丹東市水資源能值生態足跡及可持續利用分析

姜 丹

(遼寧省丹東水文局,遼寧 丹東 118000)

隨著經濟的快速發展,工農業生產和居民生活對水資源使用量急劇增加,與此同時產生的水污染問題日趨突出,加之水環境惡化、全球水資源短缺等致使水生態系統面臨較大壓力,一旦超過系統可承載力必然會對區域水資源持續利用甚至經濟社會穩定發展造成嚴重影響。因此,為了保證區域水生態系統安全有必要分析水資源可持續利用情況。國內外許多學者從不同尺度上探究了水資源可持續利用狀況,研究方法主要有水生態足跡法、水足跡法等,研究內容大多集中于水資源管理與政策、優化配制、可持續利用及生態安全等方面[1-4]。其中,水生態足跡法是現階段應用最廣泛的方法,在山西、江蘇、廣西、吉林、遼寧等諸多地區的水資源利用情況分析均有應用實例,并取得較好的效果[5-7]。為更加客觀地反映區域水資源情況,有學者在水生態足跡中引入水資源產量和均衡因子,提出三維生態足跡模型和水生態足跡深度、廣度的概念,還有人將脫鉤理論與水生態足跡法相結合用于分析經濟發展和水資源環境之間的協調關系[8]。然而水生態足跡模型使用的參數大多沒有考慮時間差異和區域差異,用全球性產量因子和均衡因子很容易導致實際情況與計量結果存在偏差。為解決以上問題有學者引入了能值理論,經不斷研究實踐形成了較完善的能值生態足跡模型。能值理論就是將不同種類的能量利用太陽能值轉換率統一轉換成太陽能值,以此定量研究分析各種形式的能量,可以客觀反映社會經濟發展與生態環境之間的關系。能值生態足跡模型相比于傳統的水生態足跡模型主要是以太陽能值轉換率統一系統中各種能值流,可以更加直觀地反映水資源利用發展態勢。鑒于此,文章利用該方法分析丹東市水資源可持續利用動態變化趨勢極具現實意義。

1 區域概況

丹東市地處遼寧省東南部,地形以平原谷底、丘陵山地為主,總面積1.52萬km2,是一座沿海、沿江、沿邊城市。該區域屬溫暖帶亞濕潤季風氣候,北部6～7℃,南部平均氣溫8～9℃,多年平均降水量881.3～1087.5mm,其中2/3發生在夏季,7～8月為暴雨集中期。借鑒水資源公報,2021年丹東市降水量1334.7mm,折合降水總量199.84億m3,較多年均值偏多31.5%,2021年水資源總量126.49億m3。雖然丹東市是全省水資源最豐富且降雨量最多的地區,但由于特殊的地理環境和氣候條件,當地水資源利用存在可開采總量少、開發難度大、邊際效益低等問題,局部地區尚面臨春季干旱、水體污染、用水效率低和地下水超采的現狀。因此,科學分析丹東市水資源利用現狀對推動區域生態經濟可持續發展具有重要意義。

2 研究方法

2.1 數據來源

本研究以丹東市整體情況為統計依據選取2001—2020年數據,其中年均用水量和水資源總量等水資源數據來源于丹東市水資源公報,氨氮或COD廢水排放量等污染用水數據來源于遼寧省統計年鑒,降雨量、區域面積、戶籍人口數量和地區生產總值(GDP)等其它數據來源于丹東市統計年鑒,參照有關文獻獲取能值轉換率值。

2.2 水資源能值生態足跡模型

1)水資源能值生態足跡。該模型主要包括水質和用水量生態足跡兩個部分,其中水質生態足跡又稱為污染足跡,主要是稀釋污染物至一定標準所消耗的水資源;用水量生態足跡包括生態、居民生活、城鎮公共服務、工業和農業用水5類,相應的計算公式為[9]:

EEFw=EEFk+EEFq

(1)

(2)

式中:EEFw、EEFk、EEFq為人均水資源能值、用水量和水污染的生態足跡,hm2/人;Cki、Eki、Mki、τki為第i類用水的人均太陽能值,sej/人、總能值,sej、用水量,m3以及太陽能值轉換率,sej/m3,i=1,2,3,4,5;N、Pw為丹東市人口數量和全球平均能值密度,Pw通常取3.104E+14(sej/hm2);ENH3-N、ECOD、MCOD/NH3-N代表氨氮和化學需氧量(COD)能值(sej)以及COD或氨氮的廢水排放量(kg);ρw、ρCOD/NH3-N代表水的密度(kg/m3)和COD或氨氮允許排放濃度,依據污水綜合排放標準確定COD和氨氮允許排放濃度為50mg/L和12mg/L;Hw、Uw代表熱值換算系數和水的單位能值,Hw通常取2.56E+04(J/kg),由地表水(地下水)化學能與雨水化學總能值之比確定Uw值為8.54E+04(sej/J),其數學表達式為:

EErc=S·Rain·θ·G·ρw·τrc

(3)

Eg(Eu)=Mg(Mu)·G·ρw

(4)

式中:EErc、τrc為雨水化學能值(sej)及其太陽能值轉換率,一般τrc取1.80E+04(sej/J);Eg、Eu、Mg、Mu為地表水和地下水的化學能,J及水資源量,m3;S、Rain、θ、G為表區域面積,m2、平均降雨量,m和蒸散系數,其中θ一般取0.6;G為吉布斯自由能,雨水、地表水、地下水的吉布斯自由能分別為4.94j/g、4.94J/g和4.90J/g。模型中有關參數取值及主要能值轉換率如表1所示。

表1 能值轉換率統計表

2)水資源能值生態承載力。該指標反映了一定條件下特定時期內某區域水生態系統對經濟社會發展可承載的最大壓力,按照能值理論丹東市水資源能值由地下水與地表水化學能、雨水勢能組成。另外,結合區域水資源利用率水平,為維持生態環境和生物多樣性發展至少要扣除60%用水,則承載力計算方法如下[10]:

(5)

式中:EECw、EErh、EEg、EEu為人均水資源能值生態承載力,hm2/人、雨水勢能值,sej、地表水和地下水化學能值,sej;Pw為丹東市平均水資源能值密度,由丹東市近20a單位面積上的水資源能值計算確定為2.48E+14(sej/hm2)。采用下式計算雨水勢能,即:

Erh=S·Rain·φ·ρw·h·g

(6)

式中:Erh為雨水勢能,J;φ、h、g為徑流系數、海拔高度平均值,m和重力加速度,一般φ取0.4,g取10m/s2。

2.3 水資源可持續利用評價指標

1)水資源生態盈余(ES)/赤字(ED)。該指標反映了水資源供需情況及可持續利用程度,一般用生態承載力EECw與生態足跡EEFw之差來衡量。若EEw>EECw則代表產生生態赤字(ED),說明經濟社會發展超出水資源利用生態負荷,在一定程度上威脅著水生態安全;若EEw

ED(ES)=EECw-EEFw

(7)

2)水資源生態壓力指數(EPI)。該指標反映了水生態安全狀況,一般用生態足跡與生態承載力之比來衡量。若EPI<1則代表經濟社會發展消耗的水資源未超出生態承載范圍,水生態達到安全狀況;若EPI>1則代表經濟社會發展消耗的水資源超過其生態供給能力,水生態達到不安全狀態;若EPI=1則代表水資源系統達到供需平衡狀態(等級劃分見表2),其數學表達式為:

表2 生態安全等級劃分

EPI=EEFw/EECw

(8)

3)水資源生態經濟協調指數(ECI)。該指標反映了經濟社會發展與水生態系統間的相互關系及協調性,可以衡量不同時期水資源供需、開發利用程度與經濟發展水平之間的關系,其表達式如下[12]:

(9)

式中:ECI處于1～1.414取值區間,該值越接近于1代表經濟社會發展與水生態系統間的協調性越差,該值越接近1.414代表兩者的協調性越好。

3 結果與分析

3.1 水資源能值生態足跡變化

采用以上數據和方法計算2001—2020年丹東市人均水資源能值生態足跡EEFw分別為0.96、0.98、1.00、1.00、1.01、1.07、1.14、1.18、1.20、1.19、1.20、1.23、1.27、1.34、1.26、1.26、1.25、1.28、1.29和1.50hm2/人。結果表明,丹東市EEFw從2001年的0.96hm2/人波動上升到2020年的1.50hm2/人,增幅達到56.25%,年平均增幅2.81%,總體表現出明顯上升趨勢。另外,農業用水、工業用水和污染用水對丹東市水資源能值生態足跡的貢獻較高,貢獻最低的是生態用水。

從變化趨勢上,2001—2020年生態、城鎮公共服務、居民生活和工業用水足跡逐年增加,而污染和農業用水足跡呈波動減小趨勢,如圖1所示。總人均能值賬戶與工業用水賬戶具有相似的變化趨勢,這也是引起總能值生態足跡變化的重要因素。由計算結果可知,丹東市具有較大的農業用水需求量,但是農業對經濟的貢獻作用相對較低,近年來工業用水需求不斷增加而農業用水量逐漸減少,通過增加工業產值能夠更好地促進經濟發展。因此,近20a丹東市不讀調整水資源分配結構,促進工農業產業升級及結構調整。

圖1 2001—2020年丹東市水資源能值生態足跡變化圖

3.2 水資源能值生態承載力變化

采用相關公式計算2001—2020年丹東市人均水資源能值生態承載力EECw分別為0.36、0.50、0.52、0.54、0.50、0.49、0.49、0.50、0.44、0.48、0.42、0.48、0.57、0.59、0.51、0.45、0.61、0.64、0.64和0.521.50hm2/人。結果表明,研究期間丹東市水資源總能值處于7.10E+20sej～14.08E+20sej波動范圍,總能值生態承載力總體表現出增大趨勢,并以2018年達到最高值2.42E+06hm2,2001年總能值生態承載力出現最低值1.32E+06hm2。

丹東市2001—2020年水資源能值生態承載力EECw總體呈波動變化趨勢,變化區間為0.36～0.64hm2/人,多年平均值為0.51hm2/人,其中雨水勢能的貢獻較高,其生態承載力最大,而地下水與地表水貢相對獻較低。降雨量對EECw的影響顯著,統計分析表明丹東市年降雨量與水生態承載力相關系數為0.92,這表明水生態承載力主要取決于當地年降雨量情況。

3.3 水資源可持續利用分析

水資源生態壓力與生態盈虧變化趨勢如圖2所示,結果表明2001—2020年丹東市水資源始終處于生態赤字(ED)水平,并且ED表現出波動上升態勢,從2001年的-0.60hm2/人波動上升到2020年的-0.98hm2/人,增幅達到63.33%。水資源生態壓力指數EPI年際變化幅度較小,整體呈現出波動變化態勢,多年平均值為2.35,水資源生態處于亞安全等級。其中,2020年EPI值最高達到2.88,2004年EPI值最小為1.85。近年來,隨著經濟的快速發展丹東市用水需求量急劇增加,水資源短缺矛盾對生態環境可持續發展造成不利影響,生態赤字的擴大在一定程度上限制了區域社會經濟發展。

圖2 水資源生態壓力與生態赤字

水資源生態經濟協調指數(ECI)變化趨勢如圖3所示,結果顯示2001—2020年ECI呈波動態勢,ECI位于1.27～1.36變化區間,多年平均水資源生態經濟協調指數為1.31,表明丹東市經濟社會與水資源生態之間具有較為穩定的協調性,通過調整工農業產業結構不斷提高了水資源利用效率。但相較于1.42的理想中海具有一定差距,說明丹東市經濟社會與水資源生態間的協調性仍具有一定上身空間。

圖3 水資源生態經濟協調指數

丹東市依然面臨著嚴峻的水生態安全形勢,工、農業用水量大使得整體用水效率偏低。對于農業用水,丹東市應加快農業種植結構調整,通過引入先進的灌溉技術提高農業用水效率,最大程度地減少水資源浪費;對于工業用水,應正確引導化工、煤炭等行業使用低耗水和低污染工藝,進一步提高科技含量及技術水平,降低水環境壓力;另外,要提高生活用水效率和全面節水意識,推廣落實節水獎勵制度,加強向廣大群眾節水知識普及;采用先進技術對污染用水實行循環利用,實現水環境安全狀況目標和水資源可持續利用。

4 結 論

1)2001—2020年丹東市水資源能值生態足跡EEFw處于0.98hm2/～1.50hm2/人變化范圍,年平均增幅2.81%,總體表現出明顯上升趨勢。農業用水、工業用水和污染用水對丹東市水資源能值生態足跡的貢獻較高,近年來工業用水需求不斷增加而農業用水量逐漸減少,通過增加工業產值能夠更好地促進經濟發展。近20a丹東市逐步調整水資源分配結構,促進工農業產業升級及結構調整。

2)研究期間丹東市水資源生態赤字(ED)和生態壓力(EPI)平均值為-0.67hm2/人、2.35,表明丹東市長期處于生態亞安全和水資源生態赤字狀態,但水資源生態經濟協調指數(ECI)平均值為1.31,表明其經濟社會與水資源生態之間具有較為穩定的協調性,通過調整工農業產業結構不斷提高了水資源利用效率。