霍正文

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

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洮河流域水資源生態(tài)足跡和承載力分析與評價

霍正文

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

基于水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力的計算模型，構(gòu)建洮河流域農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水4個水資源賬戶，通過計算水資源生態(tài)容量、生態(tài)壓力、集約利用度、負載指數(shù)和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)等評價指標，對洮河流域2006—2015年水資源可持續(xù)利用狀況進行分析與評價。結(jié)果表明：洮河流域水資源承載力總體呈減少趨勢，水資源生態(tài)足跡相對穩(wěn)定，但存在結(jié)構(gòu)性矛盾，主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)用水比重過高，是水資源生態(tài)足跡的主要貢獻者。評價指標總體反映出洮河流域水資源利用程度、效率和經(jīng)濟效益顯著提高，具備可持續(xù)發(fā)展條件，水資源開發(fā)利用處于安全狀態(tài)，能有效保障區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展。

洮河流域；水資源生態(tài)足跡；水資源生態(tài)承載力；分析；評價

水資源對人類生存、生活、生產(chǎn)具有不可替代的作用，是社會穩(wěn)定、經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，水資源的可持續(xù)利用是影響社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一。近年來，隨著人口增長、水資源供需矛盾加劇以及水環(huán)境日益惡化，加之水資源本身時空分布不均，如何解決水資源緊張問題，使有限的水資源發(fā)揮最大的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益，已成為當今水科學(xué)研究的一個重要領(lǐng)域[1-2]。

20世紀90年代加拿大學(xué)者Willian Rees和Mathis Wackernagel提出的生態(tài)足跡模型為水資源可持續(xù)利用的定量評價提供了新思路。模型將人類所消耗的自然資源及同化人類生產(chǎn)、生活所產(chǎn)生的廢棄物所需要的生物生產(chǎn)性土地分為耕地、林地、草地、建筑、能源和水域6種類型[3]。水科學(xué)方面的學(xué)者結(jié)合水資源特點，在生態(tài)足跡模型框架下提出了水生態(tài)足跡，用于分析區(qū)域水資源利用狀況。根據(jù)表達方式的不同，水生態(tài)足跡模型的研究應(yīng)用主要集中在兩種方法上[4]。一種是水資源生態(tài)足跡，即將區(qū)域水資源總量平均分布在該區(qū)域上，再將相關(guān)消耗折算成水資源用地面積；一種是水足跡，即在虛擬水的基礎(chǔ)上將水資源相關(guān)消耗折算成水資源量。

基于水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力的計算模型，構(gòu)建洮河流域農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水4個水資源賬戶，通過計算水資源生態(tài)容量、生態(tài)壓力、集約利用度、負載指數(shù)和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)等評價指標，對洮河流域2006—2015年水資源可持續(xù)利用狀況進行分析與評價。

1 研究區(qū)域概況

洮河流域位于青藏高原東北部，發(fā)源于青海省海南州境內(nèi)的西傾山北麓勒爾當，于永靖縣劉家峽水庫匯入黃河，干流河道全長673 km，流域內(nèi)河川徑流相對豐富，年徑流大于1億 m3的支流共有13條，包括延曲、周科河、科才河、括合曲、博拉河、卡車溝、車巴溝、大峪溝、 迭藏河、羊沙河、 冶木河、三岔河及廣通河等，年徑流量48.38億 m3，年輸沙量2 280萬 t，年降水量555.8 mm[12]。據(jù)2015年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，洮河流域總?cè)丝?04.03萬人，國內(nèi)生產(chǎn)總值246.29億元，耕地面積229.64萬畝，水資源總量23.77億 m3，總用水量3.245億 m3，總供水量3.472 7億 m3，水資源利用率14.6%，總耗水量2.375 7億 m3，平均耗水率73%。

2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)洮河流域的實際情況和資料的可靠性，本文選取農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)四個用水賬戶2006—2015年用水量進行水資源生態(tài)足跡和承載力計算分析。數(shù)據(jù)來源主要為2006—2015年《甘肅省水資源公報》。洮河流域2006—2015年社會經(jīng)濟及用水量統(tǒng)計見表1。

3 研究方法

3.1 水資源生態(tài)足跡計算模型

根據(jù)生態(tài)足跡模型的內(nèi)涵，水資源生態(tài)足跡是將各個用戶賬戶消耗的水資源量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的生產(chǎn)土地面積，即水資源用地面積，然后對其均衡化，最終得到可用于相互比較的均衡值，其計算模型為：

(1)

式中：EFw為水資源生態(tài)足跡(hm2)；γ為水資源全球均衡因子；Wi為區(qū)域水資源第i項用水賬戶消耗水量(m3)；Pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力(m3·hm-2)；N為人口數(shù)(萬人)；efw為人均水資源生態(tài)足跡(hm2·cap-1)。

3.2 水資源生態(tài)承載力計算模型

水資源生態(tài)承載力是指區(qū)域社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展前提下，根據(jù)一定經(jīng)濟技術(shù)水平和社會生產(chǎn)條件，水資源天然產(chǎn)出量的允許開發(fā)水量維持的人口、社會經(jīng)濟發(fā)展的能力。根據(jù)生態(tài)足跡理論，水資源生態(tài)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，其計算模型為：

(2)

式中：ECw為水資源生態(tài)承載力(hm2)；α為水資源合理開發(fā)利用率；γ為水資源全球均衡因子；φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子；W為區(qū)域水資源總量(m3)；Pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力(m3·hm-2)；N為人口數(shù)(萬人)；ecw為人均水資源生態(tài)承載力(hm2·cap-1)。

表1 洮河流域2006—2015年社會經(jīng)濟及用水量統(tǒng)計表

3.3 模型系數(shù)的確定

3.3.1 水資源全球均衡因子γ

水資源全球均衡因子指水資源生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力與全球各類生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力。從全球平均的角度，將生產(chǎn)力不同的各類生物生產(chǎn)性土地轉(zhuǎn)化為一個可比較的標準參數(shù)。為便于比較，本文選取世界自然基金會WWF2002年核算的水資源用地均衡因子作為計算值[3]，即水資源全球均衡因子γ為5.19。

3.3.2 水資源全球平均生產(chǎn)能力Pw

基于水文學(xué)平均產(chǎn)水模數(shù)的概念，以多年平均產(chǎn)水模數(shù)來刻畫區(qū)域內(nèi)水資源生產(chǎn)能力，水資源全球平均生產(chǎn)能力即為全球多年平均產(chǎn)水模數(shù)。已知全球多年平均產(chǎn)水模數(shù)為3 140萬 m3·hm-2，并定義全球水資源產(chǎn)量因子為1.0，則水資源全球平均生產(chǎn)能力Pw為3 140萬 m3·hm-2[13]。

3.3.3 區(qū)域水資源產(chǎn)量因子φ

由于同類生物生產(chǎn)性土地的生產(chǎn)能力在不同地區(qū)之間存在差異，因而各地區(qū)同類生物生產(chǎn)性土地的實際面積不能直接對比，須將各地區(qū)同類生物生產(chǎn)性土地轉(zhuǎn)換成可比面積的參數(shù)，即區(qū)域水資源產(chǎn)量因子為該區(qū)域水資源量平均生產(chǎn)能力與全球平均生產(chǎn)能力之比：

(3)

式中：φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子；Pa為區(qū)域平均生產(chǎn)能力，即產(chǎn)水模數(shù)(m3·hm-2)；Pw為全球平均生產(chǎn)能力(m3·hm-2)。洮河流域2006—2015年多年平均產(chǎn)水模數(shù)為15.05萬 m3·km-2，根據(jù)公式(3)求得全球范圍內(nèi)定義的洮河流域水資源產(chǎn)量因子為0.479。

3.3.4 水資源合理開發(fā)利用率α

一個地區(qū)的地表水資源和地下水資源扣除重復(fù)計算量后即為該地區(qū)的水資源總量，若一個地區(qū)的水資源開發(fā)利用率若超過30%～40%，則會引起生態(tài)環(huán)境的惡化。因此，區(qū)域水資源生態(tài)承載力中必須至少扣除60%用于維持生態(tài)環(huán)境[14]，因此水資源生態(tài)承載力的計算中必須按上述原則扣除維持生態(tài)環(huán)境的水資源量，即水資源合理開發(fā)利用率α為0.4。

4 評價指標

4.1 水資源生態(tài)容量指數(shù)WECI

水資源生態(tài)足跡指數(shù)WECI是人均水資源生態(tài)承載力ecw與為人均水資源生態(tài)足跡efw之差[15]，即：

WECI=ecw-efw

(4)

水資源生態(tài)容量WECI衡量的是一個地區(qū)水資源可持續(xù)利用程度。WECI>0時，表明該地區(qū)水資源生態(tài)足跡小于其承載力，水資源處于可持續(xù)利用狀態(tài)，水資源盈余，不但可以保證其經(jīng)濟、生態(tài)和環(huán)境的良性循環(huán)，還可以滿足區(qū)域內(nèi)發(fā)展的進一步需求；WECI=0時表明水資源生態(tài)足跡等于承載力，區(qū)域水資源處于生態(tài)平衡，恰好能滿足當?shù)厝丝诘南M和生產(chǎn)模式，在當前水資源利用水平下，水資源利用限度已達到最大；WECI<0時，表明該地區(qū)水資源生態(tài)足跡大于其承載力，水資源利用處于不健康狀態(tài)，區(qū)域內(nèi)水資源緊張，不能滿足社會經(jīng)濟、生態(tài)和環(huán)境發(fā)展需求，甚至有可能以破壞環(huán)境為代價維持區(qū)域發(fā)展。

4.2 水資源生態(tài)壓力指數(shù)WEPI

水資源生態(tài)壓力指數(shù)WEPI是區(qū)域水資源生態(tài)足跡與水資源生態(tài)承載力的比值[16]，即：

(5)

WEPI用來衡量區(qū)域水資源生態(tài)壓力強度，其大小反映了水資源開發(fā)利用安全狀態(tài)。WEPI>1時，即區(qū)域水資源消費量大于供給量，無法可持續(xù)利用水資源，此時水資源開發(fā)利用安全壓力隨著WEPI增大而增大；WEPI=1時，即區(qū)域水資源供需平衡；0

4.3 水資源集約利用度WIUD

水資源集約利用度WIUD定義為國民生產(chǎn)總值GDP與水資源生態(tài)足跡的比值[9]，即：

(6)

描述了一個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展所付出的水資源代價，其大小反映了水資源利用的程度和效率，利用度越大說明該地區(qū)水資源利用效率越高，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也高；反之說明該地區(qū)水資源利用效率低，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益低。這一指標與萬元GDP水資源足跡指數(shù)[4]相似，兩者互為倒數(shù)，含義相反。EPGDP值越大說明該地區(qū)水資源利用效率越低，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益低；反之，說明該地區(qū)水資源利用效率高，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也高。

4.4 水資源負載指數(shù)WCI

水資源負載指數(shù)WCI是區(qū)域水資源量W與人口N和國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP決定的水資源需求量的關(guān)系[5]，其定義為：

(7)

式中：k為降水折算系數(shù)，其取值如下：

(8)

式中：R為年降水量(mm)。

水資源負載指數(shù)WCI描述了區(qū)域水資源開發(fā)利用前景，反映了區(qū)域水資源利用水平與人口和經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系，同時一定程度上反映出今后水資源開發(fā)的難易程度。根據(jù)計算結(jié)果一般分為5個等級(表2)，其值越大說明水資源利用程度很高，開發(fā)潛力不大，甚至有可能需要外流域調(diào)水支撐區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展；反之說明，水資源利用程度低，開發(fā)潛力很大，前景廣闊。

表2 水資源負載指數(shù)分級表

4.5 水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)WSDI

水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)WSDI為水資源生態(tài)承載力ECw與水資源生態(tài)足跡EFw的差額占水資源生態(tài)承載力的比值[17]，即：

(9)

WSDI定量評價了區(qū)域發(fā)展水資源的可持續(xù)性，其大小反映了水資源可持續(xù)發(fā)展利用的程度和效率，同時可以對今后區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展條件進行評估。根據(jù)計算結(jié)果一般分為5個等級(表3)，若WSDI<-1表明區(qū)域發(fā)展水資源已嚴重不可持續(xù)，發(fā)展條件嚴重不足，甚至由于水資源制約嚴重影響區(qū)域發(fā)展。

表3 水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)分級表

5 洮河流域水資源可持續(xù)利用狀況分析

根據(jù)統(tǒng)計資料，對洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)足跡和承載力分別按公式(1)(2)分別進行計算，結(jié)果見表4。

根據(jù)公式(4)(5)(6)(7)(9)分別計算水資源生態(tài)容量、水資源生態(tài)壓力、水資源集約利用度、水資源負載指數(shù)、水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)五個評價指標，結(jié)果見表5。

5.1 水資源生態(tài)足跡和承載力

從表4中可知，洮河流域水資源承載力總體呈減少趨勢，變化幅度相差較大，2012年最高，人均水資源承載力86.2 hm2·cap-1，2015年最低，人均水資源承載力36.9 hm2·cap-1，這與洮河流域近十年來降水、徑流特征基本吻合[18]。計算流域水資源承載力和降水、徑流的相關(guān)系數(shù)分別為0.808、0.987，表明洮河流域水資源承載力變化在一定程度上受到流域水文、氣象等自然因素的影響比較顯著。

從人均水資源生態(tài)足跡來看，洮河流域用水結(jié)構(gòu)在不斷調(diào)整變化，2006—2015年人均水資源生態(tài)足跡保持相對穩(wěn)定，從2006年的24.5 hm2·cap-1到2015年的25.4 hm2·cap-1，變化幅度不大，水資源用地需求穩(wěn)定，但存在結(jié)構(gòu)性矛盾，主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)用水比重過高，是水資源生態(tài)足跡的主要貢獻者，比例雖有所減小但幅度不大，城鎮(zhèn)公用用水足跡比例呈微弱增長趨勢，工業(yè)用水、居民生活用水足跡比例基本穩(wěn)定，生態(tài)用水足跡所占比例最小。洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)足跡面積變化見圖1。

圖1 洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)足跡面積變化圖

5.2 水資源生態(tài)容量

從表5中可知，洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)容量總體呈減少趨勢(圖2)，2012年容量最大，為59.0 hm2·cap-1，2015年最小，為11.6 hm2·cap-1。在水資源生態(tài)足跡保持相對穩(wěn)定的情況下，水資源生態(tài)承載力受流域來水情況和經(jīng)濟社會發(fā)展用水量的影響持續(xù)增強，導(dǎo)致水資源生態(tài)容量持續(xù)減小，表明洮河流域經(jīng)濟社會發(fā)展對水資源的需求增大，在今后的發(fā)展過程中需要進一步考慮用水成本。

表4 洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)足跡和承載力計算成果表 萬hm2

表5 洮河流域2006—2015年水資源評價指標成果表

圖2 洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)容量曲線圖

圖3 洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)壓力曲線圖

5.3 水資源生態(tài)壓力

從表5中可知，水資源生態(tài)壓力指數(shù)在波動中呈增加趨勢(圖3)，指數(shù)始終在1.0水平以下，保持在較低水平，但生態(tài)壓力逐年增加，說明水資源供給量大于消費量，水資源開發(fā)利用處于安全狀態(tài)，水資源可持續(xù)利用空間較大，能有效促進洮河流域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)良性發(fā)展。

5.4 水資源集約利用度

從表5中可知，洮河流域2006—2015年水資源集約利用度呈快速增加趨勢(圖4)，從2006年的96.0元/hm2到2015年的476元/hm2，表明洮河流域水資源利用效率和經(jīng)濟效益逐年提高。

圖4 洮河流域2006—2015年水資源集約利用度曲線圖

5.5 水資源負載指數(shù)

從表5中可知，水資源負載指數(shù)WCI呈增加趨勢(圖5)，2015年最大，WCI為7.405，表明水資源利用程度較高；2007年最小，WCI為1.813，表明水資源利用程度較低；其余年份水資源利用程度為中等。WCI指數(shù)總體反映出洮河流域水資源開發(fā)利用前景良好，處于健康發(fā)展的狀態(tài)，但今后水資源開發(fā)潛力縮小，難度加大。

圖5 洮河流域2006—2015年水資源負載指數(shù)圖

5.6 水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)

從表5中可知，水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在波動中呈減少趨勢(圖6)，除2010年、2015年指數(shù)在0.5水平以下，其余年份指數(shù)均在0.5水平以上，其中2012年最大，達到0.684，總體反映出洮河流域水資源可持續(xù)發(fā)展，其利用程度和效率高，發(fā)展條件十分樂觀，水資源可有效保障經(jīng)濟社會發(fā)展。

圖6 洮河流域2006—2015年水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)圖

6 結(jié)語

本文采用水資源生態(tài)足跡和承載力模型，計算分析了洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力，并對洮河流域水資源可持續(xù)利用狀況進行了評價。主要結(jié)論如下：

(1)2006—2015年洮河流域水資源承載力總體呈減少趨勢，水資源生態(tài)足跡相對穩(wěn)定，存在結(jié)構(gòu)性矛盾，主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)用水比重過高，是水資源生態(tài)足跡的主要貢獻者，比例雖有所減小但幅度不大，城鎮(zhèn)公用用水足跡比例呈微弱增長趨勢，工業(yè)用水、居民生活用水足跡比例基本穩(wěn)定，生態(tài)用水足跡所占比例最小。

(2)評價指標總體反映出洮河流域水資源利用程度、效率和經(jīng)濟效益顯著提高，具備可持續(xù)發(fā)展條件，水資源開發(fā)利用處于安全狀態(tài)，能有效保障區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展，但經(jīng)濟社會經(jīng)濟發(fā)展對流域水資源的需求進一步增大，生態(tài)容量逐年減小，生態(tài)壓力逐年增加，開發(fā)潛力和可持續(xù)利用空間不斷縮小，水資源緊張問題日益凸顯。

(3)在流域生態(tài)承載力不斷減少的情況下，提高水資源利用效率，合理布局產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化水資源配置，改變消費結(jié)構(gòu)和消費模式，特別是改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水方式，不斷加強農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)措施，減少不必要的消費是降低人均水資源足跡和維持水資源可持續(xù)發(fā)展的有效手段[19-20]。

(4)水資源生態(tài)足跡計算影響因素很多，受統(tǒng)計資料和計算方法的限制，本文計算結(jié)果相對保守，同時在計算時也沒有考慮水污染問題對水資源可持續(xù)利用的影響及其引致的環(huán)境損失和治理投入，未將地下水、廢污水等納入水資源生態(tài)足跡計算，有待今后進一步研究分析，更加科學(xué)、全面的評估洮河流域水資源可持續(xù)利用狀況。

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1004-1184(2016)06-0090-05

2016-08-14

霍正文(1976-)，女，江蘇南京人，高級工程師，主要從事水文水資源評價、水資源研究等工作。