基于生態足跡法的天津市水資源可持續利用評價

陳琦瑩，黃磊，楊曉亮，王永獻

（海河水利委員會海河下游管理局，天津300061）

基于生態足跡法的天津市水資源可持續利用評價

陳琦瑩，黃磊，楊曉亮，王永獻

（海河水利委員會海河下游管理局，天津300061）

基于生態足跡理論，通過理論分析，結合實證分析法、定性分析法與定量分析法，綜合使用動態、靜態分析方式，建立天津市水資源可持續利用定量評估的水資源生態足跡模型，針對2009—2013年天津市數據，以時間序列為基準做出定量分析和動態分析；通過計算，探討天津市水資源可持續利用的情況，對天津市水資源可持續利用提供政策性意見。

生態足跡；水資源；評價；天津

黨的十八大以來，天津市的經濟迅猛發展，人民生活質量日益提高，在此基礎上區域間貿易量不斷擴大，根據實物交換量，區域間虛擬水資源貿易量也相應地越來越大，因此從水資源足跡角度對區域水資源可持續利用進行預測是非常具有現實意義的。

1 研究背景及意義

提起天津，總不免想起“九河下梢天津衛，三道浮橋兩道關”的古諺。然而，隨著天津市經濟的飛速發展和海河上游興建的大量水利工程，海河入海水量相應減少，且由于天津市的地質特點，河水中含鹽量越來越大，海河漸漸地從其直接水源地的角色中淡出。此外，天津市“十年九旱”的氣候特點也使很多河流水庫漸漸干涸，隨著用水量的增加，地下水位逐年下降，工農業生產和居民的生活飲用水均受到了嚴重威脅。國務院1972—2008年36 a間累計向天津市調水10次之多，共引黃河水約59億m3，其中天津市收水36.6億m3。2009—2013年天津市引灤、引黃輸水共計33.01億m3。即便如此，天津市的淡水資源仍然極度缺乏。

2 生態足跡分析法

生態足跡分析法（Ecological Footprint Analysis，簡稱EFA）的概念是加拿大經濟學家William Rees于1992年首創的，后由其博士研究生Mathis Wack?ernagel等于1996年發展成為計算模型，并開始推廣應用。該方法通過比較給定區域的生態承載力與估算出的人類所需的生物生產性土地面積來衡量區域的可持續發展狀況，用以衡量人類對給定區域的自然資源利用程度以及評估自然環境給人類提供的生命支持程度。

隨著該方法在全球范圍內推廣，其影響逐步擴大，進而在不同的社會領域、不同的地域空間尺度迅速展開了運用，其計算模型和理論方法在急速地發展和完善。

3 天津市水資源生態足跡計算

3.1 天津市水資源生態足跡模型創建

根據生態足跡模型的創建原則，水資源生態足跡模型是將水資源消耗量換算為水資源用地面積（相應的生態生產面積），并進行均衡化（無量綱化），得到該地區的數值，進而與世界范圍內不同地區的數值進行分析比較。

水資源生態足跡模型為：

式中：EFW為水資源總生態足跡（hm2）；N為人口數；efw為人均水資源生態足跡（hm2）；γw為水資源世界均衡因子；W為水資源消耗量（m3）；PW為世界平均水資源生產能力（m3/hm2）。

淡水生態足跡根據淡水的用途，包括生活用水生態足跡、生產用水生態足跡和生態用水生態足跡。其計算公式為：

式中：EFfrw為淡水總生態足跡（hm2）；effrw為人均淡水生態足跡（hm2）；aw為水全球均衡因子；aaj為人均水域面積（hm2）；Afrw為淡水總消費量（m3）；其余變量含義同上。

3.2 水資源生態承載力及計算模型建立

承載力在生態學中的概念為“某種個體在某一特定環境條件下（主要指生存空間、陽光、營養物質等生態因子的組合），存在數量是有一個最高極限的”。在生態足跡理論中，主要用水資源利用所能承載的相應生態生產面積來衡量水資源生態承載力。

在計算水資源承載力過程中，考慮到生態環境和生物多樣性的維護要求，須扣除計算值的60%。據研究，為了不引起生態環境惡化，一個國家或地區的水資源開發利用率原則上不應超過30%～40%[1]。

水資源生態承載力模型為：

式中：ECw為水資源生態承載力（hm2）；ecw為人均水資源生態承載力（hm2）；rw為區域水資源用地產量因子；Qw為水資源總量（m3）；其余變量含義同上。

3.3 水資源的生態盈余及生態赤字判斷

水資源的生態赤字、生態盈余在生態足跡的理論中，是通過對比水資源生態足跡和水資源生態承載力之間的關系，以衡量水資源可持續利用的主要指標。其計算公式為：

式中：當Erd＞0時，屬于水資源生態赤字狀態，代表該區域內水資源供給不足，若試圖維持該區域發展，將犧牲該區域生態環境或通過區域外調入水資源方式進行彌補；當Erd＜0時，屬于水資源生態盈余狀態，意味著區域內水資源利用處于可持續發展態勢，當前水資源量既可確保優良的生態環境，亦滿足區域進一步發展的需要。

3.4 模型參數確定

3.4.1 水資源平均生產力

以水文學中常用的平均產水模數來表示水資源平均生產力，平均產水模數即單位面積內的平均水資源量，其計算公式為：

式中：Pw為水資源的平均生產力，即平均產水模數（m3/hm2）；Qw為區域水資源總量（m3）；S為區域面積（hm2）。

2009—2013 年全國水資源總量為135 830億m3，5 a平均單位面積產水量為28.30萬m3/hm2[2]。2009—2013年中國平均水資源生產力，見表1。

表1 2009—2013年中國平均水資源生產力

3.4.2 天津市水資源產量因子的確定

水資源生態足跡產量因子是指某一區域在特定年份中水資源平均生產力與世界平均同類土地的生產力的比，一般假定世界水資源產量因子為1。

中國范圍的產量因子計算公式為：

式中：γ為水資源產量因子；v為區域內單位面積產水量（m3/hm2）；v0為全國單位面積產水量（m3/hm2）。

經計算，以單位面積產水量確定的天津市水資源產量因子見表2。

表2 以單位面積產水量確定的天津水資源產量因子（設中國水資源產量因子為1.0）

從表2可以看到，天津市在全國的水資源產量因子為0.52，在此設全球水資源產量因子為1.0，計算出中國水資源產量因子為0.932。隨后，將天津市水資源產量因子換算為全球范圍內的水資源產量因子。

區域在全球范圍內水資源產量因子計算公式為：

式中：γw為全球范圍內的水資源產量因子；γag為全球范圍內國家的水資源產量因子；γwg為國家范圍內區域的水資源產量因子。

經計算，天津市在全球范圍內的水資源產量因子為0.481 78。

3.4.3 均衡因子計算

選取范曉秋《水資源生態足跡研究與應用》（2005年）[3]中以WWF2002均衡因子為基礎進行計算，得出水資源均衡因子5.19作為計算的標準值，以此構建表現水域提供水產品能力的模型，進而論證自然界、社會生產生活以及當前經濟發展中水資源的貢獻，同時符合對水資源用地表達的目的。水資源均衡因子，見表3。

表3 水資源均衡因子

4 天津市水資源可持續利用形勢分析

4.1 天津市水資源生態足跡計算結果

天津市水資源生態足跡在計算過程中根據我國用水分類體系，在水資源生態足跡中建立3個細分賬戶，分別是生產用水、生活用水和生態用水。根據表4中的2009—2013年間天津市水資源供給明細表和消耗明細表，經計算得出天津市水資源生態足跡結果，其中表5為計算明細表。

表4 2009—2013年天津市水資源生態足跡計算結果

表5 天津市水資源生態足跡結果明細hm2/人

4.2 天津市水資源生態足跡動態分析

4.2.1 水資源生態足跡（需求）分析

圖1是2009—2013年間天津市人均水資源生態足跡年度軌跡線。

圖1 天津市人均水資源生態足跡動態變化

從圖1可以看到，天津市水資源生態足跡5 a數值在0.25～0.27波動，雖然幅度很小，但總體呈波動上升趨勢。

圖2是天津市人均水資源足跡中生產、生活、生態用水生態足跡各賬戶所占比重。

圖2 天津市人均水資源生態足跡各賬戶所占比例

由圖2可以看到，各賬戶所占比例常年穩定在80%、15%和5%左右，較為穩定。鑒于當前全國環保形勢嚴峻和人民群眾對環境保護日益提高的需求，生態用水占比在未來必將繼續上升，而此缺口必將擠壓生產用水所占比重。根據我國在推進節水型社會建設的各區域試點經驗，生產用水普遍可以下降15%～20%，結合天津市實際情況，可以看出在提高生產用水利用率方面仍有較大的提升空間。

4.2.2 水資源生態承載力（供給）分析

從圖3可以看出，天津市水資源生態承載力數據波動巨大，2009—2013年間數據變異指數為46.24%，年際間變化較大，極差為0.0334 hm2/人，相對極差高達1.277。這是因為天津地處華北平原東部、海河流域下游，主要受季風環流的支配，屬暖溫帶半濕潤季風性氣候，自然降水量對地區水資源呈現主導地位。區域特性造成平均降水量的分布除年際變化很大外，年內也呈現出明顯的周期性，使得水資源分布嚴重不均勻。這就是天津市地區的水文、氣象等自然條件對水資源承載力的影響。

圖3 天津市人均水資源生態承載力動態變化

4.2.3 水資源生態赤字（盈余）分析

按圖4對天津市水資源賬戶中數據進行進一步計算，水資源生態赤字在2009—2013年間的各數據變異系數為5.51%，表明天津市水資源生態赤字數值波動較小，呈現平穩態勢。同一時期，水資源生態承載力的數據變異系數為46.24%，表明水資源生態承載力數值波動較大，生態赤字的變化受水資源生態承載力的影響也較大。近10 a來水資源生態足跡與生態承載力的比值最低為2012年的1.70，而2010年該比值更是高達20.63，表明天津市的水資源生態赤字非周期性，呈現出差額較大和持續性的特點，水資源供給與需求呈現嚴重失衡狀態。為了緩解水資源短缺的發生和保障經濟社會持續發展，天津市必須通過供需兩條線來解決該問題，即增加區域間調水供給并提高水資源利用率。

圖4 天津市水資源生態赤字動態變化

5 天津市水資源可持續利用的建議

5.1 大力促進科技發展

科技是第一生產力，當前我國在農業灌溉、輸水、水回收及再利用等實際工程領域以及建立水利用量量化標準、水處理技術、水資源管理監控技術等理論技術領域，與西方發達國家還有很大差距。天津市依照中央相關規劃部署，發布了《天津市建設節水型社會“十一五”規劃》，其中包含了打造節水型社會以及對節水用具的技術改造等要求及展望，同時通過中新天津生態城的節水、水資源利用生態技術的實施，取得了一定的經驗。未來為了更有效地進行水資源管理、防治水資源污染，必須堅持可持續發展道路，大力推進科技進步，利用先進技術提高水資源利用效率并避免巨額浪費。

5.2 調整產業結構

根據國際、國內通行的經驗，不同的產業單位增加值對水資源的需求量有較大差異，第一產業對水資源消耗量最大、利用效率最低，第三產業對水資源利用率則最高。根據這一特性，為實現水資源的節約、有效配置，可以制定相應的政策法規進行引導，調整天津市各產業在經濟結構中的比重，限制第一產業、第二產業中高耗水、高污染企業投資建設，推動已投產企業的節水環保改造，發展高效節水農業和旱作農業[4]，加大對第三產業的扶持。如此，通過對高耗水企業的限制以及對節水型企業進行稅收返還、環保補貼等經濟性手段，促進天津市整體經濟結構向節水型、環保型轉變。

5.3 提高水資源利用效率

目前，天津市在水資源短缺的嚴峻形勢下，采取了利用再生水、海水資源淡化等多種方式，增加水資源的可利用量，但仍需引灤、引黃調水以解決燃眉之急，考慮用其它方式增加水資源可利用量迫在眉睫。

參考發達國家經驗，可以普遍采用推動節水、集水型設施的方式來解決該問題，即在推動節水改造的同時，建設雨水收集回灌系統、海綿城市網絡、生態透水性路面等設施，在雨季或汛期通過收集天然降水或洪水，形成“旱季節水、雨季增效”的理念，提高水資源利用效率，進而減少對外界水資源的依賴。我國北京、西北部地區在這方面已有多年經驗，取得了不錯的效果。天津市年平均降水量在360～970 mm，折合水量為29億～140億m3，通過建設集水設施實現天然降水的收集，從而提升農業灌溉、市政綠化以及環衛用水等是非常適合的。

[1]Zhang Y.China‘s water resources and sustainable develop?ment[M].Nanning：Guangxi Science and Technology Publish?ing House，2000.

[2]重慶市水務局.2013年重慶市水資源公報[R].重慶：重慶市水務局，2013.

[3]范曉秋.水資源生態足跡研究與應用[D].南京：河海大學，2005.

[4]張虹.天津市水資源需求管理研究[J].現代管理科學，2010（2）：104-106.

TV213.9

A

1004-7328（2017）06-0007-05

2017—09—06

陳琦瑩（1985—），女，工程師，主要從事水利工程管理和防汛工作。

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.06.002