辽宁省水资源生态压力空间格局研究

刘学军

(锦州市义县水利局，辽宁 锦州 121100)

水资源是人类赖以生存和发展的自然资源，是支撑社会经济可持续发展的重要性战略资源。受人类活动和社会发展影响，水资源系统和演化发展规律已发生明显的改变，水资源供需关系持续紧张等问题已成为制约我国社会经济发展的主要因素之一[1]。据此，开展水资源生态压力与社会经济发展之间的相互作用关系研究，对制定区域水资源可持续利用发展关键性技术措施方案具有重要意义[2]。国内外学者针对水资源生态压力开展了大量的研究和探索，并取得了一定的研究成果[3]。辽宁省为我国东北部地区，水资源空间分布差异性较大，且人均水资源占有量较低，水资源供需矛盾已成为制约该区域生态文明建设和社会经济可持续发展的主要因素之一[4]。众多学者通过各种方法和途径对辽宁省的水资源可持续利用现状展开深入研究，然而仅立足于时间序列视角，而对各地级市的可持续利用状态研究相对较少，未能准确识别出各区域之间的水资源可持续利用的空间差异性。综上所述，本文以2016年的考察样本为依据，基于生态足迹压力测度模型就辽宁省各地级市的社会经济对水资源生态压力展开模拟计算，并利用自然断点法借助ArcGIS分析软件对水资源生态压力空间格局进行探讨，采用空间自相关分析模型考察了各区域的水资源空间关联模式，以期为辽宁省制定差别化水资源可持续利用相关制度和方案提供一定的数据支撑和决策依据[5]。

1 研究区域概况

辽宁省位于我国东北部地区，地理位置介于东经118°53′～125°46′、北纬38°43′～43°26′之间，占地面积为14.8万km2。地形地貌结构复杂，主要是以山地、丘陵地、平原区为主；属于温带、寒温带大陆性季风气候，冬季干冷漫长，夏季多雨炎热，全年降雨量为600～1100mm之间，降雨量和径流量分布不均匀，东部山地丘陵区降雨量较为充足。辽宁省工业发展较为充分、畜牧业和农林业发展迅速，不仅是我国的粮食基地而且是重工业发展中心[6]，2016年常住人口为4377.8万人，GDP总产值22037.88亿元。水资源总量为826.5亿m3，总用水量约为316.2m3，其中第一、二、三产业的用水量分别为168.4亿、107.2亿和40.6亿m3。

2 研究方法及数据来源

2.1 水资源生态压力测度模型

生态足迹法的衍生发展是进行水资源生态足迹分析的前提条件，它是以水资源用地面积表征人类所消耗水资源量[7]，具有直观、清晰和简洁等特征，在人类社会经济活动对水资源所产生的压力研究方面应用较为广泛，理论发展相对成熟，模型具体表达式为：

WEF=γw(Wa+Wi+Wc+Wl+We)/Pw

(1)

式中，WEF—水资源生态足迹，hm2；γw—全球水资源均衡因子，本文取0.82；Wa、Wi、Wc、Wl、We—分别为农业、工业生产用水、城镇公共用水、生活、生态环境用水，m3；Pw—全球水资源平均生产能力，本研究中的参数值取3180m3/hm2。

为了保证区域内社会生产、生活以及生态可持续发展能力，往往采用水资源承载力指标进行表征，其计算公式如下：

WEC=0.4γwφwW/Pw

(2)

式中，WEC—水资源生态承载力，m3；φw—水资源产量影响因子即研究区域水资源生产能力占世界平均水资源生产能力的比值；W—水资源总量，m3；0.4—在水资源总量中除去60%用于维持生态环境的剩余水量比重；其他变量含义同前。

水资源可持续发展状况受社会经济发展影响显著，往往采用水资源生态压力指数进行表征，其值的大小代表人类各种活动对水资源的威胁和作用程度，值越大则越不利于水资源的可持续利用[8]。基于能源消费的生态压力测度计算方法，水资源生态压力可采用下式进行计算：

(3)

式中，WEP1—水资源生态压力，WEP1值大于1时表示人类各种生产生活活动已对水资源产生威胁和胁迫，并超出生态承载力的极限值，水资源的开采利用处于不利状况；WEP1值小于1时则表示人类各种生产生活活动对水资源的影响作用较小，在生态承载力的可控范围之内，水资源开采利用为良性状态。

2.2 空间自相关性分析

空间自相关性分析法在水资源生态压力研究领域得到广泛的应用和发展，主要包括全局空间自相关和局部空间自相关2种主要度量指标[9]。对整个研究范围之内的某种地理现象或属性值在空间上的聚集特征和程度进行表征，通常采用全局空间自相关模型进行研究，并用Moran指数I进行表征，其计算公式为：

(4)

(5)

I值的大小表征研究区域内某地理现象或特征属性的异质空间聚集程度，取值范围为-1～1。当值为正时表示所具有的正向同质空间聚集效应，越趋近于1则空间关联性越强；当值为负时则表示存在较为明显的差异性，越趋近于-1则空间差异性越明显；当值为0时则表示研究范围内不存在空间相关性[10]。

对研究区域内某相邻单元属性特征的相关性程度进行分析，通常采用局部空间自相关指标Ii进行表征，计算公式为：

(6)

式中，Ii—局部空间异质性参数。当值为正时表示单元i与相邻单元具有同质性特征，值越大则同质性越明显；当值为负时标志单元i与相邻单元具有异质性特征，值越小则异质性越明显，所有Ii值之和即为I。其他变量含义同前。

Moran聚散点图是表征局部单元空间聚集特征的主要方法，图形中的第一、第二、第三、第四象限分别为高高、低高、低低和高低空间关联模式，并表示为相邻单元均为高值聚集区、低值聚集区、均为低值聚集区、高值聚集区。结合Moran集散图，利用空间分析软件ArcGIS可获得显著性水平图LISA。

2.3 数据来源

本研究通过查阅相关文献和资料，收集了辽宁省各地级市研究样本的各类水资源用水量数据，统计结果见表1。

3 结果与分析

3.1 水资源生态压力

本文通过构建水资源生态足迹测度模型公式(1)，将辽宁省各地级市水资源数据输入模型并运算可得14个地级市的水资源生态足迹；结合辽宁省总的水资源量、土地面积以及世界平均水资源生产力等相关参数，可得辽宁省2016年的水资源产量因子为1.628；利用文中所述计算公式(2)和(3)可得各地级市在2016年的水资源承载力和生态压力指数，计算结果见表2。

表1 辽宁省各地级市2016年各利用类型的水资源数量 亿m3

表2 辽宁省2016年各地级市的水资源生态压力计算结果

由表2计算结果可知，辽宁省各地级市的水资源生态压力指数均大于1，取值范围在1.12～3.65，均值为1.79，表示该区域社会活动发展已对水资源产生了严重的影响，并对水资源可持续发展构成严重的威胁。利用上表中的数据进行ArcGIS计算，可将辽宁省生态压力划分为4类：Ⅰ类(1.0～1.35)压力小，主要有大连市、营口市、铁岭市和葫芦岛市；Ⅱ类(1.35～1.76)压力较小，包含沈阳市、鞍山市、抚顺市、本溪市、、丹东市、阜新市；Ⅲ类(1.76～2.20)压力较大，包括辽阳市、盘锦市；Ⅳ类(2.20～3.65)压力大，包括锦州市、朝阳市。辽宁省各地级市的水资源生态压力空间格局表现出明显的不均衡性，其原因和生态环境、水资源利用现状、人口数量、产业结构等相关。

3.2 水资源生态压力的空间自相关分析

利用ArcGIS分析软件将辽宁省地域图矢量化，并采用文中所述计算公式(4)对辽宁省的全局自相关Moran指数进行计算，其值为-0.1028，P值在0.01的置信水平上为0.4185。辽宁省水资源生态压力的空间格局未通过显著性检验，并没有形成较为明显的空间极化特征属性。

3.3 水资源生态压力局部自相关分析

采用辽宁省14个地级市的水资源生态压力的矢量化数据，并利用公式(5)进行区域局部空间自相关性计算，可到局部空间自相关LISA计算结果，并可绘制辽宁省某相邻2城市的Moran指数散点图，如图1所示。

图1 辽宁省2016年水资源生态压力Moran指数散点图

由图1可知，位于高高空间关联模式即第Ⅰ的城市有锦州市、朝阳市、抚顺市，P值在0.05置信水平上的值均大于0.10，显著性表现不明显，且表明该城市的水资源生态压力较高，与相邻的具有较高生态压力的聚集特性表现不突出。位于低高关联模式即Ⅱ现象的城市居多，除了鞍山市以外的城市均表现出明显的局部关联特性，鞍山市的LISA指数为-2.874，P值为0.015，该城市生态压力较低，且与其相邻城市的生态压力较大，但表现为低值异质聚集区。其原因可能与阜新市具有的水利工程建设、塘坝、水库、节水型工业发展等有关[11]；位于低低空间关联模式的城市仅有大连市，在0.05置信水平上的显著性指数为0.8825，P值为0.05，说明该城市水资源生态压力值较低，并且与其相邻的生态压力也低，该城市属于明显的低值聚集区。其原因可能与该城市的天气环境和地理位置相关，降雨量较为充足且属于低山丘陵区，林地覆盖率较高，工农业经济发展结构合理。位于第四象限高低空间关联模式的主要有辽阳市、盘锦市、营口市和丹东市，在0.05置信水平上均未表现出明显的相关性，属于高值异质聚集特征。

4 结论

本文利用生态足迹压力测度模型对辽宁省的14个地级市水资源生态足迹、生态承载力和压力指数进行计算，并对水资源生态压力的空间自相关性和局部自相关性进行计算，得出该区域社会活动发展已对水资源产生了严重的影响，并对水资源可持续发展构成了严重的威胁。为此，辽宁省应当采取多极化的水资源保护措施，实现水资源的可持续利用与经济社会的协调发展。本次研究突破了原有的多聚焦时间维度的研究局限性，拓展了空间格局研究；但是缺乏从时间维度去考察该差异变化的趋势。今后应当加大研究力度，从时空维度考察经济社会发展对水资源影响以及经济社会发展如何影响水资源的可持续利用。