遼河流域水資源生態足跡及生態承載力時空分析研究

趙 博

（遼寧江河水利水電新技術設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003）

生態足跡理論誕生于1992 年，由加拿大學者William E.Rees提出，并由其學生對計算方法進行完善。該理論最初通過生態空間占用大小分析人類生活消耗與自然資源供給之間的平衡關系，對比相應的生態承載力，衡量區域發展與自然資源供給之間的矛盾關系［1-2］。生態足跡是衡量資源可持續利用的一種綜合核算工具，主要用于某一區域可持續發展的定量測度和評價［1］。水資源生態足跡計算的是平均面積上的水資源需求量，便于進行區域間的比較，用水量較小的地區水資源生態足跡一般較小，會出現生態盈余，反之則相反。但是，以往的研究在水資源不同的消費方式、參數估計和生物生產面積計算等方面的問題均沒有得到很好地解決，還有待進一步研究［2］。王耕等［3］對遼河全境，包括河北、遼寧、內蒙古、吉林4 省區的整體的水資源生態足跡進行了計算，未對遼寧省境內不同地區的水資源生態足跡進行分析計算。通過文獻檢索，相關研究的基礎數據較陳舊，且未對遼寧省境內的遼河流域各區域進行系統分析，因此本文基于2012—2017年最新的水資源及社會經濟數據，基于水資源生態足跡模型，對各區域生態承載力進行分析，通過分析，為遼河流域高質量發展的水資源配置提供基礎的數據支撐。

1 研究區概況

遼河是遼寧省的母親河，是全國七大流域之一，屬溫帶大陸性氣候，四季分明。流域總面積37927km2，流域多年平均水資源總量為59.83 億m3，遼河水系比較復雜，僅干流就有38 條一級支流。年降水由東南至西北逐漸減少，東部山區和南部沿海等年降水量約為900mm，遼西、遼北地區年降水量約為300mm。從整個遼河流域來看，降水量各年份間存在差異，部分年份變化較大，豐水年與枯水年降水量比值約為1.1～3.5。遼河流域降水集中在主汛期，主汛期的降水量占全年七成及以上，冰封期及平水期降水量較小。流域年蒸發量與降水量變化趨勢正好相反，蒸發量自東南山區向西北干旱區遞增，加劇了遼河流域水資源的不均衡分布。

遼河在遼寧省內流經鐵嶺、沈陽、鞍山、盤錦、撫順、阜新和錦州7 市，2017 年7 市的國民生產總值總和為11516 億元，占全省國民生產總值的49.2%，其中沈陽市國民生產總值最多（見表1）。遼河流經的區域多為縣、鄉鎮等農村段，城鄉結合部，市區較少。遼河流域水資源量年際間變化較大，見表2。由表2 可知，2014 年、2015 年、2017 年的水資源量較少，比多年平均值偏少40%左右，為干旱年份；2012 年、2013 年為偏豐水年。

表1 遼河流域行政區情況統計

表2 遼河流域水資源量年際變化

2017 年遼河流域用水情況見表3。由表3 可知，農田灌溉及林牧漁畜農業用水量占總用水量的82%，占比大；工業用水只占總用水量的5%；居民生活及城鎮公共用水量約占總用水量的9%；生態用水量占總用水量的4%。可見，遼河流域以農村及城鄉結合部為主，農業是流域內的主要產業，邊際用水效益偏低。

表3 遼河流域2017 年用水量 單位：億m3

2 研究方法

2.1 水資源生態足跡模型［4-5］

水資源生態足跡的計算模型可分別計算生產、生活及生態3 類水資源生態足跡：

式中：EFW為水資源生態足跡，hm2；N為人口數；efW為人均水資源生態足跡，hm2/人；γW為水資源的全球均衡因子；W為人均消耗的水資源量，m3/人；PW為全球平均單位面積水生態足跡可供水資源量，m3/hm2。

2.2 水資源生態承載力模型

式中：ECW為水資源生態承載能力，hm2；eCW為人均水資源承載能力，hm2/人；α為水資源開發利用系數，取0.4；φ為區域水資源的產量因子；Q為水資源總量，m3。

2.3 水資源生態盈余和水資源生態赤字

將區域內水資源消耗產生的生態足跡和生態承載力相比較，就會得出水資源生態赤字和水資源生態盈余，此指標可用來判斷研究區域內水資源的可持續利用情況［6］。

水資源生態盈余（赤字）=ECW-EFW

當ECW＞EFW時，為水資源生態盈余；當ECW=EFW時，為水資源生態平衡；當ECW＜EFW時，為水資源生態赤字。

2.4 模型參數

水資源全球多年平均產水模數為3140m3/hm2［7］。國內采用WWF2000 年核算的水資源全球均衡因子，為5.190。遼寧省遼河流域多年平均水資源量為59.83 億m3，流域面積為37927km2，二者的比值為遼寧省遼河流域多年平均產水模數，為1577m3/hm2，僅為全球多年平均產水模數的一半。區域水資源的產量因子為該區域水資源平均生產能力與世界水資源平均生產能力的比值，即遼河流域多年平均產水模數與全球多年平均產水模數的比值為遼寧省的產量因子，經計算為0.502。

2.5 資料來源與流域數據處理

本研究需要通過水資源量、人口數量計算人均生產、生活、生態水資源消耗量。水資源量數據來源于《遼寧省水資源公報》（2012—2017 年），各年度各地區人口數量來源于《遼寧省統計年鑒》（2012—2017 年），采用常住人口數據。遼河流域各地區用水量數據依據《遼寧省水資源評價成果（第二次）》計算。人口數據按照流域分區內的行政區面積計算，見表4。

表4 遼河流域內各行政區常住人口 單位：萬人

3 計算結果與分析

3.1 人均水資源生態足跡變化分析

3.1.1 變化趨勢

根據水資源生態足跡模型公式，各行政區流域內面積見表1，行政區內常住人口見表4，根據流域內用水總量和生產、生活、生態用水量數據（數據來源于2012—2017 年《遼寧省水資源公報》），逐年計算人均水資源生態足跡，計算結果見表5、圖1。由表5、圖1可知，人均水資源生態足跡同一地區各年份間變化不大，流域內不同地區間數值相差較大。其中盤錦市和鐵嶺市人均水資源生態足跡值大于1hm2/人；撫順市和鞍山市人均水資源生態足跡較小，小于0.2hm2/人；阜新市、沈陽市人均水資源生態足跡值在0.4hm2/人以內；錦州市與總體人均水資源生態足跡接近，大于0.4hm2/人。

表5 遼河流域內各行政區人均水資源生態足跡計算結果 單位：hm2/人

圖1 遼河流域各行政區人均水資源生態足跡變化

3.1.2 原因分析

遼河流域內的7 個行政區中，鐵嶺市所占面積最大，為12407km2，遼河為鐵嶺市各類用水的主要來源。盤錦市在流域內的面積較少，只有2478km2，主要為盤山縣、大洼縣，用水主要為灌區農業用水，用水效率較其他行業偏低，因此水資源生態足跡值偏大。

3.2 各類用水的水資源生態足跡變化分析

3.2.1 變化趨勢

計算遼河流域水資源賬戶下生產用水、生活用水、生態用水的水資源生態足跡，計算結果見表6。除阜新市、錦州市外，同一地區生產用水的水資源生態足跡在年際間總體上呈現輕微下降的趨勢，如沈陽市的生產用水水資源生態足跡由2012 年的0.187hm2/人下降至2017 年的0.181hm2/人，其中2015 年與2016 年略有上升，是這兩年沈陽市農業用水量增加造成的。同一地區的生活用水和生態用水水資源生態足跡逐年增加。

表6 遼河流域各行政區逐年人均生產、生活、生態用水水資源生態足跡 單位：hm2/人

遼河流域各地區，各類用水賬戶下的水資源生態足跡均呈現出與總的水資源生態足跡相同的趨勢。鐵嶺市、盤錦市的生產、生活用水水資源生態足跡較大，鞍山市及撫順市的偏小，沈陽市、阜新市、錦州市居中。

3.2.2 原因分析

鐵嶺市、盤錦市是遼河流域的主要用水戶，且農業用水量占比較大，用水效率及單位水資源產出均偏低。在流域各城市中，阜新市和錦州市的生產用水水資源生態足跡呈現出整體上升的趨勢，這兩座城市地處遼寧西北部，水資源稟賦較小，農業及工業用水效率提高較慢，節水空間較小。其余城市生產用水水資源生態足跡呈現出小幅上漲又緩慢回落的趨勢，這與遼河流域2014 年、2015 年為偏枯年份，水資源量偏少，農業用水量增加有關。

3.3 人均水資源生態承載力變化分析

對遼河流域內7 個行政區的逐年人均水資源生態承載力進行計算，并計算生態盈余，計算結果見表7。由表7 可知，流域總體生態承載力偏低，生態盈余為負值，隨著年份的增加，遼河流域生態承載力呈現顯著下降趨勢，生態赤字越發嚴重，且水資源生態承載力與降水量及水資源量呈現出密切相關性，2014 年、2015 年及2017 年的水資源生態承載力偏低，僅為0.08～0.10hm2/人，可見，水資源作為剛性約束，在遼河流域呈現出緊張態勢。同時，除鞍山市和撫順市外，遼河流域各市及遼河流域總體的水資源生態盈余均為負值，出現了水資源生態赤字，最嚴重的為盤錦市，生態赤字超過-1.00hm2/人，達到了-1.24hm2/人；鐵嶺市的生態盈余接近-1.00hm2/人；沈陽市、阜新市、錦州市生態盈余為-0.30hm2/人左右，也應引起足夠重視。結果表明雖遼河流域的水資源利用率維持在較高水平，水資源供需矛盾仍然突出，隨著生態用水量的增加，遼河流域的生態盈余缺失，生態赤字在流域大多數行政區常年存在，分布情況見圖2、圖3。

圖2 2017 年遼河流域生態足跡分布情況

圖3 2017 年遼河流域生態盈余分布情況

表7 遼河流域各市逐年人均水資源生態承載力計算 單位：hm2/人

4 結論與建議

4.1 結論

本文依托遼河保護區河流健康修復課題和遼河流域生態高質量發展研究課題，通過分析遼河流域基本情況，收集2012—2017 年遼河流域人口和水資源開發利用數據，基于生態足跡模型計算遼河流域人均水資源生態足跡和人均水資源生態承載力，分析遼河流域水資源人均稟賦情況，得到如下結論。

a.遼河流域出現了水資源生態赤字，供需矛盾長期存在。?根據計算結果，遼河流域人均水資源生態承載力為0.10～0.22hm2/人，與國內其他地區相比，不足四川省的1/6，與延吉市相當［8］；?水資源生態足跡同一地區各年份間變化不大，流域內不同地區間數值相差較大，遼河流經地區農業用水較多，用水效率較其他行業偏低，水資源生態足跡值偏大；?同一地區生產用水的水資源生態足跡在年際間總體上呈現輕微下降趨勢，同一地區的生活用水和生態用水水資源生態足跡逐年增加；?遼河流域各市及總體的水資源生態盈余多為負值，出現了水資源生態赤字。

b.遼河流域用水結構單一，水資源利用效率偏低。通過本文研究分析，遼河流域7 個城市，農業用水量占比為82%，工業用水占比為5%，用水結構單一，單位水資源量產出效益偏低，流域水資源生態足跡偏大。

4.2 建議

a.應重視水資源剛性約束，以水而定，量水而行，大力發展節約用水。遼河流域是遼寧省“十四五”治理的重點流域，全省正在打造遼河國家濕地公園，進行高質量發展規劃。通過本研究，梳理了遼河流域水資源生態足跡及承載力的時空變化趨勢，研究表明，遼河流域水資源生態赤字長期存在，是制約遼河流域高質量發展的第一要素。在規劃及發展研究中，應重視水資源剛性約束的地位，大力發展節約用水。?應改變農業產業布局，提高灌溉水利用系數，從農業產業布局、結構、規模的角度，研究提高經濟作物種植比例，發展膜下滴灌、微灌技術，將農業產業發展提到重要位置；?改變區域發展格局，從農業產業為主向生態產業為主轉變，遼河流域內主要以農村及城鄉結合為主，應將農耕為主的農村產業布局向以生態觀光、旅游型、生態型新農村轉變，引導小微企業發展，以高效能替代高耗能，提高水資源利用效率和效益；?進一步推進工業節水改造，提高工業水重復利用率。

b.優化水資源配置，統籌流域間輸配水工程。遼河流域水資源量短缺，經過多年治理，遼河水質逐年好轉，應該深入研究流域水資源優化配置，用好外調水。目前，遼寧省遼西北輸水工程及大伙房輸水工程均已建成通水，應盡快完善遼河流域水資源優化配置，增加遼河流域水資源生態承載力，推進經濟社會系統水資源供需再平衡。結合流域內農業用水量較大的實際情況，研究農業灌溉用水規律，建立農業用水及生態用水耦合的生態調度規則，緩解流域生態用水壓力，促進河道內外生態水量再平衡。

c.加強流域綜合治理，促進流域 高質量發展。通過本文的分析計算，遼河流域水資源生態承載力偏低，流域內7 個地區有5 個連續6 年出現了生態赤字，這一問題應引起技術人員和管理人員的足夠重視，多角度維護水資源的經濟安全維系作用。探索一條系統化、綜合性的流域、區域統籌治理的高質量發展的道路，從優質水資源、防洪保安全、宜居水環境、健康水生態等多個領域共同推進。保護水生態環境，涵養水源，在流域內或者跨流域實施生態補償機制、水資源管理制度等非工程措施，加強流域綜合治理。