赵 冬

(辽宁省锦州水文局,辽宁 锦州 121000)

近年来,经济社会的快速发展使自然资源用量急剧增加,生态环境破坏、自然资源短缺以及被过度开发等现象时有发生[1]。水作为最重要的一种自然资源,对经济建设和人类社会发展具有决定作用,水资源开发利用研究越来越引起人们的关注。

William Rees等最先建立了生态足迹理论,后经广大学者的不断充实和研究探索发展成为综合核算资源可持续利用的主要工具。国外学者主要从地区、国家及全球等尺度上分析水生态足迹,研究内容多侧重于实际土地需求与生态足迹之间的关系及生态足迹受能源贸易、全球化等因素的影响[2]。为了解决已有模型无法完整计算水域账户的问题,我国学者以生态足迹为基础提出了用于评价区域水资源后续发展潜力和利用现状的水生态足迹模型,通过对不同地区的实际测算验证了该模型的普遍适用性[3-6]。

锦州市在经济不断发展的同时,水资源消耗量和水环境压力也快速增加,为了促进可持续发展亟需降低水资源压力。鉴于此,文章采用水生态足迹模型动态分析了锦州市2015—2021年水生态承载力、水生态足迹及相关数据,旨在为锦州市水资源可持续发展、优化配置以及科学管理提供参考依据。

1 研究区概况

锦州市地处E120°43′～122°36′,N40°48′～42°08′之间,总面积10301km2,下辖10个县(市)区,海岸线124km,近海水域12万hm2。境内河网密集,主要有绕阳河、女儿河、小凌河、二郎洞水、观音洞水、大凌河等河流,其特点是流量小变化大,冰期长,含沙量高,利用率低,地区差异明显等。研究区属于暖温带半湿润气候,年降水量567mm。降水分布不均衡,其中60%～70%发生在夏季,年均气温7.8～9.0℃。全市水资源总量不足,开发利用难度大,加之蒸散发强烈、用水效率低以及可利用总量少等,对当地经济可持续发展和生态环境造成严重制约。

2 材料与方法

2.1 数据来源

研究数据主要来源于锦州市水资源公报、统计年鉴以及“十三五”规划纲要等相关资料,依据2015—2021年水资源公报选用生态补给、生活(农村与城市生活用水)、工业和农业(林牧渔畜与农田灌溉用水)4类用水账户。

2.2 水生态足迹模型(WREF)

1)WREF模型。水生态足迹就是利用各子账户的用地面积代替消耗的水资源量,经均衡化处理确定均衡值,该值能够反映不同区域的水资源利用情况[7],其计算公式为:

(1)

式中:N、W为年末常驻总人口,人和第i项用水账户消耗水量,m3;bw、p为水资源均衡因子及全球水资源生产力平均值,m3/hm2,结合相关资料bw取5.19;WREF为水生态足迹,hm2/人。

2)WRES模型。水生态承载力是指区域水资源可以维持经济及各类生产活动的最大阈值,为了维持自然系统的可持续发展和生态循环需要从水生态承载力中扣除60%的量[8],计算公式为:

WRES=N×wres=0.4bw·rw·Q/p

(2)

式中:WRES、wres为总的,hm2和人均水生态承载力,hm2/人;rw、Q为研究区水资源产量因子及当年水资源总量,m3,其中rw=p地区/p。全球各地区的水资源生产能力均值为3140m3/hm2,参照2015—2021年锦州市水资源公报计算该区域平均值为4220m3/hm2,故产量因子rw取1.34。

3)赤字与盈余。当地水资源盈余和赤字情况可以利用水生态足迹与承载力来衡量,若WREF-WRES>0为水资源短缺无法满足各子账户的耗水需求,该区域处于水生态赤字状态;若WREF-WRES=0水资源恰好满足用水需求,该区域处于水生态平衡状态;若WREF-WRES<0水资源充足能够较好地满足实际用水需求,该区域处于水生态盈余状态。

4)WPI指数。根据水生态承载力和水生态足迹可以确定水资源压力指数WPI,其计算公式为:

WPI=WREF/WRES

(3)

WPI值的大小反映了水资源开发利用压力状态,该值越大代表压力越大,0消耗量;WPI=1说明水资源达到临界状态,即供给量=消耗量;WPI>1说明水资源达到相对不安全利用状态,即供给量<消耗量[9]。

5)ESDI指数。依据水生态承载力及其与水生态承载力之间的差额可以确定水资源可持续发展指数WSDI,其计算公式为:

WSDI=(WRES-WREF)/WRES

(4)

WSDI值的大小反映了区域水资源利用效率和可持续发展现状及程度[10-11],其中WSDI<-1说明水资源达到严重不可持续程度,今后无法发展也完全不具备发展条件;-1

3 结果与分析

3.1 水生态足迹

根据生态环境、生活、工业和农业用水账户的消耗水量确定锦州市2015—2021年水生态足迹,2015—2021年锦州市水生态足迹,见表1和水生态足迹构成及变化特征,见图1。结果显示,在不考虑过境水源的条件下锦州市水生态足迹整体较平稳,具体而言2015—2017年呈小幅减小趋势,2017—2018年有所增加,2018—2021年表现出明显减小趋势,从2015年的450.0万hm2逐渐减小到2021年的388.6万hm2。依据年末常住总人口计算人均水生态足迹量,从2015年的1.487hm2/人波动减小到2021年的1.437hm2/人,水生态足迹总量与人均水生态足迹变化趋势总体一致,均呈现出下降趋势,其中保持较低的人均水生态足迹是实现可持续发展的有效途径[12-14]。

图1 水生态足迹构成及变化特征

表1 2015—2021年锦州市水生态足迹 万hm2

对于各用水账户而言,农业用水生态足迹的贡献最高,所占比例处于79.6%～83.9%之间,从2015年的83.9%逐渐减小到2021年的79.6%,在一定程度上反映了锦州市2015—2021年不断推进农业灌溉技术现代化、“三条红线”用水控制及推行节水政策等措施的实施效果。其次是生活用水足迹,所占比例处于8.1%～10.1%之间,其贡献率总体呈上升趋势,这可能与当地水资源变化有关。工业用水生态足迹表现出明显的变化趋势,所占比率处于7.0%～9.0%之间,工业用水生态足迹最大、最小值出现在2019年的38.5万hm2和2018年的31.4万hm2,2015—2019年呈明显上升趋势,这是由于该时段内锦州市工业迅速发展,从而使得工业用水量明显增加,2019—2021年又明显下降。为加快节水型城市建设锦州市有相当数量的高耗水企业被淘汰,中水回用等政策逐渐发挥出显著成效,加之经济发展放缓等因素,从而使得2019—2021年工业用水生态足迹明显下降。生态用水生态足迹占比处于0.9%～1.6%之间,总体围绕1%上下波动,但2019年生态补给用水显著增加,这表明锦州市越来越注重自然生态保护,为维持生态系统平衡使用了更多的水资源。

综上分析,在2015—2021年锦州市生态补给、生活和工业用水生态足迹占比平均值为1.2%、7.9%、9.2%,在此期间总体呈小幅上升趋势,变化不明显,农业用水生态足迹的明显下降是导致锦州市水生态足迹减少的重要原因。水生态足迹的逐渐减少有利于降低锦州市水资源供需压力,维持人均水生态足迹处于低水平的相对稳定状态。

3.2 水生态承载力

依据2015—2021年锦州市水资源相关数据计算分析水生态承载力,如表2。由表2可知,2015—2021年锦州市水生态承载力存在较大的上下波动幅度,相比于水生态足迹呈复杂变化态势。在核算年内水生态承载力最大、最小值出现在2018年的472.96万hm2和2021年的76.25万hm2,二者相差396.71万hm2;人均水生态承载力最大、最小值出现在2018年的1.586hm2/人和2021年的0.282hm2/人,呈先增大后减小的变化趋势。

表2 2015—2021年锦州市水生态承载力

地表水资源是锦州市的主要水源,而地表水受植被、地形条件、地质、季风和地理位置等因素影响较大,故承载力也具有较大变化率。经相关性分析,年降水量与水生态承载力之间的相关系数为0.971(P<0.05),二者存在显著正相关性,水生态足迹构成及变化特征,见图2。

图2 水生态足迹构成及变化特征

3.3 水生态赤字

水生态足迹构成及变化特征,见图3。由图3可知,除2018年以外的其它时段锦州市均存在不同程度的水生态赤字现象。由于年降水量差异和降水时空分布不均性,在2015—2021年锦州市水生态赤字总体呈先减小后增大的变化趋势,其变化范围为86.59～321.29万hm2,极值比达到3.71,通过水生态赤字可以反映出2015—2021年锦州市水资源压力依然较大。

图3 水生态足迹构成及变化特征

3.4 水资源压力指数

根据2015—2021年水生态承载力和生态足迹计算水资源压力指数,以此反映研究时段内的水资源利用状况,水资源压力指数变化,见图4。

图4 水资源压力指数变化

由图4可知,2015—2018年锦州市水资源压力指数逐渐减小,在2018年出现最小值0.913,究其原因是该段锦州市降水量和过境水量呈增大趋势,而用水需求量逐渐下降,加之农田节水灌溉、中水回用等措施的推广实施,在很大程度上缓解了锦州市用水压力,故2015—2018年水资源压力指数不断减小。2019—2021年呈波动上升的变化趋势,只有2019—2020年略有下降,究其原因是年过境水量的减少或增加、降水变率大、生活和工业用水量增加等,这是导致2019—2021年水资源压力指数波动上升及不稳定变化的主要原因。特别是2021年在可用水资源不足和降水量减少的条件下,经济发展和工农业生产用水负荷较高,压力指数明显提升至5.096。2015—2021年锦州市水资源压力指数平均值2.53,明显高于临界值1,这表明锦州市水资源利用已达到不安全状态。

3.5 水资源可持续利用

水资源压力指数变化,见图5。由图5可知,2015—2021年锦州市水资源可持续发展指数呈先上升后下降的变化趋势,2015—2018年该指数逐渐上升,说明水资源利用呈好转态势;2018—2021年该指数逐渐减小,说明水资源利用逐渐恶化。除2018年外其它时段的水资源可持续发展指数均<0,2018年该指数为0.09,按照标准达到弱可持续程度,今后可较好发展且发展条件优越;2017年该指数为-0.25,按照标准达到弱不可持续程度,今后发展有限且发展条件一般;其它指端均<-1,说明水资源达到严重不可持续程度,今后无法发展也完全不具备发展条件,且2021年有最小值-4.10。总体而言,研究期间锦州市水资源处于严重不可持续利用等级,受植被、地形、气温、降水等因素影响水资源利用条件和发展形势严峻,本地水资源量无法满足经济发展实际用水需求,为缓解水资源短缺矛盾需要利用过境水。根据已有节水措施或工程,如何解决因降水量减少、水质型缺水等带来缺水问题,进一步减少水生态足迹成为能否实现可持续利用的关键。近几年,虽然锦州市水管部门已经建设了许多节水工程,但锦州市水资源可持续利用仍然受三类产业不断发展、地形条件影响、年降水变化率大以及季风气候等因素的限制,应制定更全面合理的节水制度和政策才能实现水资源可持续利用的目标[15]。

图5 水资源压力指数变化

4 结 论

1)2015—2021年锦州市人均和总的水生态足迹均表现出波动下降的变化趋势,这主要与节水城市建设、中水回用以及推行农业现代化等项目有关。对于各账户,农业用水生态足迹的贡献最高,所占比例处于79.6%～83.9%之间,在水生态足迹中占据主导地位;锦州市生态补给、生活和工业用水生态足迹占比平均值为1.2%、7.9%、9.2%,总体变化不明显且影响相对较低。

2)在核算年内锦州市水生态承载力最大、最小值出现在2018和2021年,这与降水量变化密切相关,年降水量与水生态承载力之间存在显著正相关性,气候变化对生态承载力影响显著。除2018年以外的其它时段均存在不同程度的水生态赤字现象,说明2015—2021年锦州市水资源压力依然较大。

3)2015—2021年锦州市水资源压力指数平均值2.53,明显高于临界值1,这表明锦州市水资源利用已达到不安全状态。2015—2021年锦州市水资源可持续发展指数呈先上升后下降的变化趋势,总体上处于严重不可持续利用等级,受植被、地形、气温、降水等因素影响水资源利用条件和发展形势严峻,为缓解水资源短缺矛盾需要利用过境水。