基于能值水生態(tài)足跡模型的黃河流域水資源利用評價

王慧亮，李卓成

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001；2.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司博士后科研工作站，河南 鄭州 450003)

水是人類生存、社會經(jīng)濟發(fā)展中不可或缺的資源[1]，但黃河流域水資源時空分布不均衡、水環(huán)境惡化、水資源短缺等水問題突出[2]。探討流域水資源利用狀況以及水資源可承載能力，對流域水資源安全和健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

生態(tài)足跡概念于1922年提出[3-4]，旨在通過生物生產(chǎn)性土地面積來測算和定量評價一個地區(qū)或區(qū)域的資源利用程度以及可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)，能夠較好地測量和比較人類經(jīng)濟系統(tǒng)對自然生態(tài)系統(tǒng)服務的需求和自然生態(tài)系統(tǒng)的承載力之間的差距。徐中民等[5]于2000年將生態(tài)足跡概念引入我國，并對甘肅省1998年的生態(tài)足跡進行了實證計算和分析。傳統(tǒng)的生態(tài)足跡方法僅分析了水域的生物生產(chǎn)能力，忽略了地表或地下水資源的其他功能，黃林楠等[6]在傳統(tǒng)生態(tài)足跡的基礎上提出了水資源生態(tài)足跡模型，測算和分析了江蘇省1998—2003年水資源生態(tài)足跡變化趨勢；郭利丹等[7]將水資源生態(tài)足跡一級賬戶細分為12個三級賬戶，計算分析了江蘇省2008—2017年水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的變動趨勢；路瑞等[8]引入Tapio彈性分析法，分析了黃河流域水資源生態(tài)足跡與經(jīng)濟發(fā)展協(xié)調關系。優(yōu)化后的水資源生態(tài)足跡模型仍存在不足，其模型參數(shù)多采用的是全球性數(shù)據(jù)，不利于各地區(qū)之間的水資源生態(tài)足跡橫向比較，為此曾曉霞[9]提出了水資源的能值生態(tài)足跡評價模型，改進后的模型避免了人為的參數(shù)設置，便于不同地區(qū)的實時對比分析；在此基礎上，汪定盼等[10]和劉珂伶等[11]應用水資源能值生態(tài)足跡模型分別對我國西北某調水工程區(qū)和北京市的水資源可持續(xù)利用狀況進行了探討，進一步驗證了水資源能值生態(tài)足跡模型的可行性。在已有的水資源能值生態(tài)足跡研究中，生態(tài)足跡賬戶往往忽略了水產(chǎn)品消費量或是水體污染對生態(tài)足跡的影響，而且基于能值水資源生態(tài)足跡法對黃河流域水資源利用研究尚不多見。

本文將能值分析定理和水生態(tài)足跡法相結合，建立能值水生態(tài)足跡模型，利用該模型測算黃河流域2011—2018年能值水生態(tài)足跡和承載力等參數(shù)，并通過水生態(tài)盈虧和水生態(tài)壓力指數(shù)對黃河流域水資源利用狀況進行科學評價分析，以期為黃河流域水資源的開發(fā)利用和科學管控提供參考。

1 研究區(qū)概況

黃河流域地處我國北中部，地勢西高東低，地形起伏較大，自西向東形成三級階地，構成我國重要的生態(tài)屏障。黃河干流全長5 464 km，流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南和山東等9省(區(qū))，最終注入渤海。

黃河流域水文現(xiàn)象主要表現(xiàn)為水少沙多、水沙異源，流域多年平均徑流量580億m3，僅占全國河川徑流總量的2.2%，人均水資源量僅為408 m3，不足全國人均水資源量的1/5[12]。據(jù)統(tǒng)計，從1980—2016年黃河流域用水總量由343億m3增長至411億m3，流域行業(yè)用水結構發(fā)生了顯著變化，其中農(nóng)業(yè)用水下降了15.3%，而工業(yè)、生活用水分別增長了5.4%和6.4%；各省(區(qū))用水量占流域總用水量的比例也存在差異，寧夏、山東、河南和青海等省(區(qū))分別減小了5.0%、1.8%、0.5%和0.4%，而內蒙古、山西、甘肅、陜西等省(區(qū))分別增大了3.9%、2.1%、1.6%和0.1%。黃河流域水資源開發(fā)利用率已接近80%[13]，遠超一般流域40%的生態(tài)警戒臨界值，位居我國十大流域首位。

2 研究方法

2.1 能值理論與方法

能值分析理論[14]認為地球上所有事物的能量均得益于太陽能的貢獻，可將太陽能值作為衡量事物能量的基準。在實際研究中，通過能值轉換率建立能量與能值之間的聯(lián)系，可把地球系統(tǒng)內不同形式、不可直接相加減的能量轉化成同一標準的能值來衡量和分析[15]。能值表達式為

E=Bτ

(1)

式中:E為能值，sej;B為能量或物質的質量，J或g;τ為能值轉換率，sej/J或sej/g。

2.2 能值水生態(tài)足跡

水生態(tài)足跡是指某一特定的地理區(qū)域內，經(jīng)濟規(guī)模和人口發(fā)展到一定程度時，區(qū)域發(fā)展所消費的水資源量和吸納生活、生產(chǎn)廢棄物需要的水資源量，據(jù)此核算得到的生物生產(chǎn)性土地面積，即虛擬的水資源用地[16]。根據(jù)黃河流域水資源用水特性，將能值水生態(tài)足跡一級賬戶劃分為淡水生態(tài)足跡、水污染生態(tài)足跡和水產(chǎn)品生態(tài)足跡3個二級賬戶。其中，淡水生態(tài)足跡分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水(城鎮(zhèn)公共、居民生活用水)和生態(tài)環(huán)境用水4個三級賬戶。能值水生態(tài)足跡表達式為

Wef=Weff+Wefp+Wefa

(2)

其中

式中：Wef、Weff、Wefp、Wefa分別為區(qū)域能值水生態(tài)足跡、淡水生態(tài)足跡、水污染生態(tài)足跡和水產(chǎn)品生態(tài)足跡，hm2；Efi為第i個三級賬戶的能值，sej；Ep、Ea分別為水污染和水產(chǎn)品的能值，sej；Cfi為第i個三級賬戶的用水量，m3；Qp為污水排放量，t；Ma為水產(chǎn)品產(chǎn)量，t；τfi為第i個三級賬戶的能值轉換率，sej/m3；τp為污染水體的能值轉換率，sej/t；τa為水產(chǎn)品的能值轉換率，sej/t；P為區(qū)域能值密度，sej/hm2；n為三級賬戶個數(shù)。

2.3 能值水生態(tài)承載力

基于能值理論的水資源生態(tài)承載力是指區(qū)域在一定的社會發(fā)展階段和技術管理條件下，其擁有的水資源量能夠最大限度支持區(qū)域的經(jīng)濟、環(huán)境以及社會良好發(fā)展的能力。根據(jù)黃河流域的水資源來源情況，計算流域水資源生態(tài)承載力時選取地表水化學能、地下水化學能和雨水勢能作為區(qū)域的可更新資源[10]；此外，為了保證一個地區(qū)的水生態(tài)環(huán)境能夠正常運行，至少需要扣除60%的水量來維持水生態(tài)環(huán)境的健康[16]。能值水生態(tài)承載力表達式[11]為

(3)

式中：Wec為能值水生態(tài)承載力，hm2；Eg、Eu、Er分別為地表水化學能、地下水化學能和雨水勢能，sej；Pw為區(qū)域水資源平均能值密度，sej/hm2。

2.4 能值水生態(tài)足跡評價指標

a.水生態(tài)盈虧指數(shù)。能值水生態(tài)足跡反映了特定區(qū)域對水資源的需求和實際占用情況，而能值水生態(tài)承載力則表征水生態(tài)系統(tǒng)對社會經(jīng)濟發(fā)展的承受和支撐能力，通過比較兩者大小關系可判斷區(qū)域內水資源可持續(xù)利用情況[17]。水生態(tài)盈虧指數(shù)表達式為

Wed=Wef-Wec

(4)

式中Wed為區(qū)域水生態(tài)盈虧指數(shù)。當Wed=0時，水資源處于生態(tài)平衡狀態(tài)，表明區(qū)域水資源供需平衡；當Wed>0時為水生態(tài)赤字，表明區(qū)域水資源需求大于供給，水資源短缺；當Wed<0時為水生態(tài)盈余，表明區(qū)域水資源充足，有利于社會經(jīng)濟的發(fā)展。

b.水生態(tài)壓力指數(shù)。水生態(tài)壓力指數(shù)是指區(qū)域內能值水生態(tài)足跡和承載力的比值，其大小用來判斷區(qū)域內水資源開發(fā)利用安全狀態(tài)[18]。水生態(tài)壓力指數(shù)表達式為

Ip=Wef/Wec

(5)

式中Ip為水生態(tài)壓力指數(shù)。當Ip=1時，表明區(qū)域水資源消耗與供給平衡，即區(qū)域水生態(tài)安全處于臨界狀態(tài)；當01時，表明區(qū)域水資源利用不可持續(xù)，即區(qū)域水資源處于危險狀態(tài)，且Ip值越大，區(qū)域水資源利用強度越大，水資源環(huán)境越危險。

2.5 數(shù)據(jù)來源

用水量、年降水量、水資源總量等水資源數(shù)據(jù)來自2011—2018年《黃河流域水資源公報》以及流域內各省(區(qū))水資源公報；廢污水排放量和水產(chǎn)品產(chǎn)量等社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自2011—2018年流域內各省(區(qū))統(tǒng)計年鑒。

2.6 模型相關參數(shù)確定

區(qū)域能值密度P、區(qū)域水資源平均能值密度Pw分別為區(qū)域可更新資源的總能值、區(qū)域水資源總能值與區(qū)域面積的比值，參考Chen等[19]的研究成果，黃河流域能值密度取值為4.57×1015sej/hm2；據(jù)2011—2018年《黃河流域水資源公報》統(tǒng)計結果，黃河流域多年平均降水量和流域面積分別為485 mm和79.5萬km2，經(jīng)核算黃河流域水資源平均能值密度為4.36×1014sej/hm2。本文能值量化所涉及的其他參數(shù)及其轉換關系可參見文獻[20-22]。

3 結果與分析

3.1 時間維度動態(tài)分析

3.1.1能值水生態(tài)足跡與承載力

2011—2018年黃河流域能值水生態(tài)足跡變化趨勢如圖1所示，總體上保持上升趨勢，年際差異不大，變化范圍在1 520萬～1 630萬hm2，多年平均值為1 590萬hm2，流域能值水生態(tài)足跡由2011年最低值1 520萬hm2增長到2018年最高值1 630萬hm2，多年平均增長率為1.3%。由此可知，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展以及在快速工業(yè)化和城鎮(zhèn)化背景之下，黃河流域各行業(yè)耗水和用水需求不斷增加，流域水資源面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。

圖1 黃河流域2011—2018年能值水生態(tài)足跡與承載力Fig.1 Emergy water ecological footprint and carryingcapacity in the Yellow River Basin from 2011 to 2018

2011—2018年黃河流域能值水生態(tài)承載力總體呈先下降后上升的趨勢(圖1)，變化幅度相對較大,多年能值水生態(tài)承載力平均值為810萬hm2。從2011—2015年流域能值水生態(tài)承載力呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，從860萬hm2下降到660萬hm2；而2015—2018年流域能值水生態(tài)承載力呈急劇上升趨勢，2018年達到研究周期內的最大值970萬hm2。流域能值水生態(tài)承載力2015年最小，與黃河流域近10年來降水、徑流特征基本吻合，表明流域能值水生態(tài)承載力主要與流域來水情況相關，豐水年份水生態(tài)承載力相對較高，而枯水年份則相反。

3.1.2能值水生態(tài)足跡構成

黃河流域能值水生態(tài)足跡構成如圖2所示，其中農(nóng)業(yè)用水、水污染、工業(yè)用水、生活用水和水產(chǎn)品生態(tài)足跡的占比分別為33%、27%、13%、11%和10%，生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡占比最小，僅為2%。可見，農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水仍是黃河流域水資源利用過程中的用水大戶，近年來，黃河流域工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水呈緩慢下降趨勢，可能是因為流域用水由粗放型轉向高效集約利用，用水效率得到了提高；2015年《水污染防治行動計劃》出臺，流域的水環(huán)境狀況得到改善，水污染足跡呈下降趨勢；隨著流域人口不斷增加，城鎮(zhèn)化和城市化不斷加快，生活用水、水產(chǎn)品用水相繼提高，導致其生態(tài)足跡也升高，但總體變化幅度不大，基本維持穩(wěn)定狀況；生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡呈增長的趨勢，但其占比最低，應增加生態(tài)環(huán)境用水量，以利于推動流域的環(huán)境優(yōu)化和改善。

圖2 黃河流域能值水生態(tài)足跡構成Fig.2 Composition of emergy water ecologicalfootprint in the Yellow River Basin

3.1.3水生態(tài)盈虧與壓力指數(shù)

黃河流域2011—2018年水生態(tài)盈虧變化過程與能值水生態(tài)承載力變化過程相反(圖3)，由于研究周期內流域能值水生態(tài)足跡遠大于能值水生態(tài)承載力，因此黃河流域呈現(xiàn)水生態(tài)赤字狀態(tài)。2011—2018年流域水生態(tài)赤字介于650萬～960萬hm2之間，2018年為最小值650萬hm2，2015年達到最大值960萬hm2，多年水生態(tài)赤字均值為770萬hm2。2015年之后，在流域能值水生態(tài)足跡保持平穩(wěn)增長的形勢下，黃河流域降水和來水量大幅度增加，導致水生態(tài)赤字持續(xù)減小，表明流域經(jīng)濟社會發(fā)展對水資源的需求遠大于水資源的供給，流域水資源可持續(xù)利用面臨著嚴峻的問題。

2011—2018年流域水生態(tài)壓力指數(shù)變化趨勢與水生態(tài)赤字基本保持一致，均呈先上升后下降趨勢(圖3)，年際變化在1.67～2.45之間。2012—2015年水生態(tài)壓力指數(shù)快速增長(2012年比2011年下降0.02)，多年平均增長率為12.3%；2015年以后水生態(tài)壓力指數(shù)迅猛下降，多年平均下降率為12%。總體來看，水生態(tài)壓力指數(shù)始終大于1，說明流域水資源供給量遠小于消費量，水資源開發(fā)利用空間不足，水資源可持續(xù)利用受到威脅，不利于流域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)良性發(fā)展，這與水生態(tài)赤字的結論基本一致。

圖3 黃河流域2011—2018年水生態(tài)赤字與壓力指數(shù)Fig.3 Water ecological deficit and pressure index ofthe Yellow River Basin from 2011 to 2018

3.2 空間分布格局

根據(jù)能值水生態(tài)足跡與承載力模型，計算得到2011—2018年黃河流域9省(區(qū))能值水生態(tài)足跡、能值水生態(tài)承載力和水生態(tài)壓力指數(shù)多年平均值，結果如表1所示。

a.能值水生態(tài)足跡與承載力分布。黃河流域不同省(區(qū))的能值水生態(tài)足跡與承載力存在地區(qū)差異性，能值水生態(tài)足跡整體呈現(xiàn)流域中部高四周低的趨勢，具體表現(xiàn)為寧夏、陜西、山西、內蒙古、河南能值水生態(tài)足跡較大，平均值為252萬hm2，而青海、四川、山東能值水生態(tài)足跡較小，平均值為 63萬hm2；能值水生態(tài)承載力青海最高，為 224.1萬hm2，而山東最低，為20.8萬hm2，兩者相差近10倍。

b.水生態(tài)盈虧與壓力指數(shù)。流域上游青海、四川、甘肅水生態(tài)盈虧指數(shù)小于0，其水生態(tài)壓力指數(shù)分別為0.2、0.4和1，表明其能值水生態(tài)足跡小于能值水生態(tài)承載力，可能是因為上游地區(qū)水資源相對豐沛，有較大的水資源利用空間，特別是甘肅省水生態(tài)盈虧指數(shù)接近于0，表明該地區(qū)水資源供需關系達到相對平衡狀態(tài)；而中下游地區(qū)的省份水生態(tài)盈虧指數(shù)介于0.06～0.28之間(水生態(tài)赤字)，且相應的水生態(tài)壓力指數(shù)均大于1，表明所在地區(qū)水資源消耗量遠大于供給量，水資源供需矛盾突出，特別是寧夏水生態(tài)壓力指數(shù)高達9.7，水資源環(huán)境處于極其危險的狀態(tài)。

c.能值水生態(tài)足跡構成。因黃河流域不同省(區(qū))社會經(jīng)濟發(fā)展方式不同，相應的能值水生態(tài)足跡構成也不盡相同。流域上游青海、甘肅、寧夏、內蒙古農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡在流域總能值水生態(tài)足跡中占比較大，分別為47%、37%、56%和63%，其余省份均低于25%，表明上游地區(qū)以農(nóng)業(yè)用水為主，大量的水資源用于農(nóng)業(yè)灌溉，節(jié)約用水以及提高用水效率顯得尤為重要；流域中下游地區(qū)陜西、山西、河南、山東的水污染生態(tài)足跡占比較大，平均值為36%，這可能是隨著城市化的快速推進，工業(yè)廢水、生活污水排放增多，水體污染愈發(fā)嚴重；流域九省(區(qū))的生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡在各省(區(qū))的總能值水生態(tài)足跡中占比最低，僅維持在0.05%～3.44%之間，但生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡增長對于流域生態(tài)環(huán)境優(yōu)化與改善具有積極的作用，在今后的水資源配置上應繼續(xù)提高生態(tài)環(huán)境用水比例。

表1 黃河流域9省(區(qū))能值水生態(tài)足跡與承載力空間差異Table 1 Spatial differences of emergy water ecological footprint and carrying capacity amongnine provinces of the Yellow River Basin

4 結 論

a.2011—2018年黃河流域能值水生態(tài)足跡總體上保持穩(wěn)步增長趨勢，年際差異不大，多年平均值為1 590萬hm2，而流域能值水生態(tài)承載力主要受當?shù)厮Y源量影響，變化幅度相對較大，總體呈先下降后上升的趨勢，2015年為拐點。總體來看，流域能值水生態(tài)足跡遠大于能值水生態(tài)承載力，流域水生態(tài)赤字沒有改變；流域水生態(tài)壓力指數(shù)始終大于1，水資源開發(fā)利用處于不安全狀態(tài)，水資源可持續(xù)利用受到威脅。

b.黃河流域各類能值水生態(tài)足跡占比差異顯著，農(nóng)業(yè)用水、水污染和工業(yè)用水生態(tài)足跡的貢獻較大，但農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水生態(tài)足跡總體呈下降趨勢，而水污染生態(tài)足跡處于逐年增長狀態(tài)；生活用水生態(tài)足跡和水產(chǎn)品生態(tài)足跡占比相對較小，兩者總體變化幅度不大，基本維持穩(wěn)定狀況；生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡占比最小，但保持穩(wěn)定增長趨勢。

c.黃河流域不同省(區(qū))的能值水生態(tài)足跡和承載力存在地區(qū)差異性，中游地區(qū)能值水生態(tài)足跡明顯比上下游地區(qū)的高，總體呈現(xiàn)出中間高兩側低的趨勢；而能值水生態(tài)承載力則波動變化，表現(xiàn)為青海最高，山東最低。除了流域上游青海、四川、甘肅水資源表現(xiàn)為生態(tài)盈余，水資源供給基本滿足需求，其余省(區(qū))水資源呈現(xiàn)不同程度的水生態(tài)赤字狀態(tài)。

d.流域上游地區(qū)農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡貢獻較大，其中內蒙古最為突出，上游地區(qū)應提倡節(jié)約用水和提高農(nóng)業(yè)用水效率；而流域中下游地區(qū)水污染生態(tài)足跡占比較大，平均值為36%，應當降低污染物排放，減少水體污染；生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡在整個能值水生態(tài)足跡中占比最低，應合理增加生態(tài)環(huán)境用水量，保證水環(huán)境處于健康狀態(tài)。