范凱宣

(遼寧水資源管理集團白石水庫管理局有限責任公司,遼寧 朝陽 122000)

水是維持地球生命系統(tǒng)循環(huán)、經(jīng)濟發(fā)展及人類生存必不可缺的自然資源,但大凌河流域水環(huán)境惡化、水資源短缺和時空分布不均衡等問題突出[1]。研究流域水資源可承載能力及開發(fā)利用現(xiàn)狀,對實現(xiàn)流域水生態(tài)系統(tǒng)健康和水資源開發(fā)利用、保護具有重要意義。生態(tài)足跡是一種定量反映和有效評價區(qū)域資源消耗情況及可持續(xù)利用狀況的綜合方法,隨著研究的深入有學者發(fā)現(xiàn)一些不足和缺陷,并提出用能值理論改進和完善生態(tài)足跡的方法,如劉珂伶等將水資源能值密度概念與能值生態(tài)足跡模型相結合,應用改進的模型評價分析區(qū)域水資源利用情況,但該方法未考慮水資源生態(tài)足跡受生物質(zhì)足跡的影響;曾曉霞等在能值生態(tài)足跡模型中納入水資源賬戶,為構建更加系統(tǒng)全面的賬戶體系提供了方法,但該模型僅考慮淡水生態(tài)足跡;張芳怡等以江蘇省為例,綜合利用能值和傳統(tǒng)生態(tài)足跡法評價了環(huán)境可持續(xù)發(fā)展狀況,結果發(fā)現(xiàn)能值生態(tài)足跡模型可以更加真實客觀地反映社會經(jīng)濟發(fā)展情況;郭麗丹等利用12個三級賬戶組成的一級賬戶,研究分析2008～2017年江蘇省生態(tài)承載力及水資源生態(tài)足跡變化特征[2-6]。水資源能值生態(tài)足跡的已有研究往往未分析生態(tài)足跡受水體,忽略了水產(chǎn)品對生態(tài)足跡賬戶體系的影響,對大凌河流域水資源利用現(xiàn)狀使用能值水資源生態(tài)足跡法進行研究較少。

文章運用能值水生態(tài)足跡模型測算2014～2021年大凌河流域能值水生態(tài)承載力和足跡等參數(shù),通過計算水生態(tài)壓力指數(shù)和盈虧狀況科學評價分析流域水資源利用狀況,為大凌河流域水資源科學管控和可持續(xù)利用提供一定支持。

1 流域概況

大凌河流域呈西東向,地處E118°53′～121°52′,N40°28′～42°38′之間,主要流經(jīng)建昌縣、朝陽市區(qū)、北票市、義縣和凌海市,之后注入渤海,全河長度447km,總面積23263 km2。大凌河上游建有宮山咀大(2)型水庫,中上游建有閻王鼻子水庫,中下游建有白石水庫,控制面積17649km2。支流多集中于左側,有涼水河子河、牤牛河、老虎山河及細河等。該流域屬寒溫帶夏雨炎熱型氣候,也是全省降水量最少的區(qū)域,年降水量600～400mm,由南向北遞減,年均蒸發(fā)1700～2000mm,從北向南遞減。

大凌河流域人均水資源378m3,不到全省平均820m3的1/2,為全國平均2210m3的1/6。流域內(nèi)水資源短缺,對工農(nóng)業(yè)發(fā)展造成制約,水污染嚴重和爭水問題突出,對供水安全、生態(tài)安全和經(jīng)濟發(fā)展構成嚴峻挑戰(zhàn),地下水超采威脅著水資源的可持續(xù)利用,生態(tài)環(huán)境用水嚴重不足致使生態(tài)系統(tǒng)脆弱,加之大量城市廢污水排放致使水環(huán)境承載力下降。

2 研究方法

2.1 能值理論分析

能值理論認為太陽能提供了地球上所有事物的能量,為評定事物能量可以使用太陽能值為計算準則[7]。實際應用時主要以能值轉換率建立能值與能量間的聯(lián)系,通過轉化成同一標準的能值來分析和衡量地球系統(tǒng)內(nèi)不可直接相加減、不同形式的能量,計算公式如下:

E=Bτ

(1)

式中:E為能值,sej;B、τ為質(zhì)量,g或能量,J及其能值轉換率,sej/g、sej/J。

2.2 能值水生態(tài)足跡

水生態(tài)足跡是指發(fā)展到一定程度時,特定地理區(qū)域內(nèi)人口和經(jīng)濟規(guī)模吸納生活、生產(chǎn)廢棄物需要的水資源量及消費的水資源量,并以此核算的虛擬水資源用地,即生物生產(chǎn)性土地面積。充分考慮大凌河流域水資源用水特性,使用水產(chǎn)品、水污染和淡水生態(tài)足跡3個二級賬戶,其中淡水生態(tài)足跡可分為生活、工業(yè)、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)用水4個三級賬戶[8]。能值水生態(tài)足跡的計算公式為:

(2)

式中:Wefa、Wefp、Weff、Wef分別為區(qū)域水產(chǎn)品、水污染、淡水生態(tài)足跡和能值水生態(tài)足跡,hm2;Ea、Ep、Efi為水產(chǎn)品、水污染和第i個三級賬戶的能值,sej;τP、τa、τfi為污染水體、水產(chǎn)品和三級賬戶i的能值轉換率,流域污染水體能值轉換率τP取2×106sej/t,水產(chǎn)品能值轉換率τa取4.58×1012sej/m3,三級賬戶生態(tài)環(huán)境、生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水的能值轉換率τfi為1.27×1012sej/m3、2.35×1012sej/m3、1.65×1011sej/m3、8.8×1011sej/m3;QP、P為污水排放量,t和流域能值密度,sej/hm2,結合大凌河流域可更新資源的總能值確定能值密度P為4.58×1015sej/m3;Cfi、Ma、n為三級賬戶i的用水量,m3、水產(chǎn)品產(chǎn)量(t)和三級賬戶個數(shù)。

2.3 能值水生態(tài)承載力

能值水生態(tài)承載力是指一定技術管理和社會發(fā)展階段所擁有的水量,可以最大程度支持當?shù)匕l(fā)展、環(huán)境安全的能力[9]。結合大凌河流域水資源來源,在計算水生態(tài)承載力時確定可更新資源包括地下水、地表水化學能及雨水勢能;為保證流域水生態(tài)系統(tǒng)的良好運行及水生態(tài)環(huán)境健康,在計算承載力時必須扣除至少60%的水量,其計算公式為:

(3)

式中:Er、Eu、Eg、Wec為雨水勢能、地下水、地表水化學能,seg和能值水生態(tài)承載力,hm2;Pw為流域水資源平均能值密度,sej/hm2,可按照流域面積和水資源總能值計算確定。

2.4 評價指標計算

1)水生態(tài)盈虧指數(shù)。能值水生態(tài)足跡反映了區(qū)域實際占用與需要的水量,而能值水生態(tài)承載力反映了流域水生態(tài)可以承受與支撐經(jīng)濟發(fā)展的能力,通過比較可以判定流域水資源利用狀況,計算公式如下:

Wed=Wef-Wec

(4)

式中:Wed為流域水生態(tài)盈虧指數(shù),其中Wed>0為流域水資源供給小于需求,水資源不足,為水生態(tài)赤字狀態(tài);Wed=0為流域水資源供需平衡,可以維持生態(tài)平衡;Wed<0為流域水資源供給大于需求,水資源充沛,為水生態(tài)盈余狀態(tài),有利于可持續(xù)發(fā)展[10]。

2)水生態(tài)壓力指數(shù)。水生態(tài)壓力指數(shù)可以反映流域水資源開發(fā)安全狀態(tài),其數(shù)值等于能值水生態(tài)承載力除水生態(tài)足跡,即:

Ip=Wef/Wec

(5)

式中:Ip為水生態(tài)壓力指數(shù),其中Ip>1為流域水資源壓力較高達到危險狀態(tài),且Ip值越大則開發(fā)利用強度越高,水資源就越不可持續(xù)利用,也就更危險;Ip=1為流域水資源供給與消耗平衡,水生態(tài)達到臨界安全狀態(tài);0

2.5 數(shù)據(jù)來源

本研究所用水資源總量、年降水量、用水量等數(shù)據(jù)和水產(chǎn)品摻量、廢污水排放量等社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2014—2021年大凌河流域內(nèi)各市縣水資源公報及統(tǒng)計年鑒等資料[11-12]。

3 結果與分析

3.1 時間變化特征

1)能值水生態(tài)足跡與承載力。從圖1可以看出,大凌河流域2014—2021年能值水生態(tài)足跡總體呈上升趨勢,年際差異較小,總體處于150～162萬hm2之間,多年平均值157hm2,大凌河流域能值水生態(tài)足跡從2014年的150萬hm2逐年上升至2021年的162萬hm2,年均增長率達到1.14%?？梢?在城鎮(zhèn)化、工業(yè)化程度不斷提高和經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的情況下,大凌河流域各行業(yè)用水需求和耗水量逐漸增多,水資源開發(fā)利用形勢嚴峻。

圖1 大凌河流域能值水生態(tài)承載力與足跡

由圖1可知,大凌河流域2014—2021年能值水生態(tài)承載力表現(xiàn)出先波動減小再波動增大的變化趨勢,多年平均值82萬hm2,研究時段內(nèi)變化較明顯。2014—2018年大凌河流域能值水生態(tài)足跡從87萬hm2波動減小到2018年的65萬hm2,2018—2019年又逐漸上升到95萬hm2。2018年大凌河流域能值水生態(tài)承載力最低,這與流域徑流、降水特征相符,說明流域來水情況與能值水生態(tài)承載力關系密切,豐水年具有相對較高的水生態(tài)承載力。

2)能值水生態(tài)足跡構成。從圖2可以看出,水產(chǎn)品、生活、工業(yè)、水污染和農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占比平均值依次為9.9%、14.3%、13.1%、27.2%、33.3%,其中占比最小的是生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡的2.1%。因此,大凌河流域用水大戶仍然是農(nóng)業(yè)用水,近期流域內(nèi)農(nóng)業(yè)與工業(yè)用水呈小幅減小趨勢,這主要與大凌河流域高效集約化利用使用水效率提升有關[13]。2018年流域水污染防治有效改善了水環(huán)境,水污染足跡表現(xiàn)出波動下降趨勢;隨著城市化進程的加快以及人口的逐漸增加,流域內(nèi)水產(chǎn)品和生活用水及其生態(tài)足跡有所升高,但總體變化較小,能夠維持現(xiàn)狀;生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡占比最小,為優(yōu)化和改善流域環(huán)境應進一步增大生態(tài)環(huán)境用水[14-15]。

圖2 能值水生態(tài)足跡構成

3)水生態(tài)壓力與盈虧指數(shù)。從圖3可以看出,2014—2021年大凌河流域能值水生態(tài)承載力與水生態(tài)盈虧變化過程相反,研究時段內(nèi)流域能值水生態(tài)承載力小于水生態(tài)足跡,所以總體達到赤字狀態(tài)。大凌河流域2014—2021年水生態(tài)赤字處于91～95萬hm2范圍,2015年赤字最小為61萬hm2,2018年赤字最大為95萬hm2,多年平均赤字75萬hm2。2018年后,大凌河流域水生態(tài)足跡總體呈不斷上升的變化,流域來水量與降水量明顯增多,所以赤字逐漸下降,表明流域水資源供給遠小于經(jīng)濟社會發(fā)展的用水需求,流域水資源利用形勢嚴峻。

圖3 大凌河流域能值水生態(tài)承載力與足跡

由圖3可知,大凌河流域2014—2021年水生態(tài)壓力指數(shù)表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢,這與水生態(tài)赤字變化趨勢相同,總體處于1.47～2.46范圍。2015—2018年壓力指數(shù)快速上升,年均增長率達到15.8%;2018年之后呈快速下降趨勢,年均減小率達到14.8%?？傮w而言,研究時段內(nèi)大凌河流域水生態(tài)壓力指數(shù)均>1,說明經(jīng)濟社會消費水量遠高于供給量,水資源供給不足,在一定程度上威脅了水資源可持續(xù)利用,對生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展造成不利影響,該結論與水生態(tài)赤字保持一致。

3.2 空間分布格局

采用能值水生態(tài)承載力與足跡模型計算2014—2021年大凌河流域5個區(qū)縣的水生態(tài)壓力指數(shù)、能值水生態(tài)承載力和足跡多年平均值,如表1所示。

表1 大凌河流域能值水生態(tài)承載力與足跡空間差異

1)能值水生態(tài)承載力與足跡分布。由表1可知,大凌河流域不同區(qū)縣的能值水生態(tài)承載力和足跡具有一定差異,能值水生態(tài)足跡表現(xiàn)出上游低、中下游高的分布特征,如建昌縣、朝陽市能值水生態(tài)足跡較小為10.89萬hm2和6.20萬hm2,而中下游的北票市、義縣、凌海市較高達到33.67萬hm2、51.45萬hm2和54.73萬hm2。

2)水生態(tài)壓力指數(shù)與盈虧。大凌河流域上游的建昌縣、朝陽市區(qū)水生態(tài)盈虧值<0,壓力指數(shù)較小分別為0.31和0.56,說明這兩個地區(qū)的能值水生態(tài)承載力高于水生態(tài)足跡,這是因為上游水資源量和開發(fā)利用較高,尤其是建昌縣水生態(tài)盈虧為負,說明該地區(qū)水資源較充足;大凌河中下游地區(qū)的水生態(tài)壓力指數(shù)處于1.54～9.52范圍,說明這些地區(qū)的水資源供給量遠小于消耗量,水資源短缺面臨著突出的供需矛盾,尤其是義縣壓力指數(shù)最高達到9.52,水生態(tài)系統(tǒng)達到危險狀態(tài)[16-18]。

3)能值水生態(tài)足跡構成分布。由于各地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展模式不同,不同地區(qū)的能值水生態(tài)足跡構成也存在較大差異。建昌縣、北票市、義縣和凌海市農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占比較大分別為47.4%、37.1%、56.1%、63.4%,表明這些地區(qū)的水資源主要用于農(nóng)業(yè)灌溉,提高用水效率和節(jié)約用水就顯得非常重要;朝陽市水污染生態(tài)足跡占比較高達到49.7%,這可能與朝陽市生活污水、工業(yè)廢水排放量不斷增多,使得水污染問題日趨突出;大凌河流域生態(tài)環(huán)境用水占比總體處于0.3%～20.4%之間,保證生態(tài)用水有利于改善和優(yōu)化流域生態(tài)環(huán)境。

4 結 論

1)大凌河流域2014—2021年能值水生態(tài)足跡總體呈上升趨勢,年際差異較小,總體處于150～162萬hm2之間,多年平均值157hm2;流域水資源量對能值水生態(tài)承載力影響較大,變化也比較明顯,總體呈先減小后增大的變化特征,2018年達到最低值65萬hm2?？傮w而言,大凌河流域能值水生態(tài)承載力遠小于水生態(tài)足跡,研究時段內(nèi)處于水生態(tài)赤字狀態(tài);2014—2021年大凌河流域水生態(tài)壓力指數(shù)均超過1,水資源供給不足,在一定程度上威脅了水資源可持續(xù)利用[19]。

2)大凌河流域工業(yè)用水、水污染和農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占比較高,近年來流域內(nèi)農(nóng)業(yè)與工業(yè)用水呈小幅減小趨勢,這主要與大凌河流域高效集約化利用使用水效率提升有關;研究期間水產(chǎn)品和水生態(tài)用水占比變化不大,總體維持在較低水平,生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡呈小幅穩(wěn)定上升趨勢。

3)大凌河流域不同區(qū)縣的能值水生態(tài)承載力和足跡具有一定差異,其中能值水生態(tài)足跡表現(xiàn)出上游低、中下游高的分布特征。從空間上,建昌縣、北票市、義縣和凌海市農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占比較大,應注重農(nóng)業(yè)用水效率的提升和節(jié)約用水。朝陽地區(qū)的水污染生態(tài)足跡占比較高,應嚴格控制污染物排放,有效保護流域水體。