天水市水生态盈亏分析及研究

2022-03-24王喜君周茂荣

中国水土保持 2022年3期

王喜君，周茂荣，姚斌

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃兰州 730020)

水生态文明是生态文明的核心组成部分[1]。我国水资源总量丰富但人均水资源量不足，在一定程度上制约了生态文明的发展[2]。近年来，许多学者[3-7]利用水资源生态足迹模型对不同地区或流域的水资源生态足迹、生态承载力及水生态盈亏进行了研究。比如，王文国等[8-10]从时空格局角度分别对四川、成都、浙江水资源足迹进行了分析，贾焰等[11-12]从流域尺度对石羊河流域、黑河流域水资源生态承载力和生态足迹进行了评价。此外，学者们还从生态足迹广度、深度[13]和水域生态承载力新算法[14]等方面对水资源生态模型进行了研究。本研究利用水资源生态模型对天水市2012—2018年水生态现状进行分析，预测2030年天水市水生态变化，以期为天水市生态保护治理和高质量发展提供参考。

1 天水市概况

天水市位于甘肃东南部，地处34°05′～35°10′N、104°35′～106°44′E，地势西北高、东南低，海拔多在1 000～2 100 m之间，平均海拔1 100 m。属温带季风气候区，多年平均气温11 ℃，极端最高气温38.2 ℃，极端最低气温-17.4 ℃，年无霜期185 d。地貌区域差异明显，东部和南部因古老地层褶皱而隆起形成山地地貌；北部因地质沉陷和红、黄土层沉积形成黄土丘陵地貌；中部小部分地区因受纬向构造带的断裂影响形成渭河地堑，经第四纪河流发育和侵蚀堆积形成渭河河谷地貌。土壤以黄绵土、黑垆土为主，土层深厚，山塬开阔，是粮、油、菜、果主要生产区。

根据《2020年天水市国民经济和社会发展统计年鉴》，天水市下辖秦州区、麦积区两个市辖区，甘谷县、武山县、秦安县、清水县和张家川回族自治县5个县共101个镇、12个乡、10个街道，总面积14 392 km2，常住人口336.89万人，国民生产总值632.67亿元。

2 天水市水生态现状

2.1 水资源现状

天水市分属黄河流域渭河水系和长江流域嘉陵江水系，以西秦岭为界，西秦岭以北属黄河流域渭河水系，流域面积占全市总面积的81.7%，西秦岭以南属长江流域嘉陵江水系，流域面积占全市总面积的18.3%。渭河流域年径流量大于1 000万m3的一、二级支流有22条，其中一级支流有榜沙河、山丹河、聂河、散渡河、藉河、葫芦河、牛头河、马鹿河、永川河、东柯河、东岔河、大南河等12条；二级支流有清溪河、南沟河、清水河、显清河、西小河、南小河、后川河、樊河、汤浴河、白驼河等10条。嘉陵江流域年径流量大于1 000万m3的河流有白家河、花庙河、红崖河、西汉水、苏城河(西汉水支流)。根据2018年天水市水资源管理公报，天水市水资源基本情况如下：

(1)降水量。大气降水是天水市水资源的重要来源，全市多年平均年降水量为483.7 mm，最大年降水量818.6 mm，最小年降水量242.7 mm，多年平均年降水总量69.251亿m3，降水时空变化大。

(2)自产地表水资源量。全市多年平均自产地表水资源量为15.173 5亿m3，折合径流深106.0 mm，其中：黄河流域渭河水系9.563 9亿m3，占全市多年平均自产地表水资源量的63%；长江流域嘉陵江水系5.609 6亿m3，占全市多年平均自产地表水资源量的37%。

(3)自产地下水资源量。全市多年平均自产地下水资源量为7.206 2亿m3，其中山丘区2.753 0亿m3、河谷区4.453 2亿m3，地下水资源量与地表水资源量间重复计算量6.915 0亿m3、不重复计算量0.291 2亿m3，渭河流域6.097 2亿m3、嘉陵江流域1.109 0亿m3。全市地下水可开采资源量为2.250 0亿m3。

(4)水资源总量。水资源总量是指当地降水形成的地表和地下产水量，即自产地表水资源量与地下水净资源量之和。全市多年平均水资源总量为15.464 7亿m3，产水模数为10.75万m3/km2。

(5)入境水资源量。入境水资源量指从市外入境到本市境内的水资源量，天水市入境水主要是从武山的渭河干流、榜沙河，以及甘谷的散渡河、秦安的葫芦河入境，全市多年平均入境水资源量为9.427 1亿m3。

(6)自产加入境水资源量。全市自产加入境水资源量为24.891 8亿m3，其中：黄河流域为19.282 2亿m3，占77.5%；长江流域为5.609 6亿m3，占22.5%。

2.2 水资源利用现状

(1)供水量。天水市2018年实际供水量40 401万m3(表1)，其中地表水供水量为26 619万m3，占总供水量的65.9%；地下水供水量为13 782万m3，占总供水量的34.1%。

表1 天水市2018年供水量统计万m3

(2)用水量。根据2018年天水市水利统计年报，参照各县(区)上报资料，并结合实际调查平衡分析，全市2018年实际用水量40 401万m3(表2)，其中农业灌溉用水、工业用水、生活用水、生态环境用水分别为27 733万、3 148万、8 963万、557万m3，农业是第一大用水户。

表2 天水市2018年用水量统计万m3

(3)耗水量。2018年全市净耗水量24 805万m3，综合耗水率为61.4%，其中：农田灌溉耗水量19 582万m3，农田灌溉平均耗水率为70.6%；工业耗水量1 949万m3，工业平均耗水率为61.9%；生活耗水量2 937万m3，生活平均耗水率32.8%；生态环境耗水量337万m3，生态环境平均耗水率为60.5%。

3 现状水生态盈亏分析

3.1 水资源生态足迹和生态承载力模型及相关参数

3.1.1 水资源生态足迹

在生态足迹模型基础上发展起来的水资源生态足迹模型，概括起来就是把一个区域的水资源生态足迹作为衡量该区域水资源可持续利用的标准，即维持现有发展规模所需要的水资源的用地面积。计算公式为

EFw=N×ef=γ×(W/Pw)

(1)

式中：EFw为水资源生态足迹，hm2；N为区域人口总数，人；ef为人均生态足迹，hm2/人；γ为水资源全球均衡因子；W为消耗的水资源量，m3；Pw为全球水资源平均生产能力，m3/hm2。

根据现有的研究成果，将天水市水资源生态足迹的计算分为生活用水、生产用水和生态用水生态足迹三大类。

3.1.2 水资源生态承载力

水资源生态承载力是用于判别研究区域的水资源利用是否处于可持续状态的指标。相关研究成果显示，水资源生态承载力的计算应扣除60%用于维持生态系统的可持续发展。其计算公式为

ECw=N×ecw=(0.4×φ×γ×Q)/Pw

(2)

式中：ECw为水资源生态承载力，hm2；ecw为人均水资源生态承载力，hm2/人；Q为水资源总量，m3；φ为区域水资源产量因子；其余符号意义同上。

3.1.3 水资源生态盈余

生态盈余是水资源生态承载力与水资源生态足迹的差值，是衡量区域内水资源消耗是否在承载范围内的指标，可用于评判区域内水资源的可持续利用状况。计算公式为

ECFw=ECw-EFw

(3)

式中：ECFw为水资源生态盈余/亏欠，hm2；其余符号意义同上。

其中：若ECw>EFw时，则代表地区内水资源充足，为水资源生态盈余状态，水资源可持续利用状况良好；若ECw=EFw时，则为水资源平衡状态；若ECw

3.1.4 相关参数的确定

研究中涉及的参数主要有γ、Pw、φ。其中：世界自然基金会(WWF，2002年)核算的γ为5.19，Pw为3 140 m3/hm2；经计算天水市水资源平均生产能力(区域平均产水模数)为1 074.539 4 m3/hm2，按天水市水资源平均生产能力与全球水资源平均生产能力之比计算φ为0.342 21。

3.2 水资源生态盈亏计算

利用《天水市国民经济和社会发展统计年鉴》《天水市水资源管理公报》的数据，计算天水市各县区2012—2018年水资源总量及用水量、生态足迹计算结果见表3、4。

表3 天水市2012—2018年水资源总量及用水量

3.3 水资源生态盈亏分析

从表4可以看出，天水市2012—2018年人均水资源生态足迹波动性较小。从天水市2012—2018年人均生态承载力计算结果来看，没有明显的变化规律，各年份间差异较小，峰值出现在2017年，为0.105 29 hm2/人，这与2017年降雨量偏大的情况是一致的。

表4 天水市水资源生态足迹计算结果

天水市人均生活用水生态足迹总体呈现逐年增大的趋势，这与天水市城镇化发展进程是一致的。生产用水包括农业用水和工业用水，其中人均农业用水生态足迹整体减小，人均工业用水生态足迹整体增大，这与近年来不断提高农田灌溉技术和工业发展有关。2012—2018年平均人均农业用水生态足迹占人均生产用水生态足迹的90.31%，由此可见大力发展节水灌溉和农业水资源高效利用是减少水资源生态足迹的有力措施。