辽宁省水资源可持续利用评价

杨赫男

(喀左县农田建设管理中心,辽宁 喀左 122300)

水资源是维持经济社会和人类生存发展的战略性自然资源,但辽宁省面临着日趋突出的水环境恶化、水资源短缺及时空分布不均衡等水问题[1]。因此,探究区域水资源可承载能力和可持续利用现状,对于实现人水协调发展极具现实意义。

生态足迹是指利用生物生产性土地面积定量评价和测算一个区域或地区的可持续发展状态以及资源利用程度,可以较好地比较和测量自然生态系统承载力之间的差距及人类经济系统的需求[2-4]。徐中民等最先利用生态足迹的概念实证计算分析了甘肃省的生态足迹,而传统的生态足迹方法未全面考虑地下水或地表水的诸多功能,大多侧重于水域生物生产能力的分析;路瑞等利用Tapio弹性分析法探讨了黄河流域经济发展与水资源生态足迹之间的协调关系;郭丽丹等以江苏省为例,通过选用12个三级账户动态分析2008—2018年区域生态承载力和水资源生态足迹的变化趋势;黄林楠等以江苏省为例,利用改进的模型测算分析了区域水资源生态足迹变动规律[5-8]。优化后的模型参数大多选用全球性数据,对于横向比较不同地区的水资源生态足迹适用性较差,曾晓霞通过优化改进传统的方法,提出可以有效避免人为参数设置的能值生态足迹评价模型,有利于实时对比分析各地区的水资源状况;刘珂玲等对北京市和西北某调水工程区水资源可利用状况应用能值生态足迹模型进行探讨,并验证了该模型的可行性与适用性[9-10]。已有研究往往忽略了生态足迹受水体污染或水产品消费量的影响作用,特别是应用能值生态足迹法研究辽宁省水资源可持续利用现状的还较少。鉴于此,文章将水生态足迹与能值理论相结合,全面考虑生物质足迹、水污染生态足迹、淡水生态足迹以及雨水势能、地下水与地表水化学能构建能值水生态足迹模型和承载力模型,测算评价了2010—2020年辽宁省水生态足迹及其承载力,通过水资源压力指数和水生态盈余评价水资源利用现状,旨在为科学规划和制定区域水资源可持续利用政策提供决策依据。

1 研究区概况

辽宁省地处我国东北沿海经济带、沈阳经济区以及振兴老工业基地战略实施的核心区,下辖14个地级市,即本溪、丹东、大连、营口、鞍山、辽阳、盘锦、葫芦岛、锦州、朝阳、阜新、铁岭、抚顺、沈阳,总面积14.8万km2。研究区属温带半干旱半湿润季风气候区,平均气温5～10℃,日照时数2100～2600h,阳光辐射总量100～200cal/cm2,无霜期130～200d,年降水量600～1100mm,主汛期(6～9月)降雨集中,从空间上西部降水偏少约400mm,东部山地丘陵较高>1100mm,中部适中为600mm左右。近年来,随着工业化和城镇化进程的加快,许多河湖被过渡开发利用甚至超出其生态承载能力,水环境污染、水域湿地被侵占和水生态功能退化等问题日趋突出,在一定程度上制约着区域经济协调发展。

2 评价方法

2.1 能值分析理论

太阳能是地球上所有事物的主要能量来源,所以能值分析理论将反映事物能量的基准设定为太阳能值,采用转换率建立能值与能量间的关系,将地球系统中不可直接相加减、不同形式的能量统一转化成标准能值来分析,其数学表达式为:

E=Bτ

(1)

式中:E、B为能值,sej和物质或能量的质量,g或J;τ为能值转换率,sej/g、sej/J。

2.2 能值水生态足迹

能值水生态足迹(Wef)是指特定区域内的人口和经济发展到一定规模时,吸纳生产、生活废弃物所需要的水量和区域发展所消费的水资源量,以此核算出的虚拟水资源用地(生物生产性土地面积)[10]。将能值水生态足迹一级账户按照区域水资源用水特性划分成水产品、水污染、淡水生态足迹3个二级账户,其中水产品和水污染生态足迹是生产各类水产品以及居民生产生活所排放废污水的足迹,淡水生态足迹又进一步细分成生态环境、工业、农业和生活用水4个三级账户,具体如下:

Wef=Wefa+Wefp+Weff

(2)

式中:Wefa、Wefp、Weff为区域水产品、水污染和淡水生态足迹,hm2;P、n为区域能值密度,sej/hm2和三级账户个数;Efi、Ep、Ea为三级账户i的能值,sej和水污染、水产品能值,sej;Cfi、τfi为三级账户i的用水量,m3及能值转换率,sej/t;QP、τP为污水排放量,t及其能值转换率,sej/t;Ma、τa为水产品产量,t及其能值转换率,sej/t。

2.3 能值水生态承载力

能值水生态承载力(Wec)是指特定技术管理水平和社会发展条件下,区域水资源对社会、经济以及环境协调发展的最大支撑能力[11]。综合考虑研究区水资源来源情况,选择雨水势能、地下水和地表水化学能为可更新资源计算水资源生态承载力;另外,为了维持水生态系统的良性循环,保证水生态环境健康需要扣除至少60%的水量,具体表达式如下:

(3)

式中:Er、Eu、Eg为雨水势能、地下水和地表水化学能,seg;Pw为水资源能值密度平均值,sej/hm2。

2.4 能值水生态足迹评价指标

1)水生态盈亏指数。能值水生态承载力反映了水生态系统支撑和承受经济社会发展的能力,而能值水生态足迹则表征特定区域对水资源实际占用和需求情况,通过对比分析可以评定水资源持续利用状况,利用下式计算水生态盈亏指数Wed:

Wed=Wef-Wec

(4)

若Wed=0则代表水资源供需平衡,水生态系统呈平衡状态;若Wed>0则代表水资源供需供给小于需求,水生态系统呈赤字状态,水资源短缺;若Wed<0则代表水资源充足,水生态系统呈盈余状态,能够促进经济社会发展。

2)水生态压力指数。通过能值水生态足迹与承载力之比反映区域水资源开发利用安全状态,该比值即为水生态压力指数Ip,计算式如下:

Ip=Wef/Wec

(5)

若Ip=1则代表水生态处于临界状态,水资源供给与消耗达到平衡状态;若01则代表水生态处于危险状态,水资源不可持续利用,Ip值越大水资源开发利用强度就越高,水生态系统越不安全。

2.5 数据来源

研究所用地下或地表径流量、年降水量、各产业结构用水量等水资源数据来源于2010—2020年各地级市水资源公报,区域面积、水产品掺量和废污水排放量等统计数据来源于2010—2020年辽宁省统计年鉴。

2.6 参数确定

根据区域水资源总能值与面积的比值及可更新资源的总能值确定区域水资源平均能值密度Pw和能值密度P;参考相关研究成果,辽宁省生态环境、工业、农业、生活用水能值转换率τfi为1.28×1012sej/m3、1.50×1012sej/m3、8.7×1011sej/m3、2.35×1012sej/m3,水产品τa、废污水τP能值转换率为2×106sej/t和4.94×1012sej/m3,能值密度P及平均值Pw取4.58×1015sej/hm2和3.09×1015sej/hm2。

3 结果与分析

3.1 水生态足迹与承载力变化

1)水生态足迹演变规律。以2010—2020年辽宁省废污水排放量、各类水产品产量以及用水量等统计数据为基础计算相应的水生态足迹,如图1所示。

图1 水生态足迹演变趋势

结果表明,辽宁省2010—2020年水生态足迹整体表现出波动上升趋势,除2016年外均呈阶梯式增长趋势,2010—2013年、2013—2015年、2016—2018年水生态足迹增长率依次为1.48%、2.59%、3.65%,年均增长率2.21%。2016年水生态足迹总量有所回落可能与节水型社会建设、水生态文明建设取得的成效有关,工业与农业用水足迹显著减小,与此同时生活用水足迹明显增加,从而使得2017年水生态足迹明显上升。

生态环境、工业、农业、生活、水产品和水污染用水足迹对谁生态足迹的贡献存在一定差异。其中,农业用水足迹占比最高达到26.20%,其次是工业和生活用水足迹占比约为20.25%、19.81%,水生态足迹占比最小不足3%,水污染和水产品用水足迹占比居中。

2)水生态承载力演变规律。辽宁省2010—2020年水生态承载力变化趋势如图2所示,结果表明辽宁省水生态承载力总量变化未表现出明显的规律性,其与地表水生态承载力变化趋势基本相同,2012年达到最高的850万hm2,2015年谁生态承载力总量相比于2012年减小480万hm2,2015—2019年年均增速达到18.9%。总体而言,辽宁省以地表水开发利用为主,区域水生态承载力较低,在很大程度上取决于地表水供给能力。

图2 水生态承载力演变趋势

3.2 水生态足迹空间分布

1)水生态足迹。各地市2019年的水生态足迹空间分布如表1所示,结果表明空间分布较为零散,总体呈东多西少、南高北低的分布特征,其中大连市水生态足迹最高达到135.1万hm2,其次是营口市101.3万hm2和沈阳市97.4万hm2,阜新市水生态足迹最小只有大连市的13.7%。水生态足迹越大代表该地区用水消耗越大,辽南相比于其它地区水资源消耗量相对较多。

表1 2019年各地级市水生态足迹 万hm2

续表1 2019年各地级市水生态足迹 万hm2

2)水生态承载力。各地市2019年水生态承载力空间分布存在明显差异,其中丹东市、营口市、沈阳市的水生态承载力较高依次为182万hm2、126万hm2和104万hm2,其它地市均不超过50万hm2,其中辽阳市和阜新市最小为4.88万hm2、6.12万hm2,整体表现出明显的差异性。这是因为东、南部相较于其它地区的降水量较高,加之东南部具有丰富的水资源和发达河网水系,所以承载力较高[13]。

3.3 水资源可持续利用评价

1)从时间尺度上。辽宁省2010—2020年水资源压力指数和水生态盈亏量如图3,结果表明水生态赤字整体表现出“锯齿”形变化特征,特别是从2012年的22万hm2快速上升到2015年的568万hm2,2015年有所减小,2016—2020年水生态赤字处于348万～443万hm2范围变化。因此,2010—2020年辽宁省水资源呈生态赤字状态,即水生态足迹始终高于水生态承载力,即使2015年后有所改善但依然面临着严峻的供需矛盾[14]。2010—2020年的水资源压力指数均≥1,2015年最高达到2.54,表明辽宁省水资源供给难以满足实际用水需求,水资源短缺将阻碍或限制区域经济可持续发展。

图3 水资源压力指数和水生态盈亏量

2)从空间尺度上。各地市2019年水资源生态盈亏量与水资源压力指数如表2所示,其中“-”表示水生态盈余。总体上辽南水生态有所盈余,而辽西地区水生态赤字相对较重。朝阳市水生态赤字最高达到90.24万hm2,水资源开发利用不可持续。大连、鞍山和营口市水生态盈余,这是因为辽南地区的降水丰富,并且外调输水、水库大坝等工程较多,水资源调蓄能力较强。

表2 2019年各地级市水资源压力指数和水生态盈亏量

由表2可知,大连、鞍山、营口和沈阳地区的水资源压力指数小于1,表明这些地区水资源充沛,供给压力相对较小,建议合理调度水资源以及适当减小地下水开采;受产业结构、人口基数和水资源量等因素影响,其它地级市的水资源压力指数均明显超过1,特别是朝阳市、盘锦市达到7.22和6.50,说明辽西地区水生态环境比较脆弱,应在水资源合理开发的情况下,及时调整水资源配制保证各地区用水安全,更好地满足实际用水需求[15-16]。

4 结 论

1)辽宁省2010—2020年水生态足迹整体表现出上升趋势,生态环境、工业、农业、生活、水产品和水污染对水生态足迹贡献率不同;研究期间,水生态承载力明显低于水生态足迹,水生态呈赤字水平,水资源供给难以维持实际用水需求,水资源压力指数整体大于1。

2)从空间上,2019年各地市水生态足迹呈现出明显差异性,其中辽北和辽东工业、农业用水足迹较高,而辽南、辽西主要是谁污染和水产品足迹。辽南水生态有所盈余,如大连、鞍山和营口市水生态盈余,而辽西地区水生态赤字相对较重,并以朝阳市水生态赤字最高,水资源开发利用不可持续,应在水资源合理开发的情况下,及时调整水资源配制保证各地区用水安全,更好地满足实际用水需求。