遼寧省水資源生態壓力空間格局研究

劉學軍

(錦州市義縣水利局，遼寧 錦州 121100)

水資源是人類賴以生存和發展的自然資源，是支撐社會經濟可持續發展的重要性戰略資源。受人類活動和社會發展影響，水資源系統和演化發展規律已發生明顯的改變，水資源供需關系持續緊張等問題已成為制約我國社會經濟發展的主要因素之一[1]。據此，開展水資源生態壓力與社會經濟發展之間的相互作用關系研究，對制定區域水資源可持續利用發展關鍵性技術措施方案具有重要意義[2]。國內外學者針對水資源生態壓力開展了大量的研究和探索，并取得了一定的研究成果[3]。遼寧省為我國東北部地區，水資源空間分布差異性較大，且人均水資源占有量較低，水資源供需矛盾已成為制約該區域生態文明建設和社會經濟可持續發展的主要因素之一[4]。眾多學者通過各種方法和途徑對遼寧省的水資源可持續利用現狀展開深入研究，然而僅立足于時間序列視角，而對各地級市的可持續利用狀態研究相對較少，未能準確識別出各區域之間的水資源可持續利用的空間差異性。綜上所述，本文以2016年的考察樣本為依據，基于生態足跡壓力測度模型就遼寧省各地級市的社會經濟對水資源生態壓力展開模擬計算，并利用自然斷點法借助ArcGIS分析軟件對水資源生態壓力空間格局進行探討，采用空間自相關分析模型考察了各區域的水資源空間關聯模式，以期為遼寧省制定差別化水資源可持續利用相關制度和方案提供一定的數據支撐和決策依據[5]。

1 研究區域概況

遼寧省位于我國東北部地區，地理位置介于東經118°53′～125°46′、北緯38°43′～43°26′之間，占地面積為14.8萬km2。地形地貌結構復雜，主要是以山地、丘陵地、平原區為主；屬于溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候，冬季干冷漫長，夏季多雨炎熱，全年降雨量為600～1100mm之間，降雨量和徑流量分布不均勻，東部山地丘陵區降雨量較為充足。遼寧省工業發展較為充分、畜牧業和農林業發展迅速，不僅是我國的糧食基地而且是重工業發展中心[6]，2016年常住人口為4377.8萬人，GDP總產值22037.88億元。水資源總量為826.5億m3，總用水量約為316.2m3，其中第一、二、三產業的用水量分別為168.4億、107.2億和40.6億m3。

2 研究方法及數據來源

2.1 水資源生態壓力測度模型

生態足跡法的衍生發展是進行水資源生態足跡分析的前提條件，它是以水資源用地面積表征人類所消耗水資源量[7]，具有直觀、清晰和簡潔等特征，在人類社會經濟活動對水資源所產生的壓力研究方面應用較為廣泛，理論發展相對成熟，模型具體表達式為：

WEF=γw(Wa+Wi+Wc+Wl+We)/Pw

(1)

式中，WEF—水資源生態足跡，hm2；γw—全球水資源均衡因子，本文取0.82；Wa、Wi、Wc、Wl、We—分別為農業、工業生產用水、城鎮公共用水、生活、生態環境用水，m3；Pw—全球水資源平均生產能力，本研究中的參數值取3180m3/hm2。

為了保證區域內社會生產、生活以及生態可持續發展能力，往往采用水資源承載力指標進行表征，其計算公式如下：

WEC=0.4γwφwW/Pw

(2)

式中，WEC—水資源生態承載力，m3；φw—水資源產量影響因子即研究區域水資源生產能力占世界平均水資源生產能力的比值；W—水資源總量，m3；0.4—在水資源總量中除去60%用于維持生態環境的剩余水量比重；其他變量含義同前。

水資源可持續發展狀況受社會經濟發展影響顯著，往往采用水資源生態壓力指數進行表征，其值的大小代表人類各種活動對水資源的威脅和作用程度，值越大則越不利于水資源的可持續利用[8]。基于能源消費的生態壓力測度計算方法，水資源生態壓力可采用下式進行計算：

(3)

式中，WEP1—水資源生態壓力，WEP1值大于1時表示人類各種生產生活活動已對水資源產生威脅和脅迫，并超出生態承載力的極限值，水資源的開采利用處于不利狀況；WEP1值小于1時則表示人類各種生產生活活動對水資源的影響作用較小，在生態承載力的可控范圍之內，水資源開采利用為良性狀態。

2.2 空間自相關性分析

空間自相關性分析法在水資源生態壓力研究領域得到廣泛的應用和發展，主要包括全局空間自相關和局部空間自相關2種主要度量指標[9]。對整個研究范圍之內的某種地理現象或屬性值在空間上的聚集特征和程度進行表征，通常采用全局空間自相關模型進行研究，并用Moran指數I進行表征，其計算公式為：

(4)

(5)

I值的大小表征研究區域內某地理現象或特征屬性的異質空間聚集程度，取值范圍為-1～1。當值為正時表示所具有的正向同質空間聚集效應，越趨近于1則空間關聯性越強；當值為負時則表示存在較為明顯的差異性，越趨近于-1則空間差異性越明顯；當值為0時則表示研究范圍內不存在空間相關性[10]。

對研究區域內某相鄰單元屬性特征的相關性程度進行分析，通常采用局部空間自相關指標Ii進行表征，計算公式為：

(6)

式中，Ii—局部空間異質性參數。當值為正時表示單元i與相鄰單元具有同質性特征，值越大則同質性越明顯；當值為負時標志單元i與相鄰單元具有異質性特征，值越小則異質性越明顯，所有Ii值之和即為I。其他變量含義同前。

Moran聚散點圖是表征局部單元空間聚集特征的主要方法，圖形中的第一、第二、第三、第四象限分別為高高、低高、低低和高低空間關聯模式，并表示為相鄰單元均為高值聚集區、低值聚集區、均為低值聚集區、高值聚集區。結合Moran集散圖，利用空間分析軟件ArcGIS可獲得顯著性水平圖LISA。

2.3 數據來源

本研究通過查閱相關文獻和資料，收集了遼寧省各地級市研究樣本的各類水資源用水量數據，統計結果見表1。

3 結果與分析

3.1 水資源生態壓力

本文通過構建水資源生態足跡測度模型公式(1)，將遼寧省各地級市水資源數據輸入模型并運算可得14個地級市的水資源生態足跡；結合遼寧省總的水資源量、土地面積以及世界平均水資源生產力等相關參數，可得遼寧省2016年的水資源產量因子為1.628；利用文中所述計算公式(2)和(3)可得各地級市在2016年的水資源承載力和生態壓力指數，計算結果見表2。

表1 遼寧省各地級市2016年各利用類型的水資源數量 億m3

表2 遼寧省2016年各地級市的水資源生態壓力計算結果

由表2計算結果可知，遼寧省各地級市的水資源生態壓力指數均大于1，取值范圍在1.12～3.65，均值為1.79，表示該區域社會活動發展已對水資源產生了嚴重的影響，并對水資源可持續發展構成嚴重的威脅。利用上表中的數據進行ArcGIS計算，可將遼寧省生態壓力劃分為4類：Ⅰ類(1.0～1.35)壓力小，主要有大連市、營口市、鐵嶺市和葫蘆島市；Ⅱ類(1.35～1.76)壓力較小，包含沈陽市、鞍山市、撫順市、本溪市、、丹東市、阜新市；Ⅲ類(1.76～2.20)壓力較大，包括遼陽市、盤錦市；Ⅳ類(2.20～3.65)壓力大，包括錦州市、朝陽市。遼寧省各地級市的水資源生態壓力空間格局表現出明顯的不均衡性，其原因和生態環境、水資源利用現狀、人口數量、產業結構等相關。

3.2 水資源生態壓力的空間自相關分析

利用ArcGIS分析軟件將遼寧省地域圖矢量化，并采用文中所述計算公式(4)對遼寧省的全局自相關Moran指數進行計算，其值為-0.1028，P值在0.01的置信水平上為0.4185。遼寧省水資源生態壓力的空間格局未通過顯著性檢驗，并沒有形成較為明顯的空間極化特征屬性。

3.3 水資源生態壓力局部自相關分析

采用遼寧省14個地級市的水資源生態壓力的矢量化數據，并利用公式(5)進行區域局部空間自相關性計算，可到局部空間自相關LISA計算結果，并可繪制遼寧省某相鄰2城市的Moran指數散點圖，如圖1所示。

圖1 遼寧省2016年水資源生態壓力Moran指數散點圖

由圖1可知，位于高高空間關聯模式即第Ⅰ的城市有錦州市、朝陽市、撫順市，P值在0.05置信水平上的值均大于0.10，顯著性表現不明顯，且表明該城市的水資源生態壓力較高，與相鄰的具有較高生態壓力的聚集特性表現不突出。位于低高關聯模式即Ⅱ現象的城市居多，除了鞍山市以外的城市均表現出明顯的局部關聯特性，鞍山市的LISA指數為-2.874，P值為0.015，該城市生態壓力較低，且與其相鄰城市的生態壓力較大，但表現為低值異質聚集區。其原因可能與阜新市具有的水利工程建設、塘壩、水庫、節水型工業發展等有關[11]；位于低低空間關聯模式的城市僅有大連市，在0.05置信水平上的顯著性指數為0.8825，P值為0.05，說明該城市水資源生態壓力值較低，并且與其相鄰的生態壓力也低，該城市屬于明顯的低值聚集區。其原因可能與該城市的天氣環境和地理位置相關，降雨量較為充足且屬于低山丘陵區，林地覆蓋率較高，工農業經濟發展結構合理。位于第四象限高低空間關聯模式的主要有遼陽市、盤錦市、營口市和丹東市，在0.05置信水平上均未表現出明顯的相關性，屬于高值異質聚集特征。

4 結論

本文利用生態足跡壓力測度模型對遼寧省的14個地級市水資源生態足跡、生態承載力和壓力指數進行計算，并對水資源生態壓力的空間自相關性和局部自相關性進行計算，得出該區域社會活動發展已對水資源產生了嚴重的影響，并對水資源可持續發展構成了嚴重的威脅。為此，遼寧省應當采取多極化的水資源保護措施，實現水資源的可持續利用與經濟社會的協調發展。本次研究突破了原有的多聚焦時間維度的研究局限性，拓展了空間格局研究；但是缺乏從時間維度去考察該差異變化的趨勢。今后應當加大研究力度，從時空維度考察經濟社會發展對水資源影響以及經濟社會發展如何影響水資源的可持續利用。