珠三角區域水資源生態足跡動態分析與預測

牛亞朝 羅柱 王強 付志君 徐承毅

摘 要：水資源的短缺和過度開發制約著大多數地區的可持續發展，為分析水資源可持續利用水平，基于水資源生態足跡法，通過指標計算法（水資源生態經濟協調度、水資源可持續利用水平、人均萬元 GDP 水資源生態足跡）動態分析了2010—2022年珠三角區域各地市水資源可持續利用情況，同時構建 GM（1，1）灰色預測模型模擬未來10 a該區域人均水資源生態足跡的演變情況，結果表明：從整體趨勢來看，2010—2022年各地市人均水資源生態足跡都有所下降，其中下降趨勢最明顯的為中山市，下降幅度達到了47.01%；從時間變化上看，珠三角區域各地市的水資源承載力出現較大的差異而呈波動變化；肇慶市的水資源經濟協調度較差；佛山市的水資源壓力較大，處于不可持續水平；各地市的人均萬元水資源生態足跡值都隨年份呈下降趨勢，未來10 a 該區域人均水資源生態足跡呈穩定下降趨勢。研究成果可為未來該地區水資源可持續利用和緩解生態環境壓力提供決策依據。

關鍵詞：水資源生態足跡；水資源承載力；灰色預測模型；珠三角區域

中圖分類號：TV213.4 文獻標識碼：B 文章編號：1001-9235（2024）05-0034-12

Dynamic Analysis and Prediction of Ecological Footprint of Water Resources in the Pearl River Delta Region

NIU Yachao1， LUO Zhu1，2， WANG Qiang3， FU Zhijun1，2， XU Chengyi1

（1. Guangdong Building Research Yuansheng Engineering Testing Co.， Ltd.， Dongguan 523710， China;2. Guangdong Provincial Academy Building Research Group Co.， Ltd， Guangzhou 510500， China;3. Pearl River Water Resources Research Institute， PearlRiver Water Conservancy Commission， Guangzhou 510611， China）

Abstract： The scarcity and overuse of water resources restrict the sustainable development of many regions. To assess water resources sustainability， this paper conducted a dynamic analysis of water resources sustainability in various cities in the Pearl River Delta region from 2010 to 2022 by using the ecological footprint method of water resources and indicator calculation （economic and ecological coordination of water resources， water resources sustainability， and ecological footprint of water resources per capita at a gross domestic product （GDP） of 10，000 yuan）. Additionally， the paper constructed a GM （1，1） gray prediction model to project the future evolution of the ecological footprint of water resources per capita in the region over the next ten years. The findings indicate that the ecological footprint of water resources per capita has decreased in all cities between 2010 and 2022， and Zhongshan City has the most obvious decreasing trend， with a decrease rate of 47.01%. In terms of temporal changes， the carrying capacity of water resources in different cities in the Pearl River Delta region exhibits significant differences and fluctuations. The economic coordination of water resources in Zhaoqing City is poor. The pressure of water resources in Foshan City is great and unsustainable. The ecological footprint of water resources per capita at a GDP of 10，000 yuan shows a decreasing trend over the years， and the ecological footprint of water resources per capita in this region exhibits a stable decreasing trend over the next decade. These research findings can provide decision-making insights for water resources sustainability and mitigation of ecological pressure in this region in the future.

Keywords： ecological footprint of water resources; carrying capacity of water resources; grey prediction model; Pearl River Delta region

快速的城市化增加了人類社會對水資源及其相關生態系統服務的需求，水資源短缺日益成為城市未來發展的最大瓶頸，如何協調社會經濟與水資源的可持續性就顯得尤為重要。為了實現水資源的可持續利用，滿足區域用水需求，常用的方法有層次分析法、數據包網絡分析法、水資源綜合評價法等。而生態足跡的概念最早由 Rees提出，用于估算人類自然資源消耗和吸收人類產生的廢物所需的生態生產空間面積的大小，隨后該理論又得到進一步的延伸，在基于承載力的概念上，進一步揭示了生態承載力與自然資源消耗之間的關系［1］。一些研究人員受到生態足跡概念的啟發，通過將其應用到水資源分析中，從而提出水資源生態足跡法，并將其定義為生產該國居民消費的商品和服務所需的水量［2］。

水資源生態足跡法則可通過綜合賬戶，來分析人類生態需求和生態承載力之間的關系，同時監測人類社會的發展對自然資源的消耗，目前該方法已在國內外得到廣泛的應用。楊婷婷［3］基于水資源生態足跡法對沿海11省市的水資源可持續利用性進行了分析。鐘妮棲等［4］對黃河流域城市群水資源利用與經濟發展脫鉤關系進行了深入探討。秦歡歡［5］分析了4種模式下華北平原的水資源生態足跡與生態承載力，并選擇 SD 法對未來30年的水資源生態足跡和生態承載力進行了預測分析。洪競科等［6］則基于套索算法和灰色預測模型預測了浙江省未來十年的碳排放量。朱雪穎等［7］構建了 GM（1，1）模型預測了塔里木河流域2021—2030年的人均水資源生態盈虧。MA 等［8］結合關聯規則算法和 GM（1，1）分析預測了中國東部、中部和西部地區的碳排放。不難發現，近年來灰色預測模型在數據預測方面得到了廣泛的應用，而 GM（1，1）模型是灰色預測模型中應用最為廣泛的一個基本模型，由于 GM（1，1）模型構建相對較為簡單，且對樣本數據的時間長度無特殊要求，同時其預測精度相對較高，因此本文使用 GM（1，1）灰色預測模型對珠三角區域2023—2032年的水資源生態足跡進行預測。

先前的研究基本通過水資源生態足跡的盈虧來評價水資源的可持續利用情況，不能全面綜合地反映出其經濟社會發展對水資源利用的關系，本研究則采用多個指標計算法，通過水資源生態經濟協調度、水資源可持續利用水平、人均萬元 GDP（國民生產總值）水資源生態足跡3個指標，動態分析了珠三角區域各地市2010—2022年的水資源利用情況，同時通過構建 GM（1，1）灰色預測模型預測了2023—2032年珠三角區域人均水資源生態足跡的演變情況，研究結果旨在期望為珠三角區域水資源的開發利用和科學管理提供一定的理論支撐。

1材料與方法

1.1研究區概況

珠三角地區（圖1）位于廣東省內，由廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門和肇慶9個地級市組成，是中國重要的經濟中心區域，研究區總面積54766 km2。研究區內水系發達，水資源充沛，2022年珠三角區域年降水量達2100.5 mm，地表和地下水資源豐富，水資源總量達332.1億 m3，由于珠三角地區經濟總量較大，2022年該地區用水總量217.8億 m3，占廣東全省用水總量的54.2%。

1.2數據來源

本文所用的生產用水量、生活用水量、生態用水量、用水總量、人均萬元 GDP、水資源總量、人均消耗水量和年末常住人口等數據均來自廣東省2010—2022年《廣東統計年鑒》和《廣東省水資源公報》。

1.3研究方法

1.3.1水資源生態足跡

水資源生態足跡是指將一個地區消耗的水資源量轉化為相應的土地面積，并將其均衡化，以獲得不同地區間可比的均衡值，通過該值的大小可較為準確的量化該區域水資源的可持續利用情況。在本文中將總水資源消耗分為生產用水、生活用水、生態用水，同時將總水資源生態足跡賬戶劃分為生產用水、生活用水和生態環境用水3個二級賬戶，其計算方法見式（1）—（4）：

式中 EFC、EFH、EFT、EFZ——生產用水、生活用水、生態環境用水和總水資源的生態足跡，hm2； N——年末常住人口，人；efC、efH、efT——各二級賬戶人均水資源生態足跡，hm2/人； efrj ——總人均水資源生態足跡，hm2/人；γ——水資源全球平衡因子，根據文獻［9］本文取γ=5.19；WC、WH、WT——當年各二級賬戶水資源消耗量，m3；Wrj——當年該地區人均水資源消耗量，m3/人；P——水資源全球平均生產能力，在本文中取3140 m3/hm2［10］。

1.3.2水資源承載力

水資源承載力可以量化一個地區在一定歷史發展時期內水資源對資源、環境、社會可持續發展的最大支撐能力。但有學者認為，如果一個地區的水資源過度開發，超過當地水資源量的30%～40%，可能會造成環境惡化現象［11］。所以通常需要扣除60%的水量來維持水生生態系統的健康［12］，見式（5）：

式中 EC——當地的水資源承載力，hm2；ec——人均水資源承載力，hm2/人；Q——當地的水資源總量；φ——區域的水資源產量因子，代表了不同地區的水資源供給能力，其計算見式（6）：

φ=?????? （6）

式中 PW——區域單位面積的產水量，m3/hm2。

在本文中根據《廣東省水資源公報》提供的產水模數的定義，采取產水模數代表區域代為面積的產水量，根據各地市提供的每年的產水模數，計算得到各地市2010—2022年的水資源產量因子見表1。

1.3.3水資源生態赤字/盈余

區域的水資源生態足跡與水資源承載力之差來反映地區的水資源生態赤子/盈余，見式（7）：

es = ef - ec????? （7）

式中 es——水資源生態赤字/盈余，es<0表示該地區水資源較為充足，可滿足當地的用水需求，es>0表示該地區水資源出現短缺，不能滿足當地用水需求。

1.3.4指標計算方法

a）水資源生態經濟協調度。采用生態經濟協調度可較好地反映出水資源與經濟社會發展之間的關系，見式（8）：

ECI =ef + ec（8）

式中 ECI——水資源生態經濟協調度。

ECI 的取值為1.000～1.414，主要衡量珠三角區域各地市水資源生態經濟的協調性以及水資源整體利用效率［13］。

b）水資源可持續利用水平。采取水資源生態足跡與水資源承載力的比值來量化區域的水資源可持續利用水平，其值越大，表示當地的水資源壓力越大，其可持續利用水平就越低，見式（9）：

efS =

式中 efS——水資源的可持續利用指數。

當01時，表示需求大于供給，其水資源處于不可持續的狀態［14］（表2）。

其中，非?？沙掷m是指水資源消耗量不超過水資源供應量，且消耗量不會導致水資源枯竭。完全不可持續是指水資源的消耗量超過了供應量，同時還威脅到區域生態環境質量和生物多樣性。

c）人均萬元 GDP 水資源生態足跡。采用人均水資源生態足跡與人均萬元 GDP之間的比值，可反映出區域的發展與水資源利用程度之間的關系，其值越小，代表該區域的水資源利用效率越好［7］，見式（10）：

efGDP =人均萬元（ ef）GDP??? （ 10）

式中 ef ——人均水資源生態足跡，hm2/人； efGDP ——人均萬元 GDP 水資源生態足跡， hm2/人·萬元。

1.3.5灰色預測模型

灰色系統理論最早由鄧九龍教授在1982年提出，灰色預測模型在灰色系統理論中發揮著重要的作用，該模型可針對不完整信息或小樣本數據進行預測，現已廣泛應用于農產品、環境問題、交通流量和能源經濟等方面的預測中［15］。其中對單調趨勢明顯的序列，GM（1，1）模型對信息的模擬準確度較高，具有良好的實用性和適用性［16］。其計算方法如下。

原始數據序列見式（11）：

其離散形式及預測序列見式（16）、（17）：

同時，構造矩陣 B 和向量 U，（17）見式（18）—（20）：

數據的預測誤差見式（21）：

小誤差概率p 見式（22）：

方差比 C 見式（23）：

其中 C 值越小表明模型的預測值與實際值較為吻合，而 P 值則代表殘差與殘差平均值之差小于給定值0.6745的點數，其值越大則表明數據分布較為均勻，因此通常將兩者結合作為模型精度劃分的依據，具體的模型精度分級見表3。

2結果與分析

2.1人均水資源生態足跡動態分析

2010—2022年各地市人均生產用水、人均生活用水、人均生態用水和人均總水資源生態足跡的變化趨勢見圖2，可以看出三類二級水資源賬戶中，人均生產用水在各地市中所占的比例最大，人均生活用水次之，占比最小的為人均生態用水。其中人均生產用水足跡最多的為江門市，在2010—2011年達到了1.00 hm2/人以上，最少的城市為深圳市，在2022年僅為0.11 hm2/人。同樣，從2010—2022年的13年的平均值來看，人均生產用水足跡最高和最低的城市為江門市和深圳市，分別為0.89、0.14 hm2/人；2010—2022年中，人均生活用水最高的城市為2014年的珠海市，人均生活用水達到0.14 hm2/人，最少的為2016年的中山市，人均生活用水量僅為0.073 hm2/人，從位帥等［17］的研究中發現，這是由于2016年是中山市實行最嚴格水資源管理制度第2個考核期的第1年，該年對節水型社會建設工作要求更加嚴格，可能導致其人均生活用水量最低。整體來看，2010—2022年人均生活用水足跡最高和最低的城市為珠海市和惠州市，分別為0.125、0.087 hm2/人；人均生態用水量在所有珠三角城市中普遍都在0.02 hm2/人以下。

圖2可以看出，珠三角各地市2010—2022年人均水資源生態足跡的變化趨勢一致，只有廣州和惠州2個城市在2010—2019年呈現出下降趨勢，其他城市在2010—2019年都呈現出先下降后升高再下降的趨勢，但在2020年之后廣州、深圳、東莞、江門和惠州的人均水資源生態足跡呈現出一定的升高趨勢，中山市在2010—2022年人均水資源生態足跡變化最大，由2010年的1.02 hm2/人下降到2022年間的0.54 hm2/人，下降幅度達到了47.01%，可見在2011年開展節水工作后，節水載體建設逐漸強化，節水宣傳日漸得到重視，促使其人均水資源生態足跡不斷下降［17］，肇慶市13 a 間變化幅度最小，但其人均水資源生態足跡始終維持在0.65～0.85 hm2/人。但從整體趨勢來看，2010—2022年各地市人均水資源生態足跡都有所下降，且下降幅度都在20%以上，張義敏等［18］的研究表明，在2011年之后全省的用水效率得到有效提高，同時隨著珠三角區域人口不斷增長，用水工藝升級等因素，可能導致人均水資源生態足跡有所下降。

2.2人均水資源生態承載力及生態盈虧動態分析

珠三角區域各地市年均人均水資源承載力的大小為江門>肇慶>惠州>珠海>中山>廣州>佛山>東莞>深圳（圖3），江門和肇慶的人均水資源承載力明顯高于其他各市，其中江門市的年均人均水資源承載力是深圳市的20倍，這與陶倩君等［19］的研究結果較為相似，究其原因，可能是由于江門和肇慶市降水量較大，且地下水資源豐富，山區植被覆蓋量高，人口較少，導致兩市水資源承載力較大。從時間變化上看，珠三角區域各地市的水資源承載力出現較大的差異而呈波動變化，最高的為2018年江門的12.21 hm2/人，最低的為2011年的深圳市僅為0.23hm2/人，有研究表明，生態承載力的波動變化可能與該區域受降水豐枯年交替變化有關［10］。

由珠三角區域各地市人均水資源生態赤字/盈余（圖4）可知，在2010—2022年人均水資源生態足跡發生明顯動態變化的城市主要集中在廣州、深圳、中山、佛山、東莞5個城市，由于這幾個城市工業化程度較高，且經濟發展較為迅速，隨著人口的增長，水資源開發強度提高，使得人均水資源生態盈虧發生較大的變化。在2016、2018、2019、2022年各地市均表現為生態盈余，其余年份均有城市出現生態赤字現象，2011年珠三角區域生態赤字的范圍最廣，其中中山市的生態赤字已達到-0.53 hm2/人，隨后出現生態赤字的范圍得到逐步減小，表明隨著2011年最嚴格水資源管理制度的實施，用水效率得到有效提升，可見水資源的生態盈余不僅僅受自然條件的影響，還可能與地區的水資源消耗有關；在2010—2022年佛山市的人均水資源生態足跡長時間處于赤字狀態，雖有盈余出現但其盈余值仍然較小，江門、肇慶、珠海、惠州4個城市均呈現較為穩定的生態盈余現象，其中江門和肇慶的生態盈余一直維持在較高的水準，江門市在2018年的生態盈余已達到11.21 hm2/人，為同時期東莞市人均水資源生態盈余值的133倍，因此有必要加強水資源管理，提高用水效率。

2.3水資源評價指標分析

圖5為各地市水資源生態經濟協調度，可以看出佛山、東莞、深圳、廣州、中山5個城市的生態經濟協調度都較好，生態經濟協調度基本達到1.4左右，且年際水資源生態經濟協調度變化均較小，表明水資源生態實現了供求平衡。此外，珠三角區域各市年均水資源生態經濟協調度表現為：佛山（1.392）>東莞（1.383）>深圳（1.377）>廣州（1.373）=中山 （1.373）>珠海（1.172）>惠州（1.142）>江門（1.127）>肇慶（1.102），肇慶市的水資源經濟協調度較差，而肇慶市水資源生態足跡在歷年的統計數據來看一直處于盈余狀態，從而可以得出水資源生態經濟協調度的大小與水資源生態足跡的赤字/盈余并沒有太大的關聯，由于肇慶市的工業化程度相較于其他城市較為落后，且受經濟發展程度的影響，雖然其水資源量較為充沛，但是水資源開發利用較低，從而未將水資源優勢轉化為經濟優勢。

從圖6可以看出，各地市的水資源可持續利用水平在2010—2022年呈波動變化，其中珠海、惠州、江門和肇慶的水資源可持續利用水平始終保持在0.5以下，表明其水資源壓力小，處于非常可持續水平；佛山的水資源可持續利用水平值在9個市中處于較高值，且基本上在1.0以上，表明其水資源壓力較大，在2011年時，其值達到了最大2.67，處于完全不可持續狀態，雖然在2011年之后有所降低，但還是處于不可持續狀態。

人均萬元水資源生態足跡可以反映一個地區水資源的利用效率，從圖7可以得出，江門和肇慶市歷年的人均萬元 GDP水資源生態足跡值較大，表明其水資源利用效率較低，而深圳市的人均萬元水資源生態足跡值較低，基本上在0.05 hm2/人·萬元，表明其水資源利用效率較高。不過從整體趨勢來看，各地市的人均萬元水資源生態足跡值都隨年份呈下降趨勢，表明珠三角區域各地市用水效率得到不斷地提升，水資源利用率發展趨勢將會越來越好。

2.4珠三角區域未來10 a 水資源生態足跡預測分析

利用 GM（1，1）灰色預測模型對珠三角區域各地市2010—2032年人均水資源生態足跡值進行預測，計算出的結果經過精度檢驗基本都達到要求（表4），其中廣州、佛山、中山和江門的小誤差概率達到了1，方差比都在0.35以下，模擬精度最好，珠海和東莞兩市的預測模擬精度較低，但也達到了勉強合格。從圖8中可以看出，各地市人均水資源生態足跡2023—2032年未來10 a呈穩定下降趨勢，其中中山和廣州的下降幅度最大，分別為42.95%和39.81%，肇慶的下降幅度最小僅為16.21%，但其人均水資源生態足跡值仍在0.5 hm2/人以上，另一方面，從2010—2022年的生態承載力來看，肇慶市未來的水資源生態足跡將可能仍處于較高水平的盈余狀態。

3結論

本文以珠三角區域9個地市為研究區域，基于水資源生態足跡法，分析了珠三角區域在2010—2022年的人均水資源生態足跡、人均水資源生態承載了和人均水資源生態足跡盈虧，通過指標計算法（水資源生態經濟協調度、水資源可持續利用水平、人均萬元 GDP水資源生態足跡）動態分析了珠三角區域水資源的利用情況，結合 GM（1，1）灰色預測模型對2023—2032年間水資源生態足跡進行預測，研究結果如下。

a）人均生產用水在各地市中所占的比例最大，人均生態用水量最小，中山市在2010—2022年人均水資源生態足跡變化最大，下降幅度達到了47.01%，肇慶市的變化幅度最小。從整體趨勢來看，2010—2022年各地市人均水資源生態足跡都有所下降，且下降幅度都在20%以上，說明廣東省在2011年實行最嚴格水資源管理制度后對珠三角區域水資源利用情況的轉變產生了積極作用。

b）從時間變化上看，珠三角區域各地市的水資源承載力出現較大的差異而呈波動變化，在2010—2022年人均水資源生態足跡盈虧發生明顯動態變化的城市主要集中在廣州、深圳、中山、佛山、東莞5個城市，其中佛山市的人均水資源生態足跡長時間處于赤字狀態，未來佛山市急需采取有效措施加強水資源節約利用，緩解水資源生態壓力，促進水資源可持續發展。

c）肇慶市的水資源經濟協調度較差，雖然其水資源量較為充沛，但是水資源開發利用較低，從而未將水資源優勢轉化為經濟優勢，未來肇慶市急需采取有效手段，充分發揮地區資源優勢，加快產業轉型升級，促進水資源優勢轉化；珠海、惠州、江門和肇慶的水資源壓力小，佛山市的水資源壓力較大，處于不可持續水平；從整體趨勢來看，各地市的人均萬元 GDP 水資源生態足跡值都隨年份呈下降趨勢，表明珠三角區域近年來各地市用水效率得到了有效提升。

d）通過灰色預測模型，模擬未來十年珠三角各地市人均水資源生態足跡，發現各地市在2023—2032年呈穩定下降趨勢，其中中山和廣州的下降幅度最大，分別為42.95%和39.81%，肇慶的下降幅度最小僅為16.21%，在未來仍需提高用水效率，調整產業結構，實現區域水資源的有效可持續利用。

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（責任編輯：程 茜）