武漢市水資源生態足跡動態分析

劉漢生，王 暉，張 婷，吳宜進，張永利

（1.華中師范大學地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430079；2.湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢 430040）

武漢市水資源生態足跡動態分析

劉漢生1，王 暉2*，張 婷1，吳宜進1，張永利1

（1.華中師范大學地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430079；2.湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢 430040）

生態足跡理論為水資源可持續利用提供了量化評價尺度。通過對水資源生態足跡及生態承載力模型的構建，計算分析了2005-2012年武漢市人均水資源生態足跡與生態承載力，同時選用人均水資源生態赤字/盈余、萬元GDP水資源生態足跡、水資源生態壓力指數等指標對其水資源可持續利用狀況進行評價。研究結果表明，2005-2012年人均水資源生態足跡總體呈上升趨勢，而人均水資源生態承載力年際變化大；萬元GDP水資源生態足跡每年都在不斷下降，水資源可持續利用效率在逐步提高；除2010年外，水資源生態壓力指數均突破1，水資源總體上處于不安全狀態。

武漢市；水資源；生態足跡；可持續利用

在氣候變暖的背景下，隨著城市建設快速擴張，武漢市城市用水壓力加大，如何促進水資源可持續利用成為不可忽視的問題。為了解武漢市水資源可持續利用狀況，促進水資源的合理開發利用，本文采用生態足跡分析法對武漢市水資源狀況進行分析。

生態足跡分析法是一種簡便、操作性較強的研究思路，是由W illiam Rees提出，其后由Wackenagel對其理論和方法進行發展和完善［1］，它是一種用以衡量人類對自然資源利用程度以及自然界為人類提供生命支持服務功能的方法［2-4］。國內外從生態足跡角度評價水資源消耗有2種方式：一是將水資源消費折算成水資源量的水足跡［5-6］，從水量上研究水資源的消耗，但無法全面度量人類活動對生物生產性用地的生態占用；二是將水資源消耗折算成水域面積的水資源生態足跡［7-8］，它可以將消耗的水資源轉化為可比較的生物生產性用地面積來評定生態占用狀況，克服了水足跡研究的不足。近年來，由于水資源生態足跡在評價水資源可持續性上的優越性，國內外學者基于其模型方法的研究較多，如黃林楠等［9］提出建立水資源賬戶并構建水資源生態足跡和水資源生態承載力計算模型，研究分析了江蘇省1998-2003年水資源生態足跡，驗證了模型的正確性和科學性。王文國等［10］根據水資源生態足跡模型，計算分析了四川省2001-2009年水資源生態足跡、生態承載力，并結合社會經濟發展狀況提出可持續發展措施。張義等［11］在傳統水資源生態足跡基礎上對計算模型進行改進，計算分析了2003-2010年廣西水資源生態足跡，并與傳統模型計算結果進行比較分析。楊建軍等［12］建立水資源生態足跡框架體系及計算模型，采用規模、結構和比較方法對西安市2001-2007年的水資源生態足跡計算結果進行分析，提出支持可持續發展的水資源對策。

目前的研究主要從生態承載力、生態壓力指數和水足跡等方面分析武漢市水資源［13-15］。本研究采用水資源生態足跡模型方法，對武漢市2005-2012年人均水資源生態足跡和生態承載力進行計算，從生態足跡新視角定量評價水資源可持續利用狀況，為科學制定水資源利用政策和管理提供參考依據。

1 研究區概況

武漢市地處113°41＇-115°05＇E，29°58＇-31°22＇N，地形以平原為主，中部散列東西向殘丘，屬于北亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季涼爽濕潤，四季分明，年降水量1 205 mm；武漢是世界上水資源豐富的特大城市之一，水域面積2 217.6 km2，占全境總面積的26.1%，人均占有地表水11.4× 104m2，全市河網水系發育齊全，5 km以上的河流共165條，大小湖泊166個。由于氣候變暖、水資源不合理利用和水污染等的制約，作為 “百湖之市”的武漢市近年來水資源形勢日益嚴峻，已影響到自然生態系統、居民飲水和社會經濟可持續發展。

2 計算模型及數據來源

2.1 水資源生態足跡模型

將水資源量的消耗轉換成相應賬戶的生物生產性用地面積，然后對其進行均衡化得到各地區可相互比較的抽象數值即為水資源生態足跡［9］：

式中，E為水資源總生態足跡 （hm2），N為人口數 （人），A為人均水資源生態足跡 （hm2·人-1），γ為水資源的全球均衡因子，W為人均消耗的水資源量 （m3），P為全球水資源平均生產能力（m3·hm-2）。全球水資源平均生產能力即全球多年平均產水模數，為3 140 m3·hm-2［16］，均衡因子采用黃林楠等［9］算出的全球水資源均衡因子5.19。

2.2 水資源生態承載力模型

水資源承載力為某一區域在具體發展時間段內，能夠支持該地區社會、經濟和環境可持續發展的水資源最大供給能力，即社會經濟和生態系統可持續發展的水資源支持能力［9］：

式中，C為水資源承載力 （hm2），N為人口數 （人），G為人均水資源承載力 （hm2·人-1），γw為水資源的全球均衡因子，ψ為區域水資源的產量因子，Q為水資源總量 （m3），P為全球水資源平均生產能力 （m3·hm-2）。為維持生態環境平衡，一個國家或地區的水資源承載力中要扣除60%［17］，在模型計算中乘以系數0.4。產量因子為區域水資源平均生產能力與全球水資源平均生產能力比值［8］。根據水資源公報，武漢市多年水資源平均生產能力為45.21×104m3·km-2，計算得水資源產量因子為1.44。

2.3 數據來源

2005-2012年的 W，Q數據來源于 《武漢市水資源公報》《湖北省水資源公報》；N和GDP數據來源于各年的 《武漢市統計年鑒》《湖北省統計年鑒》《湖北省國民經濟和社會發展公報》。

3 水資源可持續利用評價指標

3.1 人均水資源生態狀況

為測評區域水資源利用是否可持續，A減去G，得到人均水資源生態赤字或人均水資源生態盈余［7］。

當A＞G時，人均水資源生態赤字；當A＜G時，人均水資源生態盈余；當A=G時，水資源生態平衡。

3.2 萬元GDP水資源生態足跡

E除以GDP即萬元GDP水資源生態足跡，它可以客觀地判定區域水資源開發利用效率［7］。

該指標數值越小，說明水資源可持續利用效率越高；數值越大，說明水資源可持續利用效率越低。

3.3 水資源生態壓力指數

生態壓力指數由趙先貴等［18］提出，本研究引入水資源生態壓力指數，用以衡量社會經濟和環境對水資源的壓力強度，即A與G的比值［7］。

當水資源生態壓力指數0～＜1時，該水資源利用狀態為安全；當水資源生態壓力指數 ＞1時，則水資源生態安全處于威脅狀態；當水資源生態壓力指數=1時，則水資源生態安全處于平衡狀態。

4 結果與分析

4.1 水資源生態足跡

在武漢市水資源生態足跡計算過程中，結合用水戶特性和水資源生態足跡內涵，把水資源賬戶劃分3個二級賬戶：生產用水、生活用水、生態用水足跡［19］，其中生產用水再細分為第一產業、第二產業、第三產業3個三級賬戶。2005-2012年武漢市人均水資源生態足跡計算結果如表1。

2005-2012年武漢市人均水資源生態足跡呈波動上升趨勢 （表1），其中 2005-2007年由0.753 7 hm2·人-1下降到0.726 5 hm2·人-1，降幅較小；但2007-2012年由0.726 5 hm2·人-1增長到0.795 7 hm2·人-1，增長率高達9.53%，增幅較大。據計算2005-2012年武漢市人口年均增長率為0.35%，而人均水資源生態足跡年均增長率高達0.78%，表明影響水資源生態足跡增長主要是水資源消費水平的增長，人口增長對水資源生態足跡的影響相對較小。

表1 武漢市歷年水資源生態足跡

在人均水資源生態足跡賬戶中，生產用水份額最大，占人均水資源生態足跡的86%以上；生活用水相對較小，約占12%左右，主要為城鎮居民用水；生態用水所占比例不到1%，但呈上升趨勢（表1），表明城市綠化需水量增加，生態環境保護逐漸得到重視；生產、生活用水比重過大，不利于生態系統的可持續發展。在生產用水賬戶中，第二產業所占比例最大，歷年增長率為3.5%，是水資源生態足跡的主要貢獻者；第一產業波動大且呈下降趨勢，第三產業變化較小但仍保持遞增趨勢（圖1）。第一、二產業在人均水資源生產賬戶中比重較大，表明水資源利用產業結構明顯不合理。

圖1 武漢市人均水資源生態足跡生產賬戶變化

4.2 水資源生態承載力

2005-2012年人均水資源生態承載力差異較大 （圖2），最高年份為2010年，達0.871 8 hm2·人-1，最低年份為 2006年，達 0.266 5 hm2·人-1，相差0.605 3 hm2·人-1；2005-2009年變化幅度較小，2009-2012年變化幅度大，表明武漢市人均水資源承載力變化大且不穩定，與戴昌軍等［15］研究結果基本一致。人均水資源生態承載力除2010年外均小于人均水資源生態足跡，生態赤字明顯，一定程度上制約了水資源支撐社會經濟發展的能力。

圖2 武漢市人均水資源生態承載力變化

采用線性回歸方法對人均水資源生態承載力與年降水量進行擬合，發現年降水量較少時，人均水資源生態承載力就小，年降水量較多時，人均水資源承載力就大，此結論與王文國等［10，20］分析結果相一致，二者呈顯著正相關 （圖2），R2達到0.916 8。2010年武漢市年降水量高達1 494.8 mm，人均水資源生態承載力也為歷年最高，達到0.871 8 hm2·人-1，屬豐水年，其他年份的人均水資源生態承載力變化與降水量基本也呈相同趨勢，可見年降水量是人均水資源生態承載力的重要影響因素。

圖3 武漢市人均水資源承載力與年降水量之間線性回歸擬合

4.3 評價指標動態分析

2005-2012年武漢市人均水資源生態赤字總體上差異較大，2005-2006年由-0.341 7 hm2·人-1上升到-0.478 5 hm2·人-1，2010年下降至最低值 0.096 4 hm2·人-1，2011-2012年在-0.477 7 hm2·人-1和-0.283 4 hm2·人-1間波動 （圖4）。除2010年為人均水資源生態盈余，其他年份均為人均水資源生態赤字，表明武漢市水資源開發利用程度已超出水資源生態承載力，水資源在一定程度上出現短缺。水資源生態足跡與生態承載力的非均衡式增長造成生態赤字，主要是由于經濟高速發展下的人口和產業需水量激增，以及水污染、浪費和利用率低導致的。武漢市雖地處亞熱帶，降水豐富，但社會經濟發展對水資源的需求日益增長，導致水資源生態赤字較大，與可持續開發利用存在較大差距。

圖4 武漢市人均生態足跡赤字/盈余變化趨勢

2005-2012年武漢市萬元GDP水資源生態足跡一直在不斷下降，從2005年的0.263 4 hm2下降到2012年0.081 7 hm2，年均減少15.4%，降低速度較快。其中2005-2008年間由0.263 4 hm2減少到0.148 5 hm2，減幅較大，2009-2012年間由0.138 5 hm2減少到0.081 7 hm2，減幅相對較小（圖5）。整體上2012年萬元GDP水資源生態足跡僅有2005年的 30%，水資源的利用效率逐年提高，表明武漢市逐漸重視水資源的重復利用。

三大產業萬元GDP水資源生態足跡也在逐年下降。第二產業萬元GDP水資源生態足跡占比重最高，從 2005年的 0.140 5 hm2降至 2012年的0.041 7 hm2，年均減少15.9%，但依然明顯高于第一、三產業；第一產業從2005年的0.085 0 hm2下降到2012年的0.024 2 hm2，年均減少16.4%，水資源利用效率提高速度大于第二、三產業 （圖5）。第一、二產業萬元GDP水資源生態足跡比重過高，消耗水資源量多，而第三產業萬元GDP水資源生態足跡相對較小，對水資源需求較少。

圖5 武漢市萬元GDP水資源生態足跡變化趨勢

2005-2012年武漢市水資源生態壓力指數變化幅度波動較大，2005-2006年由1.829 4上升至2.795 5，此后下降至2010年0.889 4，2010-2012年在0.889 4和2.523 8間波動 （圖6）。水資源生態壓力指數除2010年外均超過1，反映了武漢市水資源開發利用不可持續的現實狀況，水資源生態壓力較大，總體上處于受威脅狀態。在氣候變暖驅使下，加上農業和重工業生產、城鎮人口增長對水資源需求增加，以及水生態環境惡化損耗部分水資源，導致水資源與經濟、社會、環境發展失衡，水資源利用面臨較大壓力，加劇了武漢市水資源供需矛盾。

圖6 武漢市水資源生態壓力指數變化趨勢

5 小結與討論

2005-2012年武漢市人均水資源生態足跡總體上處于上升態勢，2012年達到 0.795 7 hm2·人-1，占用的生物生產性面積較大；人均生態赤字較大，水資源不可持續性明顯，水資源生態壓力指數偏大，水資源支撐社會經濟發展能力減弱。由此說明，隨著武漢市城鎮化快速發展，人口規模急劇擴大，人均水資源生態足跡會繼續呈增長趨勢，水資源消耗量也在迅速增加。

在水資源3個三級賬戶中，第一、二產業的水資源生態足跡過大，社會經濟發展與水資源需求矛盾較大。2005-2012年武漢市萬元GDP水資源生態足跡在下降，尤其是耗水量大的第一、二產業。合理的產業結構對促進水資源可持續利用具有積極意義，因此，緩解武漢市水資源短缺矛盾，需進一步優化產業結構，尤其是大力發展低耗水的第三產業，同時加強水污染治理，不斷地提高水資源可持續利用率。

目前，基于生態足跡評定水資源可持續利用的方法研究還較少，加上選取指標標準不一，本文主要采取當前水資源生態足跡研究領域應用較廣泛的計算模型和評價指標，且由于數據獲取的局限性，未對水污染消耗 （包括廢水和酸雨）的生態足跡進行計算分析，但實際水資源消耗占有的生物生產性面積更大，方法上尚存在一些不足，后續還需進行更全面的研究。

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（責任編輯：侯春曉）

X 37；TV 213.9

A

0528-9017（2015）04-0514-05

10.16178/j.issn.0528-9017.20150424

2014-10-15

國家科技支撐計劃 （2012BAH33B00）

劉漢生（1990-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，從事區域資源開發與利用研究工作。E-mail：liuhansheng1990@163.com。

王 暉，男，湖北武漢人，工程師，碩士研究生，主要從事輸變電工程水土保持方案編制及水土保持監測工作。

文獻著錄格式：劉漢生，王暉，張婷，等.武漢市水資源生態足跡動態分析 ［J］.浙江農業科學，2015，56（4）：514-518.