天水市水生態(tài)盈虧分析及研究

王喜君，周茂榮，姚 斌

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020)

水生態(tài)文明是生態(tài)文明的核心組成部分[1]。我國水資源總量豐富但人均水資源量不足，在一定程度上制約了生態(tài)文明的發(fā)展[2]。近年來，許多學(xué)者[3-7]利用水資源生態(tài)足跡模型對不同地區(qū)或流域的水資源生態(tài)足跡、生態(tài)承載力及水生態(tài)盈虧進(jìn)行了研究。比如，王文國等[8-10]從時(shí)空格局角度分別對四川、成都、浙江水資源足跡進(jìn)行了分析，賈焰等[11-12]從流域尺度對石羊河流域、黑河流域水資源生態(tài)承載力和生態(tài)足跡進(jìn)行了評價(jià)。此外，學(xué)者們還從生態(tài)足跡廣度、深度[13]和水域生態(tài)承載力新算法[14]等方面對水資源生態(tài)模型進(jìn)行了研究。本研究利用水資源生態(tài)模型對天水市2012—2018年水生態(tài)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，預(yù)測2030年天水市水生態(tài)變化，以期為天水市生態(tài)保護(hù)治理和高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 天水市概況

天水市位于甘肅東南部，地處34°05′～35°10′N、104°35′～106°44′E，地勢西北高、東南低，海拔多在1 000～2 100 m之間，平均海拔1 100 m。屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫11 ℃，極端最高氣溫38.2 ℃，極端最低氣溫-17.4 ℃，年無霜期185 d。地貌區(qū)域差異明顯，東部和南部因古老地層褶皺而隆起形成山地地貌；北部因地質(zhì)沉陷和紅、黃土層沉積形成黃土丘陵地貌；中部小部分地區(qū)因受緯向構(gòu)造帶的斷裂影響形成渭河地塹，經(jīng)第四紀(jì)河流發(fā)育和侵蝕堆積形成渭河河谷地貌。土壤以黃綿土、黑壚土為主，土層深厚，山塬開闊，是糧、油、菜、果主要生產(chǎn)區(qū)。

根據(jù)《2020年天水市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)年鑒》，天水市下轄秦州區(qū)、麥積區(qū)兩個(gè)市轄區(qū)，甘谷縣、武山縣、秦安縣、清水縣和張家川回族自治縣5個(gè)縣共101個(gè)鎮(zhèn)、12個(gè)鄉(xiāng)、10個(gè)街道，總面積14 392 km2，常住人口336.89萬人，國民生產(chǎn)總值632.67億元。

2 天水市水生態(tài)現(xiàn)狀

2.1 水資源現(xiàn)狀

天水市分屬黃河流域渭河水系和長江流域嘉陵江水系，以西秦嶺為界，西秦嶺以北屬黃河流域渭河水系，流域面積占全市總面積的81.7%，西秦嶺以南屬長江流域嘉陵江水系，流域面積占全市總面積的18.3%。渭河流域年徑流量大于1 000萬m3的一、二級支流有22條，其中一級支流有榜沙河、山丹河、聶河、散渡河、藉河、葫蘆河、牛頭河、馬鹿河、永川河、東柯河、東岔河、大南河等12條；二級支流有清溪河、南溝河、清水河、顯清河、西小河、南小河、后川河、樊河、湯浴河、白駝河等10條。嘉陵江流域年徑流量大于1 000萬m3的河流有白家河、花廟河、紅崖河、西漢水、蘇城河(西漢水支流)。根據(jù)2018年天水市水資源管理公報(bào)，天水市水資源基本情況如下：

(1)降水量。大氣降水是天水市水資源的重要來源，全市多年平均年降水量為483.7 mm，最大年降水量818.6 mm，最小年降水量242.7 mm，多年平均年降水總量69.251億m3，降水時(shí)空變化大。

(2)自產(chǎn)地表水資源量。全市多年平均自產(chǎn)地表水資源量為15.173 5億m3，折合徑流深106.0 mm，其中：黃河流域渭河水系9.563 9億m3，占全市多年平均自產(chǎn)地表水資源量的63%；長江流域嘉陵江水系5.609 6億m3，占全市多年平均自產(chǎn)地表水資源量的37%。

(3)自產(chǎn)地下水資源量。全市多年平均自產(chǎn)地下水資源量為7.206 2億m3，其中山丘區(qū)2.753 0億m3、河谷區(qū)4.453 2億m3，地下水資源量與地表水資源量間重復(fù)計(jì)算量6.915 0億m3、不重復(fù)計(jì)算量0.291 2億m3，渭河流域6.097 2億m3、嘉陵江流域1.109 0億m3。全市地下水可開采資源量為2.250 0億m3。

(4)水資源總量。水資源總量是指當(dāng)?shù)亟邓纬傻牡乇砗偷叵庐a(chǎn)水量，即自產(chǎn)地表水資源量與地下水凈資源量之和。全市多年平均水資源總量為15.464 7億m3，產(chǎn)水模數(shù)為10.75萬m3/km2。

(5)入境水資源量。入境水資源量指從市外入境到本市境內(nèi)的水資源量，天水市入境水主要是從武山的渭河干流、榜沙河，以及甘谷的散渡河、秦安的葫蘆河入境，全市多年平均入境水資源量為9.427 1億m3。

(6)自產(chǎn)加入境水資源量。全市自產(chǎn)加入境水資源量為24.891 8億m3，其中：黃河流域?yàn)?9.282 2億m3，占77.5%；長江流域?yàn)?.609 6億m3，占22.5%。

2.2 水資源利用現(xiàn)狀

(1)供水量。天水市2018年實(shí)際供水量40 401萬m3(表1)，其中地表水供水量為26 619萬m3，占總供水量的65.9%；地下水供水量為13 782萬m3，占總供水量的34.1%。

表1 天水市2018年供水量統(tǒng)計(jì) 萬m3

(2)用水量。根據(jù)2018年天水市水利統(tǒng)計(jì)年報(bào)，參照各縣(區(qū))上報(bào)資料，并結(jié)合實(shí)際調(diào)查平衡分析，全市2018年實(shí)際用水量40 401萬m3(表2)，其中農(nóng)業(yè)灌溉用水、工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)環(huán)境用水分別為27 733萬、3 148萬、8 963萬、557萬m3，農(nóng)業(yè)是第一大用水戶。

表2 天水市2018年用水量統(tǒng)計(jì) 萬m3

(3)耗水量。2018年全市凈耗水量24 805萬m3，綜合耗水率為61.4%，其中：農(nóng)田灌溉耗水量19 582萬m3，農(nóng)田灌溉平均耗水率為70.6%；工業(yè)耗水量1 949萬m3，工業(yè)平均耗水率為61.9%；生活耗水量2 937萬m3，生活平均耗水率32.8%；生態(tài)環(huán)境耗水量337萬m3，生態(tài)環(huán)境平均耗水率為60.5%。

3 現(xiàn)狀水生態(tài)盈虧分析

3.1 水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力模型及相關(guān)參數(shù)

3.1.1 水資源生態(tài)足跡

在生態(tài)足跡模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的水資源生態(tài)足跡模型，概括起來就是把一個(gè)區(qū)域的水資源生態(tài)足跡作為衡量該區(qū)域水資源可持續(xù)利用的標(biāo)準(zhǔn)，即維持現(xiàn)有發(fā)展規(guī)模所需要的水資源的用地面積。計(jì)算公式為

EFw=N×ef=γ×(W/Pw)

(1)

式中：EFw為水資源生態(tài)足跡，hm2；N為區(qū)域人口總數(shù)，人；ef為人均生態(tài)足跡，hm2/人；γ為水資源全球均衡因子；W為消耗的水資源量，m3；Pw為全球水資源平均生產(chǎn)能力，m3/hm2。

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，將天水市水資源生態(tài)足跡的計(jì)算分為生活用水、生產(chǎn)用水和生態(tài)用水生態(tài)足跡三大類。

3.1.2 水資源生態(tài)承載力

水資源生態(tài)承載力是用于判別研究區(qū)域的水資源利用是否處于可持續(xù)狀態(tài)的指標(biāo)。相關(guān)研究成果顯示，水資源生態(tài)承載力的計(jì)算應(yīng)扣除60%用于維持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。其計(jì)算公式為

ECw=N×ecw=(0.4×φ×γ×Q)/Pw

(2)

式中：ECw為水資源生態(tài)承載力，hm2；ecw為人均水資源生態(tài)承載力，hm2/人；Q為水資源總量，m3；φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子；其余符號意義同上。

3.1.3 水資源生態(tài)盈余

生態(tài)盈余是水資源生態(tài)承載力與水資源生態(tài)足跡的差值，是衡量區(qū)域內(nèi)水資源消耗是否在承載范圍內(nèi)的指標(biāo)，可用于評判區(qū)域內(nèi)水資源的可持續(xù)利用狀況。計(jì)算公式為

ECFw=ECw-EFw

(3)

式中：ECFw為水資源生態(tài)盈余/虧欠，hm2；其余符號意義同上。

其中：若ECw>EFw時(shí)，則代表地區(qū)內(nèi)水資源充足，為水資源生態(tài)盈余狀態(tài)，水資源可持續(xù)利用狀況良好；若ECw=EFw時(shí)，則為水資源平衡狀態(tài)；若ECw

3.1.4 相關(guān)參數(shù)的確定

研究中涉及的參數(shù)主要有γ、Pw、φ。其中：世界自然基金會(huì)(WWF，2002年)核算的γ為5.19，Pw為3 140 m3/hm2；經(jīng)計(jì)算天水市水資源平均生產(chǎn)能力(區(qū)域平均產(chǎn)水模數(shù))為1 074.539 4 m3/hm2，按天水市水資源平均生產(chǎn)能力與全球水資源平均生產(chǎn)能力之比計(jì)算φ為0.342 21。

3.2 水資源生態(tài)盈虧計(jì)算

利用《天水市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)年鑒》《天水市水資源管理公報(bào)》的數(shù)據(jù)，計(jì)算天水市各縣區(qū)2012—2018年水資源總量及用水量、生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果見表3、4。

表3 天水市2012—2018年水資源總量及用水量

3.3 水資源生態(tài)盈虧分析

從表4可以看出，天水市2012—2018年人均水資源生態(tài)足跡波動(dòng)性較小。從天水市2012—2018年人均生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果來看，沒有明顯的變化規(guī)律，各年份間差異較小，峰值出現(xiàn)在2017年，為0.105 29 hm2/人，這與2017年降雨量偏大的情況是一致的。

表4 天水市水資源生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果

天水市人均生活用水生態(tài)足跡總體呈現(xiàn)逐年增大的趨勢，這與天水市城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程是一致的。生產(chǎn)用水包括農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水，其中人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡整體減小，人均工業(yè)用水生態(tài)足跡整體增大，這與近年來不斷提高農(nóng)田灌溉技術(shù)和工業(yè)發(fā)展有關(guān)。2012—2018年平均人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占人均生產(chǎn)用水生態(tài)足跡的90.31%，由此可見大力發(fā)展節(jié)水灌溉和農(nóng)業(yè)水資源高效利用是減少水資源生態(tài)足跡的有力措施。

4 天水市水生態(tài)預(yù)測

按人口自然增長率、GDP增長率反推水資源生態(tài)足跡，測算天水市2030年生態(tài)盈虧情況。

4.1 水資源生態(tài)足跡

按國家統(tǒng)計(jì)局、甘肅省統(tǒng)計(jì)局、天水市統(tǒng)計(jì)局2019年統(tǒng)計(jì)資料，2018年人口自然增長率、GDP增長率見表5。

表5 2018年人口自然增長率、GDP增長率

假設(shè)2018—2030年天水市人口自然增長率、GDP增長率與2018年天水市的增長率相同，2018—2030年天水市萬元GDP水資源生態(tài)足跡與2018年相同，則天水市2030年人口、GDP、水資源生態(tài)足跡預(yù)測值見表6。

表6 天水市水資源生態(tài)足跡預(yù)測

4.2 生態(tài)承載力預(yù)測及盈虧分析

假設(shè)2018—2030年天水市萬元GDP水資源生態(tài)足跡與2018年相同，則天水市2030年人均生態(tài)承載力預(yù)測值見表7。

表7 天水市2030年人均生態(tài)承載力預(yù)測結(jié)果

從表7看出，按目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，2030年天水市處于生態(tài)赤字狀況，自產(chǎn)水資源已無法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，水資源將成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要限制因素。

5 結(jié)論與建議

(1)天水市2012—2018年人均水資源生態(tài)足跡波動(dòng)性較小。

(2)天水市2012—2018年水資源總體處于虧欠狀態(tài)。

(3)天水市人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占人均生產(chǎn)用水生態(tài)足跡的比例偏大，應(yīng)大力發(fā)展節(jié)水灌溉和推廣農(nóng)業(yè)水資源高效利用技術(shù)。

(4)按目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，2030年天水市處于生態(tài)赤字狀況，自產(chǎn)水資源已無法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，水資源將成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要限制因素。

天水應(yīng)提高水資源保護(hù)意識(shí)和利用效率，優(yōu)化水資源配置，構(gòu)建創(chuàng)新型用水管水制度，轉(zhuǎn)變發(fā)展思路，向全社會(huì)宣傳節(jié)約資源的理念，同時(shí)積極保護(hù)生態(tài)環(huán)境，為整個(gè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展助力。