黑龙江流域中俄水资源承载力对比分析

李梦玲， 戴长雷*， 高宇， 李梦宇

(1.黑龙江大学寒区地下水研究所， 哈尔滨 150080； 2.黑龙江大学水利电力学院， 哈尔滨 150080； 3.黑龙江大学中俄寒区水文和水利工程联合实验室， 哈尔滨 150080； 4.中国水利水电科学研究院， 北京 100038)

水资源是人类社会经济发展和自然生态系统平衡的基础性资源，水资源承载力关系着城市发展的可持续性，目前受到世界各国学者的广泛关注[1-2]。黑龙江流域内含有重要的中俄跨国界含水层[3]，其水资源状况对中国侧区域的经济社会发展以及生态保护等方面均具有极其重要的影响。

中外对水资源承载力的研究较为广泛。中国对于水资源承载力的分析集中在长江[4-5]、黄河流域[6-7]，主要方法有模糊综合分析[8-9]、灰色关联法[10]、Bayes-TOPSIS模型[11]、主成分分析法[12-13]等。于钋等[14]和刘洪霞等[15]结合水足迹模型对区域水资源承载力进行分析。Yang等[16]和Khorsandi等[17]从城市发展规划和人民生活等方面阐述了水资源承载力分析的重要性。各种方法受到原始数据指标、地质特征等方面的影响，具有不同的适应性。对于黑龙江流域的研究多为水文地理[18]、冰情洪水[19-20]及其支流的径流[21]等方面。中俄两国针对2013年汛期黑龙江发生的流域大洪水开展了联合调查[22]。Makhinov等[23]对黑龙江的冰情特征和洪水形成过程进行了分析。Shesterkin等[24]和Kulakov等[25]研究了黑龙江流域俄罗斯侧的哈巴罗夫斯克附近主要支流的水文和水化学特征。李明亮等[26]构建了黑龙江流域的分布式水文模型，对流域水文规律进行了研究。但对黑龙江流域的水资源承载力研究较少，且对中俄进行对比分析甚少。

现对比黑龙江流域中俄两国相关研究区域的供水能力、生产水足迹等特征，采用经济发展程度-水资源开采程度(RG-RP)关系图法分析两国的水资源承载能力，更加全面地了解黑龙江流域中俄两国的水资源状况，以期为黑龙江流域水资源高效利用和流域生态保护提供参考。

1 研究区概况

黑龙江是重要的中俄界河，也是中国最大的跨界河流之一[27]，在俄罗斯境内被称为阿穆尔河，其流域面积广阔[28]。选取流域内的中国和俄罗斯两国共9个相关研究区。中国侧4个研究区为：黑龙江省、内蒙古自治区、辽宁省以及吉林省。俄罗斯侧5个研究区均位于俄罗斯的远东联邦管区，分别为：大陆性气候较为显著的外贝加尔边疆区、境内有结雅河和布列亚河的阿穆尔州、作为俄罗斯唯一自治州的犹太自治州、位于远东地区中心部分的哈巴罗夫斯克边疆区、俄罗斯远东最东南部分的滨海边疆区。

中国侧4个研究区的人口显著多于俄罗斯侧，其中辽宁省人口最多；内蒙古自治区的面积最大。俄罗斯侧犹太自治州的人口和面积均为9个研究区中的最低。

2 数据与方法

2.1 数据来源

对黑龙江流域中俄水资源承载力进行对比分析，涉及流域内中俄共9个研究区2011—2018年的人口、水资源总量、地表水量、地下水量、人均生产水足迹、人均用水量以及国内生产总值(gross domestic product，GDP)等指标作为基础数据。生产水足迹统计数据来源于water footprint network，俄罗斯侧相关数据来源于俄罗斯联邦自然资源和生态部的国家报告《关于俄罗斯联邦水资源利用状况》，中国相关数据来源于《中国水利统计年鉴》以及《中国统计年鉴》等。

2.2 研究方法

水资源承载力同时受到自然因素以及社会因素的共同影响。自然因素主要为区域气温降水、地形地貌以及水文地质特征等，制约着水资源的供给能力，对水资源可利用量起着决定性作用。社会因素主要由于水资源在社会经济发展的各个方面都起着重要作用，不同领域的用水效率对水资源承载力具有重要影响。

2.2.1 水资源承载力分析方法

参考刘敏等[29]提出的定量评价地下水承载力的新方法作为基础，对黑龙江流域中俄两国的水资源承载力进行对比分析。水资源承载力的定义为：在一定社会经济发展阶段下，以现阶段的经济、技术和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，以区域水资源的最大可利用量为前提，水资源对区域社会经济发展的最大支撑能力，以可支撑的GDP表示[30]。

由此，水资源承载力为可反映水资源利用和社会经济发展之间的关系，可表达为

G=θW

(1)

式(1)中：G为水资源支撑的社会经济发展规模(GDP)，元；θ为用水效率；W为水资源的可利用量，可视为气候降水、地形地貌以及区域水文地质特征、水资源开采条件等社会和自然因素的函数。

中俄两国不同地区由于自然环境和社会发展程度存在较大差异，因此各地的水资源可利用量和用水效率各不相同，为比较中俄两国各研究区的水资源承载能力，统一衡量标准。选取研究区域中综合用水效率最高研究区的用水效率值(θm)作为期望值。参考刘敏等[29]提出的经济发展程度与地下水开采程度关系图法，绘制经济发展程度-水资源开采程度(RG-RP)关系图。

Ghi=θmPi

(2)

(3)

RG=Gs/Gh×100%

(4)

RP=Wr/Wa×100%

(5)

式中：Ghi为第i个研究区理论上水资源可支撑的GDP规模；θm为区域用水效率；Pi为第i个研究区的水资源开采量；Pij为第i个研究区第j产业的水资源开采量；θij为第i个研究区第j产业的用水效率；Gs为水资源实际支撑的GDP规模；Gh为理论上水资源可支撑的GDP规模；Wr为水资源开采量；Wa为水资源的可利用量；RG为经济发展程度；RP为水资源开采程度。

根据式(2)～式(5)，则可计算出研究区各研究区的水资源支撑的经济发展程度(RG)以及水资源开采程度(RP)，绘制RG-RP关系图，如图1所示，将黑龙江流域中俄两国共9个研究区的RG-RP投影到区域内，如果落在Ⅰ区，则说明该研究区的水资源利用程度较低，水资源对于社会经济发展的影响较小；如果落在Ⅱ区，则表明该研究区水资源使用情况已发生超载，但社会经济发展水平并未超载，可采取相应措施，恢复水资源承载能力；如果落在Ⅲ区，则表明该研究区不仅水资源使用情况超载，经济发展也出现超载现象，很难通过采取措施恢复水资源状况。

图1 RG-RP关系图Fig.1 RG-RP diagram

2.2.2 流域生产水足迹分析方法

根据黑龙江流域中俄两国各研究区人均生产水足迹统计数据，结合人口数量，得到各研究区的生产水足迹，并根据式(6)和式(7)分别计算区域生产水足迹模数[31]及水资源压力指标[32]。对比流域内中俄两国各研究区的生产水足迹状况，对水资源承载力分析提供参考。

(6)

(7)

式中：M为区域生产水足迹模数；F为区域生产水足迹；S为区域面积；P为区域水资源压力指标；Q为水资源可利用量。

3 结果与分析

3.1 黑龙江流域中俄供水能力分析

黑龙江流域中国侧的4个研究区，2011—2018年供水能力如图2所示，4个研究区变化程度较小。黑龙江省由于含有黑龙江、松花江、乌苏里江以及绥芬河四大水系，在4个研究区中供水能力最强，约为另外3个研究区的2倍。内蒙古自治区的供水能力排在第二位，省内有大兴安岭、贺兰山等山脉，全年降水量50～450 mm。辽宁省供水能力稍高于吉林省，其东南边以鸭绿江为界于朝鲜相邻。4个研究区中供水能力最弱的吉林省，其境内的第一大河为第二松花江，在扶余县与嫩江汇合成松花江干流。

黑龙江流域俄罗斯侧各研究区2018年的供水能力及经济发展情况如图3所示。哈巴罗夫斯克边疆区的水资源量最多，但其用水量同样最大；滨海边疆区的水资源量及用水量均最小，但其GDP最高，犹太自治州水资源量在5个研究区中排在第二，但其GDP为最小值；阿穆尔州的水资源量大于外贝加尔边疆区，但两研究区的经济发展程度基本一致。

图2 黑龙江流域中国侧各研究区供水能力Fig.2 Water supply capacity of each study area in China side of Heilongjiang River Basin

图3 黑龙江流域俄罗斯侧各研究区供水能力Fig.3 Water supply capacity of each study area in Russia side of Heilongjiang River Basin

3.2 生产水足迹比较分析

黑龙江流域中俄两国的9个研究区的生产水足迹如表1所示。

在生产水足迹方面，中国侧远大于俄罗斯侧，分别为3 013.8×108L/d和179.3×108L/d。其中辽宁省的生产水足迹最多，为1 264.1×108L/d，犹太自治州的生产水足迹最少，为9.1×108L/d。生产水足迹模数能够更加清楚地表现区域单位面积的生产水足迹。在生产水足迹模数方面，黑龙江流域内中国侧的4个研究区单位面积生产水足迹远大于俄罗斯侧的5个研究区。

从表1的水资源压力指标中能够看出，中国侧的水资源压力明显大于俄罗斯侧，其中辽宁省最为显著。由于中国侧4个研究区的人口远大于俄罗斯侧，且各研究区的经济发展程度高于俄罗斯的远东边疆区，对水资源的需求量较大，因此区域水资源压力指标普遍高于俄罗斯侧。

3.3 中俄水资源承载力对比分析

根据各研究区用水效率、水资源开采量、社会经济发展程度等计算得出各研究区的水资源开采程度及其支撑的经济发展程度，并将其投影到RG-RP关系图中，如图4所示。黑龙江流域中俄共9个研究区均没有落在Ⅲ区，表明各研究区没有发生水资源使用和经济发展同时超载的情况。中国侧在流域内的4个研究区均位于Ⅰ区，说明各研究区的经济发展情况对区域水资源的依赖性较低，且4个研究区的投影点距离用水效率线较近，表明用水效率相对较高。俄罗斯侧的外贝加尔边疆区、阿穆尔州、哈巴罗夫斯克边疆区的投影位于Ⅰ区内，表明其经济发展对水资源的依赖性较低，但用水效率需要进一步提高。滨海边疆区落在用水效率线上部，表明其水资源的利用效率较高，且水资源开采程度及所承载的经济发展均为超载，与上述供水能力分析结果一致，经济发展程度在俄罗斯侧高，但其供水能力最低。9个研究区中，仅有犹太自治州的投影落在Ⅱ区，表明水资源的开采程度处于超载状态，且区域的用水效率较低，经济发展水平也较低，可通过提高用水效率等措施加强区域经济发展水平，降低水资源承载能力。

3.4 结果分析

综上，黑龙江省和哈巴罗夫斯克边疆区的供水能力较大，中国侧4个研究区的水资源压力值相比俄罗斯侧较大。在水资源承载力分析中，黑龙江流域中俄两国共9个研究区仅有俄罗斯侧的犹太自治州水资源开采程度超载，其余研究区均在承载范围内。但整体上来看，中国侧4个研究区相比俄罗斯侧5个研究区的用水效率较高，且水资源使用程度较低，整体状况优于俄罗斯侧。

黑龙江流域含有较大面积的中俄跨国界含水层，两国相关地区的水资源利用情况对跨国界含水层的水量交换影响重大。中国侧涉及的4个研究区水资源量较为充足，开发程度低，但水资源压力值较大，应通过制定合理的水资源开发利用措施提高水资源利用效率，在水资源承载力的范围内，推动经济发展。同时应加强中国与俄罗斯在流域中俄联合监测、跨境流域环境保护等方面的协调与落实。

4 结论

基于黑龙江流域中俄两国9个研究区的水资源量、经济发展状况、用水量、生产水足迹等基础资料，对比分析了中俄两国各研究区的供水能力、生产水足迹以及水资源承载力，得到以下初步结论。

(1)黑龙江流域中国侧的4个研究区供水能力排序为：黑龙江省>内蒙古自治区>辽宁省>吉林省；俄罗斯侧5个研究区中供水能力排序为：哈巴罗夫斯克边疆区>犹太自治州>阿穆尔州>外贝加尔边疆区>滨海边疆区。

(2)中国侧4个研究区的生产水足迹明显高于俄罗斯侧的5个研究区，其中辽宁省的生产水足迹最多；且中国侧的水资源压力普遍高于俄罗斯侧。

表1 黑龙江流域中俄生产水足迹

图4 黑龙江流域中俄水资源承载力RG-RP关系Fig.4 RG-RP relationship of water resources carrying capacity between China and Russia in the Heilongjiang River Basin

(3)黑龙江流域中俄两国超过80%的研究区水资源开发利用程度较低，未发生水资源超采的情况；中国侧的用水效率整体高于俄罗斯侧，水资源使用状况较好。

(4)黑龙江流域涉及的中国侧4个研究区应制定科学合理的用水措施，提高水资源使用效率，为加强中国与俄罗斯的联合监测、环境保护等方面的合作落实提供参考。