大凌河流域水资源利用状况评价分析

范凯宣

(辽宁水资源管理集团白石水库管理局有限责任公司,辽宁 朝阳 122000)

水是维持地球生命系统循环、经济发展及人类生存必不可缺的自然资源,但大凌河流域水环境恶化、水资源短缺和时空分布不均衡等问题突出[1]。研究流域水资源可承载能力及开发利用现状,对实现流域水生态系统健康和水资源开发利用、保护具有重要意义。生态足迹是一种定量反映和有效评价区域资源消耗情况及可持续利用状况的综合方法,随着研究的深入有学者发现一些不足和缺陷,并提出用能值理论改进和完善生态足迹的方法,如刘珂伶等将水资源能值密度概念与能值生态足迹模型相结合,应用改进的模型评价分析区域水资源利用情况,但该方法未考虑水资源生态足迹受生物质足迹的影响;曾晓霞等在能值生态足迹模型中纳入水资源账户,为构建更加系统全面的账户体系提供了方法,但该模型仅考虑淡水生态足迹;张芳怡等以江苏省为例,综合利用能值和传统生态足迹法评价了环境可持续发展状况,结果发现能值生态足迹模型可以更加真实客观地反映社会经济发展情况;郭丽丹等利用12个三级账户组成的一级账户,研究分析2008～2017年江苏省生态承载力及水资源生态足迹变化特征[2-6]。水资源能值生态足迹的已有研究往往未分析生态足迹受水体,忽略了水产品对生态足迹账户体系的影响,对大凌河流域水资源利用现状使用能值水资源生态足迹法进行研究较少。

文章运用能值水生态足迹模型测算2014～2021年大凌河流域能值水生态承载力和足迹等参数,通过计算水生态压力指数和盈亏状况科学评价分析流域水资源利用状况,为大凌河流域水资源科学管控和可持续利用提供一定支持。

1 流域概况

大凌河流域呈西东向,地处E118°53′～121°52′,N40°28′～42°38′之间,主要流经建昌县、朝阳市区、北票市、义县和凌海市,之后注入渤海,全河长度447km,总面积23263 km2。大凌河上游建有宫山咀大(2)型水库,中上游建有阎王鼻子水库,中下游建有白石水库,控制面积17649km2。支流多集中于左侧,有凉水河子河、牤牛河、老虎山河及细河等。该流域属寒温带夏雨炎热型气候,也是全省降水量最少的区域,年降水量600～400mm,由南向北递减,年均蒸发1700～2000mm,从北向南递减。

大凌河流域人均水资源378m3,不到全省平均820m3的1/2,为全国平均2210m3的1/6。流域内水资源短缺,对工农业发展造成制约,水污染严重和争水问题突出,对供水安全、生态安全和经济发展构成严峻挑战,地下水超采威胁着水资源的可持续利用,生态环境用水严重不足致使生态系统脆弱,加之大量城市废污水排放致使水环境承载力下降。

2 研究方法

2.1 能值理论分析

能值理论认为太阳能提供了地球上所有事物的能量,为评定事物能量可以使用太阳能值为计算准则[7]。实际应用时主要以能值转换率建立能值与能量间的联系,通过转化成同一标准的能值来分析和衡量地球系统内不可直接相加减、不同形式的能量,计算公式如下:

E=Bτ

(1)

式中:E为能值,sej;B、τ为质量,g或能量,J及其能值转换率,sej/g、sej/J。

2.2 能值水生态足迹

水生态足迹是指发展到一定程度时,特定地理区域内人口和经济规模吸纳生活、生产废弃物需要的水资源量及消费的水资源量,并以此核算的虚拟水资源用地,即生物生产性土地面积。充分考虑大凌河流域水资源用水特性,使用水产品、水污染和淡水生态足迹3个二级账户,其中淡水生态足迹可分为生活、工业、生态环境和农业用水4个三级账户[8]。能值水生态足迹的计算公式为:

(2)

式中:Wefa、Wefp、Weff、Wef分别为区域水产品、水污染、淡水生态足迹和能值水生态足迹,hm2;Ea、Ep、Efi为水产品、水污染和第i个三级账户的能值,sej;τP、τa、τfi为污染水体、水产品和三级账户i的能值转换率,流域污染水体能值转换率τP取2×106sej/t,水产品能值转换率τa取4.58×1012sej/m3,三级账户生态环境、生活、工业、农业用水的能值转换率τfi为1.27×1012sej/m3、2.35×1012sej/m3、1.65×1011sej/m3、8.8×1011sej/m3;QP、P为污水排放量,t和流域能值密度,sej/hm2,结合大凌河流域可更新资源的总能值确定能值密度P为4.58×1015sej/m3;Cfi、Ma、n为三级账户i的用水量,m3、水产品产量(t)和三级账户个数。

2.3 能值水生态承载力

能值水生态承载力是指一定技术管理和社会发展阶段所拥有的水量,可以最大程度支持当地发展、环境安全的能力[9]。结合大凌河流域水资源来源,在计算水生态承载力时确定可更新资源包括地下水、地表水化学能及雨水势能;为保证流域水生态系统的良好运行及水生态环境健康,在计算承载力时必须扣除至少60%的水量,其计算公式为:

(3)

式中:Er、Eu、Eg、Wec为雨水势能、地下水、地表水化学能,seg和能值水生态承载力,hm2;Pw为流域水资源平均能值密度,sej/hm2,可按照流域面积和水资源总能值计算确定。

2.4 评价指标计算

1)水生态盈亏指数。能值水生态足迹反映了区域实际占用与需要的水量,而能值水生态承载力反映了流域水生态可以承受与支撑经济发展的能力,通过比较可以判定流域水资源利用状况,计算公式如下:

Wed=Wef-Wec

(4)

式中:Wed为流域水生态盈亏指数,其中Wed>0为流域水资源供给小于需求,水资源不足,为水生态赤字状态;Wed=0为流域水资源供需平衡,可以维持生态平衡;Wed<0为流域水资源供给大于需求,水资源充沛,为水生态盈余状态,有利于可持续发展[10]。

2)水生态压力指数。水生态压力指数可以反映流域水资源开发安全状态,其数值等于能值水生态承载力除水生态足迹,即:

Ip=Wef/Wec

(5)

式中:Ip为水生态压力指数,其中Ip>1为流域水资源压力较高达到危险状态,且Ip值越大则开发利用强度越高,水资源就越不可持续利用,也就更危险;Ip=1为流域水资源供给与消耗平衡,水生态达到临界安全状态;0

2.5 数据来源

本研究所用水资源总量、年降水量、用水量等数据和水产品掺量、废污水排放量等社会统计数据来源于2014—2021年大凌河流域内各市县水资源公报及统计年鉴等资料[11-12]。

3 结果与分析

3.1 时间变化特征

1)能值水生态足迹与承载力。从图1可以看出,大凌河流域2014—2021年能值水生态足迹总体呈上升趋势,年际差异较小,总体处于150～162万hm2之间,多年平均值157hm2,大凌河流域能值水生态足迹从2014年的150万hm2逐年上升至2021年的162万hm2,年均增长率达到1.14%。可见,在城镇化、工业化程度不断提高和经济社会持续发展的情况下,大凌河流域各行业用水需求和耗水量逐渐增多,水资源开发利用形势严峻。

图1 大凌河流域能值水生态承载力与足迹

由图1可知,大凌河流域2014—2021年能值水生态承载力表现出先波动减小再波动增大的变化趋势,多年平均值82万hm2,研究时段内变化较明显。2014—2018年大凌河流域能值水生态足迹从87万hm2波动减小到2018年的65万hm2,2018—2019年又逐渐上升到95万hm2。2018年大凌河流域能值水生态承载力最低,这与流域径流、降水特征相符,说明流域来水情况与能值水生态承载力关系密切,丰水年具有相对较高的水生态承载力。

2)能值水生态足迹构成。从图2可以看出,水产品、生活、工业、水污染和农业用水生态足迹占比平均值依次为9.9%、14.3%、13.1%、27.2%、33.3%,其中占比最小的是生态环境用水生态足迹的2.1%。因此,大凌河流域用水大户仍然是农业用水,近期流域内农业与工业用水呈小幅减小趋势,这主要与大凌河流域高效集约化利用使用水效率提升有关[13]。2018年流域水污染防治有效改善了水环境,水污染足迹表现出波动下降趋势;随着城市化进程的加快以及人口的逐渐增加,流域内水产品和生活用水及其生态足迹有所升高,但总体变化较小,能够维持现状;生态环境用水生态足迹占比最小,为优化和改善流域环境应进一步增大生态环境用水[14-15]。

图2 能值水生态足迹构成

3)水生态压力与盈亏指数。从图3可以看出,2014—2021年大凌河流域能值水生态承载力与水生态盈亏变化过程相反,研究时段内流域能值水生态承载力小于水生态足迹,所以总体达到赤字状态。大凌河流域2014—2021年水生态赤字处于91～95万hm2范围,2015年赤字最小为61万hm2,2018年赤字最大为95万hm2,多年平均赤字75万hm2。2018年后,大凌河流域水生态足迹总体呈不断上升的变化,流域来水量与降水量明显增多,所以赤字逐渐下降,表明流域水资源供给远小于经济社会发展的用水需求,流域水资源利用形势严峻。

图3 大凌河流域能值水生态承载力与足迹

由图3可知,大凌河流域2014—2021年水生态压力指数表现出先增大后减小的变化趋势,这与水生态赤字变化趋势相同,总体处于1.47～2.46范围。2015—2018年压力指数快速上升,年均增长率达到15.8%;2018年之后呈快速下降趋势,年均减小率达到14.8%。总体而言,研究时段内大凌河流域水生态压力指数均>1,说明经济社会消费水量远高于供给量,水资源供给不足,在一定程度上威胁了水资源可持续利用,对生态系统与经济发展造成不利影响,该结论与水生态赤字保持一致。

3.2 空间分布格局

采用能值水生态承载力与足迹模型计算2014—2021年大凌河流域5个区县的水生态压力指数、能值水生态承载力和足迹多年平均值,如表1所示。

表1 大凌河流域能值水生态承载力与足迹空间差异

1)能值水生态承载力与足迹分布。由表1可知,大凌河流域不同区县的能值水生态承载力和足迹具有一定差异,能值水生态足迹表现出上游低、中下游高的分布特征,如建昌县、朝阳市能值水生态足迹较小为10.89万hm2和6.20万hm2,而中下游的北票市、义县、凌海市较高达到33.67万hm2、51.45万hm2和54.73万hm2。

2)水生态压力指数与盈亏。大凌河流域上游的建昌县、朝阳市区水生态盈亏值<0,压力指数较小分别为0.31和0.56,说明这两个地区的能值水生态承载力高于水生态足迹,这是因为上游水资源量和开发利用较高,尤其是建昌县水生态盈亏为负,说明该地区水资源较充足;大凌河中下游地区的水生态压力指数处于1.54～9.52范围,说明这些地区的水资源供给量远小于消耗量,水资源短缺面临着突出的供需矛盾,尤其是义县压力指数最高达到9.52,水生态系统达到危险状态[16-18]。

3)能值水生态足迹构成分布。由于各地区的经济发展模式不同,不同地区的能值水生态足迹构成也存在较大差异。建昌县、北票市、义县和凌海市农业用水生态足迹占比较大分别为47.4%、37.1%、56.1%、63.4%,表明这些地区的水资源主要用于农业灌溉,提高用水效率和节约用水就显得非常重要;朝阳市水污染生态足迹占比较高达到49.7%,这可能与朝阳市生活污水、工业废水排放量不断增多,使得水污染问题日趋突出;大凌河流域生态环境用水占比总体处于0.3%～20.4%之间,保证生态用水有利于改善和优化流域生态环境。

4 结 论

1)大凌河流域2014—2021年能值水生态足迹总体呈上升趋势,年际差异较小,总体处于150～162万hm2之间,多年平均值157hm2;流域水资源量对能值水生态承载力影响较大,变化也比较明显,总体呈先减小后增大的变化特征,2018年达到最低值65万hm2。总体而言,大凌河流域能值水生态承载力远小于水生态足迹,研究时段内处于水生态赤字状态;2014—2021年大凌河流域水生态压力指数均超过1,水资源供给不足,在一定程度上威胁了水资源可持续利用[19]。

2)大凌河流域工业用水、水污染和农业用水生态足迹占比较高,近年来流域内农业与工业用水呈小幅减小趋势,这主要与大凌河流域高效集约化利用使用水效率提升有关;研究期间水产品和水生态用水占比变化不大,总体维持在较低水平,生态环境用水生态足迹呈小幅稳定上升趋势。

3)大凌河流域不同区县的能值水生态承载力和足迹具有一定差异,其中能值水生态足迹表现出上游低、中下游高的分布特征。从空间上,建昌县、北票市、义县和凌海市农业用水生态足迹占比较大,应注重农业用水效率的提升和节约用水。朝阳地区的水污染生态足迹占比较高,应严格控制污染物排放,有效保护流域水体。