辽河流域水资源生态足迹及生态承载力时空分析研究

赵 博

（辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110003）

生态足迹理论诞生于1992 年，由加拿大学者William E.Rees提出，并由其学生对计算方法进行完善。该理论最初通过生态空间占用大小分析人类生活消耗与自然资源供给之间的平衡关系，对比相应的生态承载力，衡量区域发展与自然资源供给之间的矛盾关系［1-2］。生态足迹是衡量资源可持续利用的一种综合核算工具，主要用于某一区域可持续发展的定量测度和评价［1］。水资源生态足迹计算的是平均面积上的水资源需求量，便于进行区域间的比较，用水量较小的地区水资源生态足迹一般较小，会出现生态盈余，反之则相反。但是，以往的研究在水资源不同的消费方式、参数估计和生物生产面积计算等方面的问题均没有得到很好地解决，还有待进一步研究［2］。王耕等［3］对辽河全境，包括河北、辽宁、内蒙古、吉林4 省区的整体的水资源生态足迹进行了计算，未对辽宁省境内不同地区的水资源生态足迹进行分析计算。通过文献检索，相关研究的基础数据较陈旧，且未对辽宁省境内的辽河流域各区域进行系统分析，因此本文基于2012—2017年最新的水资源及社会经济数据，基于水资源生态足迹模型，对各区域生态承载力进行分析，通过分析，为辽河流域高质量发展的水资源配置提供基础的数据支撑。

1 研究区概况

辽河是辽宁省的母亲河，是全国七大流域之一，属温带大陆性气候，四季分明。流域总面积37927km2，流域多年平均水资源总量为59.83 亿m3，辽河水系比较复杂，仅干流就有38 条一级支流。年降水由东南至西北逐渐减少，东部山区和南部沿海等年降水量约为900mm，辽西、辽北地区年降水量约为300mm。从整个辽河流域来看，降水量各年份间存在差异，部分年份变化较大，丰水年与枯水年降水量比值约为1.1～3.5。辽河流域降水集中在主汛期，主汛期的降水量占全年七成及以上，冰封期及平水期降水量较小。流域年蒸发量与降水量变化趋势正好相反，蒸发量自东南山区向西北干旱区递增，加剧了辽河流域水资源的不均衡分布。

辽河在辽宁省内流经铁岭、沈阳、鞍山、盘锦、抚顺、阜新和锦州7 市，2017 年7 市的国民生产总值总和为11516 亿元，占全省国民生产总值的49.2%，其中沈阳市国民生产总值最多（见表1）。辽河流经的区域多为县、乡镇等农村段，城乡结合部，市区较少。辽河流域水资源量年际间变化较大，见表2。由表2 可知，2014 年、2015 年、2017 年的水资源量较少，比多年平均值偏少40%左右，为干旱年份；2012 年、2013 年为偏丰水年。

表1 辽河流域行政区情况统计

表2 辽河流域水资源量年际变化

2017 年辽河流域用水情况见表3。由表3 可知，农田灌溉及林牧渔畜农业用水量占总用水量的82%，占比大；工业用水只占总用水量的5%；居民生活及城镇公共用水量约占总用水量的9%；生态用水量占总用水量的4%。可见，辽河流域以农村及城乡结合部为主，农业是流域内的主要产业，边际用水效益偏低。

表3 辽河流域2017 年用水量 单位：亿m3

2 研究方法

2.1 水资源生态足迹模型［4-5］

水资源生态足迹的计算模型可分别计算生产、生活及生态3 类水资源生态足迹：

式中：EFW为水资源生态足迹，hm2；N为人口数；efW为人均水资源生态足迹，hm2/人；γW为水资源的全球均衡因子；W为人均消耗的水资源量，m3/人；PW为全球平均单位面积水生态足迹可供水资源量，m3/hm2。

2.2 水资源生态承载力模型

式中：ECW为水资源生态承载能力，hm2；eCW为人均水资源承载能力，hm2/人；α为水资源开发利用系数，取0.4；φ为区域水资源的产量因子；Q为水资源总量，m3。

2.3 水资源生态盈余和水资源生态赤字

将区域内水资源消耗产生的生态足迹和生态承载力相比较，就会得出水资源生态赤字和水资源生态盈余，此指标可用来判断研究区域内水资源的可持续利用情况［6］。

水资源生态盈余（赤字）=ECW-EFW

当ECW＞EFW时，为水资源生态盈余；当ECW=EFW时，为水资源生态平衡；当ECW＜EFW时，为水资源生态赤字。

2.4 模型参数

水资源全球多年平均产水模数为3140m3/hm2［7］。国内采用WWF2000 年核算的水资源全球均衡因子，为5.190。辽宁省辽河流域多年平均水资源量为59.83 亿m3，流域面积为37927km2，二者的比值为辽宁省辽河流域多年平均产水模数，为1577m3/hm2，仅为全球多年平均产水模数的一半。区域水资源的产量因子为该区域水资源平均生产能力与世界水资源平均生产能力的比值，即辽河流域多年平均产水模数与全球多年平均产水模数的比值为辽宁省的产量因子，经计算为0.502。

2.5 资料来源与流域数据处理

本研究需要通过水资源量、人口数量计算人均生产、生活、生态水资源消耗量。水资源量数据来源于《辽宁省水资源公报》（2012—2017 年），各年度各地区人口数量来源于《辽宁省统计年鉴》（2012—2017 年），采用常住人口数据。辽河流域各地区用水量数据依据《辽宁省水资源评价成果（第二次）》计算。人口数据按照流域分区内的行政区面积计算，见表4。

表4 辽河流域内各行政区常住人口 单位：万人

3 计算结果与分析

3.1 人均水资源生态足迹变化分析

3.1.1 变化趋势

根据水资源生态足迹模型公式，各行政区流域内面积见表1，行政区内常住人口见表4，根据流域内用水总量和生产、生活、生态用水量数据（数据来源于2012—2017 年《辽宁省水资源公报》），逐年计算人均水资源生态足迹，计算结果见表5、图1。由表5、图1可知，人均水资源生态足迹同一地区各年份间变化不大，流域内不同地区间数值相差较大。其中盘锦市和铁岭市人均水资源生态足迹值大于1hm2/人；抚顺市和鞍山市人均水资源生态足迹较小，小于0.2hm2/人；阜新市、沈阳市人均水资源生态足迹值在0.4hm2/人以内；锦州市与总体人均水资源生态足迹接近，大于0.4hm2/人。

表5 辽河流域内各行政区人均水资源生态足迹计算结果 单位：hm2/人

图1 辽河流域各行政区人均水资源生态足迹变化

3.1.2 原因分析

辽河流域内的7 个行政区中，铁岭市所占面积最大，为12407km2，辽河为铁岭市各类用水的主要来源。盘锦市在流域内的面积较少，只有2478km2，主要为盘山县、大洼县，用水主要为灌区农业用水，用水效率较其他行业偏低，因此水资源生态足迹值偏大。

3.2 各类用水的水资源生态足迹变化分析

3.2.1 变化趋势

计算辽河流域水资源账户下生产用水、生活用水、生态用水的水资源生态足迹，计算结果见表6。除阜新市、锦州市外，同一地区生产用水的水资源生态足迹在年际间总体上呈现轻微下降的趋势，如沈阳市的生产用水水资源生态足迹由2012 年的0.187hm2/人下降至2017 年的0.181hm2/人，其中2015 年与2016 年略有上升，是这两年沈阳市农业用水量增加造成的。同一地区的生活用水和生态用水水资源生态足迹逐年增加。

表6 辽河流域各行政区逐年人均生产、生活、生态用水水资源生态足迹 单位：hm2/人

辽河流域各地区，各类用水账户下的水资源生态足迹均呈现出与总的水资源生态足迹相同的趋势。铁岭市、盘锦市的生产、生活用水水资源生态足迹较大，鞍山市及抚顺市的偏小，沈阳市、阜新市、锦州市居中。

3.2.2 原因分析

铁岭市、盘锦市是辽河流域的主要用水户，且农业用水量占比较大，用水效率及单位水资源产出均偏低。在流域各城市中，阜新市和锦州市的生产用水水资源生态足迹呈现出整体上升的趋势，这两座城市地处辽宁西北部，水资源禀赋较小，农业及工业用水效率提高较慢，节水空间较小。其余城市生产用水水资源生态足迹呈现出小幅上涨又缓慢回落的趋势，这与辽河流域2014 年、2015 年为偏枯年份，水资源量偏少，农业用水量增加有关。

3.3 人均水资源生态承载力变化分析

对辽河流域内7 个行政区的逐年人均水资源生态承载力进行计算，并计算生态盈余，计算结果见表7。由表7 可知，流域总体生态承载力偏低，生态盈余为负值，随着年份的增加，辽河流域生态承载力呈现显著下降趋势，生态赤字越发严重，且水资源生态承载力与降水量及水资源量呈现出密切相关性，2014 年、2015 年及2017 年的水资源生态承载力偏低，仅为0.08～0.10hm2/人，可见，水资源作为刚性约束，在辽河流域呈现出紧张态势。同时，除鞍山市和抚顺市外，辽河流域各市及辽河流域总体的水资源生态盈余均为负值，出现了水资源生态赤字，最严重的为盘锦市，生态赤字超过-1.00hm2/人，达到了-1.24hm2/人；铁岭市的生态盈余接近-1.00hm2/人；沈阳市、阜新市、锦州市生态盈余为-0.30hm2/人左右，也应引起足够重视。结果表明虽辽河流域的水资源利用率维持在较高水平，水资源供需矛盾仍然突出，随着生态用水量的增加，辽河流域的生态盈余缺失，生态赤字在流域大多数行政区常年存在，分布情况见图2、图3。

图2 2017 年辽河流域生态足迹分布情况

图3 2017 年辽河流域生态盈余分布情况

表7 辽河流域各市逐年人均水资源生态承载力计算 单位：hm2/人

4 结论与建议

4.1 结论

本文依托辽河保护区河流健康修复课题和辽河流域生态高质量发展研究课题，通过分析辽河流域基本情况，收集2012—2017 年辽河流域人口和水资源开发利用数据，基于生态足迹模型计算辽河流域人均水资源生态足迹和人均水资源生态承载力，分析辽河流域水资源人均禀赋情况，得到如下结论。

a.辽河流域出现了水资源生态赤字，供需矛盾长期存在。ⓐ根据计算结果，辽河流域人均水资源生态承载力为0.10～0.22hm2/人，与国内其他地区相比，不足四川省的1/6，与延吉市相当［8］；ⓑ水资源生态足迹同一地区各年份间变化不大，流域内不同地区间数值相差较大，辽河流经地区农业用水较多，用水效率较其他行业偏低，水资源生态足迹值偏大；ⓒ同一地区生产用水的水资源生态足迹在年际间总体上呈现轻微下降趋势，同一地区的生活用水和生态用水水资源生态足迹逐年增加；ⓓ辽河流域各市及总体的水资源生态盈余多为负值，出现了水资源生态赤字。

b.辽河流域用水结构单一，水资源利用效率偏低。通过本文研究分析，辽河流域7 个城市，农业用水量占比为82%，工业用水占比为5%，用水结构单一，单位水资源量产出效益偏低，流域水资源生态足迹偏大。

4.2 建议

a.应重视水资源刚性约束，以水而定，量水而行，大力发展节约用水。辽河流域是辽宁省“十四五”治理的重点流域，全省正在打造辽河国家湿地公园，进行高质量发展规划。通过本研究，梳理了辽河流域水资源生态足迹及承载力的时空变化趋势，研究表明，辽河流域水资源生态赤字长期存在，是制约辽河流域高质量发展的第一要素。在规划及发展研究中，应重视水资源刚性约束的地位，大力发展节约用水。ⓐ应改变农业产业布局，提高灌溉水利用系数，从农业产业布局、结构、规模的角度，研究提高经济作物种植比例，发展膜下滴灌、微灌技术，将农业产业发展提到重要位置；ⓑ改变区域发展格局，从农业产业为主向生态产业为主转变，辽河流域内主要以农村及城乡结合为主，应将农耕为主的农村产业布局向以生态观光、旅游型、生态型新农村转变，引导小微企业发展，以高效能替代高耗能，提高水资源利用效率和效益；ⓒ进一步推进工业节水改造，提高工业水重复利用率。

b.优化水资源配置，统筹流域间输配水工程。辽河流域水资源量短缺，经过多年治理，辽河水质逐年好转，应该深入研究流域水资源优化配置，用好外调水。目前，辽宁省辽西北输水工程及大伙房输水工程均已建成通水，应尽快完善辽河流域水资源优化配置，增加辽河流域水资源生态承载力，推进经济社会系统水资源供需再平衡。结合流域内农业用水量较大的实际情况，研究农业灌溉用水规律，建立农业用水及生态用水耦合的生态调度规则，缓解流域生态用水压力，促进河道内外生态水量再平衡。

c.加强流域综合治理，促进流域 高质量发展。通过本文的分析计算，辽河流域水资源生态承载力偏低，流域内7 个地区有5 个连续6 年出现了生态赤字，这一问题应引起技术人员和管理人员的足够重视，多角度维护水资源的经济安全维系作用。探索一条系统化、综合性的流域、区域统筹治理的高质量发展的道路，从优质水资源、防洪保安全、宜居水环境、健康水生态等多个领域共同推进。保护水生态环境，涵养水源，在流域内或者跨流域实施生态补偿机制、水资源管理制度等非工程措施，加强流域综合治理。