區域水資源生態承載力耦合模型研究

劉文錚

（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）

水資源生態足跡是通過生態足跡變化與生態承載力比值進行比較，得到判定某一區域的水資源可持續利用的發展狀態，為今后該區域水資源開發利用提供科學依據。為了實現水資源系統、社會經濟系統和生態環境系統的相互協調可持續利用，把生態足跡概念引入到水資源開發利用領域，與水資源承載力和區域可持續發展評價等方面相結合，得到廣泛應用[1-3]。

相關國家與研究學者在生態足跡與生態承載力研究方面已經進入一定的發展階段，國外與國內在這方面的研究切入點有所不同。在國外，主要探討的內容是在水資源生態足跡中融入了水資源可持續發展與承載能力，并進行計算方法的改進等方面研究[4，5]。在國內，許多學者研究主要是從時間尺度上進行水資源生態足跡研究，比如，賈焰等[6]運用生態足跡方法研究了石羊河流域水資源承載力與生態赤字問題；葛強等[7]建立龍川江典型流域水資源生態足跡和生態承載力的計算模型，評估各用水方式下的水資源生態足跡和生態承載力特征；劉梅等[8]利用河北11 個行政區的水足跡和水足跡強度時間序列進行了分析，進一步探討了水足跡的時空差異。

在國內外相關研究成果的基礎上，考慮遼寧省水資源特點，構建遼寧省水資源生態足跡模型，對水資源生態足跡與生態承載力進行研究。通過結果比較，判斷遼寧省水資源承載力目前的承載狀況，為該省在水資源合理配置與可持續利用等方面提供指導性的依據。

1 研究區概況

遼寧省位于中國東北地區南部，南臨黃海、渤海，地理位置118°～125°E、38°～43°N。截至2020年底[9]，全省平均降水量748.0 mm，折合降水總量1 088.34億m3，比多年平均值少10.3%。降雨量分配不均，主要集中在7—8 月，占全年降水量的48.3%。全省水資源總量397.11 億m3，比多年平均值多16.2%。2020 年全省耗水量86.31 億m3，綜合耗水率67%。境內有大小河流400 余條，主要有遼河、渾河、大凌河、太子河、繞陽河以及界河鴨綠江等，組成遼寧省的主要水系。氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明，全年平均氣溫在7～11℃。2020 年，全省降水量、地表水資源量和水資源總量均多于多年平均值，地下水資源量少于多年平均值。與上年相比，水庫蓄水量有所增加，地下水水位總體平穩。

2 材料與方法

2.1 用水賬戶劃分與原始數據來源

生態足跡的計算具有高度的可重復性和廣泛應用。根據遼寧省水資源公報統計用水內容，主要包括了農業用水、工業用水、城鎮公共用水、生活用水和生態環境用水等。結合遼寧省實際情況，水資源生態足跡又可以分為農業、林牧漁畜業、工業和城鄉生活環境綜合用水足跡。

原始數據分別來自遼寧省水利廳編制的2017—2021 年的《遼寧省水資源公報》和遼寧省統計局編制的《遼寧省統計年鑒》等。

2.2 研究方法

以水資源可持續利用為方向，以水資源承載力計算為理論基礎，根據已有的相關成果，構建遼寧省水資源生態足跡與生態承載力模型，其中包含水資源生態足跡模型、水資源生態承載力模型、人均水資源生態盈虧及赤字、萬元GDP 水資源生態足跡。

2.2.1 水資源生態足跡模型

水資源的生態足跡是將每個用水賬戶的耗水量折算成相應的土地利用面積，然后通過國家或地區水資源產量因子和水源均衡因子參數，進行平衡計算與分析，最終得到區域相互比較的均衡值。水資源生態足跡模型包括農業用水生態足跡中的農業灌溉用水生態足跡、林牧漁畜用水生態足跡，工業用水生態足跡、城鎮公共用水生態足跡、生活用水生態足跡和生態環境用水生態足跡，建立模型為：

式中：WFef為水資源生態足跡（km2）；ωef為人均水資源生態足跡（km2/人）；WFa、WFf、WFi、WFc、WFl、WFe分別為農業灌溉用水生態足跡、林牧漁畜用水生態足跡、工業用水生態足跡、城鎮公共用水生態足跡、生活用水生態足跡、生態環境用水生態足跡（km2）；Wa、Wf、Wi、Wc、Wl、We分別為農業灌溉用水量、林牧漁畜用水量、工業用水量、城鎮公共用水量、生活用水量、生態環境用水量（m3）；γ為水資源全球均衡因子；P為世界水資源平均生產能力（m3/km2）；N為人口數量。

雖然，傳統媒體數字報收費遭遇了尷尬境遇，數字報紙付費模式尚未探尋到合適的發展模式。但是，隨著付費時代的到來，知識付費有望成為內容盈利的新渠道，數字報紙要不斷探索適合自身特點的付費模式，努力扭轉發展不利的局面。

2.2.2 水資源生態承載力模型

水資源生態承載力是以滿足水資源生態足跡為目標，為某一地區在某一發展階段水資源提供支持資源-社會經濟-環境發展的能力。考慮到一個國家或者地區的水資源承載能力中60%用于維護生態環境建設，因此水資源生態承載能力計算要乘以0.4的系數。其計算公式為：

式中：WFec為水資源生態承載力（km2）；N為人口數量；ωec為人均水資源生態承載力（km2/人）；ψ為水資源產量因子；γ為水資源全球均衡因子；Q為水資源總量（m3）；P為世界水資源平均生產能力（m3/km2）。

2.2.3 人均水資源生態盈虧及赤字

人均水資源生態盈虧及赤字就是指區域的人均水資源生態承載力與人均水資源生態足跡差額，能夠反映人均水資源可持續利用水平，ωrd為負值，說明生態赤字；ωrd為正值，說明生態盈余。其計算公式為：

2.2.4 萬元GDP水資源生態足跡

萬元GDP水資源生態足跡=WFef/GDP總值（10）

3 計算與分析

3.1 計算參數確定

水資源生態足跡和生態承載力計算模型中參數較多，參考相關研究文獻，需要確定計算基本參數，包括世界水資源平均生產能力P、水資源全球均衡因子γ、水資源產量因子ψ，具體取值結果詳見表1。

表1 水資源生態足跡與生態承載力計算參數[10，11]

3.2 綜合分析

遼寧省水資源生態足跡，詳見表2。遼寧省水資源生態足跡趨勢、水資源生態承載力趨勢、水資源生態盈虧及赤字變化及萬元GDP 水資源生態足跡變化，分別如圖1—4所示。

表2 遼寧省水資源生態足跡km2

圖1 遼寧省水資源生態足跡趨勢

根據表2結果可知，遼寧省各個用水情況的水資源生態足跡中農田灌溉用水生態足跡大于工業用水、生活用水、生態用水等水資源生態足跡。由圖1可以看出，遼寧省在近5 a內水資源生態足跡呈現逐年下降趨勢，以2018年為界點，先極速下降后再緩慢下降，2017—2018年年均下降率達到1.67%，2018—2021年年均下降率為1.02%。人均水資源生態足跡2021年比2017年下降了2.14%，其人均水資源生態足跡變化趨勢與水資源生態足跡變化基本一致。主要下降原因是農田灌溉用水、工業用水等呈現下降趨勢，林牧漁畜業、生態環境用水所占的比重比較少，總體用水量呈下降趨勢，導致水資源生態足跡也相應減小，說明推進重點工程和民生工程建設取得了一定效果。

由圖2 可以看出，遼寧省2017—2021 年水資源生態承載力呈現波動性變化，平均承載力為170 287.34 km2，呈現先升后降再升高趨勢，在2018年達到最高值285 857.93 km2，在2020年達到最低值為76 220.08 km2，最高值與最低值相差209 637.85 km2。同時，人均水資源生態承載力基本上與水資源生態承載變化趨勢一致，相似度極高，最高值與最低值變化達0.493 km2。

圖2 遼寧省水資源生態承載力趨勢

根據圖1與圖2比較，總的水資源生態足跡遠大于相應的水資源生態承載力，說明遼寧省水資源供給不足，不能滿足當前全省社會經濟發展需要。總體來說，2017—2021 年遼寧省水資源生態盈虧及赤字出現了先增加后下降的趨勢。圖3 顯示，在2018年和2019 年出現水資源生態盈余，其余3 a 出現了負值，說明出現了水資源生態赤字，其中2020 年最為嚴重，人均水資源生態赤字達到了-0.372 km2。2018年和2019年水資源生態盈余是由于連續2 a降雨量非常充沛，分別達到了924.2、751.1 mm，相應的水資源總量也比其他年份增多，提高了水資源承載能力，出現生態赤字是由于在用水總量不變情況下水資源總量低于平均水平所致。

圖3 遼寧省水資源生態盈虧及赤字變化

從圖4 可以看出，遼寧省生產總值在逐年增加，5 a 的增長率為28.9%；萬元GDP 水資源生態足跡呈現出持續下降的趨勢，年均下降率為24.5%。這說明遼寧省的水資源開發利用率在逐漸增長，與社會經濟快速發展趨勢是相一致的。

圖4 遼寧省萬元GDP水資源生態足跡變化

4 結論與建議

水資源生態足跡與生態承載力能夠反映區域的水資源可持續利用與變化狀況。通過建立水資源生態足跡與生態承載力模型，選取2017—2021 年為計算時段，計算遼寧省各個用水方式的水資源生態足跡與生態承載力變化。在連續5 a內，該省農田灌溉用水生態足跡大于林牧漁畜業用水、工業用水、城鎮公共用水、生活與生態用水的生態足跡，總的水資源生態足跡超過了水資源生態承載力，在2018 年和2019 年水資源出現生態盈余，其余各年出現生態赤字，2020 年達到最低值，生態赤字出現說明了不利于水資源的可持續利用。最后分析了萬元GDP 水資源足跡的變化，發展趨勢為逐年降低，說明水資源利用效率在不斷提高。

根據以上計算和分析結果，為保證遼寧省水資源的可持續利用，提出以下建議：①提高節水意識，改善農林牧漁畜業用水方式；②改善水資源供需方式，消除水資源用水安全隱患；③建立水資源法律體系，加強水資源管理；④進行產業調整，提高水資源利用率。