張振龍, 孫 慧*, 蘇 洋

1.新疆大學(xué)新疆創(chuàng)新管理研究中心， 新疆 烏魯木齊 830046 2.新疆大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046 3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052

新疆干旱區(qū)水資源生態(tài)足跡與承載力的動態(tài)特征與預(yù)測

張振龍1,2, 孫 慧1,2*, 蘇 洋3

1.新疆大學(xué)新疆創(chuàng)新管理研究中心， 新疆 烏魯木齊 830046 2.新疆大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046 3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052

為實(shí)現(xiàn)新疆水資源與社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，在測算了新疆2000—2015年水資源生態(tài)足跡、承載力和水資源負(fù)載動態(tài)特征的基礎(chǔ)上，利用ARIMA模型對2020年新疆水資源生態(tài)足跡、承載力及赤字情況進(jìn)行預(yù)測. 結(jié)果表明：①2000—2015年，新疆總水資源生態(tài)足跡總體略有下降，但波動劇烈；用水結(jié)構(gòu)中存在著其他用水部門侵占生態(tài)用水現(xiàn)象；2016—2020年，新疆水資源生態(tài)足跡總體呈“W”型波動下降趨勢. ②新疆水資源生態(tài)承載力不斷下降，由2000年的0.13×104hm2降至2014年的0.07×104hm2，降幅達(dá)46.15%，處于非常嚴(yán)峻的生態(tài)赤字狀態(tài)，赤字率達(dá)99%以上；2016—2017年，新疆水資源生態(tài)承載力繼續(xù)波動下降，降幅超過生態(tài)足跡. ③2000—2015年，新疆水資源負(fù)載指數(shù)大幅上升，水資源負(fù)載級別從Ⅳ級變?yōu)棰蚣?，水資源利用程度提高，開發(fā)潛力下降；2016—2020年，新疆水資源負(fù)載指數(shù)從5.54快速升至6.50，負(fù)載級別雖仍為Ⅱ級，但未來潛力不斷下降，開發(fā)條件愈加困難. 研究顯示，新疆水資源生態(tài)赤字程度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水資源承載能力，采取有效措施實(shí)現(xiàn)水資源對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的有效支撐和持續(xù)利用是當(dāng)務(wù)之急.

水資源； 生態(tài)足跡； 承載力； 預(yù)測； 新疆

在干旱、半干旱地區(qū)，水資源不足是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善的限制性因子，也是生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)[1-2]. 新疆遠(yuǎn)離海洋，“三山夾兩盆”的地貌特征使新疆形成了封閉內(nèi)陸盆地型干旱氣候[3]. 新疆統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，2014年全疆水資源總量726.93×108m3，其中，地表水資源量686.55×108m3，地表水與地下水之間重復(fù)量高達(dá)403.55×108m3. 全疆多年平均入境水量為90×108m3，出境水量222×108m3. 水資源短缺問題已成為制約新疆社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境永續(xù)利用的關(guān)鍵因素[4]，如何科學(xué)合理地解決這一矛盾，實(shí)現(xiàn)水資源與社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，是新疆當(dāng)前迫切需要解決的重要課題之一[5]. 要實(shí)現(xiàn)這一目的，首先要對當(dāng)前及未來一段時(shí)期新疆水資源的承載狀況進(jìn)行測算與預(yù)測.

國內(nèi)學(xué)者對水資源生態(tài)足跡與承載力問題進(jìn)行了廣泛研究，特別是對測算方法的探討較多，出現(xiàn)了主成分分析法、物元綜合評價(jià)模型、熵模型等多種測度方法[6-14]，豐富和推動了水資源承載力研究內(nèi)容. 但是，這些研究大多需要建立評價(jià)指標(biāo)體系，由于不同學(xué)者主觀認(rèn)知對指標(biāo)選擇的影響較大，從而導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果的較大差異. 而生態(tài)足跡法是從人類需求層面計(jì)算人類對環(huán)境資源占用，從供給方面計(jì)算生態(tài)環(huán)境的承載力，通過二者之間的比較來分析不同尺度單元的生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r[15-24]，為全面評估區(qū)域水資源的生態(tài)功能提供了可靠手段.

研究者在水資源生態(tài)足跡及承載力的預(yù)測方面也進(jìn)行了豐富的探討[25-32]，重點(diǎn)主要集中在預(yù)測方法的選擇. 已有的研究主要采用兩種方法進(jìn)行預(yù)測：①建立系統(tǒng)動力學(xué)模型[33]，利用情景設(shè)定來預(yù)測水資源生態(tài)足跡與承載力. 由于水資源生態(tài)足跡的影響因素眾多且關(guān)系復(fù)雜，很難通過一個(gè)簡單的模型關(guān)系將其說明清楚；情景設(shè)定的主觀性又太強(qiáng)，成為難以克服的問題所在；②利用時(shí)間序列模型，對既有序列進(jìn)行預(yù)測，利用數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系來探討其未來發(fā)展趨勢[34-35]. 研究內(nèi)容方面，已有研究主要集中在對水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力兩個(gè)方面的預(yù)測，尚沒有學(xué)者結(jié)合區(qū)域的水資源總量、降水、人口和GDP等多個(gè)因素，對未來區(qū)域水資源負(fù)載能力進(jìn)行綜合分析與預(yù)測. 事實(shí)上，水資源生態(tài)足跡與承載力都只能對當(dāng)前水資源開發(fā)利用與負(fù)載情況進(jìn)行簡單反映，而水資源負(fù)載指數(shù)則可以將二者結(jié)合起來，對水資源是否過載及其程度評等劃級，從而更加真實(shí)全面反映一個(gè)區(qū)域水資源負(fù)載狀況. 而在研究區(qū)域的選擇方面，目前的研究主要集中在國家層面和流域?qū)用?，難以體現(xiàn)省域差異和水資源行政區(qū)域管轄制的特點(diǎn)[36].

鑒于此，該研究擬通過生態(tài)足跡法構(gòu)建新疆二級水資源賬戶，對2000—2015年新疆水資源生態(tài)足跡、承載力和負(fù)載指數(shù)的動態(tài)特征進(jìn)行研究，并利用ARIMA模型對2016—2020年新疆水資源生態(tài)足跡、承載力和負(fù)載指數(shù)進(jìn)行預(yù)測，以期為新疆水資源可持續(xù)利用提供理論參考和借鑒.

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究思路

一般而言，對水資源可持續(xù)利用程度的衡量主要是通過水資源生態(tài)盈余和生態(tài)赤字來表示. 當(dāng)一個(gè)地區(qū)的生態(tài)足跡小于其水資源生態(tài)承載力時(shí)，水資源呈盈余狀態(tài)，表明這個(gè)地區(qū)水資源處于可持續(xù)利用狀態(tài)，可以保證區(qū)域經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與環(huán)境的良性循環(huán)；反之，則出現(xiàn)水資源生態(tài)赤字，表明這個(gè)地區(qū)的水資源利用處于不可持續(xù)狀態(tài)，水資源不能滿足區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，或者是以破壞環(huán)境為代價(jià)來維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[37-39].

該研究對新疆水資源可持續(xù)利用情況的歷史動態(tài)特征進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上，利用ARIMA模型對未來可持續(xù)利用情況進(jìn)行預(yù)測. 基本研究思路：①對2000—2015年新疆水資源生態(tài)足跡進(jìn)行測度，對其動態(tài)特征進(jìn)行分析；運(yùn)用ARIMA模型對2016—2020年新疆水資源生態(tài)足跡進(jìn)行預(yù)測與分析. ②對2000—2015年新疆水資源承載力進(jìn)行測度，對其動態(tài)特征進(jìn)行分析；運(yùn)用ARIMA模型對2016—2020年新疆水資源承載力進(jìn)行預(yù)測與分析. ③根據(jù)前兩步測算得出的水資源生態(tài)足跡和承載力結(jié)果，結(jié)合新疆水資源總量、降水、人口、GDP等因子，計(jì)算得出2000—2015年新疆水資源負(fù)載指數(shù)，并對2016—2020年新疆水資源負(fù)載指數(shù)進(jìn)行預(yù)測分析.

1.2 研究方法

1.2.1水資源生態(tài)足跡計(jì)算方法

生態(tài)足跡法是由加拿大經(jīng)濟(jì)學(xué)家William于20世紀(jì)90年代提出的，該方法通過引入生態(tài)生產(chǎn)性土地來定量分析自然資源的可持續(xù)利用程度. 根據(jù)Wackernagel的生態(tài)足跡模型，水資源生態(tài)足跡如同其他各個(gè)帳戶，將消耗的水資源量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)帳戶的生產(chǎn)面積—水資源用地面積. 因此，在水資源生態(tài)足跡下建立5個(gè)水資源生態(tài)足跡二級帳戶，分別為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、服務(wù)業(yè)用水、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水，具體公式見文獻(xiàn)[35-39].

1.2.2水資源承載力計(jì)算方法

根據(jù)生態(tài)足跡理論，水資源承載力用水資源的生物生產(chǎn)能力來衡量，即水資源利用所能承載的相應(yīng)生物生存面積. 水資源承載力模型、產(chǎn)量因子、全球均衡因子(0.47)等見文獻(xiàn)[35-39].

1.2.3水資源負(fù)載指數(shù)計(jì)算方法

水資源負(fù)載指數(shù)描述區(qū)域水資源的開發(fā)利用前景，用來反映區(qū)域水資源的利用水平與人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，同時(shí)在一定程度上反映出今后水資源開發(fā)的難易程度，其計(jì)算公式：

(1)

式中：c為水資源負(fù)載指數(shù)，具體分級見表1；n為人口數(shù)量，104人；G為國內(nèi)生產(chǎn)總值，108元；W為水資源總量，108m3；k為與降水有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)封志明等[40]的研究，當(dāng)降水量(R)小于等于200 mm時(shí)，k為1.0. 由于新疆全年平均降水量通常低于200 mm，因此這里設(shè)定k為1.0.

表1 水資源負(fù)載指數(shù)分級[40]

1.2.4ARIMA模型

ARIMA模型也叫B-J模型，是Box和Jenkins共同提出的綜合自回歸移動平均模型[10]. ARIMA模型克服了傳統(tǒng)預(yù)測模型的不足，在對時(shí)間序列過去值和現(xiàn)值分析的基礎(chǔ)上，考察了未來值的變化，是一種精度很高的預(yù)測方法，尤其是在短期預(yù)測中精度更高[41].

ARIMA模型的方程可以用不同形式表示，該研究采用的是普遍使用的一個(gè)方程.

若序列{Y}能通過d次差分后變成平穩(wěn)序列{Z}，則：

zt=Δdyt=(1-B)dyt

(2)

于是，可以建立ARIMA(p,d,q)模型：

zt=u+φ1zt-1+…+φpzt-p+εt+

θ1εt-1+…+θqεt-q

(3)

式中：zt為平穩(wěn)序列；yt為d階單整序列；B為滯后算子；參數(shù)u為常數(shù)；φ1，φ2，…，φt為自回歸模型AR的系數(shù)；p為自回歸模型AR的階數(shù)；εt是均值為0，方差為σ2的白噪聲序列；θ1，θ2，…，θt是移動平均模型MA的系數(shù)；q為移動平均模型MA的階數(shù)；d為差分階次。

ARIMA模型建模需要經(jīng)過序列平穩(wěn)性檢驗(yàn)、模型初步識別、模型參數(shù)估計(jì)和模型診斷分析4個(gè)步驟. 該模型適用于非平穩(wěn)時(shí)間序列，應(yīng)用中需要通過若干次差分將非平穩(wěn)時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)時(shí)間序列，再對平穩(wěn)時(shí)間序列進(jìn)行定階和參數(shù)估計(jì)，得到p、q的值，然后就可以依據(jù)ARIMA(p,d,q)模型對時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)測分析.

1.3 數(shù)據(jù)來源

水資源總量、農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、生活用水、生態(tài)環(huán)境用水量以及新疆人口及經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)數(shù)據(jù)均來源于歷年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》；考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性和一致性，這里選取研究區(qū)間為2000—2020年，其中生態(tài)足跡、承載力和負(fù)載指數(shù)動態(tài)特征的測度區(qū)間為2000—2015年，預(yù)測區(qū)間為2016—2020年.

2 結(jié)果與討論

2.1 新疆水資源生態(tài)足跡動態(tài)特征及預(yù)測

2.1.1新疆水資源生態(tài)足跡動態(tài)特征

2000—2015年新疆水資源以及農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、服務(wù)業(yè)用水、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水的生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果如表2所示.

由表2可見，2000—2015年，新疆總水資源生態(tài)足跡總體持平，略有下降(16 a間僅降了0.33×104hm2，降幅不足3%)，但波動劇烈. 大致可分為兩個(gè)階段：第一階段為2000—2009年，該階段以總水資源生態(tài)足跡快速下降為標(biāo)志，年均下降0.30×104hm2，這主要是由于工業(yè)用水和生活用水的快速增加，大幅擠壓生態(tài)環(huán)境用水所致. 第二階段為2009—2015年，該階段總水資源生態(tài)足跡先是跳躍至歷史最高點(diǎn)16.82×104hm2(2010年)，之后穩(wěn)步下降，2015年又反彈. 之所以在2010年的生態(tài)足跡達(dá)到最高，主要由于當(dāng)年水資源總量比之前年份有大幅增加. 這與韓舒等[42]的研究成果不同，究其原因，主要在于水資源生態(tài)足跡的計(jì)算方法差異，韓舒等[42]在計(jì)算新疆水資源生態(tài)足跡時(shí)，對新疆出口虛擬水量進(jìn)行了扣除.

表2 新疆水資源生態(tài)足跡測算結(jié)果

注： 由于統(tǒng)計(jì)口徑差異，—表示數(shù)據(jù)為空.

從水資源生態(tài)足跡的構(gòu)成來看，新疆農(nóng)業(yè)用水的生態(tài)足跡遠(yuǎn)高于其他4個(gè)水資源賬戶的生態(tài)足跡，并且農(nóng)業(yè)用水的生態(tài)足跡呈穩(wěn)步上升的趨勢，16 a間增加了20.65%. 長期以來，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占新疆總水資源生態(tài)足跡的50%以上，最高年份2014年的占比高達(dá)75.69%. 從新疆農(nóng)業(yè)用水的方向來看，主要用于農(nóng)田灌溉，這是新疆干旱少雨氣候條件下進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然選擇.

工業(yè)用水生態(tài)足跡平均為0.17×104hm2，在總水資源生態(tài)足跡中的占比不足2%. 這體現(xiàn)了新疆工業(yè)化水平相對較低，結(jié)構(gòu)比較單一，以資源型重工業(yè)為主、輕工業(yè)發(fā)展滯后的工業(yè)結(jié)構(gòu)，也是新疆工業(yè)需水量較低的主要原因. 但從發(fā)展趨勢來看，自2000年以來，工業(yè)用水生態(tài)足跡不斷提高，增加了近50%，可見目前新疆工業(yè)發(fā)展較為迅速.

服務(wù)業(yè)生態(tài)足跡一直較低，多年平均值為0.02×104hm2，在總水資源生態(tài)足跡中占比不到0.2%. 但從服務(wù)業(yè)生態(tài)足跡的發(fā)展趨勢來看，呈不斷增加態(tài)勢.

生活用水生態(tài)足跡平均值為0.13×104hm2，在總水資源生態(tài)足跡中的占比不足1%，主要由新疆人口數(shù)量較少所致. 但近年來生活用水生態(tài)足跡也在不斷增加，相較于2003年，2015年新疆生活用水生態(tài)足跡已增加了66.66%.

生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡的平均值為0.24×104hm2，占總水資源生態(tài)足跡的比重不到2%，并且呈不斷下降趨勢. 主要原因在于，在新疆社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過程當(dāng)中，水資源利用向具有經(jīng)濟(jì)效益的部門不斷偏移，三次產(chǎn)業(yè)用水及生活用水不斷侵占生態(tài)環(huán)境用水，環(huán)境用水壓力不斷增加.

2.1.2新疆水資源生態(tài)足跡預(yù)測

經(jīng)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新疆水資源生態(tài)足跡(EF)序列為平穩(wěn)序列；經(jīng)反復(fù)計(jì)算，得出ARIMA(4,0,8)是最合適的模型，不僅通過了適應(yīng)性檢驗(yàn)，而且模型預(yù)測的平均誤差的絕對值僅為0.21%，應(yīng)用ARIMA(4,0,8)模型對新疆水資源生態(tài)足跡進(jìn)行短期預(yù)測是可行的.

從預(yù)測結(jié)果(見圖1)來看，2016—2020年新疆總水資源生態(tài)足跡總體略有回落，降幅為1.13%. 這可能是受新疆經(jīng)濟(jì)增長速度回落的影響，使得水資源生態(tài)足跡有所下降. 從時(shí)序演進(jìn)過程來看，2016—2020年，新疆總水資源生態(tài)足跡預(yù)測結(jié)果呈“W”型波動下降趨勢，水資源生態(tài)足跡于2018年達(dá)到最大值(12.22×104hm2). 究其原因，主要在于長期以來新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的“大小年”波動，導(dǎo)致水資源生態(tài)足跡的大小波動，進(jìn)而影響到未來水資源生態(tài)足跡的規(guī)律性波動.

圖1 2016—2020年新疆水資源生態(tài)足跡預(yù)測Fig.1 The ecological footprint prediction of water resources in Xinjiang from 2016 to 2020

2.2 新疆水資源承載力動態(tài)特征與預(yù)測

2.2.1新疆水資源承載力動態(tài)特征

從水資源承載力(見表3)來看，2000—2014年，新疆水資源生態(tài)承載力不斷下降，15 a間下降了46.15%；2015年有所反彈. 由于新疆氣候相對干旱，降水稀少，水資源供應(yīng)主要靠高山冰雪融水和地下水，而隨著新疆產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口總量持續(xù)增加，對水資源的需求將會進(jìn)一步增加，導(dǎo)致水資源供給能力減弱，對社會經(jīng)濟(jì)的支撐能力下降，最終又影響到新疆社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展.

對比新疆2000—2015年總水資源生態(tài)足跡和水資源承載力，發(fā)現(xiàn)總水資源生態(tài)足跡遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生態(tài)承載力，新疆總體處于非常嚴(yán)峻的生態(tài)赤字狀態(tài)，生態(tài)赤字率達(dá)到99%以上，自然生態(tài)系統(tǒng)所提供的水生態(tài)容量不能支撐該區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要和人口消費(fèi)需要，新疆水資源總體處于不可持續(xù)狀態(tài).

表3 新疆水資源承載力與生態(tài)赤字狀況

2.2.2新疆水資源承載力預(yù)測

經(jīng)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新疆水資源承載力(EC)序列為平穩(wěn)序列；經(jīng)反復(fù)計(jì)算，得出ARIMA(3,0,13)是最合適的模型，不僅通過了適應(yīng)性檢驗(yàn)，而且模型預(yù)測的平均誤差的絕對值僅為 0.000 3%，應(yīng)用ARIMA(3,0,13)模型對新疆水資源承載力進(jìn)行短期預(yù)測是可行的.

從預(yù)測結(jié)果(見表4)來看，2016—2020年，新疆水資源生態(tài)承載力呈波動下降趨勢，并且下降幅度超過生態(tài)足跡.2017年新疆水資源承載力為0.13×104hm2，但2020年，水資源承載力將降至0.09×104hm2，降幅為30.77%. 這一結(jié)果與周宏飛[43]的遠(yuǎn)景判斷是一致的.

從生態(tài)赤字來看，新疆水資源生態(tài)赤字的趨勢與生態(tài)足跡的趨勢基本一致，均呈明顯的“W”型波動趨勢，并且絕對量仍非常大，2016—2020年，新疆水資源生態(tài)赤字額均在12.00×104hm2以上. 由此可以看出，在新疆水資源總量有限的情況下，必須建立更加合理的水資源消耗策略，以確保新疆水資源生態(tài)安全與水資源利用的可持續(xù)性.

2.3 新疆水資源負(fù)載指數(shù)及預(yù)測

表4 2016—2020年新疆水資源承載力預(yù)測

為進(jìn)一步研究新疆水資源承載情況，計(jì)算并預(yù)測了新疆水資源負(fù)載指數(shù). 水資源負(fù)載指數(shù)是關(guān)于降水、人口、經(jīng)濟(jì)規(guī)模以及水資源總量的一個(gè)綜合指標(biāo)，綜合反映了區(qū)域水資源利用程度.

2.3.1新疆水資源負(fù)載指數(shù)分析

由表5可知，2000—2015年新疆水資源負(fù)載指數(shù)呈穩(wěn)步上升趨勢，從2000年的1.67增至2015年的5.04，水資源負(fù)載壓力增加了2.02倍，水資源負(fù)載級別從Ⅳ級變?yōu)棰蚣?，水資源利用程度由較低程度變?yōu)楦叱潭龋瑥拈_發(fā)潛力大降為潛力不大，今后水資源進(jìn)一步開發(fā)的條件也由中等變?yōu)槔щy.

表5 新疆水資源負(fù)載指數(shù)

特別是2003—2013年間，雖然水資源負(fù)載指數(shù)級別總體都處于Ⅲ級，但在該階段，水資源負(fù)載指數(shù)有大幅提升，已接近Ⅱ～Ⅲ級的臨界值5，水資源利用程度一致為中等，潛力比較大，開發(fā)條件也為中等.

但從2014年開始，新疆水資源負(fù)載指數(shù)突破閾值，級別下降一個(gè)檔次，水資源開發(fā)利用潛力大幅下降，今后水資源開發(fā)條件困難，嚴(yán)峻情況下，為維持新疆可持續(xù)發(fā)展，可能會需要從外區(qū)域調(diào)水.

2.3.2新疆水資源負(fù)載指數(shù)預(yù)測

2.3.2.1關(guān)鍵變量說明

負(fù)載指數(shù)的預(yù)測，除了要結(jié)合前文對水資源生態(tài)足跡、承載力的預(yù)測值，還要考慮到未來新疆降水系數(shù)、水資源總量、人口規(guī)模、地區(qū)生產(chǎn)總值的指標(biāo). 其中，降水系數(shù)方面，由于自2000年以來，新疆年平均降水量一直低于200 mm，可以預(yù)計(jì)，短期內(nèi)新疆降水量不會有大的突破，因此可以預(yù)計(jì)未來降水系數(shù)仍為1；水資源總量方面，由于水資源總量在短期內(nèi)更多的表現(xiàn)為水資源自然供給的變動，因此文章采用最近五年水資源總量的平均值代替，并進(jìn)行移動平均；人口規(guī)模方面，考慮到人口規(guī)模通常不會在短期內(nèi)出現(xiàn)大幅變動，因此這里根據(jù)近年來新疆人口規(guī)模的變動趨勢進(jìn)行指數(shù)平滑；國內(nèi)生產(chǎn)總值方面，影響未來新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的因素眾多，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的預(yù)測更加困難，這里主要借鑒《新疆維吾爾自治區(qū)“十三五”規(guī)劃》中的預(yù)期，即：“十三五”期間，新疆地區(qū)生產(chǎn)總值年均增長7%左右，2020年地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到 13 078×108元. 由此可預(yù)測得出2016—2020年新疆水資源負(fù)載指數(shù).

2.3.2.2預(yù)測結(jié)果分析

從預(yù)測結(jié)果(見表6)來看，2016年，新疆水資源負(fù)載指數(shù)為5.54，已經(jīng)達(dá)到Ⅱ級，水資源利用程度高，未來潛力不大，今后水資源進(jìn)一步開發(fā)的難度很大.2016—2020年，負(fù)載指數(shù)快速上升到6.50，比2016年上升了0.96，雖然級別仍為Ⅱ級，但水資源利用程度不斷提高，未來潛力不斷下降，開發(fā)條件愈加困難.

表6 2016—2020年新疆水資源負(fù)載指數(shù)預(yù)測

3 結(jié)論

a) 2000—2015年，新疆總水資源生態(tài)足跡總體持平，略有下降，但波動劇烈，16 a間僅下降了0.33×104hm2，降幅不足3%. 農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、服務(wù)業(yè)用水、生活用水生態(tài)足跡均持續(xù)增加，而生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡呈下降趨勢，存在著其他用水部門侵占生態(tài)用水現(xiàn)象. 預(yù)測結(jié)果顯示，2016—2020年間，新疆水資源生態(tài)足跡總體呈“W”型波動下降趨勢.

b) 2000—2014年，新疆水資源生態(tài)承載力不斷下降，15 a間下降了46.15%，2015年又有所反彈. 其主要原因可能在于新疆水資源供給方式單一，主要依靠冰雪融水和地下水，降水稀少. 新疆總體處于非常嚴(yán)峻的水資源生態(tài)赤字狀態(tài)，赤字率達(dá)到99%以上. 從預(yù)測結(jié)果來看，2016—2020年，新疆水資源生態(tài)承載力呈波動下降趨勢，2020年水資源承載力為0.09×104hm2，比2017年下降30.77%.

c) 2000—2015年新疆水資源負(fù)載指數(shù)呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升趨勢，水資源負(fù)載壓力增加了2.02倍，水資源負(fù)載級別從Ⅳ級變?yōu)棰蚣?，水資源利用程度由較低程度變?yōu)楦叱潭?，從開發(fā)潛力大降為潛力不大，今后水資源進(jìn)一步開發(fā)的條件也由中等變?yōu)槔щy. 預(yù)測結(jié)果顯示，2016—2020年，新疆水資源負(fù)載指數(shù)從5.54快速上升到6.50，雖然級別仍為Ⅱ級，但未來開發(fā)潛力不斷下降，開發(fā)條件愈加困難.

d) 目前新疆水資源生態(tài)赤字程度相當(dāng)高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水資源的承載能力. 伴隨著未來新疆與全國一道實(shí)現(xiàn)全面小康社會的宏偉歷史重任，可以預(yù)見，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，新疆需要以一個(gè)遠(yuǎn)高于全國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度方有一定可能，那么對水資源的需求就將進(jìn)一步增加，采取有效措施實(shí)現(xiàn)水資源對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的有效支撐和持續(xù)利用是當(dāng)務(wù)之急.

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DynamicCharacteristicsandPredictionofEcologicalFootprintandCarryingCapacityofWaterResourcesinAridAreasofXinjiang

ZHANG Zhenlong1,2, SUN Hui1,2*, SU Yang3

1.Center for Innovation Management Research of Xinjiang University, Urumqi 830046,China2.School of Economics and Management, Xinjiang University, Urumqi 830046,China3.School of Economics and Management, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052,China

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 0.13×104hm2to 0.07×104hm2(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.

ecological footprint; carrying capacity; load index; forecast; water resource

2017-06-13

2017-08-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71463056)；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金(2016D01B054)

張振龍(1981-)，男，山東臨沂人，博士，主要從事人口、資源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展研究，18999921777@163.com

*責(zé)任作者，孫慧(1963-)，女，江蘇泗陽人，教授，博導(dǎo)，主要從事人口、資源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展研究，shui@xju.edu.cn

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X51

1001-6929(2017)12-1880-09

A

10.13198j.issn.1001-6929.2017.03.32