基于生態足跡的河南省水資源評價分析

趙自陽，李王成,2,3

(1．寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021; 2．寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021; 3. 旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

隨著近些年社會的快速發展，水資源緊缺形勢愈加嚴峻。為了對區域水資源狀況進行合理的評價分析，國內外學者在許多領域進行了相關研究。根據原理的不同大致可分為數理統計方法[1,2]、運籌決策方法[3]、灰色系統方法[4,5]、模糊數學方法[6,7]和機器學習方法[8]等。但是這些方法的適用條件各不相同，計算結果也有一定誤差。1992年，William和Wackernagel提出了生態足跡模型，可以對自然資源利用狀況進行相關評價。由于其綜合性強和易于操作等特點，在水資源領域得到迅速應用，并逐漸發展成為水資源生態足跡模型[9]和基于虛擬水理論的水足跡模型[10]。兩者的區別主要有以下三點[11]：①核算視角：水資源生態足跡是從水資源供需角度出發，而虛擬水足跡則是從生產和消費的角度出發；②核算終點：水資源生態足跡是把水資源的使用換算為水資源用地面積；而虛擬水足跡則是把人類對各種產品和服務的消費換算為相應的水資源體積。③核算目的：水資源生態足跡與原始生態足跡模型最為接近，主要探討區域水資源承載力情況，而虛擬水足跡主要是為了探討生產、消費和產業結構之間的關聯。

目前，國內學者對水資源生態足跡的研究主要集中在水資源生態足跡賬戶的劃分[12,13]、水資源生態足跡研究與預測[14,15]和水資源生態承載力分析[16,17]等幾個方面。河南省是我國的農業大省，水資源緊缺問題日益突出，目前對于河南省水資源生態足跡的研究一般僅集中在淡水資源生態足跡方面。而2011年中央水利會議在1號文件中提出用水總量控制紅線、用水效率控制紅線和限制納污紅線的“三條紅線”規定[18]。基于此，本文將水污染納入水資源生態足跡模型，使得淡水生態足跡和水污染生態足跡分別對應“三條紅線”中的用水控制紅線和限制納污紅線。從而對河南省2005-2014年間水資源生態足跡特征進行分析，衡量河南省水資源利用現狀，為政府部門評價水資源狀況，科學管理水資源提供依據。

1 研究區概況

河南省位于我國中部偏東、黃河中下游地區，全省面積約16.7 萬km2。由南向北平均氣溫為15.7～12.1 ℃，年均降雨量1 380.6～532.5 mm，降雨以6-8月份最多，年均日照1 848.0～2 488.7 h，河南地跨長江、淮河、黃河、海河四大流域。流域面積100 km2以上的河流有493條。全省多年平均水資源總量405 億m3，居全國第19位，人均水資源占有量不足420 m3，相當于全國平均水平的1/5。

2 研究方法

2.1 水資源生態足跡模型

根據水資源生態足跡的內涵，本研究將水資源生態足跡賬戶[19]劃分為淡水生態足跡和水污染生態足跡。

(1)淡水生態足跡。根據河南省水資源利用現狀，將淡水生態足跡分為農業用水、工業用水、生活用水和生態環境補水4類。水資源生態足跡的計算模型[20]如下表示：

(2)

式中：i為水資源利用類型；EFa為淡水生態足跡，hm2；EFi為第i類水資源生態足跡，hm2；N為人口數；efi為第i類水資源人均生態足跡，hm2/cap；γ為水資源全球均衡因子；W為消耗的水資源量，m3；pw為水資源全球平均生產能力，m3/hm2。

(2)水污染生態足跡[19]。水污染生態足跡主要是基于將污染物稀釋至標準所需水資源量的“灰色水”理論。本文以化學需氧量(COD)排放指標對水污染生態足跡進行計算，在考慮水資源全球均衡因子情況下的計算模型如下：

(3)

所以最終總的水資源生態足跡就是淡水生態足跡和水污染生態足跡之和，如下所示：

EF=EFa+EFb

(4)

2.2 水資源生態承載力計算模型

水資源承載力是指一個地區在某個時期的水資源量可供當地社會、經濟和環境可持續發展的支撐能力。計算模型[21]如下：

(5)

式中：ECw為水資源承載力，hm2；N為人口數；ecw為人均水資源承載力，hm2/cap；γ為水資源全球均衡因子；ψ為區域水資源的產量因子；Q為水資源總量，m3；pw為水資源全球平均生產能力，m3/hm2；而一個地區的水資源中用于人類活動的只占40%，所以在計算水資源承載力的時候要乘以系數0.4。

2.3 水資源生態盈余和生態赤字

為了評價一個地區的水資源狀況，有關專家學者提出了生態赤字和生態盈余的概念[21]，主要是將區域水資源生態足跡和生態承載力進行比較，看其結果大小。具體如下所示：

水資源生態盈余(赤字)=ECw-EF

(6)

當結果為正時，水資源生態盈余,表明區域水資源良性發展；當為零時，水資源生態平衡；當小于零時，水資源生態赤字,表明不利于區域可持續發展。

2.4 萬元GDP水資源生態足跡

萬元GDP水資源生態足跡[21]主要用于衡量水資源的利用效率，它是指區域水資源生態足跡和當地GDP的比值。并且與水資源利用效率成反比，如下所示：

(7)

2.5 水資源負載指數

水資源負載指數[21]主要是將一地區的水資源量、人口、經濟和降雨量聯系起來，反映區域水資源利用概況，并對今后的水資源開發難易程度做出評價。計算公式如下：

(8)

式中：c為水資源負載指數；p為人口數，萬人；G為地區生產總值，億元；Q為水資源總量，億m3；k為與降雨量有關的系數，它的取值如下：

(9)

2.6 模型中相關參數的確定

本研究所需的參數[20]主要是水資源全球均衡因子γ、水資源全球平均生產能力pw和區域水資源的產量因子ψ三個。文章中水資源全球均衡因子取5.19；水資源全球平均生產能力取3 140 m3/hm2；河南省水資源產量因子根據黃林楠[20]的計算取0.78。

2.7 數據來源

本研究中計算所需的數據來源于2006-2015年的《河南省統計年鑒》和2005-2014年的《河南省水資源公報》，如表2所示。

表2 2005-2014年河南省各項數據

3 結果與分析

3.1 河南省水資源生態足跡分析

對河南省2005-2014年淡水生態足跡和水污染生態足跡進行計算，計算結果見表3和圖1。可以看出，相比其他幾種水資源生態足跡，農業用水生態足跡占據絕對的主導地位，2005-2014年間農業用水生態足跡平均為21.28 Mhm2，占總水資源生態足跡的57.61%。其中最大值出現在2012年和2013年，為22.40 Mhm2，最小值出現在2014年為18.63 Mhm2。從總體看，農業用水生態足跡雖有所波動，但穩中有升，這主要是由于河南省是一個農業大省，農業相比其他產業處于領導地位。其次為工業用水生態足跡，平均為8.89 Mhm2，占總水資源生態足跡的24.08%。其中最大值出現在2013年，為10.05 Mhm2，最小值出現在2005年，為7.56 Mhm2。工業用水除2008和2014年有所下降之外，總體上升趨勢比較明顯，這主要得益于近些年河南省經濟的快速發展。生活用水生態足跡平均為5.68 Mhm2，占總水資源生態足跡的15.48%，其中最大值出現在2008年，為6.97 Mhm2，最小值出現在2006年，為4.33 Mhm2。生活用水生態足跡整體上穩中有降，在人口整體增長的情況下，說明人們的節水意識有所提高。生態環境補水生態足跡平均為1.05 Mhm2，占總水資源生態足跡的2.81%，其中最大值出現在2012年，為1.75 Mhm2。伴隨著河南省越來越嚴重的環境污染問題，一定要加大生態環境補水的力度。水污染生態足跡平均為0.63 萬hm2，2005-2014年間，水污染生態足跡整體增速明顯，由2005年的0.48 萬hm2增加到2014年的0.87 萬hm2，增幅達到1.81倍。

表3 河南省歷年水資源生態足跡

圖1 河南省2015-2014年生態足跡趨勢圖

從圖1可以看出，河南省總水資源生態足跡歷年都會有波動，但總體呈緩慢上升趨勢。2005-2014年間總水資源生態足跡平均為36.92 Mhm2。最小年份出現在2005年為32.70 Mhm2；最大年份出現在2012年為39.45 Mhm2，增加了20.64%。而淡水生態足跡和總水資源生態足跡的變化趨勢一致，這主要是由于淡水生態足跡在總水資源生態足跡中占絕大部分。

3.2 河南省水資源各類生態指數分析

為了進一步研究河南省水資源利用概況，計算了河南省人均水資源生態足跡、水資源生態承載力、水資源生態盈余(赤字)、萬元GDP水資源生態足跡和水資源負載指數，具體見表4。

表4 河南省歷年水資源指數

在不考慮黃河客水情況下，2005—2014年間河南省人均水資源生態足跡相對較低，在0.31～0.36 hm2波動，最大的0.36 hm2出現在2006年、2008年和2009年，最小的0.31 hm2出現在2005年和2014年；水資源生態承載力用來描述水資源對生態系統和經濟系統健康可持續發展的支撐能力，河南省水資源生態承載力呈現波浪形，分別在2007年、2010年和2014年有所上升，其余年份相對下降，2005年最大為27.68 Mhm2，2013年最小為9.11 Mhm2；10年間河南省水資源生態赤字波動較大，最小年份出現在2005年為-1.42 Mhm2，最大年份出現在2013年為-23.58 Mhm2。

在考慮黃河客水情況下，2005-2014年間，河南省人均水資源生態足跡保持在0.35～0.42 hm2之間。各年份之間變化不是特別大，和總水資源生態足跡變化趨勢相似，人均水資源生態足跡在2005年最小為0.35 hm2，在2012年達到最大為0.42 hm2。

10年間河南省水資源生態承載力變化趨勢和不考慮黃河客水情況相似，2005年最大為28.80 Mhm2，2013年最小為11.10 Mhm2，下降幅度達到61.5%。河南省水資源承載力與降雨量之間的相關系數為0.925 5，表明水資源承載力的變化與降雨量之間密切相關。河南省水資源生態盈余(赤字)在2005-2014年間均為負值，表明生態赤字，不利于經濟社會的良性發展。和水資源承載力變化趨勢相似，水資源生態盈余(赤字)在2005最大為-3.90 Mhm2，2013年最小為-27.96 Mhm2，下降了7.2倍。隨著河南省近幾年經濟的迅速發展，水資源利用概況持續惡化，但工業經濟的發展不應該以生態為代價，政府部門應該調整產業結構，實現生態環境的修復和保護。

從萬元GDP水資源生態足跡來看，2005-2014年間持續穩定下降，由2005年的3.82×10-5hm2下降到2014年的0.99×10-5hm2，下降幅度達到74.08%。而萬元GDP水資源生態足跡與水資源利用效率是反比關系，表明河南省水資源利用效率逐年提高。這主要是由于在社會和生活中，人們普遍意識到節約水資源的重要性。河南省水資源生態足跡和GDP之間的相關系數為0.579 2，表明水資源生態足跡和GDP之間有著一定的密切聯系。

水資源負載指數將區域的降雨量、人口、GDP和水資源總量聯系起來，反應了一個地區的水資源利用程度。由表4知，2005-2014年間，河南省水資源負載指數增加明顯，2013年是2005年的4.97倍。即便是水資源負載指數最小的2005年也屬于Ⅰ類。表明河南省水資源利用程度很高，水資源前景不容樂觀，有條件時急需外流域的調水，魯豐先[22]的研究中也得到相似的結論。

4 結論與建議

生態足跡主要用來評價一個地區的可持續利用狀態和生態壓力。河南省2005-2014年間，水資源生態足跡整體上呈不斷上升趨勢，對水資源的需求量也不斷加大。其中對總水資源生態足跡的貢獻大小依次為農業用水、工業用水、生活用水、生態環境補水和“灰色水”，這也與河南省的發展現狀相符合，為了實現社會經濟的可持續發展，應該提高水資源特別是農業用水的利用效率和生態環境補水的力度。

從總體來看，河南省水資源比較緊缺，2005-2014年間都出現不同程度的生態赤字，水資源負載指數在10年間也全為Ⅰ ，并逐年增大，水資源的利用前景不容樂觀。人均水資源生態足跡相對較低，在考慮黃河客水情況下一直在0.35～0.42 hm2之間波動，但萬元GDP水資源生態足跡逐年下降，表明河南省水資源的利用效率不斷提高。河南省水資源主要來自于降雨，水資源承載力和降雨量之間關聯性比較強。為了社會經濟的良性發展，對于水利工程應該加大建設，不斷提高對干旱年的應對能力。

[1] 凌子燕,劉 銳.基于主成分分析法的廣東省區域水資源緊缺風險評價[J].資源科學,2010,32(12):2 324-2 328.

[2] 高媛媛,王紅瑞,許新宜,等.水資源安全評價模型構建與應用----以福建省泉州市為例[J].自然資源學報,2012,27(2):204-214.

[3] 萬坤揚,胡其昌. 基于層次分析法的杭州市水資源安全現狀評價及趨勢[J]. 水電能源科學,2013,(1):21-25,222.

[4] 韓 美,杜 煥,張 翠,等. 黃河三角洲水資源可持續利用評價與預測[J]. 中國人口·資源與環境,2015,(7):154-160.

[5] 王 壬,陳 瑩,陳興偉. 區域水資源可持續利用評價指標體系構建[J]. 自然資源學報,2014,(8):1 441-1 452.

[6] 向文英,楊 靜,張 雪. 模糊綜合評價法的改進及其在水庫水質評價中的應用[J]. 安全與環境學報,2015,(6):344-348.

[7] 欽麗娟,曹劍峰,平建華,等. 模糊數學在鄭州市水資源價值評價中的應用[J]. 吉林大學學報(地球科學版),2005,(4):487-490,495.

[8] 陳守煜,李慶國. 一種新的模糊聚類神經網絡及其在水資源評價中的應用[J]. 水利學報,2005,(6):662-666.

[9] 王文國,何明雄,潘 科,等. 四川省水資源生態足跡與生態承載力的時空分析[J]. 自然資源學報,2011,(9):1 555-1 565.

[10] 劉 梅,許新宜,王紅瑞,等. 基于虛擬水理論的河北省水足跡時空差異分析[J]. 自然資源學報,2012,(6):1 022-1 034.

[11] 馬 晶,彭 建. 水足跡研究進展[J]. 生態學報,2013,3(18):5 458-5 466.

[12] 張義,張合平,李豐生,等. 基于改進模型的廣西水資源生態足跡動態分析[J]. 資源科學,2013,(8):1 601-1 610.

[13] 楊建軍,洪 輝,付 娜,等. 水資源生態足跡消費賬戶及其計算模型----以西安市為例[J]. 安全與環境學報,2010,(1):122-126.

[14] 譚秀娟,鄭欽玉. 我國水資源生態足跡分析與預測[J]. 生態學報,2009,(7):3 559-3 568.

[15] 李玉平,王曉妍,朱 琛,等.邢臺市水資源生態足跡核算與預測研究[J].水土保持研究,2014,(3):227-230.

[16] 張建龍,馮慧敏. 基于生態足跡法的山西省水資源承載能力研究[J]. 黑龍江大學工程學報,2013,(1):61-65.

[17] 陳棟為,陳曉宏,孔 蘭. 基于生態足跡法的區域水資源生態承載力計算與評價----以珠海市為例[J]. 生態環境學報,2009,(6):2 224-2 229.

[18] 孫宇飛,王建平,王曉娟. 關于“三條紅線”指標體系的幾點思考[J]. 水利發展研究,2010,(10):62-65,72.

[19] 于 強,王金龍,王亞南. 基于水資源足跡分析的河北省城鎮化發展路徑[J]. 經濟地理,2014,(11):69-73,106.

[20] 黃林楠,張偉新,姜翠玲,等. 水資源生態足跡計算方法[J]. 生態學報,2008,(3):1 279-1 286.

[21] 孟麗紅,葉志平,袁素芬,等. 江西省2007-2011年水資源生態足跡和生態承載力動態特征[J]. 水土保持通報,2015,(1):256-261.

[22] 魯豐先. 河南省綜合生態承載力研究[D]. 河南開封：河南大學,2009.