基于生態(tài)足跡模型的水資源可持續(xù)利用分析

王 先 慶，李 博，李 進(jìn)，劉 鵬 飛

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550000； 2.貴州大學(xué) 喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550000； 3.河南德諾安科職業(yè)衛(wèi)生評價(jià)有限公司，河南 南陽 473000)

1 研究背景

水是一種不可或缺的自然資源，在維護(hù)人類生活、生產(chǎn)活動(dòng)以及生態(tài)環(huán)境等方面具有極其重要的作用。伴隨著人口與經(jīng)濟(jì)的飛速增長，水資源短缺已成為一個(gè)全球性的問題[1-2]，因此，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用已成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素[3-5]。

近幾年來，水資源在可持續(xù)利用發(fā)展方面越來越受到人們的關(guān)注，例如，巴西的Vicente P.P.B提出把每個(gè)流域中水的潛在量、需水量和可利用量用來比較，進(jìn)而確定水的可持續(xù)性指標(biāo)[6]。Rao.D.P將遙感和GIS相結(jié)合指出，一個(gè)較為完善的水資源可持續(xù)開發(fā)利用評價(jià)的實(shí)質(zhì)是進(jìn)行多目標(biāo)、有效力和風(fēng)險(xiǎn)性分析[7]。南非的 Jay J.Walmsley 認(rèn)為不同流域的發(fā)展現(xiàn)狀與資源管理行為是相互影響的，在這種情況下，起關(guān)鍵作用的可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)的應(yīng)用就很難確定，而DPSIR指標(biāo)框架對此類情況下的水資源可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)的確定十分有用[8]。Hoekstra提出了水足跡的概念,闡述了從水資源消費(fèi)的視角來討論人對水資源的消耗情況,建立了資源和消費(fèi)之間的相互關(guān)系[9]。由加拿大William Rees教授于1992年提出的生態(tài)足跡理論，不僅可用于測度人類對自然資源利用的程度，還可以定量表示自然所能提供的生態(tài)支撐能力和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r[10]。基于生態(tài)足跡模型的水資源可持續(xù)利用方法具有概念具體形象、方法簡便易行、便于區(qū)域間進(jìn)行比較的優(yōu)勢，是當(dāng)下受關(guān)注程度較高的可持續(xù)發(fā)展評價(jià)方法之一。目前，水資源生態(tài)足跡研究從地域上主要是側(cè)重于干旱、半干旱地區(qū)，而對于巖溶地區(qū)，尤其巖溶山區(qū)的研究很少[11]。

中國西南巖溶地區(qū)總面積約為42.62萬km2,強(qiáng)烈的巖溶化作用形成的地表、地下雙層空間結(jié)構(gòu)，使地表水嚴(yán)重漏失；同時(shí)，巖溶區(qū)地表水資源大多集中于深切河谷中，與高原臺(tái)面和遠(yuǎn)離河谷的斜坡等地區(qū)的城鎮(zhèn)、村寨、工礦等極不平衡，因此，雖然巖溶地區(qū)降水豐富，但是水資源供需矛盾仍然突出[12-13]。本文采用水資源生態(tài)足跡模型，對典型巖溶山區(qū)——貴州省六盤水市2008～2015年水資源生態(tài)足跡進(jìn)行計(jì)算，從而得到了六盤水市水資源人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力及其人均生態(tài)盈余的整體發(fā)展趨勢，進(jìn)而分析評價(jià)了六盤水市水資源可持續(xù)利用程度，最后提出了有益于六盤水市水資源可持續(xù)利用發(fā)展的建議。相關(guān)研究可以為巖溶地區(qū)水資源可持續(xù)利用研究提供一定的借鑒和參考。

2 研究區(qū)概況

六盤水是位于中國貴州省西部的一座新興工業(yè)發(fā)展城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展以煤炭、冶金、建材為主。地處云貴高原第一、二級臺(tái)地過渡面上，地勢西北高，東南低，海拔在1 400～1 900 m之間，總面積約9 965 km2,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬暖夏涼、環(huán)境宜人，素有中國涼都之稱。年平均氣溫13 .0℃～14.0℃，1月均溫為3.0℃～6.3℃，7月均溫為19.8℃～22.0℃，年降雨量為1 200～1 500 mm；其地形起伏大，局部區(qū)域氣候存在明顯差異。交通位置如圖1所示。

圖1 六盤水市交通位置示意 Fig.1 Traffic and location of Liupanshui City

研究區(qū)域內(nèi)的水資源主要補(bǔ)給來源為大氣降水，地表水與地下水相互補(bǔ)給、轉(zhuǎn)化，循環(huán)交替比較頻繁，水資源化學(xué)類型以低礦化度重碳酸鹽類淡水為主，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水較為適宜。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文根據(jù)2008～2015年的《六盤水市水資源公報(bào)》[14]和《六盤水市統(tǒng)計(jì)年鑒》[15]，對研究區(qū)內(nèi)的灌溉用水量、林牧漁及牲畜用水量、工業(yè)用水量、生活用水量、城鎮(zhèn)公共用水量、生態(tài)環(huán)境用水量、水資源總量、行政區(qū)面積、人口數(shù)量以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等資料進(jìn)行了系統(tǒng)收集和整理分類，獲得了研究區(qū)域內(nèi)的水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 六盤水市2008～2015年水資源開發(fā)利用情況

Tab.1 Water resources utilization data of Liupanshui City，2008～2015

年份年平均降雨量/mm水資源總量/億m3總?cè)丝?萬人GDP/億元總生產(chǎn)用水/億m3總生活用水/億m3總生態(tài)用水/億m320081352.162.807298.1700384.274.7401.7100.01020091081.941.884298.3400433.465.2192.0520.01520101175.136.650285.1180500.647.8821.2590.0782011802.226.260285.0000613.397.1801.5100.02020121197.644.880285.9000753.657.2601.5300.02020131005.225.310287.4500882.116.1651.2140.04420141467.959.160288.20001042.736.3731.3460.06520151256.252.388289.58731201.086.2801.4800.070

3.2 研究方法3.2.1 水資源生態(tài)足跡模型

生態(tài)足跡是指生產(chǎn)相應(yīng)人口所消費(fèi)的所有資源和消納所產(chǎn)生的廢物所需要的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積，表示在現(xiàn)有技術(shù)和消費(fèi)水平下區(qū)域人口對環(huán)境的影響規(guī)模和持續(xù)生存對環(huán)境提出的需求[16]。水資源生態(tài)足跡模型是由生態(tài)足跡模型衍生而來，與之對應(yīng)的土地類型為水資源用地，其計(jì)算式為[10]

EFW=N·efw=N·A=N·rw(W/Pw)

(1)

式中，EFW為水資源生態(tài)足跡，hm2；efw、A均表示人均水資源生態(tài)足跡，hm2/人；N為人口數(shù)，萬人；rw為水資源的全球均衡因子；W為水資源量，m3；Pw為全球水資源平均生產(chǎn)能力，m3/hm2。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)水資源消耗情況，水資源生態(tài)足跡可以分為生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水足跡3個(gè)方面，相應(yīng)的計(jì)算模型為[17]

EFpw=N·efpwi=N·rw·(Wi/Pw)

(2)

EFlw=N·eflw=N·rw·(Wl/Pw)

(3)

EFew=N·efew=N·rw·(We/Pw)

(4)

式中，EFpw為生產(chǎn)用水生態(tài)足跡，hm2;efpwi為人均生產(chǎn)用水生態(tài)足跡，hm2/人;Wi為生產(chǎn)用水量，m3；EFlw為生活用水生態(tài)足跡，hm2，eflw為人均生活用水生態(tài)足跡，hm2/人;Wl為生活用水量，m3；EFew為生態(tài)用水足跡，hm2;efew為人均生態(tài)用水生態(tài)足跡，hm2/人;We為生態(tài)用水量，m3。

3.2.2 水資源承載力模型

在某一地區(qū)或區(qū)域的某段發(fā)展時(shí)間內(nèi)，為該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及社會(huì)發(fā)展提供最大的水資源可持續(xù)利用能力稱之為水資源承載力，計(jì)算式如下[18]。

EC=N·G=(1-0.6)·ε·rw(Q/Pw)

(5)

式中，EC為水資源承載力，hm2；G為人均水資源承載力，hm2/人；ε為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子；Q為水資源產(chǎn)量，m3。

3.2.3 水資源可持續(xù)利用評價(jià)指標(biāo)

(1) 水資源生態(tài)盈余。水資源生態(tài)盈余是用來確定研究區(qū)水資源利用是否處于可持續(xù)發(fā)展階段的一個(gè)定量指標(biāo)，用ED表示，其計(jì)算式如下：

ED=G-A

(6)

式中，若A>G，則認(rèn)為水資源處于不利于可持續(xù)發(fā)展階段，為生態(tài)赤字；若A

(2) 水資源生態(tài)壓力指數(shù)模型。水資源生態(tài)壓力指數(shù)的大小可以反映區(qū)域間水資源可持續(xù)利用情況和生態(tài)環(huán)境承受的壓力強(qiáng)度的相對大小。計(jì)算式如下[19]：

EP=EFw/EC

(7)

式中，EP為水資源生態(tài)壓力指數(shù)，按照任志遠(yuǎn)、黃青等研究中對水資源生態(tài)壓力指數(shù)等級劃分[20]，當(dāng)EP<0.5，表示該區(qū)域水資源開發(fā)利用處于安全狀態(tài)；當(dāng)0.5≤EP<0.8，為較安全狀態(tài)；當(dāng)0.8≤EP≤1，為臨界狀態(tài)；當(dāng)EP>1，為不安全狀態(tài)。

(3) 萬元 GDP 水資源生態(tài)足跡。某國家、地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長模式與反映水資源利用效率的高低可在萬元 GDP 水資源生態(tài)足跡中體現(xiàn)，其結(jié)果越大，水資源利用效率越低；反之，水資源利用效率越高[21]。其計(jì)算式如下：

EFGDP=EFw/GDP

(8)

3.2.4 主要參數(shù)的確定

水資源全球均衡因子是全球某種生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力與所有各類生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力的比值[10]，本文采用WWF 2002(World Wide Fund for Nature Living Planet Roport 2002)確定的水資源均衡因子值rw=5.19。單位面積的產(chǎn)水量即為水資源平均產(chǎn)水模數(shù)，根據(jù)研究區(qū)域2008～2015年年均水資源總量地域面積，可求得其水資源平均生產(chǎn)力為4 382 m3/hm2；區(qū)域水資源量平均生產(chǎn)能力與世界水資源生產(chǎn)能力的比值被定義為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子，根據(jù)張?jiān)浪吨袊Y源與可持續(xù)發(fā)展》取全球單位面積產(chǎn)水量為3 140 m3/hm2[18]，結(jié)合研究區(qū)域單位面積產(chǎn)水量可得區(qū)域水資源產(chǎn)量因子為1.395 5。

4 結(jié)果與分析

按照前述中建立的水資源生態(tài)足跡模型見公式(1)～(8)，計(jì)算六盤水市2008～2015年水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，計(jì)算結(jié)果如表2所列。

4.1 水資源生態(tài)足跡分析

根據(jù)水資源消耗情況，可制作水資源人均生產(chǎn)、生活、生態(tài)足跡變化曲線圖，如圖2所示。

由圖2可知，水資源生態(tài)足跡3個(gè)賬戶中，生產(chǎn)用水足跡占水資源生態(tài)足跡比例約為70%，其用水足跡呈現(xiàn)波動(dòng)上升下降的趨勢，其中,2009～2010年上升速度為最快，至2011年，生產(chǎn)用水開始有所減少；生活用水生態(tài)足跡約占水資源生態(tài)足跡的25%，其用水足跡整體上沒有太大波動(dòng)，比較穩(wěn)定；生態(tài)用水所占的比例為最小，其用水足跡無明顯變化，但總體呈微弱上升趨勢。

表2 六盤水市2008～2015年水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力

Tab.2 Ecological footprint and ecological carrying capacity of water Resources in Liupanshui City,2008～2015

年份生態(tài)足跡/(hm2·人-1) 人均生產(chǎn)用水人均生活用水人均生態(tài)用水人均水資源生態(tài)足跡人均水資源承載力/(hm2·人-1) 水資源壓力指數(shù) 生產(chǎn)生活生態(tài)生態(tài)盈余、赤字 /(hm2·人-1)萬元GDP/(hm2·人-1)20080.18830.06790.00040.25661.39260.13520.04880.00031.13600.199120090.20720.08150.00060.28920.92820.22320.08780.00060.63890.199120100.32740.05230.00320.38300.84980.38530.06150.00380.46690.218120110.29840.06280.00080.36200.60920.48980.10300.00140.24720.168220120.30080.06340.00080.36501.03780.28980.06110.00080.67290.138520130.25400.05000.00180.30590.58210.43640.08590.00310.27630.099720140.26190.05530.00270.31991.35710.19300.04080.00201.03720.088420150.25680.06050.00290.32021.19600.21480.05060.00240.87580.0772

圖2 六盤水市2008～2015年水資源人均生產(chǎn)、生活、生態(tài)足跡示意Fig.2 Water resources per capita fo production, living and ecology from 2008 to 2015 in Liupanshui City

4.2 水資源承載力分析

根據(jù)2008～2015年六盤水市人均水資源生態(tài)承載力數(shù)據(jù)和年平均降雨量數(shù)據(jù)，可制作人均水資源生態(tài)承載力變化曲線及年平均降雨量變化曲線，如圖3所示。

圖3 六盤水市2008～2015年人均水資源承載力變化曲線Fig.3 Varations in water resources carrying capacity per capita from 2008 to 2015 in Liupanshui City

圖4 六盤水市2008～2015年平均降雨量變化曲線Fig.4 Average annual rainfall from 2008 to 2015 in Liupanshui City

由圖3可知，水資源承載力變化較大，較高年份為2008年和2014年，分別達(dá)到了1.392 6 hm2/人和1.357 1 hm2/人;較低年份為2011年和2013年，分別為0.609 2 hm2/人和0.582 1 hm2/人。結(jié)合圖4還可以發(fā)現(xiàn)，水資源承載力的年度變化規(guī)律和年平均降雨量的年度變化以及水資源總量的變化規(guī)律基本一致，年平均降雨量越大，水資源總量就越大，水資源承載力隨之也變大。

4.3 水資源可持續(xù)利用評價(jià)指標(biāo)分析

(1) 水資源壓力指數(shù)分析。水資源生態(tài)足跡分為生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水足跡3個(gè)方面，根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)，可以得到相應(yīng)的水資源壓力指數(shù)變化曲線圖，如圖5所示。

圖5 六盤水市2008～2015年水資源壓力指數(shù)變化情況 Fig.5 Variations in water resources stress indexes from 2008 to 2015 in Liupanshui City

由圖5可知，生態(tài)、生活和生產(chǎn)水資源壓力指數(shù)都在0～1之間，且都小于0.5。生產(chǎn)用水有較大波動(dòng)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他指標(biāo)，生產(chǎn)水資源壓力指數(shù)最大是2011年，達(dá)到0.489 8。生態(tài)水資源壓力指數(shù)總體最小，表現(xiàn)為微弱的上升的趨勢。生活水資源壓力指數(shù)波動(dòng)較平穩(wěn)，大致圍繞0.06上下波動(dòng)。與圖4年平均降雨量年度變化情況比較可知，生產(chǎn)、生活以及生態(tài)的水資源壓力指數(shù)與年平均降雨量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2) 生態(tài)盈余分析。可以根據(jù)表2，繪制出水資源生態(tài)盈余變化情況，如圖6所示。

圖6 六盤水市2008～2015年生態(tài)盈余變化情況 Fig.6 Variations in ecological surplus from 2008 to 2015 in Liupanshui City

由圖6可知，六盤水市2008～2015年水資源屬于生態(tài)盈余的狀態(tài)，最大盈余是2008年，為1.136 0 hm2/人，是水資源總量最多的一年，為62.807億m3；較小盈余是2011年的0.247 2 hm2/人和2013年的0.276 3 hm2/人，對應(yīng)的水資源量為26.260億m3和25.310億m3。且將生態(tài)盈余狀況與年平均降雨量年度變化比較發(fā)現(xiàn)，兩者存在相同的變化趨勢。

(3) 萬元GDP水資源生態(tài)足跡分析。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可以繪制六盤水市2008～2015年萬元GDP水資源生態(tài)足跡變曲線圖，如圖7所示。

圖7 六盤水市2008～2015年萬元GDP水資源生態(tài)足跡變化情況Fig.7 Variations in water resources ecological footprint per 1000 Yuan GDP from 2008 to 2015 in Liupanshui City

從圖7可以得出：萬元GDP水資源生態(tài)足跡從2008～2010年緩慢上升后，隨后一直呈現(xiàn)為下降的趨勢，并趨于平穩(wěn)，而且總體處于較低的水平，表明六盤水市的水資源可持續(xù)利用的空間還很大。

5 結(jié) 論

本文運(yùn)用生態(tài)足跡的方法，建立了典型喀斯特地區(qū)——六盤水市的生態(tài)足跡模型，計(jì)算了2008～2015年六盤水市的水資源生態(tài)足跡、水資源承載力和水資源生態(tài)壓力指數(shù)等動(dòng)態(tài)指標(biāo)。結(jié)合該市人口、經(jīng)濟(jì)以及水資源利用現(xiàn)狀，可以得出以下結(jié)論。

(1) 2008～2015年間，六盤水市人均水資源賬戶呈現(xiàn)盈余狀態(tài)，水資源供給大于需求，總體上處于安全狀態(tài)，屬于可持續(xù)范圍。

(2) 應(yīng)當(dāng)注意的是，六盤水市水資源生態(tài)足跡3個(gè)賬戶中，生態(tài)用水的生態(tài)足跡最少且處于較低水平，這對于生態(tài)環(huán)境的改善是不利的；同時(shí)，水資源承載力的年際變化幅度較大，可持續(xù)性處于較不穩(wěn)定的狀態(tài)。

(3) 另外,萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，說明最近幾年水資源利用效率得到了顯著提升，但生態(tài)足跡總體上還處在較低的水平，可改善的空間還很大。

(4) 研究還發(fā)現(xiàn)，年平均降雨量對人均水資源承載力和生態(tài)盈余的影響是積極的，然而，對水資源壓力指數(shù)的影響是消極的。

基于以上結(jié)論，為了保證六盤水市水資源可以得到可持續(xù)利用，提出以下建議。

(1) 應(yīng)嚴(yán)格控制用水總量，確保年際間用水量的穩(wěn)定。

(2) 加強(qiáng)生態(tài)用水方面基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，努力提高生態(tài)用水生態(tài)足跡水平。

(3) 在工農(nóng)業(yè)方面積極發(fā)展高效節(jié)水技術(shù)，提高節(jié)水效率，加強(qiáng)節(jié)水意識(shí)。

(4) 結(jié)合該區(qū)水資源分配情況進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用。

本文所得出的結(jié)論可以為巖溶地區(qū)的水資源可持續(xù)性研究提供一定的依據(jù)和參考。

總體而言，生態(tài)足跡方法是研究生態(tài)可持續(xù)發(fā)展可靠、有效的方法，水資源生態(tài)足跡模型與生態(tài)承載力模型可將評價(jià)區(qū)域水資源的可持續(xù)利用狀態(tài)具體量化出來。但是，水資源賬戶的選擇至關(guān)重要，要根據(jù)區(qū)域的實(shí)際情況和研究目的來進(jìn)行選擇，本研究中考慮了生活、生產(chǎn)、生態(tài)3個(gè)用水賬戶，未來研究者可以根據(jù)不同的研究目的來確定水資源賬戶，使研究成果能全面、科學(xué)地反映地區(qū)水資源可持續(xù)利用的狀況。