新疆区域水资源承载力综合评价与效率分析

段 鑫 李明蕊 任群罗

新疆财经大学经济学院

0 引言

随着丝绸之路经济带的提出，新疆在新时代也会获得新的机遇。在建设丝绸之路经济带过程中，新疆的政策、政治、文化等都将会发挥很重要的作用。但是，水资源的匮乏将会在一定程度上阻碍新疆实现高质量发展。水资源是经济发展的战略性资源，人类社会活动对水资源的压力日趋增大。随着经济的增长，工业化和产业结构的优化升级，对水的需求加大，因此整个新疆和各个地州都面临着缺水的考验。

1 问题提出

新疆对水资源承载力的研究起步较晚，从上世纪80年代后期至今共分为三个阶段。第一阶段是水资源概念形成阶段，主要是对部分河流（如乌鲁木齐河流）水资源进行了研究[1]。 第二阶段是1996-2000 年属于水资源承载力探索研究发展阶段，开始对乌鲁木齐干旱区城市水资源承载力进行分析研究[2]。第三阶段是从2001年至今主要是水资源承载力研究阶段，一个是横向研究，一个是纵向研究。并且采用多种方法进行研究：主要有主成分分析方法[3-6]、神经网络方法[7]、模糊综合法[8]、投影追踪技术[9]、FAHP方法[10]、灰色关联法[11]。部分学者在新疆水资源负载动态的基础上，运用ARIMA模型预测了2020年新疆水资源生态足迹情况[12-13]。国内大多学者常用DEA 方法来测算水资源效率[14-20]；也有少许学者采用超效率DEA和Tobit模型或者因子分析的突变系数进行水资源效率测算[21-23]。

通过以上分析我们可以看出学者们对地区水资源横向和纵向结合起来研究的文献较少，对新疆地区研究的更是少之又少；将水资源承载力与水资源效率结合起来考虑的也较少。因此本文采用主成分分析法分析新疆区域的水资源承载力，采用DEA模型分析新疆区域水资源的效率。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况与数据来源

新疆位于中国西北边陲，面积166万Km2，地处73°40′E～96°18′E，34°25′N～48°10′N，行政区包括首府乌鲁木齐，克拉玛依、吐鲁番、哈密、昌吉回族自治州、博尔塔拉蒙古自治州、巴音郭楞蒙古自治州、阿勒泰、阿克苏、克孜勒苏柯尔克孜自治州、喀什、和田和伊犁哈萨克自治州，共有三个地级市，6 个地区，5 个自治州。地形多样，北部阿尔泰山，南部为昆仑山系，天山横亘于新疆中部，将其分为南北两半，南部是塔里木盆地，北部是准噶尔盆地，因此也习惯上称之为“三山夹二盆”。由于地处内陆，并且四周有高山阻挡，海洋气流不易到达，因此气候干燥，降水很少，蒸发量大。大部分地区春夏和秋冬之日温差极大。2017 年年末，自治区内共有人口2 444.67 万人，生产总值达到10 881.96 亿元首次突破万亿，水资源总量达到1 013.07亿m3。

新疆区域内大小河流有500 多条，其中较大的有塔里木河、伊犁河、额尔齐斯河、玛纳斯河等20条，也有博斯腾湖、赛里木湖等湖泊。虽然新疆水资源较为丰富，但年均降水量很少，蒸发量很大，而水资源与社会稳定、经济发展之间又有密切的联系，因此，有必要研究新疆整体和各地区水资源的承载力。2017年新疆十五地州水资源总量分布见图1。

图1 2017年新疆各地州水资源分布图

图1中，颜色越深表示水资源总量越丰富，颜色越浅表示水资源总量匮乏，由图1 可见东疆的哈密和吐鲁番地区水资源匮乏；伊犁和巴州拥有丰富的水资源；塔城、阿勒泰、博州、和田、阿克苏、喀什水资源总量较为丰富；昌吉和乌鲁木齐水资源较匮乏，总体来看新疆整体缺水。

本文所采用的指标数据均来自于2008-2018年《新疆统计年鉴》以及各地区的统计年鉴。

2.2 研究方法

2.2.1 主成分分析法

本文首先采用主成分分析法。主成分分析法是由Karl Parson 在1901 年首先提出，由Hotelling将它引入到随机变量中。此方法主要是设法将原来指标重新组合成一组新的互相无关的几个综合指标来代替原有的指标，同时根据实际需要从中选取几个较少的综合指标尽可能多地反映原来的指标信息。主要步骤如下：

1）将原始数据进行标准化处理。

对原矩阵进行标准化处理，变换公式为：

2）计算样本相关矩阵R。

3）求相关矩阵的特征值和特征向量。特征值的大小所反映的是其代表的影响因素对该选项在研究对象中的大小以及额度，特征值越大影响越大。

可以得到m 个特征值和特征向量，分别为

4）选择主成分，并计算贡献率。

5）对所选择的主成分进行解释。主成分的计算公式为：

2.2.2 DEA模型的构建

1)假设有n 个同质的DMU (j=1,2,3,.....n),每个DMU 使用m 种投入( i=1,2,3,....)，生产出s 种产出(r=1,2,3,....),记DMU 对应的投入、产出量分别为：

3 新疆水资源承载力研究

3.1 水资源承载力纵向指标选取

在指标的选择上，遵循科学原则，参照大部分研究水资源供需选取的指标，共选取11个指标对新疆2007-2017 年的水资源承载情况进行分析。这11 个指标分别为：地区生产总值（）、总人口（）、全社会固定资产投资（）、供水总量（）、地表水（）、第一产业用水（）、第二产业用水（）、第三产业用水（）、居民生活用水（）、生态环境用水（）、人均用水量（）。

3.2 主成分分析

3.2.1 驱动因子相关系数矩阵

计算各个指标之间的相关系数，然后得到新疆水资源承载力各评价指标之间的相关系数矩阵和它们之间的显著性关系。

由表1 可以发现总人口、固定资产投资和生产总值之间有很强的相关性，相关系数达到0.954、0.979；供水总量与生产总值、总人口、全社会固定投资、一产、二产和居民生活用水之间都有较强的相关性；二产、地下水、居民用水量与生产总值、总人口有较强的相关性。由此可见，经济发展与水资源供需之间存在相关性。

3.2.2 特征值和贡献率

计算相关系数矩阵的特征值、贡献率和累积贡献率，以及旋转后的贡献率和累积贡献率见表2。

表1 2007-2017年新疆全省驱动因子相关系数矩阵

表2 系数矩阵的特征值和贡献率

由表2 可知，前三个主成分的累积贡献率已达到了93.846%，能够较全面地反映影响新疆水资源承载力变化的驱动因子。碎石图一般以特征值为纵坐标，因子数为横坐标生成的散点图，一般取拐点前所有的因子和拐点后的第一个因子作为主成分，因此我们取三个主成分。

3.2.3 因子载荷矩阵

由表3可知，第一主成分与地区生产总值、社会固定资产投资、总人口、第一产业用水和居民生活用水之间呈现较强的正相关关系。因此可以看出经济发展是影响水资源承载力的关键因素。随着新疆经济的发展，水资源的需求也会不断增加，对水资源的承载力负担会加剧。并且伴随“一带一路”倡议的提出，新疆作为“一带一路”上的核心区，未来的前景会越来越好，因此人口也将是影响水资源承载力的重要因素。

第二成分与地区生产总值、社会固投、水资源总量、第二产业用水和生态环境用水之间有较强的正相关关系；与供水总量、地下水、一产用水之间有较强的负相关关系。这与新疆是我国的能源大省有一定的关系。第二产业是新疆发展的支柱产业，石油、天然气、煤炭储量也很丰富，因此高能耗、低技术、高污染企业是新疆重工业产业的特征。随着科学技术的发展，新疆的产业结构也正在经历着优化升级和调整阶段。随着“十八大”将生态文明提升到我国未来发展的一个重要指标后，生态用水会增长。新疆由于气候因素，以冰山雪水和几条主河作为重要的供水来源，再加上气候干燥，蒸发量大，部分农民不懂得滴灌技术，采用漫灌，使一产用水增加，加重水资源承载力负担。因此，我们可以看出第二成分主要与新疆产业结构调整有关。

第三成分与二产用水、生态环境用水、人均用水有较强的正相关关系，与三产用水和居民生活用水之间有较强的负相关关系。可以看出水资源的承载力与人口发展有很大的关系。见表4。

表3 因子载荷矩阵

表4 成分得分

表5 中，F1,F2,F3 是主成分得分，F 为综合得分，由表5 可以得到主成分得分和综合得分有正有负，此处的正负并不能反映水资源承载力的实际水平，而是代表其所处的位置，正值表示高于所评价时间段的平均水平，负值表示低于所评价时间段的平均水平；综合得分越大，说明水资源承载力越大；综合得分越小，说明水资源承载力越小。因此我们可以看出2007-2010 年新疆水资源承载力不断下降，2010-2011 年水资源承载力增加，2011-2014年水资源承载力又不断下降，2015-2017年水资源承载力逐渐趋于稳定。

3.3 水资源横向指标选取

在指标的选择上，参照大部分研究水资源供需选取的指标，遵循科学原则，共选取13 个指标对新疆十五个水资源承载力情况进行分析。这些指标分别为：地区生产总值（×104元）、总人口（×104人）、全社会固定资产投资（×104元）、供水总量（×103m3）、地表水（×103m3）、第一产业用水（×103m3）、第二产业用水（×103m3）、第三产业用水（×103m3）、居民生活用水（×103m3）、生态环境用水（×103m3）、人均用水量（m3），地下水（×103m3），降雨量（mm）。

3.4 主成分分析

3.4.1 驱动因子系数矩阵

计算各个指标之间的相关系数，然后得到新疆水资源承载力各评价指标之间的相关系数矩阵和它们之间的显著性关系。

表5 综合得分表

由表6可以看出地区生产总值与社会固定资产投资、二产用水和生态环境用水之间存在较强的正相关关系，二产用水与社会固定投资之间有较强的正相关关系，居民生活用水与三产用水之间有较强的正相关关系，供水总量与一产用水量之间有很强的正相关性，人口与居民生活用水和三产用水量之间有较强的正相关关系。因此我们可以判断新疆各地区水资源承载力的大小与经济发展、产业结构和人口活动有较强的显著性。

3.4.2 特征值和贡献率

计算相关系数矩阵的特征值、贡献率和累积贡献率，以及旋转后的贡献率和累积贡献率。

特征值及贡献率见表7。

由表7 可知，前三个主成分的累积贡献率已经达到了80.537%，能较全面地反映影响新疆水资源承载力变化的驱动因子。而碎石图一般以特征值为纵坐标，因子数为横坐标生成的散点图，一般取拐点前所有的因子和拐点后的第一个因子作为主成分，因此我们取三个主成分。

表6 驱动因子系数矩阵

表7 特征值和贡献率

3.4.3 因子载荷矩阵

因子载荷矩阵见表8。

第一主成分与人口、居民生活用水、地区生产总值、社会固定资产投资、地下水、地表水、第一产业用水量、第三产业用水和供水总量之间有很强的正相关性。主要体现了经济发展因子的影响因素。

第二主成分与第二产业用水量、生态环境用水、地区生产总值、社会固定资产投资有较强的正相关性；与第一产业用水、地表水和供水总量之间有较强的弱相关性。主要体现了产业结构因子的影响。

第三主成分与第三产业、生态环境用水和人均用水有较强的正相关性。主要体现了人口活动因子的影响。

3.4.4 得分表

各因素的得分表见表9。综合得分表见表10。

由表10可见，第一主成分较高的地区有克拉玛依市、哈密市、吐鲁番市、阿克苏地区和克州；第二主成分较高的地区有乌鲁木齐市、吐鲁番市、伊犁哈萨克自治州、巴州、克州和和田地区；第三主成分较高的地区有乌鲁木齐市、伊犁州直属县、巴州、阿勒泰和阿克苏地区。而综合成分较高的地区有乌鲁木齐市、克拉玛依市、吐鲁番市、伊犁哈萨克自治州、阿勒泰、克州和巴州，我们可以看出大部分地区都集中在东疆和北疆。由此可见，经济发展、人口活动和产业结构调整都是影响水资源承载力的重要因素。

4 水资源效率分析

4.1 指标选取

投入产出指标的选取遵循科学、可行的原则，所有指标见表11。投入指标主要有：

第一产业用水：主要代表的是农业生产用水，新疆是粮食大省，农作物种类丰富，因而选取它作为一个重要指标。第二产业用水：主要是工业部门用水，来源主要有两个途径，一是通过河流、地下水或者地表水直接获得，二是利用加工处理后的污水。第三产业用水：主要是服务业用水。随着产业结构的不断转型，新疆的三产发展迅速，用水量逐年增加。生活用水：主要指居民用水，满足居民生活的需要。新疆总人口达到二千多万人，需水量较大。生态用水：为更好地持续发展，因此将生态用水作为一个衡量指标。产出指标为生产总值，将GDP作为产出指标。

表8 因子载荷矩阵

表9 各因素得分表

表10 综合得分表

表11 水资源利用效率指标体系

4.2 DEA实证结果分析

由表12可见，新疆14个地区（伊犁哈萨克自治州除外）在2006-2015年期间总体上运用水资源比较合理；乌鲁木齐和克拉玛依在这十年间水资源效率值始终为1，塔城地区、博州和喀什地区在大多数年份综合利用效率也为1；伊犁州直属县（市）、克州、和田地区的综合利用率偏低；哈密地区在2006-2009年期间水资源综合利用率逐年降低，在2009 年之后开始上升稳定在0.7～0.8 之间；伊犁州直属县（市）的水资源综合利用率在2006-2011 年期间呈降低的趋势，2011 年之后开始有上升的趋势；阿勒泰地区的水资源综合利用率有较大的波动，呈现U字形状；巴州水资源综合利用率在2006-2009年期间持续为1，有较好的利用率，在2009 年后呈现出先升高然后降低再升高的波动趋势；阿克苏地区水资源的综合利用率也有较大的波动，在2009 年达到最低点仅为0.564，此后始终在0.6～0.8 之间；和田地区水资源综合利用率最低，有三个年份都在0.5以下，表明水资源综合利用率很差。

新疆十四个地区的技术效率在2006-2015 年的变化趋势见表13。乌鲁木齐、克拉玛依、博州、克州、喀什地区在这十年间技术效率始终为1，剩余的九个地区在大部分年份技术效率为1,说明新疆各地区在这十年间水资源的技术效率比较可观合理。

表12 水资源综合效率

表13 水资源技术效率

水资源规模效率见表14。由表14 可得出:2006-2015 年乌鲁木齐和克拉玛依的水资源规模效率始终为1，表明规模收益不变；塔城地区、博州和喀什地区有九年规模效率为1，表明这三个地区水资源规模效率整体良好；伊犁州直属县（市）、巴州、阿克苏地区、昌吉回族自治州水资源规模效率始终在0.9 以上，表明这些地区水资源规模效率整体良好。剩余的其他地区则在个别年份存在较大的波动，比如吐鲁番地区在2014 和2015 年水资源规模效率降低至0.63 和0.66；哈密地区在2009 年则降低至0.516；阿勒泰地区在2008、2009 年水资源规模效率都在0.7 以下；克州地区在2009 年为0.498，2015年为0.41；和田地区水资源规模效率在2015年为0.546。

表14 水资源规模效率

5 结论与建议

综合上述分析，可以得出以下结论：

1)主成分分析法对于水资源承载力的研究和评价具有较强的适应性，评价结果客观地反映了水资源承载力的实际变化趋势，具体影响水资源承载力驱动因子是：经济发展、人口活动、产业结构与水资源禀赋。各个因子在时间维度与地区间的影响程度是有差异的。

2)新疆全省水资源承载力在2007-2017 年之间呈现出先下降，再增加，再下降，最后趋于稳定。各个地区在2017 年的水资源承载力有较大的差别，总体来看，乌鲁木齐、克拉玛依、吐鲁番等东疆的城市水资源承载力的得分较高，伊犁、塔城等北疆地区水资源承载力次之；最后是喀什、和田、阿克苏等南疆地区。

3)新疆十四个地州的水资源综合利用效率不相同。在2006-2015 年期间总体上运用水资源比较合理。乌鲁木齐和克拉玛依在这十年间水资源效率值始终为1，塔城地区、博州和喀什地区综合利用效率较高；伊犁州直属县（市）、克州、和田地区的综合利用率偏低；哈密地区、伊犁州直属县（市）、阿勒泰地区、巴州、阿克苏地区水资源综合利用效率在某些年份有较大波动，和田地区水资源综合利用率为最低。

4)新疆十四个地区的技术效率在2006-2015年的变化各不相同。乌鲁木齐、克拉玛依、博州、克州、喀什地区在这十年间技术效率始终为1，剩余的九个地区在大部分年份技术效率值为0.7以上,说明新疆各地区在这十年间水资源的技术效率比较可观合理。

5)新疆十四地州的规模效率在2006-2015年的变化：乌鲁木齐和克拉玛依的水资源规模效率在2006-2015 年这十年间始终为1，表明规模收益不变；塔城地区、博州和喀什地区有九年规模效率为1，伊犁州直属县（市）、巴州、阿克苏地区、昌吉回族自治州水资源规模效率保持在0.9 以上，表明这些地区水资源规模效率整体也是良好；剩余的其他地区则在个别年份存在较大的波动。

根据以上结论，提出如下建议：

1)随着“一带一路”战略的提出，国家战略重点西移，新疆经济发展和居民生活用水的需求将不断增加。十八大以来，生态文明建设作为比较重要的一个环节，生态用水量也在不断增加。但新疆水资源问题十分严重，因此要大力倡导合理用水，节约水资源。丝绸之路经济带将带来新的机遇，继续大力调整产业结构，发展高新技术产业和新兴服务业，加快农业结构战略性调整，扩大附加值高并且耗水量少的农作物的播种。从粗放型传统灌溉转变为集约型现代灌溉农业。严格保护浅层地下水，并建立以深层地下水为主的水资源储备制度，大力推进水利基础设施建设，从传统的以供水管路为主，向需水管路为基础的转变，协调国内外关系，实施互利共赢的国际河流分水战略。

2)可通过加强疆内区域合作，发挥各自区域优势，共享有限的水资源，尤其是水资源利用效率较低的地区，要加大投入力度，进行改善。

3)从总体上看，西部地区水资源利用效率低下，一定程度是受到技术因素的限制,要不断加大科技投入，科学用水、科学生产，用技术进步推动水资源的可持续利用。