亞美寒區(qū)生產(chǎn)水足跡比較分析

李夢(mèng)宇,戴長(zhǎng)雷,趙偉靜,于 淼

(1.黑龍江大學(xué) 寒區(qū)地下水研究所,黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080;3.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院,北京 100875;4.東北聯(lián)邦大學(xué) 地質(zhì)勘探系,雅庫(kù)茨克 677000 俄羅斯)

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快,水資源越來(lái)越成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重中之重。生產(chǎn)水足跡是指支持一個(gè)國(guó)家(地區(qū))在其本地產(chǎn)品生產(chǎn)與服務(wù)供給過(guò)程中所需要的淡水資源量[1-3],它使得地區(qū)水資源消耗與全球水資源配置產(chǎn)生聯(lián)系成為可能[4],打破了流域、地區(qū)的局限,人們開(kāi)始將全球水資源作為整體思考問(wèn)題,為全球范圍內(nèi)的水資源利用、配置和管理提供了新思路。在全球氣候變暖的大背景下,北極冰蓋融化的速度越來(lái)越快,開(kāi)發(fā)北極航道逐漸成為眾國(guó)的目標(biāo),東北亞+西北美陸域/海域組成的“亞美寒區(qū)”隨之成為世界各地不同領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。“亞美寒區(qū)”囊括了東北亞和西北美兩大區(qū)域,兩者緯度范圍相似,地理位置接近,在氣候、水文、人口等方面具有相似性[5]。

當(dāng)前,全球正面臨著水資源短缺的大問(wèn)題,而生產(chǎn)中耗水量與地區(qū)水資源壓力情況密切相關(guān),本文在“亞美寒區(qū)”區(qū)劃研究的基礎(chǔ)上,探尋計(jì)算方法,進(jìn)行比較分析,以期為進(jìn)一步研究“亞美寒區(qū)”各區(qū)域水資源狀況,有目的地降低水資源相對(duì)短缺區(qū)域的生產(chǎn)水足跡提供參考。

1 研究區(qū)概況

亞美寒區(qū)由東北亞和西北美兩大區(qū)域組成,由白令海峽連接,南北分別為太平洋和北冰洋,幅員遼闊,共跨13個(gè)時(shí)區(qū)。

東北亞在本文中指的是亞洲的東北部地區(qū),它的陸域緯度范圍為30°N～82°N,經(jīng)度范圍為75°E～169°W,以英國(guó)格林尼治天文臺(tái)舊址為0時(shí)區(qū),時(shí)區(qū)范圍為東6區(qū)至東西12區(qū),依據(jù)目前國(guó)際公認(rèn)的行政分區(qū)確定范圍,包括俄羅斯境內(nèi)的15個(gè)邊疆區(qū)和聯(lián)邦主體、蒙古國(guó)、中國(guó)東北部[6]的4個(gè)省級(jí)行政區(qū)、韓國(guó)、朝鮮、日本共6個(gè)國(guó)家,23個(gè)省級(jí)政區(qū)[7]。

本文西北美指的是北美洲的西北部地區(qū),它的陸域緯度范圍為40°N～80°N,經(jīng)度范圍為100°W～167°W,以英國(guó)格林尼治天文臺(tái)舊址為0時(shí)區(qū),時(shí)區(qū)范圍為東西12區(qū)至西6區(qū),依據(jù)目前際公認(rèn)的行政分區(qū)確定范圍,包括加拿大境內(nèi)的5個(gè)省級(jí)行政區(qū)、美國(guó)的5個(gè)州,共2個(gè)國(guó)家,10個(gè)省級(jí)政區(qū)。

東北亞陸域幅員遼闊,經(jīng)度和緯度跨度大,發(fā)育了多條跨國(guó)、跨省的世界大河。陸域以地表水為劃分對(duì)象,主要大河有葉尼塞河、勒拿河和黑龍江(阿穆?tīng)柡?3條：葉尼塞河位于亞洲北部,流經(jīng)俄羅斯的多個(gè)邊疆區(qū)和聯(lián)邦主體,最終注入北冰洋的喀拉海;勒拿河是俄羅斯最長(zhǎng)的河流,它主要集中在薩哈(雅庫(kù)特)共和國(guó),最終注入北冰洋的拉普捷夫海;黑龍江(阿穆?tīng)柡?位于亞洲東北部,是中國(guó)和俄羅斯的界河,最終注入太平洋的鄂霍次克海峽。西北美陸域以地表水為劃分對(duì)象,主要大河有育空河和馬更些河2條,根據(jù)流域邊界進(jìn)行區(qū)劃。育空河是北美第三長(zhǎng)河,流經(jīng)加拿大育空地區(qū),至美國(guó)阿拉斯加州、育空堡,最后注入白令海峽諾頓灣。馬更些河是北美第二長(zhǎng)河,是加拿大最大的河流。

2 計(jì)算分區(qū)

2.1 行政分區(qū)

行政區(qū)劃是行政區(qū)域劃分的簡(jiǎn)稱,是國(guó)家為了進(jìn)行分級(jí)管理而實(shí)行的區(qū)域劃分[8-9]。依據(jù)各國(guó)現(xiàn)行公認(rèn)的行政區(qū)劃圖,劃分出列入東北亞和西北美區(qū)域范圍的行政分區(qū),其中,中國(guó)以省級(jí)政區(qū)為單位,俄羅斯以聯(lián)邦主體為單位,美國(guó)以州為單位,加拿大以省或地區(qū)為單位。其余國(guó)家均以國(guó)為單位,不再向下級(jí)進(jìn)行劃分。以面積為主要指標(biāo),將蒙古、日本、韓國(guó)、朝鮮與省級(jí)政區(qū)列為同級(jí)。

對(duì)于同一國(guó)家采用同一顏色進(jìn)行標(biāo)注,同一國(guó)家的不同政區(qū)用實(shí)線劃分界線,采用不同編號(hào)說(shuō)明[10],編號(hào)為阿拉伯?dāng)?shù)字1、2、3……。采用Asia North Lambert Conformal Conic投影。

各行政分區(qū)名稱及其人口、面積見(jiàn)表1所列,俄羅斯、蒙古、中國(guó)、美國(guó)人口數(shù)據(jù)來(lái)自2010年人口普查,朝鮮人口數(shù)據(jù)來(lái)自2008年人口普查,韓國(guó)、日本人口數(shù)據(jù)來(lái)自2015年人口普查,加拿大人口數(shù)據(jù)來(lái)自2016年人口普查。通過(guò)各分區(qū)人口增長(zhǎng)率計(jì)算2019年人口數(shù)據(jù)。用2019年人口數(shù)據(jù)計(jì)算人口-面積比。

表1 亞美寒區(qū)行政分區(qū)名稱及其人口、面積概況

中國(guó)人口在整個(gè)亞美寒區(qū)的占比最大,其次是日本。從面積上看,俄羅斯占比最大,其次是加拿大和美國(guó)。中國(guó)東北的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以第二產(chǎn)業(yè)為主,其中重工業(yè)尤為重要,這屬于水資源稀缺型的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

俄羅斯和加拿大的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)基本以自然資源和工業(yè)產(chǎn)品為主,因此,雖有豐富的水資源,但仍難以滿足能源開(kāi)發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)的需要。日本按照大類分組的行業(yè)中,制造業(yè)、服務(wù)業(yè)和批發(fā)零售商業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)的增加值所占比重最高,對(duì)水資源的消費(fèi)相對(duì)較低。

美國(guó)經(jīng)濟(jì)的主要增長(zhǎng)動(dòng)力在于第三產(chǎn)業(yè),水足跡總量高,水資源消費(fèi)低。

2.2 流域分區(qū)

按地表水系劃分可將亞美寒區(qū)整體分為23個(gè)分區(qū),其中,葉尼塞河流域、勒拿河流域、黑龍江(阿穆?tīng)柡?流域、育空河流域、馬更些河流域占主體。

葉尼塞河位于亞洲北部,是西伯利亞河流中水量最豐富的河流,也是流入北冰洋的最大河流[11-12]。流域面積260.5×104km2,總落差近1 600 m。干流全長(zhǎng)3 481 km,以大葉尼塞河為源,河長(zhǎng)4 086 km;以小葉尼塞河為源,河長(zhǎng)4 044 km;上溯至注入貝加爾湖的色楞格源河伊德?tīng)柡訛樵?則全長(zhǎng)5 539 km。

勒拿河是俄羅斯最長(zhǎng)的河流,位于東西伯利亞[13],發(fā)源于貝加爾山的西坡,距貝加爾湖僅7 km,沿中西伯利亞高原東緣曲折北流,注入北冰洋的拉普捷夫海。河長(zhǎng)4 400 km,流域面積249×104km2。

黑龍江(阿穆?tīng)柡?位于亞洲東北部,以南源額爾古納河為河源,全長(zhǎng)4 463 km,在俄羅斯的尼古拉耶夫斯克注入鄂霍次克海峽。流域面積[14-15]183.4×104km2,其中中國(guó)境內(nèi)流域面積89.1×104km2。

育空河是北美洲西北部大河,北美第三長(zhǎng)河,發(fā)源于加拿大育空地區(qū)和不列顛哥倫比亞省交界處,先向西北流,經(jīng)加拿大育空地區(qū),至美國(guó)阿拉斯加州,最后注入白令海峽[16]。河流全長(zhǎng)3 185 km,流域面積85.0×104km2。

馬更些河是北美洲僅次于密西西比河的第二長(zhǎng)河,是加拿大最大的河流,也是全球流經(jīng)北極苔原地區(qū)的最大河流[17-18]。它發(fā)源于加拿大不列顛哥倫比亞省北部,從其上游支流芬利河源頭算起,河流全長(zhǎng)4 240 km,流域面積180.5×104km2。

地表水系分區(qū)是根據(jù)流域邊界劃分的,流域邊界的確定主要根據(jù)地形圖上的分水嶺,同時(shí)考慮河流、水質(zhì)、地理位置等因素。本文選取了23個(gè)水系分區(qū)中占主體地位的5個(gè)流域分區(qū),對(duì)于同一流域分區(qū)采用同一顏色進(jìn)行標(biāo)注,采用的說(shuō)明編號(hào)為(葉尼塞河流域)、II(勒拿河流域)、III(黑龍江(阿穆?tīng)柡?流域)、Ⅳ(育空河流域)、Ⅴ(馬更些河流域),如圖1所示。

圖1 亞美寒區(qū)地表水系分區(qū)

3 計(jì)算方法

東北亞區(qū)域主要計(jì)算葉尼塞河流域、勒拿河流域、黑龍江(阿穆?tīng)柡?流域。西北美區(qū)域主要計(jì)算育空河流域、馬更些河流域。

統(tǒng)計(jì)得出亞美寒區(qū)8國(guó)的人均生產(chǎn)水足跡見(jiàn)表2所列,數(shù)據(jù)來(lái)自water footprint network。

表2 亞美寒區(qū)8國(guó)生產(chǎn)水足跡統(tǒng)計(jì)

由表2人均生產(chǎn)水足跡,結(jié)合表1各個(gè)行政分區(qū)人口數(shù)量,可得出各行政分區(qū)的生產(chǎn)水足跡總量,如圖2所示。從圖2可以看出，東北亞區(qū)域南部行政分區(qū)生產(chǎn)水足跡高于北部,西北美區(qū)域近海一側(cè)的行政分區(qū)生產(chǎn)水足跡更高。

圖2 亞美寒區(qū)各行政分區(qū)生產(chǎn)水足跡

將東北亞的葉尼塞河流域、勒拿河流域、黑龍江(阿穆?tīng)柡?流域和西北美的育空河流域、馬更些河流域流經(jīng)行政分區(qū)部分的面積,與對(duì)應(yīng)行政分區(qū)面積之比,作為各流域分區(qū)生產(chǎn)水足跡的比例,計(jì)算出各流域的生產(chǎn)水足跡。定義：

(1)

流域生產(chǎn)水足跡模數(shù)能更清晰地對(duì)比各流域單位面積生產(chǎn)水足跡的大小。根據(jù)(1)式,將亞美寒區(qū)五大流域分區(qū)的生產(chǎn)水足跡與對(duì)應(yīng)流域面積之比作為各流域生產(chǎn)水足跡模數(shù)，見(jiàn)表3所列。

表3 東北亞區(qū)域各流域生產(chǎn)水足跡

續(xù)表

4 比較分析

為了分析亞美寒區(qū)生產(chǎn)水足跡的空間差異,需要對(duì)各個(gè)分區(qū)進(jìn)行比較。

首先比較行政分區(qū)生產(chǎn)水足跡之間的差異。東北亞6國(guó)中,蒙古國(guó)的人均生產(chǎn)水足跡最多,為10 000 L/d;韓國(guó)的人均生產(chǎn)水足跡最少,為1 500 L/d。在東北亞的省級(jí)行政分區(qū)中,日本總生產(chǎn)水足跡最大,為4 833×108L/d,占東北亞23個(gè)省級(jí)行政分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的40%;楚科奇自治專區(qū)最小,為2.6×108L/d,占東北亞23個(gè)省級(jí)行政分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的0.02%。

西北美區(qū)域中,美國(guó)的人均生產(chǎn)水足跡大于加拿大的人均生產(chǎn)水足跡,分別為7 800 L/d和6 400 L/d。在西北美的省級(jí)行政分區(qū)中,華盛頓州總生產(chǎn)水足跡最大,為556.5×108L/d,占西北美10個(gè)省級(jí)行政分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的31%;育空地區(qū)最小,為2.4×108L/d,占西北美10個(gè)省級(jí)行政分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的0.13%。亞美寒區(qū)各行政分區(qū)參數(shù)對(duì)比折線圖如圖3所示,從圖3可以看出,2條折線趨勢(shì)基本吻合,由此推斷出亞美寒區(qū)各行政分區(qū)生產(chǎn)水足跡的大小與單位面積的人口數(shù)有關(guān)。

圖3 亞美寒區(qū)各行政分區(qū)參數(shù)對(duì)比折線圖

然后比較五大流域的生產(chǎn)水足跡。通過(guò)流域分區(qū)生產(chǎn)水足跡模數(shù)來(lái)反映各流域單位面積生產(chǎn)水足跡的大小,從表3的數(shù)據(jù)可以看出,黑龍江(阿穆?tīng)柡?流域單位面積生產(chǎn)水足跡最大,育空河流域最小。

最后進(jìn)行流域內(nèi)比較,在葉尼塞河流域經(jīng)過(guò)的分區(qū)中,克拉斯諾亞爾斯克邊疆區(qū)的生產(chǎn)水足跡最大,為88.9×108L/d,占該流域分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的31.2%;最小為薩哈(雅庫(kù)特)共和國(guó)的生產(chǎn)水足跡,為0.005×108L/d,占該流域分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的0.02%。在勒拿河流域經(jīng)過(guò)的分區(qū)中,伊爾庫(kù)茨克州的生產(chǎn)水足跡最大,為53.8×108L/d,占該流域分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的41.1%;克拉斯諾亞爾斯克邊疆區(qū)的生產(chǎn)水足跡最小,為1.5×108L/d,占該流域分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的1.15%。在黑龍江(阿穆?tīng)柡?流域經(jīng)過(guò)的分區(qū)中,黑龍江省的生產(chǎn)水足跡最大,為1 098.7×108L/d,占該流域分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的54.97%;猶太自治州的生產(chǎn)水足跡最小,為9.1×108L/d,占該流域分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的0.46%。在育空河流域經(jīng)過(guò)的分區(qū)中,阿拉斯加州的生產(chǎn)水足跡最大,為21.6×108L/d,占該流域分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的67.71%;不列顛哥倫比亞省的生產(chǎn)水足跡最小,為1.1×108L/d,占該流域分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的3.45%。在馬更些河流域經(jīng)過(guò)的分區(qū)中,艾伯塔省的生產(chǎn)水足跡最大,為150.4×108L/d,占該流域分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的50.74%;阿拉斯加州的生產(chǎn)水足跡最小,為0.2×108L/d,占該流域分區(qū)總生產(chǎn)水足跡的0.07%。

分析各流域流經(jīng)分區(qū)人口與對(duì)應(yīng)生產(chǎn)水足跡的關(guān)系,如圖4所示。

從圖4可以看出,亞美寒區(qū)各流域所流經(jīng)分區(qū)的生產(chǎn)水足跡的大小,與其人口數(shù)量密切相關(guān)。

圖4 亞美寒區(qū)各流域流經(jīng)分區(qū)人口與對(duì)應(yīng)生產(chǎn)水足跡的關(guān)系

5 結(jié) 論

(1) 從整體看,東北亞區(qū)域南部行政分區(qū)生產(chǎn)水足跡高于北部,西北美區(qū)域近海一側(cè)的行政分區(qū)生產(chǎn)水足跡更高。

(2) 亞美各行政分區(qū)生產(chǎn)水足跡的大小與單位面積的人口數(shù)有關(guān)。

(3) 亞美寒區(qū)各流域所流經(jīng)分區(qū)的生產(chǎn)水足跡的大小與其人口數(shù)量密切相關(guān)。

本文以人口和面積作為主要參數(shù),對(duì)各行政、流域分區(qū)進(jìn)行了生產(chǎn)水足跡的初步計(jì)算,比較了亞美寒區(qū)生產(chǎn)水足跡的空間差異,可為亞美寒區(qū)生產(chǎn)水足跡更深入的研究提供參考,但還存在著不足,可以在人口和面積的基礎(chǔ)上,增加參數(shù)的設(shè)置[19-20]。亞美寒區(qū)的大尺度范圍使得其內(nèi)8個(gè)國(guó)家以陸海聯(lián)合的方式形成一個(gè)整體,在氣候、水文、地理、人口等方面都需要進(jìn)一步對(duì)比分析和深入研究。