洮河流域水资源生态足迹和承载力分析与评价

霍正文

(甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)



洮河流域水资源生态足迹和承载力分析与评价

霍正文

(甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)

基于水资源生态足迹和水资源生态承载力的计算模型，构建洮河流域农业用水、工业用水、生活用水和生态用水4个水资源账户，通过计算水资源生态容量、生态压力、集约利用度、负载指数和可持续发展指数等评价指标，对洮河流域2006—2015年水资源可持续利用状况进行分析与评价。结果表明：洮河流域水资源承载力总体呈减少趋势，水资源生态足迹相对稳定，但存在结构性矛盾，主要表现在农业用水比重过高，是水资源生态足迹的主要贡献者。评价指标总体反映出洮河流域水资源利用程度、效率和经济效益显著提高，具备可持续发展条件，水资源开发利用处于安全状态，能有效保障区域经济社会发展。

洮河流域；水资源生态足迹；水资源生态承载力；分析；评价

水资源对人类生存、生活、生产具有不可替代的作用，是社会稳定、经济发展的基础，水资源的可持续利用是影响社会经济发展的重要因素之一。近年来，随着人口增长、水资源供需矛盾加剧以及水环境日益恶化，加之水资源本身时空分布不均，如何解决水资源紧张问题，使有限的水资源发挥最大的社会、经济和环境效益，已成为当今水科学研究的一个重要领域[1-2]。

20世纪90年代加拿大学者Willian Rees和Mathis Wackernagel提出的生态足迹模型为水资源可持续利用的定量评价提供了新思路。模型将人类所消耗的自然资源及同化人类生产、生活所产生的废弃物所需要的生物生产性土地分为耕地、林地、草地、建筑、能源和水域6种类型[3]。水科学方面的学者结合水资源特点，在生态足迹模型框架下提出了水生态足迹，用于分析区域水资源利用状况。根据表达方式的不同，水生态足迹模型的研究应用主要集中在两种方法上[4]。一种是水资源生态足迹，即将区域水资源总量平均分布在该区域上，再将相关消耗折算成水资源用地面积；一种是水足迹，即在虚拟水的基础上将水资源相关消耗折算成水资源量。

基于水资源生态足迹和水资源生态承载力的计算模型，构建洮河流域农业用水、工业用水、生活用水和生态用水4个水资源账户，通过计算水资源生态容量、生态压力、集约利用度、负载指数和可持续发展指数等评价指标，对洮河流域2006—2015年水资源可持续利用状况进行分析与评价。

1 研究区域概况

洮河流域位于青藏高原东北部，发源于青海省海南州境内的西倾山北麓勒尔当，于永靖县刘家峡水库汇入黄河，干流河道全长673 km，流域内河川径流相对丰富，年径流大于1亿 m3的支流共有13条，包括延曲、周科河、科才河、括合曲、博拉河、卡车沟、车巴沟、大峪沟、 迭藏河、羊沙河、 冶木河、三岔河及广通河等，年径流量48.38亿 m3，年输沙量2 280万 t，年降水量555.8 mm[12]。据2015年数据统计，洮河流域总人口204.03万人，国内生产总值246.29亿元，耕地面积229.64万亩，水资源总量23.77亿 m3，总用水量3.245亿 m3，总供水量3.472 7亿 m3，水资源利用率14.6%，总耗水量2.375 7亿 m3，平均耗水率73%。

2 数据来源

根据洮河流域的实际情况和资料的可靠性，本文选取农业、工业、生活、生态四个用水账户2006—2015年用水量进行水资源生态足迹和承载力计算分析。数据来源主要为2006—2015年《甘肃省水资源公报》。洮河流域2006—2015年社会经济及用水量统计见表1。

3 研究方法

3.1 水资源生态足迹计算模型

根据生态足迹模型的内涵，水资源生态足迹是将各个用户账户消耗的水资源量转化为相应的生产土地面积，即水资源用地面积，然后对其均衡化，最终得到可用于相互比较的均衡值，其计算模型为：

(1)

式中：EFw为水资源生态足迹(hm2)；γ为水资源全球均衡因子；Wi为区域水资源第i项用水账户消耗水量(m3)；Pw为水资源全球平均生产能力(m3·hm-2)；N为人口数(万人)；efw为人均水资源生态足迹(hm2·cap-1)。

3.2 水资源生态承载力计算模型

水资源生态承载力是指区域社会、经济和生态环境可持续发展前提下，根据一定经济技术水平和社会生产条件，水资源天然产出量的允许开发水量维持的人口、社会经济发展的能力。根据生态足迹理论，水资源生态承载力用水资源的生物生产能力来衡量，即水资源利用所能承载的相应生物生存面积，其计算模型为：

(2)

式中：ECw为水资源生态承载力(hm2)；α为水资源合理开发利用率；γ为水资源全球均衡因子；φ为区域水资源产量因子；W为区域水资源总量(m3)；Pw为水资源全球平均生产能力(m3·hm-2)；N为人口数(万人)；ecw为人均水资源生态承载力(hm2·cap-1)。

表1 洮河流域2006—2015年社会经济及用水量统计表

3.3 模型系数的确定

3.3.1 水资源全球均衡因子γ

水资源全球均衡因子指水资源生物生产面积的平均生态生产力与全球各类生物生产面积的平均生态生产力。从全球平均的角度，将生产力不同的各类生物生产性土地转化为一个可比较的标准参数。为便于比较，本文选取世界自然基金会WWF2002年核算的水资源用地均衡因子作为计算值[3]，即水资源全球均衡因子γ为5.19。

3.3.2 水资源全球平均生产能力Pw

基于水文学平均产水模数的概念，以多年平均产水模数来刻画区域内水资源生产能力，水资源全球平均生产能力即为全球多年平均产水模数。已知全球多年平均产水模数为3 140万 m3·hm-2，并定义全球水资源产量因子为1.0，则水资源全球平均生产能力Pw为3 140万 m3·hm-2[13]。

3.3.3 区域水资源产量因子φ

由于同类生物生产性土地的生产能力在不同地区之间存在差异，因而各地区同类生物生产性土地的实际面积不能直接对比，须将各地区同类生物生产性土地转换成可比面积的参数，即区域水资源产量因子为该区域水资源量平均生产能力与全球平均生产能力之比：

(3)

式中：φ为区域水资源产量因子；Pa为区域平均生产能力，即产水模数(m3·hm-2)；Pw为全球平均生产能力(m3·hm-2)。洮河流域2006—2015年多年平均产水模数为15.05万 m3·km-2，根据公式(3)求得全球范围内定义的洮河流域水资源产量因子为0.479。

3.3.4 水资源合理开发利用率α

一个地区的地表水资源和地下水资源扣除重复计算量后即为该地区的水资源总量，若一个地区的水资源开发利用率若超过30%～40%，则会引起生态环境的恶化。因此，区域水资源生态承载力中必须至少扣除60%用于维持生态环境[14]，因此水资源生态承载力的计算中必须按上述原则扣除维持生态环境的水资源量，即水资源合理开发利用率α为0.4。

4 评价指标

4.1 水资源生态容量指数WECI

水资源生态足迹指数WECI是人均水资源生态承载力ecw与为人均水资源生态足迹efw之差[15]，即：

WECI=ecw-efw

(4)

水资源生态容量WECI衡量的是一个地区水资源可持续利用程度。WECI>0时，表明该地区水资源生态足迹小于其承载力，水资源处于可持续利用状态，水资源盈余，不但可以保证其经济、生态和环境的良性循环，还可以满足区域内发展的进一步需求；WECI=0时表明水资源生态足迹等于承载力，区域水资源处于生态平衡，恰好能满足当地人口的消费和生产模式，在当前水资源利用水平下，水资源利用限度已达到最大；WECI<0时，表明该地区水资源生态足迹大于其承载力，水资源利用处于不健康状态，区域内水资源紧张，不能满足社会经济、生态和环境发展需求，甚至有可能以破坏环境为代价维持区域发展。

4.2 水资源生态压力指数WEPI

水资源生态压力指数WEPI是区域水资源生态足迹与水资源生态承载力的比值[16]，即：

(5)

WEPI用来衡量区域水资源生态压力强度，其大小反映了水资源开发利用安全状态。WEPI>1时，即区域水资源消费量大于供给量，无法可持续利用水资源，此时水资源开发利用安全压力随着WEPI增大而增大；WEPI=1时，即区域水资源供需平衡；0

4.3 水资源集约利用度WIUD

水资源集约利用度WIUD定义为国民生产总值GDP与水资源生态足迹的比值[9]，即：

(6)

描述了一个地区经济发展所付出的水资源代价，其大小反映了水资源利用的程度和效率，利用度越大说明该地区水资源利用效率越高，产生的经济效益也高；反之说明该地区水资源利用效率低，产生的经济效益低。这一指标与万元GDP水资源足迹指数[4]相似，两者互为倒数，含义相反。EPGDP值越大说明该地区水资源利用效率越低，产生的经济效益低；反之，说明该地区水资源利用效率高，产生的经济效益也高。

4.4 水资源负载指数WCI

水资源负载指数WCI是区域水资源量W与人口N和国内生产总值GDP决定的水资源需求量的关系[5]，其定义为：

(7)

式中：k为降水折算系数，其取值如下：

(8)

式中：R为年降水量(mm)。

水资源负载指数WCI描述了区域水资源开发利用前景，反映了区域水资源利用水平与人口和经济发展之间的关系，同时一定程度上反映出今后水资源开发的难易程度。根据计算结果一般分为5个等级(表2)，其值越大说明水资源利用程度很高，开发潜力不大，甚至有可能需要外流域调水支撑区域社会经济发展；反之说明，水资源利用程度低，开发潜力很大，前景广阔。

表2 水资源负载指数分级表

4.5 水资源可持续发展指数WSDI

水资源可持续发展指数WSDI为水资源生态承载力ECw与水资源生态足迹EFw的差额占水资源生态承载力的比值[17]，即：

(9)

WSDI定量评价了区域发展水资源的可持续性，其大小反映了水资源可持续发展利用的程度和效率，同时可以对今后区域社会经济发展条件进行评估。根据计算结果一般分为5个等级(表3)，若WSDI<-1表明区域发展水资源已严重不可持续，发展条件严重不足，甚至由于水资源制约严重影响区域发展。

表3 水资源可持续发展指数分级表

5 洮河流域水资源可持续利用状况分析

根据统计资料，对洮河流域2006—2015年水资源生态足迹和承载力分别按公式(1)(2)分别进行计算，结果见表4。

根据公式(4)(5)(6)(7)(9)分别计算水资源生态容量、水资源生态压力、水资源集约利用度、水资源负载指数、水资源可持续发展指数五个评价指标，结果见表5。

5.1 水资源生态足迹和承载力

从表4中可知，洮河流域水资源承载力总体呈减少趋势，变化幅度相差较大，2012年最高，人均水资源承载力86.2 hm2·cap-1，2015年最低，人均水资源承载力36.9 hm2·cap-1，这与洮河流域近十年来降水、径流特征基本吻合[18]。计算流域水资源承载力和降水、径流的相关系数分别为0.808、0.987，表明洮河流域水资源承载力变化在一定程度上受到流域水文、气象等自然因素的影响比较显著。

从人均水资源生态足迹来看，洮河流域用水结构在不断调整变化，2006—2015年人均水资源生态足迹保持相对稳定，从2006年的24.5 hm2·cap-1到2015年的25.4 hm2·cap-1，变化幅度不大，水资源用地需求稳定，但存在结构性矛盾，主要表现在农业用水比重过高，是水资源生态足迹的主要贡献者，比例虽有所减小但幅度不大，城镇公用用水足迹比例呈微弱增长趋势，工业用水、居民生活用水足迹比例基本稳定，生态用水足迹所占比例最小。洮河流域2006—2015年水资源生态足迹面积变化见图1。

图1 洮河流域2006—2015年水资源生态足迹面积变化图

5.2 水资源生态容量

从表5中可知，洮河流域2006—2015年水资源生态容量总体呈减少趋势(图2)，2012年容量最大，为59.0 hm2·cap-1，2015年最小，为11.6 hm2·cap-1。在水资源生态足迹保持相对稳定的情况下，水资源生态承载力受流域来水情况和经济社会发展用水量的影响持续增强，导致水资源生态容量持续减小，表明洮河流域经济社会发展对水资源的需求增大，在今后的发展过程中需要进一步考虑用水成本。

表4 洮河流域2006—2015年水资源生态足迹和承载力计算成果表 万hm2

表5 洮河流域2006—2015年水资源评价指标成果表

图2 洮河流域2006—2015年水资源生态容量曲线图

图3 洮河流域2006—2015年水资源生态压力曲线图

5.3 水资源生态压力

从表5中可知，水资源生态压力指数在波动中呈增加趋势(图3)，指数始终在1.0水平以下，保持在较低水平，但生态压力逐年增加，说明水资源供给量大于消费量，水资源开发利用处于安全状态，水资源可持续利用空间较大，能有效促进洮河流域社会经济可持续发展和生态良性发展。

5.4 水资源集约利用度

从表5中可知，洮河流域2006—2015年水资源集约利用度呈快速增加趋势(图4)，从2006年的96.0元/hm2到2015年的476元/hm2，表明洮河流域水资源利用效率和经济效益逐年提高。

图4 洮河流域2006—2015年水资源集约利用度曲线图

5.5 水资源负载指数

从表5中可知，水资源负载指数WCI呈增加趋势(图5)，2015年最大，WCI为7.405，表明水资源利用程度较高；2007年最小，WCI为1.813，表明水资源利用程度较低；其余年份水资源利用程度为中等。WCI指数总体反映出洮河流域水资源开发利用前景良好，处于健康发展的状态，但今后水资源开发潜力缩小，难度加大。

图5 洮河流域2006—2015年水资源负载指数图

5.6 水资源可持续发展指数

从表5中可知，水资源可持续发展指数在波动中呈减少趋势(图6)，除2010年、2015年指数在0.5水平以下，其余年份指数均在0.5水平以上，其中2012年最大，达到0.684，总体反映出洮河流域水资源可持续发展，其利用程度和效率高，发展条件十分乐观，水资源可有效保障经济社会发展。

图6 洮河流域2006—2015年水资源可持续发展指数图

6 结语

本文采用水资源生态足迹和承载力模型，计算分析了洮河流域2006—2015年水资源生态足迹和水资源生态承载力，并对洮河流域水资源可持续利用状况进行了评价。主要结论如下：

(1)2006—2015年洮河流域水资源承载力总体呈减少趋势，水资源生态足迹相对稳定，存在结构性矛盾，主要表现在农业用水比重过高，是水资源生态足迹的主要贡献者，比例虽有所减小但幅度不大，城镇公用用水足迹比例呈微弱增长趋势，工业用水、居民生活用水足迹比例基本稳定，生态用水足迹所占比例最小。

(2)评价指标总体反映出洮河流域水资源利用程度、效率和经济效益显著提高，具备可持续发展条件，水资源开发利用处于安全状态，能有效保障区域经济社会发展，但经济社会经济发展对流域水资源的需求进一步增大，生态容量逐年减小，生态压力逐年增加，开发潜力和可持续利用空间不断缩小，水资源紧张问题日益凸显。

(3)在流域生态承载力不断减少的情况下，提高水资源利用效率，合理布局产业结构，优化水资源配置，改变消费结构和消费模式，特别是改善农业生产生活用水方式，不断加强农业节水增产措施，减少不必要的消费是降低人均水资源足迹和维持水资源可持续发展的有效手段[19-20]。

(4)水资源生态足迹计算影响因素很多，受统计资料和计算方法的限制，本文计算结果相对保守，同时在计算时也没有考虑水污染问题对水资源可持续利用的影响及其引致的环境损失和治理投入，未将地下水、废污水等纳入水资源生态足迹计算，有待今后进一步研究分析，更加科学、全面的评估洮河流域水资源可持续利用状况。

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TV211.1

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1004-1184(2016)06-0090-05

2016-08-14

霍正文(1976-)，女，江苏南京人，高级工程师，主要从事水文水资源评价、水资源研究等工作。