基于能值水生态足迹模型的黄河流域水资源利用评价
2022-01-26王慧亮李卓成
王慧亮，李卓成
(1.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司博士后科研工作站，河南 郑州 450003)
水是人类生存、社会经济发展中不可或缺的资源[1]，但黄河流域水资源时空分布不均衡、水环境恶化、水资源短缺等水问题突出[2]。探讨流域水资源利用状况以及水资源可承载能力，对流域水资源安全和健康持续发展具有重要意义。
生态足迹概念于1922年提出[3-4]，旨在通过生物生产性土地面积来测算和定量评价一个地区或区域的资源利用程度以及可持续发展状态，能够较好地测量和比较人类经济系统对自然生态系统服务的需求和自然生态系统的承载力之间的差距。徐中民等[5]于2000年将生态足迹概念引入我国，并对甘肃省1998年的生态足迹进行了实证计算和分析。传统的生态足迹方法仅分析了水域的生物生产能力，忽略了地表或地下水资源的其他功能，黄林楠等[6]在传统生态足迹的基础上提出了水资源生态足迹模型，测算和分析了江苏省1998—2003年水资源生态足迹变化趋势；郭利丹等[7]将水资源生态足迹一级账户细分为12个三级账户，计算分析了江苏省2008—2017年水资源生态足迹和生态承载力的变动趋势；路瑞等[8]引入Tapio弹性分析法，分析了黄河流域水资源生态足迹与经济发展协调关系。优化后的水资源生态足迹模型仍存在不足，其模型参数多采用的是全球性数据，不利于各地区之间的水资源生态足迹横向比较，为此曾晓霞[9]提出了水资源的能值生态足迹评价模型，改进后的模型避免了人为的参数设置，便于不同地区的实时对比分析；在此基础上，汪定盼等[10]和刘珂伶等[11]应用水资源能值生态足迹模型分别对我国西北某调水工程区和北京市的水资源可持续利用状况进行了探讨，进一步验证了水资源能值生态足迹模型的可行性。在已有的水资源能值生态足迹研究中，生态足迹账户往往忽略了水产品消费量或是水体污染对生态足迹的影响，而且基于能值水资源生态足迹法对黄河流域水资源利用研究尚不多见。
本文将能值分析定理和水生态足迹法相结合，建立能值水生态足迹模型，利用该模型测算黄河流域2011—2018年能值水生态足迹和承载力等参数，并通过水生态盈亏和水生态压力指数对黄河流域水资源利用状况进行科学评价分析，以期为黄河流域水资源的开发利用和科学管控提供参考。
1 研究区概况
黄河流域地处我国北中部，地势西高东低，地形起伏较大，自西向东形成三级阶地，构成我国重要的生态屏障。黄河干流全长5 464 km，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南和山东等9省(区)，最终注入渤海。
黄河流域水文现象主要表现为水少沙多、水沙异源，流域多年平均径流量580亿m3，仅占全国河川径流总量的2.2%，人均水资源量仅为408 m3，不足全国人均水资源量的1/5[12]。据统计，从1980—2016年黄河流域用水总量由343亿m3增长至411亿m3，流域行业用水结构发生了显著变化，其中农业用水下降了15.3%，而工业、生活用水分别增长了5.4%和6.4%；各省(区)用水量占流域总用水量的比例也存在差异，宁夏、山东、河南和青海等省(区)分别减小了5.0%、1.8%、0.5%和0.4%，而内蒙古、山西、甘肃、陕西等省(区)分别增大了3.9%、2.1%、1.6%和0.1%。黄河流域水资源开发利用率已接近80%[13]，远超一般流域40%的生态警戒临界值，位居我国十大流域首位。
2 研究方法
2.1 能值理论与方法
能值分析理论[14]认为地球上所有事物的能量均得益于太阳能的贡献，可将太阳能值作为衡量事物能量的基准。在实际研究中，通过能值转换率建立能量与能值之间的联系，可把地球系统内不同形式、不可直接相加减的能量转化成同一标准的能值来衡量和分析[15]。能值表达式为
E=Bτ
(1)
式中:E为能值，sej;B为能量或物质的质量，J或g;τ为能值转换率，sej/J或sej/g。
2.2 能值水生态足迹
水生态足迹是指某一特定的地理区域内，经济规模和人口发展到一定程度时，区域发展所消费的水资源量和吸纳生活、生产废弃物需要的水资源量，据此核算得到的生物生产性土地面积，即虚拟的水资源用地[16]。根据黄河流域水资源用水特性，将能值水生态足迹一级账户划分为淡水生态足迹、水污染生态足迹和水产品生态足迹3个二级账户。其中，淡水生态足迹分为农业用水、工业用水、生活用水(城镇公共、居民生活用水)和生态环境用水4个三级账户。能值水生态足迹表达式为
Wef=Weff+Wefp+Wefa
(2)
其中
式中：Wef、Weff、Wefp、Wefa分别为区域能值水生态足迹、淡水生态足迹、水污染生态足迹和水产品生态足迹，hm2；Efi为第i个三级账户的能值，sej；Ep、Ea分别为水污染和水产品的能值，sej；Cfi为第i个三级账户的用水量，m3；Qp为污水排放量，t；Ma为水产品产量，t；τfi为第i个三级账户的能值转换率，sej/m3；τp为污染水体的能值转换率，sej/t；τa为水产品的能值转换率，sej/t；P为区域能值密度，sej/hm2；n为三级账户个数。
2.3 能值水生态承载力
基于能值理论的水资源生态承载力是指区域在一定的社会发展阶段和技术管理条件下，其拥有的水资源量能够最大限度支持区域的经济、环境以及社会良好发展的能力。根据黄河流域的水资源来源情况，计算流域水资源生态承载力时选取地表水化学能、地下水化学能和雨水势能作为区域的可更新资源[10]；此外，为了保证一个地区的水生态环境能够正常运行，至少需要扣除60%的水量来维持水生态环境的健康[16]。能值水生态承载力表达式[11]为
(3)
式中：Wec为能值水生态承载力，hm2；Eg、Eu、Er分别为地表水化学能、地下水化学能和雨水势能，sej；Pw为区域水资源平均能值密度，sej/hm2。
2.4 能值水生态足迹评价指标
a.水生态盈亏指数。能值水生态足迹反映了特定区域对水资源的需求和实际占用情况，而能值水生态承载力则表征水生态系统对社会经济发展的承受和支撑能力，通过比较两者大小关系可判断区域内水资源可持续利用情况[17]。水生态盈亏指数表达式为
Wed=Wef-Wec
(4)
式中Wed为区域水生态盈亏指数。当Wed=0时，水资源处于生态平衡状态，表明区域水资源供需平衡；当Wed>0时为水生态赤字，表明区域水资源需求大于供给，水资源短缺；当Wed<0时为水生态盈余，表明区域水资源充足，有利于社会经济的发展。
b.水生态压力指数。水生态压力指数是指区域内能值水生态足迹和承载力的比值，其大小用来判断区域内水资源开发利用安全状态[18]。水生态压力指数表达式为
Ip=Wef/Wec
(5)
式中Ip为水生态压力指数。当Ip=1时，表明区域水资源消耗与供给平衡，即区域水生态安全处于临界状态；当0
2.5 数据来源
用水量、年降水量、水资源总量等水资源数据来自2011—2018年《黄河流域水资源公报》以及流域内各省(区)水资源公报；废污水排放量和水产品产量等社会统计数据来自2011—2018年流域内各省(区)统计年鉴。
2.6 模型相关参数确定
区域能值密度P、区域水资源平均能值密度Pw分别为区域可更新资源的总能值、区域水资源总能值与区域面积的比值，参考Chen等[19]的研究成果，黄河流域能值密度取值为4.57×1015sej/hm2；据2011—2018年《黄河流域水资源公报》统计结果，黄河流域多年平均降水量和流域面积分别为485 mm和79.5万km2，经核算黄河流域水资源平均能值密度为4.36×1014sej/hm2。本文能值量化所涉及的其他参数及其转换关系可参见文献[20-22]。
3 结果与分析
3.1 时间维度动态分析
3.1.1能值水生态足迹与承载力
2011—2018年黄河流域能值水生态足迹变化趋势如图1所示，总体上保持上升趋势，年际差异不大，变化范围在1 520万～1 630万hm2，多年平均值为1 590万hm2，流域能值水生态足迹由2011年最低值1 520万hm2增长到2018年最高值1 630万hm2，多年平均增长率为1.3%。由此可知，随着经济社会的发展以及在快速工业化和城镇化背景之下，黄河流域各行业耗水和用水需求不断增加，流域水资源面临着严峻的挑战。
图1 黄河流域2011—2018年能值水生态足迹与承载力Fig.1 Emergy water ecological footprint and carryingcapacity in the Yellow River Basin from 2011 to 2018
2011—2018年黄河流域能值水生态承载力总体呈先下降后上升的趋势(图1)，变化幅度相对较大,多年能值水生态承载力平均值为810万hm2。从2011—2015年流域能值水生态承载力呈现明显的下降趋势，从860万hm2下降到660万hm2；而2015—2018年流域能值水生态承载力呈急剧上升趋势，2018年达到研究周期内的最大值970万hm2。流域能值水生态承载力2015年最小，与黄河流域近10年来降水、径流特征基本吻合，表明流域能值水生态承载力主要与流域来水情况相关，丰水年份水生态承载力相对较高，而枯水年份则相反。
3.1.2能值水生态足迹构成
黄河流域能值水生态足迹构成如图2所示，其中农业用水、水污染、工业用水、生活用水和水产品生态足迹的占比分别为33%、27%、13%、11%和10%，生态环境用水生态足迹占比最小，仅为2%。可见，农业和工业用水仍是黄河流域水资源利用过程中的用水大户，近年来，黄河流域工业和农业用水呈缓慢下降趋势，可能是因为流域用水由粗放型转向高效集约利用，用水效率得到了提高；2015年《水污染防治行动计划》出台，流域的水环境状况得到改善，水污染足迹呈下降趋势；随着流域人口不断增加，城镇化和城市化不断加快，生活用水、水产品用水相继提高，导致其生态足迹也升高，但总体变化幅度不大，基本维持稳定状况；生态环境用水生态足迹呈增长的趋势，但其占比最低，应增加生态环境用水量，以利于推动流域的环境优化和改善。
图2 黄河流域能值水生态足迹构成Fig.2 Composition of emergy water ecologicalfootprint in the Yellow River Basin
3.1.3水生态盈亏与压力指数
黄河流域2011—2018年水生态盈亏变化过程与能值水生态承载力变化过程相反(图3)，由于研究周期内流域能值水生态足迹远大于能值水生态承载力，因此黄河流域呈现水生态赤字状态。2011—2018年流域水生态赤字介于650万～960万hm2之间，2018年为最小值650万hm2，2015年达到最大值960万hm2，多年水生态赤字均值为770万hm2。2015年之后，在流域能值水生态足迹保持平稳增长的形势下，黄河流域降水和来水量大幅度增加，导致水生态赤字持续减小，表明流域经济社会发展对水资源的需求远大于水资源的供给，流域水资源可持续利用面临着严峻的问题。
2011—2018年流域水生态压力指数变化趋势与水生态赤字基本保持一致，均呈先上升后下降趋势(图3)，年际变化在1.67～2.45之间。2012—2015年水生态压力指数快速增长(2012年比2011年下降0.02)，多年平均增长率为12.3%；2015年以后水生态压力指数迅猛下降，多年平均下降率为12%。总体来看，水生态压力指数始终大于1，说明流域水资源供给量远小于消费量，水资源开发利用空间不足，水资源可持续利用受到威胁，不利于流域社会经济可持续发展和生态良性发展，这与水生态赤字的结论基本一致。
图3 黄河流域2011—2018年水生态赤字与压力指数Fig.3 Water ecological deficit and pressure index ofthe Yellow River Basin from 2011 to 2018
3.2 空间分布格局
根据能值水生态足迹与承载力模型，计算得到2011—2018年黄河流域9省(区)能值水生态足迹、能值水生态承载力和水生态压力指数多年平均值，结果如表1所示。
a.能值水生态足迹与承载力分布。黄河流域不同省(区)的能值水生态足迹与承载力存在地区差异性，能值水生态足迹整体呈现流域中部高四周低的趋势，具体表现为宁夏、陕西、山西、内蒙古、河南能值水生态足迹较大，平均值为252万hm2，而青海、四川、山东能值水生态足迹较小，平均值为 63万hm2；能值水生态承载力青海最高，为 224.1万hm2，而山东最低，为20.8万hm2，两者相差近10倍。
b.水生态盈亏与压力指数。流域上游青海、四川、甘肃水生态盈亏指数小于0，其水生态压力指数分别为0.2、0.4和1，表明其能值水生态足迹小于能值水生态承载力，可能是因为上游地区水资源相对丰沛，有较大的水资源利用空间，特别是甘肃省水生态盈亏指数接近于0，表明该地区水资源供需关系达到相对平衡状态；而中下游地区的省份水生态盈亏指数介于0.06～0.28之间(水生态赤字)，且相应的水生态压力指数均大于1，表明所在地区水资源消耗量远大于供给量，水资源供需矛盾突出，特别是宁夏水生态压力指数高达9.7，水资源环境处于极其危险的状态。
c.能值水生态足迹构成。因黄河流域不同省(区)社会经济发展方式不同，相应的能值水生态足迹构成也不尽相同。流域上游青海、甘肃、宁夏、内蒙古农业用水生态足迹在流域总能值水生态足迹中占比较大，分别为47%、37%、56%和63%，其余省份均低于25%，表明上游地区以农业用水为主，大量的水资源用于农业灌溉，节约用水以及提高用水效率显得尤为重要；流域中下游地区陕西、山西、河南、山东的水污染生态足迹占比较大，平均值为36%，这可能是随着城市化的快速推进，工业废水、生活污水排放增多，水体污染愈发严重；流域九省(区)的生态环境用水生态足迹在各省(区)的总能值水生态足迹中占比最低，仅维持在0.05%～3.44%之间，但生态环境用水生态足迹增长对于流域生态环境优化与改善具有积极的作用，在今后的水资源配置上应继续提高生态环境用水比例。
表1 黄河流域9省(区)能值水生态足迹与承载力空间差异Table 1 Spatial differences of emergy water ecological footprint and carrying capacity amongnine provinces of the Yellow River Basin
4 结 论
a.2011—2018年黄河流域能值水生态足迹总体上保持稳步增长趋势，年际差异不大，多年平均值为1 590万hm2，而流域能值水生态承载力主要受当地水资源量影响，变化幅度相对较大，总体呈先下降后上升的趋势，2015年为拐点。总体来看，流域能值水生态足迹远大于能值水生态承载力，流域水生态赤字没有改变；流域水生态压力指数始终大于1，水资源开发利用处于不安全状态，水资源可持续利用受到威胁。
b.黄河流域各类能值水生态足迹占比差异显著，农业用水、水污染和工业用水生态足迹的贡献较大，但农业用水和工业用水生态足迹总体呈下降趋势，而水污染生态足迹处于逐年增长状态；生活用水生态足迹和水产品生态足迹占比相对较小，两者总体变化幅度不大，基本维持稳定状况；生态环境用水生态足迹占比最小，但保持稳定增长趋势。
c.黄河流域不同省(区)的能值水生态足迹和承载力存在地区差异性，中游地区能值水生态足迹明显比上下游地区的高，总体呈现出中间高两侧低的趋势；而能值水生态承载力则波动变化，表现为青海最高，山东最低。除了流域上游青海、四川、甘肃水资源表现为生态盈余，水资源供给基本满足需求，其余省(区)水资源呈现不同程度的水生态赤字状态。
d.流域上游地区农业用水生态足迹贡献较大，其中内蒙古最为突出，上游地区应提倡节约用水和提高农业用水效率；而流域中下游地区水污染生态足迹占比较大，平均值为36%，应当降低污染物排放，减少水体污染；生态环境用水生态足迹在整个能值水生态足迹中占比最低，应合理增加生态环境用水量，保证水环境处于健康状态。
