阜新市水資源可持續利用評價及其預測分析

尹璐璐

（遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000）

水資源是一種戰略性、基礎性自然資源，對于促進經濟社會發展以及維持地球生命系統循環等具有重要作用，直接影響著廣大群眾生活和國家安全，水資源保護及其可持續利用越來越引起人們的關注，研究分析水資源生態承載力意義重大[1-4]。文章利用阜新市總用水量預測結果計算其人均水資源生態足跡，由于城市人口數量、用水系統都是既含有未確定和已知信息的灰色系統，對其數值準確預測的難度較高，灰色系統與其它預測方法相比能夠在統計數據少、信息不完整的條件下實現預測分析。因此，文章結合阜新市2001-2020年有關數據，通過計算分析水資源負載指數、生態承載力和生態足跡評價其水資源變化情況，并對總用水量利用GM(1，1)模型進行預測，從而揭示未來人均水資源生態足跡變化特征，以期為實現水資源合理配置和可持續利用提供一定參考。

1 數據來源

1.1 區域概況

阜新市位于E121°01′～122°56′，N41°41′～42°56′之間，總面積10355km2，屬于半干旱地區。境內江河湖庫分屬于秀水河、牤牛河、饒陽河、養息牧河、細河、柳河水系，水資源在時空分布上不均，資源性缺水問題非常突出。阜新市年均降水量480mm，降水自南向北遞減多，多年平均水資源總量84193萬m3，人均占有量507 m3，不到全國人均量(2160 m3)的1/4。阜新市以LXB供水工程為骨干，輔之以引白濟阜工程進行水源配置，雖然在一定程度上緩解了區域水資源供需不平衡的矛盾，但并未徹底轉變供大于需的現狀，依然面臨著較大的水資源壓力。

1.2 數據來源

文章研究數據來源于已經公布的2001-2020年阜新市《國民經濟和社會發展統計年報》、水資源公報和統計年鑒等。

2 研究方法

2.1 水資源生態足跡模型

根據生態足跡模型提出的水資源生態足跡概念逐漸成為反映水資源可持續利用的重要指標，將水資源生態足跡按照阜新市水資源特征劃分成農業、工業、生活和環境用水等生態足跡[5]，其表達式為：

式中：EFi、efi代表用水類型i的水資源生態足跡與人均生態足跡，hm2；i、N代表水資源用水類型與區域人口數量，萬人；W、PW代表水資源用水量(億m3)與水資源平均生產能力(m3/hm2)，結合相關資料PW取3120m3/hm2。γ代表水資源均衡因子，借鑒有關文獻γ取5.19。

2.2 水資源生態承載力模型

水資源生態承載力是指特定區域特定時期內的水資源供應量，能最大支撐該地區社會、經濟、環境和資源可持續可發展的能力[5]，其計算公式為：

式中：ECw、ecw代表總體和人均水資源生態承載力，hm2；φ代表水資源產量因子，結合門寶輝等[6]文獻資料φ取0.77；Q代表水資源總量，億m3。

2.3 水資源可持續利用評價指標

1）萬元GDP水生態足跡。該數值反映了特定時段特定區域內的GDP總值與水資源生態足跡之間的關系[7]，用水效率越高則其數值越大，反之則越小，其數學表達式為：

2）生態赤字或盈余。研究區水資源開發利用程度可以用水資源生態赤字或盈余來衡量，如果則判定為生態赤字，難以實現水資源可持續發展；反之，如果則判定為生態盈余，可以實現水資源可持續發展；如果則判定為臨界狀態[8-9]。其計算公式如下：

3）生態壓力指數EP。研究區生態環境承受的壓力強度和水資源可持續利用情況可利用水資源生態壓力指數來衡量，其表達式為：

借鑒相關研究成果[10]，將水資源開發利用劃分成安全、較安全、臨界和不安全4種狀態，所對應的水資源生態壓力指數取值區間為EP＜0.5、0.5≤EP＜0.8、0.8≤EP＜1.0和EP≥1.0。

4）負載指數c。研究區人口數量、經濟發展水平與水資源利用程度之間的關系，以及未來水資源開發潛力可利用負載指數來衡量[11]。負載指數等級劃分標準，見表1。水資源負載指數越高則開發利用程度越大，相應的開發利用潛力越小，其數學表達式為：

表1 負載指數等級劃分標準

式中：k代表與降水有關的系數，利用公式（8）計算確定；G代表國內生產總值(億元)，其它字母含義同上。

3 結果與分析

3.1 水資源生態足跡計算結果

2001-2020年阜新市工業、農業、環境、生活用水以及總用水生態足跡，阜新市水資源生態足跡變化特征，見圖1。從圖1可以看出：①總用水生態足跡表現出先減小后緩慢增大的變化趨勢，2020年增長幅度明顯高于其它時段；②生活用水和總用水生態足跡變化趨勢相似，均表現出現減小后緩慢增大的趨勢，這是由于隨著阜新市人口數量的增多和經濟社會的不斷發展，城市生活用水需求急劇增大，從而使得生活用水壓力明顯提高；③環境用水生態足跡的上升趨勢也比較明顯，特別是近5a的增長速度較快，究其原因是阜新市不斷加大環境保護力度，相繼實施退耕還林、植樹造林等一系列環保措施；④相反，工業用水和農業用水生態足跡表現出逐年減小趨勢，究其原因是產業結構不斷優化調整，許多高污染高耗水高能耗企業被有效整改，農業科學灌溉和種植等措施有效提高了水資源效率。

圖1 阜新市水資源生態足跡變化特征

此外，農業用水生態足跡在2006年以前較高，隨后逐漸減小，由此表明當地農業用水所占比例較高，經濟發展相對滯后；隨后第二、三產業和經濟社會快速發展，工業用水生態足跡不斷增大逐漸與農業用水生態足跡持平。

3.2 水資源生態承載力計算結果

2001-2020年阜新市水資源生態承載力變化趨勢，阜新市水資源承載力變化特征，見圖2。從圖2可以看出阜新市水資源生態承載力呈明顯波動變化，總體處于82～196萬hm2的較低水平，遠遠低于總用水生態足跡599～763萬hm2的區間值，可見水資源供應量遠低于需求量。水資源生態承載力最高、最低年為2003年和2013年，究其原因是2003年降水量較低只有326.6mm，低于2001-2020年平均降水量480.7mm，而2013年的降水量較高為686.3mm。

圖2 阜新市水資源承載力變化特征

年均降水量與人均水資源生態承載力變化特征，見圖3。通過對比圖3可知，當年的降雨量與人均水資源生態承載力之間存在密切聯系，人均水資源生態承載力越大的年份其降雨量就越多，承載力越小的年份其降雨量也就越少。

圖3 年均降水量與人均水資源生態承載力變化特征

3.3 水資源可持續利用評價

2001-2020年阜新市水資源生態壓力指數EP計算結果，阜新市水資源生態壓力指數和生態足跡，見表2。由表2可知：①阜新市萬元GDP水生態足跡總體呈逐年減小趨勢，表明阜新市用水效率和水資源利用率不斷提升，仍具有一定的可持續利用空間；②水資源生態壓力指數呈波動變化特征，最大和最小值7.05、2.90，說明阜新市水資源始終處于生態不安全狀態，水資源供給量小于需求量，可持續開發利用難度較高。然而2015年LXB供水工程的投入，在一定程度上緩解了阜新市水資源壓力，壓力指數出現明顯減小，水資源開發利用有所好轉。

表2 草籽量計算標準

表2 阜新市水資源生態壓力指數和生態足跡

2001-2020年阜新市水資源負載指數變化趨勢，阜新市水資源負載指數變化特征，見圖4。從圖4可以看出指數值總體較高，最大、最小值為286和84，都遠遠高于Ⅰ級邊緣值10，說明阜新市水資源具有很高的開發利用程度，進一步開發潛力較小，城市用水安全受到嚴重威脅，必須通過從外流域調水才能緩解當地用水壓力。

圖4 阜新市水資源負載指數變化特征

2001-2020年阜新市水資源生態赤字變化趨勢，阜新市水資源生態赤字變化特征，見圖5。從圖5可以看出：水資源始終處于赤字狀態，即供小于求，這也體現了阜新市用水緊張的局面，水資源開發利用無法滿足實際用水需求，為緩解用水壓力需要從外部調水。2001-2009年水資源生態赤字總體呈波動減小趨勢，2015年LXB供水工程的投入在一定程度上降低了水資源生態赤字，但2020年數值明顯升高，究其原因是2020年降水量較小為509.5mm，較2019年的602.6減少了15.4%，從而使得阜新市處于更加緊張的用水局面，水資源赤字也明顯上升。

圖5 阜新市水資源生態赤字變化特征

4 人均水資源生態足跡預測

4.1 灰色系統模型

灰色系統模型GM(1，1)的主要原理是通過累加處理將原序列轉換成有明顯增長趨勢的新序列，按照新的序列趨勢創建預測模型，然后通過累減逆向運算恢復原始數據序列，從而計算確定預測數值，建模流程如下[12]：

1）數據累加。設包含n個數據的原始序列為X0={x(0)(1)，x(0)(2)，…x(0)(n)}，經一次累加計算生成新的數列X1={x(1)(1)，x(1)(2)，…x(1)(n)}，其中x(0)的前k項數據累加為x(1)(k)，即k=1，2，…，n。

2）定義灰導數方程d(k)、數列x(1)(k)的緊臨均值z(1)(k)和GM(1，1)的一階線性微分方程b如下：

經轉換計算則有b=x(0)(k)+az(1)(k)，其中b、az(1)(k)、a、x(0)(k)稱為灰作用量、白化背景值、發展系數和灰導數，上式代入k值后則有：

則公式(12)可以改寫成矩陣Y=bu的形式。

3）GM(1，1)模型及其求解。針對b=x(0)(k)+az(1)(k)，如果將x(0)(k)看成關于k的連續函數，不再是離散序列，則原式可以轉變成b=dX(1)/dx+aX(1)，然后將公式兩邊做積分可以生成：

經進一步轉換計算可以求解出相應的預測值，其中k=1，2，…，n-1，結果如下：

4.2 預測結果

采用灰色系統模型預測2001-2020年阜新市總用水量，GM(1，1)總用水量預測，見表3。經級比檢驗2001-2003年數據無法通過檢驗，故人均水資源生態足跡預測選用2004-2020年數據。通過計算發現GM的后驗差比值p=1，符合＞0.95的檢驗要求，相對誤差都在5%以內，對于總用水量的預測該模型具有較高的精度和較好的擬合效果。

表3 GM(1，1)總用水量預測

充分考慮阜新市實際情況，維持區域人口數量不變，結合已經預測出的總用水量預測2021-2023年阜新市人均水資源生態足跡分別為0.285hm2/人、0.280hm2/人、0.272hm2/人。

阜新市人均水資源生態足跡變化特征，見圖6。從圖6可以看出，2021-2023年阜新市人均水資源生態足跡總體呈逐年減小趨勢，人均用水量也會明顯下降，為推動城市可持續發展提供了有力條件，這與阜新市產業結構調整和水資源規劃利用等一系列政策的實施密切相關[13-16]。

圖6 阜新市人均水資源生態足跡變化特征

5 結 論

1）2001-2020年阜新市水資源生態足跡呈緩慢增大趨勢，說明城市水資源需求逐漸增大，從小到大對總水資源生態足跡的貢獻排序為工業用水、農業用水、環境用水和生活用水，這與阜新市實際發展情況相符。為促進經濟社會與環境的協調發展，近年來阜新市不斷減少工業用水量，逐步提高農業用水效率和環境用水量。

2）2015年，阜新市LXB供水工程的投入使用，在一定程度上降低了當地供水量和備用水源地取水量，在一定程度上提高了水資源生態承載力，有利于緩解阜新市用水壓力和水源地涵養。

3）經預測分析，2021-2023年阜新市仍處于用水緊張狀態，但人均水資源生態足跡和人均用水量將逐漸減小，采取實施的一系列措施開始發揮成效，未來阜新市水資源利用水平和利用效率會不斷提高，城市水資源開發利用呈現出一個好的發展態勢。