劉學(xué)軍

(錦州市義縣水利局，遼寧 錦州 121100)

水資源是人類賴以生存和發(fā)展的自然資源，是支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要性戰(zhàn)略資源。受人類活動(dòng)和社會(huì)發(fā)展影響，水資源系統(tǒng)和演化發(fā)展規(guī)律已發(fā)生明顯的改變，水資源供需關(guān)系持續(xù)緊張等問(wèn)題已成為制約我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一[1]。據(jù)此，開展水資源生態(tài)壓力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的相互作用關(guān)系研究，對(duì)制定區(qū)域水資源可持續(xù)利用發(fā)展關(guān)鍵性技術(shù)措施方案具有重要意義[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水資源生態(tài)壓力開展了大量的研究和探索，并取得了一定的研究成果[3]。遼寧省為我國(guó)東北部地區(qū)，水資源空間分布差異性較大，且人均水資源占有量較低，水資源供需矛盾已成為制約該區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[4]。眾多學(xué)者通過(guò)各種方法和途徑對(duì)遼寧省的水資源可持續(xù)利用現(xiàn)狀展開深入研究，然而僅立足于時(shí)間序列視角，而對(duì)各地級(jí)市的可持續(xù)利用狀態(tài)研究相對(duì)較少，未能準(zhǔn)確識(shí)別出各區(qū)域之間的水資源可持續(xù)利用的空間差異性。綜上所述，本文以2016年的考察樣本為依據(jù)，基于生態(tài)足跡壓力測(cè)度模型就遼寧省各地級(jí)市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)水資源生態(tài)壓力展開模擬計(jì)算，并利用自然斷點(diǎn)法借助ArcGIS分析軟件對(duì)水資源生態(tài)壓力空間格局進(jìn)行探討，采用空間自相關(guān)分析模型考察了各區(qū)域的水資源空間關(guān)聯(lián)模式，以期為遼寧省制定差別化水資源可持續(xù)利用相關(guān)制度和方案提供一定的數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)[5]。

1 研究區(qū)域概況

遼寧省位于我國(guó)東北部地區(qū)，地理位置介于東經(jīng)118°53′～125°46′、北緯38°43′～43°26′之間，占地面積為14.8萬(wàn)km2。地形地貌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要是以山地、丘陵地、平原區(qū)為主；屬于溫帶、寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季干冷漫長(zhǎng)，夏季多雨炎熱，全年降雨量為600～1100mm之間，降雨量和徑流量分布不均勻，東部山地丘陵區(qū)降雨量較為充足。遼寧省工業(yè)發(fā)展較為充分、畜牧業(yè)和農(nóng)林業(yè)發(fā)展迅速，不僅是我國(guó)的糧食基地而且是重工業(yè)發(fā)展中心[6]，2016年常住人口為4377.8萬(wàn)人，GDP總產(chǎn)值22037.88億元。水資源總量為826.5億m3，總用水量約為316.2m3，其中第一、二、三產(chǎn)業(yè)的用水量分別為168.4億、107.2億和40.6億m3。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 水資源生態(tài)壓力測(cè)度模型

生態(tài)足跡法的衍生發(fā)展是進(jìn)行水資源生態(tài)足跡分析的前提條件，它是以水資源用地面積表征人類所消耗水資源量[7]，具有直觀、清晰和簡(jiǎn)潔等特征，在人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)水資源所產(chǎn)生的壓力研究方面應(yīng)用較為廣泛，理論發(fā)展相對(duì)成熟，模型具體表達(dá)式為：

WEF=γw(Wa+Wi+Wc+Wl+We)/Pw

(1)

式中，WEF—水資源生態(tài)足跡，hm2；γw—全球水資源均衡因子，本文取0.82；Wa、Wi、Wc、Wl、We—分別為農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)用水、城鎮(zhèn)公共用水、生活、生態(tài)環(huán)境用水，m3；Pw—全球水資源平均生產(chǎn)能力，本研究中的參數(shù)值取3180m3/hm2。

為了保證區(qū)域內(nèi)社會(huì)生產(chǎn)、生活以及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力，往往采用水資源承載力指標(biāo)進(jìn)行表征，其計(jì)算公式如下：

WEC=0.4γwφwW/Pw

(2)

式中，WEC—水資源生態(tài)承載力，m3；φw—水資源產(chǎn)量影響因子即研究區(qū)域水資源生產(chǎn)能力占世界平均水資源生產(chǎn)能力的比值；W—水資源總量，m3；0.4—在水資源總量中除去60%用于維持生態(tài)環(huán)境的剩余水量比重；其他變量含義同前。

水資源可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響顯著，往往采用水資源生態(tài)壓力指數(shù)進(jìn)行表征，其值的大小代表人類各種活動(dòng)對(duì)水資源的威脅和作用程度，值越大則越不利于水資源的可持續(xù)利用[8]。基于能源消費(fèi)的生態(tài)壓力測(cè)度計(jì)算方法，水資源生態(tài)壓力可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中，WEP1—水資源生態(tài)壓力，WEP1值大于1時(shí)表示人類各種生產(chǎn)生活活動(dòng)已對(duì)水資源產(chǎn)生威脅和脅迫，并超出生態(tài)承載力的極限值，水資源的開采利用處于不利狀況；WEP1值小于1時(shí)則表示人類各種生產(chǎn)生活活動(dòng)對(duì)水資源的影響作用較小，在生態(tài)承載力的可控范圍之內(nèi)，水資源開采利用為良性狀態(tài)。

2.2 空間自相關(guān)性分析

空間自相關(guān)性分析法在水資源生態(tài)壓力研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，主要包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)2種主要度量指標(biāo)[9]。對(duì)整個(gè)研究范圍之內(nèi)的某種地理現(xiàn)象或?qū)傩灾翟诳臻g上的聚集特征和程度進(jìn)行表征，通常采用全局空間自相關(guān)模型進(jìn)行研究，并用Moran指數(shù)I進(jìn)行表征，其計(jì)算公式為：

(4)

(5)

I值的大小表征研究區(qū)域內(nèi)某地理現(xiàn)象或特征屬性的異質(zhì)空間聚集程度，取值范圍為-1～1。當(dāng)值為正時(shí)表示所具有的正向同質(zhì)空間聚集效應(yīng)，越趨近于1則空間關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)；當(dāng)值為負(fù)時(shí)則表示存在較為明顯的差異性，越趨近于-1則空間差異性越明顯；當(dāng)值為0時(shí)則表示研究范圍內(nèi)不存在空間相關(guān)性[10]。

對(duì)研究區(qū)域內(nèi)某相鄰單元屬性特征的相關(guān)性程度進(jìn)行分析，通常采用局部空間自相關(guān)指標(biāo)Ii進(jìn)行表征，計(jì)算公式為：

(6)

式中，Ii—局部空間異質(zhì)性參數(shù)。當(dāng)值為正時(shí)表示單元i與相鄰單元具有同質(zhì)性特征，值越大則同質(zhì)性越明顯；當(dāng)值為負(fù)時(shí)標(biāo)志單元i與相鄰單元具有異質(zhì)性特征，值越小則異質(zhì)性越明顯，所有Ii值之和即為I。其他變量含義同前。

Moran聚散點(diǎn)圖是表征局部單元空間聚集特征的主要方法，圖形中的第一、第二、第三、第四象限分別為高高、低高、低低和高低空間關(guān)聯(lián)模式，并表示為相鄰單元均為高值聚集區(qū)、低值聚集區(qū)、均為低值聚集區(qū)、高值聚集區(qū)。結(jié)合Moran集散圖，利用空間分析軟件ArcGIS可獲得顯著性水平圖LISA。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料，收集了遼寧省各地級(jí)市研究樣本的各類水資源用水量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源生態(tài)壓力

本文通過(guò)構(gòu)建水資源生態(tài)足跡測(cè)度模型公式(1)，將遼寧省各地級(jí)市水資源數(shù)據(jù)輸入模型并運(yùn)算可得14個(gè)地級(jí)市的水資源生態(tài)足跡；結(jié)合遼寧省總的水資源量、土地面積以及世界平均水資源生產(chǎn)力等相關(guān)參數(shù)，可得遼寧省2016年的水資源產(chǎn)量因子為1.628；利用文中所述計(jì)算公式(2)和(3)可得各地級(jí)市在2016年的水資源承載力和生態(tài)壓力指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 遼寧省各地級(jí)市2016年各利用類型的水資源數(shù)量 億m3

表2 遼寧省2016年各地級(jí)市的水資源生態(tài)壓力計(jì)算結(jié)果

由表2計(jì)算結(jié)果可知，遼寧省各地級(jí)市的水資源生態(tài)壓力指數(shù)均大于1，取值范圍在1.12～3.65，均值為1.79，表示該區(qū)域社會(huì)活動(dòng)發(fā)展已對(duì)水資源產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，并對(duì)水資源可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。利用上表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行ArcGIS計(jì)算，可將遼寧省生態(tài)壓力劃分為4類：Ⅰ類(1.0～1.35)壓力小，主要有大連市、營(yíng)口市、鐵嶺市和葫蘆島市；Ⅱ類(1.35～1.76)壓力較小，包含沈陽(yáng)市、鞍山市、撫順市、本溪市、、丹東市、阜新市；Ⅲ類(1.76～2.20)壓力較大，包括遼陽(yáng)市、盤錦市；Ⅳ類(2.20～3.65)壓力大，包括錦州市、朝陽(yáng)市。遼寧省各地級(jí)市的水資源生態(tài)壓力空間格局表現(xiàn)出明顯的不均衡性，其原因和生態(tài)環(huán)境、水資源利用現(xiàn)狀、人口數(shù)量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等相關(guān)。

3.2 水資源生態(tài)壓力的空間自相關(guān)分析

利用ArcGIS分析軟件將遼寧省地域圖矢量化，并采用文中所述計(jì)算公式(4)對(duì)遼寧省的全局自相關(guān)Moran指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其值為-0.1028，P值在0.01的置信水平上為0.4185。遼寧省水資源生態(tài)壓力的空間格局未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，并沒(méi)有形成較為明顯的空間極化特征屬性。

3.3 水資源生態(tài)壓力局部自相關(guān)分析

采用遼寧省14個(gè)地級(jí)市的水資源生態(tài)壓力的矢量化數(shù)據(jù)，并利用公式(5)進(jìn)行區(qū)域局部空間自相關(guān)性計(jì)算，可到局部空間自相關(guān)LISA計(jì)算結(jié)果，并可繪制遼寧省某相鄰2城市的Moran指數(shù)散點(diǎn)圖，如圖1所示。

圖1 遼寧省2016年水資源生態(tài)壓力Moran指數(shù)散點(diǎn)圖

由圖1可知，位于高高空間關(guān)聯(lián)模式即第Ⅰ的城市有錦州市、朝陽(yáng)市、撫順市，P值在0.05置信水平上的值均大于0.10，顯著性表現(xiàn)不明顯，且表明該城市的水資源生態(tài)壓力較高，與相鄰的具有較高生態(tài)壓力的聚集特性表現(xiàn)不突出。位于低高關(guān)聯(lián)模式即Ⅱ現(xiàn)象的城市居多，除了鞍山市以外的城市均表現(xiàn)出明顯的局部關(guān)聯(lián)特性，鞍山市的LISA指數(shù)為-2.874，P值為0.015，該城市生態(tài)壓力較低，且與其相鄰城市的生態(tài)壓力較大，但表現(xiàn)為低值異質(zhì)聚集區(qū)。其原因可能與阜新市具有的水利工程建設(shè)、塘壩、水庫(kù)、節(jié)水型工業(yè)發(fā)展等有關(guān)[11]；位于低低空間關(guān)聯(lián)模式的城市僅有大連市，在0.05置信水平上的顯著性指數(shù)為0.8825，P值為0.05，說(shuō)明該城市水資源生態(tài)壓力值較低，并且與其相鄰的生態(tài)壓力也低，該城市屬于明顯的低值聚集區(qū)。其原因可能與該城市的天氣環(huán)境和地理位置相關(guān)，降雨量較為充足且屬于低山丘陵區(qū)，林地覆蓋率較高，工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)合理。位于第四象限高低空間關(guān)聯(lián)模式的主要有遼陽(yáng)市、盤錦市、營(yíng)口市和丹東市，在0.05置信水平上均未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，屬于高值異質(zhì)聚集特征。

4 結(jié)論

本文利用生態(tài)足跡壓力測(cè)度模型對(duì)遼寧省的14個(gè)地級(jí)市水資源生態(tài)足跡、生態(tài)承載力和壓力指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)水資源生態(tài)壓力的空間自相關(guān)性和局部自相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算，得出該區(qū)域社會(huì)活動(dòng)發(fā)展已對(duì)水資源產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，并對(duì)水資源可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。為此，遼寧省應(yīng)當(dāng)采取多極化的水資源保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。本次研究突破了原有的多聚焦時(shí)間維度的研究局限性，拓展了空間格局研究；但是缺乏從時(shí)間維度去考察該差異變化的趨勢(shì)。今后應(yīng)當(dāng)加大研究力度，從時(shí)空維度考察經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源影響以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展如何影響水資源的可持續(xù)利用。