楊赫男

(喀左縣農(nóng)田建設(shè)管理中心,遼寧 喀左 122300)

水資源是維持經(jīng)濟(jì)社會(huì)和人類生存發(fā)展的戰(zhàn)略性自然資源,但遼寧省面臨著日趨突出的水環(huán)境惡化、水資源短缺及時(shí)空分布不均衡等水問(wèn)題[1]。因此,探究區(qū)域水資源可承載能力和可持續(xù)利用現(xiàn)狀,對(duì)于實(shí)現(xiàn)人水協(xié)調(diào)發(fā)展極具現(xiàn)實(shí)意義。

生態(tài)足跡是指利用生物生產(chǎn)性土地面積定量評(píng)價(jià)和測(cè)算一個(gè)區(qū)域或地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)以及資源利用程度,可以較好地比較和測(cè)量自然生態(tài)系統(tǒng)承載力之間的差距及人類經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的需求[2-4]。徐中民等最先利用生態(tài)足跡的概念實(shí)證計(jì)算分析了甘肅省的生態(tài)足跡,而傳統(tǒng)的生態(tài)足跡方法未全面考慮地下水或地表水的諸多功能,大多側(cè)重于水域生物生產(chǎn)能力的分析;路瑞等利用Tapio彈性分析法探討了黃河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源生態(tài)足跡之間的協(xié)調(diào)關(guān)系;郭麗丹等以江蘇省為例,通過(guò)選用12個(gè)三級(jí)賬戶動(dòng)態(tài)分析2008—2018年區(qū)域生態(tài)承載力和水資源生態(tài)足跡的變化趨勢(shì);黃林楠等以江蘇省為例,利用改進(jìn)的模型測(cè)算分析了區(qū)域水資源生態(tài)足跡變動(dòng)規(guī)律[5-8]。優(yōu)化后的模型參數(shù)大多選用全球性數(shù)據(jù),對(duì)于橫向比較不同地區(qū)的水資源生態(tài)足跡適用性較差,曾曉霞通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)傳統(tǒng)的方法,提出可以有效避免人為參數(shù)設(shè)置的能值生態(tài)足跡評(píng)價(jià)模型,有利于實(shí)時(shí)對(duì)比分析各地區(qū)的水資源狀況;劉珂玲等對(duì)北京市和西北某調(diào)水工程區(qū)水資源可利用狀況應(yīng)用能值生態(tài)足跡模型進(jìn)行探討,并驗(yàn)證了該模型的可行性與適用性[9-10]。已有研究往往忽略了生態(tài)足跡受水體污染或水產(chǎn)品消費(fèi)量的影響作用,特別是應(yīng)用能值生態(tài)足跡法研究遼寧省水資源可持續(xù)利用現(xiàn)狀的還較少。鑒于此,文章將水生態(tài)足跡與能值理論相結(jié)合,全面考慮生物質(zhì)足跡、水污染生態(tài)足跡、淡水生態(tài)足跡以及雨水勢(shì)能、地下水與地表水化學(xué)能構(gòu)建能值水生態(tài)足跡模型和承載力模型,測(cè)算評(píng)價(jià)了2010—2020年遼寧省水生態(tài)足跡及其承載力,通過(guò)水資源壓力指數(shù)和水生態(tài)盈余評(píng)價(jià)水資源利用現(xiàn)狀,旨在為科學(xué)規(guī)劃和制定區(qū)域水資源可持續(xù)利用政策提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省地處我國(guó)東北沿海經(jīng)濟(jì)帶、沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)區(qū)以及振興老工業(yè)基地戰(zhàn)略實(shí)施的核心區(qū),下轄14個(gè)地級(jí)市,即本溪、丹東、大連、營(yíng)口、鞍山、遼陽(yáng)、盤(pán)錦、葫蘆島、錦州、朝陽(yáng)、阜新、鐵嶺、撫順、沈陽(yáng),總面積14.8萬(wàn)km2。研究區(qū)屬溫帶半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),平均氣溫5～10℃,日照時(shí)數(shù)2100～2600h,陽(yáng)光輻射總量100～200cal/cm2,無(wú)霜期130～200d,年降水量600～1100mm,主汛期(6～9月)降雨集中,從空間上西部降水偏少約400mm,東部山地丘陵較高>1100mm,中部適中為600mm左右。近年來(lái),隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,許多河湖被過(guò)渡開(kāi)發(fā)利用甚至超出其生態(tài)承載能力,水環(huán)境污染、水域濕地被侵占和水生態(tài)功能退化等問(wèn)題日趨突出,在一定程度上制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 能值分析理論

太陽(yáng)能是地球上所有事物的主要能量來(lái)源,所以能值分析理論將反映事物能量的基準(zhǔn)設(shè)定為太陽(yáng)能值,采用轉(zhuǎn)換率建立能值與能量間的關(guān)系,將地球系統(tǒng)中不可直接相加減、不同形式的能量統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)能值來(lái)分析,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

E=Bτ

(1)

式中:E、B為能值,sej和物質(zhì)或能量的質(zhì)量,g或J;τ為能值轉(zhuǎn)換率,sej/g、sej/J。

2.2 能值水生態(tài)足跡

能值水生態(tài)足跡(Wef)是指特定區(qū)域內(nèi)的人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定規(guī)模時(shí),吸納生產(chǎn)、生活廢棄物所需要的水量和區(qū)域發(fā)展所消費(fèi)的水資源量,以此核算出的虛擬水資源用地(生物生產(chǎn)性土地面積)[10]。將能值水生態(tài)足跡一級(jí)賬戶按照區(qū)域水資源用水特性劃分成水產(chǎn)品、水污染、淡水生態(tài)足跡3個(gè)二級(jí)賬戶,其中水產(chǎn)品和水污染生態(tài)足跡是生產(chǎn)各類水產(chǎn)品以及居民生產(chǎn)生活所排放廢污水的足跡,淡水生態(tài)足跡又進(jìn)一步細(xì)分成生態(tài)環(huán)境、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水4個(gè)三級(jí)賬戶,具體如下:

Wef=Wefa+Wefp+Weff

(2)

式中:Wefa、Wefp、Weff為區(qū)域水產(chǎn)品、水污染和淡水生態(tài)足跡,hm2;P、n為區(qū)域能值密度,sej/hm2和三級(jí)賬戶個(gè)數(shù);Efi、Ep、Ea為三級(jí)賬戶i的能值,sej和水污染、水產(chǎn)品能值,sej;Cfi、τfi為三級(jí)賬戶i的用水量,m3及能值轉(zhuǎn)換率,sej/t;QP、τP為污水排放量,t及其能值轉(zhuǎn)換率,sej/t;Ma、τa為水產(chǎn)品產(chǎn)量,t及其能值轉(zhuǎn)換率,sej/t。

2.3 能值水生態(tài)承載力

能值水生態(tài)承載力(Wec)是指特定技術(shù)管理水平和社會(huì)發(fā)展條件下,區(qū)域水資源對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的最大支撐能力[11]。綜合考慮研究區(qū)水資源來(lái)源情況,選擇雨水勢(shì)能、地下水和地表水化學(xué)能為可更新資源計(jì)算水資源生態(tài)承載力;另外,為了維持水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán),保證水生態(tài)環(huán)境健康需要扣除至少60%的水量,具體表達(dá)式如下:

(3)

式中:Er、Eu、Eg為雨水勢(shì)能、地下水和地表水化學(xué)能,seg;Pw為水資源能值密度平均值,sej/hm2。

2.4 能值水生態(tài)足跡評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)水生態(tài)盈虧指數(shù)。能值水生態(tài)承載力反映了水生態(tài)系統(tǒng)支撐和承受經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的能力,而能值水生態(tài)足跡則表征特定區(qū)域?qū)λY源實(shí)際占用和需求情況,通過(guò)對(duì)比分析可以評(píng)定水資源持續(xù)利用狀況,利用下式計(jì)算水生態(tài)盈虧指數(shù)Wed:

Wed=Wef-Wec

(4)

若Wed=0則代表水資源供需平衡,水生態(tài)系統(tǒng)呈平衡狀態(tài);若Wed>0則代表水資源供需供給小于需求,水生態(tài)系統(tǒng)呈赤字狀態(tài),水資源短缺;若Wed<0則代表水資源充足,水生態(tài)系統(tǒng)呈盈余狀態(tài),能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

2)水生態(tài)壓力指數(shù)。通過(guò)能值水生態(tài)足跡與承載力之比反映區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用安全狀態(tài),該比值即為水生態(tài)壓力指數(shù)Ip,計(jì)算式如下:

Ip=Wef/Wec

(5)

若Ip=1則代表水生態(tài)處于臨界狀態(tài),水資源供給與消耗達(dá)到平衡狀態(tài);若01則代表水生態(tài)處于危險(xiǎn)狀態(tài),水資源不可持續(xù)利用,Ip值越大水資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度就越高,水生態(tài)系統(tǒng)越不安全。

2.5 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用地下或地表徑流量、年降水量、各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)用水量等水資源數(shù)據(jù)來(lái)源于2010—2020年各地級(jí)市水資源公報(bào),區(qū)域面積、水產(chǎn)品摻量和廢污水排放量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于2010—2020年遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.6 參數(shù)確定

根據(jù)區(qū)域水資源總能值與面積的比值及可更新資源的總能值確定區(qū)域水資源平均能值密度Pw和能值密度P;參考相關(guān)研究成果,遼寧省生態(tài)環(huán)境、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水能值轉(zhuǎn)換率τfi為1.28×1012sej/m3、1.50×1012sej/m3、8.7×1011sej/m3、2.35×1012sej/m3,水產(chǎn)品τa、廢污水τP能值轉(zhuǎn)換率為2×106sej/t和4.94×1012sej/m3,能值密度P及平均值Pw取4.58×1015sej/hm2和3.09×1015sej/hm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 水生態(tài)足跡與承載力變化

1)水生態(tài)足跡演變規(guī)律。以2010—2020年遼寧省廢污水排放量、各類水產(chǎn)品產(chǎn)量以及用水量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算相應(yīng)的水生態(tài)足跡,如圖1所示。

圖1 水生態(tài)足跡演變趨勢(shì)

結(jié)果表明,遼寧省2010—2020年水生態(tài)足跡整體表現(xiàn)出波動(dòng)上升趨勢(shì),除2016年外均呈階梯式增長(zhǎng)趨勢(shì),2010—2013年、2013—2015年、2016—2018年水生態(tài)足跡增長(zhǎng)率依次為1.48%、2.59%、3.65%,年均增長(zhǎng)率2.21%。2016年水生態(tài)足跡總量有所回落可能與節(jié)水型社會(huì)建設(shè)、水生態(tài)文明建設(shè)取得的成效有關(guān),工業(yè)與農(nóng)業(yè)用水足跡顯著減小,與此同時(shí)生活用水足跡明顯增加,從而使得2017年水生態(tài)足跡明顯上升。

生態(tài)環(huán)境、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、水產(chǎn)品和水污染用水足跡對(duì)誰(shuí)生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)存在一定差異。其中,農(nóng)業(yè)用水足跡占比最高達(dá)到26.20%,其次是工業(yè)和生活用水足跡占比約為20.25%、19.81%,水生態(tài)足跡占比最小不足3%,水污染和水產(chǎn)品用水足跡占比居中。

2)水生態(tài)承載力演變規(guī)律。遼寧省2010—2020年水生態(tài)承載力變化趨勢(shì)如圖2所示,結(jié)果表明遼寧省水生態(tài)承載力總量變化未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性,其與地表水生態(tài)承載力變化趨勢(shì)基本相同,2012年達(dá)到最高的850萬(wàn)hm2,2015年誰(shuí)生態(tài)承載力總量相比于2012年減小480萬(wàn)hm2,2015—2019年年均增速達(dá)到18.9%?？傮w而言,遼寧省以地表水開(kāi)發(fā)利用為主,區(qū)域水生態(tài)承載力較低,在很大程度上取決于地表水供給能力。

圖2 水生態(tài)承載力演變趨勢(shì)

3.2 水生態(tài)足跡空間分布

1)水生態(tài)足跡。各地市2019年的水生態(tài)足跡空間分布如表1所示,結(jié)果表明空間分布較為零散,總體呈東多西少、南高北低的分布特征,其中大連市水生態(tài)足跡最高達(dá)到135.1萬(wàn)hm2,其次是營(yíng)口市101.3萬(wàn)hm2和沈陽(yáng)市97.4萬(wàn)hm2,阜新市水生態(tài)足跡最小只有大連市的13.7%。水生態(tài)足跡越大代表該地區(qū)用水消耗越大,遼南相比于其它地區(qū)水資源消耗量相對(duì)較多。

表1 2019年各地級(jí)市水生態(tài)足跡 萬(wàn)hm2

續(xù)表1 2019年各地級(jí)市水生態(tài)足跡 萬(wàn)hm2

2)水生態(tài)承載力。各地市2019年水生態(tài)承載力空間分布存在明顯差異,其中丹東市、營(yíng)口市、沈陽(yáng)市的水生態(tài)承載力較高依次為182萬(wàn)hm2、126萬(wàn)hm2和104萬(wàn)hm2,其它地市均不超過(guò)50萬(wàn)hm2,其中遼陽(yáng)市和阜新市最小為4.88萬(wàn)hm2、6.12萬(wàn)hm2,整體表現(xiàn)出明顯的差異性。這是因?yàn)闁|、南部相較于其它地區(qū)的降水量較高,加之東南部具有豐富的水資源和發(fā)達(dá)河網(wǎng)水系,所以承載力較高[13]。

3.3 水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)

1)從時(shí)間尺度上。遼寧省2010—2020年水資源壓力指數(shù)和水生態(tài)盈虧量如圖3,結(jié)果表明水生態(tài)赤字整體表現(xiàn)出“鋸齒”形變化特征,特別是從2012年的22萬(wàn)hm2快速上升到2015年的568萬(wàn)hm2,2015年有所減小,2016—2020年水生態(tài)赤字處于348萬(wàn)～443萬(wàn)hm2范圍變化。因此,2010—2020年遼寧省水資源呈生態(tài)赤字狀態(tài),即水生態(tài)足跡始終高于水生態(tài)承載力,即使2015年后有所改善但依然面臨著嚴(yán)峻的供需矛盾[14]。2010—2020年的水資源壓力指數(shù)均≥1,2015年最高達(dá)到2.54,表明遼寧省水資源供給難以滿足實(shí)際用水需求,水資源短缺將阻礙或限制區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

圖3 水資源壓力指數(shù)和水生態(tài)盈虧量

2)從空間尺度上。各地市2019年水資源生態(tài)盈虧量與水資源壓力指數(shù)如表2所示,其中“-”表示水生態(tài)盈余?？傮w上遼南水生態(tài)有所盈余,而遼西地區(qū)水生態(tài)赤字相對(duì)較重。朝陽(yáng)市水生態(tài)赤字最高達(dá)到90.24萬(wàn)hm2,水資源開(kāi)發(fā)利用不可持續(xù)。大連、鞍山和營(yíng)口市水生態(tài)盈余,這是因?yàn)檫|南地區(qū)的降水豐富,并且外調(diào)輸水、水庫(kù)大壩等工程較多,水資源調(diào)蓄能力較強(qiáng)。

表2 2019年各地級(jí)市水資源壓力指數(shù)和水生態(tài)盈虧量

由表2可知,大連、鞍山、營(yíng)口和沈陽(yáng)地區(qū)的水資源壓力指數(shù)小于1,表明這些地區(qū)水資源充沛,供給壓力相對(duì)較小,建議合理調(diào)度水資源以及適當(dāng)減小地下水開(kāi)采;受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口基數(shù)和水資源量等因素影響,其它地級(jí)市的水資源壓力指數(shù)均明顯超過(guò)1,特別是朝陽(yáng)市、盤(pán)錦市達(dá)到7.22和6.50,說(shuō)明遼西地區(qū)水生態(tài)環(huán)境比較脆弱,應(yīng)在水資源合理開(kāi)發(fā)的情況下,及時(shí)調(diào)整水資源配制保證各地區(qū)用水安全,更好地滿足實(shí)際用水需求[15-16]。

4 結(jié) 論

1)遼寧省2010—2020年水生態(tài)足跡整體表現(xiàn)出上升趨勢(shì),生態(tài)環(huán)境、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、水產(chǎn)品和水污染對(duì)水生態(tài)足跡貢獻(xiàn)率不同;研究期間,水生態(tài)承載力明顯低于水生態(tài)足跡,水生態(tài)呈赤字水平,水資源供給難以維持實(shí)際用水需求,水資源壓力指數(shù)整體大于1。

2)從空間上,2019年各地市水生態(tài)足跡呈現(xiàn)出明顯差異性,其中遼北和遼東工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水足跡較高,而遼南、遼西主要是誰(shuí)污染和水產(chǎn)品足跡。遼南水生態(tài)有所盈余,如大連、鞍山和營(yíng)口市水生態(tài)盈余,而遼西地區(qū)水生態(tài)赤字相對(duì)較重,并以朝陽(yáng)市水生態(tài)赤字最高,水資源開(kāi)發(fā)利用不可持續(xù),應(yīng)在水資源合理開(kāi)發(fā)的情況下,及時(shí)調(diào)整水資源配制保證各地區(qū)用水安全,更好地滿足實(shí)際用水需求。