天水市水生態盈虧分析及研究

王喜君，周茂榮，姚 斌

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020)

水生態文明是生態文明的核心組成部分[1]。我國水資源總量豐富但人均水資源量不足，在一定程度上制約了生態文明的發展[2]。近年來，許多學者[3-7]利用水資源生態足跡模型對不同地區或流域的水資源生態足跡、生態承載力及水生態盈虧進行了研究。比如，王文國等[8-10]從時空格局角度分別對四川、成都、浙江水資源足跡進行了分析，賈焰等[11-12]從流域尺度對石羊河流域、黑河流域水資源生態承載力和生態足跡進行了評價。此外，學者們還從生態足跡廣度、深度[13]和水域生態承載力新算法[14]等方面對水資源生態模型進行了研究。本研究利用水資源生態模型對天水市2012—2018年水生態現狀進行分析，預測2030年天水市水生態變化，以期為天水市生態保護治理和高質量發展提供參考。

1 天水市概況

天水市位于甘肅東南部，地處34°05′～35°10′N、104°35′～106°44′E，地勢西北高、東南低，海拔多在1 000～2 100 m之間，平均海拔1 100 m。屬溫帶季風氣候區，多年平均氣溫11 ℃，極端最高氣溫38.2 ℃，極端最低氣溫-17.4 ℃，年無霜期185 d。地貌區域差異明顯，東部和南部因古老地層褶皺而隆起形成山地地貌；北部因地質沉陷和紅、黃土層沉積形成黃土丘陵地貌；中部小部分地區因受緯向構造帶的斷裂影響形成渭河地塹，經第四紀河流發育和侵蝕堆積形成渭河河谷地貌。土壤以黃綿土、黑壚土為主，土層深厚，山塬開闊，是糧、油、菜、果主要生產區。

根據《2020年天水市國民經濟和社會發展統計年鑒》，天水市下轄秦州區、麥積區兩個市轄區，甘谷縣、武山縣、秦安縣、清水縣和張家川回族自治縣5個縣共101個鎮、12個鄉、10個街道，總面積14 392 km2，常住人口336.89萬人，國民生產總值632.67億元。

2 天水市水生態現狀

2.1 水資源現狀

天水市分屬黃河流域渭河水系和長江流域嘉陵江水系，以西秦嶺為界，西秦嶺以北屬黃河流域渭河水系，流域面積占全市總面積的81.7%，西秦嶺以南屬長江流域嘉陵江水系，流域面積占全市總面積的18.3%。渭河流域年徑流量大于1 000萬m3的一、二級支流有22條，其中一級支流有榜沙河、山丹河、聶河、散渡河、藉河、葫蘆河、牛頭河、馬鹿河、永川河、東柯河、東岔河、大南河等12條；二級支流有清溪河、南溝河、清水河、顯清河、西小河、南小河、后川河、樊河、湯浴河、白駝河等10條。嘉陵江流域年徑流量大于1 000萬m3的河流有白家河、花廟河、紅崖河、西漢水、蘇城河(西漢水支流)。根據2018年天水市水資源管理公報，天水市水資源基本情況如下：

(1)降水量。大氣降水是天水市水資源的重要來源，全市多年平均年降水量為483.7 mm，最大年降水量818.6 mm，最小年降水量242.7 mm，多年平均年降水總量69.251億m3，降水時空變化大。

(2)自產地表水資源量。全市多年平均自產地表水資源量為15.173 5億m3，折合徑流深106.0 mm，其中：黃河流域渭河水系9.563 9億m3，占全市多年平均自產地表水資源量的63%；長江流域嘉陵江水系5.609 6億m3，占全市多年平均自產地表水資源量的37%。

(3)自產地下水資源量。全市多年平均自產地下水資源量為7.206 2億m3，其中山丘區2.753 0億m3、河谷區4.453 2億m3，地下水資源量與地表水資源量間重復計算量6.915 0億m3、不重復計算量0.291 2億m3，渭河流域6.097 2億m3、嘉陵江流域1.109 0億m3。全市地下水可開采資源量為2.250 0億m3。

(4)水資源總量。水資源總量是指當地降水形成的地表和地下產水量，即自產地表水資源量與地下水凈資源量之和。全市多年平均水資源總量為15.464 7億m3，產水模數為10.75萬m3/km2。

(5)入境水資源量。入境水資源量指從市外入境到本市境內的水資源量，天水市入境水主要是從武山的渭河干流、榜沙河，以及甘谷的散渡河、秦安的葫蘆河入境，全市多年平均入境水資源量為9.427 1億m3。

(6)自產加入境水資源量。全市自產加入境水資源量為24.891 8億m3，其中：黃河流域為19.282 2億m3，占77.5%；長江流域為5.609 6億m3，占22.5%。

2.2 水資源利用現狀

(1)供水量。天水市2018年實際供水量40 401萬m3(表1)，其中地表水供水量為26 619萬m3，占總供水量的65.9%；地下水供水量為13 782萬m3，占總供水量的34.1%。

表1 天水市2018年供水量統計 萬m3

(2)用水量。根據2018年天水市水利統計年報，參照各縣(區)上報資料，并結合實際調查平衡分析，全市2018年實際用水量40 401萬m3(表2)，其中農業灌溉用水、工業用水、生活用水、生態環境用水分別為27 733萬、3 148萬、8 963萬、557萬m3，農業是第一大用水戶。

表2 天水市2018年用水量統計 萬m3

(3)耗水量。2018年全市凈耗水量24 805萬m3，綜合耗水率為61.4%，其中：農田灌溉耗水量19 582萬m3，農田灌溉平均耗水率為70.6%；工業耗水量1 949萬m3，工業平均耗水率為61.9%；生活耗水量2 937萬m3，生活平均耗水率32.8%；生態環境耗水量337萬m3，生態環境平均耗水率為60.5%。

3 現狀水生態盈虧分析

3.1 水資源生態足跡和生態承載力模型及相關參數

3.1.1 水資源生態足跡

在生態足跡模型基礎上發展起來的水資源生態足跡模型，概括起來就是把一個區域的水資源生態足跡作為衡量該區域水資源可持續利用的標準，即維持現有發展規模所需要的水資源的用地面積。計算公式為

EFw=N×ef=γ×(W/Pw)

(1)

式中：EFw為水資源生態足跡，hm2；N為區域人口總數，人；ef為人均生態足跡，hm2/人；γ為水資源全球均衡因子；W為消耗的水資源量，m3；Pw為全球水資源平均生產能力，m3/hm2。

根據現有的研究成果，將天水市水資源生態足跡的計算分為生活用水、生產用水和生態用水生態足跡三大類。

3.1.2 水資源生態承載力

水資源生態承載力是用于判別研究區域的水資源利用是否處于可持續狀態的指標。相關研究成果顯示，水資源生態承載力的計算應扣除60%用于維持生態系統的可持續發展。其計算公式為

ECw=N×ecw=(0.4×φ×γ×Q)/Pw

(2)

式中：ECw為水資源生態承載力，hm2；ecw為人均水資源生態承載力，hm2/人；Q為水資源總量，m3；φ為區域水資源產量因子；其余符號意義同上。

3.1.3 水資源生態盈余

生態盈余是水資源生態承載力與水資源生態足跡的差值，是衡量區域內水資源消耗是否在承載范圍內的指標，可用于評判區域內水資源的可持續利用狀況。計算公式為

ECFw=ECw-EFw

(3)

式中：ECFw為水資源生態盈余/虧欠，hm2；其余符號意義同上。

其中：若ECw>EFw時，則代表地區內水資源充足，為水資源生態盈余狀態，水資源可持續利用狀況良好；若ECw=EFw時，則為水資源平衡狀態；若ECw

3.1.4 相關參數的確定

研究中涉及的參數主要有γ、Pw、φ。其中：世界自然基金會(WWF，2002年)核算的γ為5.19，Pw為3 140 m3/hm2；經計算天水市水資源平均生產能力(區域平均產水模數)為1 074.539 4 m3/hm2，按天水市水資源平均生產能力與全球水資源平均生產能力之比計算φ為0.342 21。

3.2 水資源生態盈虧計算

利用《天水市國民經濟和社會發展統計年鑒》《天水市水資源管理公報》的數據，計算天水市各縣區2012—2018年水資源總量及用水量、生態足跡計算結果見表3、4。

表3 天水市2012—2018年水資源總量及用水量

3.3 水資源生態盈虧分析

從表4可以看出，天水市2012—2018年人均水資源生態足跡波動性較小。從天水市2012—2018年人均生態承載力計算結果來看，沒有明顯的變化規律，各年份間差異較小，峰值出現在2017年，為0.105 29 hm2/人，這與2017年降雨量偏大的情況是一致的。

表4 天水市水資源生態足跡計算結果

天水市人均生活用水生態足跡總體呈現逐年增大的趨勢，這與天水市城鎮化發展進程是一致的。生產用水包括農業用水和工業用水，其中人均農業用水生態足跡整體減小，人均工業用水生態足跡整體增大，這與近年來不斷提高農田灌溉技術和工業發展有關。2012—2018年平均人均農業用水生態足跡占人均生產用水生態足跡的90.31%，由此可見大力發展節水灌溉和農業水資源高效利用是減少水資源生態足跡的有力措施。

4 天水市水生態預測

按人口自然增長率、GDP增長率反推水資源生態足跡，測算天水市2030年生態盈虧情況。

4.1 水資源生態足跡

按國家統計局、甘肅省統計局、天水市統計局2019年統計資料，2018年人口自然增長率、GDP增長率見表5。

表5 2018年人口自然增長率、GDP增長率

假設2018—2030年天水市人口自然增長率、GDP增長率與2018年天水市的增長率相同，2018—2030年天水市萬元GDP水資源生態足跡與2018年相同，則天水市2030年人口、GDP、水資源生態足跡預測值見表6。

表6 天水市水資源生態足跡預測

4.2 生態承載力預測及盈虧分析

假設2018—2030年天水市萬元GDP水資源生態足跡與2018年相同，則天水市2030年人均生態承載力預測值見表7。

表7 天水市2030年人均生態承載力預測結果

從表7看出，按目前的經濟發展模式，2030年天水市處于生態赤字狀況，自產水資源已無法滿足經濟發展的需要，水資源將成為經濟發展的主要限制因素。

5 結論與建議

(1)天水市2012—2018年人均水資源生態足跡波動性較小。

(2)天水市2012—2018年水資源總體處于虧欠狀態。

(3)天水市人均農業用水生態足跡占人均生產用水生態足跡的比例偏大，應大力發展節水灌溉和推廣農業水資源高效利用技術。

(4)按目前的經濟發展模式，2030年天水市處于生態赤字狀況，自產水資源已無法滿足經濟發展的需要，水資源將成為經濟發展的主要限制因素。

天水應提高水資源保護意識和利用效率，優化水資源配置，構建創新型用水管水制度，轉變發展思路，向全社會宣傳節約資源的理念，同時積極保護生態環境，為整個社會的可持續發展助力。