三峽庫區水資源生態足跡及承載力時空演變研究

許 典 子，張 萬 順,2,3，彭 虹，申 詩 嘉，黃 攀 攀

(1.武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430072； 2.武漢大學 中國主體功能區戰略研究院，湖北 武漢 430072； 3.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072; 4.武漢大學 水利水電學院，湖北 武漢 430072)

隨著水資源短缺問題的日益凸顯，水資源可持續利用研究已成為促進社會經濟環境可持續發展的關鍵環節[1-2]。作為我國水資源配置的戰略水源地和長江上游經濟發展戰略中心，三峽庫區具有舉足輕重的地位，研究三峽庫區水資源可持續承載狀態以及發展趨勢，能有效支撐長江經濟帶水資源綜合管理。

生態足跡是衡量資源可持續利用的一種綜合核算方法[3]，由William于1992年提出，此后Wackernagel及眾多學者對理論進行了發展和完善[4-5]，該理論衡量社會的資源環境需求與實際可用土地面積及其環境所提供的服務之間的關系[6]。學者們將生態足跡理論應用于水資源領域，開展了水足跡[7-9]、水生態足跡[10-12]以及水資源生態足跡研究[13-15]。Wang等構建了水資源生態足跡及水資源生態承載力模型，將水資源賬戶進一步劃分為3個子賬戶，包括生活用水、生產用水及生態需水足跡，計算遼河流域城市尺度和流域尺度水資源生態足跡[16]；丁華等引入萬元GDP水資源生態足跡，建立改進的上海市水資源生態足跡和承載力模型，分析其水資源生態需求和供給能力[17]；鄧曉軍等引入虛擬水，計算了農業、工業產品的生產需水量和虛擬水貿易量，通過水匱乏度、水自給率和水依賴度等分析了四川省水資源利用狀況[18]；周健等通過引入生態系統服務價值理論，構建了基于生態足跡的三峽庫區重慶段生態補償標準模型，并計算各區縣的生態補償標準[19]；劉子剛等對水生態足跡的內涵進行擴展，將水產品生態足跡、淡水生態足跡以及水污染生態足跡考慮在內，分析湖州市逐年水生態足跡和水生態承載力[20]?？v觀以往的水足跡研究，三峽庫區的水資源生態足跡研究多以行政區域或小流域為研究對象，容易忽略水污染對生態環境的影響，尚未見三峽庫區全庫區流域的水資源生態足跡研究。

本文以三峽庫區流域作為研究區域，將水資源開發利用及水環境安全納入生態足跡核算，構建三峽庫區流域水資源生態足跡模型，綜合評價建庫以來三峽庫區流域水資源生態足跡與水資源生態承載力的時空格局動態變化規律，明晰影響水資源生態足跡與水資源生態承載力動態演變因素，對三峽庫區流域水資源的科學管控和區域的社會經濟可持續發展具有十分重要的支撐作用。

1 研究方法

水資源生態足跡模型包含以下3個部分：水資源生態足跡、水資源生態承載力和水資源生態盈虧。水資源生態足跡反映需求，表示人類在生活生產中開發利用水資源以及自然環境維持自身進化對水的需求。水資源生態承載力反映供給，表示水資源對生態和經濟系統良性發展的支撐能力。地區水資源供需平衡狀況主要是通過水資源生態盈余和生態赤字來表示[21]，水資源生態足跡模型框架如圖1所示，具體過程如下。

圖1 水資源生態足跡模型框架Fig.1 Framework of water resources ecological footprint model

1.1 水資源生態足跡

基于生態足跡建立水資源賬戶，將水資源生態足跡劃分為淡水生態足跡和水污染生態足跡：

EFw=EFfw+EFww

(1)

式中，EFw表示區域水資源生態足跡，hm2；EFfw表示區域淡水生態足跡，hm2；EFww表示區域水污染生態足跡，hm2。

1.1.1 淡水生態足跡

根據用水性質分類，淡水生態足跡下的水資源帳戶可劃分為生活用水、生產用水和生態需水足跡3個二級帳戶。

水資源賬戶的計算模型可表示為[20]：

EFfw=N×AEFfw=γw×W/APw

(2)

式中，AEFfw表示區域淡水生態足跡，hm2；N表示區域人口數；EFfw表示該區域人均淡水生態足跡，hm2/人；γw表示水資源全球均衡因子；W表示水資源消耗量，可進一步細分為生活用水量、生產用水量以及生態環境用水量，m3;APw表示全球水資源平均生產能力，m3·hm-2。

1.1.2 水污染生態足跡

水污染生態足跡反映稀釋和凈化生產生活中排放的污廢水對水資源的消耗，水污染生態足跡計算公式為[20-22]：

EFww=N×AEFww=γw×(TCww/APw)

(3)

式中，EFww表示區域水污染生態足跡,hm2；AEFww表示區域人均水污染生態足跡,hm2/人；TCww表示區域污染稀釋凈化需水量,m3；APw表示全球水資源平均生產能力,m3·hm-2。采用零維水質模型計算污染稀釋凈化需水量，公式如下[22]：

(4)

式中，Qww表示區域污染物排放量,t/a；Cs表示水質目標濃度,mg/L，根據水資源公報[23]等成果，以Ⅲ 類水質為標準，COD和氨氮濃度標準分別為20 mg/L和1.0 mg/L；K為污染物綜合降解系數，1/d，按照《三峽庫區水域納污能力及限制排污總量意見》等成果[24]，取K值為0.1。

水文學中將水資源的生產能力以多年平均產水模數來表述，全球水資源平均生產能力即為全球多年平均產水模數。根據多年統計資料，結合該參數在三峽庫區的應用，確定全球單位面積的產水量為3 140 m3·hm-2[25-26]。全球水資源均衡因子以水資源生物生產面積的平均生態生產力除以全球各類生物生產面積的平均生態生產力來刻畫，根據研究結果，多采用WWF《2002世界自然基金會地球生命力報告》確定的全球水資源均衡因子5.19進行計算，學者們在長江經濟帶及三峽庫區范圍進行了應用，表明其具有適用性[13，26-27]。

1.2 水資源生態承載力

基于生態足跡的水資源承載力表示該區域在一定的發展階段和技術管理條件下，水資源可支持該區域資源、環境和社會可持續發展的能力。水資源生態承載力的計算模型可表示為[16]：

ECw=N×ecw=α×γw×φ×Q/APw

(5)

式中，ECw表示區域水資源承載力,hm2；N表示區域人口數；ecw表示區域人均水資源生態承載力,hm2/人；γw表示水資源均衡因子；φ表示水資源產量因子；Q表示區域水資源總量,m3；APw表示全球水資源平均生產能力,m3/hm2；α表示生物多樣性補償系數。

水資源產量因子以區域單位面積產水量除以全球單位面積產水量來刻畫，也可用區域多年平均徑流深除以全球多年平均徑流深來計算。根據水利電力部水文局數據，重慶市水資源產量因子為2.04，湖北省為1.68[13]，核算出三峽庫區流域產量因子為1.97?；谑澜绛h境與發展委員會(WCED)成果，α取值為0.88，表示扣除12%維持生態環境和生物多樣性的水資源量[16,28]。

1.3 水資源生態盈虧

以水資源生態盈余或生態赤字來衡量水資源的可持續利用程度，計算公式如下：

EFb=ECw=-EFw

(6)

式中，EFb表示區域水資源生態盈虧指數；EFw表示水資源生態足跡,hm2；ECw表示水資源承載力,hm2。若EFb<0，表示該地區水資源生態赤字，水資源開發利用處于不健康模式；若EFb=0，表示水資源生態平衡；反之則代表生態盈余，該區域水資源開發利用處于可持續狀態。

2 結果與分析

2.1 研究區概況

三峽庫區是指長江上游流域由于三峽工程修建而存在的具有特殊意義的獨特地理單元，是我國水資源配置的戰略水源地，橫貫東西的“黃金水道”，也是我國實行“西部大開發”政策、“一帶一路”規劃和“長江經濟帶”戰略的重要聯結點，包含了湖北省所轄夷陵區、秭歸縣、巴東縣、興山縣4個區縣和重慶市所轄巫山縣、巫溪縣、奉節縣、云陽縣、開州區、萬州區、忠縣、涪陵區、豐都縣、武隆縣、石柱縣、長壽區、渝北區、巴南區、江津區以及重慶主城區(包括渝中區、北碚區、沙坪壩區、南岸區、九龍坡區、大渡口區和江北區)22個區縣，共26個區縣(圖2)。三峽庫區流域總面積5.8萬km2，2016年常住人口為2 066.04萬人。該區域屬于亞熱帶季風氣候，水熱資源豐富，立體氣候明顯，年均溫度15～19℃，年降水量1 000～1 800 mm，降雨多集中在4～10月。長江橫貫全區，過境水資源豐富，水資源總量約4 000億m3，水資源開發潛力巨大?！度珖黧w功能區規劃》將三峽庫區流域定位為重點開發區和重點生態功能區，區域間的水資源量、水資源質量以及社會經濟發展都存在較大差異。

2.2 數據來源

本文采用的水資源數據(包括降雨量、水資源總量、生活用水量、生產用水量、生態環境用水量及污染物排放量等)來源于2002～2016年《重慶市水資源公報》《湖北省水資源公報》，社會經濟數據(包括人口及GDP等)來源于《重慶市統計年鑒》《湖北省統計年鑒》以及《巴東縣國民經濟和社會發展統計公報》《宜昌市國民經濟和社會發展統計公報》等。

圖2 三峽庫區流域行政區劃 Fig.2 Administrative district of Three Gorges Reservoir area

2.3 時間動態演變特征

基于上述研究方法，以重慶市及湖北省三峽庫區流域2002～2016年水資源公報數據為基礎，計算三峽庫區流域2002～2016年水資源生態足跡和水資源生態承載力(表1)。

表1 三峽庫區流域2002～2016年水資源生態足跡與水資源生態承載力Tab.1 Water resources ecological footprint and ecological carrying capacity in Three Gorges Reservoir area from 2002 to 2016

2002～2016年歷年生態盈虧指數均大于0，表明三峽庫區流域整體上呈現一定生態盈余，不僅可以保證社會經濟與生態環境的良性發展，而且滿足水資源的進一步需求，水資源利用處于可持續狀態。

2002～2016年三峽庫區流域水資源生態足跡總體上呈波動的先上升后下降趨勢(圖3)，2008年水資源生態足跡達到最高141.04×106hm2，2008年比2002年增長54.60%。2009年水污染生態足跡達到最高48.30×106hm2，2009年比2002年增長90.98%，此后水污染狀態有所改善，水污染生態足跡呈現降低趨勢并趨于穩定狀態。2008年淡水生態足跡達到最高98.27×106hm2，2008年比2002年增長49.02%。用水總量尤其是第二產業用水量也呈現先上升后下降的趨勢(圖4)，2008年第二產業用水生態足跡達到峰值60.25×106hm2，其后逐漸降低，2016年第二產業用水生態足跡僅為2008年的66.86%，這表明自2008年起水資源利用效率在逐步提高。

三峽庫區水資源生態承載力歷年間波動變化較大(圖3)，2007年水資源生態承載力最高達257.99×106hm2，而2006年最低僅有141.88×106hm2，且其他年份呈高低不均分布。由圖5可知，三峽庫區2002～2016年間水資源生態承載力與降水量呈線性相關(正相關系數=0.86)。2006年三峽庫區年降雨量較其他年份明顯減少，庫區遭遇旱情，水資源生態承載力明顯降低。

在水資源生態足跡的二級賬戶中(圖6)，2002～2016年生產賬戶占比均在76%以上，比重最大。生活用水生態足跡呈現出先降低后增加的趨勢，從2002年到2003年，生活用水生態足跡由15.18×106hm2降低至11.12×106hm2，而后增加至2016年的17.73×106hm2。由于三峽工程全部竣工后，水庫淹沒區將涉及湖北省、重慶市21個縣市區，因此在2003年三峽大壩正式下閘蓄水后，2004年常住人口較2003年減少134.73萬人，而2004年城鎮人口較2003年增加332.62萬人，大量人口外遷，城鎮戶籍卻大量增加，三峽庫區人口結構發生了重大變化，由人口遷移導致的用水結構也發生改變。這期間，由于大量農村人口轉變為城鎮戶籍，生活用水由2003年的6.73億m3增加至7.20億m3，生活用水量增加7.0%，生活用水生態足跡由58.65×106hm2增加到72.80×106hm2；三峽大壩的修建，庫區淹沒了2.79萬hm2優質耕園地，耕地面積減少，農業用水量也相應減少，第一產業用水量由2003年的13.57億m3減少為13.21億m3，第一產業用水生態足跡由22.43×106hm2降低至21.83×106hm2。歷年生態環境賬戶所占比例均不到1.2%，在堅持生態優先，綠色發展的戰略定位下，三峽庫區生態環境用水量在逐年升高。三峽庫區流域歷年水資源生態盈余均在23.49×106hm2以上，水資源尚處于可持續利用狀態。

圖3 三峽庫區流域2002～2016年水資源生態足跡與水資源生態承載力Fig.3 Water resources ecological footprint and carrying capacity in Three Gorges Reservoir area from 2002 to 2016

圖4 三峽流域庫區用水總量與第二產業用水量Fig.4 Water consumption of Three Gorges Reservoir area from 2002 to 2016

圖5 三峽流域庫區水資源生態承載力與降雨量的關系Fig.5 Relationship between precipitation and carrying capacity of water resources

2.4 空間格局

三峽庫區水資源生態足跡及生態承載力均呈現地域不均衡性(表2)。其中，生態功能區的興山縣水資源生態足跡最小，為1.14×106hm2，重點開發區的江津區水資源生態足跡最大，為13.94×106hm2，是興山縣的12倍；重點開發區的渝中區水資源生態承載力最小，為0.06×106hm2，生態功能區的巫溪縣水資源生態

圖6 三峽流域庫區2002～2016年淡水生態足跡組成Fig.6 Water ecological footprint contents of Three Gorges Reservoir area from 2002 to 2016

Tab.2 Water resources ecological footprint and water resources ecological carrying capacity of every district of Three Gorges Reservoir area in 2016 106hm2

承載力最大，為28.22×106hm2，是渝中區的470倍，地區差異顯著。三峽庫區整體呈現生態盈余，但重慶市部分區縣，包括渝中、渝北、沙坪壩、南岸、九龍坡、江津、江北、大渡口、長壽、涪陵和北碚區11個區縣的生態盈虧指數為負值，呈現水資源生態赤字，其余區縣的生態盈虧指數為正值，呈現水資源生態盈余(圖7)。

從地域上看，三峽庫區流域水資源生態承載力總體上呈現由西向東、由庫尾向庫首增多的趨勢(圖7)。位于庫尾的重慶市9大主城區的水資源生態承載力較弱，主城區以6.65%的土地面積和4.85%的水資源量，承載了重慶市27.21%的人口以及41.89%的經濟產值，水資源開發利用率和用水效率高，水資源壓力較大，除巴南區外均呈現生態赤字。除主城區外，位于庫尾的長壽區建有國家級經濟技術開發區，重點發展天然氣石油化工及新材料新能源等，水污染生態足跡為3.05×106hm2，生產用水足跡占淡水生態足跡的87.5%，水資源生態足跡是水資源生態承載力3.14倍，呈現水資源生態赤字。江津區水資源量豐富，但生產用水足跡占淡水生態足跡的91.5%，生態盈虧指數為-7.94×106hm2，同樣呈現生態赤字。

圖7 三峽庫區流域水資源生態盈虧指數Fig.7 Distribution of water resources ecological surplus and deficit index in Three Gorges Reservoir area

庫中區域除武隆縣、云陽縣和石柱縣為重點生態功能區，其余區縣均為重點開發區。其中，涪陵區、萬州區和開州區水資源生態足跡占庫中區域的67.74%，庫中區域各區縣除涪陵區外，水資源生態足跡均未超過水資源生態承載力，呈現生態盈余。涪陵區位于長江干流與其支流烏江的交匯處，屬于烏江開發區，生產用水足跡占淡水生態足跡的87.73%，水污染生態足跡為4.27×106hm2，生態盈虧的指數為-6.10×106hm2，呈現生態赤字。庫首區域均為重點生態功能區，作為重要生物多樣性保護以及少數民族的聚集區，生態文明建設放在更加突出的地位，庫首水資源稟賦條件好，水資源生態承載力相對較高，占全庫區的46.39%，區域內均呈現生態盈余。

三峽庫區流域水資源生態足跡高的區域集中在重點開發區，各區縣水資源生態足跡占全庫區的82.27%，水污染生態足跡占全庫區的87.67%。而重點生態功能區的水資源生態足跡相對較低，僅占全庫區的17.73%；水污染狀況較輕，水污染生態足跡僅占全庫區的12.33%。重點開發區作為支撐區域經濟增長的重要區域，用水量大，用水效率高，在高質量發展的同時，應避免出現開發區城市擴張帶來的水資源過度開發和生態環境壓力過大等問題；重點生態功能區水資源量充沛，因主導功能定位及產業結構和布局等因素的影響，當地水資源的開發利用率較低，在不影響自然保護區主體功能的前提下，也需提高水資源開發利用率和用水效率。

3 討 論

根據水生態足跡的內涵，本文采用的水資源生態足跡法將人類對水資源的消耗和水污染的生態影響納入到生態足跡的核算，彌補了僅考慮水資源量而忽略水資源質量的不足，具備較好的科學性和系統性。時間尺度上，考慮水污染生態足跡后，三峽庫區流域歷年水資源仍然呈現生態盈余，但水資源生態盈余量減少；空間尺度上，涪陵區由于污染物排放量較多，在三峽庫區各區縣中水污染生態足跡最大，考慮水污染生態足跡后，水資源處于生態赤字狀態。本文確定的水資源生態足跡計算所涉及到幾個基本參數，其中水資源均衡因子、水資源產量因子和全球水資源平均生產能力的取值在眾多學者們的研究中基本統一，而不同學者對于生物多樣性補償系數α的取值持不同觀點，如世界環境與發展委員會(WCED)取值為0.88[16,28]，張月等取值為0.75[29]，黃林楠等取值為0.4[13,20]。表3為上述3種不同生物多樣性補償系數取值下的水資源生態足跡與水資源生態承載力結果。其中，本文采用WCED發布的結果并考慮三峽庫區實際情況，選取α=0.88進行計算[19]，α=0.75和α=0.4則分別表示扣除25%和60%維持生態環境和生物多樣性的水資源量。當α=0.75時，2002～2016年歷年水資源生態承載力均大于生態足跡，呈現水資源生態盈余，但盈余量較α=0.88時有所降低；當α=0.4時，僅2002,2003年區域呈現水資源生態盈余，自2004年起歷年水資源生態承載力均小于水資源生態足跡，呈現水資源生態赤字。因此，當α取值減小時，表示需要有更多的水資源用于維持生態系統健康，則水資源生態承載力會隨之降低，水資源可持續利用的壓力也會隨之增大。

人口增長以及社會經濟發展對水的大量需求是水資源生態足跡變化的主要原因，同時水資源利用率提升使生產用水得到控制也是水資源生態足跡變化較大的因素。從2002年到2008年水資源生態足跡持續上升，2008年比2002年增長54.60%，而自2008年至2016年，水資源生態足跡呈緩慢下降的趨勢，降至130.05×106hm2，其中，生活賬戶和生態環境賬戶呈逐年增加的趨勢，而生產賬戶則呈現先增加后降低的趨勢。由此可知水資源生態足跡的變化是社會經濟發展的需要，且水資源的利用效率有了明顯的提高，這與三峽庫區流域的社會經濟發展規律是基本一致的，因此本文采用水資源生態足跡法計算結果是較為科學合理的。

表3 生物多樣性補償系數不同取值下三峽庫區流域2002～2016年水資源生態足跡與水資源生態承載力Tab.3 Water resources ecological footprint and ecologicalcarrying capacity in Three Gorges Reservoir area under different biodiversity compensation coefficient 106hm2

4 結 論

本文運用生態足跡理論，將水資源生態足跡分為淡水生態足跡和水污染生態足跡，構建水生態足跡模型，計算分析了三峽庫區流域2002～2016年水資源生態足跡和水資源生態承載力。

整體而言，三峽庫區水資源稟賦條件好，2002～2016年水資源生態足跡均小于水資源生態承載力，水資源生態有一定盈余，水資源呈可持續利用狀態。但三峽庫區流域水資源分布與人口、經濟的分布極不對應，庫首重點生態功能區域的生態盈余較大，庫尾重點開區域基本呈現水資源生態赤字，水資源與社會經濟發展之間呈現不均衡模式。因此在庫尾地區，尤其是出現生態赤字的渝中區、渝北區等應加大產業調整力度，嚴格控制耗水量大或污染嚴重的企業發展。

三峽庫區流域2002～2016年水資源生態足跡總體上呈先上升后下降趨勢，用水效率和水污染狀態有明顯改善。三峽庫區水資源生態承載力受降水影響較大，兩者呈現顯著的線性相關，水資源生態承載力隨年際間降雨量的減少而明顯降低，水資源生態盈余也隨之減少，因此需加強三峽庫區水利工程的蓄水能力以應對干旱問題。

水資源生態足跡各賬戶占比反映三峽庫區產業結構調整的變化，在水資源生態足跡的各賬戶中，以生產賬戶所占比重最大，歷年占有量均在76%以上。因此,需基于三峽庫區流域水資源-社會-經濟可持續發展進行產業調整，提高三峽庫區整體的水資源利用效率，特別是重點開發區的工業用水重復利用率，促進三峽庫區流域水資源與社會經濟的可持續發展。