1、第40卷第2期2023年2月Vol.40No.2Feb.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.02.06南疆地区水资源承载力及子系统耦合协调性时空格局赵豫芝，杨建军（新疆大学生态与环境学院，新疆 乌鲁木齐830046）摘要：南疆地区先天缺水和后天用水的供需矛盾源于自然经久的积累和生产活动对生态环境的影响及破坏，改善供、需水的矛盾需制定科学完善的用水方案。针对南疆地区水资源供需现状，基于水资源、社会经济和生态环境三个方面，构建包含24个指标的南疆地区水资源承载力评价指标体系，基于熵权-TOPSIS法和耦合协调度模型，
2、定量评价20052020年南疆地区水资源承载力和子系统间耦合协调度时空演化过程。结果表明：（1）南疆地区水资源承载力水平整体偏低，巴州地区水资源承载力情况较好，阿克苏和喀什地区呈波动上升趋势。克州和和田地区整体呈先下降后缓慢上升趋势。（2）南疆地区耦合协调度呈上升趋势，但处于低水平耦合阶段（0.2D0.5），其中巴州地区耦合协调度最高。（3）南疆地区耦合协调度呈现东部优于中部和西部趋势，巴州地区耦合协调水平最好，克州地区上升较为缓慢，其余三地州变化速率相似，增长趋势稳定。关键词：水资源承载力；耦合协调；水资源-社会经济-生态环境；南疆地区水资源是推进西北干旱区社会经济和生态环境发展过程中一切问
3、题的根源1。面对西北干旱区水资源研究的重点集中在水资源的脆弱性、优化配置和预测模拟等方向2-4，对水资源与社会经济和生态环境间协调发展的研究相对较少。目前，西北干旱区亟待解决的问题和面临的最大挑战之一，是如何平衡社会经济与水资源和生态环境间的关系，实现社会经济可持续发展5。水资源、社会经济及生态环境是一个复合系统，三者间相互制约、相互促进，水资源是社会经济发展和生态环境建设的基础，社会经济发展会消耗和破坏水资源和生态环境，生态坏境的破坏反向影响水资源质量、制约社会经济发展。水资源承载力是描述地区水资源支撑社会经济发展和生态环境建设规模的关键指标，国外学者对其专项研究较少，一般偏重于对水资源的规
4、划和管理6-8、可持续利用9-10及水资源安全11-12等方面的研究。我国学者对水资源承载力的研究较晚，主要分为流域、地区和城市三大类研究，关于对新疆水资源承载力的研究，多为对地区和流域的研究，如喀什地区13、新疆5和塔里木河流域14等区域的水资源承载力评价，缺少针对南疆地区整体水资源承载力的研究。水资源承载力的研究方法很多，运用过程中各有不足，如模糊综合评价法计算较为复杂，在运算过程中容易忽略次要因素；系统动力学法对数据的需求量大，模型结构复杂；主成分分析法计算得到的综合评价结果不具有明确的意义，可比性较差15-17。相比之下，TOPSIS评价法在水资源承载力评价中应用最多18-19，方法已
5、较为成熟，应用简便，利用原始数据充分，同时可充分考虑各评价要素间的关系。耦合协调度模型可以反映系统间的相互作用关系。国内关于水资源耦合协调的研究有经济-生态-社会系统20、城镇化-水资源系统21和社会经济-水资源系统22等。针对水资源-社会经济-生态环境耦合协调研究相对较少，如汪顺生等23、阳斌成等24和田培等25分别对河南省黄河流域、湖南省和长江中游城市群水资源、社会经济和生态环境间耦合协调度进行研究。研究区多是经济发展收稿日期：2022-09-01；修订日期：2022-11-22基金项目：自治区国土空间生态修复规划专题研究（二标段）新疆陆地生态系统修复策略和空间布局专题研究（2021051
6、40022）作者简介：赵豫芝（1996-），女，硕士研究生，主要研究方向为干旱区水资源可持续利用.E-mail:通讯作者：杨建军.E-mail:213223页40卷干旱区研究较快的地区，对经济发展较为落后的西北干旱区的研究较少。目前，针对南疆地区整体水资源承载力和水资源、社会经济和生态环境间耦合协调发展的研究鲜少报道。南疆地区属于典型的干旱和半干旱区，目前，水资源总量较为丰富，但地均水资源量少、水资源时空分布不均，加上较差的自然条件影响，南疆地区社会经济发展较为缓慢26。掌握水资源现状和水资源-社会经济-生态环境耦合协调发展规律，对科学规划水资源、推进南疆地区社会经济发展和生态文明建设具有重要
7、意义。因此，本研究以南疆地区为研究对象，采用20052020年各地区统计数据，筛选水资源、社会经济和生态环境三个方面评价指标构建评价体系，采用熵权-TOPSIS法27和耦合协调度模型对南疆地区水资源承载力和耦合协调度进行研究。1研究区概况与数据来源1.1 研究区概况南疆地区包括巴音郭楞蒙古自治州（巴州）、阿克苏地区、克孜勒苏克尔克孜自治州（克州）、喀什地区和和田地区，总面积达108.63104km2，约占新疆总面积的65%，以山地和盆地为主，绿洲面积仅占3.76%28。生态环境基础薄弱，降雨稀少、沙漠面积大、可利用土地资源少、植被稀疏。2020年南疆地区常住人口达 1195.17104人，比
8、2019 年增长28.39%，占新疆总人数的46.23%。2020年南疆地区实现地区生产总值4127.12108元，占全疆地区生产总值的29.9%。水资源总量为430.77108m3，人均水资源量为3604.26 m3 人-1，整体上水资源量较丰富，但近年来，南疆地区经济发展迅速，工业占比增加，水资源开发利用程度已达到75.78%，处于开发利用过度状态，目前来看难以满足未来经济发展的需求 28。1.2 数据来源人均水资源量、城镇登记失业率、造林面积、空气质量达到及优于二级的天数、供水模数和人均用水量数据来源于20052020年 新疆年鉴；地表水资源占比、地下水开发利用程度、第一产业用水量、城市
9、平均降雨量和居民生活用水数据主要来源于20102020 年各地区 水资源公报；人均生产总值、农村用电量、工业生产总值、第三产业占比、牧业产值和社会消费品零售总额数据来源于20052020年各地区 国民经济和社会发展统计公报；生态环境用水量、城市人均公园绿地面积、化肥施用量、水土流失治理面积、城市垃圾处理率和城市污水处理率数据来源于20052020年 中国城市建设统计年鉴，其中对个别缺失指标数据采用插值法进行赋值补缺。2研究方法2.1 评价体系构建依据已有研究，首先，水资源承载力与水资源的储量呈正相关关系，地区水资源的储量越多，水资源承载力越大，反之则越小29-30。基于此，对应南疆地区干旱少雨
10、的气候特征，相对落后的水资源利用和处理设施，从水资源储量、开发利用情况、配置情况和利用效率四个方面选取人均水资源量、地表水资源量占比等8个指标作为水资源子系统。其次，水资源的使用量影响着水资源的储量，社会发展决定着水资源的使用效率，经济发展决定着水资源使用的速率，尤其是工农业的发展情况31-32。依据南疆地区的经济模式、居民生活情况和产业的发展状况，选取人均生产总值、城镇登记失业率等8个指标作为社会经济子系统。最后，水资源的质量决定水资源的用途，也是水资源承载力的影响因素，生态环境与水资源质量是相辅相成、互惠互利的33。考虑南疆地区生态环境基础较为薄弱，重点在于人们的改造和治理，选取能反映南疆
11、各地区发展过程中对环境的治理力度、取得的成效和压力情况的8个指标作为生态环境子系统。结合人类活动的正、负影响情况构建南疆地区水资源-社会经济-生态环境评价指标体系（表1）。2.2 基于面板数据的熵权-TOPSIS模型熵权法是一种客观赋权方法，主要通过不同指标数据的离散程度来确定指标的权重，能够客观反映指标数据的差异。依据相关研究，本研究引用基于面板数据的熵权法计算南疆地区20052020年水资源承载力的评价体系权重34-35。计算步骤如下：（1）数据标准化本文构建评价体系中所选指标有正向和负向之分，正向指标具有极大值属性，负向指标则相反，为消除数据量纲不同的影响，利用极差法对数据进2142期赵
12、豫芝等：南疆地区水资源承载力及子系统耦合协调性时空格局行标准化处理。步骤如下：首先将评价指标排列为如下矩阵：X=()xijmn（1）正向指标公式为：A+ij=xij-xminjxmaxj-xminj（2）负向指标公式为：A-ij=xminj-xijxmaxj-xminj（3）式中：xij为第i个样本第j个指标的初始值；Aij为第i个样本第j个指标的标准化值；xmaxj、xminj分别为相应指标对应的最大值和最小值；i=1，2，m；j=1，2，n；m，n分别为样本数和指标数。（2）指标归一化pij=Aijnj=1Aij（4）（3）计算各个指标的熵值ei=-Knj=1()pijlnpij（5）其中
13、，K=1lnmv（4）计算各个指标的权重Wi=()1-einj=1()1-ei（6）式中：pij为第j个指标的特征比重；ei为第j个指标的信息熵；K为玻尔兹曼常量；v为研究的年份数；Wi为第j个指标的权重。（5）TOPSIS模型TOPSIS模型是一种理想目标相似性的顺序优选技术，主要通过计算各评价指标与正、负理想解的距离和贴近度判断评价指标的优劣状况。贴近度的值越大，代表越接近理想值，评价的结果也就越好，反之，则越差。该模型可客观地反映区域资表1 南疆地区水资源-社会经济-生态环境评价指标体系Tab.1 Water resources-socio-economic-ecological env
14、ironment evaluation index system in southern Xinjiang目标层水资源社会经济生态环境目标层权重0.23830.44940.3123指标层人均水资源量/（m3 人-1）地表水资源占比/%供水模数/%人均用水量/（m3 人-1）地下水开发利用程度/%第一产业用水/108m3城市平均降雨量/mm居民生活用水量/108m3城镇登记失业率/%人均GDP/（元 人-1）农村用电量/(kWh）工业生产总值/104元万元GDP用水量/m3第三产业占比/%牧业产值/104元社会消费品零售总额/104元生态环境用水量/108m3造林面积/hm2城市人均公园绿地面积
15、/hm2化肥施用量/t水土流失治理面积/hm2城市垃圾处理率/%空气质量达到及优于二级的天数/d城市污水处理率/%指标性质正正负负负负正负负正正正负正正正正正正负正正正正指标权重0.06490.01670.03600.02460.00550.04040.04420.00600.03740.07520.05990.11200.00210.02680.05930.07670.09520.05040.03650.01820.06130.01140.01850.020821540卷干旱区研究源环境承载力的动态及变化趋势，其详细计算过程参考杨亮洁等18。2.3 耦合协调度模型耦合协调模型通常用于分析事物
16、的协调发展水平。依据耦合协调度模型对系统耦合协调发展状况的评价优势，分析南疆地区水资源、社会经济和生态环境系统之间的耦合协调度，计算公式如下：C=3()V1V2V313V1+V2+V3（7）T=V1+V2+V3（8）D=CT（9）式中：D为耦合协调度；C为系统耦合度，介于01之间，C值越大，系统间协调水平越高，表明水资源、社会经济与生态环境间关系相互作用程度越强，反之，表明系统间相互作用越差；T为综合协调指数；V1，V2，V3分别为系统各自评价值；，为待定系数，且+=1。由于水资源、社会经济和生态环境间有密切的相互作用关系，因此各系统具有同等重要性，=1/3。根据相关研究成果25,36，结合南疆地区水资源、社会经济和生态环境间情况，对系统耦合等级进行划分，如表2所示。3结果与分析3.1 水资源承载力指标权重分析通过公式（1）至（6）得出南疆地区水资源-社会经济-生态环境体系各指标的权重（表1）。结果显示，社会经济子系统所占权重（0.4494）大于水资源子系统和生态环境子系统，表明社会经济的发展是南疆地区水资源综合发展水平的主要影响因素，其中工业生产总值（0.112）、人均生产总值（0.