渾河流域生態(tài)足跡動態(tài)預(yù)測模型研究與應(yīng)用

侯鐵錚

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

流域生態(tài)承載能力是當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題，其重要的衡量指標(biāo)就是對生態(tài)足跡的分析，而生態(tài)足跡的含義在于影響流域水環(huán)境的工業(yè)以及廢水污染物總和的估算[1]。通過對流域生態(tài)承載力尤其是未來情景模式下的估算，對于指導(dǎo)區(qū)科學(xué)域制定生態(tài)環(huán)境治理措施具有重要的意義[2]。從2017年開始，生態(tài)足跡估算在國內(nèi)一些典型流域得到分析和應(yīng)用[3-7]，主要是通過對工業(yè)和生活污水排污量的估算，采用數(shù)學(xué)模型，結(jié)合排污量以及區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)，進(jìn)行未來生態(tài)足跡演變趨勢的分析，這其中非平穩(wěn)時間序列模型應(yīng)用較為成熟[8-13]。但在遼寧地區(qū)還未得到全面應(yīng)用，渾河是遼寧中東部典型大型河流，對于沈陽、撫順、鞍山等市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的影響力，近些年來渾河流域生態(tài)環(huán)境治理措施正在逐步加大，為更科學(xué)的制定渾河流域生態(tài)環(huán)境治理方案，亟需要對其生態(tài)足跡進(jìn)行估算和預(yù)測。為此文章結(jié)合非平穩(wěn)時間序列模型，基于渾河流域水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，對流域典型河段水生態(tài)足跡進(jìn)行估算和預(yù)測，研究成果對于制定渾河流域生態(tài)環(huán)境治理措施具有重要的參考價值。

1 生態(tài)足跡動態(tài)預(yù)測模型

模型在生態(tài)承載力估算的基礎(chǔ)上對其水生態(tài)足跡預(yù)測模型構(gòu)建：

(1)

式中：ECr為生態(tài)承載能力估算的平均值，hm2；e為能量轉(zhuǎn)換值，sej；P為能量密度值，hm2，其計算公式為：

(2)

生態(tài)承載能力現(xiàn)狀條件下的估算方程為：

(3)

式中：EC0為生態(tài)承載能力現(xiàn)狀條件下的估算值，hm2；i為各類生態(tài)指標(biāo)；Ci為各類指標(biāo)的估算值，hm2；yi為生態(tài)資源人均占有量，hm2；Ti為轉(zhuǎn)換系數(shù)。生態(tài)足跡主要是對流域工業(yè)和生活兩個層面生態(tài)承載力估算的綜合：

(4)

式中：EF為生態(tài)足跡估算的平均值，hm2；i為各類水質(zhì)指標(biāo)；ai為不同水質(zhì)指標(biāo)下的生態(tài)足跡估算的平均值，hm2；Ci為不同水質(zhì)指標(biāo)影響程度。文章結(jié)合渾河流域水質(zhì)、社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對渾河流域現(xiàn)狀條件下的生態(tài)足跡進(jìn)行估算，形成訓(xùn)練樣本，采用非平穩(wěn)時間序列模[14]對其進(jìn)行預(yù)測和分析。

2 渾河流域水生態(tài)足跡分析

2.1 區(qū)域概況

文章以渾河作為典型研究流域，渾河主要流經(jīng)撫順、沈陽、鞍山等市，在盤錦和太子河匯合后入海。渾河流域?qū)τ趽犴槨⑸蜿枴吧降仁械纳睢⑸鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展影響程度較高。近年來，通過對渾河流域水生態(tài)環(huán)境治理措施力度的不斷加大，渾河流域水生態(tài)得到一定程度的改善，為持續(xù)保護(hù)渾河流域的水生態(tài)環(huán)境，需要制定科學(xué)的生態(tài)環(huán)境綜合治理措施，為提高渾河流域水生態(tài)環(huán)境治理的效應(yīng)，文章結(jié)合區(qū)域2009-2016年水質(zhì)以及社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過建立非平穩(wěn)時間序列模型，對渾河流域現(xiàn)狀條件下的水生態(tài)足跡進(jìn)行估算，在估算的基礎(chǔ)上，通過非平穩(wěn)時間序列模型建立水生態(tài)足跡預(yù)測模型，對其未來變化下的水生態(tài)足跡趨勢進(jìn)行演變分析。

2.2 模型檢驗(yàn)

結(jié)合區(qū)域2009-2016年水質(zhì)以及社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立非平穩(wěn)時間序列模型對現(xiàn)狀條件下的渾河流域水生態(tài)足跡進(jìn)行估算，在估算的基礎(chǔ)上，通過非平穩(wěn)時間序列模型對渾河流域水生態(tài)足跡演變趨勢進(jìn)行分析，為保證模型的有效性，分別采用T檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)對模型不同檢驗(yàn)水平下進(jìn)行分析，生態(tài)足跡估算模型的F檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)結(jié)果，見表1。

表1 生態(tài)足跡估算模型的F檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)結(jié)果

從文章建立的生態(tài)足跡估算模型的F檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)結(jié)果可看出，模型在T檢驗(yàn)3種檢驗(yàn)水平下的檢驗(yàn)值均可通過90%的置信度檢驗(yàn)，其各水平下的均方差分均<檢驗(yàn)值。從模型F檢驗(yàn)分析結(jié)果可看出，3種檢驗(yàn)水平下的F檢驗(yàn)值均高于檢驗(yàn)值的F檢驗(yàn)值，隨著檢驗(yàn)水平的增加，其檢驗(yàn)值有所減小，但也可通過90%的置信度檢驗(yàn)。表明非平穩(wěn)時間序列模型在區(qū)域水生態(tài)足跡估算均可通過90%的置信度檢驗(yàn)，這主要是因?yàn)榉瞧椒€(wěn)時間序列模型吻合區(qū)域水生態(tài)足跡時間變化的特點(diǎn)，因此其不同水平下的F檢驗(yàn)值可通過90%的置信度檢驗(yàn)，此外模型F檢驗(yàn)在4%和7%水平下的檢驗(yàn)值均高于平均檢驗(yàn)值，在10%水平下的檢驗(yàn)值高于平均檢驗(yàn)值，因此非平穩(wěn)時間序列模型在渾河水生態(tài)足跡估算可通過F檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)。

2.3 生態(tài)足跡估算

在模型檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對渾河流域2013-2020年的渾河流域現(xiàn)狀條件下的生態(tài)足跡以及生態(tài)承載能力進(jìn)行估算，渾河流域現(xiàn)狀條件下的生態(tài)足跡及承載力分析，見表2。

從2013-2020年渾河流域現(xiàn)狀條件下的生態(tài)足跡估算結(jié)果可看出，水消耗和水污染兩個指標(biāo)是生態(tài)足跡最主要的兩個主成部分，尤其是水污染，該指標(biāo)的生態(tài)足跡均值最大，能源消耗的生態(tài)足跡均值最低。通過綜合分析渾河流域在2013-2020年現(xiàn)狀條件下的生態(tài)足跡均值為3.71-4.70 hm2之間，且渾河流域現(xiàn)狀條件下的生態(tài)足跡總體呈現(xiàn)遞減變化，這主要是因?yàn)樗廴局笜?biāo)得到一定程度的控制，從而相應(yīng)的降低其生態(tài)足跡值。從現(xiàn)狀條件下的生態(tài)承載能力估算值可看出，生態(tài)承載能力總體和生態(tài)足跡相反，隨著年份的遞增，其生態(tài)承載能力相應(yīng)提高，這主要是因?yàn)殡S著渾河流域生態(tài)環(huán)境治理力度的加大，區(qū)域水污染和水消耗得到一定城的管控，降低了工業(yè)和生活污水排放，是得其生態(tài)足跡降低，而由于流域生態(tài)治理措施的提高，其生態(tài)承載能力也就相應(yīng)的提升。

2.4 生態(tài)足跡演變趨勢分析

在渾河流域現(xiàn)狀條件下的生態(tài)足跡和生態(tài)承載能力估算后，采用非平穩(wěn)時間序列模型對渾河流域未來條件下的生態(tài)足跡以及生態(tài)赤字演變趨勢進(jìn)行分析。渾河流域態(tài)赤字和生態(tài)足跡演變趨勢分析結(jié)果，見圖1。

表2 渾河流域現(xiàn)狀條件下的生態(tài)足跡及承載力分析

生態(tài)演變 生態(tài)足跡演變

生態(tài)赤字主要為生態(tài)承載能力和生態(tài)足跡之差，從渾河流域生態(tài)赤字和生態(tài)足跡演變趨勢分析結(jié)果可看出，渾河流域生態(tài)足跡總體呈現(xiàn)遞減變化，而生態(tài)承載能力由于生態(tài)足跡遞減而逐步遞增，因此也使得區(qū)域生態(tài)赤字呈現(xiàn)一定程度的遞減變化。通過其演變趨勢發(fā)現(xiàn)，未來規(guī)劃年渾河流域的生態(tài)赤字和總體唯一一個穩(wěn)定時期，這主要是因?yàn)樯鷳B(tài)足跡遞減變化幅度總體要高于生態(tài)承載能力，因此其生態(tài)赤字總體較為穩(wěn)定。而在規(guī)劃年，通過對不同用地方式下的生態(tài)足跡演變趨勢可看出，耕地以及城鎮(zhèn)用地對生態(tài)足跡影響較為顯著，其次是林地和水域，這主要是因?yàn)楦剞r(nóng)業(yè)面源污染以及城鎮(zhèn)用地點(diǎn)源排放污染負(fù)荷是區(qū)域生態(tài)足跡的重要組成部分，因此耕地和城鎮(zhèn)用地對渾河流域水生態(tài)足跡影響明顯。因此為改善區(qū)域水生態(tài)足跡，保護(hù)區(qū)域水生態(tài)健康發(fā)展，應(yīng)該對區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，降低農(nóng)業(yè)面源污染，此外重點(diǎn)關(guān)注流域內(nèi)點(diǎn)源污染排放，對點(diǎn)源污染排放進(jìn)行管控或者水處理，降低城鎮(zhèn)用地的點(diǎn)源污染。

3 主要結(jié)論

1)非平穩(wěn)時間序列模型在渾河流域水生態(tài)足跡估算均可通過90%的置信度檢驗(yàn)，模型型F檢驗(yàn)在4%和7%水平下的檢驗(yàn)值均高于平均檢驗(yàn)值，在10%水平下的檢驗(yàn)值高于平均檢驗(yàn)值，非平穩(wěn)時間序列模型可適用于渾河流域生態(tài)足跡估算。

2)隨著渾河流域生態(tài)環(huán)境治理力度的加大，區(qū)域水污染和水消耗得到一定城的管控，降低了工業(yè)和生活污水排放，是得其生態(tài)足跡降低，而由于流域生態(tài)治理措施的提高，其生態(tài)承載能力也就相應(yīng)的提升。

3)改善渾河流域規(guī)劃年水生態(tài)足跡，保護(hù)區(qū)域水生態(tài)健康發(fā)展，應(yīng)該對區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，降低農(nóng)業(yè)面源污染，此外重點(diǎn)關(guān)注流域內(nèi)點(diǎn)源污染排放，對點(diǎn)源污染排放進(jìn)行管控或者水處理，降低城鎮(zhèn)用地的點(diǎn)源污染。