展.

表 3 新疆水资源承载力与生态赤字状况 Table 3 The carrying capacity and ecological deficit of water resources in Xinjiang

对比新疆2000—2015年总水资源生态足迹和水资源承载力,发现总水资源生态足迹远远大于生态承载力,新疆总体处于非常严峻的生态赤字状态,生态赤字率达到99%以上,自然生态系统所提供的水生态容量不能支撑该区域的社会经济发展需要和人口消费需要,新疆水资源总体处于不可持续状态.

2.2.2 新疆水资源承载力预测

经检验,发现新疆水资源承载力(EC)序列为平稳序列;经反复计算,得出ARIMA(3, 0, 13) 是最合适的模型,不仅通过了适应性检验,而且模型预测的平均误差的绝对值仅为0.000 3%,应用ARIMA(3, 0, 13) 模型对新疆水资源承载力进行短期预测是可行的.

从预测结果(见表 4)来看,2016—2020年,新疆水资源生态承载力呈波动下降趋势,并且下降幅度超过生态足迹.2017年新疆水资源承载力为0.13×104 hm2,但2020年,水资源承载力将降至0.09×104 hm2,降幅为30.77%.这一结果与周宏飞[43]的远景判断是一致的.

表 4 2016—2020年新疆水资源承载力预测 Table 4 Prediction of water resources carrying capacity in Xinjiang from 2016 to 2020

从生态赤字来看,新疆水资源生态赤字的趋势与生态足迹的趋势基本一致,均呈明显的“W”型波动趋势,并且绝对量仍非常大,2016—2020年,新疆水资源生态赤字额均在12.00×104 hm2以上.由此可以看出,在新疆水资源总量有限的情况下,必须建立更加合理的水资源消耗策略,以确保新疆水资源生态安全与水资源利用的可持续性.

2.3 新疆水资源负载指数及预测

为进一步研究新疆水资源承载情况,计算并预测了新疆水资源负载指数.水资源负载指数是关于降水、人口、经济规模以及水资源总量的一个综合指标,综合反映了区域水资源利用程度.

2.3.1 新疆水资源负载指数分析

表 5可知,2000—2015年新疆水资源负载指数呈稳步上升趋势,从2000年的1.67增至2015年的5.04,水资源负载压力增加了2.02倍,水资源负载级别从Ⅳ级变为Ⅱ级,水资源利用程度由较低程度变为高程度,从开发潜力大降为潜力不大,今后水资源进一步开发的条件也由中等变为困难.

表 5 新疆水资源负载指数 Table 5 Load index of water resources in Xinjiang

特别是2003—2013年间,虽然水资源负载指数级别总体都处于Ⅲ级,但在该阶段,水资源负载指数有大幅提升,已接近Ⅱ~Ⅲ级的临界值5,水资源利用程度一致为中等,潜力比较大,开发条件也为中等.

但从2014年开始,新疆水资源负载指数突破阈值,级别下降一个档次,水资源开发利用潜力大幅下降,今后水资源开发条件困难,严峻情况下,为维持新疆可持续发展,可能会需要从外区域调水.

2.3.2 新疆水资源负载指数预测 2.3.2.1 关键变量说明

负载指数的预测,除了要结合前文对水资源生态足迹、承载力的预测值,还要考虑到未来新疆降水系数、水资源总量、人口规模、地区生产总值的指标.其中,降水系数方面,由于自2000年以来,新疆年平均降水量一直低于200 mm,可以预计,短期内新疆降水量不会有大的突破,因此可以预计未来降水系数仍为1;水资源总量方面,由于水资源总量在短期内更多的表现为水资源自然供给的变动,因此文章采用最近五年水资源总量的平均值代替,并进行移动平均;人口规模方面,考虑到人口规模通常不会在短期内出现大幅变动,因此这里根据近年来新疆人口规模的变动趋势进行指数平滑;国内生产总值方面,影响未来新疆经济发展水平的因素众多,对经济发展水平的预测更加困难,这里主要借鉴《新疆维吾尔自治区“十三五”规划》中的预期,即:“十三五”期间,新疆地区生产总值年均增长7%左右,2020年地区生产总值达到13 078×108元.由此可预测得出2016—2020年新疆水资源负载指数.

2.3.2.2 预测结果分析

从预测结果(见表 6)来看,2016年,新疆水资源负载指数为5.54,已经达到Ⅱ级,水资源利用程度高,未来潜力不大,今后水资源进一步开发的难度很大.2016—2020年,负载指数快速上升到6.50,比2016年上升了0.96,虽然级别仍为Ⅱ级,但水资源利用程度不断提高,未来潜力不断下降,开发条件愈加困难.

表 6 2016—2020年新疆水资源负载指数预测 Table 6 Prediction of water resources load index in Xinjiang from 2016 to 2020
3 结论

a) 2000—2015年,新疆总水资源生态足迹总体持平,略有下降,但波动剧烈,16 a间仅下降了0.33×104 hm2,降幅不足3%.农业用水、工业用水、服务业用水、生活用水生态足迹均持续增加,而生态环境用水生态足迹呈下降趋势,存在着其他用水部门侵占生态用水现象.预测结果显示,2016—2020年间,新疆水资源生态足迹总体呈“W”型波动下降趋势.

b) 2000—2014年,新疆水资源生态承载力不断下降,15 a间下降了46.15%,2015年又有所反弹.其主要原因可能在于新疆水资源供给方式单一,主要依靠冰雪融水和地下水,降水稀少.新疆总体处于非常严峻的水资源生态赤字状态,赤字率达到99%以上.从预测结果来看,2016—2020年,新疆水资源生态承载力呈波动下降趋势,2020年水资源承载力为0.09×104 hm2,比2017年下降30.77%.

c) 2000—2015年新疆水资源负载指数呈现出稳步上升趋势,水资源负载压力增加了2.02倍,水资源负载级别从Ⅳ级变为Ⅱ级,水资源利用程度由较低程度变为高程度,从开发潜力大降为潜力不大,今后水资源进一步开发的条件也由中等变为困难.预测结果显示,2016—2020年,新疆水资源负载指数从5.54快速上升到6.50,虽然级别仍为Ⅱ级,但未来开发潜力不断下降,开发条件愈加困难.

d)目前新疆水资源生态赤字程度相当高,远远超过水资源的承载能力.伴随着未来新疆与全国一道实现全面小康社会的宏伟历史重任,可以预见,要实现这一目标,新疆需要以一个远高于全国的经济发展速度方有一定可能,那么对水资源的需求就将进一步增加,采取有效措施实现水资源对经济社会发展的有效支撑和持续利用是当务之急.

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