辽宁省水资源生态足迹的定量评价及其影响因素分析

2019-01-31

中国水能及电气化 2019年1期

(辽阳市水务事务服务中心，辽宁辽阳 111000)

辽宁省位于我国工农业发展的核心区域，境内河网水系稠密，主要有辽河、太子河、大凌河、浑河等，其水资源的可持续性将直接影响到我国东北部地区经济发展的可持续性和生态环境安全[1]。辽宁省属于大陆性季风气候，冬冷漫长、夏热多雨，年均降雨量600～1100mm且在时空分布上极不均匀，因辽宁省特有的地理位置和气候环境，造成了该区域的洪涝灾害、水环境污染等事件频发，另外，辽宁省废水的排放量以及水资源的需求量随着城市化的快速推进而不断增加，水资源紧缺及其时空分布不均等问题更加严峻[2]。对该区域可持续发展的变化规律及其影响因素的研究，已成为正确处理人口、经济、环境、资源之间变化关系的主要途径[3]。

生态足迹法是国内外应用较为广泛且理论发展相对比较成熟的方法，该方法是由Hoekstra等[4]在William Rees的研究成果之上发展完善而来的，它是对一个区域的经济规模或人口的水资源消费污水吸收水平利用生产性土地面积进行度量的方法，可为区域生态承载力能力范围与水资源生态生产面积之间的和谐状态提供定量的判别依据。近年来，我国学者对水资源生态足迹开展了大量研究，如潘安娥等[5]从水足迹方面对湖北省社会生产和生活与水资源压力之间的变化关系进行分析，揭示了区域水足迹表现出上升趋势；黄林楠等[6]建立了基于产量与均衡因子的评价模型，并将其应用于实际研究；张仪等[7]利用改进的水资源生态足迹模型揭示出广西省水资源正处于严重的不安全状态；谭秀娟等[8]对我国水资源生态足迹变化趋势利用ARIMA模型开展了深入的探讨；孟丽红等[9]认为江西省的水资源可持续发展具有较大压力，且生态足迹表现出明显的上升趋势。

目前，该领域的研究主要集中在水资源紧缺或较大尺度的范围，而对我国东北部地区水资源方面的研究相对较少，尤其是考虑了水环境污染对水资源生态足迹影响的研究更少[10]。据此，本文基于水污染足迹的影响作用，以辽宁省为例开展研究并探讨了影响其可持续性的关键因素，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。

1 研究方法

1.1 数据来源

辽宁省2001—2016年的水资源公报、统计年鉴以及水环境状况相关调查资料为本文数据的主要来源。首先动态分析了2000—2015年辽宁省水资源生态盈亏、万元GDP等指标变化特征，并对其14个地级市的空间分布特征进行分析；然后结合人口、经济、生态、各账户用水量等参数分析了各影响因素的相关性，并在此基础上找出主要因素，为提高辽宁省水资源与生态环境的协调可持续发展提供一定参考[11]。

1.2 水资源生态足迹模型

以水资源平均生产能力除以世界平均水平得到的结果即可作为区域水资源产量因子，对辽宁省各地级市的产量因子结合近15年的平均产水模数和水资源利用实际状况进行确定，结果见表1。参考黄林楠[6]等提出的均衡因子，分别选取5.19、0.35作为水资源与渔业均衡因子。

表1 辽宁省各地级市水资源产量因子

将水资源生态足迹按照不同的消费方式可以划分为渔业、淡水、水污染三个方面，其中淡水生态足迹是指生产、生活及其他用水。本文选取有机物与氨氮作为水污染足迹的特征指标，并以最大污染足迹作为能够反映区域水污染特征的生态足迹，水资源生态足迹表达式如下：

EFW=WFfiw+EFfrw+EFWP

(1)

(2)

(3)

EFWP=max(EFNP,EFCODP)

(4)

式中EFW、EFfiw、EFfrw、EFWP、EFNP、EFCODP——水资源、渔业、淡水、水污染、氨氮、有机物生态足迹，hm2；

Afiw、Afrw、CN、CCOD——水产品、淡水、氨氮和有机物的污染物总量，t；

Pfiw、Pw、PN、PCOD——全球水产品、水资源、消纳氨氮污染、消纳有机物污染的平均能力；

aw——均衡因子。

结合已有文献资料和农产品产量相关计算标准，分别选取PN、PCOD为0.003145hm2/人与0.062896hm2/人，Pfiw选取为1.5t/hm2。

1.3 生态盈余和赤字计算

对比分析一个地区所拥有的生态承载力与水资源消耗形成的足迹，即可形成生态盈余或赤字，并且为维持一个地区生态环境的平衡应至少扣除60%的水资源承载力，因此，可采用下式进行水资源生态盈余的计算：

ECW=0.4γwφwQ/Pw

(5)

式中ECW——水资源生态承载力，m3；

γw、Pw——水资源全球均衡因子和全球平均生产能力；

φw——研究区域占世界平均水平的比值；

Q——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。

生态赤字或盈余是对生态可持续发展程度进行科学、准确评价的主要指标，可采用下式进行计算：

Erd=EFW-WCW

(6)

式中Erd——生态赤字或盈余。

区域生态足迹与当地GDP的比值是衡量水资源利用效率的重要参数指标，其值的大小反映了区域水资源利用效率的高低，表达式如下：

(7)

式中EFGDP、WGDP——万元GDP水资源生态足迹和该区域的GDP值。

2 实例应用

2.1 水资源生态足迹变化

2000—2017年辽宁省年人均水资源生态足迹变化情况见图1。由图1可看出，辽宁省水资源整体呈现出上升趋势，且在2011—2012年的增长幅度更加明显。

图1 2000—2017辽宁省年人均水资源生态足迹变化情况

对比分析生态足迹的组成比例可以看出(见表2)，对生态足迹总量贡献较小的为淡水与渔业生态足迹，并且在2012—2015年生活与工业用水量逐渐下降，由此表明自2012年以来辽宁省在生活与生产上的水资源利用率不断增加，节水意识逐渐加强。对水生态足迹贡献较大的为水污染足迹，水资源生态足迹的变化趋势与水污染保持良好的一致性。

表2 2000—2015年辽宁省人均淡水资源生态足迹 (单位：hm2)

研究区域在2011—2012年的水污染足迹呈显著急剧的增长趋势，增长量达35.26hm2/人，而在此后的几年内，水资源生态足迹呈现出一定幅度的下降趋势。这可能与2013—2015年辽宁省加大了污染物排放管控力度相关，然而结合2015年的水污染足迹数据可知，该区域水污染仍处于较高的水平。

由辽宁省2000—2015的万元GDP水资源变化趋势(见图2)可知，在研究期间辽宁省水资源利用效率逐渐得到提升，万元GDP用水量呈现出较大幅度的降低，由此表明该区域的经济发展并不是以牺牲环境和大规模地消耗水资源为代价而取得的，相反在研究期间辽宁省废水处理率及水资源有效利用率逐年得到提升。由此可知，辽宁省的产业调整不仅有效促进了经济发展，而且具有良好的环境效益。废水排放的有效控制及节水意识的不断加强，仍为目前水资源生态足迹方面的控制重点[12]。

图2 2000—2015年辽宁省万元GDP水资源生态足迹变化情况

2.2 各行政区水资源生态足迹空间差异

将辽宁省各地级市水资源数据输入模型并运算，可得各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、水资源产量因子等相关参数，可得各地级市在2015年的水资源承载力和生态压力指数，计算结果见表2。

表3 辽宁省各地级市2015年人均水资源生态足迹、生态承载力及生态盈余

续表

由表2计算结果可以看出，辽宁省人均生态足迹在大连、营口、铁岭等区域较大，由此可知在上述区域城市化快速发展和经济建设过程中，城镇公共用水、工业用水以及废水的排放量较大，另外在沈阳、鞍山以及营口等区域的人均水资源生态足迹相对较大，这可能与上述区域人口密集、水资源需求量高、生活污水排放量大等因素相关。

根据各地级市人均生态承载力输出结果可以看出，阜新市生态足迹最大，为16.28hm2，其次为沈阳，为15.35hm2，而在本溪市最小，为2.42hm2。结合各区域实际状况可知，相对于其他区域阜新市的年降水量较为丰富，并且人口相对较少，该区域具有良好的蓄水与涵水条件。虽然沈阳市具有丰富的地下水资源，但该区域对水源的拦蓄作用相对较低，其生态承载力水平处于中等水平。

从辽宁省各地级市生态盈余或赤字计算结果可以看出，辽宁省在2015年水资源整体处于赤字状态，并以大连市最为显著，为-6.37/hm2，其次为丹东市，为-5.37/hm2，仅有辽阳市、盘锦市以及葫芦岛市为轻微的生态盈余。由此表明，因辽宁省经济的发展，造成工农业废水排放量加大，并且人口数量的增加导致用水紧张等矛盾日趋突出。因此，为更好地促进区域水资源的可持续发展，就必须加大对经济较为发达区域的资金投入和技术支持，提高用水效率，缓解用水紧张矛盾，加强对水资源的保护。

2.3 水资源生态足迹影响因素

结合辽宁省统计年鉴、水资源公报以及水资源评价指标选取原则等，本文选取能够代表辽宁省水资源生态状况的14项评价指标，采用SPSS软件进行相关性分析，结果见表4，其中“**”为0.01显著性水平；“*”为0.05显著性水平。

表4 人均水资源生态足迹指标相关系数计算结果

表4中C1～C5分别为城镇生活污水、人均GDP、工业废水、常住人口数、农村用水；C6～C10分别为工业用水量、城镇居民用水、城镇公共用水、水产品产量、第三产业废水；C11～C14分别为农业用水、万元农业用水、万元GDP用水、万元工业增加用水。

由相关性计算结果可以看出，对人均水资源生态足迹相关性较高的指标为人均GDP、工业废水以及城镇生活污水。由此可见，随着辽宁省城市化进程和经济建设的快速发展，水环境污染已成为制约水资源可持续利用的主要因素。指标C10～C14的相关性为负，由此表明可通过淘汰低产值、高耗水的企业促进研究区域的产业升级，从而提高工农业的用水效率。