岷沱江流域水资源生态足迹与可持续性研究

杨 丹 荔,胡 艳,佘 佳,陈 云 飞,唐 洪 松

(1.内江师范学院 沱江流域高质量发展研究中心,四川 内江 641100; 2.成都市环境保护科学研究院,四川 成都 610065)

0 引 言

水资源作为人类赖以生存和发展的重要物质基础,同时也是支撑社会经济可持续发展的基本保证,其承载力水平决定了社会经济未来的发展空间[1]。流域作为一种整体性极强的特殊地理单元,是进行水资源管理的基本地理依据之一[2]。在目前流域水资源紧张和水污染加剧的情况下,科学管理、有效保护和可持续利用流域水资源已是中国必须尽快进行的时代性任务。国家“十三五”规划强调“实行最严格的水资源管理制度,推动经济社会发展与水资源承载力相适应”;《“十四五”节水型社会建设规划》也明确提出要以水定需、节水优先,建成与高质量发展相适应的节水制度体系。开展水资源承载力研究,是认识人水关系、掌握水资源可持续利用情况的前提[1]。对流域沿岸地区社会经济的发展而言,维持水资源的生态安全,保障水资源的可持续利用,是实现流域高质量发展的必经之路。

生态足迹最早由加拿大生态经济学家Willam Rees在1992年提出[3],他将维持人类自然资源消耗量所需要的生态生产性空间与给定人口区域的生态承载力进行比较,来衡量区域的可持续发展状况[4-5]。在生态足迹的基础上发展而来的水资源生态足迹,将与水资源相关的消耗量折算成水域面积来判定区域水资源的消耗利用状况[6-7]。由于此方法简单直观,易于理解,并能清楚地反映流域水资源生态足迹的盈亏现状[8-10],已成为评估流域水资源状况的重要指标。例如,邵骏等研究长江流域水资源生态足迹时指出2003～2019年水资源生态承载力总体呈现盈余态势,且GDP的大幅增长是影响水资源生态承载力增加的主要原因[11];路瑞等指出黄河流域水资源生态足迹显著超过水生态承载力上限的状况尚未扭转,尤其是中下游地区[12];张羽等指出沁蟒河流域各地级行政区均处于生态赤字状态,且农业生态足迹的不均衡性较大[13];赵博指出辽河流域2012～2017年存在水资源生态赤字,供需矛盾长期存在[14];许典子等研究了三峡库区流域水资源生态足迹并指出2002～2016年三峡库区整体水资源呈可持续利用的生态盈余状态,但水资源利用分布极不均衡[15]。以上研究,学者通常从水资源生态赤字/盈余来反映流域水资源的可持续现状,缺乏水资源生态系统协调性和整体利用效率的综合性评价[16]。因此,本次研究在水资源生态赤字/盈余的基础上,新增万元GDP水资源生态足迹、水资源生态压力指数和水资源生态经济协调度等3个指标,从多维角度研究岷沱江流域水资源的可持续状况。

岷江和沱江是长江上游重要的支流,流经四川省工业集中和人口密集的地区。在经济和人口的双重影响下,岷沱江流域的水资源承受着巨大的压力[17]。以往研究中,不少学者对岷沱江流域污染物的排放特征[18-19]、水污染的综合治理[20]和利益格局[21]以及水环境治理绩效综合评价[22]等进行了研究,但岷沱江流域的水资源是否能够支持地区社会经济的可持续发展尚未可知。鉴于此,本文通过对岷沱江流域主要城市水资源生态足迹的研究,反映流域沿岸主要城市水资源消耗与供给的平衡现状,并通过4个指标综合评价岷沱江流域水资源的可持续状况,以期为岷沱江流域水资源的综合管理及可持续利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

岷江和沱江为长江上游的一级支流,是四川盆地内部的重要水系[22]。岷沱江流域介于99°E～106°E、28°N～34°N,面积约为16.88万km2,约占四川全省面积的34.73%,年均降水量1 097 mm,年均水资源总量1 052亿m3。岷江发源于岷山,全长711 km,主要流经成都、雅安、眉山、宜宾等地,并于宜宾市城区汇入长江;沱江发源于九顶山,全长712 km,主要流经成都、德阳、内江、资阳、自贡、泸州等地,并于泸州市城区内汇入长江。可见,岷沱江流域流经的大中型城市较多,人口密集、工农业发达,其丰富的自然资源和水能资源为流域辖区内城市的社会经济发展和居民生活提供充足的物质保障。但随着农业现代化、工业集聚化、人口城镇化的不断推进以及区域异常气候的发生[23],岷沱江流域水资源承载压力日益凸显。2021年,岷沱江流域用水总量达120.15亿m3,占全省用水总量的49.18%。因此,积极探究岷沱江流域水资源承载力现状十分迫切。

1.2 数据来源

本文水资源总量、各生态足迹账户用水量等数据均来源于2010～2020年四川省水资源公报;岷沱江流域各市年末常住人口、地区生产总值等数据来源于各市2010～2020年的统计年鉴。

1.3 研究方法

1.3.1水资源生态足迹

水资源生态足迹是指地区维持其人口生产与生活消耗的水资源量所转化为的水资源用地面积,包括生产用水、生活用水和生态用水[6]。计算公式为

EF=N×ef=N×γ×(W/P)

(1)

式中:EF为水资源总生态足迹,hm2;N为年末常住人口,人;ef为人均水资源生态足迹,hm2/人;γ为水资源全球均衡因子,从水资源生态足迹角度而言,地区之间的差异对水资源全球均衡因子的影响并不显著,因此本文采取世界自然基金会在2000年核算的水资源全球均衡因子5.19[16];W为人均消耗水资源量,m3/人;P为水资源全球平均生产能力,经多项研究结果表明,水资源全球平均生产能力一般采用3 140 m3/hm2。

1.3.2水资源生态承载力

水资源生态承载力可描述为在一定时期内,特定地区水资源最大供给量对该地区资源、环境和社会提供的可持续发展能力。但一个国家或地区水资源开发利用率若超过30%～40%,则可能会引起生态环境恶化[6]。因此,需扣除60%的水资源承载力用以维持该国家或地区的生态环境[6]。其计算公式为

EC=N×ec=0.4×φ×γ×(Q/P)

(2)

式中:EC为水资源承载力,hm2;N为年末常住人口;e为人均水资源生态承载力,hm2/人;φ为区域水资源的产量因子;Q为地区水资源总量,m3;P为水资源全球平均生产能力。

区域水资源产量因子为地区内水资源平均生产能力与全球水资源平均生产能力之间的比值。因此,确定不同地区水资源产量因子,可以对比不同地区水资源供给能力[24]。其计算公式为

φ=Pw/P

(3)

式中:Pw为区域单位面积产水量;P为水资源全球平均生产能力。经过计算,得到2010～2020年岷沱江流域各市历年水资源产量因子(见表1)。

表1 岷沱江流域各市水资源产量因子

1.3.3指标计算方法

(1) 水资源生态盈余/赤字。水资源生态盈余/赤字能反映地区水资源的供需平衡。将水资源生态承载力和水资源生态足迹相比较,若差值小于0,说明地区所能供给的水资源量小于发展所消耗的水资源量,产生了水资源生态赤字;反之则说明水资源的供给量大于消耗量,水资源处于生态盈余状态[24]。其计算公式为

es=ec-ef

(4)

式中:es为人均水资源生态赤字/盈余,hm2/人。

(2) 人均万元GDP水资源生态足迹。该指标能够反映地区内水资源的利用效率,其值越小,则地区水资源的利用效率越高,反之则利用效率越低[1]。其计算公式为

efGDP=ef/人均万元GDP

(5)

式中:efGDP为人均万元GDP水资源生态足迹,hm2/(人·万元)。

(3) 水资源生态压力指数。水资源生态压力指数能评判地区所能承受的水资源压力强度大小,从而反映该地区水资源的生态安全程度。若生态压力指数越小,水资源压力则越小,反之则越大[16]。其计算公式为

efp=ef/ec

(6)

式中:efp为生态压力指数。

(4) 水资源生态经济协调度。此指标表示经济社会和水资源之间的协调程度[16]。其计算公式如下:

(7)

式中:ECI为水资源生态经济协调度。ECI的取值范围为[1,1.414],当ECI取值越接近1.414时,地区经济社会与水资源的协调性较好;当ECI取值越接近1时,地区经济社会发展越不可持续。

2 结果与分析

2.1 人均水资源生态足迹

水资源生态足迹账户由生产用水(农业和工业)、生活用水和生态用水3部分构成(见表2)[25],其中人均生产用水中的农业用水账户占比最高。2010～2020年岷沱江流域各市年均人均生产用水占比平均达70%以上,其中德阳市人均生产用水和农业用水账户占比最高分别达88.95%和70.78%,宜宾市工业用水账户占比最高,为34.31%。其次,岷沱江流域各市人均生活用水账户差异较大,2010～2020年成都市人均生活用水账户平均达22.09%,德阳市仅为9.87%。此外,岷沱江流域各市人均生态用水占比在3类水资源账户中均最低,其中眉山市人均生态用水占比最高,达4.14%,明显高于其他各市;内江市最低,年均仅为0.80%。

表2 岷沱江流域水资源生态足迹各类账户占比

受人均生产用水账户占比的影响,岷沱江流域各市2010～2020年人均水资源生态足迹的变化趋势与人均生产用水的变化趋势基本一致,其中,成都市、内江市、德阳市、乐山市、眉山市、雅安市和资阳市的人均生态足迹均随年份呈下降趋势(见图1);自贡市和宜宾市的人均水资源生态足迹在2010～2014年出现明显下降,2015～2019年处于较高水平,2020年又出现下降趋势;泸州市是岷沱江流域唯一人均水资源生态足迹逐年递增的地区。

2.2 人均水资源生态承载力及生态盈亏

岷沱江流域各市年均人均水资源生态承载力表现为雅安市>乐山市>眉山市>宜宾市>泸州市>德阳市>成都市>资阳市>内江市=自贡市(见表3),其中雅安市人均水资源承载力明显高于其余各市,是人均水资源承载力最低的内江市和自贡市的61倍。此外,内江市2017年人均水资源生态承载力最低仅为0.06 hm2/人,而雅安市2018年人均水资源承载力最高达38.06 hm2/人。从时间尺度上看,各市人均水资源承载力呈波动变化,成都市、内江市、自贡市、泸州市、德阳市、眉山市、雅安市以及资阳市在2010年、2015年以及2020年的人均水资源承载力总体呈先下降后增长的趋势,而乐山市和宜宾市总体呈增长的趋势。

表3 岷沱江流域不同城市人均水资源生态承载力

岷沱江流域2010～2020年水资源生态盈亏的动态变化主要集中在德阳市、成都市、资阳市、内江市以及自贡市(见图2)。2011年内江市、自贡市、德阳市以及资阳市出现水资源生态赤字,但2012～2013年岷沱江流域水资源生态赤字有所下降;2014年岷沱江流域水资源生态赤字的范围逐渐扩大,在2015～2017年德阳市、成都市、资阳市、内江市以及自贡市均出现水资源生态赤字;2018年以后水资源生态盈亏现状有所好转,到2020年岷沱江流域各市水资源均表现为盈余状态。雅安市、眉山市、乐山市、宜宾市以及泸州市水资源生态盈亏总体较为稳定,均表现为盈余状态。

图2 岷沱江流域人均水资源生态赤字/盈余

2.3 水资源可持续发展指标

人均万元GDP水资源生态足迹可反映区域水资源的利用效率[26]。从图3可知,岷沱江流域年均人均万元GDP水资源生态足迹表现为雅安市>资阳市>眉山市>德阳市>乐山市>内江市=宜宾市>泸州市>自贡市>成都市。可见,除雅安市历年万元GDP水资源生态足迹大于1以外,其余各市均小于1,说明雅安市相较于其它地区水资源的利用效率较差,而成都市的水资源利用效率最高。从时间尺度来看,2010～2020年岷沱江流域各市人均万元GDP水资源生态足迹总体呈下降趋势,说明各市水资源利用效率均有所提升。

水资源生态压力指数能评判地区所能承受的水资源压力强度大小[26]。由图3可知,岷沱江流域年均水资源生态压力指数表现为内江市(1.63)>自贡市(1.51)>资阳市(1.30)>德阳市(1.01)>成都市(0.97)>泸州市(0.25)>眉山市(0.24)>宜宾市(0.20)>乐山市(0.11)>雅安市(0.03)。可见,内江市水资源的生态压力最大,2017年其水资源生态压力指数高达6.14;雅安市水资源生态压力最小,2018～2020年其水资源生态压力指数仅为0.02。从时间尺度来看,成都市、内江市、自贡市、德阳市以及资阳市在2014～2017年间的水资源生态压力指数呈增长趋势,并在此期间达历年水资源生态压力指数的最大值;泸州市、乐山市、眉山市以及宜宾市除2011年的水资源生态压力指数较大以外,其余年份均较小;雅安市历年水资源生态压力指数均较小且变化较为平稳。

水资源生态经济协调度能反映区域经济发展和水资源的协调性[16]。由图3可知,岷沱江流域年均水资源生态经济协调度表现为成都市(1.35)=自贡市(1.35)=德阳市(1.35)=资阳市(1.35)>内江市(1.34)>泸州市(1.20)>眉山市(1.19)>宜宾市(1.16)>乐山市(1.10)>雅安市(1.03)。可见,成都市、自贡市、德阳市以及资阳市水资源的生态经济协调性相对较好,其中德阳市在2014年的水资源生态经济协调度达最大值1.414,水资源生态实现供求平衡;而雅安市的水资源生态经济协调度较差,最小值仅为1.02。此外,2010～2020年岷沱江流域各市水资源生态经济协调度的年际变化均较小。

3 讨 论

2010～2020年,岷沱江流域各市人均水资源生态足迹账户中生产用水所占比重最大,尤其是农业生产用水账户明显高于工业、生活及生态用水,这也是四川为全国农业大省的体现。其中,德阳市农业生产用水远高于岷沱江流域其他各市,是其人均水资源生态足迹产生的主要贡献账户。因此,德阳市应重点关注农业生产用水产生的水资源消耗,聚焦农业节水减排的改革目标,提高农业用水的利用效率。其次,宜宾市是四川省的工业重镇,工业产值居四川省第三位,尤其是白酒酿造行业(五粮液)作为宜宾市的龙头行业,对水资源的要求较高和消耗较大,这也是造成宜宾市人均水资源工业用水账户较高的原因。在未来的工业发展中,宜宾市应进一步增加白酒酿造行业技术的投入,不断改进水资源利用效率,实现水资源的综合利用,降低白酒酿造的耗水量。在生活用水方面,成都市、自贡市和泸州市的人均生活用水占比较高,尤其是成都市2020年人均生活用水占比高达33.48%。作为四川省唯一千万级人口的特大城市,成都市生活用水量持续增加,加之成都市的人均水资源量仅为674 m3/人(国际上,人均水资源量低于500 m3/人则为严重缺水),成都市正在步入“严重缺水”阶段。若不实行最严格的水资源管理制度,将对成都市未来社会经济的可持续发展造成严重的阻碍。泸州市是岷沱江流域唯一人均生态足迹逐年递增的地区,主要与该地区农业需水量不断攀升有关。

水资源生态承载力和水资源总量存在着明显的正向线性关系[16],水资源禀赋越好,其水资源的生态承载能力越高[11]。雅安市人均水资源量达10 515 m3/人,明显高于四川省(3 871 m3/人)和全国(2 090 m3/人)人均水资源量,优越的水资源条件使其水资源生态承载力明显高于岷沱江流域其他地区。水资源的生态盈亏主要取决于两个方面:一个是水资源的自然禀赋;另一个是水资源消耗量。雅安市、眉山市、乐山市、泸州市以及宜宾市人均水资源在研究时段内均处于生态盈余状态,这与其水资源量丰富有关。德阳市、成都市、资阳市、内江市以及自贡市在2015～2017年均出现水资源生态赤字,2018年以后水资源生态盈亏现状有所好转,到2020年岷沱江流域各市水资源生态均为盈余状态。这与国家出台“十三五”规划纲要强调“实行最严格的水资源管理制度”时间节点相吻合,说明“制度”的实施使得岷沱江流域水资源生态亏损发生明显的好转。

利用人均万元GDP水资源生态足迹反映的岷沱江流域水资源利用状况可以看出,2010～2020年各市水资源利用率均随时间明显提高,说明自2011年国家出台的最严格水资源管理“三条红线”“四项制度”有效实施后,社会发展中能源结构有所改善,工农业用水重复利用率提高[1]。岷沱江流域各市水资源生态压力指数较高年份主要集中在2011年和2017年,通过对岷沱江流域降水量及旱涝时空变化分析可知,2011和2017年流域降水量总体偏少且2011年为大旱年[27],说明岷沱江流域水资源生态压力过于依赖流域内降水。岷沱江流域各市在研究期内生态协调度变化较为平稳且均在可持续范围内(>1),尤其是成都市、自贡市、德阳市以及资阳市社会经济发展与水资源承载力的适应性较好,水资源的需求量与消耗量较为协调。而雅安市作为岷沱江流域水资源量最充足的地区,水资源开发利用不足,未将水资源优势转化为经济优势,使其成为流域内水资源生态经济协调性较差的地区。若要实现雅安市水资源的供求平衡以及社会经济的可持续发展,需要进一步提高水资源生态经济的协调水平。

4 结 论

(1) 2010～2020年,岷沱江流域除泸州市以外,其余地区人均水资源生态足迹总体呈下降趋势,说明城市的发展对水资源的消耗得到控制,节水型社会建设的成果得到体现。研究时期内,岷沱江流域水资源量的供需经历了“盈余-亏损-盈余”的转变,2014～2017年,岷沱江流域主要城市水资源生态赤字明显,2018年以后水资源生态盈亏现状有所好转,到2020年岷沱江流域各市水资源均表现为盈余状态,说明国家“实行最严格的水资源管理制度”对岷沱江流域水资源生态亏损现状的转变具有积极作用。

(2) 2010～2020年,岷沱江流域各市水资源利用效率均有所提升,但雅安市的水资源利用效率较差。水资源生态压力在2014～2017年呈增长趋势,且内江市水资源生态压力最大。水资源生态经济协调性总体变化平稳且均在可持续范围内,其中成都市、自贡市、德阳市以及资阳市水资源的生态经济协调性相对较好,但雅安市作为岷沱江流域水资源量最充足的地区,水资源开发利用不足,使其成为水资源生态经济协调性较差的地区。