滹沱河流域山西段水资源生态承载力研究

席梅竹，翟晗雨，陶能钦，周 丽

(1.忻州师范学院 地理系，山西 忻州 034000；2.忻州师范学院 物理系，山西 忻州 034000)

1 引言

水资源是生物赖以生存的基础。随着经济社会的飞速发展和人口的增加，人类生产、生活活动对水资源的需求越来越大，导致水资源短缺和水体恶化等一系列生态环境问题的出现[1]。因此，区域水资源数量、质量的准确核算以及水资源承载力的评价已经成为促进区域水资源的合理利用及保护，实现区域可持续发展的重要研究内容。不同学者尝试使用生态足迹模型[2]、物源可拓模型[3]、超效率DEA模型[4]、耦合系统动力学模型[5]等不同模型对不同区域水资源的可持续利用状况进行评价，其中，水资源生态足迹模型是一种通过比较水资源供给量与人类的需求情况，进而判断区域生态环境能否持续推动经济社会发展的定量评价模型，该模型具有直观、易用的优势，因此水资源生态足迹模型在水资源可持续利用评价中得到广泛使用[6，7]。赵博利用生态足迹模型对辽河流域各行政区2012～2017年的水资源生态足迹与承载力进行了时空变化分析[8]。卢亚丽利用生态足迹模型和GIS分析方法对长江经济带水资源承载力时空变化特征进行了研究[9]。郝帅采用ESTDA框架对中国31个省份2000～2018年水资源生态足迹广度和深度以及生态压力方面进行了评价[10]。黄佳利用生态足迹模型对山东省水资源生态足迹和生态承载力进行了研究，并在此基础上分析了城市建设、经济社会发展与水资源生态承载力及生态足迹之间的相关性[11]。滹沱河流域山西段属京津冀地表水源地的上游地区，区域用水安全状况关系到整个流域的生态安全及用水安全，因此应用水资源生态足迹模型对滹沱河流域山西段2011～2018年水资源生态足迹和生态承载力进行定量测定，并在此基础上计算分析其生态盈亏和生态足迹强度的变化趋势，以期为滹沱河流域山西段制定科学合理的用水规划、实现区域生态保护提供科学参考。

2 研究区概况

滹沱河发源于山西省忻州市繁峙县境内桥儿沟村，在山西省境内流经忻州市、繁峙县、代县、原平市、忻府区、定襄县、五台县和阳泉市盂县7个县、市(区)，流长250.71 km，占滹沱河总流长的42.71%。滹沱河流域山西段地理位置介于37°37′～39°27′N，112°17′～114°03′E，境内支流较多，流域面积18856 km2，其中,乌河为最大支流，阳武河次之。研究区地处温带大陆性季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。2011～2018年平均降水量101.39亿m3537.71 mm，占全省年平均降水量的11.65%。2011～2018年滹沱河流域山西段平均水资源总量占山西省水资源总量的12.68%，平均总供水量和总用水量分别为7.4468亿m3、7.4467亿m3，供需水量基本保持平衡。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

研究区域面积、水资源总量、万元GDP用水量、各类用水总量和总用水量均来自2011～2018年的《山西省水资源公报》(表1)。

3.2 研究方法

3.2.1 水资源生态足迹

为了使滹沱河流域山西段水资源生态足迹计算更加全面准确，根据《山西省水资源公报》中的统计数据，将水资源账户分为生产用水、生活用水和生态用水3个二级账户，生产用水分为农业用水、工业用水和城镇公共用水三类，其中农业用水包括农田灌溉用水和林业、渔业、畜牧用水。各类用水足迹的计算公式如下:

(1)

式(1)中：EFW为水资源生态足迹，hm2；N为研究区域人口数量，人；efW为人均水资源生态足迹，hm2/人；γ为水资源全球均衡因子；Q为水资源的用水总量，m3；PW为水资源全球平均生产能力,m3/hm2。

表1 2011～2018年滹沱河流域山西段水资源基础数据统计

3.2.2 水资源生态承载力

水资源生态承载力主要表现为水资源对生态系统和经济系统良性发展的支撑能力[12]。为了实现可持续发展，在计算水资源生态承载力时需要扣除60%用于大自然平衡的运行，剩余的40%才是该区域水资源可利用的部分[13]。生态承载力表达式为:

(2)

式(2)中:ECW为水资源生态承载力，hm2；N为研究区域人口数量，人；eCW为人均水资源生态承载力，hm2/人；δ为研究区域水资源的产量因子；γ为水资源全球均衡因子；Q为研究区域水资源总量，m3；PW为水资源全球平均生产能力，m3/hm2。

3.2.3 水资源生态赤字或盈余模型

水资源生态赤字或盈余(EDW)模型是用来衡量研究区域内水资源是否满足社会发展需要的参数[14]，其结果是由该研究区域内的水资源生态足迹与水资源生态承载力相减得到。公式如下:

EDW=EFW-ECW

(3)

当EFW>ECW时，表示该研究区域为水资源生态赤字，ECW无法支撑起EFW，区域水资源供给无法满足社会发展的需要；当EFW=ECW时,表示该研究区域内的水生态处于平衡，ECW正好能支撑起EFW，水资源基本满足社会发展的需要；当EFW

3.2.4 水资源生态足迹强度模型

生态足迹强度(ESW)是衡量研究区域内水资源利用率的参数，其结果是由该研究区域内的水资源全球均衡因子乘以该研究区域内的万元GDP再除以水资源全球平均生产能力得到。ESW越小说明该研究区域内的水资源利用效率越高,ESW越大说明该研究区域内的水资源利用效率越低[15]。计算公式如下:

(4)

式(4)中，ESW为水资源生态足迹强度，hm2/104；γ为水资源全球均衡因子；L为研究区域的万元GDP用水量,m3/104；PW为水资源全球平均生产能力，m3/hm2。

3.3 主要参数的确定

参考相关研究结果，水资源全球平均生产能力确定为3140 m3/hm2[16]，水资源全球均衡因子采用世界自然基金会2002年核算值5.19[13]。区域水资源产量因子是相对于全球范围定义下的产量因子[17]，计算公式如下:

ψ=Wc×Wa=(VW/Pc)×Wa

=[Z/(S×Pc)]×Wa

(5)

式(5)中：ψ为全球范围内某区域的水资源产量因子；Wc为国家范围内某地区水资源产量因子；Wa为全球范围内某国家水资源产量因子；VW为中国境内某地区多年平均单位面积产水量，m3/hm2；Pc中国多年平均单位面积产水量，m3/hm2;Z为研究区域水资源总量，m3；S为研究区面积，hm2。参考相关研究结果[17]，全球范围内中国水资源产量因子取0.94，中国平均多年单位面积产水量取2946 m3/hm2。滹沱河流域山西段的面积为18856 km2,滹沱河流域山西段2011～2018年的平均水资源总量为15.04×108m3，根据公式(5)计算出滹沱河流域山西段水资源产量因子约为0.25。

4 结果与分析

4.1 滹沱河流域山西段水资源生态足迹的动态变化

滹沱河流域山西段2011～2018年水资源生态足迹从2011年的126.04×104hm2下降到2018年的124.06×104hm2，总体上呈现波动下降趋势，下降幅度为1.57%，其中2011～2012年下降幅度最大为4.34%，2012～2013年上升幅度最大为3.69%(表2，图1)。2011～2018年各类用水生态足迹中，生产用水生态足迹所占比例最大，平均生产用水足迹占水资源总生态足迹的80.77%，表明生产用水是滹沱河流域山西段用水的主要去向，而生活用水足迹和生态用水足迹在总用水足迹中占比均较小，分别为13.09%和6.13%，生产、生活、生态三类水资源生态足迹存在较大差异，滹沱河流域山西段要实现区域水资源节约利用，关键在于降低生产领域中的用水量。三类水资源生态足迹也呈现不同的变化趋势其中，生产用水足迹总体上呈现下降趋势，生产用水足迹从2011年的104.54×104hm2下降到2018年的98.60×104hm2，下降幅度为5.68%；生活用水足迹从2011年的13.50×104hm2上升到2018年的17.22×104hm2，上升幅度高达26.80%，始终呈现上升趋势；生态用水足迹从2011年的7.92×104hm2到2018年的8.25×104hm2，上升幅度为4.17%，其中2015年生态环境用水足迹最大，为8.77×104hm2，生态用水足迹呈波动上升趋势(表2，图2(a))。三者比例逐渐趋向合理，但生产用水足迹在三类用水足迹中所占比例仍最高。

表2 2011～2018年滹沱河流域山西段水资源生态足迹 104 hm2

图1 2011～2018年滹沱河流域山西段水资源生态足迹的变化

2011～2018年生产用水足迹中，农业用水是生产用水的重要组成部分，年平均农业用水量占年平均生产用水量的73.86%，农业用水量从2011年的77.96×104hm2下降到2018年的71.91×104hm2，下降幅度为7.76%。在农业用水中，有93.82%的用水量应用于农业灌溉，剩余6.18%的用水量广泛用于林、牧、渔、蓄各个行业。农业灌溉用水量从2011年的73.28×104hm2下降到2018年的67.44×104hm2，下降幅度为7.97%，林、牧、渔、畜各个行业用水量从2011年的4.67×104hm2下降到2018年的4.47×104hm2，下降幅度为4.28%。工业用水量总体上呈现下降趋势，从2011年的24.15×104hm2下降到2018年的23.91×104hm2，下降了0.99%。平均工业用水量占平均生产用水量的23.55%。城镇公共用水整体上呈现增长趋势，从2011年的2.43×104hm2上升到2018年的2.78×104hm2，增长了14.40%，平均城镇公共用水是平均生产用水中占比最小的一部分，仅为2.62%(表2，图2(b))。由此可以看出:在生产用水中，城镇公共用水虽有所增加，但是农业用水和工业用水在生产用水足迹中的占比仍然很大，而生产用水是滹沱河流域山西段用水的重要组成部分，因此，农业用水和工业用水是河流用水的主要用途。

4.2 滹沱河流域山西段水资源生态承载力的动态变化

2011～2018年滹沱河流域山西段水资源生态承载力呈波动上升趋势，2015年水资源生态承载力最小为19.22×104hm2，2016年水资源生态承载力最大为31.09×104hm2，平均水资源生态承载力为24.86×104hm2(表3，图3)。区域水资源对生态系统和经济系统发展支撑能力在不断地提高。区域水资源生态承载力与年平均降水量之间呈显著正相关关系，相关系数为0.52(图4)。

4.3 滹沱河流域山西段水资源生态赤字或盈余的动态变化

2011～2018年滹沱河流域山西段水资源生态足迹远大于生态承载力，水资源均处于生态赤字状态，但是水资源生态赤字整体呈缩小趋势，从2011年的102.84×104hm2下降为2018年的95.74×104hm2，下降幅度为6.90%(表4，图5)。水资源生态赤字变化趋势与水资源生态足迹变化趋势一致，与相同时间段内的水资源生态承载力的变化呈反比关系(图1)。如果水资源生态承载力上升，则生态赤字下降，说明2011～2018年滹沱河流域山西段水资源生态承载力无法支撑起水资源生态足迹，导致生态赤字波动较大。因此，可以认为水资源生态赤字一直高居不下，满足不了经济社会发展中生产、生活和生态用水需求，同时水资源调控力度不大，不利于滹沱河流域山西段经济和社会的健康发展。

图2 2011～2018年滹沱河流域山西段生态足迹构成及变化

4.4 滹沱河流域山西段水资源生态足迹强度的动态变化

滹沱河流域山西段水资源生态足迹强度总体呈迅速下降趋势，从2011年的0.139 hm2(104元)-1迅速下降到2015年的0.116 hm2(104元)-1，然后缓慢上升到2016年的0.117 hm2(104元)-1，最后迅速下降到2018年的0.093 hm2(104元)-1(表5，图6)。除了2012～2016年水资源生态足迹强度处于稳定外，其余年间都处于迅速下降趋势，表明滹沱河流域山西段水资源利用效率在不断提高，供需矛盾有所缓解，这与山西省实施节水型生态保护措施有着密切的关系。

表3 2011～2018年滹沱河流域山西段水资源生态承载力

图3 2011～2018年滹沱河流域山西段水资源生态

承载力的变化

图4 2011～2018年滹沱河流域山西段水资源生态承载力

表4 滹沱河流域山西段2011～2018年水资源生态赤字

表5 滹沱河流域山西段2011～2018年水资源生态足迹强度

图5 滹沱河流域山西段水资源生态赤字的变化趋势

图6 滹沱河流域山西段水资源生态足迹强度的变化趋势

5 结论与建议

本文利用水资源生态足迹模型计算了滹沱河流域山西段的水资源生态足迹和生态承载力，并在此基础上利用生态赤字(盈余)模型和生态足迹强度模型对区域用水安全进行了评价。得到以下结论:

(1)2011～2018年生产用水是滹沱河流域山西段用水的主要去路，整体呈下降趋势，而生活用水和生态环境用水所占比例呈缓慢上升趋势，三类用水结构比例逐渐趋向合理，但生产用水所占比例仍最高。

(2)2011～2018年在生产用水足迹中，农业用水和工业用水足迹占比仍较高，但水资源生态足迹总量呈不断下降趋势，而城镇公共用水生态足迹占比较低，但是城镇公共用水生态足迹呈逐年上升趋势。

(3)2011～2018年滹沱河流域山西段水资源生态承载力呈波动上升趋势，说明该流域水资源对生态系统和经济系统的发展支撑能力在不断提高；同时水资源生态足迹呈波动下降趋势，生态赤字逐渐缩小，区域水资源安全性逐步提高。

(4)除2012～2016年滹沱河流域山西段水资源生态足迹强度基本保持稳定外，其余年间水资源生态足迹强度均呈迅速下降趋势，表明滹沱河流域山西段水资源利用效率在不断提高，供需矛盾有所缓解，这与山西省开展节水型生态保护工程有着密切的关系。

滹沱河流域山西段应做好水资源的开源节流工作，不断提高水资源在农业和工业上的利用率。农业生产中，应因地制宜地调整农业种植结构，山区实施旱作农业，平川地区通过积极推广喷灌等节水灌溉技术和抗旱保水等新型技术，实施高效农业。工业生产中，在严格控制污水达标排放的同时，不断提高工业废水的处理技术和综合利用能力，此外，通过各种形式的宣传活动，增强居民节水意识，提高城镇生活用水利用率，同时严格实施雨、污水的分流回收处理，做好处理后中水在生态环境建设中的再利用，从而在一定程度上减轻供水压力。同时可以通过建立跨流域调水、引水、提水等工程，提高滹沱河的调蓄能力和综合管理能力，使水资源能够得到充分的保护，进而提高水资源的生态承载力，实现区域的可持续发展。