基于能值水生態足跡模型的黃河流域水資源利用評價

王慧亮，李卓成

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司博士后科研工作站，河南 鄭州 450003)

水是人類生存、社會經濟發展中不可或缺的資源[1]，但黃河流域水資源時空分布不均衡、水環境惡化、水資源短缺等水問題突出[2]。探討流域水資源利用狀況以及水資源可承載能力，對流域水資源安全和健康持續發展具有重要意義。

生態足跡概念于1922年提出[3-4]，旨在通過生物生產性土地面積來測算和定量評價一個地區或區域的資源利用程度以及可持續發展狀態，能夠較好地測量和比較人類經濟系統對自然生態系統服務的需求和自然生態系統的承載力之間的差距。徐中民等[5]于2000年將生態足跡概念引入我國，并對甘肅省1998年的生態足跡進行了實證計算和分析。傳統的生態足跡方法僅分析了水域的生物生產能力，忽略了地表或地下水資源的其他功能，黃林楠等[6]在傳統生態足跡的基礎上提出了水資源生態足跡模型，測算和分析了江蘇省1998—2003年水資源生態足跡變化趨勢；郭利丹等[7]將水資源生態足跡一級賬戶細分為12個三級賬戶，計算分析了江蘇省2008—2017年水資源生態足跡和生態承載力的變動趨勢；路瑞等[8]引入Tapio彈性分析法，分析了黃河流域水資源生態足跡與經濟發展協調關系。優化后的水資源生態足跡模型仍存在不足，其模型參數多采用的是全球性數據，不利于各地區之間的水資源生態足跡橫向比較，為此曾曉霞[9]提出了水資源的能值生態足跡評價模型，改進后的模型避免了人為的參數設置，便于不同地區的實時對比分析；在此基礎上，汪定盼等[10]和劉珂伶等[11]應用水資源能值生態足跡模型分別對我國西北某調水工程區和北京市的水資源可持續利用狀況進行了探討，進一步驗證了水資源能值生態足跡模型的可行性。在已有的水資源能值生態足跡研究中，生態足跡賬戶往往忽略了水產品消費量或是水體污染對生態足跡的影響，而且基于能值水資源生態足跡法對黃河流域水資源利用研究尚不多見。

本文將能值分析定理和水生態足跡法相結合，建立能值水生態足跡模型，利用該模型測算黃河流域2011—2018年能值水生態足跡和承載力等參數，并通過水生態盈虧和水生態壓力指數對黃河流域水資源利用狀況進行科學評價分析，以期為黃河流域水資源的開發利用和科學管控提供參考。

1 研究區概況

黃河流域地處我國北中部，地勢西高東低，地形起伏較大，自西向東形成三級階地，構成我國重要的生態屏障。黃河干流全長5 464 km，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南和山東等9省(區)，最終注入渤海。

黃河流域水文現象主要表現為水少沙多、水沙異源，流域多年平均徑流量580億m3，僅占全國河川徑流總量的2.2%，人均水資源量僅為408 m3，不足全國人均水資源量的1/5[12]。據統計，從1980—2016年黃河流域用水總量由343億m3增長至411億m3，流域行業用水結構發生了顯著變化，其中農業用水下降了15.3%，而工業、生活用水分別增長了5.4%和6.4%；各省(區)用水量占流域總用水量的比例也存在差異，寧夏、山東、河南和青海等省(區)分別減小了5.0%、1.8%、0.5%和0.4%，而內蒙古、山西、甘肅、陜西等省(區)分別增大了3.9%、2.1%、1.6%和0.1%。黃河流域水資源開發利用率已接近80%[13]，遠超一般流域40%的生態警戒臨界值，位居我國十大流域首位。

2 研究方法

2.1 能值理論與方法

能值分析理論[14]認為地球上所有事物的能量均得益于太陽能的貢獻，可將太陽能值作為衡量事物能量的基準。在實際研究中，通過能值轉換率建立能量與能值之間的聯系，可把地球系統內不同形式、不可直接相加減的能量轉化成同一標準的能值來衡量和分析[15]。能值表達式為

E=Bτ

(1)

式中:E為能值，sej;B為能量或物質的質量，J或g;τ為能值轉換率，sej/J或sej/g。

2.2 能值水生態足跡

水生態足跡是指某一特定的地理區域內，經濟規模和人口發展到一定程度時，區域發展所消費的水資源量和吸納生活、生產廢棄物需要的水資源量，據此核算得到的生物生產性土地面積，即虛擬的水資源用地[16]。根據黃河流域水資源用水特性，將能值水生態足跡一級賬戶劃分為淡水生態足跡、水污染生態足跡和水產品生態足跡3個二級賬戶。其中，淡水生態足跡分為農業用水、工業用水、生活用水(城鎮公共、居民生活用水)和生態環境用水4個三級賬戶。能值水生態足跡表達式為

Wef=Weff+Wefp+Wefa

(2)

其中

式中：Wef、Weff、Wefp、Wefa分別為區域能值水生態足跡、淡水生態足跡、水污染生態足跡和水產品生態足跡，hm2；Efi為第i個三級賬戶的能值，sej；Ep、Ea分別為水污染和水產品的能值，sej；Cfi為第i個三級賬戶的用水量，m3；Qp為污水排放量，t；Ma為水產品產量，t；τfi為第i個三級賬戶的能值轉換率，sej/m3；τp為污染水體的能值轉換率，sej/t；τa為水產品的能值轉換率，sej/t；P為區域能值密度，sej/hm2；n為三級賬戶個數。

2.3 能值水生態承載力

基于能值理論的水資源生態承載力是指區域在一定的社會發展階段和技術管理條件下，其擁有的水資源量能夠最大限度支持區域的經濟、環境以及社會良好發展的能力。根據黃河流域的水資源來源情況，計算流域水資源生態承載力時選取地表水化學能、地下水化學能和雨水勢能作為區域的可更新資源[10]；此外，為了保證一個地區的水生態環境能夠正常運行，至少需要扣除60%的水量來維持水生態環境的健康[16]。能值水生態承載力表達式[11]為

(3)

式中：Wec為能值水生態承載力，hm2；Eg、Eu、Er分別為地表水化學能、地下水化學能和雨水勢能，sej；Pw為區域水資源平均能值密度，sej/hm2。

2.4 能值水生態足跡評價指標

a.水生態盈虧指數。能值水生態足跡反映了特定區域對水資源的需求和實際占用情況，而能值水生態承載力則表征水生態系統對社會經濟發展的承受和支撐能力，通過比較兩者大小關系可判斷區域內水資源可持續利用情況[17]。水生態盈虧指數表達式為

Wed=Wef-Wec

(4)

式中Wed為區域水生態盈虧指數。當Wed=0時，水資源處于生態平衡狀態，表明區域水資源供需平衡；當Wed>0時為水生態赤字，表明區域水資源需求大于供給，水資源短缺；當Wed<0時為水生態盈余，表明區域水資源充足，有利于社會經濟的發展。

b.水生態壓力指數。水生態壓力指數是指區域內能值水生態足跡和承載力的比值，其大小用來判斷區域內水資源開發利用安全狀態[18]。水生態壓力指數表達式為

Ip=Wef/Wec

(5)

式中Ip為水生態壓力指數。當Ip=1時，表明區域水資源消耗與供給平衡，即區域水生態安全處于臨界狀態；當01時，表明區域水資源利用不可持續，即區域水資源處于危險狀態，且Ip值越大，區域水資源利用強度越大，水資源環境越危險。

2.5 數據來源

用水量、年降水量、水資源總量等水資源數據來自2011—2018年《黃河流域水資源公報》以及流域內各省(區)水資源公報；廢污水排放量和水產品產量等社會統計數據來自2011—2018年流域內各省(區)統計年鑒。

2.6 模型相關參數確定

區域能值密度P、區域水資源平均能值密度Pw分別為區域可更新資源的總能值、區域水資源總能值與區域面積的比值，參考Chen等[19]的研究成果，黃河流域能值密度取值為4.57×1015sej/hm2；據2011—2018年《黃河流域水資源公報》統計結果，黃河流域多年平均降水量和流域面積分別為485 mm和79.5萬km2，經核算黃河流域水資源平均能值密度為4.36×1014sej/hm2。本文能值量化所涉及的其他參數及其轉換關系可參見文獻[20-22]。

3 結果與分析

3.1 時間維度動態分析

3.1.1能值水生態足跡與承載力

2011—2018年黃河流域能值水生態足跡變化趨勢如圖1所示，總體上保持上升趨勢，年際差異不大，變化范圍在1 520萬～1 630萬hm2，多年平均值為1 590萬hm2，流域能值水生態足跡由2011年最低值1 520萬hm2增長到2018年最高值1 630萬hm2，多年平均增長率為1.3%。由此可知，隨著經濟社會的發展以及在快速工業化和城鎮化背景之下，黃河流域各行業耗水和用水需求不斷增加，流域水資源面臨著嚴峻的挑戰。

圖1 黃河流域2011—2018年能值水生態足跡與承載力Fig.1 Emergy water ecological footprint and carryingcapacity in the Yellow River Basin from 2011 to 2018

2011—2018年黃河流域能值水生態承載力總體呈先下降后上升的趨勢(圖1)，變化幅度相對較大,多年能值水生態承載力平均值為810萬hm2。從2011—2015年流域能值水生態承載力呈現明顯的下降趨勢，從860萬hm2下降到660萬hm2；而2015—2018年流域能值水生態承載力呈急劇上升趨勢，2018年達到研究周期內的最大值970萬hm2。流域能值水生態承載力2015年最小，與黃河流域近10年來降水、徑流特征基本吻合，表明流域能值水生態承載力主要與流域來水情況相關，豐水年份水生態承載力相對較高，而枯水年份則相反。

3.1.2能值水生態足跡構成

黃河流域能值水生態足跡構成如圖2所示，其中農業用水、水污染、工業用水、生活用水和水產品生態足跡的占比分別為33%、27%、13%、11%和10%，生態環境用水生態足跡占比最小，僅為2%。可見，農業和工業用水仍是黃河流域水資源利用過程中的用水大戶，近年來，黃河流域工業和農業用水呈緩慢下降趨勢，可能是因為流域用水由粗放型轉向高效集約利用，用水效率得到了提高；2015年《水污染防治行動計劃》出臺，流域的水環境狀況得到改善，水污染足跡呈下降趨勢；隨著流域人口不斷增加，城鎮化和城市化不斷加快，生活用水、水產品用水相繼提高，導致其生態足跡也升高，但總體變化幅度不大，基本維持穩定狀況；生態環境用水生態足跡呈增長的趨勢，但其占比最低，應增加生態環境用水量，以利于推動流域的環境優化和改善。

圖2 黃河流域能值水生態足跡構成Fig.2 Composition of emergy water ecologicalfootprint in the Yellow River Basin

3.1.3水生態盈虧與壓力指數

黃河流域2011—2018年水生態盈虧變化過程與能值水生態承載力變化過程相反(圖3)，由于研究周期內流域能值水生態足跡遠大于能值水生態承載力，因此黃河流域呈現水生態赤字狀態。2011—2018年流域水生態赤字介于650萬～960萬hm2之間，2018年為最小值650萬hm2，2015年達到最大值960萬hm2，多年水生態赤字均值為770萬hm2。2015年之后，在流域能值水生態足跡保持平穩增長的形勢下，黃河流域降水和來水量大幅度增加，導致水生態赤字持續減小，表明流域經濟社會發展對水資源的需求遠大于水資源的供給，流域水資源可持續利用面臨著嚴峻的問題。

2011—2018年流域水生態壓力指數變化趨勢與水生態赤字基本保持一致，均呈先上升后下降趨勢(圖3)，年際變化在1.67～2.45之間。2012—2015年水生態壓力指數快速增長(2012年比2011年下降0.02)，多年平均增長率為12.3%；2015年以后水生態壓力指數迅猛下降，多年平均下降率為12%?？傮w來看，水生態壓力指數始終大于1，說明流域水資源供給量遠小于消費量，水資源開發利用空間不足，水資源可持續利用受到威脅，不利于流域社會經濟可持續發展和生態良性發展，這與水生態赤字的結論基本一致。

圖3 黃河流域2011—2018年水生態赤字與壓力指數Fig.3 Water ecological deficit and pressure index ofthe Yellow River Basin from 2011 to 2018

3.2 空間分布格局

根據能值水生態足跡與承載力模型，計算得到2011—2018年黃河流域9省(區)能值水生態足跡、能值水生態承載力和水生態壓力指數多年平均值，結果如表1所示。

a.能值水生態足跡與承載力分布。黃河流域不同省(區)的能值水生態足跡與承載力存在地區差異性，能值水生態足跡整體呈現流域中部高四周低的趨勢，具體表現為寧夏、陜西、山西、內蒙古、河南能值水生態足跡較大，平均值為252萬hm2，而青海、四川、山東能值水生態足跡較小，平均值為 63萬hm2；能值水生態承載力青海最高，為 224.1萬hm2，而山東最低，為20.8萬hm2，兩者相差近10倍。

b.水生態盈虧與壓力指數。流域上游青海、四川、甘肅水生態盈虧指數小于0，其水生態壓力指數分別為0.2、0.4和1，表明其能值水生態足跡小于能值水生態承載力，可能是因為上游地區水資源相對豐沛，有較大的水資源利用空間，特別是甘肅省水生態盈虧指數接近于0，表明該地區水資源供需關系達到相對平衡狀態；而中下游地區的省份水生態盈虧指數介于0.06～0.28之間(水生態赤字)，且相應的水生態壓力指數均大于1，表明所在地區水資源消耗量遠大于供給量，水資源供需矛盾突出，特別是寧夏水生態壓力指數高達9.7，水資源環境處于極其危險的狀態。

c.能值水生態足跡構成。因黃河流域不同省(區)社會經濟發展方式不同，相應的能值水生態足跡構成也不盡相同。流域上游青海、甘肅、寧夏、內蒙古農業用水生態足跡在流域總能值水生態足跡中占比較大，分別為47%、37%、56%和63%，其余省份均低于25%，表明上游地區以農業用水為主，大量的水資源用于農業灌溉，節約用水以及提高用水效率顯得尤為重要；流域中下游地區陜西、山西、河南、山東的水污染生態足跡占比較大，平均值為36%，這可能是隨著城市化的快速推進，工業廢水、生活污水排放增多，水體污染愈發嚴重；流域九省(區)的生態環境用水生態足跡在各省(區)的總能值水生態足跡中占比最低，僅維持在0.05%～3.44%之間，但生態環境用水生態足跡增長對于流域生態環境優化與改善具有積極的作用，在今后的水資源配置上應繼續提高生態環境用水比例。

表1 黃河流域9省(區)能值水生態足跡與承載力空間差異Table 1 Spatial differences of emergy water ecological footprint and carrying capacity amongnine provinces of the Yellow River Basin

4 結 論

a.2011—2018年黃河流域能值水生態足跡總體上保持穩步增長趨勢，年際差異不大，多年平均值為1 590萬hm2，而流域能值水生態承載力主要受當地水資源量影響，變化幅度相對較大，總體呈先下降后上升的趨勢，2015年為拐點?？傮w來看，流域能值水生態足跡遠大于能值水生態承載力，流域水生態赤字沒有改變；流域水生態壓力指數始終大于1，水資源開發利用處于不安全狀態，水資源可持續利用受到威脅。

b.黃河流域各類能值水生態足跡占比差異顯著，農業用水、水污染和工業用水生態足跡的貢獻較大，但農業用水和工業用水生態足跡總體呈下降趨勢，而水污染生態足跡處于逐年增長狀態；生活用水生態足跡和水產品生態足跡占比相對較小，兩者總體變化幅度不大，基本維持穩定狀況；生態環境用水生態足跡占比最小，但保持穩定增長趨勢。

c.黃河流域不同省(區)的能值水生態足跡和承載力存在地區差異性，中游地區能值水生態足跡明顯比上下游地區的高，總體呈現出中間高兩側低的趨勢；而能值水生態承載力則波動變化，表現為青海最高，山東最低。除了流域上游青海、四川、甘肅水資源表現為生態盈余，水資源供給基本滿足需求，其余省(區)水資源呈現不同程度的水生態赤字狀態。

d.流域上游地區農業用水生態足跡貢獻較大，其中內蒙古最為突出，上游地區應提倡節約用水和提高農業用水效率；而流域中下游地區水污染生態足跡占比較大，平均值為36%，應當降低污染物排放，減少水體污染；生態環境用水生態足跡在整個能值水生態足跡中占比最低，應合理增加生態環境用水量，保證水環境處于健康狀態。