阜新市水资源可持续利用评价及其预测分析

尹璐璐

（辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000）

水资源是一种战略性、基础性自然资源，对于促进经济社会发展以及维持地球生命系统循环等具有重要作用，直接影响着广大群众生活和国家安全，水资源保护及其可持续利用越来越引起人们的关注，研究分析水资源生态承载力意义重大[1-4]。文章利用阜新市总用水量预测结果计算其人均水资源生态足迹，由于城市人口数量、用水系统都是既含有未确定和已知信息的灰色系统，对其数值准确预测的难度较高，灰色系统与其它预测方法相比能够在统计数据少、信息不完整的条件下实现预测分析。因此，文章结合阜新市2001-2020年有关数据，通过计算分析水资源负载指数、生态承载力和生态足迹评价其水资源变化情况，并对总用水量利用GM(1，1)模型进行预测，从而揭示未来人均水资源生态足迹变化特征，以期为实现水资源合理配置和可持续利用提供一定参考。

1.1 区域概况

阜新市位于E121°01′～122°56′，N41°41′～42°56′之间，总面积10355km2，属于半干旱地区。境内江河湖库分属于秀水河、牤牛河、饶阳河、养息牧河、细河、柳河水系，水资源在时空分布上不均，资源性缺水问题非常突出。阜新市年均降水量480mm，降水自南向北递减多，多年平均水资源总量84193万m3，人均占有量507 m3，不到全国人均量(2160 m3)的1/4。阜新市以LXB供水工程为骨干，辅之以引白济阜工程进行水源配置，虽然在一定程度上缓解了区域水资源供需不平衡的矛盾，但并未彻底转变供大于需的现状，依然面临着较大的水资源压力。

1.2 数据来源

文章研究数据来源于已经公布的2001-2020年阜新市《国民经济和社会发展统计年报》、水资源公报和统计年鉴等。

2.1 水资源生态足迹模型

根据生态足迹模型提出的水资源生态足迹概念逐渐成为反映水资源可持续利用的重要指标，将水资源生态足迹按照阜新市水资源特征划分成农业、工业、生活和环境用水等生态足迹[5]，其表达式为：

式中：EFi、efi代表用水类型i的水资源生态足迹与人均生态足迹，hm2；
i、N代表水资源用水类型与区域人口数量，万人；
W、PW代表水资源用水量(亿m3)与水资源平均生产能力(m3/hm2)，结合相关资料PW取3120m3/hm2。γ代表水资源均衡因子，借鉴有关文献γ取5.19。

2.2 水资源生态承载力模型

水资源生态承载力是指特定区域特定时期内的水资源供应量，能最大支撑该地区社会、经济、环境和资源可持续可发展的能力[5]，其计算公式为：

式中：ECw、ecw代表总体和人均水资源生态承载力，hm2；
φ代表水资源产量因子，结合门宝辉等[6]文献资料φ取0.77；
Q代表水资源总量，亿m3。

2.3 水资源可持续利用评价指标

1）万元GDP水生态足迹。该数值反映了特定时段特定区域内的GDP总值与水资源生态足迹之间的关系[7]，用水效率越高则其数值越大，反之则越小，其数学表达式为：

2）生态赤字或盈余。研究区水资源开发利用程度可以用水资源生态赤字或盈余来衡量，如果则判定为生态赤字，难以实现水资源可持续发展；
反之，如果则判定为生态盈余，可以实现水资源可持续发展；
如果则判定为临界状态[8-9]。其计算公式如下：

3）生态压力指数EP。研究区生态环境承受的压力强度和水资源可持续利用情况可利用水资源生态压力指数来衡量，其表达式为：

借鉴相关研究成果[10]，将水资源开发利用划分成安全、较安全、临界和不安全4种状态，所对应的水资源生态压力指数取值区间为EP＜0.5、0.5≤EP＜0.8、0.8≤EP＜1.0和EP≥1.0。

4）负载指数c。研究区人口数量、经济发展水平与水资源利用程度之间的关系，以及未来水资源开发潜力可利用负载指数来衡量[11]。负载指数等级划分标准，见表1。水资源负载指数越高则开发利用程度越大，相应的开发利用潜力越小，其数学表达式为：

表1 负载指数等级划分标准

式中：k代表与降水有关的系数，利用公式（8）计算确定；
G代表国内生产总值(亿元)，其它字母含义同上。

3.1 水资源生态足迹计算结果

2001-2020年阜新市工业、农业、环境、生活用水以及总用水生态足迹，阜新市水资源生态足迹变化特征，见图1。从图1可以看出：①总用水生态足迹表现出先减小后缓慢增大的变化趋势，2020年增长幅度明显高于其它时段；
②生活用水和总用水生态足迹变化趋势相似，均表现出现减小后缓慢增大的趋势，这是由于随着阜新市人口数量的增多和经济社会的不断发展，城市生活用水需求急剧增大，从而使得生活用水压力明显提高；
③环境用水生态足迹的上升趋势也比较明显，特别是近5a的增长速度较快，究其原因是阜新市不断加大环境保护力度，相继实施退耕还林、植树造林等一系列环保措施；
④相反，工业用水和农业用水生态足迹表现出逐年减小趋势，究其原因是产业结构不断优化调整，许多高污染高耗水高能耗企业被有效整改，农业科学灌溉和种植等措施有效提高了水资源效率。

图1 阜新市水资源生态足迹变化特征

此外，农业用水生态足迹在2006年以前较高，随后逐渐减小，由此表明当地农业用水所占比例较高，经济发展相对滞后；
随后第二、三产业和经济社会快速发展，工业用水生态足迹不断增大逐渐与农业用水生态足迹持平。

3.2 水资源生态承载力计算结果

2001-2020年阜新市水资源生态承载力变化趋势，阜新市水资源承载力变化特征，见图2。从图2可以看出阜新市水资源生态承载力呈明显波动变化，总体处于82～196万hm2的较低水平，远远低于总用水生态足迹599～763万hm2的区间值，可见水资源供应量远低于需求量。水资源生态承载力最高、最低年为2003年和2013年，究其原因是2003年降水量较低只有326.6mm，低于2001-2020年平均降水量480.7mm，而2013年的降水量较高为686.3mm。

图2 阜新市水资源承载力变化特征

年均降水量与人均水资源生态承载力变化特征，见图3。通过对比图3可知，当年的降雨量与人均水资源生态承载力之间存在密切联系，人均水资源生态承载力越大的年份其降雨量就越多，承载力越小的年份其降雨量也就越少。

图3 年均降水量与人均水资源生态承载力变化特征

3.3 水资源可持续利用评价

2001-2020年阜新市水资源生态压力指数EP计算结果，阜新市水资源生态压力指数和生态足迹，见表2。由表2可知：①阜新市万元GDP水生态足迹总体呈逐年减小趋势，表明阜新市用水效率和水资源利用率不断提升，仍具有一定的可持续利用空间；
②水资源生态压力指数呈波动变化特征，最大和最小值7.05、2.90，说明阜新市水资源始终处于生态不安全状态，水资源供给量小于需求量，可持续开发利用难度较高。然而2015年LXB供水工程的投入，在一定程度上缓解了阜新市水资源压力，压力指数出现明显减小，水资源开发利用有所好转。

表2 草籽量计算标准

表2 阜新市水资源生态压力指数和生态足迹

2001-2020年阜新市水资源负载指数变化趋势，阜新市水资源负载指数变化特征，见图4。从图4可以看出指数值总体较高，最大、最小值为286和84，都远远高于Ⅰ级边缘值10，说明阜新市水资源具有很高的开发利用程度，进一步开发潜力较小，城市用水安全受到严重威胁，必须通过从外流域调水才能缓解当地用水压力。

图4 阜新市水资源负载指数变化特征

2001-2020年阜新市水资源生态赤字变化趋势，阜新市水资源生态赤字变化特征，见图5。从图5可以看出：水资源始终处于赤字状态，即供小于求，这也体现了阜新市用水紧张的局面，水资源开发利用无法满足实际用水需求，为缓解用水压力需要从外部调水。2001-2009年水资源生态赤字总体呈波动减小趋势，2015年LXB供水工程的投入在一定程度上降低了水资源生态赤字，但2020年数值明显升高，究其原因是2020年降水量较小为509.5mm，较2019年的602.6减少了15.4%，从而使得阜新市处于更加紧张的用水局面，水资源赤字也明显上升。

图5 阜新市水资源生态赤字变化特征

4.1 灰色系统模型

灰色系统模型GM(1，1)的主要原理是通过累加处理将原序列转换成有明显增长趋势的新序列，按照新的序列趋势创建预测模型，然后通过累减逆向运算恢复原始数据序列，从而计算确定预测数值，建模流程如下[12]：

1）数据累加。设包含n个数据的原始序列为X0={x(0)(1)，x(0)(2)，…x(0)(n)}，经一次累加计算生成新的数列X1={x(1)(1)，x(1)(2)，…x(1)(n)}，其中x(0)的前k项数据累加为x(1)(k)，即k=1，2，…，n。

2）定义灰导数方程d(k)、数列x(1)(k)的紧临均值z(1)(k)和GM(1，1)的一阶线性微分方程b如下：

经转换计算则有b=x(0)(k)+az(1)(k)，其中b、az(1)(k)、a、x(0)(k)称为灰作用量、白化背景值、发展系数和灰导数，上式代入k值后则有：

则公式(12)可以改写成矩阵Y=bu的形式。

3）GM(1，1)模型及其求解。针对b=x(0)(k)+az(1)(k)，如果将x(0)(k)看成关于k的连续函数，不再是离散序列，则原式可以转变成b=dX(1)/dx+aX(1)，然后将公式两边做积分可以生成：

经进一步转换计算可以求解出相应的预测值，其中k=1，2，…，n-1，结果如下：

4.2 预测结果

采用灰色系统模型预测2001-2020年阜新市总用水量，GM(1，1)总用水量预测，见表3。经级比检验2001-2003年数据无法通过检验，故人均水资源生态足迹预测选用2004-2020年数据。通过计算发现GM的后验差比值p=1，符合＞0.95的检验要求，相对误差都在5%以内，对于总用水量的预测该模型具有较高的精度和较好的拟合效果。

表3 GM(1，1)总用水量预测

充分考虑阜新市实际情况，维持区域人口数量不变，结合已经预测出的总用水量预测2021-2023年阜新市人均水资源生态足迹分别为0.285hm2/人、0.280hm2/人、0.272hm2/人。

阜新市人均水资源生态足迹变化特征，见图6。从图6可以看出，2021-2023年阜新市人均水资源生态足迹总体呈逐年减小趋势，人均用水量也会明显下降，为推动城市可持续发展提供了有力条件，这与阜新市产业结构调整和水资源规划利用等一系列政策的实施密切相关[13-16]。

图6 阜新市人均水资源生态足迹变化特征

1）2001-2020年阜新市水资源生态足迹呈缓慢增大趋势，说明城市水资源需求逐渐增大，从小到大对总水资源生态足迹的贡献排序为工业用水、农业用水、环境用水和生活用水，这与阜新市实际发展情况相符。为促进经济社会与环境的协调发展，近年来阜新市不断减少工业用水量，逐步提高农业用水效率和环境用水量。

2）2015年，阜新市LXB供水工程的投入使用，在一定程度上降低了当地供水量和备用水源地取水量，在一定程度上提高了水资源生态承载力，有利于缓解阜新市用水压力和水源地涵养。

3）经预测分析，2021-2023年阜新市仍处于用水紧张状态，但人均水资源生态足迹和人均用水量将逐渐减小，采取实施的一系列措施开始发挥成效，未来阜新市水资源利用水平和利用效率会不断提高，城市水资源开发利用呈现出一个好的发展态势。