遼寧省水資源可持續利用評價

楊赫男

(喀左縣農田建設管理中心,遼寧 喀左 122300)

水資源是維持經濟社會和人類生存發展的戰略性自然資源,但遼寧省面臨著日趨突出的水環境惡化、水資源短缺及時空分布不均衡等水問題[1]。因此,探究區域水資源可承載能力和可持續利用現狀,對于實現人水協調發展極具現實意義。

生態足跡是指利用生物生產性土地面積定量評價和測算一個區域或地區的可持續發展狀態以及資源利用程度,可以較好地比較和測量自然生態系統承載力之間的差距及人類經濟系統的需求[2-4]。徐中民等最先利用生態足跡的概念實證計算分析了甘肅省的生態足跡,而傳統的生態足跡方法未全面考慮地下水或地表水的諸多功能,大多側重于水域生物生產能力的分析;路瑞等利用Tapio彈性分析法探討了黃河流域經濟發展與水資源生態足跡之間的協調關系;郭麗丹等以江蘇省為例,通過選用12個三級賬戶動態分析2008—2018年區域生態承載力和水資源生態足跡的變化趨勢;黃林楠等以江蘇省為例,利用改進的模型測算分析了區域水資源生態足跡變動規律[5-8]。優化后的模型參數大多選用全球性數據,對于橫向比較不同地區的水資源生態足跡適用性較差,曾曉霞通過優化改進傳統的方法,提出可以有效避免人為參數設置的能值生態足跡評價模型,有利于實時對比分析各地區的水資源狀況;劉珂玲等對北京市和西北某調水工程區水資源可利用狀況應用能值生態足跡模型進行探討,并驗證了該模型的可行性與適用性[9-10]。已有研究往往忽略了生態足跡受水體污染或水產品消費量的影響作用,特別是應用能值生態足跡法研究遼寧省水資源可持續利用現狀的還較少。鑒于此,文章將水生態足跡與能值理論相結合,全面考慮生物質足跡、水污染生態足跡、淡水生態足跡以及雨水勢能、地下水與地表水化學能構建能值水生態足跡模型和承載力模型,測算評價了2010—2020年遼寧省水生態足跡及其承載力,通過水資源壓力指數和水生態盈余評價水資源利用現狀,旨在為科學規劃和制定區域水資源可持續利用政策提供決策依據。

1 研究區概況

遼寧省地處我國東北沿海經濟帶、沈陽經濟區以及振興老工業基地戰略實施的核心區,下轄14個地級市,即本溪、丹東、大連、營口、鞍山、遼陽、盤錦、葫蘆島、錦州、朝陽、阜新、鐵嶺、撫順、沈陽,總面積14.8萬km2。研究區屬溫帶半干旱半濕潤季風氣候區,平均氣溫5～10℃,日照時數2100～2600h,陽光輻射總量100～200cal/cm2,無霜期130～200d,年降水量600～1100mm,主汛期(6～9月)降雨集中,從空間上西部降水偏少約400mm,東部山地丘陵較高>1100mm,中部適中為600mm左右。近年來,隨著工業化和城鎮化進程的加快,許多河湖被過渡開發利用甚至超出其生態承載能力,水環境污染、水域濕地被侵占和水生態功能退化等問題日趨突出,在一定程度上制約著區域經濟協調發展。

2 評價方法

2.1 能值分析理論

太陽能是地球上所有事物的主要能量來源,所以能值分析理論將反映事物能量的基準設定為太陽能值,采用轉換率建立能值與能量間的關系,將地球系統中不可直接相加減、不同形式的能量統一轉化成標準能值來分析,其數學表達式為:

E=Bτ

(1)

式中:E、B為能值,sej和物質或能量的質量,g或J;τ為能值轉換率,sej/g、sej/J。

2.2 能值水生態足跡

能值水生態足跡(Wef)是指特定區域內的人口和經濟發展到一定規模時,吸納生產、生活廢棄物所需要的水量和區域發展所消費的水資源量,以此核算出的虛擬水資源用地(生物生產性土地面積)[10]。將能值水生態足跡一級賬戶按照區域水資源用水特性劃分成水產品、水污染、淡水生態足跡3個二級賬戶,其中水產品和水污染生態足跡是生產各類水產品以及居民生產生活所排放廢污水的足跡,淡水生態足跡又進一步細分成生態環境、工業、農業和生活用水4個三級賬戶,具體如下:

Wef=Wefa+Wefp+Weff

(2)

式中:Wefa、Wefp、Weff為區域水產品、水污染和淡水生態足跡,hm2;P、n為區域能值密度,sej/hm2和三級賬戶個數;Efi、Ep、Ea為三級賬戶i的能值,sej和水污染、水產品能值,sej;Cfi、τfi為三級賬戶i的用水量,m3及能值轉換率,sej/t;QP、τP為污水排放量,t及其能值轉換率,sej/t;Ma、τa為水產品產量,t及其能值轉換率,sej/t。

2.3 能值水生態承載力

能值水生態承載力(Wec)是指特定技術管理水平和社會發展條件下,區域水資源對社會、經濟以及環境協調發展的最大支撐能力[11]。綜合考慮研究區水資源來源情況,選擇雨水勢能、地下水和地表水化學能為可更新資源計算水資源生態承載力;另外,為了維持水生態系統的良性循環,保證水生態環境健康需要扣除至少60%的水量,具體表達式如下:

(3)

式中:Er、Eu、Eg為雨水勢能、地下水和地表水化學能,seg;Pw為水資源能值密度平均值,sej/hm2。

2.4 能值水生態足跡評價指標

1)水生態盈虧指數。能值水生態承載力反映了水生態系統支撐和承受經濟社會發展的能力,而能值水生態足跡則表征特定區域對水資源實際占用和需求情況,通過對比分析可以評定水資源持續利用狀況,利用下式計算水生態盈虧指數Wed:

Wed=Wef-Wec

(4)

若Wed=0則代表水資源供需平衡,水生態系統呈平衡狀態;若Wed>0則代表水資源供需供給小于需求,水生態系統呈赤字狀態,水資源短缺;若Wed<0則代表水資源充足,水生態系統呈盈余狀態,能夠促進經濟社會發展。

2)水生態壓力指數。通過能值水生態足跡與承載力之比反映區域水資源開發利用安全狀態,該比值即為水生態壓力指數Ip,計算式如下:

Ip=Wef/Wec

(5)

若Ip=1則代表水生態處于臨界狀態,水資源供給與消耗達到平衡狀態;若01則代表水生態處于危險狀態,水資源不可持續利用,Ip值越大水資源開發利用強度就越高,水生態系統越不安全。

2.5 數據來源

研究所用地下或地表徑流量、年降水量、各產業結構用水量等水資源數據來源于2010—2020年各地級市水資源公報,區域面積、水產品摻量和廢污水排放量等統計數據來源于2010—2020年遼寧省統計年鑒。

2.6 參數確定

根據區域水資源總能值與面積的比值及可更新資源的總能值確定區域水資源平均能值密度Pw和能值密度P;參考相關研究成果,遼寧省生態環境、工業、農業、生活用水能值轉換率τfi為1.28×1012sej/m3、1.50×1012sej/m3、8.7×1011sej/m3、2.35×1012sej/m3,水產品τa、廢污水τP能值轉換率為2×106sej/t和4.94×1012sej/m3,能值密度P及平均值Pw取4.58×1015sej/hm2和3.09×1015sej/hm2。

3 結果與分析

3.1 水生態足跡與承載力變化

1)水生態足跡演變規律。以2010—2020年遼寧省廢污水排放量、各類水產品產量以及用水量等統計數據為基礎計算相應的水生態足跡,如圖1所示。

圖1 水生態足跡演變趨勢

結果表明,遼寧省2010—2020年水生態足跡整體表現出波動上升趨勢,除2016年外均呈階梯式增長趨勢,2010—2013年、2013—2015年、2016—2018年水生態足跡增長率依次為1.48%、2.59%、3.65%,年均增長率2.21%。2016年水生態足跡總量有所回落可能與節水型社會建設、水生態文明建設取得的成效有關,工業與農業用水足跡顯著減小,與此同時生活用水足跡明顯增加,從而使得2017年水生態足跡明顯上升。

生態環境、工業、農業、生活、水產品和水污染用水足跡對誰生態足跡的貢獻存在一定差異。其中,農業用水足跡占比最高達到26.20%,其次是工業和生活用水足跡占比約為20.25%、19.81%,水生態足跡占比最小不足3%,水污染和水產品用水足跡占比居中。

2)水生態承載力演變規律。遼寧省2010—2020年水生態承載力變化趨勢如圖2所示,結果表明遼寧省水生態承載力總量變化未表現出明顯的規律性,其與地表水生態承載力變化趨勢基本相同,2012年達到最高的850萬hm2,2015年誰生態承載力總量相比于2012年減小480萬hm2,2015—2019年年均增速達到18.9%。總體而言,遼寧省以地表水開發利用為主,區域水生態承載力較低,在很大程度上取決于地表水供給能力。

圖2 水生態承載力演變趨勢

3.2 水生態足跡空間分布

1)水生態足跡。各地市2019年的水生態足跡空間分布如表1所示,結果表明空間分布較為零散,總體呈東多西少、南高北低的分布特征,其中大連市水生態足跡最高達到135.1萬hm2,其次是營口市101.3萬hm2和沈陽市97.4萬hm2,阜新市水生態足跡最小只有大連市的13.7%。水生態足跡越大代表該地區用水消耗越大,遼南相比于其它地區水資源消耗量相對較多。

表1 2019年各地級市水生態足跡 萬hm2

續表1 2019年各地級市水生態足跡 萬hm2

2)水生態承載力。各地市2019年水生態承載力空間分布存在明顯差異,其中丹東市、營口市、沈陽市的水生態承載力較高依次為182萬hm2、126萬hm2和104萬hm2,其它地市均不超過50萬hm2,其中遼陽市和阜新市最小為4.88萬hm2、6.12萬hm2,整體表現出明顯的差異性。這是因為東、南部相較于其它地區的降水量較高,加之東南部具有豐富的水資源和發達河網水系,所以承載力較高[13]。

3.3 水資源可持續利用評價

1)從時間尺度上。遼寧省2010—2020年水資源壓力指數和水生態盈虧量如圖3,結果表明水生態赤字整體表現出“鋸齒”形變化特征,特別是從2012年的22萬hm2快速上升到2015年的568萬hm2,2015年有所減小,2016—2020年水生態赤字處于348萬～443萬hm2范圍變化。因此,2010—2020年遼寧省水資源呈生態赤字狀態,即水生態足跡始終高于水生態承載力,即使2015年后有所改善但依然面臨著嚴峻的供需矛盾[14]。2010—2020年的水資源壓力指數均≥1,2015年最高達到2.54,表明遼寧省水資源供給難以滿足實際用水需求,水資源短缺將阻礙或限制區域經濟可持續發展。

圖3 水資源壓力指數和水生態盈虧量

2)從空間尺度上。各地市2019年水資源生態盈虧量與水資源壓力指數如表2所示,其中“-”表示水生態盈余。總體上遼南水生態有所盈余,而遼西地區水生態赤字相對較重。朝陽市水生態赤字最高達到90.24萬hm2,水資源開發利用不可持續。大連、鞍山和營口市水生態盈余,這是因為遼南地區的降水豐富,并且外調輸水、水庫大壩等工程較多,水資源調蓄能力較強。

表2 2019年各地級市水資源壓力指數和水生態盈虧量

由表2可知,大連、鞍山、營口和沈陽地區的水資源壓力指數小于1,表明這些地區水資源充沛,供給壓力相對較小,建議合理調度水資源以及適當減小地下水開采;受產業結構、人口基數和水資源量等因素影響,其它地級市的水資源壓力指數均明顯超過1,特別是朝陽市、盤錦市達到7.22和6.50,說明遼西地區水生態環境比較脆弱,應在水資源合理開發的情況下,及時調整水資源配制保證各地區用水安全,更好地滿足實際用水需求[15-16]。

4 結 論

1)遼寧省2010—2020年水生態足跡整體表現出上升趨勢,生態環境、工業、農業、生活、水產品和水污染對水生態足跡貢獻率不同;研究期間,水生態承載力明顯低于水生態足跡,水生態呈赤字水平,水資源供給難以維持實際用水需求,水資源壓力指數整體大于1。

2)從空間上,2019年各地市水生態足跡呈現出明顯差異性,其中遼北和遼東工業、農業用水足跡較高,而遼南、遼西主要是誰污染和水產品足跡。遼南水生態有所盈余,如大連、鞍山和營口市水生態盈余,而遼西地區水生態赤字相對較重,并以朝陽市水生態赤字最高,水資源開發利用不可持續,應在水資源合理開發的情況下,及時調整水資源配制保證各地區用水安全,更好地滿足實際用水需求。