丹东市水资源能值生态足迹及可持续利用分析

姜 丹

(辽宁省丹东水文局,辽宁 丹东 118000)

随着经济的快速发展,工农业生产和居民生活对水资源使用量急剧增加,与此同时产生的水污染问题日趋突出,加之水环境恶化、全球水资源短缺等致使水生态系统面临较大压力,一旦超过系统可承载力必然会对区域水资源持续利用甚至经济社会稳定发展造成严重影响。因此,为了保证区域水生态系统安全有必要分析水资源可持续利用情况。国内外许多学者从不同尺度上探究了水资源可持续利用状况,研究方法主要有水生态足迹法、水足迹法等,研究内容大多集中于水资源管理与政策、优化配制、可持续利用及生态安全等方面[1-4]。其中,水生态足迹法是现阶段应用最广泛的方法,在山西、江苏、广西、吉林、辽宁等诸多地区的水资源利用情况分析均有应用实例,并取得较好的效果[5-7]。为更加客观地反映区域水资源情况,有学者在水生态足迹中引入水资源产量和均衡因子,提出三维生态足迹模型和水生态足迹深度、广度的概念,还有人将脱钩理论与水生态足迹法相结合用于分析经济发展和水资源环境之间的协调关系[8]。然而水生态足迹模型使用的参数大多没有考虑时间差异和区域差异,用全球性产量因子和均衡因子很容易导致实际情况与计量结果存在偏差。为解决以上问题有学者引入了能值理论,经不断研究实践形成了较完善的能值生态足迹模型。能值理论就是将不同种类的能量利用太阳能值转换率统一转换成太阳能值,以此定量研究分析各种形式的能量,可以客观反映社会经济发展与生态环境之间的关系。能值生态足迹模型相比于传统的水生态足迹模型主要是以太阳能值转换率统一系统中各种能值流,可以更加直观地反映水资源利用发展态势。鉴于此,文章利用该方法分析丹东市水资源可持续利用动态变化趋势极具现实意义。

1 区域概况

丹东市地处辽宁省东南部,地形以平原谷底、丘陵山地为主,总面积1.52万km2,是一座沿海、沿江、沿边城市。该区域属温暖带亚湿润季风气候,北部6～7℃,南部平均气温8～9℃,多年平均降水量881.3～1087.5mm,其中2/3发生在夏季,7～8月为暴雨集中期。借鉴水资源公报,2021年丹东市降水量1334.7mm,折合降水总量199.84亿m3,较多年均值偏多31.5%,2021年水资源总量126.49亿m3。虽然丹东市是全省水资源最丰富且降雨量最多的地区,但由于特殊的地理环境和气候条件,当地水资源利用存在可开采总量少、开发难度大、边际效益低等问题,局部地区尚面临春季干旱、水体污染、用水效率低和地下水超采的现状。因此,科学分析丹东市水资源利用现状对推动区域生态经济可持续发展具有重要意义。

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究以丹东市整体情况为统计依据选取2001—2020年数据,其中年均用水量和水资源总量等水资源数据来源于丹东市水资源公报,氨氮或COD废水排放量等污染用水数据来源于辽宁省统计年鉴,降雨量、区域面积、户籍人口数量和地区生产总值(GDP)等其它数据来源于丹东市统计年鉴,参照有关文献获取能值转换率值。

2.2 水资源能值生态足迹模型

1)水资源能值生态足迹。该模型主要包括水质和用水量生态足迹两个部分,其中水质生态足迹又称为污染足迹,主要是稀释污染物至一定标准所消耗的水资源;用水量生态足迹包括生态、居民生活、城镇公共服务、工业和农业用水5类,相应的计算公式为[9]:

EEFw=EEFk+EEFq

(1)

(2)

式中:EEFw、EEFk、EEFq为人均水资源能值、用水量和水污染的生态足迹,hm2/人;Cki、Eki、Mki、τki为第i类用水的人均太阳能值,sej/人、总能值,sej、用水量,m3以及太阳能值转换率,sej/m3,i=1,2,3,4,5;N、Pw为丹东市人口数量和全球平均能值密度,Pw通常取3.104E+14(sej/hm2);ENH3-N、ECOD、MCOD/NH3-N代表氨氮和化学需氧量(COD)能值(sej)以及COD或氨氮的废水排放量(kg);ρw、ρCOD/NH3-N代表水的密度(kg/m3)和COD或氨氮允许排放浓度,依据污水综合排放标准确定COD和氨氮允许排放浓度为50mg/L和12mg/L;Hw、Uw代表热值换算系数和水的单位能值,Hw通常取2.56E+04(J/kg),由地表水(地下水)化学能与雨水化学总能值之比确定Uw值为8.54E+04(sej/J),其数学表达式为:

EErc=S·Rain·θ·G·ρw·τrc

(3)

Eg(Eu)=Mg(Mu)·G·ρw

(4)

式中:EErc、τrc为雨水化学能值(sej)及其太阳能值转换率,一般τrc取1.80E+04(sej/J);Eg、Eu、Mg、Mu为地表水和地下水的化学能,J及水资源量,m3;S、Rain、θ、G为表区域面积,m2、平均降雨量,m和蒸散系数,其中θ一般取0.6;G为吉布斯自由能,雨水、地表水、地下水的吉布斯自由能分别为4.94j/g、4.94J/g和4.90J/g。模型中有关参数取值及主要能值转换率如表1所示。

表1 能值转换率统计表

2)水资源能值生态承载力。该指标反映了一定条件下特定时期内某区域水生态系统对经济社会发展可承载的最大压力,按照能值理论丹东市水资源能值由地下水与地表水化学能、雨水势能组成。另外,结合区域水资源利用率水平,为维持生态环境和生物多样性发展至少要扣除60%用水,则承载力计算方法如下[10]:

(5)

式中:EECw、EErh、EEg、EEu为人均水资源能值生态承载力,hm2/人、雨水势能值,sej、地表水和地下水化学能值,sej;Pw为丹东市平均水资源能值密度,由丹东市近20a单位面积上的水资源能值计算确定为2.48E+14(sej/hm2)。采用下式计算雨水势能,即:

Erh=S·Rain·φ·ρw·h·g

(6)

式中:Erh为雨水势能,J;φ、h、g为径流系数、海拔高度平均值,m和重力加速度,一般φ取0.4,g取10m/s2。

2.3 水资源可持续利用评价指标

1)水资源生态盈余(ES)/赤字(ED)。该指标反映了水资源供需情况及可持续利用程度,一般用生态承载力EECw与生态足迹EEFw之差来衡量。若EEw>EECw则代表产生生态赤字(ED),说明经济社会发展超出水资源利用生态负荷,在一定程度上威胁着水生态安全;若EEw

ED(ES)=EECw-EEFw

(7)

2)水资源生态压力指数(EPI)。该指标反映了水生态安全状况,一般用生态足迹与生态承载力之比来衡量。若EPI<1则代表经济社会发展消耗的水资源未超出生态承载范围,水生态达到安全状况;若EPI>1则代表经济社会发展消耗的水资源超过其生态供给能力,水生态达到不安全状态;若EPI=1则代表水资源系统达到供需平衡状态(等级划分见表2),其数学表达式为:

表2 生态安全等级划分

EPI=EEFw/EECw

(8)

3)水资源生态经济协调指数(ECI)。该指标反映了经济社会发展与水生态系统间的相互关系及协调性,可以衡量不同时期水资源供需、开发利用程度与经济发展水平之间的关系,其表达式如下[12]:

(9)

式中:ECI处于1～1.414取值区间,该值越接近于1代表经济社会发展与水生态系统间的协调性越差,该值越接近1.414代表两者的协调性越好。

3 结果与分析

3.1 水资源能值生态足迹变化

采用以上数据和方法计算2001—2020年丹东市人均水资源能值生态足迹EEFw分别为0.96、0.98、1.00、1.00、1.01、1.07、1.14、1.18、1.20、1.19、1.20、1.23、1.27、1.34、1.26、1.26、1.25、1.28、1.29和1.50hm2/人。结果表明,丹东市EEFw从2001年的0.96hm2/人波动上升到2020年的1.50hm2/人,增幅达到56.25%,年平均增幅2.81%,总体表现出明显上升趋势。另外,农业用水、工业用水和污染用水对丹东市水资源能值生态足迹的贡献较高,贡献最低的是生态用水。

从变化趋势上,2001—2020年生态、城镇公共服务、居民生活和工业用水足迹逐年增加,而污染和农业用水足迹呈波动减小趋势,如图1所示。总人均能值账户与工业用水账户具有相似的变化趋势,这也是引起总能值生态足迹变化的重要因素。由计算结果可知,丹东市具有较大的农业用水需求量,但是农业对经济的贡献作用相对较低,近年来工业用水需求不断增加而农业用水量逐渐减少,通过增加工业产值能够更好地促进经济发展。因此,近20a丹东市不读调整水资源分配结构,促进工农业产业升级及结构调整。

图1 2001—2020年丹东市水资源能值生态足迹变化图

3.2 水资源能值生态承载力变化

采用相关公式计算2001—2020年丹东市人均水资源能值生态承载力EECw分别为0.36、0.50、0.52、0.54、0.50、0.49、0.49、0.50、0.44、0.48、0.42、0.48、0.57、0.59、0.51、0.45、0.61、0.64、0.64和0.521.50hm2/人。结果表明,研究期间丹东市水资源总能值处于7.10E+20sej～14.08E+20sej波动范围,总能值生态承载力总体表现出增大趋势,并以2018年达到最高值2.42E+06hm2,2001年总能值生态承载力出现最低值1.32E+06hm2。

丹东市2001—2020年水资源能值生态承载力EECw总体呈波动变化趋势,变化区间为0.36～0.64hm2/人,多年平均值为0.51hm2/人,其中雨水势能的贡献较高,其生态承载力最大,而地下水与地表水贡相对献较低。降雨量对EECw的影响显著,统计分析表明丹东市年降雨量与水生态承载力相关系数为0.92,这表明水生态承载力主要取决于当地年降雨量情况。

3.3 水资源可持续利用分析

水资源生态压力与生态盈亏变化趋势如图2所示,结果表明2001—2020年丹东市水资源始终处于生态赤字(ED)水平,并且ED表现出波动上升态势,从2001年的-0.60hm2/人波动上升到2020年的-0.98hm2/人,增幅达到63.33%。水资源生态压力指数EPI年际变化幅度较小,整体呈现出波动变化态势,多年平均值为2.35,水资源生态处于亚安全等级。其中,2020年EPI值最高达到2.88,2004年EPI值最小为1.85。近年来,随着经济的快速发展丹东市用水需求量急剧增加,水资源短缺矛盾对生态环境可持续发展造成不利影响,生态赤字的扩大在一定程度上限制了区域社会经济发展。

图2 水资源生态压力与生态赤字

水资源生态经济协调指数(ECI)变化趋势如图3所示,结果显示2001—2020年ECI呈波动态势,ECI位于1.27～1.36变化区间,多年平均水资源生态经济协调指数为1.31,表明丹东市经济社会与水资源生态之间具有较为稳定的协调性,通过调整工农业产业结构不断提高了水资源利用效率。但相较于1.42的理想中海具有一定差距,说明丹东市经济社会与水资源生态间的协调性仍具有一定上身空间。

图3 水资源生态经济协调指数

丹东市依然面临着严峻的水生态安全形势,工、农业用水量大使得整体用水效率偏低。对于农业用水,丹东市应加快农业种植结构调整,通过引入先进的灌溉技术提高农业用水效率,最大程度地减少水资源浪费;对于工业用水,应正确引导化工、煤炭等行业使用低耗水和低污染工艺,进一步提高科技含量及技术水平,降低水环境压力;另外,要提高生活用水效率和全面节水意识,推广落实节水奖励制度,加强向广大群众节水知识普及;采用先进技术对污染用水实行循环利用,实现水环境安全状况目标和水资源可持续利用。

4 结 论

1)2001—2020年丹东市水资源能值生态足迹EEFw处于0.98hm2/～1.50hm2/人变化范围,年平均增幅2.81%,总体表现出明显上升趋势。农业用水、工业用水和污染用水对丹东市水资源能值生态足迹的贡献较高,近年来工业用水需求不断增加而农业用水量逐渐减少,通过增加工业产值能够更好地促进经济发展。近20a丹东市逐步调整水资源分配结构,促进工农业产业升级及结构调整。

2)研究期间丹东市水资源生态赤字(ED)和生态压力(EPI)平均值为-0.67hm2/人、2.35,表明丹东市长期处于生态亚安全和水资源生态赤字状态,但水资源生态经济协调指数(ECI)平均值为1.31,表明其经济社会与水资源生态之间具有较为稳定的协调性,通过调整工农业产业结构不断提高了水资源利用效率。