遼寧省水資源生態(tài)足跡時(shí)空特征及其影響因素分析

朱正如，湛雅琪，曹永強(qiáng)，姜俊超

(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

1 研究背景

水資源危機(jī)是21世紀(jì)影響人類社會(huì)生存和發(fā)展的嚴(yán)重問題。據(jù)相關(guān)研究表示，遼寧省水資源總量呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，人均水資源量?jī)H占全國(guó)平均水平的1/3，是我國(guó)嚴(yán)重缺水的省份之一。人口數(shù)量加速上升，用水需求也隨之增大，而水資源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展布局不匹配也加劇了水資源供需的不平衡，更加拓寬了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步與可持續(xù)發(fā)展之間的鴻溝[1]。為了加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)，推進(jìn)水資源的可持續(xù)利用，需進(jìn)一步了解遼寧省的用水狀況，采取更加科學(xué)的管理規(guī)劃與相應(yīng)的措施，提高水資源利用效率。

生態(tài)足跡的概念和計(jì)算方法源于加拿大學(xué)者William E.Rees，1999年我國(guó)學(xué)者徐中民等[2]首次引入并分析了甘肅省的生態(tài)足跡，水資源生態(tài)足跡模型也在研究人員對(duì)生態(tài)足跡理論不斷探究與應(yīng)用中逐漸形成。近年來，許多學(xué)者將水資源情況與生態(tài)足跡模型結(jié)合起來討論遼寧省的水資源利用狀況與水資源可持續(xù)潛力，其中，羅娜[3]研究了2002—2010年遼寧省水資源生態(tài)足跡和水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化，并用自回歸滑動(dòng)平均(ARMA)模型預(yù)測(cè)了2011—2015年水資源生態(tài)足跡時(shí)間序列變化；周悅等[4]將水資源賬戶分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水賬戶，構(gòu)建本省適宜的萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)模型，總結(jié)出省內(nèi)的水資源盈虧現(xiàn)狀；劉學(xué)軍[5]建立了水資源生態(tài)壓力測(cè)度模型，探索遼寧省內(nèi)水資源生態(tài)壓力的空間關(guān)聯(lián)度。20世紀(jì)80年代初，國(guó)外研究人員首次提出指數(shù)因素分解法[6-7]，將其應(yīng)用于工業(yè)用電變化趨勢(shì)及能源利用的變動(dòng)機(jī)理的分析[8]，把單個(gè)的目標(biāo)變量分解成多個(gè)影響因素的組合，并分別計(jì)算各因素的影響程度。指數(shù)因素分解法對(duì)于變量不多且涉及時(shí)間序列的數(shù)據(jù)群分解效果良好，已被廣泛應(yīng)用于能源及環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域，方偉成等[9]采用對(duì)數(shù)平均迪氏指數(shù)法(LMDI)分解模型對(duì)東莞市2000—2011年間水資源生態(tài)足跡的影響因素進(jìn)行研究，顯示了指數(shù)因素分解法對(duì)水資源利用效率與其動(dòng)態(tài)變化研究具有顯著的指導(dǎo)作用。

本文基于生態(tài)足跡模型對(duì)遼寧省2010—2019年水資源生態(tài)足跡變化進(jìn)行分析，通過LMDI分解模型對(duì)其變化的影響因素分解分析，以期為遼寧省水資源可持續(xù)利用與管理提供參考。

2 研究區(qū)概況

遼寧省位于我國(guó)東北部，整體為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降水量為60～1 100 mm；省內(nèi)面積為14.8萬(wàn)km2，以山地丘陵和平原地貌為主；省內(nèi)河流水域眾多，河流含沙量大且河道平緩；遼寧省處于中國(guó)東北農(nóng)業(yè)和工業(yè)發(fā)展的核心區(qū)域，然而省內(nèi)的人均水資源擁有量卻始終低于全國(guó)水平，其水資源生態(tài)發(fā)展的可持續(xù)性將直接影響到我國(guó)東北部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)性和生態(tài)環(huán)境安全[10]。

3 研究方法與數(shù)據(jù)來源

3.1 水資源生態(tài)足跡分析

區(qū)域內(nèi)的水資源消耗在生態(tài)上可以表現(xiàn)為水資源生態(tài)足跡[11]，也可以通過多種的水資源消耗賬戶反映具體情況。據(jù)此，結(jié)合遼寧省的實(shí)際情況，建立農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境用水四類子賬戶[12]，計(jì)算模型為

WEF=Nwef=Nγw(W/Pw) 。

(1)

式中：WEF為水資源生態(tài)足跡(hm2·104)；N表示人口總數(shù)(104cap)；wef為人均水資源生態(tài)足跡(hm2/cap)；γw為水資源的全球均衡因子；W為人均水資源消耗量；Pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力。參考已有研究[13]，確定γw為5.19，Pw為3 140 m3/hm2。

水資源生態(tài)承載力[14]表示水資源利用的某一階段，水資源的最大供給量可供支撐某區(qū)域生產(chǎn)、生活和生態(tài)的能力[15]，一般在水資源生態(tài)承載力的計(jì)算中要扣除60%用于維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，保持生態(tài)平衡，具體模型為

WEC=Nwec=0.4φγwQ/Pw。

(2)

式中：WEC為水資源生態(tài)承載力(hm2·104)；wec為人均水資源生態(tài)承載力(hm2/cap)；φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子；Q為水資源總量(m3)。

將區(qū)域水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力進(jìn)行比較得出水資源生態(tài)盈虧指數(shù)[16]，該指數(shù)可以客觀反映區(qū)域水資源供需狀況，表達(dá)式為

WED=WEC-WEF。

(3)

3.2 基于LMDI模型的水資源生態(tài)足跡影響因素分析

拉氏(Laspeyres)指數(shù)因素分解法與迪氏(Divisia)指數(shù)因素分解法[17]在指數(shù)因素分解法中應(yīng)用較廣泛，其中對(duì)數(shù)平均迪氏指數(shù)分解法[18](LMDI)可以有效地解決分解過程中出現(xiàn)的“0”值和殘差情況[19]，具體為：

Δeft=eft-ef0=Δefl+ΔefR+ΔefP。

(5)

式中：efit為t年第i類(農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活 、生態(tài)環(huán)境)水資源生態(tài)足跡(萬(wàn)hm2)；eft為t年水資源生態(tài)足跡(萬(wàn)hm2)；yt為t年的地區(qū)生產(chǎn)總值GDP(億元)；Pt為t年的常住人口數(shù)(萬(wàn)人)；ef0為遼寧省2010年(基準(zhǔn)年)的水資源生態(tài)足跡(萬(wàn)hm2)；ΔefS、ΔefI、ΔefR、ΔefP分別為結(jié)構(gòu)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和人口因素[17]引起的水資源生態(tài)足跡變化量(萬(wàn)hm2)。

(6)

(7)

(8)

(9)

3.3 數(shù)據(jù)來源

水資源利用數(shù)據(jù)參考自2010—2019年《遼寧省水資源公報(bào)》[20]，GDP與人口數(shù)據(jù)來自2011—2019年《遼寧統(tǒng)計(jì)年鑒》[21]及2019年《遼寧省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[22]的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 人均水資源生態(tài)足跡的時(shí)空變化分析

2010—2019年遼寧省人均水資源生態(tài)足跡如圖1所示。遼寧省2010—2015年人均水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)較小的浮動(dòng)，2015年以后呈下降趨勢(shì)，到2019年的降幅為0.056 hm2。遼寧省內(nèi)各行政區(qū)的人均水資源生態(tài)足跡差異較大，朝陽(yáng)市、葫蘆島市人均水資源生態(tài)足跡較小，遼陽(yáng)市、盤錦市人均水資源生態(tài)足跡較高。各行政區(qū)的人均水資源生態(tài)足跡年際變化主要有3類(圖1)：①先平穩(wěn)后下降型，包括沈陽(yáng)市和本溪市，兩市2010—2015年趨于平穩(wěn)，2016—2019年顯著下降，沈陽(yáng)市降幅為0.061 hm2，本溪市降幅為0.045 hm2；②基本穩(wěn)定型，主要是大連市、錦州市和葫蘆島市；③先上升后下降的倒“U”型，包括撫順市、丹東市、營(yíng)口市、阜新市、盤錦市；④波動(dòng)下降型，包括朝陽(yáng)市、鞍山市、遼陽(yáng)市、鐵嶺市，年均下降率分別為2.485%、1.527%、1.293%、1.059%。

圖1 遼寧省2010—2019年人均水資源生態(tài)足跡

2010—2019年遼寧省人均水資源生態(tài)足跡的均值為0.509 hm2/人，與遼寧省相比，6個(gè)行政區(qū)的資源生態(tài)足跡平均值高于全省，分別是：盤錦市1.595 hm2/人，遼陽(yáng)市0.910 hm2/人，丹東市0.659 hm2/人，沈陽(yáng)市0.584 hm2/人，營(yíng)口市0.547 hm2/人，鐵嶺市0.538 hm2/人。低于平均值的有8個(gè)，分別是：朝陽(yáng)市0.233 hm2/人，葫蘆島市0.245 hm2/人，阜新市0.318 hm2/人，本溪市0.390 hm2/人，大連市0.408 hm2/人，錦州市0.440 hm2/人，鞍山市0.465 hm2/人，撫順市0.503 hm2/人。據(jù)上述分析得出：盤錦市人均源生態(tài)足跡年均值為省內(nèi)最高，而朝陽(yáng)市最低，兩者相差高達(dá)6.85倍，其中經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平對(duì)人均水資源生態(tài)足跡的變化有一定的影響，盤錦市位于遼寧省中部地區(qū)，是遼寧省的重要樞紐，也是遼河三角洲中心地帶，地區(qū)工業(yè)發(fā)展迅速，用水量隨之增長(zhǎng)，在遼寧省內(nèi)人均水資源生態(tài)足跡較大；朝陽(yáng)市位于遼寧西部，以山地丘陵為主，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較緩，沒有突出產(chǎn)業(yè)活動(dòng)拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，地區(qū)人均水資源生態(tài)足跡較小。

4.2 人均水資源生態(tài)足跡的構(gòu)成變化

圖2展示了遼寧省人均水資源生態(tài)足跡的構(gòu)成情況。由圖2(a)可知，2010年占比最高的為人均農(nóng)業(yè)用水(65.4%)，其次為人均工業(yè)用水(18.2%)；人均生活用水占比13.9%，人均生態(tài)環(huán)境用水占比最小，為2.5%。圖2(b)為2019年遼寧省人均水資源生態(tài)足跡的構(gòu)成情況，與2010年相比，2019年農(nóng)業(yè)用水占比小幅增長(zhǎng)，占比為65.9%，生態(tài)環(huán)境用水占比增長(zhǎng)較為突出為4.9%，工業(yè)用水和生活用水占比下降為15.0%和13.2%。從構(gòu)成及其變化情況看，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占水資源生態(tài)足跡的比例最大，整體占比較穩(wěn)定，表明遼寧省水資源生態(tài)足跡以農(nóng)業(yè)用水為主，并保持多年穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)；工業(yè)用水生態(tài)足跡占水資源生態(tài)足跡的比例僅次于農(nóng)業(yè)用水，并且工業(yè)用水生態(tài)足跡占比的減小與遼寧省發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的政策不斷深入相符；生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡占比增大表明遼寧省在加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與修復(fù)，預(yù)測(cè)未來的生態(tài)用水將持續(xù)增加。

圖2 遼寧省人均水資源生態(tài)足跡構(gòu)成

2010年，僅本溪市的首要組成賬戶為人均工業(yè)用水占比最高，其他行政區(qū)均為人均農(nóng)業(yè)用水占比最高；其中，盤錦市人均農(nóng)業(yè)用水占比為90.3%，鐵嶺市86.8%，丹東市79.8%；人均工業(yè)用水占比相對(duì)較高的城市依次為：本溪市(55%)、撫順市(30.7%)、大連市(30%)；葫蘆島市人均生活用水占比最高，而人均生態(tài)用水中沈陽(yáng)市最高。2019年，遼寧省內(nèi)包括11個(gè)行政區(qū)的人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占比降低，阜新市降幅最高為10.9%；12個(gè)行政區(qū)的人均工業(yè)用水占比降低，鞍山市降幅最高為9.9%；相較于上述兩項(xiàng)賬戶，人均生活和生態(tài)環(huán)境用水雖然占比小，但各市年際間均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，表明各市在實(shí)施產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上取得成效，提高了水資源利用效率，突出了對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善。

4.3 人均水資源生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)變化分析

遼寧省及各行政區(qū)2010—2019年人均水資源生態(tài)承載力的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。由圖3可知，遼寧省2010—2019年人均水資源生態(tài)承載力年際變化波動(dòng)大，總體呈下降趨勢(shì)，2010年最大值為1.23 hm2/人，最小值出現(xiàn)在2014年，為0.071 hm2/人，相差1.159 hm2/人。在遼寧省各行政區(qū)內(nèi)，本溪市和丹東市人均水資源生態(tài)承載力較大，其中，2010年丹東市人均水資源生態(tài)承載力達(dá)到11.311 hm2/人，本溪市5.376 hm2/人；而朝陽(yáng)市和阜新市的人均水資源生態(tài)承載力較小，2014年鞍山市人均水資源生態(tài)足跡為最小值0.021 hm2/人，2015年阜新市人均水資源生態(tài)足跡為0.020 hm2/人。年際降水量決定了各地的水資源總量，換言之，年降水量的變化對(duì)人均水資源生態(tài)承載力具有關(guān)鍵的影響作用，因此遼寧省及各行政區(qū)的人均水資源生態(tài)承載力年際波動(dòng)也較大。

圖3 遼寧省2010—2019年人均水資源生態(tài)承載力

2010—2019年遼寧省人均水資源生態(tài)承載力的平均值為0.431 hm2/人，其中鞍山市、撫順市、丹東市、本溪市、鐵嶺市和遼陽(yáng)市人均水資源生態(tài)承載力平均值高于全省，其余8個(gè)行政區(qū)均低于全省年平均值。人均水資源生態(tài)承載力最大的為丹東市，最小的為朝陽(yáng)市，差值為3.971 hm2/人，表明遼寧省人均水資源生態(tài)承載力呈現(xiàn)明顯的地區(qū)差異，據(jù)水資源相關(guān)數(shù)據(jù)(源于《遼寧省水資源公報(bào)》[20])得出遼寧省的水文狀況在空間分布上呈現(xiàn)較大差異；丹東市沿海的地理位置與其以山地為主的地貌類型使其降水充沛，水資源狀況較好，而其他各市也因不同的自然與人文條件而顯示出空間上的大分異，東部的山地地形使逐漸爬升的海洋水汽形成較多降水，總體水量充沛，中部和西部地區(qū)居于內(nèi)陸，其降水量與東部沿海地區(qū)相比明顯偏低，人均水資源生態(tài)承載力呈現(xiàn)由丹東市向中部和西部地區(qū)遞減的趨勢(shì)[23]。

4.4 水資源生態(tài)盈虧指數(shù)

為更好地展示遼寧省水資源生態(tài)盈虧分布特征，本文對(duì)遼寧省14個(gè)地級(jí)市2010—2019年平均水資源生態(tài)盈虧情況進(jìn)行空間展布。據(jù)圖4得出，丹東、鐵嶺、鞍山、葫蘆島和本溪市的盈虧指數(shù)>0，說明水資源處在盈余狀態(tài)，丹東市盈余較高為3.351 hm2/人，是遼寧省內(nèi)水資源較為富足的地區(qū)，水資源生態(tài)狀況良好，水資源開發(fā)潛力較大；大連、朝陽(yáng)和鐵嶺市的盈虧指數(shù)與0相近，表明這些地區(qū)的水資源補(bǔ)充與消耗相對(duì)平衡；沈陽(yáng)市、撫順市、遼陽(yáng)市、鞍山市、營(yíng)口市、盤錦市的盈虧指數(shù)<0，表明這些地市的水資源生態(tài)發(fā)生赤字，盤錦市最為嚴(yán)重，水資源生態(tài)狀況較差，承載潛力很小。

圖4 遼寧省各行政區(qū)多年平均水資源生態(tài)盈虧指數(shù)

4.5 遼寧省水資源生態(tài)足跡影響因素

水資源生態(tài)足跡的動(dòng)態(tài)變化受到所種因素的影響，據(jù)式(4)—式(9)對(duì)遼寧省2010—2019年的水生態(tài)足跡影響因素進(jìn)行分析(2010年為基準(zhǔn)年)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，經(jīng)濟(jì)因素和技術(shù)因素對(duì)水資源生態(tài)足跡增長(zhǎng)有主要的影響作用；在本次研究年份范圍內(nèi)，經(jīng)濟(jì)因素一致為正數(shù)，顯現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)因素對(duì)水資源生態(tài)足跡增長(zhǎng)的正向促進(jìn)作用；而技術(shù)因素則與之相反，在研究年限內(nèi)均呈現(xiàn)為負(fù)數(shù)狀態(tài)，顯示了技術(shù)手段的應(yīng)用對(duì)水資源生態(tài)足跡增長(zhǎng)的限制作用；對(duì)比經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素，人口和結(jié)構(gòu)因素則更接近于0，表明其對(duì)遼寧省水資源生態(tài)足跡的影響程度較低。

圖5 遼寧省水資源生態(tài)足跡影響因素

結(jié)構(gòu)因素整體較穩(wěn)定，在遼寧省水資源生態(tài)足跡的增長(zhǎng)過程中影響較小，累積貢獻(xiàn)度為-4.38%，產(chǎn)生了極小的抑制作用。隨著遼寧省政府推出經(jīng)濟(jì)發(fā)展新政策，積極的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型加之結(jié)構(gòu)性矛盾發(fā)生轉(zhuǎn)變，也使得結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)水資源生態(tài)足跡的影響小幅增長(zhǎng)，說明遼寧省采取了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整政策，將會(huì)在一定程度上顯示出結(jié)構(gòu)因素的不斷優(yōu)化對(duì)水資源的可持續(xù)利用起到重要作用。

技術(shù)因素在研究年限中均呈現(xiàn)為負(fù)數(shù)，說明技術(shù)手段的改進(jìn)已逐步限制水資源生態(tài)足跡的增長(zhǎng)，在一定程度上提高了水資源的使用效率，對(duì)遼寧省水資源的可持續(xù)利用與發(fā)展起到積極作用。從整體的變化分析，技術(shù)因素分解值在2010—2019年呈現(xiàn)逐漸降低的態(tài)勢(shì)，反映出技術(shù)因素對(duì)水資源生態(tài)足跡的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)的限制不斷提高，表現(xiàn)為遼寧省對(duì)污水治理和水資源再利用等方面的技術(shù)投入產(chǎn)生了一定的效果。

經(jīng)濟(jì)因素是影響水資源生態(tài)足跡增長(zhǎng)的主導(dǎo)因素，2010—2015年間經(jīng)濟(jì)因素整體呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)模式，2015年達(dá)到歷年最大值977.51萬(wàn)hm2，年均增長(zhǎng)率達(dá)到723.4%，其主要原因是遼寧省通過實(shí)施振興東北地區(qū)等老工業(yè)基地戰(zhàn)略，取得了一定的成效，擺脫了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)相對(duì)衰退的困境，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高效的增長(zhǎng)[24]；2016—2019年呈現(xiàn)波動(dòng)式回落態(tài)勢(shì)，這對(duì)遼寧省水資源生態(tài)足跡的減小產(chǎn)生不容忽視的作用。

人口因素對(duì)遼寧省的水資源生態(tài)足跡的增長(zhǎng)產(chǎn)生較小的推動(dòng)作用，2010—2018年，人口因素呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，到2019年大幅上升，這也與遼寧省的人口增長(zhǎng)率之間高度相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.92；2010—2018年遼寧省人口增長(zhǎng)率為負(fù)，所以人口因素也為負(fù)，而2019年人口出現(xiàn)正向增長(zhǎng)，人口因素則為正?？傮w來看，人口因素對(duì)水資源生態(tài)足跡的影響不明顯，其對(duì)水資源生態(tài)足跡的平均貢獻(xiàn)率為8.61%，但近年新型人口政策的實(shí)施對(duì)于人口數(shù)量的變化影響較大，因此人口因素帶來的生態(tài)問題仍需重視。

5 結(jié) 論

利用生態(tài)足跡模型對(duì)遼寧省水資源利用進(jìn)行分析，顯示出遼寧省和各市人均水資源生態(tài)足跡總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而多個(gè)行政區(qū)水資源生態(tài)處于不可承載狀態(tài)；在人均水資源生態(tài)足跡構(gòu)成中，以農(nóng)業(yè)用水為首要組成賬戶，而本溪市以工業(yè)用水為主，生活和生態(tài)環(huán)境用水則平穩(wěn)增長(zhǎng)。水資源生態(tài)足跡的動(dòng)態(tài)變化是以經(jīng)濟(jì)因素為主導(dǎo)方向，以技術(shù)因素為關(guān)鍵，分別起到促進(jìn)水資源生態(tài)足跡增長(zhǎng)和限制水資源生態(tài)足跡增長(zhǎng)的作用。

遼寧省現(xiàn)階段水資源短缺程度較嚴(yán)重，為改善水資源生態(tài)狀況，可以采取有效的科學(xué)技術(shù)手段，利用多種形式的水資源供給來確保水資源總量的相對(duì)穩(wěn)定；提高政府、企業(yè)以及公民自身的節(jié)水意識(shí)，嚴(yán)格規(guī)范污水合理排放與循環(huán)利用；從源頭調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，循序漸進(jìn)，促進(jìn)水資源優(yōu)化配置，減少水資源的非必要損耗，實(shí)現(xiàn)水資源供需平衡。