唐山区域范围内的水生态足迹研究

孙景章，王丽亚，魏瑞霞

（1.河北理工大学 轻工学院，河北 唐山063020；2.河北理工大学 资环学院，河北 唐山063020）

0 引 言

生态足迹方法是目前国际上流行的可持续发展定量评估的方法之一。Wackemagel和Rees（1996）已经使用了土地面积来核算自然资本帐户。这种以“土地”为要素的“生态足迹”方法目前已经应用到全球、国家、区域、城市、行业、公司、学校和个人尺度上[1,2]。

本文旨在使用最小生态需水量的概念，以“水量”而非“土地面积”为要素，拓展区域水生态足迹的核算方法，并以唐山市为案例地区对此方法进行实践。

1 区域水生态足迹和生态需水

1.1 区域水生态足迹

区域水生态足迹的概念来源于土地生态足迹。土地生态足迹的计算以人类衣食住行活动为出发点，将人类消费的所有资源和吸纳人类产生的所有废弃物所需的生态生产性土地的面积等量化处理，用以评价人类的社会经济活动与本地的生态承载力之间的差距（Wackernageleta1，1996）。而区域水生态足迹则以人类生产生活用水和区域最小生态需水量为出发点，用以评价维持区域人类社会经济活动和区域内生命支持系统基本生态服务功能的水量与本地可更新水资源供给能力之间的差距。

将区域所占用的水生态足迹同区域可更新水资源供给能力相比就会得出区域生态赤字（ecological deficit）或生态赢余（ecological remainder）。生态赢余表明该地区的水生态容量足以支持人类的生产和生活用水和最小生态需水量，区域的水资源利用处于相对可持续的发展模式。可持续程度用生态盈余数值的大小衡量：生态赤字表明该地区的水资源使用量超过了其水生态容量，城市的水资源利用处于相对不可持续状态。

1.2 区域生态需水

生态需水的概念最初由Gleick提出，他认为生态需水是一定质量和数量的水给予自然生境，以求最适程度的改变自然生态系统过程，并保护物种多样性和生态完整性。区域生态需水是指维持区域自然生态系统结构，功能和过程的水量[4]。按照生态系统类型划分，区域生态需水量包括：①区域植被生态环境需水量（植被蒸发需水，植被制造有机物需水和植被土壤需水[5]，②区域河湖湿地生态环境需水量（维持城市河湖湿地存在的需水量，如河道基流，河湖蒸散需水和河湖渗漏需水等、维持水体自净能力和污染物稀释能力的水量、维持水盐平衡、水热平衡、水沙平衡的需水量等）。

2 研究方法

2.1 区域水生态足迹的计算

区域水生态足迹的计算公式：

式中：WEF为区域水生态足迹；We为区域生态需水量；Wh为人类用水量；Wc为区域可更新的水资源量，包括地表水和地下水两部分。对于区域生态需水量 We由于植被生态需水受限于天然降水补给，而人类活动的影响相对较小，所以此处并不计算，因此区域生态需水量指河湖生态需水量和地下水生态需水量。

2.2 区域河湖生态需水量

区域河湖生态需水量指区域河流和湖泊生态系统维持正常生态功能所需的水量，包括河湖蒸发损失量、河湖渗漏损失量和河道基础流量[6]。具体计算如下：

河湖蒸发需水量为：

式中：Wre为河湖水面蒸发需水量（108m3）；Ar为河湖的面积（hm2）；Ew为河湖水面蒸发量（mm·a-1）；p为河湖内降雨量（mm·a-1）。

河流基础流量需水量：根据Tennant的研究，10%的平均流量是维持水生生物生存的最小瞬时流量[7]。因此本文以各流域多年平均流量的10%作为其最小生态需水量。

河湖渗漏需水量为：

式中：Wrg为河湖渗漏需水量（108m3）；Wb为河湖的基础流量需水量（108m3）；γ为研究区域渗漏率。

地下水最小生态需水量：地下水系统的最小生态需水量为满足地下水采补平衡的存储水量。

3 研究区域概况与主要参数计算方法

3.1 唐山水资源概况

3.1.1 水供给

唐山区域境内河流主要有滦河、陡河、沙河、蓟运河等河流。唐山的河流多数发源于北部丘陵、山地，流程较短，自成体系独自入海。可分为滦河水系、蓟运河水系和沙陡河水系。唐山市境内已建成潘家口、大黑汀、邱庄、陡河4座大型水库，总库容41.22×108m3，地下水资源总量是16.9×108m3。

唐山多年平均降水量约为634.3mm。其中最大降水量1140mm（1949年），最小降水量292mm（1997年）。由于唐山地势西高东低，北高南低，这一特点极为不利于自然降水的储存和保留，更易形成干旱缺水。

目前唐山市已建成投产的城市污水处理厂达到9座，设计日处理污水能力达到73.9万吨；在建的有7座，设计日处理污水能力达到44万吨。覆盖了全市6区6县（市）城区。全市污水处理再利用量为1.31×108m3。

3.1.2 水需求

2008年唐山市年用水总量为31.5×108m3，其中工业用水4.71×108m3，生活用水2.39×108m3，农业用水24.4×108m3。其中地表水使用量占46%，地下水使用量占54%，对地下水的依赖性极强。唐山水资源利用耗水率较高，农业用水的损失率高达50%，造成大量水资源流失和浪费。在工业用水中，万元工业产值耗水量高于发达国家8倍之上。而且，农业用水比重过高，环境补水比重较低，城市用水存在结构性矛盾。

3.2 唐山市水生态足迹主要参数计算方法

研究范围包括唐山行政区所辖的所有区县，研究时间为 2000～2008年（除特殊说明），数据来源于河北省水资源公报。城市河湖生态需水量包括辖区范围内的所有河流湖泊，其中市区湖泊生态需水量单独计算。主要参数计算方法如下。

（1）河流面积：假定唐山市区域近年的水体面积没有太大变化，根据河北省土地利用详查图，将研究区流域分区图数字化，与河流分布图叠加，提取各流域的河流分布图，并在GIS的支持下，计算各流域的河流水面面积，主要提取的水域类型为河流、滩涂、苇地和沼泽地，计算结果见表1。

表1 唐山河流生态需水参数统计

（2）河湖的渗漏系数：唐山市的湖泊大致可以分为这两类：一类为修建较早的湖泊，经过常年淤积，渗漏性差，另一类为新建的湖泊，渗漏性强。由于缺乏唐山市湖泊渗漏状况观测和研究结果，因此，本文选取这两类渗漏系数的平均值即2.25×10-5cm·s-1作为唐山湖泊的渗漏系数。唐山河流的渗漏率取海河流域河流的渗漏率0.15。

（3）地下水生态需水参数：近年来，唐山地区地下水位年平均下降速率为0.45m/a。全地区地下水平均每年减少 2.61×108m3，根据采补平衡的原则，唐山市地下水生态需水量为多年平均亏损量与补水量之和19.6×108m3。

（4）人类用水总量Wh和水资源量Wc：唐山市多年平均人类用水量为29.72×108m3（2000～2008年）。多年平均地表水资源量为14.62×108m3，多年平均地下水资源量为16.90×108m3，唐山市多年平均水资源总量为31.52×108m3。

4 结 果

4.1 唐山市最小生态需水核算

根据2.2节中的计算公式和3.2节中的计算参数，唐山市最小生态需水核算结果如下：城市河湖最小生态需水量为9.02×108m3，其中湖泊最小生态需水量为0.72×108m3，河流最小生态需水量为8.30×108m3，其中陡河，沙河，滦河，蓟运河最小生态需水分别占河流最小生态需水量的1.20%、2.65%、89.03%和7.11%见（表2）。地下水需水量为19.6×108m3。

表2 唐山市河流生态需水核算

4.2 唐山市水生态足迹

根据上述分析结果可得，唐山市多年平均水生态足迹为1.85，即维持唐山市生态健康的用水量是其承载能力的1.85倍。此结果反映了唐山市人类用水与生态用水的分配失衡，人类用水占用了本属于自然的生态用水。唐山市的水资源利用是不可持续的。建议1：唐山工业产业结构进行调整，增加第三产业结构的比重，降低第二产业的比重；建议 2：农业用水模式应加以改变，增加滴水灌溉、喷淋灌溉的比重，提高水资源利用率。

[1] Folke C,Jansson A,Larsson J,etal. Ecosystem appropriation bycities [J].Ambio,1997,26:167～172

[2] M cDonald G W, Patterson M G. Ecological footprints and interdependencies of New Zealand regions [J]. Ecological Economics,2004,50:49～67

[3] VenetoulisJ. Accessing ecological impact of a university the ecological footprint for the universityof Redlands[J]. International Journal of Sustainability in Higher Education,2001,2(2):180～196

[4] 杨志峰,尹 民,崔保山.城市生态环境需水量研究2理论与方法[J].生态学报, 2005,25(3):389～396

[5] 田 英,杨志峰,刘静玲,等.城市生态环境需水量研究[J].环境科学学报, 2003,23(1):100～106

[6] 魏严昌,苗 鸿,欧阳志云,等.海河流域生态需水核算[J].生态学报, 2004,24(10):2100～2107

[7] Tennant D L.1976. Instream flow regimes for regimes for fish, w ildlife, recreation and related environmen talresources[J]. Fisheries,1(4):6～10