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    洮河流域水資源生態(tài)足跡和承載力分析與評(píng)價(jià)

    2016-12-12 09:25:51霍正文
    地下水 2016年6期
    關(guān)鍵詞:洮河足跡承載力

    霍正文

    (甘肅省水文水資源局,甘肅 蘭州 730000)

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    洮河流域水資源生態(tài)足跡和承載力分析與評(píng)價(jià)

    霍正文

    (甘肅省水文水資源局,甘肅 蘭州 730000)

    基于水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力的計(jì)算模型,構(gòu)建洮河流域農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水4個(gè)水資源賬戶,通過計(jì)算水資源生態(tài)容量、生態(tài)壓力、集約利用度、負(fù)載指數(shù)和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)洮河流域2006—2015年水資源可持續(xù)利用狀況進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:洮河流域水資源承載力總體呈減少趨勢(shì),水資源生態(tài)足跡相對(duì)穩(wěn)定,但存在結(jié)構(gòu)性矛盾,主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)用水比重過高,是水資源生態(tài)足跡的主要貢獻(xiàn)者。評(píng)價(jià)指標(biāo)總體反映出洮河流域水資源利用程度、效率和經(jīng)濟(jì)效益顯著提高,具備可持續(xù)發(fā)展條件,水資源開發(fā)利用處于安全狀態(tài),能有效保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

    洮河流域;水資源生態(tài)足跡;水資源生態(tài)承載力;分析;評(píng)價(jià)

    水資源對(duì)人類生存、生活、生產(chǎn)具有不可替代的作用,是社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ),水資源的可持續(xù)利用是影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。近年來,隨著人口增長(zhǎng)、水資源供需矛盾加劇以及水環(huán)境日益惡化,加之水資源本身時(shí)空分布不均,如何解決水資源緊張問題,使有限的水資源發(fā)揮最大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益,已成為當(dāng)今水科學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域[1-2]。

    20世紀(jì)90年代加拿大學(xué)者Willian Rees和Mathis Wackernagel提出的生態(tài)足跡模型為水資源可持續(xù)利用的定量評(píng)價(jià)提供了新思路。模型將人類所消耗的自然資源及同化人類生產(chǎn)、生活所產(chǎn)生的廢棄物所需要的生物生產(chǎn)性土地分為耕地、林地、草地、建筑、能源和水域6種類型[3]。水科學(xué)方面的學(xué)者結(jié)合水資源特點(diǎn),在生態(tài)足跡模型框架下提出了水生態(tài)足跡,用于分析區(qū)域水資源利用狀況。根據(jù)表達(dá)方式的不同,水生態(tài)足跡模型的研究應(yīng)用主要集中在兩種方法上[4]。一種是水資源生態(tài)足跡,即將區(qū)域水資源總量平均分布在該區(qū)域上,再將相關(guān)消耗折算成水資源用地面積;一種是水足跡,即在虛擬水的基礎(chǔ)上將水資源相關(guān)消耗折算成水資源量。

    基于水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力的計(jì)算模型,構(gòu)建洮河流域農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水4個(gè)水資源賬戶,通過計(jì)算水資源生態(tài)容量、生態(tài)壓力、集約利用度、負(fù)載指數(shù)和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)洮河流域2006—2015年水資源可持續(xù)利用狀況進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

    1 研究區(qū)域概況

    洮河流域位于青藏高原東北部,發(fā)源于青海省海南州境內(nèi)的西傾山北麓勒爾當(dāng),于永靖縣劉家峽水庫(kù)匯入黃河,干流河道全長(zhǎng)673 km,流域內(nèi)河川徑流相對(duì)豐富,年徑流大于1億 m3的支流共有13條,包括延曲、周科河、科才河、括合曲、博拉河、卡車溝、車巴溝、大峪溝、 迭藏河、羊沙河、 冶木河、三岔河及廣通河等,年徑流量48.38億 m3,年輸沙量2 280萬 t,年降水量555.8 mm[12]。據(jù)2015年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),洮河流域總?cè)丝?04.03萬人,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值246.29億元,耕地面積229.64萬畝,水資源總量23.77億 m3,總用水量3.245億 m3,總供水量3.472 7億 m3,水資源利用率14.6%,總耗水量2.375 7億 m3,平均耗水率73%。

    2 數(shù)據(jù)來源

    根據(jù)洮河流域的實(shí)際情況和資料的可靠性,本文選取農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)四個(gè)用水賬戶2006—2015年用水量進(jìn)行水資源生態(tài)足跡和承載力計(jì)算分析。數(shù)據(jù)來源主要為2006—2015年《甘肅省水資源公報(bào)》。洮河流域2006—2015年社會(huì)經(jīng)濟(jì)及用水量統(tǒng)計(jì)見表1。

    3 研究方法

    3.1 水資源生態(tài)足跡計(jì)算模型

    根據(jù)生態(tài)足跡模型的內(nèi)涵,水資源生態(tài)足跡是將各個(gè)用戶賬戶消耗的水資源量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的生產(chǎn)土地面積,即水資源用地面積,然后對(duì)其均衡化,最終得到可用于相互比較的均衡值,其計(jì)算模型為:

    (1)

    式中:EFw為水資源生態(tài)足跡(hm2);γ為水資源全球均衡因子;Wi為區(qū)域水資源第i項(xiàng)用水賬戶消耗水量(m3);Pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力(m3·hm-2);N為人口數(shù)(萬人);efw為人均水資源生態(tài)足跡(hm2·cap-1)。

    3.2 水資源生態(tài)承載力計(jì)算模型

    水資源生態(tài)承載力是指區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展前提下,根據(jù)一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平和社會(huì)生產(chǎn)條件,水資源天然產(chǎn)出量的允許開發(fā)水量維持的人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力。根據(jù)生態(tài)足跡理論,水資源生態(tài)承載力用水資源的生物生產(chǎn)能力來衡量,即水資源利用所能承載的相應(yīng)生物生存面積,其計(jì)算模型為:

    (2)

    式中:ECw為水資源生態(tài)承載力(hm2);α為水資源合理開發(fā)利用率;γ為水資源全球均衡因子;φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子;W為區(qū)域水資源總量(m3);Pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力(m3·hm-2);N為人口數(shù)(萬人);ecw為人均水資源生態(tài)承載力(hm2·cap-1)。

    表1 洮河流域2006—2015年社會(huì)經(jīng)濟(jì)及用水量統(tǒng)計(jì)表

    3.3 模型系數(shù)的確定

    3.3.1 水資源全球均衡因子γ

    水資源全球均衡因子指水資源生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力與全球各類生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力。從全球平均的角度,將生產(chǎn)力不同的各類生物生產(chǎn)性土地轉(zhuǎn)化為一個(gè)可比較的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。為便于比較,本文選取世界自然基金會(huì)WWF2002年核算的水資源用地均衡因子作為計(jì)算值[3],即水資源全球均衡因子γ為5.19。

    3.3.2 水資源全球平均生產(chǎn)能力Pw

    基于水文學(xué)平均產(chǎn)水模數(shù)的概念,以多年平均產(chǎn)水模數(shù)來刻畫區(qū)域內(nèi)水資源生產(chǎn)能力,水資源全球平均生產(chǎn)能力即為全球多年平均產(chǎn)水模數(shù)。已知全球多年平均產(chǎn)水模數(shù)為3 140萬 m3·hm-2,并定義全球水資源產(chǎn)量因子為1.0,則水資源全球平均生產(chǎn)能力Pw為3 140萬 m3·hm-2[13]。

    3.3.3 區(qū)域水資源產(chǎn)量因子φ

    由于同類生物生產(chǎn)性土地的生產(chǎn)能力在不同地區(qū)之間存在差異,因而各地區(qū)同類生物生產(chǎn)性土地的實(shí)際面積不能直接對(duì)比,須將各地區(qū)同類生物生產(chǎn)性土地轉(zhuǎn)換成可比面積的參數(shù),即區(qū)域水資源產(chǎn)量因子為該區(qū)域水資源量平均生產(chǎn)能力與全球平均生產(chǎn)能力之比:

    (3)

    式中:φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子;Pa為區(qū)域平均生產(chǎn)能力,即產(chǎn)水模數(shù)(m3·hm-2);Pw為全球平均生產(chǎn)能力(m3·hm-2)。洮河流域2006—2015年多年平均產(chǎn)水模數(shù)為15.05萬 m3·km-2,根據(jù)公式(3)求得全球范圍內(nèi)定義的洮河流域水資源產(chǎn)量因子為0.479。

    3.3.4 水資源合理開發(fā)利用率α

    一個(gè)地區(qū)的地表水資源和地下水資源扣除重復(fù)計(jì)算量后即為該地區(qū)的水資源總量,若一個(gè)地區(qū)的水資源開發(fā)利用率若超過30%~40%,則會(huì)引起生態(tài)環(huán)境的惡化。因此,區(qū)域水資源生態(tài)承載力中必須至少扣除60%用于維持生態(tài)環(huán)境[14],因此水資源生態(tài)承載力的計(jì)算中必須按上述原則扣除維持生態(tài)環(huán)境的水資源量,即水資源合理開發(fā)利用率α為0.4。

    4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

    4.1 水資源生態(tài)容量指數(shù)WECI

    水資源生態(tài)足跡指數(shù)WECI是人均水資源生態(tài)承載力ecw與為人均水資源生態(tài)足跡efw之差[15],即:

    WECI=ecw-efw

    (4)

    水資源生態(tài)容量WECI衡量的是一個(gè)地區(qū)水資源可持續(xù)利用程度。WECI>0時(shí),表明該地區(qū)水資源生態(tài)足跡小于其承載力,水資源處于可持續(xù)利用狀態(tài),水資源盈余,不但可以保證其經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境的良性循環(huán),還可以滿足區(qū)域內(nèi)發(fā)展的進(jìn)一步需求;WECI=0時(shí)表明水資源生態(tài)足跡等于承載力,區(qū)域水資源處于生態(tài)平衡,恰好能滿足當(dāng)?shù)厝丝诘南M(fèi)和生產(chǎn)模式,在當(dāng)前水資源利用水平下,水資源利用限度已達(dá)到最大;WECI<0時(shí),表明該地區(qū)水資源生態(tài)足跡大于其承載力,水資源利用處于不健康狀態(tài),區(qū)域內(nèi)水資源緊張,不能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境發(fā)展需求,甚至有可能以破壞環(huán)境為代價(jià)維持區(qū)域發(fā)展。

    4.2 水資源生態(tài)壓力指數(shù)WEPI

    水資源生態(tài)壓力指數(shù)WEPI是區(qū)域水資源生態(tài)足跡與水資源生態(tài)承載力的比值[16],即:

    (5)

    WEPI用來衡量區(qū)域水資源生態(tài)壓力強(qiáng)度,其大小反映了水資源開發(fā)利用安全狀態(tài)。WEPI>1時(shí),即區(qū)域水資源消費(fèi)量大于供給量,無法可持續(xù)利用水資源,此時(shí)水資源開發(fā)利用安全壓力隨著WEPI增大而增大;WEPI=1時(shí),即區(qū)域水資源供需平衡;0

    4.3 水資源集約利用度WIUD

    水資源集約利用度WIUD定義為國(guó)民生產(chǎn)總值GDP與水資源生態(tài)足跡的比值[9],即:

    (6)

    描述了一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所付出的水資源代價(jià),其大小反映了水資源利用的程度和效率,利用度越大說明該地區(qū)水資源利用效率越高,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也高;反之說明該地區(qū)水資源利用效率低,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益低。這一指標(biāo)與萬元GDP水資源足跡指數(shù)[4]相似,兩者互為倒數(shù),含義相反。EPGDP值越大說明該地區(qū)水資源利用效率越低,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益低;反之,說明該地區(qū)水資源利用效率高,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也高。

    4.4 水資源負(fù)載指數(shù)WCI

    水資源負(fù)載指數(shù)WCI是區(qū)域水資源量W與人口N和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP決定的水資源需求量的關(guān)系[5],其定義為:

    (7)

    式中:k為降水折算系數(shù),其取值如下:

    (8)

    式中:R為年降水量(mm)。

    水資源負(fù)載指數(shù)WCI描述了區(qū)域水資源開發(fā)利用前景,反映了區(qū)域水資源利用水平與人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系,同時(shí)一定程度上反映出今后水資源開發(fā)的難易程度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果一般分為5個(gè)等級(jí)(表2),其值越大說明水資源利用程度很高,開發(fā)潛力不大,甚至有可能需要外流域調(diào)水支撐區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展;反之說明,水資源利用程度低,開發(fā)潛力很大,前景廣闊。

    表2 水資源負(fù)載指數(shù)分級(jí)表

    4.5 水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)WSDI

    水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)WSDI為水資源生態(tài)承載力ECw與水資源生態(tài)足跡EFw的差額占水資源生態(tài)承載力的比值[17],即:

    (9)

    WSDI定量評(píng)價(jià)了區(qū)域發(fā)展水資源的可持續(xù)性,其大小反映了水資源可持續(xù)發(fā)展利用的程度和效率,同時(shí)可以對(duì)今后區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)計(jì)算結(jié)果一般分為5個(gè)等級(jí)(表3),若WSDI<-1表明區(qū)域發(fā)展水資源已嚴(yán)重不可持續(xù),發(fā)展條件嚴(yán)重不足,甚至由于水資源制約嚴(yán)重影響區(qū)域發(fā)展。

    表3 水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)分級(jí)表

    5 洮河流域水資源可持續(xù)利用狀況分析

    根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,對(duì)洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)足跡和承載力分別按公式(1)(2)分別進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表4。

    根據(jù)公式(4)(5)(6)(7)(9)分別計(jì)算水資源生態(tài)容量、水資源生態(tài)壓力、水資源集約利用度、水資源負(fù)載指數(shù)、水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)五個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)果見表5。

    5.1 水資源生態(tài)足跡和承載力

    從表4中可知,洮河流域水資源承載力總體呈減少趨勢(shì),變化幅度相差較大,2012年最高,人均水資源承載力86.2 hm2·cap-1,2015年最低,人均水資源承載力36.9 hm2·cap-1,這與洮河流域近十年來降水、徑流特征基本吻合[18]。計(jì)算流域水資源承載力和降水、徑流的相關(guān)系數(shù)分別為0.808、0.987,表明洮河流域水資源承載力變化在一定程度上受到流域水文、氣象等自然因素的影響比較顯著。

    從人均水資源生態(tài)足跡來看,洮河流域用水結(jié)構(gòu)在不斷調(diào)整變化,2006—2015年人均水資源生態(tài)足跡保持相對(duì)穩(wěn)定,從2006年的24.5 hm2·cap-1到2015年的25.4 hm2·cap-1,變化幅度不大,水資源用地需求穩(wěn)定,但存在結(jié)構(gòu)性矛盾,主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)用水比重過高,是水資源生態(tài)足跡的主要貢獻(xiàn)者,比例雖有所減小但幅度不大,城鎮(zhèn)公用用水足跡比例呈微弱增長(zhǎng)趨勢(shì),工業(yè)用水、居民生活用水足跡比例基本穩(wěn)定,生態(tài)用水足跡所占比例最小。洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)足跡面積變化見圖1。

    圖1 洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)足跡面積變化圖

    5.2 水資源生態(tài)容量

    從表5中可知,洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)容量總體呈減少趨勢(shì)(圖2),2012年容量最大,為59.0 hm2·cap-1,2015年最小,為11.6 hm2·cap-1。在水資源生態(tài)足跡保持相對(duì)穩(wěn)定的情況下,水資源生態(tài)承載力受流域來水情況和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水量的影響持續(xù)增強(qiáng),導(dǎo)致水資源生態(tài)容量持續(xù)減小,表明洮河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求增大,在今后的發(fā)展過程中需要進(jìn)一步考慮用水成本。

    表4 洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)足跡和承載力計(jì)算成果表 萬hm2

    表5 洮河流域2006—2015年水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)成果表

    圖2 洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)容量曲線圖

    圖3 洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)壓力曲線圖

    5.3 水資源生態(tài)壓力

    從表5中可知,水資源生態(tài)壓力指數(shù)在波動(dòng)中呈增加趨勢(shì)(圖3),指數(shù)始終在1.0水平以下,保持在較低水平,但生態(tài)壓力逐年增加,說明水資源供給量大于消費(fèi)量,水資源開發(fā)利用處于安全狀態(tài),水資源可持續(xù)利用空間較大,能有效促進(jìn)洮河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)良性發(fā)展。

    5.4 水資源集約利用度

    從表5中可知,洮河流域2006—2015年水資源集約利用度呈快速增加趨勢(shì)(圖4),從2006年的96.0元/hm2到2015年的476元/hm2,表明洮河流域水資源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益逐年提高。

    圖4 洮河流域2006—2015年水資源集約利用度曲線圖

    5.5 水資源負(fù)載指數(shù)

    從表5中可知,水資源負(fù)載指數(shù)WCI呈增加趨勢(shì)(圖5),2015年最大,WCI為7.405,表明水資源利用程度較高;2007年最小,WCI為1.813,表明水資源利用程度較低;其余年份水資源利用程度為中等。WCI指數(shù)總體反映出洮河流域水資源開發(fā)利用前景良好,處于健康發(fā)展的狀態(tài),但今后水資源開發(fā)潛力縮小,難度加大。

    圖5 洮河流域2006—2015年水資源負(fù)載指數(shù)圖

    5.6 水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)

    從表5中可知,水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在波動(dòng)中呈減少趨勢(shì)(圖6),除2010年、2015年指數(shù)在0.5水平以下,其余年份指數(shù)均在0.5水平以上,其中2012年最大,達(dá)到0.684,總體反映出洮河流域水資源可持續(xù)發(fā)展,其利用程度和效率高,發(fā)展條件十分樂觀,水資源可有效保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

    圖6 洮河流域2006—2015年水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)圖

    6 結(jié)語(yǔ)

    本文采用水資源生態(tài)足跡和承載力模型,計(jì)算分析了洮河流域2006—2015年水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力,并對(duì)洮河流域水資源可持續(xù)利用狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。主要結(jié)論如下:

    (1)2006—2015年洮河流域水資源承載力總體呈減少趨勢(shì),水資源生態(tài)足跡相對(duì)穩(wěn)定,存在結(jié)構(gòu)性矛盾,主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)用水比重過高,是水資源生態(tài)足跡的主要貢獻(xiàn)者,比例雖有所減小但幅度不大,城鎮(zhèn)公用用水足跡比例呈微弱增長(zhǎng)趨勢(shì),工業(yè)用水、居民生活用水足跡比例基本穩(wěn)定,生態(tài)用水足跡所占比例最小。

    (2)評(píng)價(jià)指標(biāo)總體反映出洮河流域水資源利用程度、效率和經(jīng)濟(jì)效益顯著提高,具備可持續(xù)發(fā)展條件,水資源開發(fā)利用處于安全狀態(tài),能有效保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,但經(jīng)濟(jì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)流域水資源的需求進(jìn)一步增大,生態(tài)容量逐年減小,生態(tài)壓力逐年增加,開發(fā)潛力和可持續(xù)利用空間不斷縮小,水資源緊張問題日益凸顯。

    (3)在流域生態(tài)承載力不斷減少的情況下,提高水資源利用效率,合理布局產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),優(yōu)化水資源配置,改變消費(fèi)結(jié)構(gòu)和消費(fèi)模式,特別是改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水方式,不斷加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)措施,減少不必要的消費(fèi)是降低人均水資源足跡和維持水資源可持續(xù)發(fā)展的有效手段[19-20]。

    (4)水資源生態(tài)足跡計(jì)算影響因素很多,受統(tǒng)計(jì)資料和計(jì)算方法的限制,本文計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守,同時(shí)在計(jì)算時(shí)也沒有考慮水污染問題對(duì)水資源可持續(xù)利用的影響及其引致的環(huán)境損失和治理投入,未將地下水、廢污水等納入水資源生態(tài)足跡計(jì)算,有待今后進(jìn)一步研究分析,更加科學(xué)、全面的評(píng)估洮河流域水資源可持續(xù)利用狀況。

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    TV211.1

    A

    1004-1184(2016)06-0090-05

    2016-08-14

    霍正文(1976-),女,江蘇南京人,高級(jí)工程師,主要從事水文水資源評(píng)價(jià)、水資源研究等工作。

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