亚美寒区生产水足迹比较分析

李梦宇,戴长雷,赵伟静,于 淼

(1.黑龙江大学 寒区地下水研究所,黑龙江 哈尔滨 150080;2.黑龙江大学 水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080;3.北京师范大学 水科学研究院,北京 100875;4.东北联邦大学 地质勘探系,雅库茨克 677000 俄罗斯)

随着现代化进程的加快,水资源越来越成为经济社会可持续发展的重中之重。生产水足迹是指支持一个国家(地区)在其本地产品生产与服务供给过程中所需要的淡水资源量[1-3],它使得地区水资源消耗与全球水资源配置产生联系成为可能[4],打破了流域、地区的局限,人们开始将全球水资源作为整体思考问题,为全球范围内的水资源利用、配置和管理提供了新思路。在全球气候变暖的大背景下,北极冰盖融化的速度越来越快,开发北极航道逐渐成为众国的目标,东北亚+西北美陆域/海域组成的“亚美寒区”随之成为世界各地不同领域专家学者关注的焦点。“亚美寒区”囊括了东北亚和西北美两大区域,两者纬度范围相似,地理位置接近,在气候、水文、人口等方面具有相似性[5]。

当前,全球正面临着水资源短缺的大问题,而生产中耗水量与地区水资源压力情况密切相关,本文在“亚美寒区”区划研究的基础上,探寻计算方法,进行比较分析,以期为进一步研究“亚美寒区”各区域水资源状况,有目的地降低水资源相对短缺区域的生产水足迹提供参考。

1 研究区概况

亚美寒区由东北亚和西北美两大区域组成,由白令海峡连接,南北分别为太平洋和北冰洋,幅员辽阔,共跨13个时区。

东北亚在本文中指的是亚洲的东北部地区,它的陆域纬度范围为30°N～82°N,经度范围为75°E～169°W,以英国格林尼治天文台旧址为0时区,时区范围为东6区至东西12区,依据目前国际公认的行政分区确定范围,包括俄罗斯境内的15个边疆区和联邦主体、蒙古国、中国东北部[6]的4个省级行政区、韩国、朝鲜、日本共6个国家,23个省级政区[7]。

本文西北美指的是北美洲的西北部地区,它的陆域纬度范围为40°N～80°N,经度范围为100°W～167°W,以英国格林尼治天文台旧址为0时区,时区范围为东西12区至西6区,依据目前际公认的行政分区确定范围,包括加拿大境内的5个省级行政区、美国的5个州,共2个国家,10个省级政区。

东北亚陆域幅员辽阔,经度和纬度跨度大,发育了多条跨国、跨省的世界大河。陆域以地表水为划分对象,主要大河有叶尼塞河、勒拿河和黑龙江(阿穆尔河)3条：叶尼塞河位于亚洲北部,流经俄罗斯的多个边疆区和联邦主体,最终注入北冰洋的喀拉海;勒拿河是俄罗斯最长的河流,它主要集中在萨哈(雅库特)共和国,最终注入北冰洋的拉普捷夫海;黑龙江(阿穆尔河)位于亚洲东北部,是中国和俄罗斯的界河,最终注入太平洋的鄂霍次克海峡。西北美陆域以地表水为划分对象,主要大河有育空河和马更些河2条,根据流域边界进行区划。育空河是北美第三长河,流经加拿大育空地区,至美国阿拉斯加州、育空堡,最后注入白令海峡诺顿湾。马更些河是北美第二长河,是加拿大最大的河流。

2 计算分区

2.1 行政分区

行政区划是行政区域划分的简称,是国家为了进行分级管理而实行的区域划分[8-9]。依据各国现行公认的行政区划图,划分出列入东北亚和西北美区域范围的行政分区,其中,中国以省级政区为单位,俄罗斯以联邦主体为单位,美国以州为单位,加拿大以省或地区为单位。其余国家均以国为单位,不再向下级进行划分。以面积为主要指标,将蒙古、日本、韩国、朝鲜与省级政区列为同级。

对于同一国家采用同一颜色进行标注,同一国家的不同政区用实线划分界线,采用不同编号说明[10],编号为阿拉伯数字1、2、3……。采用Asia North Lambert Conformal Conic投影。

各行政分区名称及其人口、面积见表1所列,俄罗斯、蒙古、中国、美国人口数据来自2010年人口普查,朝鲜人口数据来自2008年人口普查,韩国、日本人口数据来自2015年人口普查,加拿大人口数据来自2016年人口普查。通过各分区人口增长率计算2019年人口数据。用2019年人口数据计算人口-面积比。

表1 亚美寒区行政分区名称及其人口、面积概况

中国人口在整个亚美寒区的占比最大,其次是日本。从面积上看,俄罗斯占比最大,其次是加拿大和美国。中国东北的产业结构以第二产业为主,其中重工业尤为重要,这属于水资源稀缺型的产业结构。

俄罗斯和加拿大的产业结构基本以自然资源和工业产品为主,因此,虽有丰富的水资源,但仍难以满足能源开发和工业生产的需要。日本按照大类分组的行业中,制造业、服务业和批发零售商业、房地产业的增加值所占比重最高,对水资源的消费相对较低。

美国经济的主要增长动力在于第三产业,水足迹总量高,水资源消费低。

2.2 流域分区

按地表水系划分可将亚美寒区整体分为23个分区,其中,叶尼塞河流域、勒拿河流域、黑龙江(阿穆尔河)流域、育空河流域、马更些河流域占主体。

叶尼塞河位于亚洲北部,是西伯利亚河流中水量最丰富的河流,也是流入北冰洋的最大河流[11-12]。流域面积260.5×104km2,总落差近1 600 m。干流全长3 481 km,以大叶尼塞河为源,河长4 086 km;以小叶尼塞河为源,河长4 044 km;上溯至注入贝加尔湖的色楞格源河伊德尔河为源,则全长5 539 km。

勒拿河是俄罗斯最长的河流,位于东西伯利亚[13],发源于贝加尔山的西坡,距贝加尔湖仅7 km,沿中西伯利亚高原东缘曲折北流,注入北冰洋的拉普捷夫海。河长4 400 km,流域面积249×104km2。

黑龙江(阿穆尔河)位于亚洲东北部,以南源额尔古纳河为河源,全长4 463 km,在俄罗斯的尼古拉耶夫斯克注入鄂霍次克海峡。流域面积[14-15]183.4×104km2,其中中国境内流域面积89.1×104km2。

育空河是北美洲西北部大河,北美第三长河,发源于加拿大育空地区和不列颠哥伦比亚省交界处,先向西北流,经加拿大育空地区,至美国阿拉斯加州,最后注入白令海峡[16]。河流全长3 185 km,流域面积85.0×104km2。

马更些河是北美洲仅次于密西西比河的第二长河,是加拿大最大的河流,也是全球流经北极苔原地区的最大河流[17-18]。它发源于加拿大不列颠哥伦比亚省北部,从其上游支流芬利河源头算起,河流全长4 240 km,流域面积180.5×104km2。

地表水系分区是根据流域边界划分的,流域边界的确定主要根据地形图上的分水岭,同时考虑河流、水质、地理位置等因素。本文选取了23个水系分区中占主体地位的5个流域分区,对于同一流域分区采用同一颜色进行标注,采用的说明编号为(叶尼塞河流域)、II(勒拿河流域)、III(黑龙江(阿穆尔河)流域)、Ⅳ(育空河流域)、Ⅴ(马更些河流域),如图1所示。

图1 亚美寒区地表水系分区

3 计算方法

东北亚区域主要计算叶尼塞河流域、勒拿河流域、黑龙江(阿穆尔河)流域。西北美区域主要计算育空河流域、马更些河流域。

统计得出亚美寒区8国的人均生产水足迹见表2所列,数据来自water footprint network。

表2 亚美寒区8国生产水足迹统计

由表2人均生产水足迹,结合表1各个行政分区人口数量,可得出各行政分区的生产水足迹总量,如图2所示。从图2可以看出，东北亚区域南部行政分区生产水足迹高于北部,西北美区域近海一侧的行政分区生产水足迹更高。

图2 亚美寒区各行政分区生产水足迹

将东北亚的叶尼塞河流域、勒拿河流域、黑龙江(阿穆尔河)流域和西北美的育空河流域、马更些河流域流经行政分区部分的面积,与对应行政分区面积之比,作为各流域分区生产水足迹的比例,计算出各流域的生产水足迹。定义：

(1)

流域生产水足迹模数能更清晰地对比各流域单位面积生产水足迹的大小。根据(1)式,将亚美寒区五大流域分区的生产水足迹与对应流域面积之比作为各流域生产水足迹模数，见表3所列。

表3 东北亚区域各流域生产水足迹

续表

4 比较分析

为了分析亚美寒区生产水足迹的空间差异,需要对各个分区进行比较。

首先比较行政分区生产水足迹之间的差异。东北亚6国中,蒙古国的人均生产水足迹最多,为10 000 L/d;韩国的人均生产水足迹最少,为1 500 L/d。在东北亚的省级行政分区中,日本总生产水足迹最大,为4 833×108L/d,占东北亚23个省级行政分区总生产水足迹的40%;楚科奇自治专区最小,为2.6×108L/d,占东北亚23个省级行政分区总生产水足迹的0.02%。

西北美区域中,美国的人均生产水足迹大于加拿大的人均生产水足迹,分别为7 800 L/d和6 400 L/d。在西北美的省级行政分区中,华盛顿州总生产水足迹最大,为556.5×108L/d,占西北美10个省级行政分区总生产水足迹的31%;育空地区最小,为2.4×108L/d,占西北美10个省级行政分区总生产水足迹的0.13%。亚美寒区各行政分区参数对比折线图如图3所示,从图3可以看出,2条折线趋势基本吻合,由此推断出亚美寒区各行政分区生产水足迹的大小与单位面积的人口数有关。

图3 亚美寒区各行政分区参数对比折线图

然后比较五大流域的生产水足迹。通过流域分区生产水足迹模数来反映各流域单位面积生产水足迹的大小,从表3的数据可以看出,黑龙江(阿穆尔河)流域单位面积生产水足迹最大,育空河流域最小。

最后进行流域内比较,在叶尼塞河流域经过的分区中,克拉斯诺亚尔斯克边疆区的生产水足迹最大,为88.9×108L/d,占该流域分区总生产水足迹的31.2%;最小为萨哈(雅库特)共和国的生产水足迹,为0.005×108L/d,占该流域分区总生产水足迹的0.02%。在勒拿河流域经过的分区中,伊尔库茨克州的生产水足迹最大,为53.8×108L/d,占该流域分区总生产水足迹的41.1%;克拉斯诺亚尔斯克边疆区的生产水足迹最小,为1.5×108L/d,占该流域分区总生产水足迹的1.15%。在黑龙江(阿穆尔河)流域经过的分区中,黑龙江省的生产水足迹最大,为1 098.7×108L/d,占该流域分区总生产水足迹的54.97%;犹太自治州的生产水足迹最小,为9.1×108L/d,占该流域分区总生产水足迹的0.46%。在育空河流域经过的分区中,阿拉斯加州的生产水足迹最大,为21.6×108L/d,占该流域分区总生产水足迹的67.71%;不列颠哥伦比亚省的生产水足迹最小,为1.1×108L/d,占该流域分区总生产水足迹的3.45%。在马更些河流域经过的分区中,艾伯塔省的生产水足迹最大,为150.4×108L/d,占该流域分区总生产水足迹的50.74%;阿拉斯加州的生产水足迹最小,为0.2×108L/d,占该流域分区总生产水足迹的0.07%。

分析各流域流经分区人口与对应生产水足迹的关系,如图4所示。

从图4可以看出,亚美寒区各流域所流经分区的生产水足迹的大小,与其人口数量密切相关。

图4 亚美寒区各流域流经分区人口与对应生产水足迹的关系

5 结 论

(1) 从整体看,东北亚区域南部行政分区生产水足迹高于北部,西北美区域近海一侧的行政分区生产水足迹更高。

(2) 亚美各行政分区生产水足迹的大小与单位面积的人口数有关。

(3) 亚美寒区各流域所流经分区的生产水足迹的大小与其人口数量密切相关。

本文以人口和面积作为主要参数,对各行政、流域分区进行了生产水足迹的初步计算,比较了亚美寒区生产水足迹的空间差异,可为亚美寒区生产水足迹更深入的研究提供参考,但还存在着不足,可以在人口和面积的基础上,增加参数的设置[19-20]。亚美寒区的大尺度范围使得其内8个国家以陆海联合的方式形成一个整体,在气候、水文、地理、人口等方面都需要进一步对比分析和深入研究。