基于能值水生態足跡的河南省水資源可持續利用評價

李友光，袁榆梁，李卓成，郭 溪

（1.信陽市浉河中小河流治理項目建設管理局，河南 信陽 464000； 2.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450003； 3.鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

水資源是人類社會發展的源泉。 河南省作為人口大省，同時擔負著長江經濟帶、黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略。 深入分析河南省水資源存量和開發利用狀況，可為水資源開發利用與保護決策提供參考。 生態足跡［1-2］可定量反映地區某種資源消耗情況，是一種對有限資源可持續利用狀況進行有效判定的綜合評價方法。 隨著專家學者對傳統生態足跡模型研究的深入，發現其有一定缺陷與不足［3］，因此有專家學者將能值理論融合到傳統生態足跡模型中，對生態足跡模型進行改進和完善。 張芳怡等［4］采用傳統生態足跡模型和能值生態足跡模型評價了江蘇省環境可持續發展情況，結果表明能值生態足跡模型與傳統生態足跡模型相比，更貼切地區社會經濟發展的實際情況。 曾曉霞［5］將水資源賬戶納入能值生態足跡模型中提出了水資源能值生態足跡模型，該模型為完善能值生態足跡模型的賬戶體系提供了計算方法，但僅涉及淡水生態足跡。 劉珂伶等［6］在水資源能值生態足跡模型中引入區域水資源能值密度概念，優化后的模型可以反映地區水資源利用狀況，但忽略了生物質足跡對水資源生態足跡的影響。

筆者基于已有文獻，將能值理論和水生態足跡相結合，綜合考慮淡水生態足跡、水污染生態足跡和生物質足跡建立能值水生態足跡模型，將地表水化學能、地下水化學能和雨水勢能作為水生態承載力建立能值水生態承載力模型，對河南省2008—2018 年水生態足跡和水生態承載力進行測算和評價，分析河南省各地級市水生態足跡以及水生態承載力時空變化趨勢，并通過水生態盈虧和水資源壓力指數對河南省水資源利用狀況進行評價，以期為河南省水資源可持續利用的政策制定和規劃提供參考。

1 研究區概況和數據來源

河南省下轄18 個地級市，總面積16.7 萬km2，海河、長江、淮河、黃河均流經河南。 河南省多年平均水資源總量為414 億m3，人均水資源量為440 m3，約為全國人均水資源量的20%。

研究涉及的不同產業結構用水量、年降水量、地表或地下徑流量等水資源數據來自2008—2018 年《河南省水資源公報》以及同期各地級市水資源公報；廢污水排放量、水產品產量、區域面積等社會統計數據來自于2008—2018 年《河南統計年鑒》。

2 研究方法

2.1 能值理論

能值是一種包被能，是地球上現存物質在流動或貯存的能量中所囊括著另一種形式能量的數量［7］。地球內的物質能量以不同形式存在，能量之間不能直接進行簡單地加減，但能量值均可以轉換為太陽能值，能值轉換率則是其得以相互轉換的一種途徑［8］。 能值計算公式為

式中：E為能值；B為資源或物質的有效能；T為太陽能值轉換率。

2.2 能值水生態足跡模型

水生態足跡是將國家或地區為了滿足區域社會經濟可持續發展所消耗的水量轉換為具有特殊性質的生物生產性土地面積［9］。 根據河南省實際，將能值水生態足跡一級賬戶劃分為淡水生態足跡、水污染生態足跡和生物質足跡3 個二級賬戶，其中淡水生態足跡為城鄉居民生產生活所消耗的淡水資源足跡（主要包括農業、工業、生活、生態用水足跡），水污染生態足跡主要是城鄉居民生產生活所排放的廢污水足跡，生物質足跡是生產各類水產品的足跡（簡稱水產品用水足跡）。 能值水生態足跡模型為

式中：Wefw、Weff、Wefp和Wefa分別為水生態足跡、淡水生態足跡、水污染生態足跡和生物質足跡，hm2；Ci、Qi分別為第i種淡水用水量和廢污水排放量，m3；Wi為水產品產量，t；τfi為各類用水能值轉換率，農業、工業、生活、生態用水能值轉換率分別為8.8×1011、1.6×1012、2.32×1012、1.26×1012sej／m3［10］；τpi為廢污水能值轉換率，取值為4.94×1012sej／m3［11］；τai為水產品能值轉換率，取值為2×106sej／t［11］；P為區域能值密度，河南省能值密度為4.57×1015sej／hm2［12］。

2.3 能值水生態承載力模型

水生態承載力是指區域水資源生態系統在一定社會經濟發展階段提供的水資源量最大限度維持區域生態經濟系統良好發展的能力［13］。 根據河南省水資源來源情況，將地表水化學能、地下水化學能和雨水勢能作為河南省水生態承載力［14］。 此外，區域水資源總量有限，為了保證生態系統正常運行，應扣除不少于60%的水量來維持生態環境健康。

式中：Wefc為水生態承載力，hm2；Eg、Eu、Er分別為地表水化學能、地下水化學能和雨水勢能，sej；Pw為區域多年平均水資源能值密度，河南省Pw約為6.57×1014sej／hm2。

2.4 能值水生態足跡狀態評價

（1）水資源生態盈虧量。 水資源生態盈虧量用于判別區域水資源利用處于生態富余還是短缺，其主要通過比較區域水生態足跡與水生態承載力大小來確定［15］。 水資源生態盈虧量Wefd＝0，水資源供需處于平衡狀態，表明區域水生態承載力能夠滿足城鄉居民生產生活用水需求；Wefd＞0 為水資源生態赤字，表明區域水資源需求大于供給，水資源短缺現象突出；Wefd＜0 為水資源生態盈余，表明區域水資源相對充足，與區域社會經濟發展狀況相適應。 其表達式為

（2）水資源壓力指數。 水資源壓力指數可以用來判斷區域水資源開發利用程度，其值為區域水生態足跡與水生態承載力的比值［16］。 當水資源壓力指數Wepi接近于1 時，表明區域水資源供給量基本與消耗量齊平，處于水資源可持續發展的臨界狀態；當0＜Wepi＜1 時，表明區域水資源供給勉強可以支撐其消費現狀和水平；當Wepi＞1 時，表明區域水資源處于不可持續利用狀態，且Wepi值越大，區域水資源利用程度越高，此時應采取措施提高水生態承載力。 其表達式為

3 結果與分析

3.1 河南省水生態足跡和水生態承載力隨時間演變規律

（1）河南省水生態足跡變化情況。 以河南省2008—2018 年用水量、生物質產量以及廢污水排放量等相關統計數據為基礎，計算出河南省水生態足跡，見圖1。

圖1 河南省水生態足跡及構成

2008—2018 年河南省水生態足跡呈穩步上升趨勢，除2014 年外，水生態足跡表現為階梯式增長，2008—2011 年、2011—2013 年、2014—2018 年增長率分別為1.91%、2.62%、3.48%，多年平均增長率為2.67%。 2014 年河南省水生態足跡總量出現回落，其原因可能是，2013 年年底出臺了《河南省人民政府關于實行最嚴格水資源管理制度的實施意見》，水生態文明建設和節水型社會建設取得一定成效，農業和工業用水足跡明顯下降，但農業用水足跡下降的同時生活用水足跡急劇上升，導致2015 年水生態足跡總量迅速回升。

農業、工業、生活、水污染、水產品、生態用水足跡對河南省水生態足跡的貢獻不盡相同。 農業用水足跡所占比重最大為26.11%，表明河南省水資源重點投入在農業方面，農業相比于其他產業居于領導地位，但農業用水足跡在11 a 間總體呈下降趨勢，多年平均下降率為1.8%，這與河南省建設節水型社會取得成效、農業灌溉方式發生了轉變相一致。 工業用水足跡占比約為20.31%，其總體呈平穩上升而后緩慢下降的變化趨勢，2008—2012 年年均增長率為4.1%，但2012—2018年從212 萬hm2逐年減小到176 萬hm2，其原因是，河南省大型企業或工廠重視回水利用以及再生水循環使用，水資源鋪張浪費現象日趨減少。 生活用水足跡占比僅次于農業和工業，為19.85%，2008—2014 年穩定處于162 萬～177 萬hm2之間，但在2014 年后急劇上升，甚至在2018 年超越了農業用水足跡，究其原因是，河南省人口數量不斷增加，人類活動需要消耗大量地表水或地下水資源，居民生活用水量大幅增加。 水污染生態足跡從2008 年的120 萬hm2增長到2015 年的180 萬hm2，年均增長率為4.25%，2015 年后保持在175 萬hm2左右，表明河南省廢污水排放呈增加趨勢，水污染治理應高度重視。 水產品用水足跡保持穩定上升趨勢，這主要與地區人口增加相關。 河南省水生態足跡構成中所占比重最小的是生態用水足跡，占比不到3%，雖然占比較小，但從2008 年的22.8 萬hm2增長到2018 年的40.4 萬hm2，反映出河南省正在著力改善城鄉水生態環境。

（2）河南省水生態承載力隨時間變化情況。2008—2018 年河南省水生態承載力見圖2。 地表水生態承載力所占比重最大，平均占比為44.9%；其次是雨水，雨水生態承載力為156 萬～223 萬hm2，平均占比33.8%；地下水生態承載力最小，且多年變化幅度不大，多年平均值為122 萬hm2，平均占比21.3%。 河南省水生態承載力總量呈不規則變化，其變化趨勢與地表水生態承載力基本保持一致，2010 年達到最大值847 萬hm2，2013 年與2010 年相比下降了454 萬hm2，2013—2017 年水生態承載力年平均增速為17%。 總體來說，河南省水生態承載力相對較小，而且水資源以開發地表水為主，地表水的供給能力直接影響區域水生態承載力。

圖2 2008—2018 年河南省水生態承載力及構成

3.2 河南省各地市水生態足跡空間分布

（1）水生態足跡空間分布情況。 2017 年河南省18 個地級市水生態足跡空間分布見表1。 河南省水生

態足跡空間分布比較零散，宏觀上呈現南多北少、東高西低的態勢，其中鄭州市最大為140.1 萬hm2，其次是信陽市和南陽市，分別為104.9 萬、103.1 萬hm2，三門峽、濟源、鶴壁市較小，約為鄭州市的15%。 水生態足跡越大，表明地區用水消耗越大，河南省南部地級市水資源消耗量比其他地級市高得多。

河南省各地級市水生態足跡構成存在空間差異，見表1。 東區和北區農業用水足跡比重最高，分別為29.04%和32.53%，其中東區平均值約為19 萬hm2，北區新鄉市達到最大值28.0 萬hm2，從經濟發展角度可以得出，河南省東區和北區以第一產業為主；南區水生態足跡以水產品用水足跡為主，其占比約為32.41%，信陽市水產品生態足跡最高，為49.3 萬hm2，原因是南區臨近長江、淮河，水系發達，水資源相對充足，有利于漁業規模化生產；中區人口基數相對較大，產業結構多樣化，地區污染物排放量大，因此水污染生態足跡占比最高，約為26.35%，鄭州市水污染生態足跡最大，達到41.6 萬hm2，應采取措施控制污染物排放，降低水資源消耗；西區水生態足跡最小，且各類用水結構總體分布均衡。

表1 2017 年河南省各地級市水生態足跡 萬hm2

（2）水生態承載力空間分布情況。 2017 年河南省各地級市水生態承載力空間分布見圖3。 水生態承載力高值區依次為南區的信陽、南陽和駐馬店，其水生態承載力分別為189 萬、131 萬、105 萬hm2，其他地級市水生態承載力均小于49.7 萬hm2，北區鶴壁和濟源的較小，分別為4.62 萬、5.82 萬hm2，南北分布差異明顯。 究其原因可能是，南部地區降水量相比于其他地區大，多年平均降水量為892.3 mm，且南部地區水系較發達，地表水和地下水資源豐富，水資源承載力相對較大。

圖3 2017 年河南省各地級市水生態承載力分布

3.3 河南省水資源可持續利用評價

（1）時間變異。 2008—2018 年河南省水生態盈虧量和水資源壓力指數見圖4。 河南省水生態赤字總體呈“鋸齒”形波動，尤其是從2010 年的43.9 萬hm2急劇增大到2013 年的559 萬hm2，2013 年后生態赤字有所下降，2014—2018 年基本維持在372 萬～439 萬hm2之間。 河南省水資源利用一直處于生態赤字狀態，表明2008—2018 年水生態承載力從未超越水生態足跡，即使2013 年以后水資源狀況有所改善，供水矛盾依然嚴峻。 2008—2018 年水資源壓力指數始終大于1，甚至在2013 年達到2.42，說明河南省水資源正常供給量遠不能滿足地區生產生活需求，水資源安全問題凸顯，水資源供給能力不足將會限制或阻礙地區社會經濟健康發展。

圖4 2008—2018 年河南省水生態盈虧量和水資源壓力指數

（2）空間差異。 2017 年河南省各地級市水資源生態盈虧情況見表2，總體來看，南方地區水資源生態盈余，北方地區水資源生態赤字嚴重。 鄭州市水資源生態赤字最嚴重，高達125.40 萬hm2，水資源處于不可持續狀態。 鄭州市作為河南省中心城市，人口基數大，城市化和工業化水平高，城鄉居民生產生活消費水資源量大。 南區南陽、信陽、駐馬店以及西區三門峽為水資源生態盈余，原因是，其分別與三門峽、小浪底和丹江口水庫等大型水利樞紐相鄰，以及南區和西區降水豐沛，人口密度相較其他地區的小。

表2 2017 年河南省各地級市水生態盈虧量和水資源壓力指數

2017 年河南省各地級市水資源壓力指數分布見表2，整體呈中間高四周低的分布特征，南陽、信陽、駐馬店、三門峽水資源壓力指數均小于1，說明該區域水資源壓力相對較小，建議水資源充沛地區可以適當降低地下水開采量，合理調度水資源；除了上述地級市外，其余地級市受水資源量、人口基數、產業結構等因素影響，水資源壓力指數遠大于1，特別是濮陽和鄭州，水資源壓力指數分別為6.64、9.51，計算結果與已有研究基本一致［17］，表明河南省中東部地區水資源生態環境脆弱，僅依賴當地水資源量已不能滿足城鄉居民生產生活需求，應及時調整水資源配置，在合理開發水資源的前提下，保證河南省整體用水安全。

4 結 語

2008—2018 年河南省水生態足跡總體呈波動上升趨勢，各項子足跡的貢獻率排序依次為農業、工業、生活、水污染、水產品和生態用水足跡；河南省水生態承載力整體不足；在研究時段內河南省水生態足跡遠超水生態承載力，水資源利用處于生態赤字狀態，而且歷年水資源壓力指數均大于1，水資源供給能力不能滿足社會經濟發展需求。 空間上，2017 年河南省各地級市水生態足跡存在區域差異，農業和工業用水足跡最大的是東區和北區，而南區和西區分別以水產品、水污染足跡為主；水生態承載力高值區分布在西區和南區，南陽、信陽、駐馬店以及三門峽呈水資源生態盈余狀態，鄭州市水生態赤字最嚴重、水資源處于不可持續利用狀態。 河南省各地級市水資源消耗程度不同，除了南區以及西區三門峽水資源壓力指數小于1 外，其余地級市水資源壓力指數相對較大，水資源可持續利用受限。