姜 丹

(遼寧省丹東水文局,遼寧 丹東 118000)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活對水資源使用量急劇增加,與此同時產(chǎn)生的水污染問題日趨突出,加之水環(huán)境惡化、全球水資源短缺等致使水生態(tài)系統(tǒng)面臨較大壓力,一旦超過系統(tǒng)可承載力必然會對區(qū)域水資源持續(xù)利用甚至經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定發(fā)展造成嚴(yán)重影響。因此,為了保證區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)安全有必要分析水資源可持續(xù)利用情況。國內(nèi)外許多學(xué)者從不同尺度上探究了水資源可持續(xù)利用狀況,研究方法主要有水生態(tài)足跡法、水足跡法等,研究內(nèi)容大多集中于水資源管理與政策、優(yōu)化配制、可持續(xù)利用及生態(tài)安全等方面[1-4]。其中,水生態(tài)足跡法是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的方法,在山西、江蘇、廣西、吉林、遼寧等諸多地區(qū)的水資源利用情況分析均有應(yīng)用實例,并取得較好的效果[5-7]。為更加客觀地反映區(qū)域水資源情況,有學(xué)者在水生態(tài)足跡中引入水資源產(chǎn)量和均衡因子,提出三維生態(tài)足跡模型和水生態(tài)足跡深度、廣度的概念,還有人將脫鉤理論與水生態(tài)足跡法相結(jié)合用于分析經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源環(huán)境之間的協(xié)調(diào)關(guān)系[8]。然而水生態(tài)足跡模型使用的參數(shù)大多沒有考慮時間差異和區(qū)域差異,用全球性產(chǎn)量因子和均衡因子很容易導(dǎo)致實際情況與計量結(jié)果存在偏差。為解決以上問題有學(xué)者引入了能值理論,經(jīng)不斷研究實踐形成了較完善的能值生態(tài)足跡模型。能值理論就是將不同種類的能量利用太陽能值轉(zhuǎn)換率統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成太陽能值,以此定量研究分析各種形式的能量,可以客觀反映社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。能值生態(tài)足跡模型相比于傳統(tǒng)的水生態(tài)足跡模型主要是以太陽能值轉(zhuǎn)換率統(tǒng)一系統(tǒng)中各種能值流,可以更加直觀地反映水資源利用發(fā)展態(tài)勢。鑒于此,文章利用該方法分析丹東市水資源可持續(xù)利用動態(tài)變化趨勢極具現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域概況

丹東市地處遼寧省東南部,地形以平原谷底、丘陵山地為主,總面積1.52萬km2,是一座沿海、沿江、沿邊城市。該區(qū)域?qū)贉嘏瘞啙駶櫦撅L(fēng)氣候,北部6～7℃,南部平均氣溫8～9℃,多年平均降水量881.3～1087.5mm,其中2/3發(fā)生在夏季,7～8月為暴雨集中期。借鑒水資源公報,2021年丹東市降水量1334.7mm,折合降水總量199.84億m3,較多年均值偏多31.5%,2021年水資源總量126.49億m3。雖然丹東市是全省水資源最豐富且降雨量最多的地區(qū),但由于特殊的地理環(huán)境和氣候條件,當(dāng)?shù)厮Y源利用存在可開采總量少、開發(fā)難度大、邊際效益低等問題,局部地區(qū)尚面臨春季干旱、水體污染、用水效率低和地下水超采的現(xiàn)狀。因此,科學(xué)分析丹東市水資源利用現(xiàn)狀對推動區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以丹東市整體情況為統(tǒng)計依據(jù)選取2001—2020年數(shù)據(jù),其中年均用水量和水資源總量等水資源數(shù)據(jù)來源于丹東市水資源公報,氨氮或COD廢水排放量等污染用水?dāng)?shù)據(jù)來源于遼寧省統(tǒng)計年鑒,降雨量、區(qū)域面積、戶籍人口數(shù)量和地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)等其它數(shù)據(jù)來源于丹東市統(tǒng)計年鑒,參照有關(guān)文獻(xiàn)獲取能值轉(zhuǎn)換率值。

2.2 水資源能值生態(tài)足跡模型

1)水資源能值生態(tài)足跡。該模型主要包括水質(zhì)和用水量生態(tài)足跡兩個部分,其中水質(zhì)生態(tài)足跡又稱為污染足跡,主要是稀釋污染物至一定標(biāo)準(zhǔn)所消耗的水資源;用水量生態(tài)足跡包括生態(tài)、居民生活、城鎮(zhèn)公共服務(wù)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水5類,相應(yīng)的計算公式為[9]:

EEFw=EEFk+EEFq

(1)

(2)

式中:EEFw、EEFk、EEFq為人均水資源能值、用水量和水污染的生態(tài)足跡,hm2/人;Cki、Eki、Mki、τki為第i類用水的人均太陽能值,sej/人、總能值,sej、用水量,m3以及太陽能值轉(zhuǎn)換率,sej/m3,i=1,2,3,4,5;N、Pw為丹東市人口數(shù)量和全球平均能值密度,Pw通常取3.104E+14(sej/hm2);ENH3-N、ECOD、MCOD/NH3-N代表氨氮和化學(xué)需氧量(COD)能值(sej)以及COD或氨氮的廢水排放量(kg);ρw、ρCOD/NH3-N代表水的密度(kg/m3)和COD或氨氮允許排放濃度,依據(jù)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)確定COD和氨氮允許排放濃度為50mg/L和12mg/L;Hw、Uw代表熱值換算系數(shù)和水的單位能值,Hw通常取2.56E+04(J/kg),由地表水(地下水)化學(xué)能與雨水化學(xué)總能值之比確定Uw值為8.54E+04(sej/J),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

EErc=S·Rain·θ·G·ρw·τrc

(3)

Eg(Eu)=Mg(Mu)·G·ρw

(4)

式中:EErc、τrc為雨水化學(xué)能值(sej)及其太陽能值轉(zhuǎn)換率,一般τrc取1.80E+04(sej/J);Eg、Eu、Mg、Mu為地表水和地下水的化學(xué)能,J及水資源量,m3;S、Rain、θ、G為表區(qū)域面積,m2、平均降雨量,m和蒸散系數(shù),其中θ一般取0.6;G為吉布斯自由能,雨水、地表水、地下水的吉布斯自由能分別為4.94j/g、4.94J/g和4.90J/g。模型中有關(guān)參數(shù)取值及主要能值轉(zhuǎn)換率如表1所示。

表1 能值轉(zhuǎn)換率統(tǒng)計表

2)水資源能值生態(tài)承載力。該指標(biāo)反映了一定條件下特定時期內(nèi)某區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展可承載的最大壓力,按照能值理論丹東市水資源能值由地下水與地表水化學(xué)能、雨水勢能組成。另外,結(jié)合區(qū)域水資源利用率水平,為維持生態(tài)環(huán)境和生物多樣性發(fā)展至少要扣除60%用水,則承載力計算方法如下[10]:

(5)

式中:EECw、EErh、EEg、EEu為人均水資源能值生態(tài)承載力,hm2/人、雨水勢能值,sej、地表水和地下水化學(xué)能值,sej;Pw為丹東市平均水資源能值密度,由丹東市近20a單位面積上的水資源能值計算確定為2.48E+14(sej/hm2)。采用下式計算雨水勢能,即:

Erh=S·Rain·φ·ρw·h·g

(6)

式中:Erh為雨水勢能,J;φ、h、g為徑流系數(shù)、海拔高度平均值,m和重力加速度,一般φ取0.4,g取10m/s2。

2.3 水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)

1)水資源生態(tài)盈余(ES)/赤字(ED)。該指標(biāo)反映了水資源供需情況及可持續(xù)利用程度,一般用生態(tài)承載力EECw與生態(tài)足跡EEFw之差來衡量。若EEw>EECw則代表產(chǎn)生生態(tài)赤字(ED),說明經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展超出水資源利用生態(tài)負(fù)荷,在一定程度上威脅著水生態(tài)安全;若EEw

ED(ES)=EECw-EEFw

(7)

2)水資源生態(tài)壓力指數(shù)(EPI)。該指標(biāo)反映了水生態(tài)安全狀況,一般用生態(tài)足跡與生態(tài)承載力之比來衡量。若EPI<1則代表經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展消耗的水資源未超出生態(tài)承載范圍,水生態(tài)達(dá)到安全狀況;若EPI>1則代表經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展消耗的水資源超過其生態(tài)供給能力,水生態(tài)達(dá)到不安全狀態(tài);若EPI=1則代表水資源系統(tǒng)達(dá)到供需平衡狀態(tài)(等級劃分見表2),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

表2 生態(tài)安全等級劃分

EPI=EEFw/EECw

(8)

3)水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)(ECI)。該指標(biāo)反映了經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與水生態(tài)系統(tǒng)間的相互關(guān)系及協(xié)調(diào)性,可以衡量不同時期水資源供需、開發(fā)利用程度與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平之間的關(guān)系,其表達(dá)式如下[12]:

(9)

式中:ECI處于1～1.414取值區(qū)間,該值越接近于1代表經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與水生態(tài)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性越差,該值越接近1.414代表兩者的協(xié)調(diào)性越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源能值生態(tài)足跡變化

采用以上數(shù)據(jù)和方法計算2001—2020年丹東市人均水資源能值生態(tài)足跡EEFw分別為0.96、0.98、1.00、1.00、1.01、1.07、1.14、1.18、1.20、1.19、1.20、1.23、1.27、1.34、1.26、1.26、1.25、1.28、1.29和1.50hm2/人。結(jié)果表明,丹東市EEFw從2001年的0.96hm2/人波動上升到2020年的1.50hm2/人,增幅達(dá)到56.25%,年平均增幅2.81%,總體表現(xiàn)出明顯上升趨勢。另外,農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和污染用水對丹東市水資源能值生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)較高,貢獻(xiàn)最低的是生態(tài)用水。

從變化趨勢上,2001—2020年生態(tài)、城鎮(zhèn)公共服務(wù)、居民生活和工業(yè)用水足跡逐年增加,而污染和農(nóng)業(yè)用水足跡呈波動減小趨勢,如圖1所示。總?cè)司苤蒂~戶與工業(yè)用水賬戶具有相似的變化趨勢,這也是引起總能值生態(tài)足跡變化的重要因素。由計算結(jié)果可知,丹東市具有較大的農(nóng)業(yè)用水需求量,但是農(nóng)業(yè)對經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)作用相對較低,近年來工業(yè)用水需求不斷增加而農(nóng)業(yè)用水量逐漸減少,通過增加工業(yè)產(chǎn)值能夠更好地促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此,近20a丹東市不讀調(diào)整水資源分配結(jié)構(gòu),促進(jìn)工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級及結(jié)構(gòu)調(diào)整。

圖1 2001—2020年丹東市水資源能值生態(tài)足跡變化圖

3.2 水資源能值生態(tài)承載力變化

采用相關(guān)公式計算2001—2020年丹東市人均水資源能值生態(tài)承載力EECw分別為0.36、0.50、0.52、0.54、0.50、0.49、0.49、0.50、0.44、0.48、0.42、0.48、0.57、0.59、0.51、0.45、0.61、0.64、0.64和0.521.50hm2/人。結(jié)果表明,研究期間丹東市水資源總能值處于7.10E+20sej～14.08E+20sej波動范圍,總能值生態(tài)承載力總體表現(xiàn)出增大趨勢,并以2018年達(dá)到最高值2.42E+06hm2,2001年總能值生態(tài)承載力出現(xiàn)最低值1.32E+06hm2。

丹東市2001—2020年水資源能值生態(tài)承載力EECw總體呈波動變化趨勢,變化區(qū)間為0.36～0.64hm2/人,多年平均值為0.51hm2/人,其中雨水勢能的貢獻(xiàn)較高,其生態(tài)承載力最大,而地下水與地表水貢相對獻(xiàn)較低。降雨量對EECw的影響顯著,統(tǒng)計分析表明丹東市年降雨量與水生態(tài)承載力相關(guān)系數(shù)為0.92,這表明水生態(tài)承載力主要取決于當(dāng)?shù)啬杲涤炅壳闆r。

3.3 水資源可持續(xù)利用分析

水資源生態(tài)壓力與生態(tài)盈虧變化趨勢如圖2所示,結(jié)果表明2001—2020年丹東市水資源始終處于生態(tài)赤字(ED)水平,并且ED表現(xiàn)出波動上升態(tài)勢,從2001年的-0.60hm2/人波動上升到2020年的-0.98hm2/人,增幅達(dá)到63.33%。水資源生態(tài)壓力指數(shù)EPI年際變化幅度較小,整體呈現(xiàn)出波動變化態(tài)勢,多年平均值為2.35,水資源生態(tài)處于亞安全等級。其中,2020年EPI值最高達(dá)到2.88,2004年EPI值最小為1.85。近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展丹東市用水需求量急劇增加,水資源短缺矛盾對生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展造成不利影響,生態(tài)赤字的擴(kuò)大在一定程度上限制了區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

圖2 水資源生態(tài)壓力與生態(tài)赤字

水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)(ECI)變化趨勢如圖3所示,結(jié)果顯示2001—2020年ECI呈波動態(tài)勢,ECI位于1.27～1.36變化區(qū)間,多年平均水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)為1.31,表明丹東市經(jīng)濟(jì)社會與水資源生態(tài)之間具有較為穩(wěn)定的協(xié)調(diào)性,通過調(diào)整工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷提高了水資源利用效率。但相較于1.42的理想中海具有一定差距,說明丹東市經(jīng)濟(jì)社會與水資源生態(tài)間的協(xié)調(diào)性仍具有一定上身空間。

圖3 水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)

丹東市依然面臨著嚴(yán)峻的水生態(tài)安全形勢,工、農(nóng)業(yè)用水量大使得整體用水效率偏低。對于農(nóng)業(yè)用水,丹東市應(yīng)加快農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,通過引入先進(jìn)的灌溉技術(shù)提高農(nóng)業(yè)用水效率,最大程度地減少水資源浪費(fèi);對于工業(yè)用水,應(yīng)正確引導(dǎo)化工、煤炭等行業(yè)使用低耗水和低污染工藝,進(jìn)一步提高科技含量及技術(shù)水平,降低水環(huán)境壓力;另外,要提高生活用水效率和全面節(jié)水意識,推廣落實節(jié)水獎勵制度,加強(qiáng)向廣大群眾節(jié)水知識普及;采用先進(jìn)技術(shù)對污染用水實行循環(huán)利用,實現(xiàn)水環(huán)境安全狀況目標(biāo)和水資源可持續(xù)利用。

4 結(jié) 論

1)2001—2020年丹東市水資源能值生態(tài)足跡EEFw處于0.98hm2/～1.50hm2/人變化范圍,年平均增幅2.81%,總體表現(xiàn)出明顯上升趨勢。農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和污染用水對丹東市水資源能值生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)較高,近年來工業(yè)用水需求不斷增加而農(nóng)業(yè)用水量逐漸減少,通過增加工業(yè)產(chǎn)值能夠更好地促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。近20a丹東市逐步調(diào)整水資源分配結(jié)構(gòu),促進(jìn)工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級及結(jié)構(gòu)調(diào)整。

2)研究期間丹東市水資源生態(tài)赤字(ED)和生態(tài)壓力(EPI)平均值為-0.67hm2/人、2.35,表明丹東市長期處于生態(tài)亞安全和水資源生態(tài)赤字狀態(tài),但水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)(ECI)平均值為1.31,表明其經(jīng)濟(jì)社會與水資源生態(tài)之間具有較為穩(wěn)定的協(xié)調(diào)性,通過調(diào)整工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷提高了水資源利用效率。