基于能值水生態(tài)足跡的河南省水資源可持續(xù)利用評價

李友光，袁榆梁，李卓成，郭 溪

（1.信陽市浉河中小河流治理項目建設(shè)管理局，河南 信陽 464000； 2.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450003； 3.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

水資源是人類社會發(fā)展的源泉。 河南省作為人口大省，同時擔(dān)負(fù)著長江經(jīng)濟(jì)帶、黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略。 深入分析河南省水資源存量和開發(fā)利用狀況，可為水資源開發(fā)利用與保護(hù)決策提供參考。 生態(tài)足跡［1-2］可定量反映地區(qū)某種資源消耗情況，是一種對有限資源可持續(xù)利用狀況進(jìn)行有效判定的綜合評價方法。 隨著專家學(xué)者對傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型研究的深入，發(fā)現(xiàn)其有一定缺陷與不足［3］，因此有專家學(xué)者將能值理論融合到傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型中，對生態(tài)足跡模型進(jìn)行改進(jìn)和完善。 張芳怡等［4］采用傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型和能值生態(tài)足跡模型評價了江蘇省環(huán)境可持續(xù)發(fā)展情況，結(jié)果表明能值生態(tài)足跡模型與傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型相比，更貼切地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實際情況。 曾曉霞［5］將水資源賬戶納入能值生態(tài)足跡模型中提出了水資源能值生態(tài)足跡模型，該模型為完善能值生態(tài)足跡模型的賬戶體系提供了計算方法，但僅涉及淡水生態(tài)足跡。 劉珂伶等［6］在水資源能值生態(tài)足跡模型中引入?yún)^(qū)域水資源能值密度概念，優(yōu)化后的模型可以反映地區(qū)水資源利用狀況，但忽略了生物質(zhì)足跡對水資源生態(tài)足跡的影響。

筆者基于已有文獻(xiàn)，將能值理論和水生態(tài)足跡相結(jié)合，綜合考慮淡水生態(tài)足跡、水污染生態(tài)足跡和生物質(zhì)足跡建立能值水生態(tài)足跡模型，將地表水化學(xué)能、地下水化學(xué)能和雨水勢能作為水生態(tài)承載力建立能值水生態(tài)承載力模型，對河南省2008—2018 年水生態(tài)足跡和水生態(tài)承載力進(jìn)行測算和評價，分析河南省各地級市水生態(tài)足跡以及水生態(tài)承載力時空變化趨勢，并通過水生態(tài)盈虧和水資源壓力指數(shù)對河南省水資源利用狀況進(jìn)行評價，以期為河南省水資源可持續(xù)利用的政策制定和規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

河南省下轄18 個地級市，總面積16.7 萬km2，海河、長江、淮河、黃河均流經(jīng)河南。 河南省多年平均水資源總量為414 億m3，人均水資源量為440 m3，約為全國人均水資源量的20%。

研究涉及的不同產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)用水量、年降水量、地表或地下徑流量等水資源數(shù)據(jù)來自2008—2018 年《河南省水資源公報》以及同期各地級市水資源公報；廢污水排放量、水產(chǎn)品產(chǎn)量、區(qū)域面積等社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自于2008—2018 年《河南統(tǒng)計年鑒》。

2 研究方法

2.1 能值理論

能值是一種包被能，是地球上現(xiàn)存物質(zhì)在流動或貯存的能量中所囊括著另一種形式能量的數(shù)量［7］。地球內(nèi)的物質(zhì)能量以不同形式存在，能量之間不能直接進(jìn)行簡單地加減，但能量值均可以轉(zhuǎn)換為太陽能值，能值轉(zhuǎn)換率則是其得以相互轉(zhuǎn)換的一種途徑［8］。 能值計算公式為

式中：E為能值；B為資源或物質(zhì)的有效能；T為太陽能值轉(zhuǎn)換率。

2.2 能值水生態(tài)足跡模型

水生態(tài)足跡是將國家或地區(qū)為了滿足區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所消耗的水量轉(zhuǎn)換為具有特殊性質(zhì)的生物生產(chǎn)性土地面積［9］。 根據(jù)河南省實際，將能值水生態(tài)足跡一級賬戶劃分為淡水生態(tài)足跡、水污染生態(tài)足跡和生物質(zhì)足跡3 個二級賬戶，其中淡水生態(tài)足跡為城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活所消耗的淡水資源足跡（主要包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水足跡），水污染生態(tài)足跡主要是城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活所排放的廢污水足跡，生物質(zhì)足跡是生產(chǎn)各類水產(chǎn)品的足跡（簡稱水產(chǎn)品用水足跡）。 能值水生態(tài)足跡模型為

式中：Wefw、Weff、Wefp和Wefa分別為水生態(tài)足跡、淡水生態(tài)足跡、水污染生態(tài)足跡和生物質(zhì)足跡，hm2；Ci、Qi分別為第i種淡水用水量和廢污水排放量，m3；Wi為水產(chǎn)品產(chǎn)量，t；τfi為各類用水能值轉(zhuǎn)換率，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水能值轉(zhuǎn)換率分別為8.8×1011、1.6×1012、2.32×1012、1.26×1012sej／m3［10］；τpi為廢污水能值轉(zhuǎn)換率，取值為4.94×1012sej／m3［11］；τai為水產(chǎn)品能值轉(zhuǎn)換率，取值為2×106sej／t［11］；P為區(qū)域能值密度，河南省能值密度為4.57×1015sej／hm2［12］。

2.3 能值水生態(tài)承載力模型

水生態(tài)承載力是指區(qū)域水資源生態(tài)系統(tǒng)在一定社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段提供的水資源量最大限度維持區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)良好發(fā)展的能力［13］。 根據(jù)河南省水資源來源情況，將地表水化學(xué)能、地下水化學(xué)能和雨水勢能作為河南省水生態(tài)承載力［14］。 此外，區(qū)域水資源總量有限，為了保證生態(tài)系統(tǒng)正常運行，應(yīng)扣除不少于60%的水量來維持生態(tài)環(huán)境健康。

式中：Wefc為水生態(tài)承載力，hm2；Eg、Eu、Er分別為地表水化學(xué)能、地下水化學(xué)能和雨水勢能，sej；Pw為區(qū)域多年平均水資源能值密度，河南省Pw約為6.57×1014sej／hm2。

2.4 能值水生態(tài)足跡狀態(tài)評價

（1）水資源生態(tài)盈虧量。 水資源生態(tài)盈虧量用于判別區(qū)域水資源利用處于生態(tài)富余還是短缺，其主要通過比較區(qū)域水生態(tài)足跡與水生態(tài)承載力大小來確定［15］。 水資源生態(tài)盈虧量Wefd＝0，水資源供需處于平衡狀態(tài)，表明區(qū)域水生態(tài)承載力能夠滿足城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活用水需求；Wefd＞0 為水資源生態(tài)赤字，表明區(qū)域水資源需求大于供給，水資源短缺現(xiàn)象突出；Wefd＜0 為水資源生態(tài)盈余，表明區(qū)域水資源相對充足，與區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r相適應(yīng)。 其表達(dá)式為

（2）水資源壓力指數(shù)。 水資源壓力指數(shù)可以用來判斷區(qū)域水資源開發(fā)利用程度，其值為區(qū)域水生態(tài)足跡與水生態(tài)承載力的比值［16］。 當(dāng)水資源壓力指數(shù)Wepi接近于1 時，表明區(qū)域水資源供給量基本與消耗量齊平，處于水資源可持續(xù)發(fā)展的臨界狀態(tài)；當(dāng)0＜Wepi＜1 時，表明區(qū)域水資源供給勉強可以支撐其消費現(xiàn)狀和水平；當(dāng)Wepi＞1 時，表明區(qū)域水資源處于不可持續(xù)利用狀態(tài)，且Wepi值越大，區(qū)域水資源利用程度越高，此時應(yīng)采取措施提高水生態(tài)承載力。 其表達(dá)式為

3 結(jié)果與分析

3.1 河南省水生態(tài)足跡和水生態(tài)承載力隨時間演變規(guī)律

（1）河南省水生態(tài)足跡變化情況。 以河南省2008—2018 年用水量、生物質(zhì)產(chǎn)量以及廢污水排放量等相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算出河南省水生態(tài)足跡，見圖1。

圖1 河南省水生態(tài)足跡及構(gòu)成

2008—2018 年河南省水生態(tài)足跡呈穩(wěn)步上升趨勢，除2014 年外，水生態(tài)足跡表現(xiàn)為階梯式增長，2008—2011 年、2011—2013 年、2014—2018 年增長率分別為1.91%、2.62%、3.48%，多年平均增長率為2.67%。 2014 年河南省水生態(tài)足跡總量出現(xiàn)回落，其原因可能是，2013 年年底出臺了《河南省人民政府關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的實施意見》，水生態(tài)文明建設(shè)和節(jié)水型社會建設(shè)取得一定成效，農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水足跡明顯下降，但農(nóng)業(yè)用水足跡下降的同時生活用水足跡急劇上升，導(dǎo)致2015 年水生態(tài)足跡總量迅速回升。

農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、水污染、水產(chǎn)品、生態(tài)用水足跡對河南省水生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)不盡相同。 農(nóng)業(yè)用水足跡所占比重最大為26.11%，表明河南省水資源重點投入在農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)業(yè)相比于其他產(chǎn)業(yè)居于領(lǐng)導(dǎo)地位，但農(nóng)業(yè)用水足跡在11 a 間總體呈下降趨勢，多年平均下降率為1.8%，這與河南省建設(shè)節(jié)水型社會取得成效、農(nóng)業(yè)灌溉方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變相一致。 工業(yè)用水足跡占比約為20.31%，其總體呈平穩(wěn)上升而后緩慢下降的變化趨勢，2008—2012 年年均增長率為4.1%，但2012—2018年從212 萬hm2逐年減小到176 萬hm2，其原因是，河南省大型企業(yè)或工廠重視回水利用以及再生水循環(huán)使用，水資源鋪張浪費現(xiàn)象日趨減少。 生活用水足跡占比僅次于農(nóng)業(yè)和工業(yè)，為19.85%，2008—2014 年穩(wěn)定處于162 萬～177 萬hm2之間，但在2014 年后急劇上升，甚至在2018 年超越了農(nóng)業(yè)用水足跡，究其原因是，河南省人口數(shù)量不斷增加，人類活動需要消耗大量地表水或地下水資源，居民生活用水量大幅增加。 水污染生態(tài)足跡從2008 年的120 萬hm2增長到2015 年的180 萬hm2，年均增長率為4.25%，2015 年后保持在175 萬hm2左右，表明河南省廢污水排放呈增加趨勢，水污染治理應(yīng)高度重視。 水產(chǎn)品用水足跡保持穩(wěn)定上升趨勢，這主要與地區(qū)人口增加相關(guān)。 河南省水生態(tài)足跡構(gòu)成中所占比重最小的是生態(tài)用水足跡，占比不到3%，雖然占比較小，但從2008 年的22.8 萬hm2增長到2018 年的40.4 萬hm2，反映出河南省正在著力改善城鄉(xiāng)水生態(tài)環(huán)境。

（2）河南省水生態(tài)承載力隨時間變化情況。2008—2018 年河南省水生態(tài)承載力見圖2。 地表水生態(tài)承載力所占比重最大，平均占比為44.9%；其次是雨水，雨水生態(tài)承載力為156 萬～223 萬hm2，平均占比33.8%；地下水生態(tài)承載力最小，且多年變化幅度不大，多年平均值為122 萬hm2，平均占比21.3%。 河南省水生態(tài)承載力總量呈不規(guī)則變化，其變化趨勢與地表水生態(tài)承載力基本保持一致，2010 年達(dá)到最大值847 萬hm2，2013 年與2010 年相比下降了454 萬hm2，2013—2017 年水生態(tài)承載力年平均增速為17%。 總體來說，河南省水生態(tài)承載力相對較小，而且水資源以開發(fā)地表水為主，地表水的供給能力直接影響區(qū)域水生態(tài)承載力。

圖2 2008—2018 年河南省水生態(tài)承載力及構(gòu)成

3.2 河南省各地市水生態(tài)足跡空間分布

（1）水生態(tài)足跡空間分布情況。 2017 年河南省18 個地級市水生態(tài)足跡空間分布見表1。 河南省水生

態(tài)足跡空間分布比較零散，宏觀上呈現(xiàn)南多北少、東高西低的態(tài)勢，其中鄭州市最大為140.1 萬hm2，其次是信陽市和南陽市，分別為104.9 萬、103.1 萬hm2，三門峽、濟(jì)源、鶴壁市較小，約為鄭州市的15%。 水生態(tài)足跡越大，表明地區(qū)用水消耗越大，河南省南部地級市水資源消耗量比其他地級市高得多。

河南省各地級市水生態(tài)足跡構(gòu)成存在空間差異，見表1。 東區(qū)和北區(qū)農(nóng)業(yè)用水足跡比重最高，分別為29.04%和32.53%，其中東區(qū)平均值約為19 萬hm2，北區(qū)新鄉(xiāng)市達(dá)到最大值28.0 萬hm2，從經(jīng)濟(jì)發(fā)展角度可以得出，河南省東區(qū)和北區(qū)以第一產(chǎn)業(yè)為主；南區(qū)水生態(tài)足跡以水產(chǎn)品用水足跡為主，其占比約為32.41%，信陽市水產(chǎn)品生態(tài)足跡最高，為49.3 萬hm2，原因是南區(qū)臨近長江、淮河，水系發(fā)達(dá)，水資源相對充足，有利于漁業(yè)規(guī)?；a(chǎn)；中區(qū)人口基數(shù)相對較大，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多樣化，地區(qū)污染物排放量大，因此水污染生態(tài)足跡占比最高，約為26.35%，鄭州市水污染生態(tài)足跡最大，達(dá)到41.6 萬hm2，應(yīng)采取措施控制污染物排放，降低水資源消耗；西區(qū)水生態(tài)足跡最小，且各類用水結(jié)構(gòu)總體分布均衡。

表1 2017 年河南省各地級市水生態(tài)足跡 萬hm2

（2）水生態(tài)承載力空間分布情況。 2017 年河南省各地級市水生態(tài)承載力空間分布見圖3。 水生態(tài)承載力高值區(qū)依次為南區(qū)的信陽、南陽和駐馬店，其水生態(tài)承載力分別為189 萬、131 萬、105 萬hm2，其他地級市水生態(tài)承載力均小于49.7 萬hm2，北區(qū)鶴壁和濟(jì)源的較小，分別為4.62 萬、5.82 萬hm2，南北分布差異明顯。 究其原因可能是，南部地區(qū)降水量相比于其他地區(qū)大，多年平均降水量為892.3 mm，且南部地區(qū)水系較發(fā)達(dá)，地表水和地下水資源豐富，水資源承載力相對較大。

圖3 2017 年河南省各地級市水生態(tài)承載力分布

3.3 河南省水資源可持續(xù)利用評價

（1）時間變異。 2008—2018 年河南省水生態(tài)盈虧量和水資源壓力指數(shù)見圖4。 河南省水生態(tài)赤字總體呈“鋸齒”形波動，尤其是從2010 年的43.9 萬hm2急劇增大到2013 年的559 萬hm2，2013 年后生態(tài)赤字有所下降，2014—2018 年基本維持在372 萬～439 萬hm2之間。 河南省水資源利用一直處于生態(tài)赤字狀態(tài)，表明2008—2018 年水生態(tài)承載力從未超越水生態(tài)足跡，即使2013 年以后水資源狀況有所改善，供水矛盾依然嚴(yán)峻。 2008—2018 年水資源壓力指數(shù)始終大于1，甚至在2013 年達(dá)到2.42，說明河南省水資源正常供給量遠(yuǎn)不能滿足地區(qū)生產(chǎn)生活需求，水資源安全問題凸顯，水資源供給能力不足將會限制或阻礙地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。

圖4 2008—2018 年河南省水生態(tài)盈虧量和水資源壓力指數(shù)

（2）空間差異。 2017 年河南省各地級市水資源生態(tài)盈虧情況見表2，總體來看，南方地區(qū)水資源生態(tài)盈余，北方地區(qū)水資源生態(tài)赤字嚴(yán)重。 鄭州市水資源生態(tài)赤字最嚴(yán)重，高達(dá)125.40 萬hm2，水資源處于不可持續(xù)狀態(tài)。 鄭州市作為河南省中心城市，人口基數(shù)大，城市化和工業(yè)化水平高，城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活消費水資源量大。 南區(qū)南陽、信陽、駐馬店以及西區(qū)三門峽為水資源生態(tài)盈余，原因是，其分別與三門峽、小浪底和丹江口水庫等大型水利樞紐相鄰，以及南區(qū)和西區(qū)降水豐沛，人口密度相較其他地區(qū)的小。

表2 2017 年河南省各地級市水生態(tài)盈虧量和水資源壓力指數(shù)

2017 年河南省各地級市水資源壓力指數(shù)分布見表2，整體呈中間高四周低的分布特征，南陽、信陽、駐馬店、三門峽水資源壓力指數(shù)均小于1，說明該區(qū)域水資源壓力相對較小，建議水資源充沛地區(qū)可以適當(dāng)降低地下水開采量，合理調(diào)度水資源；除了上述地級市外，其余地級市受水資源量、人口基數(shù)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素影響，水資源壓力指數(shù)遠(yuǎn)大于1，特別是濮陽和鄭州，水資源壓力指數(shù)分別為6.64、9.51，計算結(jié)果與已有研究基本一致［17］，表明河南省中東部地區(qū)水資源生態(tài)環(huán)境脆弱，僅依賴當(dāng)?shù)厮Y源量已不能滿足城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活需求，應(yīng)及時調(diào)整水資源配置，在合理開發(fā)水資源的前提下，保證河南省整體用水安全。

4 結(jié) 語

2008—2018 年河南省水生態(tài)足跡總體呈波動上升趨勢，各項子足跡的貢獻(xiàn)率排序依次為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、水污染、水產(chǎn)品和生態(tài)用水足跡；河南省水生態(tài)承載力整體不足；在研究時段內(nèi)河南省水生態(tài)足跡遠(yuǎn)超水生態(tài)承載力，水資源利用處于生態(tài)赤字狀態(tài)，而且歷年水資源壓力指數(shù)均大于1，水資源供給能力不能滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。 空間上，2017 年河南省各地級市水生態(tài)足跡存在區(qū)域差異，農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水足跡最大的是東區(qū)和北區(qū)，而南區(qū)和西區(qū)分別以水產(chǎn)品、水污染足跡為主；水生態(tài)承載力高值區(qū)分布在西區(qū)和南區(qū)，南陽、信陽、駐馬店以及三門峽呈水資源生態(tài)盈余狀態(tài)，鄭州市水生態(tài)赤字最嚴(yán)重、水資源處于不可持續(xù)利用狀態(tài)。 河南省各地級市水資源消耗程度不同，除了南區(qū)以及西區(qū)三門峽水資源壓力指數(shù)小于1 外，其余地級市水資源壓力指數(shù)相對較大，水資源可持續(xù)利用受限。