河北省水资源变化及可持续性评估

2021-05-11李腾刘晴隋鹏

中国农业大学学报 2021年6期

李腾刘晴隋鹏

(中国农业大学农学院，北京 100193)

河北省地处华北平原北部，地表总面积18.77万km2，平原占30.49%，其中多年耕地面积约为6.48万km2，省内湖泊和洼淀面积仅占2.21%，水资源匮乏[1]。因此分析河北省水资源的供需结构及年际间变化趋势，对于减轻河北省水资源压力、制定节水措施和维持水资源生态健康具有重要指导意义。

黄峰等[2]分析了1998—2015年华北地区农业用水量、水分利用效率和水分生产力，并提出了相应的节水指导意见；韩宇平等[3]采用水足迹理论对河北省1957—2015年的14种农作物的水足迹进行计算，分析水足迹的历史变化趋势，最终提出了针对河北省水资源现状的种植结构；赵彦红[4]采用水资源承载力模型对河北省水资源承载能力变化进行了评估，结果显示，1996—2003年河北省水资源承载力变化幅度较小，但总体处于较低水平，严重制约河北省的水生态安全。

水资源生态足迹的概念一经提出，就在水资源可持续利用的定量评价方面得到广泛的应用并逐渐发展为成熟的理论[5]。目前，已有多位国内外学者采用水资源生态足迹理论对地区水资源的盈亏状况进行分析，如谭秀娟等[6]采用生态足迹模型，对我国1949—2007年水资源的可持续利用状况做出了客观的评价；Wang等[7]通过引入生态压力指数，运用水资源生态足迹的方法对我国辽河流域的水资源状况进行分析；熊娜娜等[8]利用水资源生态足迹模型对成都市2000—2015年水资源生态足迹与生态承载力进行了研究；程亚男[9]采用生态足迹研究方法分析了2005—2017年黑龙港地区水资源承载力；Fu等[10]通过引入水资源承载力模型，对辽河平原水资源承载力情况进行了综合的评价。农田灌溉用水占用水总量比例大[2]，水资源总量的生态足迹及承载力明显受农田灌溉用水的影响。

进入21世纪以来，我国气候资源、农业用水和水资源政策等方面都发生了较大的变化，尤其是2015年以来，我国农业转型发展开始启动，农业发展逐渐向绿色、可持续方向转型，农业耗水结构亟需转变[11]。有关河北省进入21世纪后水资源及供需变化趋势、可持续性评估方面的研究鲜有报道。本研究根据河北省水资源变化、需求和供应现状进行分析，并结合水资源生态足迹计算模型，对2004—2018年河北省水资源盈亏状况进行计算，分析河北省水资源变化趋势及供需变化情况，旨在对河北省水资源的可持续性进行评估，以期为河北省节水发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究中用到的水资源数据来源于国家统计局(网址：https:∥data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01)，全省国土面积和水域分布等数据来源于《河北省经济年鉴》[1]，水埋深数据来源于河北省水利厅的2004—2018年河北省水资源公报[12]。

1.2 指标计算

1.2.1水资源生态足迹

依据国家统计局发布的河北省水资源相关数据(网址：https:∥data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01)，分别对河北省水资源生态足迹和河北省农田灌溉用水生态足迹进行计算。关于水资源生态足迹的计算方式及参数选取在不同的研究中各有差异，为便于比较，本研究在计算过程中涉及的模型及计算参数均以全球范围为标准。计算公式为：

(1)

式中：EFw，水资源生态足迹，hm2；φw，水资源全球均衡因子，采用WWF(世界自然基金会)2002年确定的水资源均衡因子5.19为标准值[9]；Cw，区域水资源总使用量，m3；Pw，水资源平均生产能力，m3/hm2，本研究取值3 140 m3/hm2。

(2)

式中：EFaiw，农田灌溉用水生态足迹，hm2；φaiw，耕地水资源均衡因子，本研究采用WWF(世界自然基金会)2002年确定的耕地水资源均衡因子2.11为标准值进行计算[9]；Caiw，区域农田灌溉用水总消耗量，m3。

1.2.2水资源生态承载力

分别对河北省水资源承载力和河北省农田灌溉用水水资源承载力进行计算，计算公式如下：

(3)

(4)

式中：ECw，水资源承载力，hm2；φw，水资源全球均衡因子，取值5.19；φw，河北省在全球范围内的水资源产量因子，本研究计算参照盖东海[13]的计算结果，取值0.401 5；Qw，区域水资源总量，m3；Pw，世界水资源平均生产能力，取值3 140 m3/hm2。ECaiw，农田灌溉用水水资源承载力，hm2；φaiw，耕地水资源均衡因子，取值2.11；Qaiw，农田水资源含量，本研究假设在河北省范围内水资源均匀分布，根据河北省土地面积与2004—2018年有效灌溉面积折算得到历年有效灌溉农田下的水资源含量。

1.2.3水资源盈亏分析

通过水资源承载力和水资源生态足迹可分别求得河北省水资源与农田灌溉用水盈余状况，计算公式为：

EDw(ESw)=ECw-EFw

(5)

EDaiw(ESaiw)=ECaiw-EFaiw

(6)

式中：EDw，水资源生态赤字，hm2；ESw，水资源生态盈余，hm2；EDaiw，农田灌溉用水生态赤字，hm2；ESaiw，农田灌溉用水水资源盈余，hm2。

2 结果与分析

2.1 2004—2018年河北省水资源现状

2.1.1水资源总量变化

由图1可知，2004—2018年的水资源总量平均值为151.83亿m3，与2004年基本持平；地表水和地下水资源量平均值分别为65.36和121.42亿m3，其中，地下水较2004年减少9.64亿m3。

图1 2004—2018年河北省水资源及降雨变化Fig.1 Water resources and precipitation in Hebei Province from 2004 to 2018

如表1所示，2004—2011年，水资源总量、地表水和地下水资源量平均值分别为139.27、54.60和117.55亿m3，年际间变异系数分别为0.01、0.11和0.03，变异程度小；2012—2018年，3个水资源量指标分别为166.19、77.66和125.85亿m3，均比2004—2011年有所增加，增幅分别为19.33%、42.23%和7.06%，水资源量年际间变异系数分别为0.30、0.30和0.23，变异程度显著高于2004—2011年，年际间水资源量变动大，结合降雨量数据分析，年际间降雨量差异是造成水资源年际间差异的重要因素。

2.1.2用水结构及水量盈亏

2004—2018年，河北省用水总量基本稳定，期间的年均用水总量为193.05亿m3，从2015年起，用水总量缓慢减少，2015—2018年的年平均总用水量较2004—2014年减少 13.10 亿m3(图2)。

按照农业与非农业用水划分，农业用水占用水总量的比例一直较大，2004—2018年，农业用水占用水总量的平均值为72.56%，自2015年起，农业用水所占比例呈现快速下降趋势，到2018年，农业用水比例由75.07%降至66.39%，较2004年下降8.68%，用水量减少25.97亿m3(图2)，农业用水的减少是用水总量出现下降的主要原因；非农业用水主要包括工业用水、生活用水和生态用水，这3部分用水总量年际间变化较小，合计年均用水量为52.83亿m3，近年来，非农业用水中生态用水的比例呈现逐渐上升的趋势。

表1 2004—2018年河北省水资源量变异分析Table 1 The variation analysis of water resources in Hebei Province from 2004 to 2018

图2 2004—2018年河北省用水结构的变化Fig.2 The using structure of water resources in Hebei Province from 2004 to 2018

尽管从2015年以来农业用水量大幅下降，带动用水总量出现显著降低，但河北省的年均用水量依然较大，用水形势仍然十分严峻。由表2可知，除2012和2016年2个偏丰水年份外，其余年份的水资源剩余量均为负值，2004—2018年造成618.28亿m3的总水资源亏损，相当于河北省3.2年的用水总量。

2.1.3供水结构及地下水埋深

2004—2018年，地表与地下供水量分别占总供水量的23.13%与75.58%，因此地下水仍是河北省水资源供给的主要来源。由图3可知，2004—2011年，地表水供应比例相对稳定，占供水总量的18.64%～19.66%；从2012年开始，河北省地下水过度开采的严重危害与不可持续性逐渐受到关注，相关部门开始尝试调整供水结构，减少地下水的过度开采，因此地表水供水比例显著增加，2018年地表水的供水比例为38.60%，分别比2004年提高19.40%，比2004—2018年平均值提高15.47%。

虽然2012—2018年政策上的支持与技术的发展减少了地下水供水比例，河北省水资源供给结构向好的方向发展，但截止2018年，河北省仍然以地下水供水为主，对地下水的超采、超用仍在持续进行，这导致河北省地下水埋深仍在增加。由图4可知，2004—2018年，河北省平原区浅层地下水逐渐减少，地下水埋深持续增加，2004—2018年共增加3.28 m；深层地下水水位基本呈增加趋势，衡水市、沧州市和邢台市的深层地下水埋深分别增加21.38、7.08和22.28 m。2014年以后增加幅度变大，显著高于2004—2011年的变化幅度。地下水埋深的持续增加，一方面是由于地下水长期超采、2012—2016年水资源变异程度加大，另一方面，可能也与地表水资源回补变少有关。

表2 2004—2018年河北省水量盈亏Table 2 Profit or deficit of water resources in Hebei Province from 2004 to 2018 亿m3

图3 2004—2018年河北省主要供水结构的变化Fig.3 The water resources supply structure in Hebei Province from 2004 to 2018

2.2 河北省多年水资源生态足迹与水资源承载力

2.2.1水资源生态足迹与生态承载力

由图5可知，2004—2018年，河北省水资源生态足迹各有涨落，但整体呈线性下降趋势，曲线拟合R2=0.79。水资源生态足迹最大值出现在2006年，为3.37×107hm2，最小值出现在2017年，为 3.00×107hm2，共降低12.34%。水资源生态足迹的降低，说明水资源的过量开发利用状态得到一定的改善，通过不同的节水方式提高了水资源利用率。

从水资源承载力的角度，2004—2018年水资源承载力的最大值出现在2012年，为6.25×106hm2，最小值为2.82×106hm2，出现在2014年。水资源承载力年际间变化较大，但整体呈现出上升的趋势。从图5可知，在2012—2018年，水资源承载力的变动程度大于2004—2011年的变动程度，与水资源总量类似，变异程度高，可能是受到降雨量的影响。水资源生态承载力的增加说明河北省水资源正朝着一个良好的方向发展，可以为相关产业发展提供支持，有利于河北省水资源的可持续发展。

河北省水资源公报[12]记录的沧州市深层地下水变化可查数据的时间范围截止到2015年。The time range of accessible data of deep ground water change in Cangzhou recorded by Hebei Water Resources Bulletin[12] is up to 2015.图4 2004—2018年河北省多地地下水埋深变化Fig.4 The groundwater level in Hebei Province from 2004 to 2018

图5 2004—2018年河北省多年水资源生态足迹与承载力Fig.5 Water ecological footprint and water ecological carrying capacity in Hebei Province from 2004 to 2018

2.2.2农田灌溉用水生态足迹与承载力

对河北省有效灌溉农田的水资源生态足迹及承载力进行分析，其结果与河北省水资源总量生态足迹与承载力相似。农田灌溉用水的水资源生态足迹呈下降趋势，2004—2018年，共降低1.89×106hm2，相比水资源生态足迹，其线性拟合度更好(R2=0.88)；另外，2015—2018年，其水足迹的下降幅度显著增大，共减少9.62×105hm2，为2004—2018年下降总量的50.94%，这与农业用水比例下降的趋势相一致。农田灌溉用水的水资源生态承载力呈缓慢的上升趋势，但其年际间的波动程度大，这可能是降雨等气候因素造成的(图6)。

图6 河北省多年农田灌溉水资源生态足迹与承载力Fig.6 Agricultural irrigation water ecological footprint and water ecological carrying capacity in Hebei Province from 2004 to 2018

农田灌溉用水量多年平均值占河北省用水总量的67.37%，因此，在一定程度上，农田灌溉水资源生态足迹与承载力直接影响着河北省水资源的生态足迹与承载力。结果显示，农田灌溉用水的水资源生态足迹与承载力与水资源总量的变化趋势一致。

2.2.3水资源与农田灌溉用水盈亏分析

2004—2018年，虽然河北省水资源生态足迹呈降低趋势，水资源承载力有缓步增加的趋势，但是，从表3可知，河北省水资源盈亏总量一直处于赤字状态，常年水资源赤字平均值为2.79×107hm2/年，即长期依靠超采地下水资源来维持社会正常的生产生活，且水资源赤字的绝对值较大，说明多年来，河北省水资源生态足迹远远超出水资源承载力，水资源生态健康受到严重的破坏，但每年水资源生态赤字的绝对值在呈减少的趋势，也意味着水资源供需差距正在减小。农田灌溉用水生态赤字的分析结果与水资源生态赤字的结果一致(表4)。

表3 河北省多年水资源生态赤字Table 3 Ecological deficit of water resources in Hebei Province from 2004 to 2018 107 hm2

表4 河北省多年农田灌溉用水生态赤字Table 4 Agricultural irrigation ecological deficit of water resources in Hebei Province from 2004 to 2018 106 hm2

3 讨论

3.1 河北省水资源现状分析

本研究从河北省水资源总量变化和实际供需量变化的角度，结合水资源生态足迹、承载力理论对河北省水资源现状进行分析。结果显示，河北省在水资源利用方面欠账大[14-15]。从供水角度来看，2012—2018年，地表水的供水比例逐渐增加，一方面是受到政府限制地下水开发的影响[15]，另一方面，2012—2018年河北省偏丰水年的出现频率增加，5年的年均降雨量超过500 mm/年，地表水资源量增加；且有预测，华北地区在未来的30年内将进入一个降水偏丰的时期[16]；另外，从河流入境水量角度来看，随着水资源保护力度的加大，入境河北省河流的省外上游地区地表水开发利用程度降低，在2016—2018年，河北省入境水量明显增加，年平均入境水量较2006—2015年增加19.19亿m3[12]。值得注意的是，从补充水资源量的角度来看，降雨量的增加是有利的，但同时也对未来的用水结构规划提出新的要求[2,17]。

本研究结果显示，从水资源生态足迹与承载力的角度来看，2004—2018年河北省水资源生态足迹呈降低趋势，水资源承载力在增加，这说明河北省水资源用量在持续减少，水资源的承载能力在逐步恢复，从而形成了水资源生态赤字的逐渐缩小，但长时间的历史欠账导致赤字数值依然很大。

农业用水占河北省用水总量的比例大，同时，河北省在维护地区乃至国家粮食安全中起着重要的作用，因此，在实现节水的同时还要保证足够的粮食产量，这说明河北省日后粮食作物种植的发展方向应该是提高水资源利用效率。通过优化种植结构、依靠科技提高水资源的利用效率，加快构建河北省农业采水与用水的新平衡，形成更加科学的、可持续的用水结构，是今后用水的发展方向[18-20]。

3.2 河北省农业节水技术对策建议

农业节水是解决水资源供需矛盾的重中之重，同时，对于保证农业的可持续发展具有同样重要的意义[21]。农业节水可从缩减用量与提高效率2个角度进行考虑。

通过推广节水抗旱作物品种、优化作物布局，可以有效压减水资源用量。2015年，石家庄市通过推广种植节水小麦品种及相关的种植技术，实现平均节水750 m3/hm2以上，压采地下水6 100万m3以上，2016年推广节水小麦面积达8.8万hm2[22]。通过调整种植制度，压缩高耗水作物的种植面积，同样可达到农业水资源减量利用的目的[23-25]。如隋鹏[26]在河北省石家庄市栾城经过多年的试验，总结出在河北省水资源严重紧缺的地区采用春玉米一熟模式部分替代冬小麦-夏玉米复种模式，可实现年内节约灌溉水62.5%；闫鹏等[27]研究发现，适水条件下，相较麦玉复种模式，春玉米一熟周年耗水量降低48.4%。

以提高水分利用效率为出发点的工程节水和管理节水同样在农业节水中发挥着重要的作用。根据2018年河北省经济年鉴统计数据显示，河北省有效灌溉面积占河北省耕地总面积的69.65%[1]，截至2017年，河北省累积推广节水灌溉面积占农田有效灌溉面积的75.75%，其中，采用灌溉效率高的喷管和滴灌技术进行灌溉的仅占节水灌溉面积的 11.15%[28]，占比少。当前，国外关于工程节水技术的应用已与信息技术充分结合，实现了精准化、信息化的灌溉方式，适时、适当的采用已有先进技术对于提高农田水分利用效率是至关重要的[20]。落实节水政策可以充分保证节水科技成果在田间的应用，同时，还可以通过宣传，使节水意识深入人心，营造节水氛围[29]。

农业节水要因地制宜，要关注种植者的经济效益、保障整体粮食生产不受影响，避免武断和“一刀切”的行为。在成规模的大型农场、农业经营合作社，可以采用财政补贴的方式鼓励引进新型的灌溉设备，集中对省内一定规模以上的农业生产者进行集中培训，传授新的节水理念，新的种植技术和方式；对于分散在广大小农户手中目前无法形成集中经营的土地，可以通过扩大节水宣传和建立节水示范区等方式。最终目的是充分发挥不同节水措施的作用，并互相补充，共同促进水资源的可持续发展。