区域水资源生态承载力耦合模型研究

刘文铮

（辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110003）

水资源生态足迹是通过生态足迹变化与生态承载力比值进行比较，得到判定某一区域的水资源可持续利用的发展状态，为今后该区域水资源开发利用提供科学依据。为了实现水资源系统、社会经济系统和生态环境系统的相互协调可持续利用，把生态足迹概念引入到水资源开发利用领域，与水资源承载力和区域可持续发展评价等方面相结合，得到广泛应用[1-3]。

相关国家与研究学者在生态足迹与生态承载力研究方面已经进入一定的发展阶段，国外与国内在这方面的研究切入点有所不同。在国外，主要探讨的内容是在水资源生态足迹中融入了水资源可持续发展与承载能力，并进行计算方法的改进等方面研究[4，5]。在国内，许多学者研究主要是从时间尺度上进行水资源生态足迹研究，比如，贾焰等[6]运用生态足迹方法研究了石羊河流域水资源承载力与生态赤字问题；葛强等[7]建立龙川江典型流域水资源生态足迹和生态承载力的计算模型，评估各用水方式下的水资源生态足迹和生态承载力特征；刘梅等[8]利用河北11 个行政区的水足迹和水足迹强度时间序列进行了分析，进一步探讨了水足迹的时空差异。

在国内外相关研究成果的基础上，考虑辽宁省水资源特点，构建辽宁省水资源生态足迹模型，对水资源生态足迹与生态承载力进行研究。通过结果比较，判断辽宁省水资源承载力目前的承载状况，为该省在水资源合理配置与可持续利用等方面提供指导性的依据。

1 研究区概况

辽宁省位于中国东北地区南部，南临黄海、渤海，地理位置118°～125°E、38°～43°N。截至2020年底[9]，全省平均降水量748.0 mm，折合降水总量1 088.34亿m3，比多年平均值少10.3%。降雨量分配不均，主要集中在7—8 月，占全年降水量的48.3%。全省水资源总量397.11 亿m3，比多年平均值多16.2%。2020 年全省耗水量86.31 亿m3，综合耗水率67%。境内有大小河流400 余条，主要有辽河、浑河、大凌河、太子河、绕阳河以及界河鸭绿江等，组成辽宁省的主要水系。气候属于温带大陆性季风气候，四季分明，全年平均气温在7～11℃。2020 年，全省降水量、地表水资源量和水资源总量均多于多年平均值，地下水资源量少于多年平均值。与上年相比，水库蓄水量有所增加，地下水水位总体平稳。

2 材料与方法

2.1 用水账户划分与原始数据来源

生态足迹的计算具有高度的可重复性和广泛应用。根据辽宁省水资源公报统计用水内容，主要包括了农业用水、工业用水、城镇公共用水、生活用水和生态环境用水等。结合辽宁省实际情况，水资源生态足迹又可以分为农业、林牧渔畜业、工业和城乡生活环境综合用水足迹。

原始数据分别来自辽宁省水利厅编制的2017—2021 年的《辽宁省水资源公报》和辽宁省统计局编制的《辽宁省统计年鉴》等。

2.2 研究方法

以水资源可持续利用为方向，以水资源承载力计算为理论基础，根据已有的相关成果，构建辽宁省水资源生态足迹与生态承载力模型，其中包含水资源生态足迹模型、水资源生态承载力模型、人均水资源生态盈亏及赤字、万元GDP 水资源生态足迹。

2.2.1 水资源生态足迹模型

水资源的生态足迹是将每个用水账户的耗水量折算成相应的土地利用面积，然后通过国家或地区水资源产量因子和水源均衡因子参数，进行平衡计算与分析，最终得到区域相互比较的均衡值。水资源生态足迹模型包括农业用水生态足迹中的农业灌溉用水生态足迹、林牧渔畜用水生态足迹，工业用水生态足迹、城镇公共用水生态足迹、生活用水生态足迹和生态环境用水生态足迹，建立模型为：

式中：WFef为水资源生态足迹（km2）；ωef为人均水资源生态足迹（km2/人）；WFa、WFf、WFi、WFc、WFl、WFe分别为农业灌溉用水生态足迹、林牧渔畜用水生态足迹、工业用水生态足迹、城镇公共用水生态足迹、生活用水生态足迹、生态环境用水生态足迹（km2）；Wa、Wf、Wi、Wc、Wl、We分别为农业灌溉用水量、林牧渔畜用水量、工业用水量、城镇公共用水量、生活用水量、生态环境用水量（m3）；γ为水资源全球均衡因子；P为世界水资源平均生产能力（m3/km2）；N为人口数量。

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2.2.2 水资源生态承载力模型

水资源生态承载力是以满足水资源生态足迹为目标，为某一地区在某一发展阶段水资源提供支持资源-社会经济-环境发展的能力。考虑到一个国家或者地区的水资源承载能力中60%用于维护生态环境建设，因此水资源生态承载能力计算要乘以0.4的系数。其计算公式为：

式中：WFec为水资源生态承载力（km2）；N为人口数量；ωec为人均水资源生态承载力（km2/人）；ψ为水资源产量因子；γ为水资源全球均衡因子；Q为水资源总量（m3）；P为世界水资源平均生产能力（m3/km2）。

2.2.3 人均水资源生态盈亏及赤字

人均水资源生态盈亏及赤字就是指区域的人均水资源生态承载力与人均水资源生态足迹差额，能够反映人均水资源可持续利用水平，ωrd为负值，说明生态赤字；ωrd为正值，说明生态盈余。其计算公式为：

2.2.4 万元GDP水资源生态足迹

万元GDP水资源生态足迹=WFef/GDP总值（10）

3 计算与分析

3.1 计算参数确定

水资源生态足迹和生态承载力计算模型中参数较多，参考相关研究文献，需要确定计算基本参数，包括世界水资源平均生产能力P、水资源全球均衡因子γ、水资源产量因子ψ，具体取值结果详见表1。

表1 水资源生态足迹与生态承载力计算参数[10，11]

3.2 综合分析

辽宁省水资源生态足迹，详见表2。辽宁省水资源生态足迹趋势、水资源生态承载力趋势、水资源生态盈亏及赤字变化及万元GDP 水资源生态足迹变化，分别如图1—4所示。

表2 辽宁省水资源生态足迹km2

图1 辽宁省水资源生态足迹趋势

根据表2结果可知，辽宁省各个用水情况的水资源生态足迹中农田灌溉用水生态足迹大于工业用水、生活用水、生态用水等水资源生态足迹。由图1可以看出，辽宁省在近5 a内水资源生态足迹呈现逐年下降趋势，以2018年为界点，先极速下降后再缓慢下降，2017—2018年年均下降率达到1.67%，2018—2021年年均下降率为1.02%。人均水资源生态足迹2021年比2017年下降了2.14%，其人均水资源生态足迹变化趋势与水资源生态足迹变化基本一致。主要下降原因是农田灌溉用水、工业用水等呈现下降趋势，林牧渔畜业、生态环境用水所占的比重比较少，总体用水量呈下降趋势，导致水资源生态足迹也相应减小，说明推进重点工程和民生工程建设取得了一定效果。

由图2 可以看出，辽宁省2017—2021 年水资源生态承载力呈现波动性变化，平均承载力为170 287.34 km2，呈现先升后降再升高趋势，在2018年达到最高值285 857.93 km2，在2020年达到最低值为76 220.08 km2，最高值与最低值相差209 637.85 km2。同时，人均水资源生态承载力基本上与水资源生态承载变化趋势一致，相似度极高，最高值与最低值变化达0.493 km2。

图2 辽宁省水资源生态承载力趋势

根据图1与图2比较，总的水资源生态足迹远大于相应的水资源生态承载力，说明辽宁省水资源供给不足，不能满足当前全省社会经济发展需要。总体来说，2017—2021 年辽宁省水资源生态盈亏及赤字出现了先增加后下降的趋势。图3 显示，在2018年和2019 年出现水资源生态盈余，其余3 a 出现了负值，说明出现了水资源生态赤字，其中2020 年最为严重，人均水资源生态赤字达到了-0.372 km2。2018年和2019年水资源生态盈余是由于连续2 a降雨量非常充沛，分别达到了924.2、751.1 mm，相应的水资源总量也比其他年份增多，提高了水资源承载能力，出现生态赤字是由于在用水总量不变情况下水资源总量低于平均水平所致。

图3 辽宁省水资源生态盈亏及赤字变化

从图4 可以看出，辽宁省生产总值在逐年增加，5 a 的增长率为28.9%；万元GDP 水资源生态足迹呈现出持续下降的趋势，年均下降率为24.5%。这说明辽宁省的水资源开发利用率在逐渐增长，与社会经济快速发展趋势是相一致的。

图4 辽宁省万元GDP水资源生态足迹变化

4 结论与建议

水资源生态足迹与生态承载力能够反映区域的水资源可持续利用与变化状况。通过建立水资源生态足迹与生态承载力模型，选取2017—2021 年为计算时段，计算辽宁省各个用水方式的水资源生态足迹与生态承载力变化。在连续5 a内，该省农田灌溉用水生态足迹大于林牧渔畜业用水、工业用水、城镇公共用水、生活与生态用水的生态足迹，总的水资源生态足迹超过了水资源生态承载力，在2018 年和2019 年水资源出现生态盈余，其余各年出现生态赤字，2020 年达到最低值，生态赤字出现说明了不利于水资源的可持续利用。最后分析了万元GDP 水资源足迹的变化，发展趋势为逐年降低，说明水资源利用效率在不断提高。

根据以上计算和分析结果，为保证辽宁省水资源的可持续利用，提出以下建议：①提高节水意识，改善农林牧渔畜业用水方式；②改善水资源供需方式，消除水资源用水安全隐患；③建立水资源法律体系，加强水资源管理；④进行产业调整，提高水资源利用率。