基于生態(tài)足跡的河南省水資源評價分析

趙自陽，李王成,2,3

(1．寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021; 2．寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021; 3. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

隨著近些年社會的快速發(fā)展，水資源緊缺形勢愈加嚴(yán)峻。為了對區(qū)域水資源狀況進行合理的評價分析，國內(nèi)外學(xué)者在許多領(lǐng)域進行了相關(guān)研究。根據(jù)原理的不同大致可分為數(shù)理統(tǒng)計方法[1,2]、運籌決策方法[3]、灰色系統(tǒng)方法[4,5]、模糊數(shù)學(xué)方法[6,7]和機器學(xué)習(xí)方法[8]等。但是這些方法的適用條件各不相同，計算結(jié)果也有一定誤差。1992年，William和Wackernagel提出了生態(tài)足跡模型，可以對自然資源利用狀況進行相關(guān)評價。由于其綜合性強和易于操作等特點，在水資源領(lǐng)域得到迅速應(yīng)用，并逐漸發(fā)展成為水資源生態(tài)足跡模型[9]和基于虛擬水理論的水足跡模型[10]。兩者的區(qū)別主要有以下三點[11]：①核算視角：水資源生態(tài)足跡是從水資源供需角度出發(fā)，而虛擬水足跡則是從生產(chǎn)和消費的角度出發(fā)；②核算終點：水資源生態(tài)足跡是把水資源的使用換算為水資源用地面積；而虛擬水足跡則是把人類對各種產(chǎn)品和服務(wù)的消費換算為相應(yīng)的水資源體積。③核算目的：水資源生態(tài)足跡與原始生態(tài)足跡模型最為接近，主要探討區(qū)域水資源承載力情況，而虛擬水足跡主要是為了探討生產(chǎn)、消費和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)。

目前，國內(nèi)學(xué)者對水資源生態(tài)足跡的研究主要集中在水資源生態(tài)足跡賬戶的劃分[12,13]、水資源生態(tài)足跡研究與預(yù)測[14,15]和水資源生態(tài)承載力分析[16,17]等幾個方面。河南省是我國的農(nóng)業(yè)大省，水資源緊缺問題日益突出，目前對于河南省水資源生態(tài)足跡的研究一般僅集中在淡水資源生態(tài)足跡方面。而2011年中央水利會議在1號文件中提出用水總量控制紅線、用水效率控制紅線和限制納污紅線的“三條紅線”規(guī)定[18]?；诖?，本文將水污染納入水資源生態(tài)足跡模型，使得淡水生態(tài)足跡和水污染生態(tài)足跡分別對應(yīng)“三條紅線”中的用水控制紅線和限制納污紅線。從而對河南省2005-2014年間水資源生態(tài)足跡特征進行分析，衡量河南省水資源利用現(xiàn)狀，為政府部門評價水資源狀況，科學(xué)管理水資源提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省位于我國中部偏東、黃河中下游地區(qū)，全省面積約16.7 萬km2。由南向北平均氣溫為15.7～12.1 ℃，年均降雨量1 380.6～532.5 mm，降雨以6-8月份最多，年均日照1 848.0～2 488.7 h，河南地跨長江、淮河、黃河、海河四大流域。流域面積100 km2以上的河流有493條。全省多年平均水資源總量405 億m3，居全國第19位，人均水資源占有量不足420 m3，相當(dāng)于全國平均水平的1/5。

2 研究方法

2.1 水資源生態(tài)足跡模型

根據(jù)水資源生態(tài)足跡的內(nèi)涵，本研究將水資源生態(tài)足跡賬戶[19]劃分為淡水生態(tài)足跡和水污染生態(tài)足跡。

(1)淡水生態(tài)足跡。根據(jù)河南省水資源利用現(xiàn)狀，將淡水生態(tài)足跡分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)環(huán)境補水4類。水資源生態(tài)足跡的計算模型[20]如下表示：

(2)

式中：i為水資源利用類型；EFa為淡水生態(tài)足跡，hm2；EFi為第i類水資源生態(tài)足跡，hm2；N為人口數(shù)；efi為第i類水資源人均生態(tài)足跡，hm2/cap；γ為水資源全球均衡因子；W為消耗的水資源量，m3；pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2。

(2)水污染生態(tài)足跡[19]。水污染生態(tài)足跡主要是基于將污染物稀釋至標(biāo)準(zhǔn)所需水資源量的“灰色水”理論。本文以化學(xué)需氧量(COD)排放指標(biāo)對水污染生態(tài)足跡進行計算，在考慮水資源全球均衡因子情況下的計算模型如下：

(3)

所以最終總的水資源生態(tài)足跡就是淡水生態(tài)足跡和水污染生態(tài)足跡之和，如下所示：

EF=EFa+EFb

(4)

2.2 水資源生態(tài)承載力計算模型

水資源承載力是指一個地區(qū)在某個時期的水資源量可供當(dāng)?shù)厣鐣?、?jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的支撐能力。計算模型[21]如下：

(5)

式中：ECw為水資源承載力，hm2；N為人口數(shù)；ecw為人均水資源承載力，hm2/cap；γ為水資源全球均衡因子；ψ為區(qū)域水資源的產(chǎn)量因子；Q為水資源總量，m3；pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2；而一個地區(qū)的水資源中用于人類活動的只占40%，所以在計算水資源承載力的時候要乘以系數(shù)0.4。

2.3 水資源生態(tài)盈余和生態(tài)赤字

為了評價一個地區(qū)的水資源狀況，有關(guān)專家學(xué)者提出了生態(tài)赤字和生態(tài)盈余的概念[21]，主要是將區(qū)域水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力進行比較，看其結(jié)果大小。具體如下所示：

水資源生態(tài)盈余(赤字)=ECw-EF

(6)

當(dāng)結(jié)果為正時，水資源生態(tài)盈余,表明區(qū)域水資源良性發(fā)展；當(dāng)為零時，水資源生態(tài)平衡；當(dāng)小于零時，水資源生態(tài)赤字,表明不利于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

2.4 萬元GDP水資源生態(tài)足跡

萬元GDP水資源生態(tài)足跡[21]主要用于衡量水資源的利用效率，它是指區(qū)域水資源生態(tài)足跡和當(dāng)?shù)谿DP的比值。并且與水資源利用效率成反比，如下所示：

(7)

2.5 水資源負(fù)載指數(shù)

水資源負(fù)載指數(shù)[21]主要是將一地區(qū)的水資源量、人口、經(jīng)濟和降雨量聯(lián)系起來，反映區(qū)域水資源利用概況，并對今后的水資源開發(fā)難易程度做出評價。計算公式如下：

(8)

式中：c為水資源負(fù)載指數(shù)；p為人口數(shù)，萬人；G為地區(qū)生產(chǎn)總值，億元；Q為水資源總量，億m3；k為與降雨量有關(guān)的系數(shù)，它的取值如下：

(9)

2.6 模型中相關(guān)參數(shù)的確定

本研究所需的參數(shù)[20]主要是水資源全球均衡因子γ、水資源全球平均生產(chǎn)能力pw和區(qū)域水資源的產(chǎn)量因子ψ三個。文章中水資源全球均衡因子取5.19；水資源全球平均生產(chǎn)能力取3 140 m3/hm2；河南省水資源產(chǎn)量因子根據(jù)黃林楠[20]的計算取0.78。

2.7 數(shù)據(jù)來源

本研究中計算所需的數(shù)據(jù)來源于2006-2015年的《河南省統(tǒng)計年鑒》和2005-2014年的《河南省水資源公報》，如表2所示。

表2 2005-2014年河南省各項數(shù)據(jù)

3 結(jié)果與分析

3.1 河南省水資源生態(tài)足跡分析

對河南省2005-2014年淡水生態(tài)足跡和水污染生態(tài)足跡進行計算，計算結(jié)果見表3和圖1。可以看出，相比其他幾種水資源生態(tài)足跡，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占據(jù)絕對的主導(dǎo)地位，2005-2014年間農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡平均為21.28 Mhm2，占總水資源生態(tài)足跡的57.61%。其中最大值出現(xiàn)在2012年和2013年，為22.40 Mhm2，最小值出現(xiàn)在2014年為18.63 Mhm2。從總體看，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡雖有所波動，但穩(wěn)中有升，這主要是由于河南省是一個農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)相比其他產(chǎn)業(yè)處于領(lǐng)導(dǎo)地位。其次為工業(yè)用水生態(tài)足跡，平均為8.89 Mhm2，占總水資源生態(tài)足跡的24.08%。其中最大值出現(xiàn)在2013年，為10.05 Mhm2，最小值出現(xiàn)在2005年，為7.56 Mhm2。工業(yè)用水除2008和2014年有所下降之外，總體上升趨勢比較明顯，這主要得益于近些年河南省經(jīng)濟的快速發(fā)展。生活用水生態(tài)足跡平均為5.68 Mhm2，占總水資源生態(tài)足跡的15.48%，其中最大值出現(xiàn)在2008年，為6.97 Mhm2，最小值出現(xiàn)在2006年，為4.33 Mhm2。生活用水生態(tài)足跡整體上穩(wěn)中有降，在人口整體增長的情況下，說明人們的節(jié)水意識有所提高。生態(tài)環(huán)境補水生態(tài)足跡平均為1.05 Mhm2，占總水資源生態(tài)足跡的2.81%，其中最大值出現(xiàn)在2012年，為1.75 Mhm2。伴隨著河南省越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，一定要加大生態(tài)環(huán)境補水的力度。水污染生態(tài)足跡平均為0.63 萬hm2，2005-2014年間，水污染生態(tài)足跡整體增速明顯，由2005年的0.48 萬hm2增加到2014年的0.87 萬hm2，增幅達到1.81倍。

表3 河南省歷年水資源生態(tài)足跡

圖1 河南省2015-2014年生態(tài)足跡趨勢圖

從圖1可以看出，河南省總水資源生態(tài)足跡歷年都會有波動，但總體呈緩慢上升趨勢。2005-2014年間總水資源生態(tài)足跡平均為36.92 Mhm2。最小年份出現(xiàn)在2005年為32.70 Mhm2；最大年份出現(xiàn)在2012年為39.45 Mhm2，增加了20.64%。而淡水生態(tài)足跡和總水資源生態(tài)足跡的變化趨勢一致，這主要是由于淡水生態(tài)足跡在總水資源生態(tài)足跡中占絕大部分。

3.2 河南省水資源各類生態(tài)指數(shù)分析

為了進一步研究河南省水資源利用概況，計算了河南省人均水資源生態(tài)足跡、水資源生態(tài)承載力、水資源生態(tài)盈余(赤字)、萬元GDP水資源生態(tài)足跡和水資源負(fù)載指數(shù)，具體見表4。

表4 河南省歷年水資源指數(shù)

在不考慮黃河客水情況下，2005—2014年間河南省人均水資源生態(tài)足跡相對較低，在0.31～0.36 hm2波動，最大的0.36 hm2出現(xiàn)在2006年、2008年和2009年，最小的0.31 hm2出現(xiàn)在2005年和2014年；水資源生態(tài)承載力用來描述水資源對生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展的支撐能力，河南省水資源生態(tài)承載力呈現(xiàn)波浪形，分別在2007年、2010年和2014年有所上升，其余年份相對下降，2005年最大為27.68 Mhm2，2013年最小為9.11 Mhm2；10年間河南省水資源生態(tài)赤字波動較大，最小年份出現(xiàn)在2005年為-1.42 Mhm2，最大年份出現(xiàn)在2013年為-23.58 Mhm2。

在考慮黃河客水情況下，2005-2014年間，河南省人均水資源生態(tài)足跡保持在0.35～0.42 hm2之間。各年份之間變化不是特別大，和總水資源生態(tài)足跡變化趨勢相似，人均水資源生態(tài)足跡在2005年最小為0.35 hm2，在2012年達到最大為0.42 hm2。

10年間河南省水資源生態(tài)承載力變化趨勢和不考慮黃河客水情況相似，2005年最大為28.80 Mhm2，2013年最小為11.10 Mhm2，下降幅度達到61.5%。河南省水資源承載力與降雨量之間的相關(guān)系數(shù)為0.925 5，表明水資源承載力的變化與降雨量之間密切相關(guān)。河南省水資源生態(tài)盈余(赤字)在2005-2014年間均為負(fù)值，表明生態(tài)赤字，不利于經(jīng)濟社會的良性發(fā)展。和水資源承載力變化趨勢相似，水資源生態(tài)盈余(赤字)在2005最大為-3.90 Mhm2，2013年最小為-27.96 Mhm2，下降了7.2倍。隨著河南省近幾年經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水資源利用概況持續(xù)惡化，但工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展不應(yīng)該以生態(tài)為代價，政府部門應(yīng)該調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)和保護。

從萬元GDP水資源生態(tài)足跡來看，2005-2014年間持續(xù)穩(wěn)定下降，由2005年的3.82×10-5hm2下降到2014年的0.99×10-5hm2，下降幅度達到74.08%。而萬元GDP水資源生態(tài)足跡與水資源利用效率是反比關(guān)系，表明河南省水資源利用效率逐年提高。這主要是由于在社會和生活中，人們普遍意識到節(jié)約水資源的重要性。河南省水資源生態(tài)足跡和GDP之間的相關(guān)系數(shù)為0.579 2，表明水資源生態(tài)足跡和GDP之間有著一定的密切聯(lián)系。

水資源負(fù)載指數(shù)將區(qū)域的降雨量、人口、GDP和水資源總量聯(lián)系起來，反應(yīng)了一個地區(qū)的水資源利用程度。由表4知，2005-2014年間，河南省水資源負(fù)載指數(shù)增加明顯，2013年是2005年的4.97倍。即便是水資源負(fù)載指數(shù)最小的2005年也屬于Ⅰ類。表明河南省水資源利用程度很高，水資源前景不容樂觀，有條件時急需外流域的調(diào)水，魯豐先[22]的研究中也得到相似的結(jié)論。

4 結(jié)論與建議

生態(tài)足跡主要用來評價一個地區(qū)的可持續(xù)利用狀態(tài)和生態(tài)壓力。河南省2005-2014年間，水資源生態(tài)足跡整體上呈不斷上升趨勢，對水資源的需求量也不斷加大。其中對總水資源生態(tài)足跡的貢獻大小依次為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)環(huán)境補水和“灰色水”，這也與河南省的發(fā)展現(xiàn)狀相符合，為了實現(xiàn)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)該提高水資源特別是農(nóng)業(yè)用水的利用效率和生態(tài)環(huán)境補水的力度。

從總體來看，河南省水資源比較緊缺，2005-2014年間都出現(xiàn)不同程度的生態(tài)赤字，水資源負(fù)載指數(shù)在10年間也全為Ⅰ ，并逐年增大，水資源的利用前景不容樂觀。人均水資源生態(tài)足跡相對較低，在考慮黃河客水情況下一直在0.35～0.42 hm2之間波動，但萬元GDP水資源生態(tài)足跡逐年下降，表明河南省水資源的利用效率不斷提高。河南省水資源主要來自于降雨，水資源承載力和降雨量之間關(guān)聯(lián)性比較強。為了社會經(jīng)濟的良性發(fā)展，對于水利工程應(yīng)該加大建設(shè)，不斷提高對干旱年的應(yīng)對能力。

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