尹璐璐

（遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000）

水資源是一種戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性自然資源，對于促進(jìn)經(jīng)濟社會發(fā)展以及維持地球生命系統(tǒng)循環(huán)等具有重要作用，直接影響著廣大群眾生活和國家安全，水資源保護(hù)及其可持續(xù)利用越來越引起人們的關(guān)注，研究分析水資源生態(tài)承載力意義重大[1-4]。文章利用阜新市總用水量預(yù)測結(jié)果計算其人均水資源生態(tài)足跡，由于城市人口數(shù)量、用水系統(tǒng)都是既含有未確定和已知信息的灰色系統(tǒng)，對其數(shù)值準(zhǔn)確預(yù)測的難度較高，灰色系統(tǒng)與其它預(yù)測方法相比能夠在統(tǒng)計數(shù)據(jù)少、信息不完整的條件下實現(xiàn)預(yù)測分析。因此，文章結(jié)合阜新市2001-2020年有關(guān)數(shù)據(jù)，通過計算分析水資源負(fù)載指數(shù)、生態(tài)承載力和生態(tài)足跡評價其水資源變化情況，并對總用水量利用GM(1，1)模型進(jìn)行預(yù)測，從而揭示未來人均水資源生態(tài)足跡變化特征，以期為實現(xiàn)水資源合理配置和可持續(xù)利用提供一定參考。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 區(qū)域概況

阜新市位于E121°01′～122°56′，N41°41′～42°56′之間，總面積10355km2，屬于半干旱地區(qū)。境內(nèi)江河湖庫分屬于秀水河、牤牛河、饒陽河、養(yǎng)息牧河、細(xì)河、柳河水系，水資源在時空分布上不均，資源性缺水問題非常突出。阜新市年均降水量480mm，降水自南向北遞減多，多年平均水資源總量84193萬m3，人均占有量507 m3，不到全國人均量(2160 m3)的1/4。阜新市以LXB供水工程為骨干，輔之以引白濟阜工程進(jìn)行水源配置，雖然在一定程度上緩解了區(qū)域水資源供需不平衡的矛盾，但并未徹底轉(zhuǎn)變供大于需的現(xiàn)狀，依然面臨著較大的水資源壓力。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文章研究數(shù)據(jù)來源于已經(jīng)公布的2001-2020年阜新市《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計年報》、水資源公報和統(tǒng)計年鑒等。

2 研究方法

2.1 水資源生態(tài)足跡模型

根據(jù)生態(tài)足跡模型提出的水資源生態(tài)足跡概念逐漸成為反映水資源可持續(xù)利用的重要指標(biāo)，將水資源生態(tài)足跡按照阜新市水資源特征劃分成農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和環(huán)境用水等生態(tài)足跡[5]，其表達(dá)式為：

式中：EFi、efi代表用水類型i的水資源生態(tài)足跡與人均生態(tài)足跡，hm2；i、N代表水資源用水類型與區(qū)域人口數(shù)量，萬人；W、PW代表水資源用水量(億m3)與水資源平均生產(chǎn)能力(m3/hm2)，結(jié)合相關(guān)資料PW取3120m3/hm2。γ代表水資源均衡因子，借鑒有關(guān)文獻(xiàn)γ取5.19。

2.2 水資源生態(tài)承載力模型

水資源生態(tài)承載力是指特定區(qū)域特定時期內(nèi)的水資源供應(yīng)量，能最大支撐該地區(qū)社會、經(jīng)濟、環(huán)境和資源可持續(xù)可發(fā)展的能力[5]，其計算公式為：

式中：ECw、ecw代表總體和人均水資源生態(tài)承載力，hm2；φ代表水資源產(chǎn)量因子，結(jié)合門寶輝等[6]文獻(xiàn)資料φ取0.77；Q代表水資源總量，億m3。

2.3 水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)

1）萬元GDP水生態(tài)足跡。該數(shù)值反映了特定時段特定區(qū)域內(nèi)的GDP總值與水資源生態(tài)足跡之間的關(guān)系[7]，用水效率越高則其數(shù)值越大，反之則越小，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

2）生態(tài)赤字或盈余。研究區(qū)水資源開發(fā)利用程度可以用水資源生態(tài)赤字或盈余來衡量，如果則判定為生態(tài)赤字，難以實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展；反之，如果則判定為生態(tài)盈余，可以實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展；如果則判定為臨界狀態(tài)[8-9]。其計算公式如下：

3）生態(tài)壓力指數(shù)EP。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境承受的壓力強度和水資源可持續(xù)利用情況可利用水資源生態(tài)壓力指數(shù)來衡量，其表達(dá)式為：

借鑒相關(guān)研究成果[10]，將水資源開發(fā)利用劃分成安全、較安全、臨界和不安全4種狀態(tài)，所對應(yīng)的水資源生態(tài)壓力指數(shù)取值區(qū)間為EP＜0.5、0.5≤EP＜0.8、0.8≤EP＜1.0和EP≥1.0。

4）負(fù)載指數(shù)c。研究區(qū)人口數(shù)量、經(jīng)濟發(fā)展水平與水資源利用程度之間的關(guān)系，以及未來水資源開發(fā)潛力可利用負(fù)載指數(shù)來衡量[11]。負(fù)載指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，見表1。水資源負(fù)載指數(shù)越高則開發(fā)利用程度越大，相應(yīng)的開發(fā)利用潛力越小，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

表1 負(fù)載指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

式中：k代表與降水有關(guān)的系數(shù)，利用公式（8）計算確定；G代表國內(nèi)生產(chǎn)總值(億元)，其它字母含義同上。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源生態(tài)足跡計算結(jié)果

2001-2020年阜新市工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、生活用水以及總用水生態(tài)足跡，阜新市水資源生態(tài)足跡變化特征，見圖1。從圖1可以看出：①總用水生態(tài)足跡表現(xiàn)出先減小后緩慢增大的變化趨勢，2020年增長幅度明顯高于其它時段；②生活用水和總用水生態(tài)足跡變化趨勢相似，均表現(xiàn)出現(xiàn)減小后緩慢增大的趨勢，這是由于隨著阜新市人口數(shù)量的增多和經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，城市生活用水需求急劇增大，從而使得生活用水壓力明顯提高；③環(huán)境用水生態(tài)足跡的上升趨勢也比較明顯，特別是近5a的增長速度較快，究其原因是阜新市不斷加大環(huán)境保護(hù)力度，相繼實施退耕還林、植樹造林等一系列環(huán)保措施；④相反，工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡表現(xiàn)出逐年減小趨勢，究其原因是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化調(diào)整，許多高污染高耗水高能耗企業(yè)被有效整改，農(nóng)業(yè)科學(xué)灌溉和種植等措施有效提高了水資源效率。

圖1 阜新市水資源生態(tài)足跡變化特征

此外，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡在2006年以前較高，隨后逐漸減小，由此表明當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水所占比例較高，經(jīng)濟發(fā)展相對滯后；隨后第二、三產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟社會快速發(fā)展，工業(yè)用水生態(tài)足跡不斷增大逐漸與農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡持平。

3.2 水資源生態(tài)承載力計算結(jié)果

2001-2020年阜新市水資源生態(tài)承載力變化趨勢，阜新市水資源承載力變化特征，見圖2。從圖2可以看出阜新市水資源生態(tài)承載力呈明顯波動變化，總體處于82～196萬hm2的較低水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于總用水生態(tài)足跡599～763萬hm2的區(qū)間值，可見水資源供應(yīng)量遠(yuǎn)低于需求量。水資源生態(tài)承載力最高、最低年為2003年和2013年，究其原因是2003年降水量較低只有326.6mm，低于2001-2020年平均降水量480.7mm，而2013年的降水量較高為686.3mm。

圖2 阜新市水資源承載力變化特征

年均降水量與人均水資源生態(tài)承載力變化特征，見圖3。通過對比圖3可知，當(dāng)年的降雨量與人均水資源生態(tài)承載力之間存在密切聯(lián)系，人均水資源生態(tài)承載力越大的年份其降雨量就越多，承載力越小的年份其降雨量也就越少。

圖3 年均降水量與人均水資源生態(tài)承載力變化特征

3.3 水資源可持續(xù)利用評價

2001-2020年阜新市水資源生態(tài)壓力指數(shù)EP計算結(jié)果，阜新市水資源生態(tài)壓力指數(shù)和生態(tài)足跡，見表2。由表2可知：①阜新市萬元GDP水生態(tài)足跡總體呈逐年減小趨勢，表明阜新市用水效率和水資源利用率不斷提升，仍具有一定的可持續(xù)利用空間；②水資源生態(tài)壓力指數(shù)呈波動變化特征，最大和最小值7.05、2.90，說明阜新市水資源始終處于生態(tài)不安全狀態(tài)，水資源供給量小于需求量，可持續(xù)開發(fā)利用難度較高。然而2015年LXB供水工程的投入，在一定程度上緩解了阜新市水資源壓力，壓力指數(shù)出現(xiàn)明顯減小，水資源開發(fā)利用有所好轉(zhuǎn)。

表2 草籽量計算標(biāo)準(zhǔn)

表2 阜新市水資源生態(tài)壓力指數(shù)和生態(tài)足跡

2001-2020年阜新市水資源負(fù)載指數(shù)變化趨勢，阜新市水資源負(fù)載指數(shù)變化特征，見圖4。從圖4可以看出指數(shù)值總體較高，最大、最小值為286和84，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ⅰ級邊緣值10，說明阜新市水資源具有很高的開發(fā)利用程度，進(jìn)一步開發(fā)潛力較小，城市用水安全受到嚴(yán)重威脅，必須通過從外流域調(diào)水才能緩解當(dāng)?shù)赜盟畨毫Α?/p>

圖4 阜新市水資源負(fù)載指數(shù)變化特征

2001-2020年阜新市水資源生態(tài)赤字變化趨勢，阜新市水資源生態(tài)赤字變化特征，見圖5。從圖5可以看出：水資源始終處于赤字狀態(tài)，即供小于求，這也體現(xiàn)了阜新市用水緊張的局面，水資源開發(fā)利用無法滿足實際用水需求，為緩解用水壓力需要從外部調(diào)水。2001-2009年水資源生態(tài)赤字總體呈波動減小趨勢，2015年LXB供水工程的投入在一定程度上降低了水資源生態(tài)赤字，但2020年數(shù)值明顯升高，究其原因是2020年降水量較小為509.5mm，較2019年的602.6減少了15.4%，從而使得阜新市處于更加緊張的用水局面，水資源赤字也明顯上升。

圖5 阜新市水資源生態(tài)赤字變化特征

4 人均水資源生態(tài)足跡預(yù)測

4.1 灰色系統(tǒng)模型

灰色系統(tǒng)模型GM(1，1)的主要原理是通過累加處理將原序列轉(zhuǎn)換成有明顯增長趨勢的新序列，按照新的序列趨勢創(chuàng)建預(yù)測模型，然后通過累減逆向運算恢復(fù)原始數(shù)據(jù)序列，從而計算確定預(yù)測數(shù)值，建模流程如下[12]：

1）數(shù)據(jù)累加。設(shè)包含n個數(shù)據(jù)的原始序列為X0={x(0)(1)，x(0)(2)，…x(0)(n)}，經(jīng)一次累加計算生成新的數(shù)列X1={x(1)(1)，x(1)(2)，…x(1)(n)}，其中x(0)的前k項數(shù)據(jù)累加為x(1)(k)，即k=1，2，…，n。

2）定義灰導(dǎo)數(shù)方程d(k)、數(shù)列x(1)(k)的緊臨均值z(1)(k)和GM(1，1)的一階線性微分方程b如下：

經(jīng)轉(zhuǎn)換計算則有b=x(0)(k)+az(1)(k)，其中b、az(1)(k)、a、x(0)(k)稱為灰作用量、白化背景值、發(fā)展系數(shù)和灰導(dǎo)數(shù)，上式代入k值后則有：

則公式(12)可以改寫成矩陣Y=bu的形式。

3）GM(1，1)模型及其求解。針對b=x(0)(k)+az(1)(k)，如果將x(0)(k)看成關(guān)于k的連續(xù)函數(shù)，不再是離散序列，則原式可以轉(zhuǎn)變成b=dX(1)/dx+aX(1)，然后將公式兩邊做積分可以生成：

經(jīng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換計算可以求解出相應(yīng)的預(yù)測值，其中k=1，2，…，n-1，結(jié)果如下：

4.2 預(yù)測結(jié)果

采用灰色系統(tǒng)模型預(yù)測2001-2020年阜新市總用水量，GM(1，1)總用水量預(yù)測，見表3。經(jīng)級比檢驗2001-2003年數(shù)據(jù)無法通過檢驗，故人均水資源生態(tài)足跡預(yù)測選用2004-2020年數(shù)據(jù)。通過計算發(fā)現(xiàn)GM的后驗差比值p=1，符合＞0.95的檢驗要求，相對誤差都在5%以內(nèi)，對于總用水量的預(yù)測該模型具有較高的精度和較好的擬合效果。

表3 GM(1，1)總用水量預(yù)測

充分考慮阜新市實際情況，維持區(qū)域人口數(shù)量不變，結(jié)合已經(jīng)預(yù)測出的總用水量預(yù)測2021-2023年阜新市人均水資源生態(tài)足跡分別為0.285hm2/人、0.280hm2/人、0.272hm2/人。

阜新市人均水資源生態(tài)足跡變化特征，見圖6。從圖6可以看出，2021-2023年阜新市人均水資源生態(tài)足跡總體呈逐年減小趨勢，人均用水量也會明顯下降，為推動城市可持續(xù)發(fā)展提供了有力條件，這與阜新市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和水資源規(guī)劃利用等一系列政策的實施密切相關(guān)[13-16]。

圖6 阜新市人均水資源生態(tài)足跡變化特征

5 結(jié) 論

1）2001-2020年阜新市水資源生態(tài)足跡呈緩慢增大趨勢，說明城市水資源需求逐漸增大，從小到大對總水資源生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)排序為工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)境用水和生活用水，這與阜新市實際發(fā)展情況相符。為促進(jìn)經(jīng)濟社會與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，近年來阜新市不斷減少工業(yè)用水量，逐步提高農(nóng)業(yè)用水效率和環(huán)境用水量。

2）2015年，阜新市LXB供水工程的投入使用，在一定程度上降低了當(dāng)?shù)毓┧亢蛡溆盟吹厝∷?，在一定程度上提高了水資源生態(tài)承載力，有利于緩解阜新市用水壓力和水源地涵養(yǎng)。

3）經(jīng)預(yù)測分析，2021-2023年阜新市仍處于用水緊張狀態(tài)，但人均水資源生態(tài)足跡和人均用水量將逐漸減小，采取實施的一系列措施開始發(fā)揮成效，未來阜新市水資源利用水平和利用效率會不斷提高，城市水資源開發(fā)利用呈現(xiàn)出一個好的發(fā)展態(tài)勢。