基于生態(tài)足跡模型的吉林省水資源可持續(xù)利用評價

朱光磊 趙春子* 朱衛(wèi)紅 佟守正

(1.延邊大學 地理與海洋科學學院，吉林 延吉 133002； 2.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130102)

水是人類賴以生存和發(fā)展的重要自然資源，合理開發(fā)和利用水資源是區(qū)域經(jīng)濟社會穩(wěn)定發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障[1]。已有研究從生態(tài)足跡角度分析得出水資源生態(tài)足跡時空變化是評價水資源可持續(xù)利用的重要內(nèi)容[2]。水資源生態(tài)足跡理論是Hoekstra等[3-4]在生態(tài)足跡理論的基礎(chǔ)上提出的，即：用生產(chǎn)性土地面積來度量一個地區(qū)人口或經(jīng)濟的水資源消費污水吸收水平的賬戶工具，可判斷水資源的生態(tài)生產(chǎn)面積是否處于該區(qū)域生態(tài)承載能力范圍。國內(nèi)外研究主要集中在水資源生態(tài)足跡[5-6]、生態(tài)承載力[7-8]、城市生態(tài)需水量[9-10]、水環(huán)境生態(tài)安全評估[11]、水利工程生態(tài)補償[12]、可持續(xù)利用情況[13-14]以及水資源和經(jīng)濟發(fā)展關(guān)系[15-16]等方面，基于生態(tài)足跡模型對我國以農(nóng)業(yè)為主的省份水資源時間趨勢變化和空間分布差異的研究尚少。吉林省作為東北老工業(yè)基地和農(nóng)業(yè)大省，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水量占區(qū)域總用水量的70%以上，但由于氣候變化與人為活動的影響，水資源緊缺問題已日益凸顯，水環(huán)境安全態(tài)勢不容樂觀[17]。因此，本研究基于生態(tài)足跡理論，擬以吉林省為研究區(qū)，從時間尺度對其2004—2018年水資源可持續(xù)動態(tài)變化進行研究，從空間尺度對各市(州)2017年水資源開發(fā)利用的分布狀況進行分析，以期總體評價吉林省水資源可持續(xù)利用情況，為緩解吉林省用水壓力與水資源生態(tài)保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省位于我國東北地區(qū)中部，松遼平原腹地，下轄8市1州，總面積為18.7 萬km2，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地[18]，也是水資源總量不足的省份之一[19]。該區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年平均氣溫為2～6 ℃，年平均降水量為400～600 mm，季節(jié)和區(qū)域差異明顯，80%集中在夏季，東部降雨最為豐沛。以中部大黑山為界，分為東部山地和中西部平原兩大地貌，地勢呈東南高、西北低的特征。省內(nèi)河流眾多，主要為五大水系，即東部圖們江水系，東北部綏芬河水系，東南部鴨綠江水系，西南部遼河水系，其他主要為松花江水系。

1.2 研究方法

1.2.1水資源生態(tài)足跡模型

水資源生態(tài)足跡用以表示區(qū)域的水資源代謝強度，反映區(qū)域水資源的消耗水平[20]。為了解吉林省水資源生態(tài)足跡的分布情況，本研究建立生產(chǎn)用水、生活用水和生態(tài)用水3 個二級賬戶。其中，生產(chǎn)用水分為農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水，模型如下：

EFw=γ×(W/Pw)

(1)

式中：EFw為水資源生態(tài)足跡，萬hm2；γ為水資源全球均衡因子；W為水資源用水量，m3；Pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2。參考已有研究[21]，確定γ為5.19，Pw為3 140 m3/hm2。

1.2.2水資源生態(tài)承載力模型

水資源生態(tài)承載力是指在區(qū)域的經(jīng)濟、環(huán)境以及社會發(fā)展階段，滿足生態(tài)需水的可用水量能夠維系有限發(fā)展目標的最大的水資源可持續(xù)利用能力[22]，模型如下：

ECw=0.4×γ×Φ×(Q/Pw)

(2)

式中：ECw為水資源生態(tài)承載力，萬hm2；Φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子[23]，計算公式如下：

Φ=P/Pw

(3)

P=V/S

(4)

式中：Φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子；Q為區(qū)域水資源總量，m3；P為計算時段內(nèi)的水資源生產(chǎn)能力，m3/hm2；V為計算時段內(nèi)區(qū)域的水資源總量，m3；S為區(qū)域的面積，hm2。根據(jù)研究數(shù)據(jù)計算得2004—2018年吉林省水資源產(chǎn)量因子見表1，2017年各市(州)水資源產(chǎn)量因子見表2。

表1 2004—2018年吉林省水資源產(chǎn)量因子Table 1 Water resources yield factors in Jilin Province from 2004 to 2018

表2 2017年吉林省各市(州)水資源產(chǎn)量因子Table 2 Water resources yield factors of cities (states) in Jilin Province in 2017

1.2.3水資源生態(tài)盈虧模型

水資源生態(tài)盈虧是客觀反映資源供需狀況的指標[24]，其公式為：

EDw=ECw-EFw

(5)

式中：EDw>0為水資源生態(tài)盈余，表明研究區(qū)域水資源充足，有利于區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展；EDw<0為水資源生態(tài)赤字，表明研究區(qū)域水資源匱乏；EDw=0表示水資源利用處于臨界狀態(tài)。

1.2.4水資源生態(tài)壓力模型

水資源生態(tài)壓力可評估區(qū)域水資源生態(tài)健康程度[25]，公式如下：

EP=EFw/ECw

(6)

式中：EP=1時，表示該區(qū)域水資源生態(tài)環(huán)境供給平衡；01時，區(qū)域水資源生態(tài)環(huán)境處于危險狀態(tài)，EP值越大，水資源生態(tài)環(huán)境惡化程度越高。

1.2.5萬元GDP水資源生態(tài)足跡模型

萬元GDP水資源生態(tài)足跡可反映研究區(qū)域內(nèi)水資源生態(tài)足跡與經(jīng)濟發(fā)展水平之間的關(guān)系[26]，模型為：

Gw=EFw/GDP

(7)

式中：Gw越大，表明區(qū)域內(nèi)用于經(jīng)濟發(fā)展所消耗的水資源量越多，利用效率越低，反之，利用效率越高。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究相關(guān)數(shù)據(jù)來源于2004—2018年《吉林省水資源公報》[27]和2005—2019年《吉林省統(tǒng)計年鑒》[28](表3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 時間變化趨勢

2.1.1水資源生態(tài)足跡

2004—2018年吉林省水資源生態(tài)足跡變化趨勢如圖1所示，總體呈先波動上升后逐漸下降趨勢，均值為1 955.05 萬hm2，變化范圍1 626.26～2 207.57 萬hm2。在水資源各賬戶中，農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水生態(tài)足跡多年均值分別為1 325.06、362.72、199.79和66.59 萬hm2，占吉林省水資源總生態(tài)足跡的67.78%、18.55%、10.22%、3.41%。這表明吉林省水資源生態(tài)足跡以農(nóng)業(yè)用水為主。農(nóng)業(yè)用水足跡呈波動上升趨勢，這與全省農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程的推廣和使用還不完善有一定關(guān)系；工業(yè)用水生態(tài)足跡在2015年前呈波動上升趨勢，自2016年起，其生態(tài)足跡逐年下降，說明近年來吉林省內(nèi)工業(yè)較發(fā)達城市開始注重水生態(tài)環(huán)境保護，使工業(yè)用水消耗量減少；生活用水生態(tài)足跡占水資源比重雖小，但上升趨勢顯著，說明隨著人口數(shù)量的增長和居民生活水平的提高，生活用水量也隨之增加；生態(tài)用水生態(tài)足跡總體呈波動上升趨勢，2011年最高，為130.08 萬hm2，自2012年起生態(tài)用水生態(tài)足跡波動下降。

2.1.2水資源生態(tài)承載力

由圖2可知，吉林省水資源生態(tài)承載力總體呈波動起伏變化，年際差異較大，2010年水資源生態(tài)承載力最高，為5 309.28 萬hm2，2009年最低，僅為1 000.17 萬hm2，年際之間相差5 倍以上。如圖3所示，吉林省水資源生態(tài)承載力和年平均降雨量的年度變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.83，反映出吉林省年平均降水量對水資源生態(tài)承載力的影響具有關(guān)鍵性作用。

2.1.3水資源生態(tài)盈虧

如圖4所示，2010年吉林省水資源生態(tài)盈余水平最高，為3 325.17 萬hm2，2014年水資源生態(tài)虧損最多，為1 143.46 萬hm2。在研究期的15年間，水資源生態(tài)虧損年份出現(xiàn)了9年，表明從近些年經(jīng)濟快速增長情況來看，水資源的消耗和利用導致了生態(tài)赤字問題，促進了人類資本的形成與加強，對于目前經(jīng)濟社會的發(fā)展起到了一定的推動作用；從長遠角度來看，水資源生態(tài)環(huán)境的惡化，將會使經(jīng)濟社會發(fā)展受到一定程度的制約，間接阻礙區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展，這需要各產(chǎn)業(yè)部門圍繞促進經(jīng)濟穩(wěn)增長，加大重點水利改革力度，強化并嚴格水資源管理。

圖1 吉林省水資源生態(tài)足跡變化趨勢Fig.1 Variation trend of water resources ecological footprint in Jilin Province

圖2 吉林省水資源生態(tài)承載力和年平均降水量變化趨勢Fig.2 Variation trend of water resources ecological carrying capacity and annual average precipitation in Jilin Province

2.1.4水資源生態(tài)壓力和萬元GDP水資源生態(tài)足跡

由圖5可見，2004—2018年吉林省水資源生態(tài)壓力指數(shù)年際變化較大，臨近和大于1的年份數(shù)多達12年，說明吉林省水生態(tài)環(huán)境處于危險狀態(tài)，區(qū)域水資源生態(tài)環(huán)境惡化嚴重。在各賬戶中，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)壓力指數(shù)遠高于工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水的水資源生態(tài)壓力指數(shù)，其壓力指數(shù)臨近和大于1的年份共有10年，農(nóng)業(yè)用水資源生態(tài)環(huán)境惡化明顯，因此，吉林省應(yīng)提高農(nóng)業(yè)用水的利用率，大力推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程，降低農(nóng)業(yè)用水的生態(tài)壓力。而工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水各賬戶的生態(tài)壓力指數(shù)均處于0～1，處于水資源可持續(xù)利用態(tài)，應(yīng)繼續(xù)保持各賬戶水資源的生態(tài)環(huán)境的良好狀態(tài)。

如圖6所示，2004年吉林省萬元GDP水資源生態(tài)足跡最高，之后呈現(xiàn)逐年下降趨勢，年平均降幅為10.42%，表明吉林省經(jīng)濟發(fā)展用水效率逐年提高，水資源的消耗和浪費逐漸減少。

圖3 吉林省水資源承載力與年平均降水量之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between water resources carrying capacity and annual average precipitation in Jilin Province

圖4 吉林省水資源生態(tài)盈虧變化趨勢Fig.4 Variation trend of water resources ecological surplus and deficit in Jilin Province

2.2 空間差異

2.2.1水資源生態(tài)足跡

如圖7所示，2017年吉林省9個市(州)水資源生態(tài)足跡和人均水資源生態(tài)足跡空間分布具有明顯差異。長春市水資源生態(tài)足跡最高，為403.13 萬hm2，遼源市和白山市水資源生態(tài)足跡最低，分別為63.30和53.39 萬hm2；人均水資源生態(tài)足跡水平白城市最高，為2.00 hm2/人，其次為通化市和松原市，分別為1.03和1.02 hm2/人，其余6個市(州)人均水資源生態(tài)足跡均為低值區(qū)，不足1.00 hm2/人，白山市最低，為0.45 hm2/人(圖7)。水資源生態(tài)足跡較高的區(qū)域集中在農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水為主的白城市、通化市、松原市、長春市和吉林市，而白城市2017年人口數(shù)量較低，人均水資源生態(tài)足跡水平最高。

圖5 吉林省水資源生態(tài)壓力指數(shù)變化趨勢Fig.5 Variation trend of water resources ecological stress index in Jilin Province

圖6 吉林省萬元GDP水資源生態(tài)足跡Fig.6 Water resources ecological footprint per ten thousand yuan GDP in Jilin Province

2.2.2水資源生態(tài)承載力

如圖8所示，2017年吉林省各市(州)水資源生態(tài)承載力空間分布相差懸殊，高值區(qū)依次為延邊州、吉林市和白山市，分別為744.20、663.69和477.25 萬hm2，其他地區(qū)水資源生態(tài)承載力均低于150 萬hm2，遼源市水資源生態(tài)承載力最低，為11.25 萬hm2。由于吉林省東部屬山地地貌，區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達，臨近日本海，降水量和水資源總量較大且蒸發(fā)量小，水資源生態(tài)承載力自東部延邊州向西北和西南地區(qū)遞減。受人口數(shù)量的影響，吉林省各市(州)人均水資源生態(tài)承載力水平最高的地區(qū)為白山市和延邊州，分別為3.99和3.54 hm2/人，其次是吉林市，為1.60 hm2/人，其他地區(qū)人均水資源生態(tài)承載力均不足0.40 hm2/人，遼源市最低，僅為0.10 hm2/人。可見，吉林省各市(州)水資源生態(tài)承載力和人均水資源生態(tài)承載力空間分布具有一致性。

圖7 水資源生態(tài)足跡與人均生態(tài)足跡空間分布Fig.7 Spatial distribution of water resources ecological footprint and per capita ecological footprint

圖8 水資源生態(tài)承載力與人均生態(tài)承載力空間分布Fig.8 Spatial distribution of water resources ecological carrying capacity and per capita ecological carrying capacity

2.2.3水資源生態(tài)盈虧

由圖9可知，吉林省各市(州)水資源生態(tài)盈虧自延邊州向白城市和通化市遞減，空間差異分布顯著。延邊州境內(nèi)因松花江、圖們江、牡丹江、綏芬河等水系眾多，水資源總量豐富，降水豐沛，故水資源生態(tài)盈余水平最高，為591.81 萬hm2。白山市境內(nèi)北部為松花江水系，南部為鴨綠江水系，水資源生態(tài)盈余為423.87 萬hm2。吉林市境內(nèi)分布第二松花江水系，湖泊分布廣泛，濕地和水庫眾多，水資源生態(tài)盈余為292.96 萬hm2。其他6個市均為水資源生態(tài)赤字狀態(tài)，其中，白城市水資源生態(tài)赤字狀況嚴重，高達361.50 萬hm2，這與該地區(qū)降水量較少，境內(nèi)水系欠發(fā)達，多季節(jié)性河流，且區(qū)域供水以地下水為主[29]有較大關(guān)系。吉林省各市(州)人均水資源生態(tài)盈虧與水資源生態(tài)盈虧分布基本一致，白山市和延邊州人均水資源生態(tài)盈余水平最高，分別為3.55和2.82 hm2/人，白城市人均水資源生態(tài)虧損最高，為1.89 hm2/人。

圖9 水資源生態(tài)盈虧與人均生態(tài)盈虧空間分布Fig.9 Spatial distribution of water resources ecological surplus and deficit and per capita ecological surplus and deficit

2.2.4水資源生態(tài)壓力指數(shù)與GDP水資源生態(tài)足跡

由表4可見：白山市、延邊州和吉林市水資源生態(tài)壓力指數(shù)分別為0.11、0.20、0.56，水資源生態(tài)環(huán)境最佳；其他各市受地理位置、降水量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和區(qū)域蓄水能力等因素影響，水資源生態(tài)壓力指數(shù)均大于1，表明吉林省中西部區(qū)域水資源生態(tài)環(huán)境危險程度較高，急需采取有效的水資源調(diào)控和環(huán)境保護措施，合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，緩解城市生態(tài)用水壓力。其中，水資源生態(tài)壓力指數(shù)最高的白城市，農(nóng)業(yè)用水量大，區(qū)域內(nèi)降水少,蒸發(fā)大，是吉林省嚴重缺水的地區(qū)，水資源匱乏是制約白城市社會經(jīng)濟發(fā)展的主要因素[30]。

各市(州)中，長春市、遼源市和白山市的萬元GDP水資源生態(tài)足跡較低。其中，長春市屬于吉林省經(jīng)濟較為發(fā)達地區(qū)，水資源利用效率高；遼源市和白山市的GDP和用水總量相對于省內(nèi)其他城市均較小，水資源利用效率水平較高；吉林市因工業(yè)經(jīng)濟規(guī)模較大，工業(yè)產(chǎn)值經(jīng)濟占比較大，以耗水型工業(yè)為主，水資源利用效率比較低；延邊州雖然水資源豐富，自2015年高速鐵路開通以來，旅游業(yè)發(fā)展勢頭良好，但支柱產(chǎn)業(yè)仍以工業(yè)和農(nóng)業(yè)為主，用水量大，導致水資源利用效率也較低。四平市、通化市、白城市和松原市是省內(nèi)農(nóng)業(yè)高度發(fā)達的地區(qū)，農(nóng)業(yè)用水占區(qū)域總用水量的70%以上，特別是白城市地下水供水比例高達95%以上，農(nóng)業(yè)水資源大量流失，水資源利用效率普遍很低。因此應(yīng)加大產(chǎn)業(yè)調(diào)整力度，嚴格控制耗水量大的企業(yè)發(fā)展，加強農(nóng)業(yè)灌區(qū)的管理，發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，提高各地的用水效率。

表4 吉林省各市(州)水資源生態(tài)壓力指數(shù)與GDP水資源生態(tài)足跡Table 4 Water resources ecological stress index and Water resources ecological footprint per ten thousand yuan GDP in each cities (states) of Jilin Province

3 結(jié)論與建議

1)2004—2018年，吉林省水資源生態(tài)足跡呈波動上升后逐漸下降趨勢，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占水資源總生態(tài)足跡的67.78%，是最主要的用水形式；受年降水量的影響，水資源生態(tài)承載力和生態(tài)盈虧呈現(xiàn)波動變化；農(nóng)業(yè)用水生態(tài)環(huán)境已處于危險狀態(tài)，工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水各賬戶水資源的生態(tài)環(huán)境良好，均處于水資源可持續(xù)利用狀態(tài)。總體來看，吉林省用水程度超出了水資源承載力，導致水資源出現(xiàn)生態(tài)赤字狀態(tài)，表明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)仍需加大力度，減小各產(chǎn)業(yè)的用水成本。

2)2017年，吉林省水資源生態(tài)足跡較高的區(qū)域集中在農(nóng)業(yè)和工業(yè)為主的白城市、松原市、通化市、長春市和吉林市；東部區(qū)域降水量大，水資源豐富，水資源生態(tài)承載力白山市和延邊州最高，并向西北和西南地區(qū)遞減；在各市(州)中，白城市水資源生態(tài)虧損嚴重且水生態(tài)安全狀況較差；長春市、遼源市和白山市的水資源利用效率較高，其他城市的用水效率均較低；全省只有白山市和延邊州的水資源儲備充足，開發(fā)潛力較大。

3)本研究采用的生態(tài)足跡模型能夠較好地表明吉林省水資源開發(fā)利用狀況，但也存在一些不足，由于資料有限，未考慮各產(chǎn)業(yè)污水處理用水量對水資源生態(tài)足跡的影響，因此有待于進一步研究。

4)綜上所述，吉林省水環(huán)境安全整體態(tài)勢良好，但農(nóng)業(yè)用水生態(tài)環(huán)境已處于危險狀態(tài)，生態(tài)用水量不足，區(qū)域間水資源總量和水環(huán)境安全狀況差異較大，全省大部分城市存在水資源短缺的現(xiàn)象。應(yīng)在“優(yōu)先開發(fā)地表水，嚴格控制地下水”的原則下，增加節(jié)水灌溉示范區(qū)，改傳統(tǒng)漫灌為更加節(jié)水的滴灌和噴灌，推進引嫩入白、大安灌區(qū)、大型灌溉排水泵站更新改造等水利工程建設(shè)，從而節(jié)約農(nóng)業(yè)用水量，避免不必要的浪費，提高農(nóng)業(yè)用水效率，減輕對吉林省糧食安全的影響；工業(yè)生產(chǎn)方面，在當前發(fā)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域自身發(fā)展的實際情況，加大科技投入，提升傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)設(shè)備水平和科技含量，控制耗水量大的企業(yè)發(fā)展，減弱工業(yè)發(fā)展對水環(huán)境的壓力；對于生態(tài)用水量不足方面，除了適當增加地表水用量外，還應(yīng)加強污水處理工程建設(shè)，推進污水截流、收集、納管，將處理后污水資源用于城鄉(xiāng)景觀綠化，從而緩解吉林省用水壓力，改善水環(huán)境安全狀況，以期實現(xiàn)吉林省水資源的可持續(xù)發(fā)展和利用。