滹沱河流域山西段水資源生態(tài)承載力研究

席梅竹，翟晗雨，陶能欽，周 麗

(1.忻州師范學(xué)院 地理系，山西 忻州 034000；2.忻州師范學(xué)院 物理系，山西 忻州 034000)

1 引言

水資源是生物賴以生存的基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展和人口的增加，人類生產(chǎn)、生活活動對水資源的需求越來越大，導(dǎo)致水資源短缺和水體惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)[1]。因此，區(qū)域水資源數(shù)量、質(zhì)量的準(zhǔn)確核算以及水資源承載力的評價已經(jīng)成為促進區(qū)域水資源的合理利用及保護，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要研究內(nèi)容。不同學(xué)者嘗試使用生態(tài)足跡模型[2]、物源可拓模型[3]、超效率DEA模型[4]、耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型[5]等不同模型對不同區(qū)域水資源的可持續(xù)利用狀況進行評價，其中，水資源生態(tài)足跡模型是一種通過比較水資源供給量與人類的需求情況，進而判斷區(qū)域生態(tài)環(huán)境能否持續(xù)推動經(jīng)濟社會發(fā)展的定量評價模型，該模型具有直觀、易用的優(yōu)勢，因此水資源生態(tài)足跡模型在水資源可持續(xù)利用評價中得到廣泛使用[6，7]。趙博利用生態(tài)足跡模型對遼河流域各行政區(qū)2012～2017年的水資源生態(tài)足跡與承載力進行了時空變化分析[8]。盧亞麗利用生態(tài)足跡模型和GIS分析方法對長江經(jīng)濟帶水資源承載力時空變化特征進行了研究[9]。郝帥采用ESTDA框架對中國31個省份2000～2018年水資源生態(tài)足跡廣度和深度以及生態(tài)壓力方面進行了評價[10]。黃佳利用生態(tài)足跡模型對山東省水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力進行了研究，并在此基礎(chǔ)上分析了城市建設(shè)、經(jīng)濟社會發(fā)展與水資源生態(tài)承載力及生態(tài)足跡之間的相關(guān)性[11]。滹沱河流域山西段屬京津冀地表水源地的上游地區(qū)，區(qū)域用水安全狀況關(guān)系到整個流域的生態(tài)安全及用水安全，因此應(yīng)用水資源生態(tài)足跡模型對滹沱河流域山西段2011～2018年水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力進行定量測定，并在此基礎(chǔ)上計算分析其生態(tài)盈虧和生態(tài)足跡強度的變化趨勢，以期為滹沱河流域山西段制定科學(xué)合理的用水規(guī)劃、實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)保護提供科學(xué)參考。

2 研究區(qū)概況

滹沱河發(fā)源于山西省忻州市繁峙縣境內(nèi)橋兒溝村，在山西省境內(nèi)流經(jīng)忻州市、繁峙縣、代縣、原平市、忻府區(qū)、定襄縣、五臺縣和陽泉市盂縣7個縣、市(區(qū))，流長250.71 km，占滹沱河總流長的42.71%。滹沱河流域山西段地理位置介于37°37′～39°27′N，112°17′～114°03′E，境內(nèi)支流較多，流域面積18856 km2，其中,烏河為最大支流，陽武河次之。研究區(qū)地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。2011～2018年平均降水量101.39億m3537.71 mm，占全省年平均降水量的11.65%。2011～2018年滹沱河流域山西段平均水資源總量占山西省水資源總量的12.68%，平均總供水量和總用水量分別為7.4468億m3、7.4467億m3，供需水量基本保持平衡。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域面積、水資源總量、萬元GDP用水量、各類用水總量和總用水量均來自2011～2018年的《山西省水資源公報》(表1)。

3.2 研究方法

3.2.1 水資源生態(tài)足跡

為了使滹沱河流域山西段水資源生態(tài)足跡計算更加全面準(zhǔn)確，根據(jù)《山西省水資源公報》中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將水資源賬戶分為生產(chǎn)用水、生活用水和生態(tài)用水3個二級賬戶，生產(chǎn)用水分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和城鎮(zhèn)公共用水三類，其中農(nóng)業(yè)用水包括農(nóng)田灌溉用水和林業(yè)、漁業(yè)、畜牧用水。各類用水足跡的計算公式如下:

(1)

式(1)中：EFW為水資源生態(tài)足跡，hm2；N為研究區(qū)域人口數(shù)量，人；efW為人均水資源生態(tài)足跡，hm2/人；γ為水資源全球均衡因子；Q為水資源的用水總量，m3；PW為水資源全球平均生產(chǎn)能力,m3/hm2。

表1 2011～2018年滹沱河流域山西段水資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2.2 水資源生態(tài)承載力

水資源生態(tài)承載力主要表現(xiàn)為水資源對生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)良性發(fā)展的支撐能力[12]。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，在計算水資源生態(tài)承載力時需要扣除60%用于大自然平衡的運行，剩余的40%才是該區(qū)域水資源可利用的部分[13]。生態(tài)承載力表達式為:

(2)

式(2)中:ECW為水資源生態(tài)承載力，hm2；N為研究區(qū)域人口數(shù)量，人；eCW為人均水資源生態(tài)承載力，hm2/人；δ為研究區(qū)域水資源的產(chǎn)量因子；γ為水資源全球均衡因子；Q為研究區(qū)域水資源總量，m3；PW為水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2。

3.2.3 水資源生態(tài)赤字或盈余模型

水資源生態(tài)赤字或盈余(EDW)模型是用來衡量研究區(qū)域內(nèi)水資源是否滿足社會發(fā)展需要的參數(shù)[14]，其結(jié)果是由該研究區(qū)域內(nèi)的水資源生態(tài)足跡與水資源生態(tài)承載力相減得到。公式如下:

EDW=EFW-ECW

(3)

當(dāng)EFW>ECW時，表示該研究區(qū)域為水資源生態(tài)赤字，ECW無法支撐起EFW，區(qū)域水資源供給無法滿足社會發(fā)展的需要；當(dāng)EFW=ECW時,表示該研究區(qū)域內(nèi)的水生態(tài)處于平衡，ECW正好能支撐起EFW，水資源基本滿足社會發(fā)展的需要；當(dāng)EFW

3.2.4 水資源生態(tài)足跡強度模型

生態(tài)足跡強度(ESW)是衡量研究區(qū)域內(nèi)水資源利用率的參數(shù)，其結(jié)果是由該研究區(qū)域內(nèi)的水資源全球均衡因子乘以該研究區(qū)域內(nèi)的萬元GDP再除以水資源全球平均生產(chǎn)能力得到。ESW越小說明該研究區(qū)域內(nèi)的水資源利用效率越高,ESW越大說明該研究區(qū)域內(nèi)的水資源利用效率越低[15]。計算公式如下:

(4)

式(4)中，ESW為水資源生態(tài)足跡強度，hm2/104；γ為水資源全球均衡因子；L為研究區(qū)域的萬元GDP用水量,m3/104；PW為水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2。

3.3 主要參數(shù)的確定

參考相關(guān)研究結(jié)果，水資源全球平均生產(chǎn)能力確定為3140 m3/hm2[16]，水資源全球均衡因子采用世界自然基金會2002年核算值5.19[13]。區(qū)域水資源產(chǎn)量因子是相對于全球范圍定義下的產(chǎn)量因子[17]，計算公式如下:

ψ=Wc×Wa=(VW/Pc)×Wa

=[Z/(S×Pc)]×Wa

(5)

式(5)中：ψ為全球范圍內(nèi)某區(qū)域的水資源產(chǎn)量因子；Wc為國家范圍內(nèi)某地區(qū)水資源產(chǎn)量因子；Wa為全球范圍內(nèi)某國家水資源產(chǎn)量因子；VW為中國境內(nèi)某地區(qū)多年平均單位面積產(chǎn)水量，m3/hm2；Pc中國多年平均單位面積產(chǎn)水量，m3/hm2;Z為研究區(qū)域水資源總量，m3；S為研究區(qū)面積，hm2。參考相關(guān)研究結(jié)果[17]，全球范圍內(nèi)中國水資源產(chǎn)量因子取0.94，中國平均多年單位面積產(chǎn)水量取2946 m3/hm2。滹沱河流域山西段的面積為18856 km2,滹沱河流域山西段2011～2018年的平均水資源總量為15.04×108m3，根據(jù)公式(5)計算出滹沱河流域山西段水資源產(chǎn)量因子約為0.25。

4 結(jié)果與分析

4.1 滹沱河流域山西段水資源生態(tài)足跡的動態(tài)變化

滹沱河流域山西段2011～2018年水資源生態(tài)足跡從2011年的126.04×104hm2下降到2018年的124.06×104hm2，總體上呈現(xiàn)波動下降趨勢，下降幅度為1.57%，其中2011～2012年下降幅度最大為4.34%，2012～2013年上升幅度最大為3.69%(表2，圖1)。2011～2018年各類用水生態(tài)足跡中，生產(chǎn)用水生態(tài)足跡所占比例最大，平均生產(chǎn)用水足跡占水資源總生態(tài)足跡的80.77%，表明生產(chǎn)用水是滹沱河流域山西段用水的主要去向，而生活用水足跡和生態(tài)用水足跡在總用水足跡中占比均較小，分別為13.09%和6.13%，生產(chǎn)、生活、生態(tài)三類水資源生態(tài)足跡存在較大差異，滹沱河流域山西段要實現(xiàn)區(qū)域水資源節(jié)約利用，關(guān)鍵在于降低生產(chǎn)領(lǐng)域中的用水量。三類水資源生態(tài)足跡也呈現(xiàn)不同的變化趨勢其中，生產(chǎn)用水足跡總體上呈現(xiàn)下降趨勢，生產(chǎn)用水足跡從2011年的104.54×104hm2下降到2018年的98.60×104hm2，下降幅度為5.68%；生活用水足跡從2011年的13.50×104hm2上升到2018年的17.22×104hm2，上升幅度高達26.80%，始終呈現(xiàn)上升趨勢；生態(tài)用水足跡從2011年的7.92×104hm2到2018年的8.25×104hm2，上升幅度為4.17%，其中2015年生態(tài)環(huán)境用水足跡最大，為8.77×104hm2，生態(tài)用水足跡呈波動上升趨勢(表2，圖2(a))。三者比例逐漸趨向合理，但生產(chǎn)用水足跡在三類用水足跡中所占比例仍最高。

表2 2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態(tài)足跡 104 hm2

圖1 2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態(tài)足跡的變化

2011～2018年生產(chǎn)用水足跡中，農(nóng)業(yè)用水是生產(chǎn)用水的重要組成部分，年平均農(nóng)業(yè)用水量占年平均生產(chǎn)用水量的73.86%，農(nóng)業(yè)用水量從2011年的77.96×104hm2下降到2018年的71.91×104hm2，下降幅度為7.76%。在農(nóng)業(yè)用水中，有93.82%的用水量應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，剩余6.18%的用水量廣泛用于林、牧、漁、蓄各個行業(yè)。農(nóng)業(yè)灌溉用水量從2011年的73.28×104hm2下降到2018年的67.44×104hm2，下降幅度為7.97%，林、牧、漁、畜各個行業(yè)用水量從2011年的4.67×104hm2下降到2018年的4.47×104hm2，下降幅度為4.28%。工業(yè)用水量總體上呈現(xiàn)下降趨勢，從2011年的24.15×104hm2下降到2018年的23.91×104hm2，下降了0.99%。平均工業(yè)用水量占平均生產(chǎn)用水量的23.55%。城鎮(zhèn)公共用水整體上呈現(xiàn)增長趨勢，從2011年的2.43×104hm2上升到2018年的2.78×104hm2，增長了14.40%，平均城鎮(zhèn)公共用水是平均生產(chǎn)用水中占比最小的一部分，僅為2.62%(表2，圖2(b))。由此可以看出:在生產(chǎn)用水中，城鎮(zhèn)公共用水雖有所增加，但是農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水在生產(chǎn)用水足跡中的占比仍然很大，而生產(chǎn)用水是滹沱河流域山西段用水的重要組成部分，因此，農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水是河流用水的主要用途。

4.2 滹沱河流域山西段水資源生態(tài)承載力的動態(tài)變化

2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態(tài)承載力呈波動上升趨勢，2015年水資源生態(tài)承載力最小為19.22×104hm2，2016年水資源生態(tài)承載力最大為31.09×104hm2，平均水資源生態(tài)承載力為24.86×104hm2(表3，圖3)。區(qū)域水資源對生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)發(fā)展支撐能力在不斷地提高。區(qū)域水資源生態(tài)承載力與年平均降水量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.52(圖4)。

4.3 滹沱河流域山西段水資源生態(tài)赤字或盈余的動態(tài)變化

2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態(tài)足跡遠(yuǎn)大于生態(tài)承載力，水資源均處于生態(tài)赤字狀態(tài)，但是水資源生態(tài)赤字整體呈縮小趨勢，從2011年的102.84×104hm2下降為2018年的95.74×104hm2，下降幅度為6.90%(表4，圖5)。水資源生態(tài)赤字變化趨勢與水資源生態(tài)足跡變化趨勢一致，與相同時間段內(nèi)的水資源生態(tài)承載力的變化呈反比關(guān)系(圖1)。如果水資源生態(tài)承載力上升，則生態(tài)赤字下降，說明2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態(tài)承載力無法支撐起水資源生態(tài)足跡，導(dǎo)致生態(tài)赤字波動較大。因此，可以認(rèn)為水資源生態(tài)赤字一直高居不下，滿足不了經(jīng)濟社會發(fā)展中生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水需求，同時水資源調(diào)控力度不大，不利于滹沱河流域山西段經(jīng)濟和社會的健康發(fā)展。

圖2 2011～2018年滹沱河流域山西段生態(tài)足跡構(gòu)成及變化

4.4 滹沱河流域山西段水資源生態(tài)足跡強度的動態(tài)變化

滹沱河流域山西段水資源生態(tài)足跡強度總體呈迅速下降趨勢，從2011年的0.139 hm2(104元)-1迅速下降到2015年的0.116 hm2(104元)-1，然后緩慢上升到2016年的0.117 hm2(104元)-1，最后迅速下降到2018年的0.093 hm2(104元)-1(表5，圖6)。除了2012～2016年水資源生態(tài)足跡強度處于穩(wěn)定外，其余年間都處于迅速下降趨勢，表明滹沱河流域山西段水資源利用效率在不斷提高，供需矛盾有所緩解，這與山西省實施節(jié)水型生態(tài)保護措施有著密切的關(guān)系。

表3 2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態(tài)承載力

圖3 2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態(tài)

承載力的變化

圖4 2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態(tài)承載力

表4 滹沱河流域山西段2011～2018年水資源生態(tài)赤字

表5 滹沱河流域山西段2011～2018年水資源生態(tài)足跡強度

圖5 滹沱河流域山西段水資源生態(tài)赤字的變化趨勢

圖6 滹沱河流域山西段水資源生態(tài)足跡強度的變化趨勢

5 結(jié)論與建議

本文利用水資源生態(tài)足跡模型計算了滹沱河流域山西段的水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，并在此基礎(chǔ)上利用生態(tài)赤字(盈余)模型和生態(tài)足跡強度模型對區(qū)域用水安全進行了評價。得到以下結(jié)論:

(1)2011～2018年生產(chǎn)用水是滹沱河流域山西段用水的主要去路，整體呈下降趨勢，而生活用水和生態(tài)環(huán)境用水所占比例呈緩慢上升趨勢，三類用水結(jié)構(gòu)比例逐漸趨向合理，但生產(chǎn)用水所占比例仍最高。

(2)2011～2018年在生產(chǎn)用水足跡中，農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水足跡占比仍較高，但水資源生態(tài)足跡總量呈不斷下降趨勢，而城鎮(zhèn)公共用水生態(tài)足跡占比較低，但是城鎮(zhèn)公共用水生態(tài)足跡呈逐年上升趨勢。

(3)2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態(tài)承載力呈波動上升趨勢，說明該流域水資源對生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)的發(fā)展支撐能力在不斷提高；同時水資源生態(tài)足跡呈波動下降趨勢，生態(tài)赤字逐漸縮小，區(qū)域水資源安全性逐步提高。

(4)除2012～2016年滹沱河流域山西段水資源生態(tài)足跡強度基本保持穩(wěn)定外，其余年間水資源生態(tài)足跡強度均呈迅速下降趨勢，表明滹沱河流域山西段水資源利用效率在不斷提高，供需矛盾有所緩解，這與山西省開展節(jié)水型生態(tài)保護工程有著密切的關(guān)系。

滹沱河流域山西段應(yīng)做好水資源的開源節(jié)流工作，不斷提高水資源在農(nóng)業(yè)和工業(yè)上的利用率。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)因地制宜地調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，山區(qū)實施旱作農(nóng)業(yè)，平川地區(qū)通過積極推廣噴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)和抗旱保水等新型技術(shù)，實施高效農(nóng)業(yè)。工業(yè)生產(chǎn)中，在嚴(yán)格控制污水達標(biāo)排放的同時，不斷提高工業(yè)廢水的處理技術(shù)和綜合利用能力，此外，通過各種形式的宣傳活動，增強居民節(jié)水意識，提高城鎮(zhèn)生活用水利用率，同時嚴(yán)格實施雨、污水的分流回收處理，做好處理后中水在生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的再利用，從而在一定程度上減輕供水壓力。同時可以通過建立跨流域調(diào)水、引水、提水等工程，提高滹沱河的調(diào)蓄能力和綜合管理能力，使水資源能夠得到充分的保護，進而提高水資源的生態(tài)承載力，實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。