基于生态足迹模型的吉林省水资源可持续利用评价

朱光磊 赵春子* 朱卫红 佟守正

(1.延边大学 地理与海洋科学学院，吉林 延吉 133002； 2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，长春 130102)

水是人类赖以生存和发展的重要自然资源，合理开发和利用水资源是区域经济社会稳定发展的物质基础和保障[1]。已有研究从生态足迹角度分析得出水资源生态足迹时空变化是评价水资源可持续利用的重要内容[2]。水资源生态足迹理论是Hoekstra等[3-4]在生态足迹理论的基础上提出的，即：用生产性土地面积来度量一个地区人口或经济的水资源消费污水吸收水平的账户工具，可判断水资源的生态生产面积是否处于该区域生态承载能力范围。国内外研究主要集中在水资源生态足迹[5-6]、生态承载力[7-8]、城市生态需水量[9-10]、水环境生态安全评估[11]、水利工程生态补偿[12]、可持续利用情况[13-14]以及水资源和经济发展关系[15-16]等方面，基于生态足迹模型对我国以农业为主的省份水资源时间趋势变化和空间分布差异的研究尚少。吉林省作为东北老工业基地和农业大省，用于农业生产的水量占区域总用水量的70%以上，但由于气候变化与人为活动的影响，水资源紧缺问题已日益凸显，水环境安全态势不容乐观[17]。因此，本研究基于生态足迹理论，拟以吉林省为研究区，从时间尺度对其2004—2018年水资源可持续动态变化进行研究，从空间尺度对各市(州)2017年水资源开发利用的分布状况进行分析，以期总体评价吉林省水资源可持续利用情况，为缓解吉林省用水压力与水资源生态保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吉林省位于我国东北地区中部，松辽平原腹地，下辖8市1州，总面积为18.7 万km2，是我国重要的商品粮生产基地[18]，也是水资源总量不足的省份之一[19]。该区属于温带大陆性季风气候，四季分明，年平均气温为2～6 ℃，年平均降水量为400～600 mm，季节和区域差异明显，80%集中在夏季，东部降雨最为丰沛。以中部大黑山为界，分为东部山地和中西部平原两大地貌，地势呈东南高、西北低的特征。省内河流众多，主要为五大水系，即东部图们江水系，东北部绥芬河水系，东南部鸭绿江水系，西南部辽河水系，其他主要为松花江水系。

1.2 研究方法

1.2.1水资源生态足迹模型

水资源生态足迹用以表示区域的水资源代谢强度，反映区域水资源的消耗水平[20]。为了解吉林省水资源生态足迹的分布情况，本研究建立生产用水、生活用水和生态用水3 个二级账户。其中，生产用水分为农业用水和工业用水，模型如下：

EFw=γ×(W/Pw)

(1)

式中：EFw为水资源生态足迹，万hm2；γ为水资源全球均衡因子；W为水资源用水量，m3；Pw为水资源全球平均生产能力，m3/hm2。参考已有研究[21]，确定γ为5.19，Pw为3 140 m3/hm2。

1.2.2水资源生态承载力模型

水资源生态承载力是指在区域的经济、环境以及社会发展阶段，满足生态需水的可用水量能够维系有限发展目标的最大的水资源可持续利用能力[22]，模型如下：

ECw=0.4×γ×Φ×(Q/Pw)

(2)

式中：ECw为水资源生态承载力，万hm2；Φ为区域水资源产量因子[23]，计算公式如下：

Φ=P/Pw

(3)

P=V/S

(4)

式中：Φ为区域水资源产量因子；Q为区域水资源总量，m3；P为计算时段内的水资源生产能力，m3/hm2；V为计算时段内区域的水资源总量，m3；S为区域的面积，hm2。根据研究数据计算得2004—2018年吉林省水资源产量因子见表1，2017年各市(州)水资源产量因子见表2。

表1 2004—2018年吉林省水资源产量因子Table 1 Water resources yield factors in Jilin Province from 2004 to 2018

表2 2017年吉林省各市(州)水资源产量因子Table 2 Water resources yield factors of cities (states) in Jilin Province in 2017

1.2.3水资源生态盈亏模型

水资源生态盈亏是客观反映资源供需状况的指标[24]，其公式为：

EDw=ECw-EFw

(5)

式中：EDw>0为水资源生态盈余，表明研究区域水资源充足，有利于区域的经济发展；EDw<0为水资源生态赤字，表明研究区域水资源匮乏；EDw=0表示水资源利用处于临界状态。

1.2.4水资源生态压力模型

水资源生态压力可评估区域水资源生态健康程度[25]，公式如下：

EP=EFw/ECw

(6)

式中：EP=1时，表示该区域水资源生态环境供给平衡；01时，区域水资源生态环境处于危险状态，EP值越大，水资源生态环境恶化程度越高。

1.2.5万元GDP水资源生态足迹模型

万元GDP水资源生态足迹可反映研究区域内水资源生态足迹与经济发展水平之间的关系[26]，模型为：

Gw=EFw/GDP

(7)

式中：Gw越大，表明区域内用于经济发展所消耗的水资源量越多，利用效率越低，反之，利用效率越高。

1.3 数据来源

本研究相关数据来源于2004—2018年《吉林省水资源公报》[27]和2005—2019年《吉林省统计年鉴》[28](表3)。

2 结果与分析

2.1 时间变化趋势

2.1.1水资源生态足迹

2004—2018年吉林省水资源生态足迹变化趋势如图1所示，总体呈先波动上升后逐渐下降趋势，均值为1 955.05 万hm2，变化范围1 626.26～2 207.57 万hm2。在水资源各账户中，农业用水、工业用水、生活用水和生态用水生态足迹多年均值分别为1 325.06、362.72、199.79和66.59 万hm2，占吉林省水资源总生态足迹的67.78%、18.55%、10.22%、3.41%。这表明吉林省水资源生态足迹以农业用水为主。农业用水足迹呈波动上升趋势，这与全省农业节水灌溉工程的推广和使用还不完善有一定关系；工业用水生态足迹在2015年前呈波动上升趋势，自2016年起，其生态足迹逐年下降，说明近年来吉林省内工业较发达城市开始注重水生态环境保护，使工业用水消耗量减少；生活用水生态足迹占水资源比重虽小，但上升趋势显著，说明随着人口数量的增长和居民生活水平的提高，生活用水量也随之增加；生态用水生态足迹总体呈波动上升趋势，2011年最高，为130.08 万hm2，自2012年起生态用水生态足迹波动下降。

2.1.2水资源生态承载力

由图2可知，吉林省水资源生态承载力总体呈波动起伏变化，年际差异较大，2010年水资源生态承载力最高，为5 309.28 万hm2，2009年最低，仅为1 000.17 万hm2，年际之间相差5 倍以上。如图3所示，吉林省水资源生态承载力和年平均降雨量的年度变化规律基本一致，呈现显著正相关，相关系数为0.83，反映出吉林省年平均降水量对水资源生态承载力的影响具有关键性作用。

2.1.3水资源生态盈亏

如图4所示，2010年吉林省水资源生态盈余水平最高，为3 325.17 万hm2，2014年水资源生态亏损最多，为1 143.46 万hm2。在研究期的15年间，水资源生态亏损年份出现了9年，表明从近些年经济快速增长情况来看，水资源的消耗和利用导致了生态赤字问题，促进了人类资本的形成与加强，对于目前经济社会的发展起到了一定的推动作用；从长远角度来看，水资源生态环境的恶化，将会使经济社会发展受到一定程度的制约，间接阻碍区域的经济发展，这需要各产业部门围绕促进经济稳增长，加大重点水利改革力度，强化并严格水资源管理。

图1 吉林省水资源生态足迹变化趋势Fig.1 Variation trend of water resources ecological footprint in Jilin Province

图2 吉林省水资源生态承载力和年平均降水量变化趋势Fig.2 Variation trend of water resources ecological carrying capacity and annual average precipitation in Jilin Province

2.1.4水资源生态压力和万元GDP水资源生态足迹

由图5可见，2004—2018年吉林省水资源生态压力指数年际变化较大，临近和大于1的年份数多达12年，说明吉林省水生态环境处于危险状态，区域水资源生态环境恶化严重。在各账户中，农业用水生态压力指数远高于工业用水、生活用水和生态用水的水资源生态压力指数，其压力指数临近和大于1的年份共有10年，农业用水资源生态环境恶化明显，因此，吉林省应提高农业用水的利用率，大力推广农业节水灌溉工程，降低农业用水的生态压力。而工业用水、生活用水和生态用水各账户的生态压力指数均处于0～1，处于水资源可持续利用态，应继续保持各账户水资源的生态环境的良好状态。

如图6所示，2004年吉林省万元GDP水资源生态足迹最高，之后呈现逐年下降趋势，年平均降幅为10.42%，表明吉林省经济发展用水效率逐年提高，水资源的消耗和浪费逐渐减少。

图3 吉林省水资源承载力与年平均降水量之间的关系Fig.3 Relationship between water resources carrying capacity and annual average precipitation in Jilin Province

图4 吉林省水资源生态盈亏变化趋势Fig.4 Variation trend of water resources ecological surplus and deficit in Jilin Province

2.2 空间差异

2.2.1水资源生态足迹

如图7所示，2017年吉林省9个市(州)水资源生态足迹和人均水资源生态足迹空间分布具有明显差异。长春市水资源生态足迹最高，为403.13 万hm2，辽源市和白山市水资源生态足迹最低，分别为63.30和53.39 万hm2；人均水资源生态足迹水平白城市最高，为2.00 hm2/人，其次为通化市和松原市，分别为1.03和1.02 hm2/人，其余6个市(州)人均水资源生态足迹均为低值区，不足1.00 hm2/人，白山市最低，为0.45 hm2/人(图7)。水资源生态足迹较高的区域集中在农业用水和工业用水为主的白城市、通化市、松原市、长春市和吉林市，而白城市2017年人口数量较低，人均水资源生态足迹水平最高。

图5 吉林省水资源生态压力指数变化趋势Fig.5 Variation trend of water resources ecological stress index in Jilin Province

图6 吉林省万元GDP水资源生态足迹Fig.6 Water resources ecological footprint per ten thousand yuan GDP in Jilin Province

2.2.2水资源生态承载力

如图8所示，2017年吉林省各市(州)水资源生态承载力空间分布相差悬殊，高值区依次为延边州、吉林市和白山市，分别为744.20、663.69和477.25 万hm2，其他地区水资源生态承载力均低于150 万hm2，辽源市水资源生态承载力最低，为11.25 万hm2。由于吉林省东部属山地地貌，区域内水系发达，临近日本海，降水量和水资源总量较大且蒸发量小，水资源生态承载力自东部延边州向西北和西南地区递减。受人口数量的影响，吉林省各市(州)人均水资源生态承载力水平最高的地区为白山市和延边州，分别为3.99和3.54 hm2/人，其次是吉林市，为1.60 hm2/人，其他地区人均水资源生态承载力均不足0.40 hm2/人，辽源市最低，仅为0.10 hm2/人。可见，吉林省各市(州)水资源生态承载力和人均水资源生态承载力空间分布具有一致性。

图7 水资源生态足迹与人均生态足迹空间分布Fig.7 Spatial distribution of water resources ecological footprint and per capita ecological footprint

图8 水资源生态承载力与人均生态承载力空间分布Fig.8 Spatial distribution of water resources ecological carrying capacity and per capita ecological carrying capacity

2.2.3水资源生态盈亏

由图9可知，吉林省各市(州)水资源生态盈亏自延边州向白城市和通化市递减，空间差异分布显著。延边州境内因松花江、图们江、牡丹江、绥芬河等水系众多，水资源总量丰富，降水丰沛，故水资源生态盈余水平最高，为591.81 万hm2。白山市境内北部为松花江水系，南部为鸭绿江水系，水资源生态盈余为423.87 万hm2。吉林市境内分布第二松花江水系，湖泊分布广泛，湿地和水库众多，水资源生态盈余为292.96 万hm2。其他6个市均为水资源生态赤字状态，其中，白城市水资源生态赤字状况严重，高达361.50 万hm2，这与该地区降水量较少，境内水系欠发达，多季节性河流，且区域供水以地下水为主[29]有较大关系。吉林省各市(州)人均水资源生态盈亏与水资源生态盈亏分布基本一致，白山市和延边州人均水资源生态盈余水平最高，分别为3.55和2.82 hm2/人，白城市人均水资源生态亏损最高，为1.89 hm2/人。

图9 水资源生态盈亏与人均生态盈亏空间分布Fig.9 Spatial distribution of water resources ecological surplus and deficit and per capita ecological surplus and deficit

2.2.4水资源生态压力指数与GDP水资源生态足迹

由表4可见：白山市、延边州和吉林市水资源生态压力指数分别为0.11、0.20、0.56，水资源生态环境最佳；其他各市受地理位置、降水量、产业结构和区域蓄水能力等因素影响，水资源生态压力指数均大于1，表明吉林省中西部区域水资源生态环境危险程度较高，急需采取有效的水资源调控和环境保护措施，合理调整产业结构，缓解城市生态用水压力。其中，水资源生态压力指数最高的白城市，农业用水量大，区域内降水少,蒸发大，是吉林省严重缺水的地区，水资源匮乏是制约白城市社会经济发展的主要因素[30]。

各市(州)中，长春市、辽源市和白山市的万元GDP水资源生态足迹较低。其中，长春市属于吉林省经济较为发达地区，水资源利用效率高；辽源市和白山市的GDP和用水总量相对于省内其他城市均较小，水资源利用效率水平较高；吉林市因工业经济规模较大，工业产值经济占比较大，以耗水型工业为主，水资源利用效率比较低；延边州虽然水资源丰富，自2015年高速铁路开通以来，旅游业发展势头良好，但支柱产业仍以工业和农业为主，用水量大，导致水资源利用效率也较低。四平市、通化市、白城市和松原市是省内农业高度发达的地区，农业用水占区域总用水量的70%以上，特别是白城市地下水供水比例高达95%以上，农业水资源大量流失，水资源利用效率普遍很低。因此应加大产业调整力度，严格控制耗水量大的企业发展，加强农业灌区的管理，发展农业灌溉技术，提高各地的用水效率。

表4 吉林省各市(州)水资源生态压力指数与GDP水资源生态足迹Table 4 Water resources ecological stress index and Water resources ecological footprint per ten thousand yuan GDP in each cities (states) of Jilin Province

3 结论与建议

1)2004—2018年，吉林省水资源生态足迹呈波动上升后逐渐下降趋势，农业用水生态足迹占水资源总生态足迹的67.78%，是最主要的用水形式；受年降水量的影响，水资源生态承载力和生态盈亏呈现波动变化；农业用水生态环境已处于危险状态，工业用水、生活用水和生态用水各账户水资源的生态环境良好，均处于水资源可持续利用状态。总体来看，吉林省用水程度超出了水资源承载力，导致水资源出现生态赤字状态，表明产业结构协调仍需加大力度，减小各产业的用水成本。

2)2017年，吉林省水资源生态足迹较高的区域集中在农业和工业为主的白城市、松原市、通化市、长春市和吉林市；东部区域降水量大，水资源丰富，水资源生态承载力白山市和延边州最高，并向西北和西南地区递减；在各市(州)中，白城市水资源生态亏损严重且水生态安全状况较差；长春市、辽源市和白山市的水资源利用效率较高，其他城市的用水效率均较低；全省只有白山市和延边州的水资源储备充足，开发潜力较大。

3)本研究采用的生态足迹模型能够较好地表明吉林省水资源开发利用状况，但也存在一些不足，由于资料有限，未考虑各产业污水处理用水量对水资源生态足迹的影响，因此有待于进一步研究。

4)综上所述，吉林省水环境安全整体态势良好，但农业用水生态环境已处于危险状态，生态用水量不足，区域间水资源总量和水环境安全状况差异较大，全省大部分城市存在水资源短缺的现象。应在“优先开发地表水，严格控制地下水”的原则下，增加节水灌溉示范区，改传统漫灌为更加节水的滴灌和喷灌，推进引嫩入白、大安灌区、大型灌溉排水泵站更新改造等水利工程建设，从而节约农业用水量，避免不必要的浪费，提高农业用水效率，减轻对吉林省粮食安全的影响；工业生产方面，在当前发展的基础上，结合区域自身发展的实际情况，加大科技投入，提升传统工业技术设备水平和科技含量，控制耗水量大的企业发展，减弱工业发展对水环境的压力；对于生态用水量不足方面，除了适当增加地表水用量外，还应加强污水处理工程建设，推进污水截流、收集、纳管，将处理后污水资源用于城乡景观绿化，从而缓解吉林省用水压力，改善水环境安全状况，以期实现吉林省水资源的可持续发展和利用。