錦州市水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀分析

趙 冬

(遼寧省錦州水文局,遼寧 錦州 121000)

近年來,經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展使自然資源用量急劇增加,生態(tài)環(huán)境破壞、自然資源短缺以及被過度開發(fā)等現(xiàn)象時有發(fā)生[1]。水作為最重要的一種自然資源,對經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人類社會發(fā)展具有決定作用,水資源開發(fā)利用研究越來越引起人們的關(guān)注。

William Rees等最先建立了生態(tài)足跡理論,后經(jīng)廣大學(xué)者的不斷充實(shí)和研究探索發(fā)展成為綜合核算資源可持續(xù)利用的主要工具。國外學(xué)者主要從地區(qū)、國家及全球等尺度上分析水生態(tài)足跡,研究內(nèi)容多側(cè)重于實(shí)際土地需求與生態(tài)足跡之間的關(guān)系及生態(tài)足跡受能源貿(mào)易、全球化等因素的影響[2]。為了解決已有模型無法完整計(jì)算水域賬戶的問題,我國學(xué)者以生態(tài)足跡為基礎(chǔ)提出了用于評價(jià)區(qū)域水資源后續(xù)發(fā)展?jié)摿屠矛F(xiàn)狀的水生態(tài)足跡模型,通過對不同地區(qū)的實(shí)際測算驗(yàn)證了該模型的普遍適用性[3-6]。

錦州市在經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的同時,水資源消耗量和水環(huán)境壓力也快速增加,為了促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展亟需降低水資源壓力。鑒于此,文章采用水生態(tài)足跡模型動態(tài)分析了錦州市2015—2021年水生態(tài)承載力、水生態(tài)足跡及相關(guān)數(shù)據(jù),旨在為錦州市水資源可持續(xù)發(fā)展、優(yōu)化配置以及科學(xué)管理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

錦州市地處E120°43′～122°36′,N40°48′～42°08′之間,總面積10301km2,下轄10個縣(市)區(qū),海岸線124km,近海水域12萬hm2。境內(nèi)河網(wǎng)密集,主要有繞陽河、女兒河、小凌河、二郎洞水、觀音洞水、大凌河等河流,其特點(diǎn)是流量小變化大,冰期長,含沙量高,利用率低,地區(qū)差異明顯等。研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤氣候,年降水量567mm。降水分布不均衡,其中60%～70%發(fā)生在夏季,年均氣溫7.8～9.0℃。全市水資源總量不足,開發(fā)利用難度大,加之蒸散發(fā)強(qiáng)烈、用水效率低以及可利用總量少等,對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重制約。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要來源于錦州市水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒以及“十三五”規(guī)劃綱要等相關(guān)資料,依據(jù)2015—2021年水資源公報(bào)選用生態(tài)補(bǔ)給、生活(農(nóng)村與城市生活用水)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)(林牧漁畜與農(nóng)田灌溉用水)4類用水賬戶。

2.2 水生態(tài)足跡模型(WREF)

1)WREF模型。水生態(tài)足跡就是利用各子賬戶的用地面積代替消耗的水資源量,經(jīng)均衡化處理確定均衡值,該值能夠反映不同區(qū)域的水資源利用情況[7],其計(jì)算公式為:

(1)

式中:N、W為年末常駐總?cè)丝?人和第i項(xiàng)用水賬戶消耗水量,m3;bw、p為水資源均衡因子及全球水資源生產(chǎn)力平均值,m3/hm2,結(jié)合相關(guān)資料bw取5.19;WREF為水生態(tài)足跡,hm2/人。

2)WRES模型。水生態(tài)承載力是指區(qū)域水資源可以維持經(jīng)濟(jì)及各類生產(chǎn)活動的最大閾值,為了維持自然系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)循環(huán)需要從水生態(tài)承載力中扣除60%的量[8],計(jì)算公式為:

WRES=N×wres=0.4bw·rw·Q/p

(2)

式中:WRES、wres為總的,hm2和人均水生態(tài)承載力,hm2/人;rw、Q為研究區(qū)水資源產(chǎn)量因子及當(dāng)年水資源總量,m3,其中rw=p地區(qū)/p。全球各地區(qū)的水資源生產(chǎn)能力均值為3140m3/hm2,參照2015—2021年錦州市水資源公報(bào)計(jì)算該區(qū)域平均值為4220m3/hm2,故產(chǎn)量因子rw取1.34。

3)赤字與盈余。當(dāng)?shù)厮Y源盈余和赤字情況可以利用水生態(tài)足跡與承載力來衡量,若WREF-WRES>0為水資源短缺無法滿足各子賬戶的耗水需求,該區(qū)域處于水生態(tài)赤字狀態(tài);若WREF-WRES=0水資源恰好滿足用水需求,該區(qū)域處于水生態(tài)平衡狀態(tài);若WREF-WRES<0水資源充足能夠較好地滿足實(shí)際用水需求,該區(qū)域處于水生態(tài)盈余狀態(tài)。

4)WPI指數(shù)。根據(jù)水生態(tài)承載力和水生態(tài)足跡可以確定水資源壓力指數(shù)WPI,其計(jì)算公式為:

WPI=WREF/WRES

(3)

WPI值的大小反映了水資源開發(fā)利用壓力狀態(tài),該值越大代表壓力越大,0消耗量;WPI=1說明水資源達(dá)到臨界狀態(tài),即供給量=消耗量;WPI>1說明水資源達(dá)到相對不安全利用狀態(tài),即供給量<消耗量[9]。

5)ESDI指數(shù)。依據(jù)水生態(tài)承載力及其與水生態(tài)承載力之間的差額可以確定水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)WSDI,其計(jì)算公式為:

WSDI=(WRES-WREF)/WRES

(4)

WSDI值的大小反映了區(qū)域水資源利用效率和可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)狀及程度[10-11],其中WSDI<-1說明水資源達(dá)到嚴(yán)重不可持續(xù)程度,今后無法發(fā)展也完全不具備發(fā)展條件;-1

3 結(jié)果與分析

3.1 水生態(tài)足跡

根據(jù)生態(tài)環(huán)境、生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水賬戶的消耗水量確定錦州市2015—2021年水生態(tài)足跡,2015—2021年錦州市水生態(tài)足跡,見表1和水生態(tài)足跡構(gòu)成及變化特征,見圖1。結(jié)果顯示,在不考慮過境水源的條件下錦州市水生態(tài)足跡整體較平穩(wěn),具體而言2015—2017年呈小幅減小趨勢,2017—2018年有所增加,2018—2021年表現(xiàn)出明顯減小趨勢,從2015年的450.0萬hm2逐漸減小到2021年的388.6萬hm2。依據(jù)年末常住總?cè)丝谟?jì)算人均水生態(tài)足跡量,從2015年的1.487hm2/人波動減小到2021年的1.437hm2/人,水生態(tài)足跡總量與人均水生態(tài)足跡變化趨勢總體一致,均呈現(xiàn)出下降趨勢,其中保持較低的人均水生態(tài)足跡是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[12-14]。

圖1 水生態(tài)足跡構(gòu)成及變化特征

表1 2015—2021年錦州市水生態(tài)足跡 萬hm2

對于各用水賬戶而言,農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)最高,所占比例處于79.6%～83.9%之間,從2015年的83.9%逐漸減小到2021年的79.6%,在一定程度上反映了錦州市2015—2021年不斷推進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)現(xiàn)代化、“三條紅線”用水控制及推行節(jié)水政策等措施的實(shí)施效果。其次是生活用水足跡,所占比例處于8.1%～10.1%之間,其貢獻(xiàn)率總體呈上升趨勢,這可能與當(dāng)?shù)厮Y源變化有關(guān)。工業(yè)用水生態(tài)足跡表現(xiàn)出明顯的變化趨勢,所占比率處于7.0%～9.0%之間,工業(yè)用水生態(tài)足跡最大、最小值出現(xiàn)在2019年的38.5萬hm2和2018年的31.4萬hm2,2015—2019年呈明顯上升趨勢,這是由于該時段內(nèi)錦州市工業(yè)迅速發(fā)展,從而使得工業(yè)用水量明顯增加,2019—2021年又明顯下降。為加快節(jié)水型城市建設(shè)錦州市有相當(dāng)數(shù)量的高耗水企業(yè)被淘汰,中水回用等政策逐漸發(fā)揮出顯著成效,加之經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩等因素,從而使得2019—2021年工業(yè)用水生態(tài)足跡明顯下降。生態(tài)用水生態(tài)足跡占比處于0.9%～1.6%之間,總體圍繞1%上下波動,但2019年生態(tài)補(bǔ)給用水顯著增加,這表明錦州市越來越注重自然生態(tài)保護(hù),為維持生態(tài)系統(tǒng)平衡使用了更多的水資源。

綜上分析,在2015—2021年錦州市生態(tài)補(bǔ)給、生活和工業(yè)用水生態(tài)足跡占比平均值為1.2%、7.9%、9.2%,在此期間總體呈小幅上升趨勢,變化不明顯,農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡的明顯下降是導(dǎo)致錦州市水生態(tài)足跡減少的重要原因。水生態(tài)足跡的逐漸減少有利于降低錦州市水資源供需壓力,維持人均水生態(tài)足跡處于低水平的相對穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 水生態(tài)承載力

依據(jù)2015—2021年錦州市水資源相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算分析水生態(tài)承載力,如表2。由表2可知,2015—2021年錦州市水生態(tài)承載力存在較大的上下波動幅度,相比于水生態(tài)足跡呈復(fù)雜變化態(tài)勢。在核算年內(nèi)水生態(tài)承載力最大、最小值出現(xiàn)在2018年的472.96萬hm2和2021年的76.25萬hm2,二者相差396.71萬hm2;人均水生態(tài)承載力最大、最小值出現(xiàn)在2018年的1.586hm2/人和2021年的0.282hm2/人,呈先增大后減小的變化趨勢。

表2 2015—2021年錦州市水生態(tài)承載力

地表水資源是錦州市的主要水源,而地表水受植被、地形條件、地質(zhì)、季風(fēng)和地理位置等因素影響較大,故承載力也具有較大變化率。經(jīng)相關(guān)性分析,年降水量與水生態(tài)承載力之間的相關(guān)系數(shù)為0.971(P<0.05),二者存在顯著正相關(guān)性,水生態(tài)足跡構(gòu)成及變化特征,見圖2。

圖2 水生態(tài)足跡構(gòu)成及變化特征

3.3 水生態(tài)赤字

水生態(tài)足跡構(gòu)成及變化特征,見圖3。由圖3可知,除2018年以外的其它時段錦州市均存在不同程度的水生態(tài)赤字現(xiàn)象。由于年降水量差異和降水時空分布不均性,在2015—2021年錦州市水生態(tài)赤字總體呈先減小后增大的變化趨勢,其變化范圍為86.59～321.29萬hm2,極值比達(dá)到3.71,通過水生態(tài)赤字可以反映出2015—2021年錦州市水資源壓力依然較大。

圖3 水生態(tài)足跡構(gòu)成及變化特征

3.4 水資源壓力指數(shù)

根據(jù)2015—2021年水生態(tài)承載力和生態(tài)足跡計(jì)算水資源壓力指數(shù),以此反映研究時段內(nèi)的水資源利用狀況,水資源壓力指數(shù)變化,見圖4。

圖4 水資源壓力指數(shù)變化

由圖4可知,2015—2018年錦州市水資源壓力指數(shù)逐漸減小,在2018年出現(xiàn)最小值0.913,究其原因是該段錦州市降水量和過境水量呈增大趨勢,而用水需求量逐漸下降,加之農(nóng)田節(jié)水灌溉、中水回用等措施的推廣實(shí)施,在很大程度上緩解了錦州市用水壓力,故2015—2018年水資源壓力指數(shù)不斷減小。2019—2021年呈波動上升的變化趨勢,只有2019—2020年略有下降,究其原因是年過境水量的減少或增加、降水變率大、生活和工業(yè)用水量增加等,這是導(dǎo)致2019—2021年水資源壓力指數(shù)波動上升及不穩(wěn)定變化的主要原因。特別是2021年在可用水資源不足和降水量減少的條件下,經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水負(fù)荷較高,壓力指數(shù)明顯提升至5.096。2015—2021年錦州市水資源壓力指數(shù)平均值2.53,明顯高于臨界值1,這表明錦州市水資源利用已達(dá)到不安全狀態(tài)。

3.5 水資源可持續(xù)利用

水資源壓力指數(shù)變化,見圖5。由圖5可知,2015—2021年錦州市水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)呈先上升后下降的變化趨勢,2015—2018年該指數(shù)逐漸上升,說明水資源利用呈好轉(zhuǎn)態(tài)勢;2018—2021年該指數(shù)逐漸減小,說明水資源利用逐漸惡化。除2018年外其它時段的水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)均<0,2018年該指數(shù)為0.09,按照標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到弱可持續(xù)程度,今后可較好發(fā)展且發(fā)展條件優(yōu)越;2017年該指數(shù)為-0.25,按照標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到弱不可持續(xù)程度,今后發(fā)展有限且發(fā)展條件一般;其它指端均<-1,說明水資源達(dá)到嚴(yán)重不可持續(xù)程度,今后無法發(fā)展也完全不具備發(fā)展條件,且2021年有最小值-4.10?？傮w而言,研究期間錦州市水資源處于嚴(yán)重不可持續(xù)利用等級,受植被、地形、氣溫、降水等因素影響水資源利用條件和發(fā)展形勢嚴(yán)峻,本地水資源量無法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際用水需求,為緩解水資源短缺矛盾需要利用過境水。根據(jù)已有節(jié)水措施或工程,如何解決因降水量減少、水質(zhì)型缺水等帶來缺水問題,進(jìn)一步減少水生態(tài)足跡成為能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用的關(guān)鍵。近幾年,雖然錦州市水管部門已經(jīng)建設(shè)了許多節(jié)水工程,但錦州市水資源可持續(xù)利用仍然受三類產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展、地形條件影響、年降水變化率大以及季風(fēng)氣候等因素的限制,應(yīng)制定更全面合理的節(jié)水制度和政策才能實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的目標(biāo)[15]。

圖5 水資源壓力指數(shù)變化

4 結(jié) 論

1)2015—2021年錦州市人均和總的水生態(tài)足跡均表現(xiàn)出波動下降的變化趨勢,這主要與節(jié)水城市建設(shè)、中水回用以及推行農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等項(xiàng)目有關(guān)。對于各賬戶,農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)最高,所占比例處于79.6%～83.9%之間,在水生態(tài)足跡中占據(jù)主導(dǎo)地位;錦州市生態(tài)補(bǔ)給、生活和工業(yè)用水生態(tài)足跡占比平均值為1.2%、7.9%、9.2%,總體變化不明顯且影響相對較低。

2)在核算年內(nèi)錦州市水生態(tài)承載力最大、最小值出現(xiàn)在2018和2021年,這與降水量變化密切相關(guān),年降水量與水生態(tài)承載力之間存在顯著正相關(guān)性,氣候變化對生態(tài)承載力影響顯著。除2018年以外的其它時段均存在不同程度的水生態(tài)赤字現(xiàn)象,說明2015—2021年錦州市水資源壓力依然較大。

3)2015—2021年錦州市水資源壓力指數(shù)平均值2.53,明顯高于臨界值1,這表明錦州市水資源利用已達(dá)到不安全狀態(tài)。2015—2021年錦州市水資源可持續(xù)發(fā)展指數(shù)呈先上升后下降的變化趨勢,總體上處于嚴(yán)重不可持續(xù)利用等級,受植被、地形、氣溫、降水等因素影響水資源利用條件和發(fā)展形勢嚴(yán)峻,為緩解水資源短缺矛盾需要利用過境水。