SD-EF模型在渾太河流域水生態(tài)足跡測度應(yīng)用及驅(qū)動因素分析

趙小龍

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

當(dāng)前，水資源供需矛盾及水環(huán)境惡化問題日益顯現(xiàn)，逐步成為影響社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。對于區(qū)域水資源供需平衡的分析已成為社會關(guān)注的熱點問題[2]。William Rees和Wackernagel在20世紀(jì)90年代提出水生態(tài)足跡的相關(guān)概念，對于區(qū)域水資源可持續(xù)利用的狀況進行動態(tài)評估[3- 4]。國內(nèi)學(xué)者圍繞水生態(tài)足跡的問題也展開了許多研究。張義在評估水生態(tài)足跡模型局限的基礎(chǔ)上，將水污染足跡引入到模型計算中[5]。李娜基于水生態(tài)需水的理論，對城市水生態(tài)足跡進行分析[6]。劉曉曦[7]結(jié)合深度和廣度兩個概念對國內(nèi)31個城市的水生態(tài)足跡進行計算。趙海光[8]結(jié)合水匱乏指數(shù)對北京市水生態(tài)足跡進行測度。在水生態(tài)足跡測算的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者也逐步開展對水生態(tài)足跡的預(yù)測，李世穎[9]結(jié)合GRNN模型對貴陽市的水生態(tài)足跡進行了預(yù)測。陳正雷[10]采用ARIMA模型對廣州市水生態(tài)足跡進行了預(yù)測。從當(dāng)前對水生態(tài)足跡的研究成果看出，主要采用水資源評估指數(shù)以及模型對城市水生態(tài)現(xiàn)狀進行測度，并對生態(tài)足跡進行預(yù)測，而對于流域水生態(tài)足跡的研究還較少。渾太河流域?qū)儆谶|寧省第二大流域，兩條大型河流分別為渾河和太子河，流域橫跨遼寧省經(jīng)濟較發(fā)達的市、縣，近些年來，隨著區(qū)域社會經(jīng)濟快速發(fā)展，水少水臟問題成為制約渾太河流域發(fā)展的重要因素[11]。為此本文結(jié)合當(dāng)前在區(qū)域水生態(tài)足跡分析應(yīng)用較為成熟的SD-EF模型[12- 15]，對渾太河流域水生態(tài)足跡進行分析，對其水資源可持續(xù)利用度進行評估，并為流域水資源配置和社會發(fā)展規(guī)劃提供參考。

1 模型原理

SD-EF模型首先對流域的生態(tài)承載能力進行分析，分析方程為：

(1)

式中，ECr—年平均水生態(tài)承載能力，hm2；e—生態(tài)要素能量更替循環(huán)值，sej；P—能量密度的實際值，其計算方程為：

(2)

區(qū)域水生態(tài)承載能力初始值EC0的計算方程為：

(3)

式中，i—生態(tài)資源要素類別；Ci—各類生態(tài)要素計算的承載能力值；yi—生態(tài)資源人均值，hm2；Ti—不同生態(tài)要素轉(zhuǎn)換系數(shù)。

基于流域水生態(tài)承載能力計算結(jié)果，估算流域水生態(tài)足跡，對影響流域水環(huán)境質(zhì)量的生活及工業(yè)廢水排放量進行計算：

(4)

式中，EF—生態(tài)足跡年平均計算值，hm2；i—污染源的類別；ai—不同類別污染源影響下的生態(tài)足跡平均計算值，hm2；Ci—不同污染源類別影響下的人均污染負荷值。

結(jié)合渾太河流域社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)和水環(huán)境分析數(shù)據(jù)，利用SD-EF模型對渾太河流域的生態(tài)足跡進行測算，并對其驅(qū)動因素進行分析。

2 模型應(yīng)用

2.1 渾太河流域概況

渾太河流域位于遼寧中部和東部區(qū)域，集水面積2.74萬km2，由渾河、太子河以及大遼河三大水系組成，流經(jīng)沈陽、遼陽、鐵嶺、本溪、盤錦、鞍山以及營口6市。渾太河流域?qū)儆谶|寧省人口分布及社會經(jīng)濟中心，且流經(jīng)的城市大都屬于東北重工業(yè)區(qū)域，隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，工業(yè)和生活污染日益增多，對流域的水生態(tài)環(huán)境造成不同程度的影響。

2.2 模型參數(shù)初始值設(shè)置

結(jié)合渾太河流域水資源公報、各市社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒、基于區(qū)域規(guī)劃數(shù)據(jù)對SD-EF模型參數(shù)進行了設(shè)置，模型參數(shù)設(shè)置結(jié)果見表1。

表1 渾太河流域水生態(tài)足跡測度分析模型參數(shù)設(shè)置結(jié)果

2.3 模型回歸方程構(gòu)建

SD-EF模型主要結(jié)合統(tǒng)計回歸的原理，建立區(qū)域水生態(tài)足跡影響因素的回歸方程對生態(tài)足跡進行測度分析和預(yù)測，本文結(jié)合F檢驗和SPSS統(tǒng)計檢驗的方法對不同回歸方程進行檢驗分析，建立最適合于區(qū)域水生態(tài)足跡測度和預(yù)測分析的最優(yōu)回歸方程。各方程統(tǒng)計檢驗結(jié)果見表2。

表2 SD-EF模型不同方程的統(tǒng)計檢驗結(jié)果

相關(guān)系數(shù)R2最高，且F檢驗值和SPSS統(tǒng)計檢驗值最小，可認(rèn)為回歸方程滿足檢驗要求，從不同回歸方程可看出，二次冪函數(shù)的相關(guān)系數(shù)最高，且F檢驗值和SPSS統(tǒng)計檢驗值最小，可用來建立SD-EF模型的回歸方程，結(jié)合模型的18個參數(shù)變量，及渾太河流域的水資源公報和社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立模型的回歸樣本數(shù)據(jù)系列，回歸方程的目標(biāo)函數(shù)為生態(tài)足跡和生態(tài)承載力測度值，回歸變量為渾太河流域各類要素。建立目標(biāo)函數(shù)與各要素變量的二次冪函數(shù)進行生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的測度分析計算。

2.4 模型的檢驗結(jié)果

在模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，采用F檢驗和T檢驗對模型不同檢驗水平下的生態(tài)足跡進行均方差的分析，從而分析模型的計算精度是否滿足要求。

表3 SD-EF模型在渾太河流域水生態(tài)足跡的均值檢驗結(jié)果

從各檢驗水平下的檢驗均方程可看出，隨著F檢驗和T檢驗水平的提高，模型測算的人均生態(tài)足跡均值呈現(xiàn)遞減變化，這表明構(gòu)建的模型符合區(qū)域生態(tài)足跡均值的變化規(guī)律；從檢驗值可看出，兩種檢驗方式下構(gòu)建的SD-EF模型的檢驗值均滿足模型的檢驗要求；從各檢驗水平下的均方差分可看出，隨著檢驗水平的增加，均方差分越低，模型檢驗精度越高，T檢驗方式下不同檢驗水平的均方差無明顯規(guī)律，而F檢驗方式下不同檢驗水平下的均方差分隨著檢驗水平的增加而遞減。

2.5 渾太河流域生態(tài)足跡動態(tài)預(yù)測結(jié)果

在模型檢驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)建好的SD-EF模型對渾太河流域現(xiàn)狀年(2010—2017年)及規(guī)劃年的水生態(tài)足跡進行動態(tài)測度分析，結(jié)果見表4—5。

從現(xiàn)狀年(2010—2017年)渾太河流域生態(tài)足跡均值分析結(jié)果可看出，水消耗和水污染在生態(tài)足跡測度總值中占比超過50%，本地產(chǎn)出的水消耗和水污染比自然流域產(chǎn)生的水消耗和水污染的比重較大。從各年份水生態(tài)足跡的變化結(jié)果可看出，區(qū)域水生態(tài)足跡均值呈現(xiàn)逐年遞減變化，年均值遞減幅度為0.1245hm2，城鎮(zhèn)用地生態(tài)足跡變化幅度最大，其他用地方式的變化對生態(tài)足跡影響程度較小。結(jié)合渾太河流域規(guī)劃數(shù)據(jù)，基于SD-EF模型對規(guī)劃條件下的流域水生態(tài)足跡進行動態(tài)預(yù)測，預(yù)測結(jié)果表明，流域生態(tài)足跡遞減幅度明顯減小，主要原因是隨著流域生態(tài)治理措施力度的加大，水消耗和水污染影響比重減少，使得區(qū)域水生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展程度提升。而隨著水生態(tài)足跡的變化，區(qū)域水生態(tài)承載能力將得到提升。

2.6 生態(tài)足跡驅(qū)動因素分析

對渾太河流域生態(tài)足跡影響的驅(qū)動因素進行敏感度分析，分析結(jié)果見表6。

從分析結(jié)果可看出，敏感度在0～0.05之間的水生態(tài)足跡影響因素為3個，敏感度在0.05～0.10的水生態(tài)足跡影響因素為7個，各水生態(tài)足跡影響因素的敏感度均低于0.10，各影響因素均可通過敏感度檢驗，表明各因素對水生態(tài)足跡都有不同程度的影響，從各因素敏感度分析結(jié)果可看出，生活用水額度對水生態(tài)足跡的敏感度影響較高，其中生活用水主要包括城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民用水。其次為灌溉額度，渾太河流域為遼寧省地區(qū)的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，因此其農(nóng)業(yè)灌溉水量較大，對水生態(tài)足跡影響程度也較高。相比于灌溉用水定額，灌溉效率相對影響度較小，因此敏感度最低。

表4 基于SD-EF模型的渾太河流域現(xiàn)狀年水生態(tài)足跡測度分析結(jié)果

表5 渾太河流域規(guī)劃年水生態(tài)足跡動態(tài)預(yù)測結(jié)果

表6 渾太河流域生態(tài)足跡驅(qū)動影響因素分析結(jié)果

3 結(jié)語

(1)隨著渾太河流域生態(tài)治理措施力度的加大，水消耗和水污染影響比重減少，使得區(qū)域水生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展程度提升。而隨著水生態(tài)足跡的變化，區(qū)域水生態(tài)承載能力將得到提升。

(2)生活用水額度對渾太河流域水生態(tài)足跡的敏感度影響較高，其次為灌溉額度，流域為遼寧省主要農(nóng)業(yè)種植區(qū)，因此其農(nóng)業(yè)灌溉水量較大，對水生態(tài)足跡影響程度也較高。相比于灌溉用水定額，灌溉效率相對影響度較小，因此敏感度最低。