李 騰 劉 晴 隋 鵬

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193)

河北省地處華北平原北部，地表總面積18.77萬(wàn)km2，平原占30.49%，其中多年耕地面積約為6.48萬(wàn)km2，省內(nèi)湖泊和洼淀面積僅占2.21%，水資源匱乏[1]。因此分析河北省水資源的供需結(jié)構(gòu)及年際間變化趨勢(shì)，對(duì)于減輕河北省水資源壓力、制定節(jié)水措施和維持水資源生態(tài)健康具有重要指導(dǎo)意義。

黃峰等[2]分析了1998—2015年華北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水量、水分利用效率和水分生產(chǎn)力，并提出了相應(yīng)的節(jié)水指導(dǎo)意見；韓宇平等[3]采用水足跡理論對(duì)河北省1957—2015年的14種農(nóng)作物的水足跡進(jìn)行計(jì)算，分析水足跡的歷史變化趨勢(shì)，最終提出了針對(duì)河北省水資源現(xiàn)狀的種植結(jié)構(gòu)；趙彥紅[4]采用水資源承載力模型對(duì)河北省水資源承載能力變化進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示，1996—2003年河北省水資源承載力變化幅度較小，但總體處于較低水平，嚴(yán)重制約河北省的水生態(tài)安全。

水資源生態(tài)足跡的概念一經(jīng)提出，就在水資源可持續(xù)利用的定量評(píng)價(jià)方面得到廣泛的應(yīng)用并逐漸發(fā)展為成熟的理論[5]。目前，已有多位國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用水資源生態(tài)足跡理論對(duì)地區(qū)水資源的盈虧狀況進(jìn)行分析，如譚秀娟等[6]采用生態(tài)足跡模型，對(duì)我國(guó)1949—2007年水資源的可持續(xù)利用狀況做出了客觀的評(píng)價(jià)；Wang等[7]通過引入生態(tài)壓力指數(shù)，運(yùn)用水資源生態(tài)足跡的方法對(duì)我國(guó)遼河流域的水資源狀況進(jìn)行分析；熊娜娜等[8]利用水資源生態(tài)足跡模型對(duì)成都市2000—2015年水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力進(jìn)行了研究；程亞男[9]采用生態(tài)足跡研究方法分析了2005—2017年黑龍港地區(qū)水資源承載力；Fu等[10]通過引入水資源承載力模型，對(duì)遼河平原水資源承載力情況進(jìn)行了綜合的評(píng)價(jià)。農(nóng)田灌溉用水占用水總量比例大[2]，水資源總量的生態(tài)足跡及承載力明顯受農(nóng)田灌溉用水的影響。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)氣候資源、農(nóng)業(yè)用水和水資源政策等方面都發(fā)生了較大的變化，尤其是2015年以來，我國(guó)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展開始啟動(dòng)，農(nóng)業(yè)發(fā)展逐漸向綠色、可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型，農(nóng)業(yè)耗水結(jié)構(gòu)亟需轉(zhuǎn)變[11]。有關(guān)河北省進(jìn)入21世紀(jì)后水資源及供需變化趨勢(shì)、可持續(xù)性評(píng)估方面的研究鮮有報(bào)道。本研究根據(jù)河北省水資源變化、需求和供應(yīng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并結(jié)合水資源生態(tài)足跡計(jì)算模型，對(duì)2004—2018年河北省水資源盈虧狀況進(jìn)行計(jì)算，分析河北省水資源變化趨勢(shì)及供需變化情況，旨在對(duì)河北省水資源的可持續(xù)性進(jìn)行評(píng)估，以期為河北省節(jié)水發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中用到的水資源數(shù)據(jù)來源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局(網(wǎng)址：https:∥data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01)，全省國(guó)土面積和水域分布等數(shù)據(jù)來源于《河北省經(jīng)濟(jì)年鑒》[1]，水埋深數(shù)據(jù)來源于河北省水利廳的2004—2018年河北省水資源公報(bào)[12]。

1.2 指標(biāo)計(jì)算

1.2.1水資源生態(tài)足跡

依據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的河北省水資源相關(guān)數(shù)據(jù)(網(wǎng)址：https:∥data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01)，分別對(duì)河北省水資源生態(tài)足跡和河北省農(nóng)田灌溉用水生態(tài)足跡進(jìn)行計(jì)算。關(guān)于水資源生態(tài)足跡的計(jì)算方式及參數(shù)選取在不同的研究中各有差異，為便于比較，本研究在計(jì)算過程中涉及的模型及計(jì)算參數(shù)均以全球范圍為標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算公式為：

(1)

式中：EFw，水資源生態(tài)足跡，hm2；φw，水資源全球均衡因子，采用WWF(世界自然基金會(huì))2002年確定的水資源均衡因子5.19為標(biāo)準(zhǔn)值[9]；Cw，區(qū)域水資源總使用量，m3；Pw，水資源平均生產(chǎn)能力，m3/hm2，本研究取值3 140 m3/hm2。

(2)

式中：EFaiw，農(nóng)田灌溉用水生態(tài)足跡，hm2；φaiw，耕地水資源均衡因子，本研究采用WWF(世界自然基金會(huì))2002年確定的耕地水資源均衡因子2.11為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算[9]；Caiw，區(qū)域農(nóng)田灌溉用水總消耗量，m3。

1.2.2水資源生態(tài)承載力

分別對(duì)河北省水資源承載力和河北省農(nóng)田灌溉用水水資源承載力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中：ECw，水資源承載力，hm2；φw，水資源全球均衡因子，取值5.19；φw，河北省在全球范圍內(nèi)的水資源產(chǎn)量因子，本研究計(jì)算參照蓋東海[13]的計(jì)算結(jié)果，取值0.401 5；Qw，區(qū)域水資源總量，m3；Pw，世界水資源平均生產(chǎn)能力，取值3 140 m3/hm2。ECaiw，農(nóng)田灌溉用水水資源承載力，hm2；φaiw，耕地水資源均衡因子，取值2.11；Qaiw，農(nóng)田水資源含量，本研究假設(shè)在河北省范圍內(nèi)水資源均勻分布，根據(jù)河北省土地面積與2004—2018年有效灌溉面積折算得到歷年有效灌溉農(nóng)田下的水資源含量。

1.2.3水資源盈虧分析

通過水資源承載力和水資源生態(tài)足跡可分別求得河北省水資源與農(nóng)田灌溉用水盈余狀況，計(jì)算公式為：

EDw(ESw)=ECw-EFw

(5)

EDaiw(ESaiw)=ECaiw-EFaiw

(6)

式中：EDw，水資源生態(tài)赤字，hm2；ESw，水資源生態(tài)盈余，hm2；EDaiw，農(nóng)田灌溉用水生態(tài)赤字，hm2；ESaiw，農(nóng)田灌溉用水水資源盈余，hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 2004—2018年河北省水資源現(xiàn)狀

2.1.1水資源總量變化

由圖1可知，2004—2018年的水資源總量平均值為151.83億m3，與2004年基本持平；地表水和地下水資源量平均值分別為65.36和121.42億m3，其中，地下水較2004年減少9.64億m3。

圖1 2004—2018年河北省水資源及降雨變化Fig.1 Water resources and precipitation in Hebei Province from 2004 to 2018

如表1所示，2004—2011年，水資源總量、地表水和地下水資源量平均值分別為139.27、54.60和117.55億m3，年際間變異系數(shù)分別為0.01、0.11和0.03，變異程度??；2012—2018年，3個(gè)水資源量指標(biāo)分別為166.19、77.66和125.85億m3，均比2004—2011年有所增加，增幅分別為19.33%、42.23%和7.06%，水資源量年際間變異系數(shù)分別為0.30、0.30和0.23，變異程度顯著高于2004—2011年，年際間水資源量變動(dòng)大，結(jié)合降雨量數(shù)據(jù)分析，年際間降雨量差異是造成水資源年際間差異的重要因素。

2.1.2用水結(jié)構(gòu)及水量盈虧

2004—2018年，河北省用水總量基本穩(wěn)定，期間的年均用水總量為193.05億m3，從2015年起，用水總量緩慢減少，2015—2018年的年平均總用水量較2004—2014年減少 13.10 億m3(圖2)。

按照農(nóng)業(yè)與非農(nóng)業(yè)用水劃分，農(nóng)業(yè)用水占用水總量的比例一直較大，2004—2018年，農(nóng)業(yè)用水占用水總量的平均值為72.56%，自2015年起，農(nóng)業(yè)用水所占比例呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，到2018年，農(nóng)業(yè)用水比例由75.07%降至66.39%，較2004年下降8.68%，用水量減少25.97億m3(圖2)，農(nóng)業(yè)用水的減少是用水總量出現(xiàn)下降的主要原因；非農(nóng)業(yè)用水主要包括工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水，這3部分用水總量年際間變化較小，合計(jì)年均用水量為52.83億m3，近年來，非農(nóng)業(yè)用水中生態(tài)用水的比例呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。

表1 2004—2018年河北省水資源量變異分析Table 1 The variation analysis of water resources in Hebei Province from 2004 to 2018

圖2 2004—2018年河北省用水結(jié)構(gòu)的變化Fig.2 The using structure of water resources in Hebei Province from 2004 to 2018

盡管從2015年以來農(nóng)業(yè)用水量大幅下降，帶動(dòng)用水總量出現(xiàn)顯著降低，但河北省的年均用水量依然較大，用水形勢(shì)仍然十分嚴(yán)峻。由表2可知，除2012和2016年2個(gè)偏豐水年份外，其余年份的水資源剩余量均為負(fù)值，2004—2018年造成618.28億m3的總水資源虧損，相當(dāng)于河北省3.2年的用水總量。

2.1.3供水結(jié)構(gòu)及地下水埋深

2004—2018年，地表與地下供水量分別占總供水量的23.13%與75.58%，因此地下水仍是河北省水資源供給的主要來源。由圖3可知，2004—2011年，地表水供應(yīng)比例相對(duì)穩(wěn)定，占供水總量的18.64%～19.66%；從2012年開始，河北省地下水過度開采的嚴(yán)重危害與不可持續(xù)性逐漸受到關(guān)注，相關(guān)部門開始嘗試調(diào)整供水結(jié)構(gòu)，減少地下水的過度開采，因此地表水供水比例顯著增加，2018年地表水的供水比例為38.60%，分別比2004年提高19.40%，比2004—2018年平均值提高15.47%。

雖然2012—2018年政策上的支持與技術(shù)的發(fā)展減少了地下水供水比例，河北省水資源供給結(jié)構(gòu)向好的方向發(fā)展，但截止2018年，河北省仍然以地下水供水為主，對(duì)地下水的超采、超用仍在持續(xù)進(jìn)行，這導(dǎo)致河北省地下水埋深仍在增加。由圖4可知，2004—2018年，河北省平原區(qū)淺層地下水逐漸減少，地下水埋深持續(xù)增加，2004—2018年共增加3.28 m；深層地下水水位基本呈增加趨勢(shì)，衡水市、滄州市和邢臺(tái)市的深層地下水埋深分別增加21.38、7.08和22.28 m。2014年以后增加幅度變大，顯著高于2004—2011年的變化幅度。地下水埋深的持續(xù)增加，一方面是由于地下水長(zhǎng)期超采、2012—2016年水資源變異程度加大，另一方面，可能也與地表水資源回補(bǔ)變少有關(guān)。

表2 2004—2018年河北省水量盈虧Table 2 Profit or deficit of water resources in Hebei Province from 2004 to 2018 億m3

圖3 2004—2018年河北省主要供水結(jié)構(gòu)的變化Fig.3 The water resources supply structure in Hebei Province from 2004 to 2018

2.2 河北省多年水資源生態(tài)足跡與水資源承載力

2.2.1水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力

由圖5可知，2004—2018年，河北省水資源生態(tài)足跡各有漲落，但整體呈線性下降趨勢(shì)，曲線擬合R2=0.79。水資源生態(tài)足跡最大值出現(xiàn)在2006年，為3.37×107hm2，最小值出現(xiàn)在2017年，為 3.00×107hm2，共降低12.34%。水資源生態(tài)足跡的降低，說明水資源的過量開發(fā)利用狀態(tài)得到一定的改善，通過不同的節(jié)水方式提高了水資源利用率。

從水資源承載力的角度，2004—2018年水資源承載力的最大值出現(xiàn)在2012年，為6.25×106hm2，最小值為2.82×106hm2，出現(xiàn)在2014年。水資源承載力年際間變化較大，但整體呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。從圖5可知，在2012—2018年，水資源承載力的變動(dòng)程度大于2004—2011年的變動(dòng)程度，與水資源總量類似，變異程度高，可能是受到降雨量的影響。水資源生態(tài)承載力的增加說明河北省水資源正朝著一個(gè)良好的方向發(fā)展，可以為相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供支持，有利于河北省水資源的可持續(xù)發(fā)展。

河北省水資源公報(bào)[12]記錄的滄州市深層地下水變化可查數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍截止到2015年。The time range of accessible data of deep ground water change in Cangzhou recorded by Hebei Water Resources Bulletin[12] is up to 2015.圖4 2004—2018年河北省多地地下水埋深變化Fig.4 The groundwater level in Hebei Province from 2004 to 2018

圖5 2004—2018年河北省多年水資源生態(tài)足跡與承載力Fig.5 Water ecological footprint and water ecological carrying capacity in Hebei Province from 2004 to 2018

2.2.2農(nóng)田灌溉用水生態(tài)足跡與承載力

對(duì)河北省有效灌溉農(nóng)田的水資源生態(tài)足跡及承載力進(jìn)行分析，其結(jié)果與河北省水資源總量生態(tài)足跡與承載力相似。農(nóng)田灌溉用水的水資源生態(tài)足跡呈下降趨勢(shì)，2004—2018年，共降低1.89×106hm2，相比水資源生態(tài)足跡，其線性擬合度更好(R2=0.88)；另外，2015—2018年，其水足跡的下降幅度顯著增大，共減少9.62×105hm2，為2004—2018年下降總量的50.94%，這與農(nóng)業(yè)用水比例下降的趨勢(shì)相一致。農(nóng)田灌溉用水的水資源生態(tài)承載力呈緩慢的上升趨勢(shì)，但其年際間的波動(dòng)程度大，這可能是降雨等氣候因素造成的(圖6)。

圖6 河北省多年農(nóng)田灌溉水資源生態(tài)足跡與承載力Fig.6 Agricultural irrigation water ecological footprint and water ecological carrying capacity in Hebei Province from 2004 to 2018

農(nóng)田灌溉用水量多年平均值占河北省用水總量的67.37%，因此，在一定程度上，農(nóng)田灌溉水資源生態(tài)足跡與承載力直接影響著河北省水資源的生態(tài)足跡與承載力。結(jié)果顯示，農(nóng)田灌溉用水的水資源生態(tài)足跡與承載力與水資源總量的變化趨勢(shì)一致。

2.2.3水資源與農(nóng)田灌溉用水盈虧分析

2004—2018年，雖然河北省水資源生態(tài)足跡呈降低趨勢(shì)，水資源承載力有緩步增加的趨勢(shì)，但是，從表3可知，河北省水資源盈虧總量一直處于赤字狀態(tài)，常年水資源赤字平均值為2.79×107hm2/年，即長(zhǎng)期依靠超采地下水資源來維持社會(huì)正常的生產(chǎn)生活，且水資源赤字的絕對(duì)值較大，說明多年來，河北省水資源生態(tài)足跡遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出水資源承載力，水資源生態(tài)健康受到嚴(yán)重的破壞，但每年水資源生態(tài)赤字的絕對(duì)值在呈減少的趨勢(shì)，也意味著水資源供需差距正在減小。農(nóng)田灌溉用水生態(tài)赤字的分析結(jié)果與水資源生態(tài)赤字的結(jié)果一致(表4)。

表3 河北省多年水資源生態(tài)赤字Table 3 Ecological deficit of water resources in Hebei Province from 2004 to 2018 107 hm2

表4 河北省多年農(nóng)田灌溉用水生態(tài)赤字Table 4 Agricultural irrigation ecological deficit of water resources in Hebei Province from 2004 to 2018 106 hm2

3 討 論

3.1 河北省水資源現(xiàn)狀分析

本研究從河北省水資源總量變化和實(shí)際供需量變化的角度，結(jié)合水資源生態(tài)足跡、承載力理論對(duì)河北省水資源現(xiàn)狀進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，河北省在水資源利用方面欠賬大[14-15]。從供水角度來看，2012—2018年，地表水的供水比例逐漸增加，一方面是受到政府限制地下水開發(fā)的影響[15]，另一方面，2012—2018年河北省偏豐水年的出現(xiàn)頻率增加，5年的年均降雨量超過500 mm/年，地表水資源量增加；且有預(yù)測(cè)，華北地區(qū)在未來的30年內(nèi)將進(jìn)入一個(gè)降水偏豐的時(shí)期[16]；另外，從河流入境水量角度來看，隨著水資源保護(hù)力度的加大，入境河北省河流的省外上游地區(qū)地表水開發(fā)利用程度降低，在2016—2018年，河北省入境水量明顯增加，年平均入境水量較2006—2015年增加19.19億m3[12]。值得注意的是，從補(bǔ)充水資源量的角度來看，降雨量的增加是有利的，但同時(shí)也對(duì)未來的用水結(jié)構(gòu)規(guī)劃提出新的要求[2,17]。

本研究結(jié)果顯示，從水資源生態(tài)足跡與承載力的角度來看，2004—2018年河北省水資源生態(tài)足跡呈降低趨勢(shì)，水資源承載力在增加，這說明河北省水資源用量在持續(xù)減少，水資源的承載能力在逐步恢復(fù)，從而形成了水資源生態(tài)赤字的逐漸縮小，但長(zhǎng)時(shí)間的歷史欠賬導(dǎo)致赤字?jǐn)?shù)值依然很大。

農(nóng)業(yè)用水占河北省用水總量的比例大，同時(shí)，河北省在維護(hù)地區(qū)乃至國(guó)家糧食安全中起著重要的作用，因此，在實(shí)現(xiàn)節(jié)水的同時(shí)還要保證足夠的糧食產(chǎn)量，這說明河北省日后糧食作物種植的發(fā)展方向應(yīng)該是提高水資源利用效率。通過優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)、依靠科技提高水資源的利用效率，加快構(gòu)建河北省農(nóng)業(yè)采水與用水的新平衡，形成更加科學(xué)的、可持續(xù)的用水結(jié)構(gòu)，是今后用水的發(fā)展方向[18-20]。

3.2 河北省農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)對(duì)策建議

農(nóng)業(yè)節(jié)水是解決水資源供需矛盾的重中之重，同時(shí)，對(duì)于保證農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有同樣重要的意義[21]。農(nóng)業(yè)節(jié)水可從縮減用量與提高效率2個(gè)角度進(jìn)行考慮。

通過推廣節(jié)水抗旱作物品種、優(yōu)化作物布局，可以有效壓減水資源用量。2015年，石家莊市通過推廣種植節(jié)水小麥品種及相關(guān)的種植技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平均節(jié)水750 m3/hm2以上，壓采地下水6 100萬(wàn)m3以上，2016年推廣節(jié)水小麥面積達(dá)8.8萬(wàn)hm2[22]。通過調(diào)整種植制度，壓縮高耗水作物的種植面積，同樣可達(dá)到農(nóng)業(yè)水資源減量利用的目的[23-25]。如隋鵬[26]在河北省石家莊市欒城經(jīng)過多年的試驗(yàn)，總結(jié)出在河北省水資源嚴(yán)重緊缺的地區(qū)采用春玉米一熟模式部分替代冬小麥-夏玉米復(fù)種模式，可實(shí)現(xiàn)年內(nèi)節(jié)約灌溉水62.5%；閆鵬等[27]研究發(fā)現(xiàn)，適水條件下，相較麥玉復(fù)種模式，春玉米一熟周年耗水量降低48.4%。

以提高水分利用效率為出發(fā)點(diǎn)的工程節(jié)水和管理節(jié)水同樣在農(nóng)業(yè)節(jié)水中發(fā)揮著重要的作用。根據(jù)2018年河北省經(jīng)濟(jì)年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，河北省有效灌溉面積占河北省耕地總面積的69.65%[1]，截至2017年，河北省累積推廣節(jié)水灌溉面積占農(nóng)田有效灌溉面積的75.75%，其中，采用灌溉效率高的噴管和滴灌技術(shù)進(jìn)行灌溉的僅占節(jié)水灌溉面積的 11.15%[28]，占比少。當(dāng)前，國(guó)外關(guān)于工程節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用已與信息技術(shù)充分結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)化、信息化的灌溉方式，適時(shí)、適當(dāng)?shù)牟捎靡延邢冗M(jìn)技術(shù)對(duì)于提高農(nóng)田水分利用效率是至關(guān)重要的[20]。落實(shí)節(jié)水政策可以充分保證節(jié)水科技成果在田間的應(yīng)用，同時(shí)，還可以通過宣傳，使節(jié)水意識(shí)深入人心，營(yíng)造節(jié)水氛圍[29]。

農(nóng)業(yè)節(jié)水要因地制宜，要關(guān)注種植者的經(jīng)濟(jì)效益、保障整體糧食生產(chǎn)不受影響，避免武斷和“一刀切”的行為。在成規(guī)模的大型農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)合作社，可以采用財(cái)政補(bǔ)貼的方式鼓勵(lì)引進(jìn)新型的灌溉設(shè)備，集中對(duì)省內(nèi)一定規(guī)模以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者進(jìn)行集中培訓(xùn)，傳授新的節(jié)水理念，新的種植技術(shù)和方式；對(duì)于分散在廣大小農(nóng)戶手中目前無(wú)法形成集中經(jīng)營(yíng)的土地，可以通過擴(kuò)大節(jié)水宣傳和建立節(jié)水示范區(qū)等方式。最終目的是充分發(fā)揮不同節(jié)水措施的作用，并互相補(bǔ)充，共同促進(jìn)水資源的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

總體來看，河北省2004—2018年水資源總量變化不大，但地下水埋深仍以較大幅度增加，且水資源總量的年際間變異增大。農(nóng)業(yè)用水比例在逐年下降，但用水量依然很大，用水效率的提升空間還較大，因此，需要采用綜合管理措施來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水，在保證河北省糧食安全的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)水資源的減量利用。