李夢玲， 戴長雷*， 高宇， 李夢宇

(1.黑龍江大學寒區(qū)地下水研究所， 哈爾濱 150080； 2.黑龍江大學水利電力學院， 哈爾濱 150080； 3.黑龍江大學中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實驗室， 哈爾濱 150080； 4.中國水利水電科學研究院， 北京 100038)

水資源是人類社會經(jīng)濟發(fā)展和自然生態(tài)系統(tǒng)平衡的基礎(chǔ)性資源，水資源承載力關(guān)系著城市發(fā)展的可持續(xù)性，目前受到世界各國學者的廣泛關(guān)注[1-2]。黑龍江流域內(nèi)含有重要的中俄跨國界含水層[3]，其水資源狀況對中國側(cè)區(qū)域的經(jīng)濟社會發(fā)展以及生態(tài)保護等方面均具有極其重要的影響。

中外對水資源承載力的研究較為廣泛。中國對于水資源承載力的分析集中在長江[4-5]、黃河流域[6-7]，主要方法有模糊綜合分析[8-9]、灰色關(guān)聯(lián)法[10]、Bayes-TOPSIS模型[11]、主成分分析法[12-13]等。于釙等[14]和劉洪霞等[15]結(jié)合水足跡模型對區(qū)域水資源承載力進行分析。Yang等[16]和Khorsandi等[17]從城市發(fā)展規(guī)劃和人民生活等方面闡述了水資源承載力分析的重要性。各種方法受到原始數(shù)據(jù)指標、地質(zhì)特征等方面的影響，具有不同的適應性。對于黑龍江流域的研究多為水文地理[18]、冰情洪水[19-20]及其支流的徑流[21]等方面。中俄兩國針對2013年汛期黑龍江發(fā)生的流域大洪水開展了聯(lián)合調(diào)查[22]。Makhinov等[23]對黑龍江的冰情特征和洪水形成過程進行了分析。Shesterkin等[24]和Kulakov等[25]研究了黑龍江流域俄羅斯側(cè)的哈巴羅夫斯克附近主要支流的水文和水化學特征。李明亮等[26]構(gòu)建了黑龍江流域的分布式水文模型，對流域水文規(guī)律進行了研究。但對黑龍江流域的水資源承載力研究較少，且對中俄進行對比分析甚少。

現(xiàn)對比黑龍江流域中俄兩國相關(guān)研究區(qū)域的供水能力、生產(chǎn)水足跡等特征，采用經(jīng)濟發(fā)展程度-水資源開采程度(RG-RP)關(guān)系圖法分析兩國的水資源承載能力，更加全面地了解黑龍江流域中俄兩國的水資源狀況，以期為黑龍江流域水資源高效利用和流域生態(tài)保護提供參考。

1 研究區(qū)概況

黑龍江是重要的中俄界河，也是中國最大的跨界河流之一[27]，在俄羅斯境內(nèi)被稱為阿穆爾河，其流域面積廣闊[28]。選取流域內(nèi)的中國和俄羅斯兩國共9個相關(guān)研究區(qū)。中國側(cè)4個研究區(qū)為：黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省以及吉林省。俄羅斯側(cè)5個研究區(qū)均位于俄羅斯的遠東聯(lián)邦管區(qū)，分別為：大陸性氣候較為顯著的外貝加爾邊疆區(qū)、境內(nèi)有結(jié)雅河和布列亞河的阿穆爾州、作為俄羅斯唯一自治州的猶太自治州、位于遠東地區(qū)中心部分的哈巴羅夫斯克邊疆區(qū)、俄羅斯遠東最東南部分的濱海邊疆區(qū)。

中國側(cè)4個研究區(qū)的人口顯著多于俄羅斯側(cè)，其中遼寧省人口最多；內(nèi)蒙古自治區(qū)的面積最大。俄羅斯側(cè)猶太自治州的人口和面積均為9個研究區(qū)中的最低。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

對黑龍江流域中俄水資源承載力進行對比分析，涉及流域內(nèi)中俄共9個研究區(qū)2011—2018年的人口、水資源總量、地表水量、地下水量、人均生產(chǎn)水足跡、人均用水量以及國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product，GDP)等指標作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。生產(chǎn)水足跡統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于water footprint network，俄羅斯側(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)來源于俄羅斯聯(lián)邦自然資源和生態(tài)部的國家報告《關(guān)于俄羅斯聯(lián)邦水資源利用狀況》，中國相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《中國水利統(tǒng)計年鑒》以及《中國統(tǒng)計年鑒》等。

2.2 研究方法

水資源承載力同時受到自然因素以及社會因素的共同影響。自然因素主要為區(qū)域氣溫降水、地形地貌以及水文地質(zhì)特征等，制約著水資源的供給能力，對水資源可利用量起著決定性作用。社會因素主要由于水資源在社會經(jīng)濟發(fā)展的各個方面都起著重要作用，不同領(lǐng)域的用水效率對水資源承載力具有重要影響。

2.2.1 水資源承載力分析方法

參考劉敏等[29]提出的定量評價地下水承載力的新方法作為基礎(chǔ)，對黑龍江流域中俄兩國的水資源承載力進行對比分析。水資源承載力的定義為：在一定社會經(jīng)濟發(fā)展階段下，以現(xiàn)階段的經(jīng)濟、技術(shù)和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以區(qū)域水資源的最大可利用量為前提，水資源對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力，以可支撐的GDP表示[30]。

由此，水資源承載力為可反映水資源利用和社會經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系，可表達為

G=θW

(1)

式(1)中：G為水資源支撐的社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模(GDP)，元；θ為用水效率；W為水資源的可利用量，可視為氣候降水、地形地貌以及區(qū)域水文地質(zhì)特征、水資源開采條件等社會和自然因素的函數(shù)。

中俄兩國不同地區(qū)由于自然環(huán)境和社會發(fā)展程度存在較大差異，因此各地的水資源可利用量和用水效率各不相同，為比較中俄兩國各研究區(qū)的水資源承載能力，統(tǒng)一衡量標準。選取研究區(qū)域中綜合用水效率最高研究區(qū)的用水效率值(θm)作為期望值。參考劉敏等[29]提出的經(jīng)濟發(fā)展程度與地下水開采程度關(guān)系圖法，繪制經(jīng)濟發(fā)展程度-水資源開采程度(RG-RP)關(guān)系圖。

Ghi=θmPi

(2)

(3)

RG=Gs/Gh×100%

(4)

RP=Wr/Wa×100%

(5)

式中：Ghi為第i個研究區(qū)理論上水資源可支撐的GDP規(guī)模；θm為區(qū)域用水效率；Pi為第i個研究區(qū)的水資源開采量；Pij為第i個研究區(qū)第j產(chǎn)業(yè)的水資源開采量；θij為第i個研究區(qū)第j產(chǎn)業(yè)的用水效率；Gs為水資源實際支撐的GDP規(guī)模；Gh為理論上水資源可支撐的GDP規(guī)模；Wr為水資源開采量；Wa為水資源的可利用量；RG為經(jīng)濟發(fā)展程度；RP為水資源開采程度。

根據(jù)式(2)～式(5)，則可計算出研究區(qū)各研究區(qū)的水資源支撐的經(jīng)濟發(fā)展程度(RG)以及水資源開采程度(RP)，繪制RG-RP關(guān)系圖，如圖1所示，將黑龍江流域中俄兩國共9個研究區(qū)的RG-RP投影到區(qū)域內(nèi)，如果落在Ⅰ區(qū)，則說明該研究區(qū)的水資源利用程度較低，水資源對于社會經(jīng)濟發(fā)展的影響較??；如果落在Ⅱ區(qū)，則表明該研究區(qū)水資源使用情況已發(fā)生超載，但社會經(jīng)濟發(fā)展水平并未超載，可采取相應措施，恢復水資源承載能力；如果落在Ⅲ區(qū)，則表明該研究區(qū)不僅水資源使用情況超載，經(jīng)濟發(fā)展也出現(xiàn)超載現(xiàn)象，很難通過采取措施恢復水資源狀況。

圖1 RG-RP關(guān)系圖Fig.1 RG-RP diagram

2.2.2 流域生產(chǎn)水足跡分析方法

根據(jù)黑龍江流域中俄兩國各研究區(qū)人均生產(chǎn)水足跡統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合人口數(shù)量，得到各研究區(qū)的生產(chǎn)水足跡，并根據(jù)式(6)和式(7)分別計算區(qū)域生產(chǎn)水足跡模數(shù)[31]及水資源壓力指標[32]。對比流域內(nèi)中俄兩國各研究區(qū)的生產(chǎn)水足跡狀況，對水資源承載力分析提供參考。

(6)

(7)

式中：M為區(qū)域生產(chǎn)水足跡模數(shù)；F為區(qū)域生產(chǎn)水足跡；S為區(qū)域面積；P為區(qū)域水資源壓力指標；Q為水資源可利用量。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑龍江流域中俄供水能力分析

黑龍江流域中國側(cè)的4個研究區(qū)，2011—2018年供水能力如圖2所示，4個研究區(qū)變化程度較小。黑龍江省由于含有黑龍江、松花江、烏蘇里江以及綏芬河四大水系，在4個研究區(qū)中供水能力最強，約為另外3個研究區(qū)的2倍。內(nèi)蒙古自治區(qū)的供水能力排在第二位，省內(nèi)有大興安嶺、賀蘭山等山脈，全年降水量50～450 mm。遼寧省供水能力稍高于吉林省，其東南邊以鴨綠江為界于朝鮮相鄰。4個研究區(qū)中供水能力最弱的吉林省，其境內(nèi)的第一大河為第二松花江，在扶余縣與嫩江匯合成松花江干流。

黑龍江流域俄羅斯側(cè)各研究區(qū)2018年的供水能力及經(jīng)濟發(fā)展情況如圖3所示。哈巴羅夫斯克邊疆區(qū)的水資源量最多，但其用水量同樣最大；濱海邊疆區(qū)的水資源量及用水量均最小，但其GDP最高，猶太自治州水資源量在5個研究區(qū)中排在第二，但其GDP為最小值；阿穆爾州的水資源量大于外貝加爾邊疆區(qū)，但兩研究區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展程度基本一致。

圖2 黑龍江流域中國側(cè)各研究區(qū)供水能力Fig.2 Water supply capacity of each study area in China side of Heilongjiang River Basin

圖3 黑龍江流域俄羅斯側(cè)各研究區(qū)供水能力Fig.3 Water supply capacity of each study area in Russia side of Heilongjiang River Basin

3.2 生產(chǎn)水足跡比較分析

黑龍江流域中俄兩國的9個研究區(qū)的生產(chǎn)水足跡如表1所示。

在生產(chǎn)水足跡方面，中國側(cè)遠大于俄羅斯側(cè)，分別為3 013.8×108L/d和179.3×108L/d。其中遼寧省的生產(chǎn)水足跡最多，為1 264.1×108L/d，猶太自治州的生產(chǎn)水足跡最少，為9.1×108L/d。生產(chǎn)水足跡模數(shù)能夠更加清楚地表現(xiàn)區(qū)域單位面積的生產(chǎn)水足跡。在生產(chǎn)水足跡模數(shù)方面，黑龍江流域內(nèi)中國側(cè)的4個研究區(qū)單位面積生產(chǎn)水足跡遠大于俄羅斯側(cè)的5個研究區(qū)。

從表1的水資源壓力指標中能夠看出，中國側(cè)的水資源壓力明顯大于俄羅斯側(cè)，其中遼寧省最為顯著。由于中國側(cè)4個研究區(qū)的人口遠大于俄羅斯側(cè)，且各研究區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展程度高于俄羅斯的遠東邊疆區(qū)，對水資源的需求量較大，因此區(qū)域水資源壓力指標普遍高于俄羅斯側(cè)。

3.3 中俄水資源承載力對比分析

根據(jù)各研究區(qū)用水效率、水資源開采量、社會經(jīng)濟發(fā)展程度等計算得出各研究區(qū)的水資源開采程度及其支撐的經(jīng)濟發(fā)展程度，并將其投影到RG-RP關(guān)系圖中，如圖4所示。黑龍江流域中俄共9個研究區(qū)均沒有落在Ⅲ區(qū)，表明各研究區(qū)沒有發(fā)生水資源使用和經(jīng)濟發(fā)展同時超載的情況。中國側(cè)在流域內(nèi)的4個研究區(qū)均位于Ⅰ區(qū)，說明各研究區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展情況對區(qū)域水資源的依賴性較低，且4個研究區(qū)的投影點距離用水效率線較近，表明用水效率相對較高。俄羅斯側(cè)的外貝加爾邊疆區(qū)、阿穆爾州、哈巴羅夫斯克邊疆區(qū)的投影位于Ⅰ區(qū)內(nèi)，表明其經(jīng)濟發(fā)展對水資源的依賴性較低，但用水效率需要進一步提高。濱海邊疆區(qū)落在用水效率線上部，表明其水資源的利用效率較高，且水資源開采程度及所承載的經(jīng)濟發(fā)展均為超載，與上述供水能力分析結(jié)果一致，經(jīng)濟發(fā)展程度在俄羅斯側(cè)高，但其供水能力最低。9個研究區(qū)中，僅有猶太自治州的投影落在Ⅱ區(qū)，表明水資源的開采程度處于超載狀態(tài)，且區(qū)域的用水效率較低，經(jīng)濟發(fā)展水平也較低，可通過提高用水效率等措施加強區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平，降低水資源承載能力。

3.4 結(jié)果分析

綜上，黑龍江省和哈巴羅夫斯克邊疆區(qū)的供水能力較大，中國側(cè)4個研究區(qū)的水資源壓力值相比俄羅斯側(cè)較大。在水資源承載力分析中，黑龍江流域中俄兩國共9個研究區(qū)僅有俄羅斯側(cè)的猶太自治州水資源開采程度超載，其余研究區(qū)均在承載范圍內(nèi)。但整體上來看，中國側(cè)4個研究區(qū)相比俄羅斯側(cè)5個研究區(qū)的用水效率較高，且水資源使用程度較低，整體狀況優(yōu)于俄羅斯側(cè)。

黑龍江流域含有較大面積的中俄跨國界含水層，兩國相關(guān)地區(qū)的水資源利用情況對跨國界含水層的水量交換影響重大。中國側(cè)涉及的4個研究區(qū)水資源量較為充足，開發(fā)程度低，但水資源壓力值較大，應通過制定合理的水資源開發(fā)利用措施提高水資源利用效率，在水資源承載力的范圍內(nèi)，推動經(jīng)濟發(fā)展。同時應加強中國與俄羅斯在流域中俄聯(lián)合監(jiān)測、跨境流域環(huán)境保護等方面的協(xié)調(diào)與落實。

4 結(jié)論

基于黑龍江流域中俄兩國9個研究區(qū)的水資源量、經(jīng)濟發(fā)展狀況、用水量、生產(chǎn)水足跡等基礎(chǔ)資料，對比分析了中俄兩國各研究區(qū)的供水能力、生產(chǎn)水足跡以及水資源承載力，得到以下初步結(jié)論。

(1)黑龍江流域中國側(cè)的4個研究區(qū)供水能力排序為：黑龍江省>內(nèi)蒙古自治區(qū)>遼寧省>吉林??；俄羅斯側(cè)5個研究區(qū)中供水能力排序為：哈巴羅夫斯克邊疆區(qū)>猶太自治州>阿穆爾州>外貝加爾邊疆區(qū)>濱海邊疆區(qū)。

(2)中國側(cè)4個研究區(qū)的生產(chǎn)水足跡明顯高于俄羅斯側(cè)的5個研究區(qū)，其中遼寧省的生產(chǎn)水足跡最多；且中國側(cè)的水資源壓力普遍高于俄羅斯側(cè)。

表1 黑龍江流域中俄生產(chǎn)水足跡

圖4 黑龍江流域中俄水資源承載力RG-RP關(guān)系Fig.4 RG-RP relationship of water resources carrying capacity between China and Russia in the Heilongjiang River Basin

(3)黑龍江流域中俄兩國超過80%的研究區(qū)水資源開發(fā)利用程度較低，未發(fā)生水資源超采的情況；中國側(cè)的用水效率整體高于俄羅斯側(cè)，水資源使用狀況較好。

(4)黑龍江流域涉及的中國側(cè)4個研究區(qū)應制定科學合理的用水措施，提高水資源使用效率，為加強中國與俄羅斯的聯(lián)合監(jiān)測、環(huán)境保護等方面的合作落實提供參考。