廣州市水資源生態足跡與生態承載力的時空分析

趙子惜

(廣東省水文局廣州水文分局，廣東 廣州 510150)

水是人類賴以生存和發展不可缺少的重要物質資源。水資源作為一項基礎性的自然資源，對人們的生產生活具有重要的影響[1]。但中國高速發展的經濟導致水資源需求量和消耗量逐漸增加，水資源短缺和污染問題日益突出[2]。因此合理開發、利用水資源才能保證人類社會、經濟和生存環境可持續發展。而水資源生態足跡和水資源生態承載力是評價水資源可持續利用的關鍵，也是評價社會經濟環境可持續發展的有效指標之一[3]。

1992年，生態經濟學家William E.Rees提出生態足跡的概念，之后他與Wackemagel M不斷完善，提出生態足跡計算模型[4]。該方法可用來衡量區域的可持續發展[5-7]。但Wackemagel的模型中對水域賬戶的計算過程中僅包含了水域的生物生產[8-9]。作為補充，黃林楠等[10]將水資源用地作為第七類土地類型，納入生態足跡計算，并建立水資源生態足跡的計算模型。通過此模型，研究者便可得出區域內的水資源生態赤字(盈余)、水資源生態壓力指數、萬元GDP數字元生態足跡等指標，從而評價其水資源可持續利用能力。

基于水資源生態足跡模型的研究，許多學者亦可從不同空間區劃分析研究區域內的水資源可持續利用狀況。路瑞[11]、王秀穎[12]、賈焰[13]、張軍等[14]從流域出發，分析了黃河、渾河、石羊河、疏勒河流域的水資源承載力和水資源生態足跡。金昌盛[15]、崔東亮等[16]從城市群出發，分別評價了長江經濟帶、粵港澳大灣區水資源利用效率。從全國層面來看，譚秀娟等[17]通過構建計算模型分析中國1949—2007年水資源的可持續利用狀況，表明中國人均水資源生態承載力呈下降趨勢，水資源處于一種不安全狀態。從行政區劃的角度，常龍芳等[18]分析了近十年云南省水資源生態足跡和生態承載力，結果表明：水資源生態足跡變化不明顯，水資源生態承載力差異較大，昆明、大理、曲靖、紅河州水資源生態足跡較大，迪慶州、麗江、怒江較小。以上的國內研究，都從側面證明了水資源生態足跡方法對區域內水資源可持續利用時間變化和空間分布研究的普遍適用性。

近年來，針對廣州市水資源可持續利用的研究都是圍繞模糊綜合評判法[19]、系統動力學[20]、改進基尼系數法等[21]較多，而基于生態足跡法的研究較少，廣州市水資源生態足跡的空間分布鮮有研究。廣州市雖地處南方豐水區，過境客水豐富，但存在水資源時空分布不均、水資源污染嚴重、水質型缺水等問題，對其水資源可持續利用的研究至關重要。本文基于水資源生態足跡模型分析了2005—2019年期間，廣州市生態足跡和生態承載力的時間變化以及空間差異，評價廣州市的可持續發展現狀，為廣州市水資源的合理利用提供建議。

1 研究區概況

廣州地處廣東省中南部，珠江三角洲北緣，瀕臨南中國海。東連博羅、龍門兩縣，西鄰三水、南海和順德，北靠清遠，南接東莞和中山(圖1)。境內河流水系發達，全市水域面積744 km2，占全市土地面積的10.05%。集雨面積在100 km2以上的河流共22條，主要河流有北江、東江北干流及增江、流溪河、白坭河、珠江廣州河段等。全市大部分地表徑流通過虎門、蕉門、洪奇瀝3個出海口入伶仃出南海。

圖1 廣州市地理位置

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文所采用的用水量、年降雨量、水資源總量等數據來源于廣州市2005—2019年水資源公報，所用人口數據、GDP等數據來源于相應年份的統計年鑒。相關數據見表1。

表1 廣州市2005—2019年水資源開發利用情況

2.2 研究方法

2.2.1水資源生態承載力

水資源承載能力是指某一地區水資源所能支持的生產、生活和生態持續發展的能力。水資源生態承載力模型可表示為[22-24]：

ECw=N×eCw=0.4×φ×γw×(Q/ρw)

(1)

式中 ECw——區域水資源承載力，hm2；eCw——人均水資源承載，hm2/人；N——區域人口數；Q——水資源總量；φ——區域水資源的產量因子；ρw——水資源全球平均生產能力，m3/hm2；γw——均衡因子。參考黃林楠、徐珊等[10，30]研究，φ取3.24，ρw取3.14×103m3/hm2，γw取5.19。

2.2.2水資源生態足跡計算

水資源生態足跡可以定義為：任何已知人口(某個人、一個城市、一個區域或全球)的水資源足跡是生產這些人口所消耗的所有資源所需要的水資源量[25-27]。

EFw=N×efw=γw×(W/ρw)

(2)

式中 EFw——水資源生態足跡，hm2；efw——人均生態足跡，hm2/人；W——總用水量，m3。

2.2.3水資源可持續利用評價指標

a)水資源生態赤字(盈余)。水資源生態赤字(盈余)用來衡量水資源的可持續利用程度[28]，表示為：

Ew=ECw-EFw

(3)

Ew>0，為水資源生態盈余；當Ew<0時，為水資源生態赤字。

b)水資源生態壓力指數。計算公式如下，Pw=1時，表明水資源處于供需平衡狀態，Pw值越小，水資源安全受到的威脅越小。

Pw=EFw/ECw

(4)

c)萬元GDP水資源生態足跡。萬元GDP水資源生態足跡可以反映區域內水資源的利用效率，計算公式為區域內水資源生態足跡與GDP的比值[29]。

Gw=EFw/GDP

(5)

3 廣州市水資源生態足跡

3.1 廣州市人均水資源生態足跡變化情況

表2為廣州市2005—2019年水資源生態足跡相關指標，可知2005—2019年廣州市人均水資源生態足跡呈下降趨勢，年均增長率為-5.4%。人均生活用水生態足跡、農業用水生態足跡、工業用水生態足跡均呈下降趨勢，其中人均工業用水生態足跡下降速率最大，2005—2019年人均工業用水足跡從0.921 2 hm2/人變化到0.354 hm2/人，年均增長率為-6.6%(圖2)。對比廣東省的人均水資源生態足跡計算結果，廣州市歷年人均水資源生態足跡均高于廣東省的平均水平，但差額逐年降低，說明廣州市人均水資源生態足跡逐漸達到廣東省平均水平[30]。

2014年廣州市調整行政區劃，含天河、海珠、白云、越秀、荔灣、黃埔、花都、從化、番禺、增城、南沙11個區，故水資源生態足跡分布圖僅為2015—2019年。人均水資源生態足跡較小的區域為白云、天河、海珠區，較大的區域分布在黃埔和南沙區，人均水資源生態足跡均大于2 hm2/人(圖3)。根據2019年各區用水量，可知黃埔區和南沙區工業用水量都相對較高，分別為16.28億、7.98億m3。黃埔區和南沙區作為廣州開發區，第二產業為主導產業，經濟發展快速，2019年黃埔區生產總值排名全市第二，主要以電子信息、汽車制造、化工、電力生產、食品飲料、金屬冶煉及電器機械產業為主。南沙區經濟增速高，2019年GDP增速第一，發展潛力十足，主要以汽車制造業、電氣機械和器材制造業、化學原料和化學制品制造業為主[31]。根據水資源生態足跡的定義，人均水資源生態足跡和社會發展對水資源的需求量呈正比，黃埔、南沙作為是廣州市發展的主陣地，經濟發展較高，對水資源的需求量也較高。越秀、天河、海珠、白云、荔灣區第三產業占比超過70%，主導產業有金融業、交通運輸、旅游業等服務業。這些產業對水資源的需求較少，人均水資源生態足跡也較小。

表2 廣州市2005—2019年水資源生態足跡相關指標

圖2 廣州市人均水資源生態足跡生產賬戶的變化趨勢

a)2015年

b)2016年

c)2017年

d)2018年

e)2019年

3.2 人均水資源生態承載力動態變化

由圖4可知，廣州市水資源生態承載力在2005—2019年的起伏較大，由公式可知，水資源總量的大小決定了水資源生態承載力的大小。而水資源量的變化與降水量變化呈正相關[32]。2016年水資源總量和降雨量最大，水資源生態承載力也最大，為2 256.72萬hm2。2011年廣州市年降雨量、水資源總量、水資源生態承載力、人均水資源生態承載力均為最小，人均水資源生態承載力為0.953 2 hm2/人，與徐珊等[30]的研究成果一致。

圖4 2005—2019年廣州市水資源生態承載力

廣州市中心區(荔灣區、越秀區、海珠區、天河區、白云區)河網水系復雜，故中心區不按照行政分區計算，圖5為2015—2019年廣州各區行政區人均水資源承載力。可知，2015—2019年各區的人均水資源承載力為：從化區>增城區>花都區>南沙區>黃埔區>番禺區>中心區。從化、增城水資源相對豐富，人口密度低，對水資源開發利用程度較低，故人均水資源生態承載力高于其他區。中心區經濟發展較快，人口密度大，人均水資源承載力小于其他區。

a)2015年

b)2016年

c)2017年

d)2018年

e)2019年

3.3 水資源可持續利用評價指標分析

a)水資源生態盈余分析。根據統計數據計算得出，2005—2019年廣州市水資源均處于生態盈余狀態，2016年為最大盈余，為0.847 5 hm2/人，同年水資源總量和年降雨量分別為105.35億m2、2 448.6 mm，均為最大。2011年水資源生態盈余為0.006 7 hm2/人，水資源總量為56.74億m2，年降雨量為1 423 mm，均為最小。由圖6—7可知，水資源生態盈余與水資源總量和年降雨量有明顯相關關系。而水資源生態承載力和水資源總量、降雨量呈正相關，故水資源生態盈余和水資源生態承載力變化幅度一致[33]。

圖6 水資源盈余和水資源總量的關系

圖7 水資源盈余和年降雨量的關系

b)水資源壓力指數分析。2005—2019年水資源生態壓力指數均在0～1，表明廣州市水資源處于可持續利用狀態。2007、2009、2011年水資源壓力指數接近1，2011年水資源壓力指數最大，達到0.993(圖8)。

圖8 廣州市水資源生態壓力指數變化

c)萬元GDP水資源生態足跡分析。由圖9可知，2005—2019年，廣州市萬元GDP水資源生態足跡逐年下降，由0.266 4 hm2/人下降到0.043 5 hm2/人，共下降了0.222 9 hm2/人。15年間，廣州市GDP呈增長趨勢，經濟發展快、人口密集、用水需求量大，但萬元GDP水資源生態足跡呈逐年下降，這說明一方面廣州市工業生產設備較完善、技術到位，水資源利用效率逐年提升，另一方面企業、居民的節水意識也逐漸提高[34]。

圖9 廣州市年萬元GDP水資源生態足跡變化

4 結論和建議

水資源可持續發展對廣州市社會經濟發展有重要影響，本文基于水資源生態足跡相關評價方法，分析了2005—2019年廣州市水資源生態足跡的水資源承載力的時間變化和空間分布情況，結論如下。

a)2005—2019年，廣州市人均水資源生態足跡逐年減小，人均水資源承載力同水資源總量變化一致，波動較大，水資源生態承載力大于水資源生態足跡，水資源呈盈余狀態，水資源處于可持續利用狀態，萬元GDP水資源生態足跡逐年降低，共下降了0.222 9 hm2/人。廣州市水資源賬戶總體處于安全狀態，水資源利用效率不斷提高。

b)廣州市水資源生態足跡和水資源承載力各行政區分布不均衡，黃埔區、南沙區經濟發展快速，工業用水量大，社會發展對水資源的需求量大，人均水資源生態足跡較大。白云、天河、海珠區水資源生態足跡較小。2005—2019年各區的人均水資源承載力為：從化區>增城區>花都區>南沙區>黃埔區>番禺區>中心區。

c)廣州作為珠三角地區的中心城市，水資源生態承載力和水資源生態足跡之間的關系日益緊張[30]。廣州各行政區應根據政府規劃，結合水資源實際分布與利用狀況，發揮各自的優勢，進行產業升級。作為廣州開發區的黃埔和南沙，可以引進產業結構中較高等級的高新產業，以高新技術為重點，提高用水效率；花都區作為廣州第二產業比重高于第三產業的區之一，從花都區的經濟主導產業情況看[31]，皮革、皮毛、羽毛(絨)及其制品業、紡織服飾業等高耗水的產業較多，應加大產業調整力度，逐漸較少、淘汰高耗水及衰退較快的工業，提高新技術的應用，使企業的用水效率不斷提高；中心城區應繼續發展低耗水的第三產業，提高現代服務業對經濟的貢獻率。只有充分考慮廣州市水資源的時空分布情況，進行產業升級，提高用水效率，加強水資源管理、開展非常規水利用、提高居民節水意識、治理污水、調整產業結構等工程和非工程措施，實現區域水資源可持續利用。