基于生態(tài)足跡法的汾河流域水資源可持續(xù)利用研究

，

(太原師范學(xué)院，山西 晉中 030600)

1 概 述

汾河是黃河第二大支流，也是山西省內(nèi)最大的河流，流域面積39 471 km2，約占全省面積的1/4，流經(jīng)忻州市、太原市、晉中市、呂梁市、臨汾市、運(yùn)城市等6個地市[1]，是山西省人口密集區(qū)、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)以及重要的生態(tài)功能區(qū)，在山西省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中占有十分重要的地位。經(jīng)過三十余年的密集開發(fā)，汾河流域的水資源問題日益突出，流域年均用水量多且水質(zhì)污染嚴(yán)重，水環(huán)境總體形勢十分嚴(yán)峻。2016年，汾河流域的水資源總量為35.80×108m3，占全省水資源總量的26.69%，而總用水量為30.67×108m3，占全省總用水量的40.61%。據(jù)2016年《山西省水資源公報》的水質(zhì)資料，汾河流域7個主要河段內(nèi)，Ⅰ類水質(zhì)不存在，Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類水質(zhì)的河段有3個，其余河段則均為劣Ⅴ類水質(zhì)，占57.1%[2]，即1/2以上的河段污染嚴(yán)重。

水生態(tài)足跡是將人類生產(chǎn)生活過程和自然生態(tài)發(fā)展維持中消耗的水量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)賬戶的水資源用地面積，并通過相關(guān)計算對區(qū)域水資源利用的可持續(xù)性進(jìn)行評價的方法，具有概念形象、可操作性和普適性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界被廣泛采用[3]。利用該方法對汾河流域水資源的利用超出本地生態(tài)系統(tǒng)的承載能力的程度進(jìn)行研究，可以為流域內(nèi)水資源合理配置，協(xié)調(diào)水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系提供參考。

2 研究方法

根據(jù)2006-2016年《山西省水資源公報》及《山西省統(tǒng)計年鑒》中汾河流域水資源開發(fā)利用情況和GDP、人口等社會經(jīng)濟(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，首先對流域近10年水生態(tài)足跡和水生態(tài)承載力進(jìn)行分析計算，其中水生態(tài)足跡包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、城鎮(zhèn)公共用水和生態(tài)環(huán)境用水共5個子賬戶；然后分別從水生態(tài)盈余(赤字)、萬元 GDP 水生態(tài)足跡、水生態(tài)壓力指數(shù)和水資源可持續(xù)利用指數(shù)等4個方面綜合評價流域的水資源可持續(xù)開發(fā)利用能力。研究所采用的水生態(tài)足跡模型與可持續(xù)性指標(biāo)參考黃林楠[3]和譚秀娟[4]在文獻(xiàn)中的方法，具體如下。

2.1 水生態(tài)足跡模型

基于生態(tài)足跡的內(nèi)涵，水生態(tài)足跡就是指在人類生產(chǎn)生活與維持自然生態(tài)發(fā)展的過程中，將消耗的水資源量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)帳戶的水資源用地面積[3]。水生態(tài)足跡的計算公式為：

EFw=N×efw=N×rw×(W/Pw)

式中：EFw為水資源總生態(tài)足跡，hm2；N為人口數(shù)；efw為人均水生態(tài)足跡，m2/人；rw為水資源全球均衡因子，取5.19[3]；W為人均消耗的水資源量，m3；Pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2，取3 140 m3/hm2[3]。

2.2 水生態(tài)承載力的計算模型

基于水生態(tài)足跡的理論，水生態(tài)承載力是指一定時期內(nèi)某區(qū)域水資源開發(fā)利用對該區(qū)域經(jīng)濟(jì)-社會-生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的支撐能力，其計算公式[3]為:

ECw=(1-60%)×rw×ψ×Q/Pw

式中：ECw為水生態(tài)承載力，hm2；rw為水資源全球均衡因子，取5.19[3]；ψ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子，由區(qū)域產(chǎn)水模數(shù)與中國單位面積產(chǎn)水量(29.46×102m3/hm2)的比值，再除以中國的水資源產(chǎn)量因子(0.94)所得[3]；Q為計算區(qū)域內(nèi)水資源總量，m3；Pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2，取3 140 m3/hm2[3]。

2.3 可持續(xù)性研究計算模型框架

2.3.1 生態(tài)盈余和赤字

將區(qū)域內(nèi)水資源消耗產(chǎn)生的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力相比較，得出水資源生態(tài)赤字和水資源生態(tài)盈余，此指標(biāo)可用來判斷研究區(qū)域內(nèi)水資源的可持續(xù)利用情況，其計算公式[4]為：

Erd=ECw-EFw

式中：Erd>0為水資源生態(tài)盈余，區(qū)域水資源可持續(xù)利用；Erd<0為水資源生態(tài)赤字，區(qū)域水資源不可持續(xù)利用。

2.3.2 萬元GDP水生態(tài)足跡

水資源利用效率可利用萬元GDP水生態(tài)足跡值來衡量。萬元GDP水生態(tài)足跡是指區(qū)域水資源總生態(tài)足跡(EFW)與區(qū)域國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的比值[4]，其計算公式為：

萬元GDP水生態(tài)足跡=EFw/GDP

式中：萬元GDP數(shù)值越大，水資源利用效率越低，越不可持續(xù)利用；數(shù)值越小，水資源利用效率越高，越可持續(xù)利用。

2.3.3 水資源生態(tài)壓力指數(shù)

水資源生態(tài)壓力指數(shù)(EPIw)是指某地區(qū)水資源生態(tài)足跡(EFw)與水資源生態(tài)承載力(ECw)的比率，可衡量水資源生態(tài)安全性[4]，其計算公式為：

EPIw=EFw/ECw

式中：當(dāng)01時，水資源為不可持續(xù)利用；EPIw越大，水資源利用越不可持續(xù)。

2.3.4 水資源可持續(xù)指數(shù)

水資源可持續(xù)指數(shù)(SIw)是指一定時期某區(qū)域可持續(xù)供給的水資源總量滿足該區(qū)域人類社會經(jīng)濟(jì)活動對水資源的需要程度，以此來評價區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展利用程度[7]。其計算公式為:

SIw=ECw/(EFw+ECw)

式中：0

3 汾河流域水生態(tài)足跡計算結(jié)果與分析

3.1 水生態(tài)足跡計算結(jié)果

3.1.1 汾河全流域

根據(jù)2006-2016年山西省水資源公報中農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水?dāng)?shù)據(jù)，汾河流域各水生態(tài)足跡子賬戶計算結(jié)果見表1。汾河全流域2006-2016年水生態(tài)足跡變化趨勢見圖1。

表1 2006-2016年汾河全流域各水生態(tài)足跡子賬戶 /104 hm2

圖1 汾河全流域2006-2016年水生態(tài)足跡變化趨勢

數(shù)據(jù)顯示(表1、圖1)，2006-2016年的11年間，汾河全流域水生態(tài)足跡總體上呈不斷增長趨勢，流域水資源利用量和對水資源的需求均在增加中。其中,2006-2011年和2014-2016年兩個階段增長迅速，增長幅度分別為17%和10%。2011-2014年雖出現(xiàn)負(fù)增長，但下降幅度僅為4%。

各子賬戶即農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水的生態(tài)足跡研究期均值分別占總水資源生態(tài)足跡的57.6%、19.7%和13.7%，城鎮(zhèn)公共用水和生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡均值各占總水生態(tài)足跡的4.5%。農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占的比重最大，表明農(nóng)業(yè)用水是汾河流域水資源利用的主要部分，對水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響也最大。

各子賬戶研究期變化趨勢各有特點(diǎn)。工業(yè)用水生態(tài)足跡在研究期變化呈現(xiàn)總體下降趨勢，2016年的89.05×104hm2與2006年98.99×104hm2相比下降了9.94×104hm2，降幅為10%，期間2009年達(dá)68.65×104hm2，下降較為明顯，較2006年下降了30%以上；城鎮(zhèn)公共用水足跡從2006-2011年，城鎮(zhèn)公共用水生態(tài)足跡呈波動上升趨勢，并于2011年達(dá)到最大值，2011-2015年呈波動下降趨勢，從2006年19.18×104hm2到2016年的18.74×104hm2，基本保持穩(wěn)定發(fā)展；生活用水生態(tài)足跡呈持續(xù)穩(wěn)定增長的趨勢，2016年達(dá)到最大值76.47×104hm2，11年間增長了65%；生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡占總水資源生態(tài)足跡的4.5%，研究期變化呈現(xiàn)先升后降，2006-2010年呈快速上升趨勢，在2010年達(dá)到最大值36.66×104hm2，數(shù)值上升了10倍,此后從2010-2016年則呈波動下降趨勢,降幅達(dá)到23%。

3.1.2 上中下游分片

在歷年水資源公報統(tǒng)計中,汾河流域上中游數(shù)據(jù)地區(qū)均被合并加以統(tǒng)計,因此本研究中也將上中游看做一個整體和下游區(qū)分別進(jìn)行計算分析。根據(jù)2006-2016年山西省水資源公報中農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水?dāng)?shù)據(jù)，計算得出2006-2016年汾河流域上中游和下游兩個分區(qū)的分項水生態(tài)足跡值。研究顯示(圖2)，2006-2016年間，汾河流域上中游區(qū)的各子賬戶水生態(tài)足跡均大于下游區(qū)，表明上中游地區(qū)水資源用量遠(yuǎn)大于下游地區(qū)，對水資源的需求量更大。其中,上中游農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)生態(tài)足跡和下游的差值大于其他3種用水的生態(tài)足跡，達(dá)45×104hm2以上，說明流域上中游工農(nóng)業(yè)用水在總用水量中所占比例更高。

圖2 2006-2016年汾河流域分片各子賬戶水生態(tài)足跡

圖2還顯示，多年平均值相差幅度最大的是城鎮(zhèn)公共用水，上中游城鎮(zhèn)公共用水比下游多437.26%，差值為13.73×104hm2；其次為生態(tài)環(huán)境用水，上中游生態(tài)環(huán)境用水比下游多354.87%，多年平均差值為13.84×104hm2；上中游工業(yè)用水比下游多218.82%，多年平均差值為45.12×104hm2；上中游生活用水比下游多201.86%，多年平均差值為31.43×104hm2；多年平均值相差幅度最小的是農(nóng)業(yè)用水，上中游農(nóng)業(yè)用水比下游多42.89%，差值為45.62×104hm2。數(shù)據(jù)說明，上中游在城鎮(zhèn)公共建設(shè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面的需水量比下游大，這與上游建設(shè)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)、中游有省會太原等大中城市的現(xiàn)實情況也是相符的，而在農(nóng)業(yè)用水需求量方面上中游和下游則沒有太大的差別。

3.2 水生態(tài)承載力計算結(jié)果

以下為2006-2016年汾河流域及分區(qū)水生態(tài)承載力(表2)及變化趨勢(圖3和圖4)。11年間，汾河流域水生態(tài)承載力總體呈增長趨勢，但年際間波動較大，2016年較2006年增長了137.37%。研究期最小值為2006年的32.41×104hm2，最大值為2013年78.47×104hm2。2013年后，水生態(tài)承載力數(shù)值有所下降，2015年降至42.31×104hm2，比2013年下降了46.08%。

表2 汾河流域2006-2016年水生態(tài)承載力 /104 hm2

圖3 汾河流域2006-2016年水生態(tài)承載力趨勢圖

圖4 汾河流域上中游和下游分片2006-2016年水生態(tài)承載力趨勢圖

從分區(qū)情況來看(圖4)，上中游和下游在研究期內(nèi)的水生態(tài)承載力均呈現(xiàn)出年際間的較大波動，但在變化趨勢、波動幅度和具體變化過程上存在差異。首先，上中游的水生態(tài)承載力數(shù)值在除2006年外的大多數(shù)年份均大于下游，研究期均值比下游大13.26×104hm2，接近65.22%。上中游區(qū)的變化幅度也較下游劇烈，且增長速度較下游大：與2006年相比，研究期末的2016年水生態(tài)承載力增加了296.36%，說明上中游的水資源所受的生態(tài)承載壓力遠(yuǎn)大于下游。其次，發(fā)展趨勢在上中游區(qū)主要體現(xiàn)為增長，但下游區(qū)這種趨勢不很明顯。兩區(qū)出現(xiàn)最大值的年份不同，上中游和下游區(qū)分別出現(xiàn)在2016年和2011年，最小值則分別出現(xiàn)在2006年和2015年，這種不同反映了兩區(qū)在開發(fā)利用水資源上的差異。

3.3 汾河流域水資源可持續(xù)利用評價分析

3.3.1 水生態(tài)赤字動態(tài)分析

研究期汾河流域總體以及上中游、下游分區(qū)的水生態(tài)赤字均為負(fù)值且遠(yuǎn)小于零，表明11年間全流域一直處于水生態(tài)赤字的狀態(tài)，汾河流域水資源利用屬于不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。但總體和分片區(qū)變化趨勢并不完全一致，總體和下游赤字呈現(xiàn)不斷惡化的趨勢，上中游片則變化趨勢不明顯。流域下游生態(tài)赤字由2007年的118.84×104hm2到2016年的156.07×104hm2，赤字增加了31.33%，上中游區(qū)的水生態(tài)赤字由2007年的244.04×104hm2到2016年的259.44×104hm2，赤字增長了6.31%，下游區(qū)赤字增長速度比上中游的快，表明其惡化趨勢較上中游更為明顯，水資源短缺問題值得引起注意。見圖5。

圖5 汾河流域2006-2016年水生態(tài)赤字變化趨勢

3.3.2 萬元GDP水生態(tài)足跡動態(tài)分析

由于2006、2007年數(shù)據(jù)缺失，故汾河流域萬元GDP的計算從2008年開始。2008-2016年間，汾河流域上中游、下游及流域總體的萬元GDP水生態(tài)足跡變化趨勢基本一致，均呈下降趨勢，表明汾河流域水資源開發(fā)利用的不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)正在改善，水資源利用效率得到一定程度的提高。上中游萬元GDP水生態(tài)足跡下降速度快于下游，原因可能是研究期內(nèi)上中游區(qū)積極進(jìn)行經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，使得在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時用水效率也在增強(qiáng)。就汾河流域總體而言，2006-2016年萬元GDP數(shù)值呈下降趨勢，該參數(shù)從2008年的0.14下降至2016年的0.09，下降了41%，且2008-2012年下降幅度較大。見圖6。

3.3.3 水資源生態(tài)壓力動態(tài)分析

2006-2016年上中游、下游以及流域總體的水資源生態(tài)壓力指數(shù)均在5.0以上。根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)，汾河流域11年間水資源開發(fā)利用均處于不安全狀態(tài)。見圖7。

圖6 汾河流域萬元GDP水生態(tài)足跡變化趨勢圖

圖7 汾河流域水生態(tài)壓力指數(shù)變化趨勢圖

從總體而言, 汾河流域水資源生態(tài)壓力指數(shù)呈下降趨勢，說明流域整體上的不可持續(xù)狀態(tài)有所改善，水生態(tài)壓力在逐漸減小中，但下游區(qū)變化較為劇烈且有微弱上升趨勢，2013和2014年是下游區(qū)研究期間兩個最低點(diǎn)，分別為5.1和5.0；2015年達(dá)到最大值14.1，較2014年上升了182%，較2007年上升了110.45%。

3.3.4 水資源可持續(xù)指數(shù)動態(tài)分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可持續(xù)指數(shù)處于0～0.5時，水資源為不可持續(xù)利用；數(shù)值越小，水資源利用效率越低，越不可持續(xù)利用。圖8顯示，汾河流域2006-2016年上中游、下游以及流域總體的水資源可持續(xù)指數(shù)均在0.5以下，表明流域近11年來水資源利用均為不可利用狀態(tài)。

流域整體該參數(shù)最小值為2010年的0.073，最大值為2013年的0.145，中游區(qū)變化極不明顯。水資源可持續(xù)指數(shù)總體上波動上升的趨勢表明，流域水資源利用效率有逐漸提高的跡象，不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)正得以改善。

圖8 汾河流域水資源可持續(xù)指數(shù)變化趨勢圖

4 結(jié) 論

2006-2016年汾河流域水生態(tài)足跡總體上呈不斷增長趨勢，表明流域水資源利用量和對水資源的需求均在增加中。各子賬戶中農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占總水資源生態(tài)足跡比重過高，且有上升趨勢，說明流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水效率還有待提高。

研究期水生態(tài)足跡總體上遠(yuǎn)大于水生態(tài)承載力，因此水生態(tài)赤字、水資源生態(tài)壓力指數(shù)和水資源可持續(xù)指數(shù)均顯示流域整體上存在較嚴(yán)重的水資源不可持續(xù)利用和水資源生態(tài)環(huán)境不安全狀態(tài)，但在年際間的變化較為復(fù)雜，且上中游和下游片區(qū)存在差異。11年間，汾河流域水生態(tài)承載力總體上呈現(xiàn)增長趨勢和萬元GDP水生態(tài)足跡整體下降趨勢表明，這種水資源利用不可持續(xù)情況和水生態(tài)壓力的惡化得以改善并有好轉(zhuǎn)趨勢。為了促進(jìn)這一趨勢的發(fā)展，今后應(yīng)加強(qiáng)對水資源的科學(xué)管理，大力發(fā)展節(jié)水、清潔生產(chǎn)和治污等高新技術(shù)[7]，提高水資源的利用效率；通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變生產(chǎn)和生活消費(fèi)方式，不斷探索建立更加科學(xué)合理的用水結(jié)構(gòu)。