浑河流域生态足迹动态预测模型研究与应用

侯铁铮

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

流域生态承载能力是当前生态学研究的热点问题，其重要的衡量指标就是对生态足迹的分析，而生态足迹的含义在于影响流域水环境的工业以及废水污染物总和的估算[1]。通过对流域生态承载力尤其是未来情景模式下的估算，对于指导区科学域制定生态环境治理措施具有重要的意义[2]。从2017年开始，生态足迹估算在国内一些典型流域得到分析和应用[3-7]，主要是通过对工业和生活污水排污量的估算，采用数学模型，结合排污量以及区域社会经济发展数据，进行未来生态足迹演变趋势的分析，这其中非平稳时间序列模型应用较为成熟[8-13]。但在辽宁地区还未得到全面应用，浑河是辽宁中东部典型大型河流，对于沈阳、抚顺、鞍山等市社会经济发展具有重要的影响力，近些年来浑河流域生态环境治理措施正在逐步加大，为更科学的制定浑河流域生态环境治理方案，亟需要对其生态足迹进行估算和预测。为此文章结合非平稳时间序列模型，基于浑河流域水环境监测数据，对流域典型河段水生态足迹进行估算和预测，研究成果对于制定浑河流域生态环境治理措施具有重要的参考价值。

1 生态足迹动态预测模型

模型在生态承载力估算的基础上对其水生态足迹预测模型构建：

(1)

式中：ECr为生态承载能力估算的平均值，hm2；e为能量转换值，sej；P为能量密度值，hm2，其计算公式为：

(2)

生态承载能力现状条件下的估算方程为：

(3)

式中：EC0为生态承载能力现状条件下的估算值，hm2；i为各类生态指标；Ci为各类指标的估算值，hm2；yi为生态资源人均占有量，hm2；Ti为转换系数。生态足迹主要是对流域工业和生活两个层面生态承载力估算的综合：

(4)

式中：EF为生态足迹估算的平均值，hm2；i为各类水质指标；ai为不同水质指标下的生态足迹估算的平均值，hm2；Ci为不同水质指标影响程度。文章结合浑河流域水质、社会经济统计数据，对浑河流域现状条件下的生态足迹进行估算，形成训练样本，采用非平稳时间序列模[14]对其进行预测和分析。

2 浑河流域水生态足迹分析

2.1 区域概况

文章以浑河作为典型研究流域，浑河主要流经抚顺、沈阳、鞍山等市，在盘锦和太子河汇合后入海。浑河流域对于抚顺、沈阳、鞍山等市的生活、社会经济发展影响程度较高。近年来，通过对浑河流域水生态环境治理措施力度的不断加大，浑河流域水生态得到一定程度的改善，为持续保护浑河流域的水生态环境，需要制定科学的生态环境综合治理措施，为提高浑河流域水生态环境治理的效应，文章结合区域2009-2016年水质以及社会经济统计数据，通过建立非平稳时间序列模型，对浑河流域现状条件下的水生态足迹进行估算，在估算的基础上，通过非平稳时间序列模型建立水生态足迹预测模型，对其未来变化下的水生态足迹趋势进行演变分析。

2.2 模型检验

结合区域2009-2016年水质以及社会经济统计数据，建立非平稳时间序列模型对现状条件下的浑河流域水生态足迹进行估算，在估算的基础上，通过非平稳时间序列模型对浑河流域水生态足迹演变趋势进行分析，为保证模型的有效性，分别采用T检验和F检验对模型不同检验水平下进行分析，生态足迹估算模型的F检验和T检验结果，见表1。

表1 生态足迹估算模型的F检验和T检验结果

从文章建立的生态足迹估算模型的F检验和T检验结果可看出，模型在T检验3种检验水平下的检验值均可通过90%的置信度检验，其各水平下的均方差分均<检验值。从模型F检验分析结果可看出，3种检验水平下的F检验值均高于检验值的F检验值，随着检验水平的增加，其检验值有所减小，但也可通过90%的置信度检验。表明非平稳时间序列模型在区域水生态足迹估算均可通过90%的置信度检验，这主要是因为非平稳时间序列模型吻合区域水生态足迹时间变化的特点，因此其不同水平下的F检验值可通过90%的置信度检验，此外模型F检验在4%和7%水平下的检验值均高于平均检验值，在10%水平下的检验值高于平均检验值，因此非平稳时间序列模型在浑河水生态足迹估算可通过F检验和T检验。

2.3 生态足迹估算

在模型检验的基础上，对浑河流域2013-2020年的浑河流域现状条件下的生态足迹以及生态承载能力进行估算，浑河流域现状条件下的生态足迹及承载力分析，见表2。

从2013-2020年浑河流域现状条件下的生态足迹估算结果可看出，水消耗和水污染两个指标是生态足迹最主要的两个主成部分，尤其是水污染，该指标的生态足迹均值最大，能源消耗的生态足迹均值最低。通过综合分析浑河流域在2013-2020年现状条件下的生态足迹均值为3.71-4.70 hm2之间，且浑河流域现状条件下的生态足迹总体呈现递减变化，这主要是因为水污染指标得到一定程度的控制，从而相应的降低其生态足迹值。从现状条件下的生态承载能力估算值可看出，生态承载能力总体和生态足迹相反，随着年份的递增，其生态承载能力相应提高，这主要是因为随着浑河流域生态环境治理力度的加大，区域水污染和水消耗得到一定城的管控，降低了工业和生活污水排放，是得其生态足迹降低，而由于流域生态治理措施的提高，其生态承载能力也就相应的提升。

2.4 生态足迹演变趋势分析

在浑河流域现状条件下的生态足迹和生态承载能力估算后，采用非平稳时间序列模型对浑河流域未来条件下的生态足迹以及生态赤字演变趋势进行分析。浑河流域态赤字和生态足迹演变趋势分析结果，见图1。

表2 浑河流域现状条件下的生态足迹及承载力分析

生态演变 生态足迹演变

生态赤字主要为生态承载能力和生态足迹之差，从浑河流域生态赤字和生态足迹演变趋势分析结果可看出，浑河流域生态足迹总体呈现递减变化，而生态承载能力由于生态足迹递减而逐步递增，因此也使得区域生态赤字呈现一定程度的递减变化。通过其演变趋势发现，未来规划年浑河流域的生态赤字和总体唯一一个稳定时期，这主要是因为生态足迹递减变化幅度总体要高于生态承载能力，因此其生态赤字总体较为稳定。而在规划年，通过对不同用地方式下的生态足迹演变趋势可看出，耕地以及城镇用地对生态足迹影响较为显著，其次是林地和水域，这主要是因为耕地农业面源污染以及城镇用地点源排放污染负荷是区域生态足迹的重要组成部分，因此耕地和城镇用地对浑河流域水生态足迹影响明显。因此为改善区域水生态足迹，保护区域水生态健康发展，应该对区域农业结构进行调整，降低农业面源污染，此外重点关注流域内点源污染排放，对点源污染排放进行管控或者水处理，降低城镇用地的点源污染。

3 主要结论

1)非平稳时间序列模型在浑河流域水生态足迹估算均可通过90%的置信度检验，模型型F检验在4%和7%水平下的检验值均高于平均检验值，在10%水平下的检验值高于平均检验值，非平稳时间序列模型可适用于浑河流域生态足迹估算。

2)随着浑河流域生态环境治理力度的加大，区域水污染和水消耗得到一定城的管控，降低了工业和生活污水排放，是得其生态足迹降低，而由于流域生态治理措施的提高，其生态承载能力也就相应的提升。

3)改善浑河流域规划年水生态足迹，保护区域水生态健康发展，应该对区域农业结构进行调整，降低农业面源污染，此外重点关注流域内点源污染排放，对点源污染排放进行管控或者水处理，降低城镇用地的点源污染。