鄱陽湖流域水資源生態安全狀況及承載力分析

夏 軍，刁藝璇，佘敦先，李 淼，張勇奮，丁文璐，姚成慧，5，劉 昭

(1.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； 2.海綿城市建設與水系統科學湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430072； 3.水利部發展研究中心，北京 100038； 4.江西省水利科學院，江西 南昌 330029；5.北京林業大學水土保持學院，北京 100083)

水資源作為人類生存和發展的基礎自然資源，其生態安全狀態及承載力水平決定了經濟社會未來發展的空間[1]。我國水資源存在數量短缺和分布不均等問題，同時在經濟增長、城市建設等過程中出現了水環境惡化、水質性缺水、重要濕地萎縮等新的水問題，進一步影響了水資源的生態安全和承載能力，限制了相關區域的發展[2-3]。隨著創新、協調、綠色、開放、共享五大發展理念的提出，綠色發展成為重要的發展方式，其強調堅持可持續發展，是重視人與自然和諧發展的現代化新格局。在水資源方面，維持水資源的生態安全、保障水資源可持續利用是實現人與自然和諧發展的重要環節。開展水生態承載力研究，是認識人水關系、掌握水資源可持續發展情況的前提，也是推動生態文明建設、實現地區綠色發展的基礎。

當前，對水生態承載力的概念界定尚處于完善階段，大多數研究認為，水生態承載力是指在一定階段，某一區域的水生態系統在維持自身及其所支持環境系統健康的狀況下，所能承載的最大人口數量和經濟規模[4-5]，包含自然和社會雙重屬性，是水資源、水環境和水生態承載力的結合，具有綜合性、動態性的特點[6-7]。水生態承載力的量化評價方法主要包括水生態足跡法[8-9]、系統動力學法[10]、評價指標體系法[11-12]，以及系統動力學法和評價指標體系法結合構建的集成系統進行的綜合研究[13]等。生態經濟學家Rees[14]于20世紀90年代提出生態足跡(ecological footprint，EF)的概念，即指人類發展過程中的廢物排放和資源消費所占用的生物生產性土地面積[15]。水資源生態足跡法是在生態足跡概念的基礎上發展的量化方法，因其可操作性強、能夠較為直觀地反映水生態承載力狀態及水資源開發利用情況，在國內外水資源領域應用廣泛[16-19]。

鄱陽湖是我國第一大淡水湖，鄱陽湖流域的水資源生態安全是我國東南腹地和長江中下游地區生態安全、糧食安全和用水安全的重要保障；同時，鄱陽湖自然保護區已被確認為國際重要的濕地之一，其獨特的濕地生態系統對改善當地氣候、維護地區的生態平衡起到了關鍵的作用[20]。近年來，由于人類活動的影響，鄱陽湖出現水質下降、富營養化日趨嚴重等生態問題[21]，造成了經濟社會發展和環境狀況的不平衡[22]，因此流域的生態保護及綠色發展尤為重要。目前，關于鄱陽湖流域的濕地生態[23-25]、水環境污染[26]、水資源生態安全[27]、資源環境安全[28-29]、人類活動或氣候變化對流域生態的影響[30]等研究已有豐富成果，但綜合水資源生態安全及水生態承載力方面的研究結果相對較少。鑒于當前區域社會經濟迅速發展的時代現狀，應立足于新的發展階段，系統綜合地評估鄱陽湖流域水資源生態安全狀況及水生態承載力情況。因此，本文通過綜合考慮農業、工業、生活、生態用水及水污染要素，采用生態足跡模型計算鄱陽湖流域所在地市2010—2019年水資源生態足跡及水生態承載力水平，并從水資源生態盈余、水資源生態赤字、萬元GDP水資源生態足跡及水資源生態經濟協調指數多個維度評估水資源生態壓力狀況，了解研究區水資源生態安全的現狀及發展情況，以期為鄱陽湖流域未來的水資源生態安全和區域綠色發展提供參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

鄱陽湖位于江西省北部(115°49′E～117°46′E，28°24′N～29°46′N)。從地形上看，流域東、南、西三面有山地環繞，北部地勢較為平坦，中部丘陵起伏，整體呈現為向北開口的盆地格局。贛江、撫河、修河、饒河、信江等河流自南向北流動，在九江市湖口縣石鐘山附近匯入長江，年入江流量大約占長江水量的15.6%[31]。鄱陽湖流域面積約16.22萬km2，涉及江西、安徽、浙江、福建、廣東、湖南六省。由于其絕大部分(流域總面積的96.9%)位于江西省內，且流域范圍與江西省行政區邊界大致重合，因此選擇江西省所轄地市，研究其水資源生態安全狀態及水生態承載力水平(圖1)。在氣候上，研究區四季氣溫普遍較高，年平均氣溫19.0℃(2020年)，但頻發強寒潮、倒春寒等階段性低溫事件。在全球氣候變暖的大背景下，近60年來，其年平均氣溫呈現顯著上升趨勢，平均每10年增加0.2℃。另外，研究區降水量較為充足，平均年降水量為1 896.8 mm(2020年)，但降水時空分布不均，整體表現為北多南少、秋多冬少的特點。

圖1 鄱陽湖流域范圍

1.2 數據來源

數據主要來源于《江西省統計年鑒》(2010—2019年)、GB 8978—1996《污水綜合排放標準》和中國科學院資源環境科學與數據中心網站。其中，使用的農業用水量為農田灌溉用水和林牧漁畜用水之和，生活用水量為城鎮公共用水和居民生活用水之和。

2 研究方法

2.1 思路框架

鄱陽湖流域是城鎮化和工業化快速發展的地區，在發展過程中，人類活動造成了生態壓力增大、環境污染等問題，影響了水資源和生態系統的安全，成為限制區域可持續發展的主要因素[32]。針對鄱陽湖流域經濟欠發達，人湖、人地矛盾尖銳，環境污染和生態脆弱等發展問題，立足于快速城鎮化、工業化發展，生態經濟區建設及提高地區人民生活水平的地區發展驅動需求，通過構建水資源生態足跡模型，分別考慮農業、工業、生活、生態4類用水賬戶和水污染賬戶，綜合評估水資源生態足跡(water ecological footprint，WEF)和水生態承載力(water ecological capacity，WEC)，掌握地區水資源生態安全程度。為全面掌握水資源-經濟社會-生態環境的協調發展情況，具體選取水資源生態赤字(water ecological deficit，WED)和水資源生態盈余(water ecological surplus，WES)反映水資源消耗水平，以萬元GDP水資源生態足跡(water ecological footprint of GDP，WEFG)刻畫水資源的開發潛力和利用效率，并以生態經濟協調指數(eco-economic coordination index，EECI)分析地區經濟社會和生態環境發展的協調水平(圖2)。

2.2 計算方法

2.2.1水資源生態足跡

水資源生態足跡是區域消耗的水資源量轉化為用地面積，包括區域用水及水污染產生的水資源生態足跡兩部分。計算公式[33]如下：

WEF=WEFR+WEFQ

(1)

其中

WEFQ=γmax(WEFCOD，WEFNH3)=
γmax (LCOD/ρCOD，LNH3/ρNH3)×100/P

式中：WEF為水資源生態足跡，萬hm2；WEFR為區域用水產生的水資源生態足跡，萬hm2；WEFQ為水污染產生的水資源生態足跡，包括排放的生活污水中COD和氨氮所產生的污染足跡，萬hm2；WWEFRi為第i類用水賬戶的水資源生態足跡，包括4類用水，i=1，2，3，4分別代表農業、工業、生活、生態用水賬戶，萬hm2；N為人口數，萬人；wEFRi為第i類用水賬戶人均水資源生態足跡，hm2；qi為第i類用水的人均用水量，m3；γ為水資源全球均衡因子，根據已有研究取值5.19；P為水資源全球平均產量，取值3 140 m3/hm2[34]；WEFCOD、WEFNH3分別為排放的生活污水中COD和氨氮所產生的污染足跡，萬hm2；LCOD、LNH3分別為區域內生活污水中COD和氨氮排放量，t；ρCOD和ρNH3分別為國內單位面積水域COD和氨氮的排放達標質量濃度，根據GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的二級排放標準，ρCOD和ρNH3分別取120 mg/L、25 mg/L[35]。

圖2 鄱陽湖流域水資源生態足跡模型及多維評估框架

2.2.2水生態承載力

基于水資源生態足跡模型的水生態承載力被定義為：在一定歷史階段，特定區域內的水資源最大供給量對該區域資源、環境和社會提供的可持續發展能力[36]。計算公式[37]如下：

WEC=NwEC=Nφγ(q/P)(1-α)

(2)

式中：WEC為區域水生態承載力，萬hm2；wEC為人均水生態承載力，hm2；φ為水資源產量因子，取值3.07[36]；q為區域人均水資源量，m3。由于在地區發展中，對水資源的開發利用若超過總量的30%～40%，會產生生態環境的潛在影響，因此在水生態承載力中需保留用于維持地區生態環境狀況的水資源，即在水生態承載力計算公式中加上系數1-α，其中α取值0.6[33]。

2.2.3水資源生態赤字和水資源生態盈余

具體而言，教師可以組織幼兒展開標本制作活動。在這個活動中，幼兒們可以根據自己的喜好在農村的自然環境中收集植物乃至昆蟲的樣本，然后在父母或教師的指導下對這些樣本進行認真的整理，制作成栩栩如生而非雜亂無章的標本，最后呈現在班級自然角中。其中，昆蟲標本的制作很有難度，保存也不容易，教師適宜取昆蟲身上的一部分展開活動，比如，教幼兒小心截取和整理螞蚱的對足、雙翅，等等。此外，教師還可以開辟一小塊沙盤，教幼兒玩沙畫、寫沙字等。奇石收集活動也可以成為幼兒動手能力教育的一個部分，它們都將有利于幼兒收集整理能力的培養。

使用水資源生態赤字和水資源生態盈余指標對水資源是否可持續利用進行量化。將地區產生的水資源生態足跡與水生態承載力進行比較，若水資源生態足跡大于水生態承載力，說明發展所需消耗的水資源超出地區水生態承載能力，產生了水資源生態赤字；反之則說明消耗量小于承載量，水資源處于生態盈余狀態。

WER=WEF-WEC

(3)

式中：WER為水資源生態平衡指數，萬hm2。當WER>0時，表示產生了水資源生態赤字，用WED表示；當WER<0時，表示產生了水資源生態盈余，用WES表示；當WER=0時，表示水資源生態平衡處于臨界點。

2.2.4水資源開發利用效率

利用萬元GDP水資源生態足跡(WEFG)對水資源開發利用效率進行量化。計算公式[38]如下：

WEFG=WEF/QGDP

(4)

式中：WEFG為萬元GDP水資源生態足跡，hm2/元；QGDP為國內生產總值，萬元。

2.2.5水資源生態經濟協調程度

使用生態經濟協調指數來反映經濟社會和生態環境之間的協調程度，計算公式[39]如下：

(5)

式中：EECI為生態經濟協調指數，取值范圍為[1，1.414]。當EECI=1.414時，生態經濟協調性較好，生態安全得到保障，水資源生態實現供求平衡；當EECI取值越接近1，經濟社會發展越不可持續，生態安全性越低。

3 結果與分析

3.1 水資源生態壓力狀況分析

3.1.1水資源生態足跡

2019年，區域用水量產生的水資源生態足跡占總量的87%，水污染產生的水資源生態足跡占總量的13%。在用水方面，農業、工業、生活、生態4類用水賬戶產生的水資源生態足跡中，農業類占比56%，工業和生活類分別占比20%和10%，生態類僅占1%左右，因此農業是江西省水資源生態足跡產生的主要貢獻類型(圖3)。

圖3 江西省各類型用水賬戶的2010—2019年水資源生態足跡

具體到各市，江西省宜春市是產生水資源生態足跡最多的地區，其次是贛州市、南昌市、上饒市和吉安市。農業用水賬戶水資源生態足跡主要產生地區為宜春市、上饒市、贛州市和吉安市；工業用水賬戶水資源生態足跡主要產生地區為宜春市、南昌市和九江市；生活用水賬戶水資源生態足跡主要產生地區為贛州市、南昌市、上饒市和宜春市；生態用水賬戶水資源生態足跡主要產生地區為南昌市和贛州市；水污染賬戶水資源生態足跡主要產生地區為贛州市和上饒市(表1)。

表1 江西省2019年水資源生態足跡組成情況

3.1.2水生態承載力

由表2可以看出，2019年江西省水生態承載力較高的地區是贛州市、吉安市、上饒市、撫州市和宜春市，水生態承載力達4 500萬hm2以上，其余地市在800萬～2 500萬hm2之間。在人均水生態承載力方面，撫州、吉安、贛州、鷹潭、上饒等市較高，為9萬～15萬hm2，南昌市較低，低于5萬hm2。可以看出，贛州、吉安、撫州這些地區水資源量相對豐富，且植被覆蓋率較高，其水生態承載力的總量和人均值均位居前列，是水生態承載力狀況最好的地區；鷹潭市和新余市水生態承載力總量最低，但人均值較高，水生態承載力狀況也較好。近10年來，江西省大部分地區水生態承載力降低，如上饒、撫州、宜春、九江等市，其水資源總量下降。

表2 江西省各市2010年和2019年水生態承載力情況

3.1.3水資源生態赤字和水資源生態盈余

整體看來，江西省水生態承載力大于水資源生態足跡，均表現為生態盈余狀態，水資源稟賦較好，未出現過分透支水資源的情況。由圖4可知，江西省贛州市、吉安市、上饒市、撫州市是水資源生態盈余較多的地區，水資源生態現狀對地區發展有較好的支持能力，未來水資源可開發利用水平較高。

圖4 江西省各市2010—2019年水資源生態盈余

3.1.4水資源生態足跡影響因素分析

近10年來，江西省農業用水賬戶產生的水資源生態足跡略有上升，相比2010年增加了131.57萬hm2；工業用水賬戶產生的水資源生態足跡整體表現平穩，變動幅度不大；生活用水賬戶產生的水資源生態足跡2010—2019年持續上升，相比2010年增加了84.30萬hm2；生態用水賬戶產生的水資源生態足跡略有下降；水污染賬戶產生的水資源生態足跡略有上升，相比2010年增加了218.78萬hm2，在地區水資源生態足跡中的占比從2010年的10%上升為2019年的13%。因此應關注江西省農業類用水及水污染所產生的水資源生態足跡數量。

通過各因素生態足跡占水資源生態足跡比值的變化量來分析影響水資源生態足跡變化的主要因素[40](表3)。由表3可以看出，水污染賬戶產生的水資源生態足跡變化對水資源生態足跡有較普遍的促進作用，除了萍鄉市外，其余地市水污染賬戶產生的水資源生態足跡的貢獻值均為正值。景德鎮市水污染賬戶產生的水資源生態足跡占水資源生態足跡總量的比值由15%上升到23%，是導致其水資源生態足跡上升的主要原因，因此景德鎮市應持續加強水環境治理設施建設，以綠色發展為目標，改善水體環境，促進生活方式的轉變，減少入河污染[41]。吉安市水污染賬戶水資源生態足跡占水資源生態足跡總量的比值由7%上升到12%，上饒市由10%上升到17%，這些地區城鎮生活污水所帶來的水污染同樣需要被重點關注。

表3 江西省各地市水資源生態足跡影響因素分析

在用水所產生的水資源生態足跡中，生態用水賬戶和生活用水賬戶產生的水資源生態足跡比例普遍為正值，但數值較小，說明其變化在水資源生態足跡總量的增加中作用不明顯。工業用水賬戶和農業用水賬戶產生的水資源生態足跡比例變化較為明顯，如作為江西省的新興工業城市，新余市、景德鎮市近年來積極發展新能源和進行產業轉型，因此工業用水賬戶所產生的水資源生態足跡占水資源生態足跡總量的比例明顯降低。而南昌市和撫州市WEFR2增加較為明顯，說明其工業用水量和用水效率有進一步控制的空間。由于工業發展是南昌市發展規劃中的重要部分，其將進一步做強工業實力，構建新工業發展格局，因此在地區未來發展過程中，應注重工業用水量的管控，并提高工業廢水循環利用水平，以控制水資源生態足跡總量。在農業方面，新余市和景德鎮市農業用水賬戶產生的水資源生態足跡占比明顯增加，新余市應建立健全農業水價形成機制，在農業產業化過程中注重提高農業用水利用效率；景德鎮市應改變農業粗放式用水情況，聚焦農業節水減排改革目標，通過農業水價改革和完善農業用水管理等措施，實現農業用水統籌控制及用水效率有效提高。

3.2 水資源開發利用效率分析

利用萬元GDP水資源生態足跡表示區域內經濟發展中水資源開發利用效率，其值越大，說明單位經濟產出產生的水資源生態足跡越多，水資源利用效率越差。由圖5(a)可以看出，江西省各地市萬元GDP水資源生態足跡逐年降低。特別是吉安市、九江市、宜春市，其萬元GDP水資源生態足跡與2010年相比下降超過60%，水資源利用效率明顯提升。整體來看，在研究時段內江西省經濟運行平穩，新動能增長加快，2019年1—9月，全省規模以上工業增加值增長8.7%，高于全國平均3.1%。同時，經濟社會發展中能源結構有所改善，工業用水重復利用率提高，最嚴格水資源管理制度得到了有效實施[42]。

(a) 萬元GDP水資源生態足跡

(b) 生態經濟協調指數

在2019年，江西省萬元GDP水資源生態足跡最低的地區是南昌市，吉安市、宜春市、撫州市相對較高。

3.3 水資源生態經濟協調分析

生態經濟協調指數反映了區域水資源和生態經濟的協調性。2019年，南昌市生態經濟協調指數值為1.30，是水資源生態經濟協調性最佳地區；贛州市、撫州市、吉安市、上饒市生態經濟協調指數較低，均低于1.0，水資源的生態經濟協調性相對較差。同時，研究時段始末生態經濟協調指數值的變化反映出萍鄉、吉安兩市水資源的生態經濟協調性降低，需要重視這些地區水資源的生態安全狀態，提高水資源的生態經濟協調水平(圖5(b))。

4 結 論

a.對于水資源生態足跡，農業用水賬戶是產生水資源生態足跡的主要類型；宜春市是江西省產生水資源生態足跡最多的地區。

b.對于水生態承載力，贛州市、吉安市、上饒市和宜春市水生態承載力較高；江西省水生態承載力大于水資源生態足跡，均表現為生態盈余狀態，水資源稟賦較好，未出現過分透支水資源的情況。但研究時段內，江西省大部分地區水生態承載力降低，如上饒、撫州、宜春、九江等市，其水資源總量下降。

c.近10年來，江西省農業和水污染產生的水資源生態足跡略有上升，應關注省內各市農業類型用水產生的水資源生態足跡數量，同時重點關注景德鎮市、吉安市和上饒市水資源污染問題，持續加強水環境治理設施建設，改善水體環境，促進生活方式轉變，減少入河污染。

d.研究時段內，各地市水污染產生的水資源生態足跡均逐年降低，江西省的能源結構改善、工業用水重復率提高等措施使得水資源開發利用效率有明顯提升；對于水資源的生態經濟協調性，南昌市最佳，贛州市、撫州市、吉安市和上饒市較低，同時在研究時段始末，萍鄉市和吉安市生態經濟協調性下降。