滹沱河流域山西段水資源生態承載力研究

席梅竹，翟晗雨，陶能欽，周 麗

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

1 引言

水資源是生物賴以生存的基礎。隨著經濟社會的飛速發展和人口的增加，人類生產、生活活動對水資源的需求越來越大，導致水資源短缺和水體惡化等一系列生態環境問題的出現[1]。因此，區域水資源數量、質量的準確核算以及水資源承載力的評價已經成為促進區域水資源的合理利用及保護，實現區域可持續發展的重要研究內容。不同學者嘗試使用生態足跡模型[2]、物源可拓模型[3]、超效率DEA模型[4]、耦合系統動力學模型[5]等不同模型對不同區域水資源的可持續利用狀況進行評價，其中，水資源生態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，進而判斷區域生態環境能否持續推動經濟社會發展的定量評價模型，該模型具有直觀、易用的優勢，因此水資源生態足跡模型在水資源可持續利用評價中得到廣泛使用[6，7]。趙博利用生態足跡模型對遼河流域各行政區2012～2017年的水資源生態足跡與承載力進行了時空變化分析[8]。盧亞麗利用生態足跡模型和GIS分析方法對長江經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年水資源生態足跡廣度和深度以及生態壓力方面進行了評價[10]。黃佳利用生態足跡模型對山東省水資源生態足跡和生態承載力進行了研究，并在此基礎上分析了城市建設、經濟社會發展與水資源生態承載力及生態足跡之間的相關性[11]。滹沱河流域山西段屬京津冀地表水源地的上游地區，區域用水安全狀況關系到整個流域的生態安全及用水安全，因此應用水資源生態足跡模型對滹沱河流域山西段2011～2018年水資源生態足跡和生態承載力進行定量測定，并在此基礎上計算分析其生態盈虧和生態足跡強度的變化趨勢，以期為滹沱河流域山西段制定科學合理的用水規劃、實現區域生態保護提供科學參考。

2 研究區概況

滹沱河發源于山西省忻州市繁峙縣境內橋兒溝村，在山西省境內流經忻州市、繁峙縣、代縣、原平市、忻府區、定襄縣、五臺縣和陽泉市盂縣7個縣、市(區)，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。研究區地處溫帶大陸性季風氣候區，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 數據來源與研究方法

3.1 數據來源

研究區域面積、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 水資源生態足跡

為了使滹沱河流域山西段水資源生態足跡計算更加全面準確，根據《山西省水資源公報》中的統計數據，將水資源賬戶分為生產用水、生活用水和生態用水3個二級賬戶，生產用水分為農業用水、工業用水和城鎮公共用水三類，其中農業用水包括農田灌溉用水和林業、漁業、畜牧用水。各類用水足跡的計算公式如下:

(1)

式(1)中：EFW為水資源生態足跡，hm2；N為研究區域人口數量，人；efW為人均水資源生態足跡，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能力,m3/hm2。

表1 2011～2018年滹沱河流域山西段水資源基礎數據統計

3.2.2 水資源生態承載力

水資源生態承載力主要表現為水資源對生態系統和經濟系統良性發展的支撐能力[12]。為了實現可持續發展，在計算水資源生態承載力時需要扣除60%用于大自然平衡的運行，剩余的40%才是該區域水資源可利用的部分[13]。生態承載力表達式為:

(2)

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

3.2.3 水資源生態赤字或盈余模型

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

EDW=EFW-ECW

(3)

當EFW>ECW時，表示該研究區域為水資源生態赤字，ECW無法支撐起EFW，區域水資源供給無法滿足社會發展的需要；當EFW=ECW時,表示該研究區域內的水生態處于平衡，ECW正好能支撐起EFW，水資源基本滿足社會發展的需要；當EFW

3.2.4 水資源生態足跡強度模型

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

(4)

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

3.3 主要參數的確定

參考相關研究結果，水資源全球平均生產能力確定為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]。區域水資源產量因子是相對于全球范圍定義下的產量因子[17]，計算公式如下:

ψ=Wc×Wa=(VW/Pc)×Wa

=[Z/(S×Pc)]×Wa

(5)

式(5)中：ψ為全球范圍內某區域的水資源產量因子；Wc為國家范圍內某地區水資源產量因子；Wa為全球范圍內某國家水資源產量因子；VW為中國境內某地區多年平均單位面積產水量，m3/hm2；Pc中國多年平均單位面積產水量，m3/hm2;Z為研究區域水資源總量，m3；S為研究區面積，hm2。參考相關研究結果[17]，全球范圍內中國水資源產量因子取0.94，中國平均多年單位面積產水量取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，根據公式(5)計算出滹沱河流域山西段水資源產量因子約為0.25。

4 結果與分析

4.1 滹沱河流域山西段水資源生態足跡的動態變化

滹沱河流域山西段2011～2018年水資源生態足跡從2011年的126.04×104hm2下降到2018年的124.06×104hm2，總體上呈現波動下降趨勢，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年各類用水生態足跡中，生產用水生態足跡所占比例最大，平均生產用水足跡占水資源總生態足跡的80.77%，表明生產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、生活、生態三類水資源生態足跡存在較大差異，滹沱河流域山西段要實現區域水資源節約利用，關鍵在于降低生產領域中的用水量。三類水資源生態足跡也呈現不同的變化趨勢其中，生產用水足跡總體上呈現下降趨勢，生產用水足跡從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%，始終呈現上升趨勢；生態用水足跡從2011年的7.92×104hm2到2018年的8.25×104hm2，上升幅度為4.17%，其中2015年生態環境用水足跡最大，為8.77×104hm2，生態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足跡 104 hm2

圖1 2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態足跡的變化

2011～2018年生產用水足跡中，農業用水是生產用水的重要組成部分，年平均農業用水量占年平均生產用水量的73.86%，農業用水量從2011年的77.96×104hm2下降到2018年的71.91×104hm2，下降幅度為7.76%。在農業用水中，有93.82%的用水量應用于農業灌溉，剩余6.18%的用水量廣泛用于林、牧、漁、蓄各個行業。農業灌溉用水量從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%。工業用水量總體上呈現下降趨勢，從2011年的24.15×104hm2下降到2018年的23.91×104hm2，下降了0.99%。平均工業用水量占平均生產用水量的23.55%。城鎮公共用水整體上呈現增長趨勢，從2011年的2.43×104hm2上升到2018年的2.78×104hm2，增長了14.40%，平均城鎮公共用水是平均生產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:在生產用水中，城鎮公共用水雖有所增加，但是農業用水和工業用水在生產用水足跡中的占比仍然很大，而生產用水是滹沱河流域山西段用水的重要組成部分，因此，農業用水和工業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承載力的動態變化

2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態承載力呈波動上升趨勢，2015年水資源生態承載力最小為19.22×104hm2，2016年水資源生態承載力最大為31.09×104hm2，平均水資源生態承載力為24.86×104hm2(表3，圖3)。區域水資源對生態系統和經濟系統發展支撐能力在不斷地提高。區域水資源生態承載力與年平均降水量之間呈顯著正相關關系，相關系數為0.52(圖4)。

4.3 滹沱河流域山西段水資源生態赤字或盈余的動態變化

2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態足跡遠大于生態承載力，水資源均處于生態赤字狀態，但是水資源生態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)。水資源生態赤字變化趨勢與水資源生態足跡變化趨勢一致，與相同時間段內的水資源生態承載力的變化呈反比關系(圖1)。如果水資源生態承載力上升，則生態赤字下降，說明2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態承載力無法支撐起水資源生態足跡，導致生態赤字波動較大。因此，可以認為水資源生態赤字一直高居不下，滿足不了經濟社會發展中生產、生活和生態用水需求，同時水資源調控力度不大，不利于滹沱河流域山西段經濟和社會的健康發展。

圖2 2011～2018年滹沱河流域山西段生態足跡構成及變化

4.4 滹沱河流域山西段水資源生態足跡強度的動態變化

滹沱河流域山西段水資源生態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年水資源生態足跡強度處于穩定外，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，這與山西省實施節水型生態保護措施有著密切的關系。

表3 2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態承載力

圖3 2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態

承載力的變化

圖4 2011～2018年滹沱河流域山西段水資源生態承載力

表4 滹沱河流域山西段2011～2018年水資源生態赤字

表5 滹沱河流域山西段2011～2018年水資源生態足跡強度

圖5 滹沱河流域山西段水資源生態赤字的變化趨勢

圖6 滹沱河流域山西段水資源生態足跡強度的變化趨勢

5 結論與建議

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

(1)2011～2018年生產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，而生活用水和生態環境用水所占比例呈緩慢上升趨勢，三類用水結構比例逐漸趨向合理，但生產用水所占比例仍最高。

(2)2011～2018年在生產用水足跡中，農業用水和工業用水足跡占比仍較高，但水資源生態足跡總量呈不斷下降趨勢，而城鎮公共用水生態足跡占比較低，但是城鎮公共用水生態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承載力呈波動上升趨勢，說明該流域水資源對生態系統和經濟系統的發展支撐能力在不斷提高；同時水資源生態足跡呈波動下降趨勢，生態赤字逐漸縮小，區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足跡強度基本保持穩定外，其余年間水資源生態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，這與山西省開展節水型生態保護工程有著密切的關系。

滹沱河流域山西段應做好水資源的開源節流工作，不斷提高水資源在農業和工業上的利用率。農業生產中，應因地制宜地調整農業種植結構，山區實施旱作農業，平川地區通過積極推廣噴灌等節水灌溉技術和抗旱保水等新型技術，實施高效農業。工業生產中，在嚴格控制污水達標排放的同時，不斷提高工業廢水的處理技術和綜合利用能力，此外，通過各種形式的宣傳活動，增強居民節水意識，提高城鎮生活用水利用率，同時嚴格實施雨、污水的分流回收處理，做好處理后中水在生態環境建設中的再利用，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水、引水、提水等工程，提高滹沱河的調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承載力，實現區域的可持續發展。