錦州市水資源開發利用現狀分析

趙 冬

(遼寧省錦州水文局,遼寧 錦州 121000)

近年來,經濟社會的快速發展使自然資源用量急劇增加,生態環境破壞、自然資源短缺以及被過度開發等現象時有發生[1]。水作為最重要的一種自然資源,對經濟建設和人類社會發展具有決定作用,水資源開發利用研究越來越引起人們的關注。

William Rees等最先建立了生態足跡理論,后經廣大學者的不斷充實和研究探索發展成為綜合核算資源可持續利用的主要工具。國外學者主要從地區、國家及全球等尺度上分析水生態足跡,研究內容多側重于實際土地需求與生態足跡之間的關系及生態足跡受能源貿易、全球化等因素的影響[2]。為了解決已有模型無法完整計算水域賬戶的問題,我國學者以生態足跡為基礎提出了用于評價區域水資源后續發展潛力和利用現狀的水生態足跡模型,通過對不同地區的實際測算驗證了該模型的普遍適用性[3-6]。

錦州市在經濟不斷發展的同時,水資源消耗量和水環境壓力也快速增加,為了促進可持續發展亟需降低水資源壓力。鑒于此,文章采用水生態足跡模型動態分析了錦州市2015—2021年水生態承載力、水生態足跡及相關數據,旨在為錦州市水資源可持續發展、優化配置以及科學管理提供參考依據。

1 研究區概況

錦州市地處E120°43′～122°36′,N40°48′～42°08′之間,總面積10301km2,下轄10個縣(市)區,海岸線124km,近海水域12萬hm2。境內河網密集,主要有繞陽河、女兒河、小凌河、二郎洞水、觀音洞水、大凌河等河流,其特點是流量小變化大,冰期長,含沙量高,利用率低,地區差異明顯等。研究區屬于暖溫帶半濕潤氣候,年降水量567mm。降水分布不均衡,其中60%～70%發生在夏季,年均氣溫7.8～9.0℃。全市水資源總量不足,開發利用難度大,加之蒸散發強烈、用水效率低以及可利用總量少等,對當地經濟可持續發展和生態環境造成嚴重制約。

2 材料與方法

2.1 數據來源

研究數據主要來源于錦州市水資源公報、統計年鑒以及“十三五”規劃綱要等相關資料,依據2015—2021年水資源公報選用生態補給、生活(農村與城市生活用水)、工業和農業(林牧漁畜與農田灌溉用水)4類用水賬戶。

2.2 水生態足跡模型(WREF)

1)WREF模型。水生態足跡就是利用各子賬戶的用地面積代替消耗的水資源量,經均衡化處理確定均衡值,該值能夠反映不同區域的水資源利用情況[7],其計算公式為:

(1)

式中:N、W為年末常駐總人口,人和第i項用水賬戶消耗水量,m3;bw、p為水資源均衡因子及全球水資源生產力平均值,m3/hm2,結合相關資料bw取5.19;WREF為水生態足跡,hm2/人。

2)WRES模型。水生態承載力是指區域水資源可以維持經濟及各類生產活動的最大閾值,為了維持自然系統的可持續發展和生態循環需要從水生態承載力中扣除60%的量[8],計算公式為:

WRES=N×wres=0.4bw·rw·Q/p

(2)

式中:WRES、wres為總的,hm2和人均水生態承載力,hm2/人;rw、Q為研究區水資源產量因子及當年水資源總量,m3,其中rw=p地區/p。全球各地區的水資源生產能力均值為3140m3/hm2,參照2015—2021年錦州市水資源公報計算該區域平均值為4220m3/hm2,故產量因子rw取1.34。

3)赤字與盈余。當地水資源盈余和赤字情況可以利用水生態足跡與承載力來衡量,若WREF-WRES>0為水資源短缺無法滿足各子賬戶的耗水需求,該區域處于水生態赤字狀態;若WREF-WRES=0水資源恰好滿足用水需求,該區域處于水生態平衡狀態;若WREF-WRES<0水資源充足能夠較好地滿足實際用水需求,該區域處于水生態盈余狀態。

4)WPI指數。根據水生態承載力和水生態足跡可以確定水資源壓力指數WPI,其計算公式為:

WPI=WREF/WRES

(3)

WPI值的大小反映了水資源開發利用壓力狀態,該值越大代表壓力越大,0消耗量;WPI=1說明水資源達到臨界狀態,即供給量=消耗量;WPI>1說明水資源達到相對不安全利用狀態,即供給量<消耗量[9]。

5)ESDI指數。依據水生態承載力及其與水生態承載力之間的差額可以確定水資源可持續發展指數WSDI,其計算公式為:

WSDI=(WRES-WREF)/WRES

(4)

WSDI值的大小反映了區域水資源利用效率和可持續發展現狀及程度[10-11],其中WSDI<-1說明水資源達到嚴重不可持續程度,今后無法發展也完全不具備發展條件;-1

3 結果與分析

3.1 水生態足跡

根據生態環境、生活、工業和農業用水賬戶的消耗水量確定錦州市2015—2021年水生態足跡,2015—2021年錦州市水生態足跡,見表1和水生態足跡構成及變化特征,見圖1。結果顯示,在不考慮過境水源的條件下錦州市水生態足跡整體較平穩,具體而言2015—2017年呈小幅減小趨勢,2017—2018年有所增加,2018—2021年表現出明顯減小趨勢,從2015年的450.0萬hm2逐漸減小到2021年的388.6萬hm2。依據年末常住總人口計算人均水生態足跡量,從2015年的1.487hm2/人波動減小到2021年的1.437hm2/人,水生態足跡總量與人均水生態足跡變化趨勢總體一致,均呈現出下降趨勢,其中保持較低的人均水生態足跡是實現可持續發展的有效途徑[12-14]。

圖1 水生態足跡構成及變化特征

表1 2015—2021年錦州市水生態足跡 萬hm2

對于各用水賬戶而言,農業用水生態足跡的貢獻最高,所占比例處于79.6%～83.9%之間,從2015年的83.9%逐漸減小到2021年的79.6%,在一定程度上反映了錦州市2015—2021年不斷推進農業灌溉技術現代化、“三條紅線”用水控制及推行節水政策等措施的實施效果。其次是生活用水足跡,所占比例處于8.1%～10.1%之間,其貢獻率總體呈上升趨勢,這可能與當地水資源變化有關。工業用水生態足跡表現出明顯的變化趨勢,所占比率處于7.0%～9.0%之間,工業用水生態足跡最大、最小值出現在2019年的38.5萬hm2和2018年的31.4萬hm2,2015—2019年呈明顯上升趨勢,這是由于該時段內錦州市工業迅速發展,從而使得工業用水量明顯增加,2019—2021年又明顯下降。為加快節水型城市建設錦州市有相當數量的高耗水企業被淘汰,中水回用等政策逐漸發揮出顯著成效,加之經濟發展放緩等因素,從而使得2019—2021年工業用水生態足跡明顯下降。生態用水生態足跡占比處于0.9%～1.6%之間,總體圍繞1%上下波動,但2019年生態補給用水顯著增加,這表明錦州市越來越注重自然生態保護,為維持生態系統平衡使用了更多的水資源。

綜上分析,在2015—2021年錦州市生態補給、生活和工業用水生態足跡占比平均值為1.2%、7.9%、9.2%,在此期間總體呈小幅上升趨勢,變化不明顯,農業用水生態足跡的明顯下降是導致錦州市水生態足跡減少的重要原因。水生態足跡的逐漸減少有利于降低錦州市水資源供需壓力,維持人均水生態足跡處于低水平的相對穩定狀態。

3.2 水生態承載力

依據2015—2021年錦州市水資源相關數據計算分析水生態承載力,如表2。由表2可知,2015—2021年錦州市水生態承載力存在較大的上下波動幅度,相比于水生態足跡呈復雜變化態勢。在核算年內水生態承載力最大、最小值出現在2018年的472.96萬hm2和2021年的76.25萬hm2,二者相差396.71萬hm2;人均水生態承載力最大、最小值出現在2018年的1.586hm2/人和2021年的0.282hm2/人,呈先增大后減小的變化趨勢。

表2 2015—2021年錦州市水生態承載力

地表水資源是錦州市的主要水源,而地表水受植被、地形條件、地質、季風和地理位置等因素影響較大,故承載力也具有較大變化率。經相關性分析,年降水量與水生態承載力之間的相關系數為0.971(P<0.05),二者存在顯著正相關性,水生態足跡構成及變化特征,見圖2。

圖2 水生態足跡構成及變化特征

3.3 水生態赤字

水生態足跡構成及變化特征,見圖3。由圖3可知,除2018年以外的其它時段錦州市均存在不同程度的水生態赤字現象。由于年降水量差異和降水時空分布不均性,在2015—2021年錦州市水生態赤字總體呈先減小后增大的變化趨勢,其變化范圍為86.59～321.29萬hm2,極值比達到3.71,通過水生態赤字可以反映出2015—2021年錦州市水資源壓力依然較大。

圖3 水生態足跡構成及變化特征

3.4 水資源壓力指數

根據2015—2021年水生態承載力和生態足跡計算水資源壓力指數,以此反映研究時段內的水資源利用狀況,水資源壓力指數變化,見圖4。

圖4 水資源壓力指數變化

由圖4可知,2015—2018年錦州市水資源壓力指數逐漸減小,在2018年出現最小值0.913,究其原因是該段錦州市降水量和過境水量呈增大趨勢,而用水需求量逐漸下降,加之農田節水灌溉、中水回用等措施的推廣實施,在很大程度上緩解了錦州市用水壓力,故2015—2018年水資源壓力指數不斷減小。2019—2021年呈波動上升的變化趨勢,只有2019—2020年略有下降,究其原因是年過境水量的減少或增加、降水變率大、生活和工業用水量增加等,這是導致2019—2021年水資源壓力指數波動上升及不穩定變化的主要原因。特別是2021年在可用水資源不足和降水量減少的條件下,經濟發展和工農業生產用水負荷較高,壓力指數明顯提升至5.096。2015—2021年錦州市水資源壓力指數平均值2.53,明顯高于臨界值1,這表明錦州市水資源利用已達到不安全狀態。

3.5 水資源可持續利用

水資源壓力指數變化,見圖5。由圖5可知,2015—2021年錦州市水資源可持續發展指數呈先上升后下降的變化趨勢,2015—2018年該指數逐漸上升,說明水資源利用呈好轉態勢;2018—2021年該指數逐漸減小,說明水資源利用逐漸惡化。除2018年外其它時段的水資源可持續發展指數均<0,2018年該指數為0.09,按照標準達到弱可持續程度,今后可較好發展且發展條件優越;2017年該指數為-0.25,按照標準達到弱不可持續程度,今后發展有限且發展條件一般;其它指端均<-1,說明水資源達到嚴重不可持續程度,今后無法發展也完全不具備發展條件,且2021年有最小值-4.10?？傮w而言,研究期間錦州市水資源處于嚴重不可持續利用等級,受植被、地形、氣溫、降水等因素影響水資源利用條件和發展形勢嚴峻,本地水資源量無法滿足經濟發展實際用水需求,為緩解水資源短缺矛盾需要利用過境水。根據已有節水措施或工程,如何解決因降水量減少、水質型缺水等帶來缺水問題,進一步減少水生態足跡成為能否實現可持續利用的關鍵。近幾年,雖然錦州市水管部門已經建設了許多節水工程,但錦州市水資源可持續利用仍然受三類產業不斷發展、地形條件影響、年降水變化率大以及季風氣候等因素的限制,應制定更全面合理的節水制度和政策才能實現水資源可持續利用的目標[15]。

圖5 水資源壓力指數變化

4 結 論

1)2015—2021年錦州市人均和總的水生態足跡均表現出波動下降的變化趨勢,這主要與節水城市建設、中水回用以及推行農業現代化等項目有關。對于各賬戶,農業用水生態足跡的貢獻最高,所占比例處于79.6%～83.9%之間,在水生態足跡中占據主導地位;錦州市生態補給、生活和工業用水生態足跡占比平均值為1.2%、7.9%、9.2%,總體變化不明顯且影響相對較低。

2)在核算年內錦州市水生態承載力最大、最小值出現在2018和2021年,這與降水量變化密切相關,年降水量與水生態承載力之間存在顯著正相關性,氣候變化對生態承載力影響顯著。除2018年以外的其它時段均存在不同程度的水生態赤字現象,說明2015—2021年錦州市水資源壓力依然較大。

3)2015—2021年錦州市水資源壓力指數平均值2.53,明顯高于臨界值1,這表明錦州市水資源利用已達到不安全狀態。2015—2021年錦州市水資源可持續發展指數呈先上升后下降的變化趨勢,總體上處于嚴重不可持續利用等級,受植被、地形、氣溫、降水等因素影響水資源利用條件和發展形勢嚴峻,為緩解水資源短缺矛盾需要利用過境水。