基于三維生態足跡模型的唐山市水資源承載力研究

張媛媛

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061001）

0 引言

作為一種基礎性、戰略性可再生資源，水資源的可持續供給對地球生態系統循環與人類經濟社會健康發展至關重要。水資源承載力評價是對水資源的自然屬性和社會屬性綜合質量的評估，其社會屬性即為人類生產生活、經濟社會發展提供支撐、服務能力，自然屬性則以水資源的數量、質量為基本特征，并且水資源在受到景觀退化、人為破壞等影響下自行恢復、調節的能力。當前關于水資源與人的關系闡釋較多，但三維生態足跡模型對于水資源資源狀態、承載壓力、人地結構性的描述較為全面、客觀，能夠很好地表征人地之間的能動關系[1]。生態足跡（Ecological footprint,EF）是生態學家Rees[2]提出來的用以衡量資源供需、廢物消納的新方法，Wackernagel 等[3]發展了這一理論并應用于測算人類對資源的利用程度和自然資源的供給量，得到了國內外學者的廣泛認可。本文以唐山市為案例區，簡述三維生態足跡模型應用流程，旨在厘清水資源資源對區域發展的限制問題、人類活動對水資源壓力的影響機制，從而為唐山市水資源規劃、科學利用、環境保護提供實踐依據和決策參考。

1 三維生態足跡模型

1.1 傳統三維生態足跡模型

三維生態足跡模型是以生態足跡理論為基礎的，Wackernagel 在一維生態模型的基礎上加入了生態盈余和赤字概念，由一維模型發展至二維模型，表達公式如下[4]：

式中：EF 為區域總的生態足跡，N 為總人口數，i 為消耗的水資源類型，ai則表示人均消耗的第i 種水資源總量，ci為第i 種資源的人均消費量，pi則描述為第i 種消費資源的全球平均生產能力。ED 表示區域生態赤字，BC 為區域所能提供的生態生產性水資源總量，生態盈余則用ER 指代。

Niccolucci 等[2]在此基礎上賦予其足跡深度、足跡廣度兩項指標概念，前者為生態足跡與生態生產資源之比，其值越大，表明生態過載、負荷過重，反之說明生態承載壓力較小；后者為資源流量使用情況，若生態生產性水資源大于生態足跡，說明足跡廣度與生態足跡值相等。根據區域水資源承載演變過程，三者之間存在如下關系：

式中：參數EFdepth表示為足跡深度，EFsize則表示為足跡廣度[5]。

1.2 改進三維生態足跡模型擴展

傳統三維生態足跡模型中對水資源承載力的判定為人類對水資源的消費與水資源資源供給、支撐、服務能力的判定，其基于生態赤字、生態盈余量值的大小，判別區域水資源是否透支。三維生態足跡模型中的足跡深度、足跡廣度等概念可以更好地表征區域人類對自然資源的消費和自然資源存量的情況。擴展后的三維生態足跡模型如下[6]：

由此將生態足跡深度值由1，擴展為0。若EFdepth的值在介于0～1 時，則有：

式中：對象M 的足跡深度表示為EFdepthM,其生態足跡大小則表示為EFM。0≤EFdepth＜1 時,水資源存在結余,水生態足跡處于盈余狀態, 此時足跡深度表示人類的生產對水資源的使用情況，計算如下[6]:

式中：關于對象M 的生態盈余則表示為，ERM,當EFdepth為1 時，則有如下：

此時水資源總量與人類消費水資源量相等，即表明處于臨界狀態，生態赤字與盈余均不存在。而當EFdepth 的值大于1時，則有：

式中：當EFdepth的值大于1 時，人類消費索取生態生產功能性存量資源，亦即此時的足跡深度可以用來度量資源存量狀態或對存量資源的使用率。則生態赤字計算公式如下[6]：

1.3 水資源壓力指數構建

水資源壓力表示區域內各種用水總數量，其計算公式如下[6]：

式中：N 表示區域人口總數量，Wa 表示一定區域內居民對水資源的平均年需求量，一個區域內的水資源總的壓力大小則用Wp 表示。衡量區域水資源資源和水環境質量，可用水資源供給能力表示。一定區域內的區域內水資源壓力指數，相關學者給出農產品壓力指數的經驗公式，如下：

式中：水資源壓力指數表示為Iwater，其值越大，表明區域水資源承載的水資源壓力越大，而EFwater和BCwater則分別表示區域內的水資源的生態足跡大小與區域內水資源總數目。

2 案例分析

2.1 唐山市概況

唐山是我國工業重鎮，位于華北平原東北部渤海北岸，西接京津、北靠燕山，區域面積達13.472 km2。該市屬燕山地臺向前海低地延伸區，東北為燕山余脈、南部是海河沖擊平原，高程介于0 m～843 m，地形分異明顯。唐山位于東亞溫帶季風氣候區，冬季寒冷干燥、夏季炎熱多雨，四季分明，年平均氣溫12.5℃，區域降水量介于500 mm～700 mm，日照時數2212 h。河流發源于山地，流程短、流量小，有明顯豐枯季，有春汛和夏汛，地表徑流量達14.62 億m3，屬渤海水系。用地類型以林草地、耕地、建設用地為主，典型植被為溫帶落葉闊葉林和針葉林。唐山市常年水資源總量為26.27 億m3，人均占有量僅為385 m3，低于警戒線400 m3的水平，屬于我國嚴重缺水城市。近年來隨著重化工產業發展、人口聚集，城市用水量迅速增加，然而區域水源供應不足、水污染問題尾大不掉，為民生安全、經濟發展帶來隱患。

2.2 數據來源與處理

本研究中指標數據數據主要來源于《中國統計年鑒》(2001年～2016 年)、《河北統計年鑒》(2001 年～2016 年)、《唐山統計年鑒》(2001 年～2016 年)，研究時域為2000 年～2015 年。指標中主要包含水資源總量、水資源消費總量、工業用水總量、農業用水總量、生產生活用水總量等直接統計指標數值。在Excel 2016 軟件上進行數據整理、指數計算。

3 唐山市水資源承載力分析

3.1 唐山市水資源生態足跡動態分析

通常在統計區域生態生產性資源量時需要預留部分水資源，用以保護區域生物多樣性，根據世界環境與發展委員會的建議，扣除12%的水資源量。基于前述研究方法，得到2000 年～2015 年唐山市生態足跡變化趨勢，結果如圖1、2。

2001 年～2015 年唐山農業用水生態足跡從整體呈現逐漸升高的趨勢，其最高值為2015 年的1.659 hm2/ 人，最低值出現在2001 年，僅為1.383 hm2/人，15 年來其平均值為1.537 hm2/ 人，其線性變化趨勢為(y=0.0166x-31.891,R2=0.9639)，在0.05 水平上顯著。結合唐山市人均農業生態生產性水資源(見圖2)，可知其最大值為2003 年的0.346 hm2/人，最小值為2015 年的0.278 hm2/人，平均值為0.317 hm2/ 人，其變化趨勢為(y=-0.0052x+10.779，R2=0.9428)，說明唐山市人均生態生產性農業水資源量逐漸減少，并且其缺口逐漸增大，反映了區域水資源承載超過水資源生態負荷。

生活用水的生態足跡最高值為2015 年的0.375 hm2/人，最低值為2001 年，僅為0.313 hm2/人，其平均值為0.351 hm2/人，其線性趨勢為(y=0.0037x-7.1092，R2=0.9014)。而唐山市人均生活用水的生態生產性水資源量在近15 年間平均值為0.0469 hm2/人，其變化趨勢為(y=-0.0007x+1.4983，R2=0.991),在0.05 水平上通過信度檢驗；表明該市生活用水消費力度遠大于資源產出。

其他用水的生態足跡從整體呈現逐漸升高的趨勢，其最高值為2015 年的0.178 hm2/人，最低值出現在2001 年，僅為0.145 hm2/人，15 年來其平均值為0.158 hm2/人，其線性變化趨勢為(y=0.0017x-3.1867，R2=0.8427)。另外，唐山市人均生態生產其他水資源近15 年期間其最大值為2003 年的0.0642 hm2/人，最小值為2015 年的0.0402 hm2/人，平均值為0.0509 hm2/人，其變化趨勢為(y=-0.0007x+1.4983，R2=0.991),在0.05 水平上通過信度檢驗。

圖1 2001年～2015 年唐山市水資源承載力生態足跡

圖2 2001年～2015 年唐山市生產線水資源承足跡

從工業用水來看，其生態足跡亦呈現逐漸增加趨勢(y=0.0056x-10.382，R2=0.8888)；與此同時，其人均生態生產性水資源成減少趨勢(y=-0.0019x+4.0513，R2=0.9231),均在0.05 水平上通過信度檢驗。

3.2 唐山市水資源足跡深度動態分析

2001 年～2015 年來唐山市水資源承載力足跡深度變化趨勢見圖3。可知近15 年來唐山市各種資源類型的水資源承載力足跡深度存在差異，其中以耕林地的足跡深度最大，減少資源最小。

區域工業業用水綜合足跡深度最小值為5.279 hm2/人，最大值為7.070 hm2/人，平均值為6.222 hm2/人，這表明唐山市農業用水資源流量少于人類消耗的資源量，即水資源資源亦即不能承載或為區域經濟社會提供充足保障，其一年所消耗的自然資源存量相當于唐山市水資源量全球平均生物生產空間5 年～7 年的積累量。

唐山生活用水、農業足跡深度分別介于2.277 hm2～2.794 hm2/人和14.665～22.070 hm2/人hm2/人之間。農業用水是唐山水資源消費的主要資源類型，研究顯示，近15 年來唐山市耕地的足跡深度值最大值、最小值分別為5.636 hm2/人和6.75 hm2/人，表明農業用水對區域水資源生態足跡具有重要影響。

從其他用水來看，其生態足跡深度最大值為2015 年的3.339 hm2/人，最小值為2001 年的2.292 hm2/人，平均值為2.909hm2/ 人，表明其他用水對區域水資源足跡深度影響較小。

圖3 唐山市水資源承載力足跡深度變化趨勢

3.3 唐山市生態盈余與赤字動態分析

基于前述的三維生態足跡模型，核算了2001 年～2015年唐山市不同用水類型水資源的生態盈余與生態赤字，見圖4。可知近15 年來唐山市農業水資源承載力不存在生態盈余，常年處于生態赤字狀態，處于-0.193 hm2/人和-0.291 hm2/人之間，平均值為-0.242 hm2/ 人，變化趨勢為(y=-0.007x+13.873,R2=0.9927)。生活用水的生態赤字由最初的-0.149 hm2/人波動變化至-0.2005 hm2/ 人，相應地其變化趨勢為y=-0.0026x+5.0754，R2=0.8427，并且達到顯著水平。其工業用水也呈現生態赤字，由2001 年的-0.0477 變化至2015 hm2/人年的-0.0550 hm2/人，其平均值為-0.053 hm2/人，線性演變趨勢為y=-0.0005x+0.9143，R2=0.7747，并且其變化趨勢顯著。研究時域內唐山市化石燃料資源承載力的生態赤字由2001年代-0.3565 hm2/人起伏變化至2015 年的-0.3226 hm2/人，其平均值達到-0.211 hm2/ 人，其變化趨勢為y=0.0203x-41.054，R2=0.2722，通過了5%水平的信度檢驗。唐山市其他用水類型生態赤字由2001 年的-0.5439 hm2/人波動演變至2015 年的-0.6496 hm2/人，期間其平均值為-0.610 人hm2/人，其線性變化特征為y=0.5335x-1052.9，R2=0.9927。

圖4 2001年～2015 年唐山市水資源生態赤字變化趨勢

3.4 唐山市水資源承載力指數動態分析

依據前述指數構建的方法，得到2001 年～2015 年唐山市水資源壓力指數。其最小值出現在2001 年的5.115，最大值為2015 年的5.804，總體呈線性升高趨勢，以的y=0.0423x-79.469，R2=0.8888 形式變化，并且通過0.05 水平的信度檢驗，表明該變化趨勢顯著。從水資源壓力指數大小來看，可知唐山市對水資源的消費已經超出水資源供給能力的5～7 倍，這是由于區域水資源稟賦和人口總數決定，唐山市地處我國半干旱半濕潤區，降水和地表徑流豐富，但水資源利用率和有效徑流均較少，加之龐大的人口基數勢必增加了用水需求，從而對區域水資源造成巨大壓力。

4 結論

生態盈余表征水資源存量，其意指能夠滿足經濟社會發展需求外存在的盈余，生態赤字則反之。通過生態盈余和生態赤字能夠直觀顯示區域人類對水資源的消費需求是否超出了資源承載能力。本研究核算了2001 年～2015 年唐山市農業、工業、生活和其他用水的水資源承載力，綜合結果表明區域水生態赤子較大，水資源透支嚴重，應當予以重視。