區(qū)域水資源生態(tài)承載力耦合模型研究

劉文錚

（遼寧江河水利水電新技術設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003）

水資源生態(tài)足跡是通過生態(tài)足跡變化與生態(tài)承載力比值進行比較，得到判定某一區(qū)域的水資源可持續(xù)利用的發(fā)展狀態(tài)，為今后該區(qū)域水資源開發(fā)利用提供科學依據(jù)。為了實現(xiàn)水資源系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)可持續(xù)利用，把生態(tài)足跡概念引入到水資源開發(fā)利用領域，與水資源承載力和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評價等方面相結合，得到廣泛應用[1-3]。

相關國家與研究學者在生態(tài)足跡與生態(tài)承載力研究方面已經(jīng)進入一定的發(fā)展階段，國外與國內(nèi)在這方面的研究切入點有所不同。在國外，主要探討的內(nèi)容是在水資源生態(tài)足跡中融入了水資源可持續(xù)發(fā)展與承載能力，并進行計算方法的改進等方面研究[4，5]。在國內(nèi)，許多學者研究主要是從時間尺度上進行水資源生態(tài)足跡研究，比如，賈焰等[6]運用生態(tài)足跡方法研究了石羊河流域水資源承載力與生態(tài)赤字問題；葛強等[7]建立龍川江典型流域水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的計算模型，評估各用水方式下的水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力特征；劉梅等[8]利用河北11 個行政區(qū)的水足跡和水足跡強度時間序列進行了分析，進一步探討了水足跡的時空差異。

在國內(nèi)外相關研究成果的基礎上，考慮遼寧省水資源特點，構建遼寧省水資源生態(tài)足跡模型，對水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力進行研究。通過結果比較，判斷遼寧省水資源承載力目前的承載狀況，為該省在水資源合理配置與可持續(xù)利用等方面提供指導性的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于中國東北地區(qū)南部，南臨黃海、渤海，地理位置118°～125°E、38°～43°N。截至2020年底[9]，全省平均降水量748.0 mm，折合降水總量1 088.34億m3，比多年平均值少10.3%。降雨量分配不均，主要集中在7—8 月，占全年降水量的48.3%。全省水資源總量397.11 億m3，比多年平均值多16.2%。2020 年全省耗水量86.31 億m3，綜合耗水率67%。境內(nèi)有大小河流400 余條，主要有遼河、渾河、大凌河、太子河、繞陽河以及界河鴨綠江等，組成遼寧省的主要水系。氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L氣候，四季分明，全年平均氣溫在7～11℃。2020 年，全省降水量、地表水資源量和水資源總量均多于多年平均值，地下水資源量少于多年平均值。與上年相比，水庫蓄水量有所增加，地下水水位總體平穩(wěn)。

2 材料與方法

2.1 用水賬戶劃分與原始數(shù)據(jù)來源

生態(tài)足跡的計算具有高度的可重復性和廣泛應用。根據(jù)遼寧省水資源公報統(tǒng)計用水內(nèi)容，主要包括了農(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)境用水等。結合遼寧省實際情況，水資源生態(tài)足跡又可以分為農(nóng)業(yè)、林牧漁畜業(yè)、工業(yè)和城鄉(xiāng)生活環(huán)境綜合用水足跡。

原始數(shù)據(jù)分別來自遼寧省水利廳編制的2017—2021 年的《遼寧省水資源公報》和遼寧省統(tǒng)計局編制的《遼寧省統(tǒng)計年鑒》等。

2.2 研究方法

以水資源可持續(xù)利用為方向，以水資源承載力計算為理論基礎，根據(jù)已有的相關成果，構建遼寧省水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力模型，其中包含水資源生態(tài)足跡模型、水資源生態(tài)承載力模型、人均水資源生態(tài)盈虧及赤字、萬元GDP 水資源生態(tài)足跡。

2.2.1 水資源生態(tài)足跡模型

水資源的生態(tài)足跡是將每個用水賬戶的耗水量折算成相應的土地利用面積，然后通過國家或地區(qū)水資源產(chǎn)量因子和水源均衡因子參數(shù)，進行平衡計算與分析，最終得到區(qū)域相互比較的均衡值。水資源生態(tài)足跡模型包括農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡中的農(nóng)業(yè)灌溉用水生態(tài)足跡、林牧漁畜用水生態(tài)足跡，工業(yè)用水生態(tài)足跡、城鎮(zhèn)公共用水生態(tài)足跡、生活用水生態(tài)足跡和生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡，建立模型為：

式中：WFef為水資源生態(tài)足跡（km2）；ωef為人均水資源生態(tài)足跡（km2/人）；WFa、WFf、WFi、WFc、WFl、WFe分別為農(nóng)業(yè)灌溉用水生態(tài)足跡、林牧漁畜用水生態(tài)足跡、工業(yè)用水生態(tài)足跡、城鎮(zhèn)公共用水生態(tài)足跡、生活用水生態(tài)足跡、生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡（km2）；Wa、Wf、Wi、Wc、Wl、We分別為農(nóng)業(yè)灌溉用水量、林牧漁畜用水量、工業(yè)用水量、城鎮(zhèn)公共用水量、生活用水量、生態(tài)環(huán)境用水量（m3）；γ為水資源全球均衡因子；P為世界水資源平均生產(chǎn)能力（m3/km2）；N為人口數(shù)量。

雖然，傳統(tǒng)媒體數(shù)字報收費遭遇了尷尬境遇，數(shù)字報紙付費模式尚未探尋到合適的發(fā)展模式。但是，隨著付費時代的到來，知識付費有望成為內(nèi)容盈利的新渠道，數(shù)字報紙要不斷探索適合自身特點的付費模式，努力扭轉發(fā)展不利的局面。

2.2.2 水資源生態(tài)承載力模型

水資源生態(tài)承載力是以滿足水資源生態(tài)足跡為目標，為某一地區(qū)在某一發(fā)展階段水資源提供支持資源-社會經(jīng)濟-環(huán)境發(fā)展的能力。考慮到一個國家或者地區(qū)的水資源承載能力中60%用于維護生態(tài)環(huán)境建設，因此水資源生態(tài)承載能力計算要乘以0.4的系數(shù)。其計算公式為：

式中：WFec為水資源生態(tài)承載力（km2）；N為人口數(shù)量；ωec為人均水資源生態(tài)承載力（km2/人）；ψ為水資源產(chǎn)量因子；γ為水資源全球均衡因子；Q為水資源總量（m3）；P為世界水資源平均生產(chǎn)能力（m3/km2）。

2.2.3 人均水資源生態(tài)盈虧及赤字

人均水資源生態(tài)盈虧及赤字就是指區(qū)域的人均水資源生態(tài)承載力與人均水資源生態(tài)足跡差額，能夠反映人均水資源可持續(xù)利用水平，ωrd為負值，說明生態(tài)赤字；ωrd為正值，說明生態(tài)盈余。其計算公式為：

2.2.4 萬元GDP水資源生態(tài)足跡

萬元GDP水資源生態(tài)足跡=WFef/GDP總值（10）

3 計算與分析

3.1 計算參數(shù)確定

水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力計算模型中參數(shù)較多，參考相關研究文獻，需要確定計算基本參數(shù)，包括世界水資源平均生產(chǎn)能力P、水資源全球均衡因子γ、水資源產(chǎn)量因子ψ，具體取值結果詳見表1。

表1 水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力計算參數(shù)[10，11]

3.2 綜合分析

遼寧省水資源生態(tài)足跡，詳見表2。遼寧省水資源生態(tài)足跡趨勢、水資源生態(tài)承載力趨勢、水資源生態(tài)盈虧及赤字變化及萬元GDP 水資源生態(tài)足跡變化，分別如圖1—4所示。

表2 遼寧省水資源生態(tài)足跡km2

圖1 遼寧省水資源生態(tài)足跡趨勢

根據(jù)表2結果可知，遼寧省各個用水情況的水資源生態(tài)足跡中農(nóng)田灌溉用水生態(tài)足跡大于工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水等水資源生態(tài)足跡。由圖1可以看出，遼寧省在近5 a內(nèi)水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)逐年下降趨勢，以2018年為界點，先極速下降后再緩慢下降，2017—2018年年均下降率達到1.67%，2018—2021年年均下降率為1.02%。人均水資源生態(tài)足跡2021年比2017年下降了2.14%，其人均水資源生態(tài)足跡變化趨勢與水資源生態(tài)足跡變化基本一致。主要下降原因是農(nóng)田灌溉用水、工業(yè)用水等呈現(xiàn)下降趨勢，林牧漁畜業(yè)、生態(tài)環(huán)境用水所占的比重比較少，總體用水量呈下降趨勢，導致水資源生態(tài)足跡也相應減小，說明推進重點工程和民生工程建設取得了一定效果。

由圖2 可以看出，遼寧省2017—2021 年水資源生態(tài)承載力呈現(xiàn)波動性變化，平均承載力為170 287.34 km2，呈現(xiàn)先升后降再升高趨勢，在2018年達到最高值285 857.93 km2，在2020年達到最低值為76 220.08 km2，最高值與最低值相差209 637.85 km2。同時，人均水資源生態(tài)承載力基本上與水資源生態(tài)承載變化趨勢一致，相似度極高，最高值與最低值變化達0.493 km2。

圖2 遼寧省水資源生態(tài)承載力趨勢

根據(jù)圖1與圖2比較，總的水資源生態(tài)足跡遠大于相應的水資源生態(tài)承載力，說明遼寧省水資源供給不足，不能滿足當前全省社會經(jīng)濟發(fā)展需要?？傮w來說，2017—2021 年遼寧省水資源生態(tài)盈虧及赤字出現(xiàn)了先增加后下降的趨勢。圖3 顯示，在2018年和2019 年出現(xiàn)水資源生態(tài)盈余，其余3 a 出現(xiàn)了負值，說明出現(xiàn)了水資源生態(tài)赤字，其中2020 年最為嚴重，人均水資源生態(tài)赤字達到了-0.372 km2。2018年和2019年水資源生態(tài)盈余是由于連續(xù)2 a降雨量非常充沛，分別達到了924.2、751.1 mm，相應的水資源總量也比其他年份增多，提高了水資源承載能力，出現(xiàn)生態(tài)赤字是由于在用水總量不變情況下水資源總量低于平均水平所致。

圖3 遼寧省水資源生態(tài)盈虧及赤字變化

從圖4 可以看出，遼寧省生產(chǎn)總值在逐年增加，5 a 的增長率為28.9%；萬元GDP 水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢，年均下降率為24.5%。這說明遼寧省的水資源開發(fā)利用率在逐漸增長，與社會經(jīng)濟快速發(fā)展趨勢是相一致的。

圖4 遼寧省萬元GDP水資源生態(tài)足跡變化

4 結論與建議

水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力能夠反映區(qū)域的水資源可持續(xù)利用與變化狀況。通過建立水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力模型，選取2017—2021 年為計算時段，計算遼寧省各個用水方式的水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力變化。在連續(xù)5 a內(nèi)，該省農(nóng)田灌溉用水生態(tài)足跡大于林牧漁畜業(yè)用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水、生活與生態(tài)用水的生態(tài)足跡，總的水資源生態(tài)足跡超過了水資源生態(tài)承載力，在2018 年和2019 年水資源出現(xiàn)生態(tài)盈余，其余各年出現(xiàn)生態(tài)赤字，2020 年達到最低值，生態(tài)赤字出現(xiàn)說明了不利于水資源的可持續(xù)利用。最后分析了萬元GDP 水資源足跡的變化，發(fā)展趨勢為逐年降低，說明水資源利用效率在不斷提高。

根據(jù)以上計算和分析結果，為保證遼寧省水資源的可持續(xù)利用，提出以下建議：①提高節(jié)水意識，改善農(nóng)林牧漁畜業(yè)用水方式；②改善水資源供需方式，消除水資源用水安全隱患；③建立水資源法律體系，加強水資源管理；④進行產(chǎn)業(yè)調(diào)整，提高水資源利用率。