遼河流域水資源生態(tài)足跡及生態(tài)承載力時(shí)空分析研究

趙 博

（遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

生態(tài)足跡理論誕生于1992 年，由加拿大學(xué)者William E.Rees提出，并由其學(xué)生對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行完善。該理論最初通過(guò)生態(tài)空間占用大小分析人類生活消耗與自然資源供給之間的平衡關(guān)系，對(duì)比相應(yīng)的生態(tài)承載力，衡量區(qū)域發(fā)展與自然資源供給之間的矛盾關(guān)系［1-2］。生態(tài)足跡是衡量資源可持續(xù)利用的一種綜合核算工具，主要用于某一區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的定量測(cè)度和評(píng)價(jià)［1］。水資源生態(tài)足跡計(jì)算的是平均面積上的水資源需求量，便于進(jìn)行區(qū)域間的比較，用水量較小的地區(qū)水資源生態(tài)足跡一般較小，會(huì)出現(xiàn)生態(tài)盈余，反之則相反。但是，以往的研究在水資源不同的消費(fèi)方式、參數(shù)估計(jì)和生物生產(chǎn)面積計(jì)算等方面的問(wèn)題均沒(méi)有得到很好地解決，還有待進(jìn)一步研究［2］。王耕等［3］對(duì)遼河全境，包括河北、遼寧、內(nèi)蒙古、吉林4 省區(qū)的整體的水資源生態(tài)足跡進(jìn)行了計(jì)算，未對(duì)遼寧省境內(nèi)不同地區(qū)的水資源生態(tài)足跡進(jìn)行分析計(jì)算。通過(guò)文獻(xiàn)檢索，相關(guān)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較陳舊，且未對(duì)遼寧省境內(nèi)的遼河流域各區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)分析，因此本文基于2012—2017年最新的水資源及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，基于水資源生態(tài)足跡模型，對(duì)各區(qū)域生態(tài)承載力進(jìn)行分析，通過(guò)分析，為遼河流域高質(zhì)量發(fā)展的水資源配置提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

遼河是遼寧省的母親河，是全國(guó)七大流域之一，屬溫帶大陸性氣候，四季分明。流域總面積37927km2，流域多年平均水資源總量為59.83 億m3，遼河水系比較復(fù)雜，僅干流就有38 條一級(jí)支流。年降水由東南至西北逐漸減少，東部山區(qū)和南部沿海等年降水量約為900mm，遼西、遼北地區(qū)年降水量約為300mm。從整個(gè)遼河流域來(lái)看，降水量各年份間存在差異，部分年份變化較大，豐水年與枯水年降水量比值約為1.1～3.5。遼河流域降水集中在主汛期，主汛期的降水量占全年七成及以上，冰封期及平水期降水量較小。流域年蒸發(fā)量與降水量變化趨勢(shì)正好相反，蒸發(fā)量自東南山區(qū)向西北干旱區(qū)遞增，加劇了遼河流域水資源的不均衡分布。

遼河在遼寧省內(nèi)流經(jīng)鐵嶺、沈陽(yáng)、鞍山、盤錦、撫順、阜新和錦州7 市，2017 年7 市的國(guó)民生產(chǎn)總值總和為11516 億元，占全省國(guó)民生產(chǎn)總值的49.2%，其中沈陽(yáng)市國(guó)民生產(chǎn)總值最多（見表1）。遼河流經(jīng)的區(qū)域多為縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等農(nóng)村段，城鄉(xiāng)結(jié)合部，市區(qū)較少。遼河流域水資源量年際間變化較大，見表2。由表2 可知，2014 年、2015 年、2017 年的水資源量較少，比多年平均值偏少40%左右，為干旱年份；2012 年、2013 年為偏豐水年。

表1 遼河流域行政區(qū)情況統(tǒng)計(jì)

表2 遼河流域水資源量年際變化

2017 年遼河流域用水情況見表3。由表3 可知，農(nóng)田灌溉及林牧漁畜農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的82%，占比大；工業(yè)用水只占總用水量的5%；居民生活及城鎮(zhèn)公共用水量約占總用水量的9%；生態(tài)用水量占總用水量的4%?？梢姡|河流域以農(nóng)村及城鄉(xiāng)結(jié)合部為主，農(nóng)業(yè)是流域內(nèi)的主要產(chǎn)業(yè)，邊際用水效益偏低。

表3 遼河流域2017 年用水量 單位：億m3

2 研究方法

2.1 水資源生態(tài)足跡模型［4-5］

水資源生態(tài)足跡的計(jì)算模型可分別計(jì)算生產(chǎn)、生活及生態(tài)3 類水資源生態(tài)足跡：

式中：EFW為水資源生態(tài)足跡，hm2；N為人口數(shù)；efW為人均水資源生態(tài)足跡，hm2/人；γW為水資源的全球均衡因子；W為人均消耗的水資源量，m3/人；PW為全球平均單位面積水生態(tài)足跡可供水資源量，m3/hm2。

2.2 水資源生態(tài)承載力模型

式中：ECW為水資源生態(tài)承載能力，hm2；eCW為人均水資源承載能力，hm2/人；α為水資源開發(fā)利用系數(shù)，取0.4；φ為區(qū)域水資源的產(chǎn)量因子；Q為水資源總量，m3。

2.3 水資源生態(tài)盈余和水資源生態(tài)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，就會(huì)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(lái)判斷研究區(qū)域內(nèi)水資源的可持續(xù)利用情況［6］。

水資源生態(tài)盈余（赤字）=ECW-EFW

當(dāng)ECW＞EFW時(shí)，為水資源生態(tài)盈余；當(dāng)ECW=EFW時(shí)，為水資源生態(tài)平衡；當(dāng)ECW＜EFW時(shí)，為水資源生態(tài)赤字。

2.4 模型參數(shù)

水資源全球多年平均產(chǎn)水模數(shù)為3140m3/hm2［7］。國(guó)內(nèi)采用WWF2000 年核算的水資源全球均衡因子，為5.190。遼寧省遼河流域多年平均水資源量為59.83 億m3，流域面積為37927km2，二者的比值為遼寧省遼河流域多年平均產(chǎn)水模數(shù)，為1577m3/hm2，僅為全球多年平均產(chǎn)水模數(shù)的一半。區(qū)域水資源的產(chǎn)量因子為該區(qū)域水資源平均生產(chǎn)能力與世界水資源平均生產(chǎn)能力的比值，即遼河流域多年平均產(chǎn)水模數(shù)與全球多年平均產(chǎn)水模數(shù)的比值為遼寧省的產(chǎn)量因子，經(jīng)計(jì)算為0.502。

2.5 資料來(lái)源與流域數(shù)據(jù)處理

本研究需要通過(guò)水資源量、人口數(shù)量計(jì)算人均生產(chǎn)、生活、生態(tài)水資源消耗量。水資源量數(shù)據(jù)來(lái)源于《遼寧省水資源公報(bào)》（2012—2017 年），各年度各地區(qū)人口數(shù)量來(lái)源于《遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2012—2017 年），采用常住人口數(shù)據(jù)。遼河流域各地區(qū)用水量數(shù)據(jù)依據(jù)《遼寧省水資源評(píng)價(jià)成果（第二次）》計(jì)算。人口數(shù)據(jù)按照流域分區(qū)內(nèi)的行政區(qū)面積計(jì)算，見表4。

表4 遼河流域內(nèi)各行政區(qū)常住人口 單位：萬(wàn)人

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 人均水資源生態(tài)足跡變化分析

3.1.1 變化趨勢(shì)

根據(jù)水資源生態(tài)足跡模型公式，各行政區(qū)流域內(nèi)面積見表1，行政區(qū)內(nèi)常住人口見表4，根據(jù)流域內(nèi)用水總量和生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水量數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來(lái)源于2012—2017 年《遼寧省水資源公報(bào)》），逐年計(jì)算人均水資源生態(tài)足跡，計(jì)算結(jié)果見表5、圖1。由表5、圖1可知，人均水資源生態(tài)足跡同一地區(qū)各年份間變化不大，流域內(nèi)不同地區(qū)間數(shù)值相差較大。其中盤錦市和鐵嶺市人均水資源生態(tài)足跡值大于1hm2/人；撫順市和鞍山市人均水資源生態(tài)足跡較小，小于0.2hm2/人；阜新市、沈陽(yáng)市人均水資源生態(tài)足跡值在0.4hm2/人以內(nèi)；錦州市與總體人均水資源生態(tài)足跡接近，大于0.4hm2/人。

表5 遼河流域內(nèi)各行政區(qū)人均水資源生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果 單位：hm2/人

圖1 遼河流域各行政區(qū)人均水資源生態(tài)足跡變化

3.1.2 原因分析

遼河流域內(nèi)的7 個(gè)行政區(qū)中，鐵嶺市所占面積最大，為12407km2，遼河為鐵嶺市各類用水的主要來(lái)源。盤錦市在流域內(nèi)的面積較少，只有2478km2，主要為盤山縣、大洼縣，用水主要為灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水，用水效率較其他行業(yè)偏低，因此水資源生態(tài)足跡值偏大。

3.2 各類用水的水資源生態(tài)足跡變化分析

3.2.1 變化趨勢(shì)

計(jì)算遼河流域水資源賬戶下生產(chǎn)用水、生活用水、生態(tài)用水的水資源生態(tài)足跡，計(jì)算結(jié)果見表6。除阜新市、錦州市外，同一地區(qū)生產(chǎn)用水的水資源生態(tài)足跡在年際間總體上呈現(xiàn)輕微下降的趨勢(shì)，如沈陽(yáng)市的生產(chǎn)用水水資源生態(tài)足跡由2012 年的0.187hm2/人下降至2017 年的0.181hm2/人，其中2015 年與2016 年略有上升，是這兩年沈陽(yáng)市農(nóng)業(yè)用水量增加造成的。同一地區(qū)的生活用水和生態(tài)用水水資源生態(tài)足跡逐年增加。

表6 遼河流域各行政區(qū)逐年人均生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水水資源生態(tài)足跡 單位：hm2/人

遼河流域各地區(qū)，各類用水賬戶下的水資源生態(tài)足跡均呈現(xiàn)出與總的水資源生態(tài)足跡相同的趨勢(shì)。鐵嶺市、盤錦市的生產(chǎn)、生活用水水資源生態(tài)足跡較大，鞍山市及撫順市的偏小，沈陽(yáng)市、阜新市、錦州市居中。

3.2.2 原因分析

鐵嶺市、盤錦市是遼河流域的主要用水戶，且農(nóng)業(yè)用水量占比較大，用水效率及單位水資源產(chǎn)出均偏低。在流域各城市中，阜新市和錦州市的生產(chǎn)用水水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)出整體上升的趨勢(shì)，這兩座城市地處遼寧西北部，水資源稟賦較小，農(nóng)業(yè)及工業(yè)用水效率提高較慢，節(jié)水空間較小。其余城市生產(chǎn)用水水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)出小幅上漲又緩慢回落的趨勢(shì)，這與遼河流域2014 年、2015 年為偏枯年份，水資源量偏少，農(nóng)業(yè)用水量增加有關(guān)。

3.3 人均水資源生態(tài)承載力變化分析

對(duì)遼河流域內(nèi)7 個(gè)行政區(qū)的逐年人均水資源生態(tài)承載力進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算生態(tài)盈余，計(jì)算結(jié)果見表7。由表7 可知，流域總體生態(tài)承載力偏低，生態(tài)盈余為負(fù)值，隨著年份的增加，遼河流域生態(tài)承載力呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，生態(tài)赤字越發(fā)嚴(yán)重，且水資源生態(tài)承載力與降水量及水資源量呈現(xiàn)出密切相關(guān)性，2014 年、2015 年及2017 年的水資源生態(tài)承載力偏低，僅為0.08～0.10hm2/人，可見，水資源作為剛性約束，在遼河流域呈現(xiàn)出緊張態(tài)勢(shì)。同時(shí)，除鞍山市和撫順市外，遼河流域各市及遼河流域總體的水資源生態(tài)盈余均為負(fù)值，出現(xiàn)了水資源生態(tài)赤字，最嚴(yán)重的為盤錦市，生態(tài)赤字超過(guò)-1.00hm2/人，達(dá)到了-1.24hm2/人；鐵嶺市的生態(tài)盈余接近-1.00hm2/人；沈陽(yáng)市、阜新市、錦州市生態(tài)盈余為-0.30hm2/人左右，也應(yīng)引起足夠重視。結(jié)果表明雖遼河流域的水資源利用率維持在較高水平，水資源供需矛盾仍然突出，隨著生態(tài)用水量的增加，遼河流域的生態(tài)盈余缺失，生態(tài)赤字在流域大多數(shù)行政區(qū)常年存在，分布情況見圖2、圖3。

圖2 2017 年遼河流域生態(tài)足跡分布情況

圖3 2017 年遼河流域生態(tài)盈余分布情況

表7 遼河流域各市逐年人均水資源生態(tài)承載力計(jì)算 單位：hm2/人

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文依托遼河保護(hù)區(qū)河流健康修復(fù)課題和遼河流域生態(tài)高質(zhì)量發(fā)展研究課題，通過(guò)分析遼河流域基本情況，收集2012—2017 年遼河流域人口和水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)，基于生態(tài)足跡模型計(jì)算遼河流域人均水資源生態(tài)足跡和人均水資源生態(tài)承載力，分析遼河流域水資源人均稟賦情況，得到如下結(jié)論。

a.遼河流域出現(xiàn)了水資源生態(tài)赤字，供需矛盾長(zhǎng)期存在。?根據(jù)計(jì)算結(jié)果，遼河流域人均水資源生態(tài)承載力為0.10～0.22hm2/人，與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)相比，不足四川省的1/6，與延吉市相當(dāng)［8］；?水資源生態(tài)足跡同一地區(qū)各年份間變化不大，流域內(nèi)不同地區(qū)間數(shù)值相差較大，遼河流經(jīng)地區(qū)農(nóng)業(yè)用水較多，用水效率較其他行業(yè)偏低，水資源生態(tài)足跡值偏大；?同一地區(qū)生產(chǎn)用水的水資源生態(tài)足跡在年際間總體上呈現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)，同一地區(qū)的生活用水和生態(tài)用水水資源生態(tài)足跡逐年增加；?遼河流域各市及總體的水資源生態(tài)盈余多為負(fù)值，出現(xiàn)了水資源生態(tài)赤字。

b.遼河流域用水結(jié)構(gòu)單一，水資源利用效率偏低。通過(guò)本文研究分析，遼河流域7 個(gè)城市，農(nóng)業(yè)用水量占比為82%，工業(yè)用水占比為5%，用水結(jié)構(gòu)單一，單位水資源量產(chǎn)出效益偏低，流域水資源生態(tài)足跡偏大。

4.2 建議

a.應(yīng)重視水資源剛性約束，以水而定，量水而行，大力發(fā)展節(jié)約用水。遼河流域是遼寧省“十四五”治理的重點(diǎn)流域，全省正在打造遼河國(guó)家濕地公園，進(jìn)行高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃。通過(guò)本研究，梳理了遼河流域水資源生態(tài)足跡及承載力的時(shí)空變化趨勢(shì)，研究表明，遼河流域水資源生態(tài)赤字長(zhǎng)期存在，是制約遼河流域高質(zhì)量發(fā)展的第一要素。在規(guī)劃及發(fā)展研究中，應(yīng)重視水資源剛性約束的地位，大力發(fā)展節(jié)約用水。?應(yīng)改變農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局，提高灌溉水利用系數(shù)，從農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局、結(jié)構(gòu)、規(guī)模的角度，研究提高經(jīng)濟(jì)作物種植比例，發(fā)展膜下滴灌、微灌技術(shù)，將農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提到重要位置；?改變區(qū)域發(fā)展格局，從農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)為主向生態(tài)產(chǎn)業(yè)為主轉(zhuǎn)變，遼河流域內(nèi)主要以農(nóng)村及城鄉(xiāng)結(jié)合為主，應(yīng)將農(nóng)耕為主的農(nóng)村產(chǎn)業(yè)布局向以生態(tài)觀光、旅游型、生態(tài)型新農(nóng)村轉(zhuǎn)變，引導(dǎo)小微企業(yè)發(fā)展，以高效能替代高耗能，提高水資源利用效率和效益；?進(jìn)一步推進(jìn)工業(yè)節(jié)水改造，提高工業(yè)水重復(fù)利用率。

b.優(yōu)化水資源配置，統(tǒng)籌流域間輸配水工程。遼河流域水資源量短缺，經(jīng)過(guò)多年治理，遼河水質(zhì)逐年好轉(zhuǎn)，應(yīng)該深入研究流域水資源優(yōu)化配置，用好外調(diào)水。目前，遼寧省遼西北輸水工程及大伙房輸水工程均已建成通水，應(yīng)盡快完善遼河流域水資源優(yōu)化配置，增加遼河流域水資源生態(tài)承載力，推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)水資源供需再平衡。結(jié)合流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量較大的實(shí)際情況，研究農(nóng)業(yè)灌溉用水規(guī)律，建立農(nóng)業(yè)用水及生態(tài)用水耦合的生態(tài)調(diào)度規(guī)則，緩解流域生態(tài)用水壓力，促進(jìn)河道內(nèi)外生態(tài)水量再平衡。

c.加強(qiáng)流域綜合治理，促進(jìn)流域 高質(zhì)量發(fā)展。通過(guò)本文的分析計(jì)算，遼河流域水資源生態(tài)承載力偏低，流域內(nèi)7 個(gè)地區(qū)有5 個(gè)連續(xù)6 年出現(xiàn)了生態(tài)赤字，這一問(wèn)題應(yīng)引起技術(shù)人員和管理人員的足夠重視，多角度維護(hù)水資源的經(jīng)濟(jì)安全維系作用。探索一條系統(tǒng)化、綜合性的流域、區(qū)域統(tǒng)籌治理的高質(zhì)量發(fā)展的道路，從優(yōu)質(zhì)水資源、防洪保安全、宜居水環(huán)境、健康水生態(tài)等多個(gè)領(lǐng)域共同推進(jìn)。保護(hù)水生態(tài)環(huán)境，涵養(yǎng)水源，在流域內(nèi)或者跨流域?qū)嵤┥鷳B(tài)補(bǔ)償機(jī)制、水資源管理制度等非工程措施，加強(qiáng)流域綜合治理。