水生态足迹及适应性理论视角下的中国省际水安全评价

孙才志， 张智雄

(1.辽宁师范大学 城市与环境学院,辽宁 大连 116029； 2.辽宁师范大学 海洋经济与可持续发展研究中心,辽宁 大连 116029)



水生态足迹及适应性理论视角下的中国省际水安全评价

孙才志1,2， 张智雄1

(1.辽宁师范大学 城市与环境学院,辽宁 大连 116029； 2.辽宁师范大学 海洋经济与可持续发展研究中心,辽宁 大连 116029)

将水生态足迹和水生态承载力的方法应用到水安全评价领域，与多指标评价法相结合，以中国31个省市为研究对象，测算了各省市的水压力指数、水适应指数和水安全指数，探究了中国经济规模、社会发展以及科技水平与水资源利用的协调发展关系。结果显示：受年际水资源量丰枯的影响，各省市的水压力指数呈波动趋势，在空间分布上，水资源量较为丰富的南方地区水压力指数较低，严重缺水的华北地区水压力指数较高；而随着经济的发展和科技的进步，各省市的水适应指数逐年升高，在空间分布上，经济发达、科技水平较高的东部沿海地区的水适应指数较高，水的协调性安全程度处于全国较高水平。二者结合得出的水安全指数显示：受水压力指数年际波动的影响，水安全指数年际变化也呈波动趋势，水安全指数呈由南向北递减的趋势，东南沿海地区的水安全程度较高，而华北地区的水安全形势较为严峻。

水生态足迹；水生态承载力；水压力指数；水适应指数；水安全指数；水安全评价

水是一种特殊的自然资源，是国民经济发展和人类生存的必要保障条件。由于水资源短缺、水环境恶化等产生的各种水安全问题严重威胁、制约着区域的可持续发展，水安全研究已经成为21世纪国际、国内水科学领域的一个十分重要的方向性问题[1-2]。对当前水安全形势进行合理、全面的评估，有助于为中国水资源的管理、规划以及水资源可持续利用提供科学依据。

水是一种具有利害双重性的资源[3-4]，水资源供给能否满足区域社会经济长远发展和人类生活的合理要求，是衡量水资源安全的关键。随着社会经济和科技水平的不断发展，对水安全问题的探讨和研究也越来越深入。20世纪末，A.H.Westing[5]提出的综合安全包括环境安全；1992年,Falkenmark和Widstrand[6]提出了以人均水资源量来度量区域水资源稀缺程度的指标，根据干旱区中等发达国家的人均需水量确定了人均水资源的临界值，以此来判别各国以及区域水资源紧缺与安全状况；2000年,以“21世纪水安全”为主题的海牙部长级国际水问题会议宣言指出[2]：为21世纪提供用水安全，水安全问题已成为世界各国所面临的共同课题。在国内研究方面，陈家琦[3]给出了水的安全保障应当涉及的6方面内容；韩宇平等[7]将模糊评价的方法运用到了中国七省区的水安全评价领域；程国栋[8]提出虚拟水战略是保障水与粮食安全的重要措施之一；近年来，夏军等[9]将水资源承载力作为水安全的度量标准；部分学者[10-12]将水贫困指数(Water Poverty Index，WPI)应用到水安全评价领域，进一步丰富了水安全的研究方法。

综上所述，对于水安全的研究在国内外已有一定的研究成果，但多数研究是基于多指标法的研究，虽然多指标体系法遵循全面性和特殊性原则[13]，但未对水的资源性安全和适应性安全进行较为直接的划分，评价仍然较为笼统，没有量化当前社会生产和人口所消耗的水资源量以及水资源的承载状况，也未能明确地反映出水资源的消耗对区域的水安全所造成的影响。鉴于此，本文将引入水生态足迹和水生态承载力的测算方法，并与传统的多指标体系研究方法相结合，以中国内地31个省、直辖市、自治区(以下简称省市)为研究对象，对中国当前的水安全情况进行综合评估。

1 研究方法与数据来源

1.1 水压力指数

本文采用水压力指数来反映区域在当前人口规模、社会生产水平下，用水情况对水生态环境造成的压力的大小。水压力指数的计算模型如下：

(1)

式中：PIw为区域的水压力指数；EFw为区域的水生态足迹；ECw为区域的水生态承载力。

水压力指数表示的是区域当前的水资源量所承载的当地生活、生产用水的压力，当水压力指数小于1时，表明区域的水资源量可以满足当地的用水需求，反之，则超载，数值越大就表明该地区水资源承载的用水压力越大。水生态足迹的测算方法是将消耗的水资源量转化为相应的产水面积，根据文献[14]中得出的均衡值，得出研究区域消耗的水资源量所需要的产水面积，即水生态足迹。区域的水资源可利用能力是由区域水量和水质共同决定的，故文中水生态足迹采用如下模型进行测算：

EFw=EFwr+EFwq。

(2)

式中：EFw为区域水生态足迹；EFwr为区域水量生态足迹；EFwq为区域水质生态足迹。其中，水量生态足迹计算公式为：

(3)

式中：P为区域人口数量；efwr为区域人均水生态足迹；γ为全球水资源均衡因子；WF为区域水足迹；w为水资源世界平均生产能力。

公式(3)中区域水足迹WF的计算方法采用文献[15]中的计算方法，本文测算水量生态足迹所采用的水足迹主要包括城乡居民消费的农畜产品水足迹、工业产品水足迹、生活用水足迹以及生态水足迹，文献[15]中的水污染足迹将作单独测算，不计入水量生态足迹的测算范围。参照黄林楠等和世界自然基金会(World Wide Fund for Nature or World Wildlife Fund，WWF)的计算结果[14]，取全球水资源均衡因子γ为5.19，取水资源世界平均产生能力w为3 140 m3/hm2。

为有效核算污染物对水生态足迹的影响，本文将核算化学需氧量(COD)和氨氮(NH3)排放量，将其作为水质生态足迹子账户，以此来分析污染物的排放浓度对水生态足迹的影响。水质生态足迹测度模型为：

EFwq=γ·max(EFCOD,EFNH3)=

(4)

式中：EFCOD为COD的水生态足迹；EFNH3为NH3的水生态足迹；LCOD为区域内社会工业、农业、生活过程中COD的排放量；LNH3为区域内社会工业、农业、生活过程中NH3的排放量；CCOD为国内单位面积水域COD的排放达标浓度；CNH3为国内单位面积水域NH3的排放达标浓度。

本文COD和NH3的核算方法采用文献[13]的核算方法，污染物浓度达标排放标准采用《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中的二级排放标准，COD和NH3的排放达标浓度分别为120、25 mg/L。

基于生态足迹模型的水资源承载力兼具自然属性以及空间属性，可将其定义为：某一区域在某一具体历史发展阶段，水资源最大供给量可供支持该区域资源、环境和社会(生态、生产和生活)可持续发展的能力[14]，强调满足生态需求的情况下，区域产水能力所能供给的最大的土地面积。本文根据生态承载力理论，采用如下水生态承载力计算公式：

(5)

(6)

式中：ECw为区域水生态承载力,hm2；φ为区域水资源产量因子；Q为区域水资源总量,m3；WM为区域产水模数，m3/hm2;0.4为保持区域生态稳定的水资源可利用量的比例上限。

据文献[14]和[16]，一个国家或地区的水资源开发利用率若超过30%～40%将引起生态环境恶化，水资源量中预留60%的水量以维护生态环境，故取水资源可利用系数为0.4。水资源产量因子是各区域单位面积产水能力与水资源世界平均生产能力的比值。由于同一地区年际水资源量的丰枯变化也会导致区域水资源产量因子波动,因此,为了保证研究结果的客观、准确性，本文选取研究期内全国以及各省市多年平均产水模数，并根据公式(6)测算得到全国以及各省市多年平均的水资源产量因子，见表1。

表1 全国及31个省市1997—2014年水资源产量因子

1.2 水适应指数

本文采用水适应指数来反映当前人口数量和经济发展情况下，区域水资源情况与人口规模、经济规模、水资源的管理监控以及水资源相关政策的执行能力的匹配程度。水适应指数的测算方法采用多指标模型来计算，区域水适应指数的指标体系见表2。

表2 区域水适应指数指标体系

注：高风险产业选取造纸及纸制品业、黑色金属冶炼及压延加工业、纺织业、化学原料和化学制品制造业[18]。

由于水适应指数计算模型指标并没有进行矢量化，所以其数据处理需要进行正向指标和负向指标的区分。本文采用离差标准化对区域水适应指数指标体系中的数据进行标准化处理，其中正向指标归一化方法为：

(7)

负向指标归一化方法为：

(8)

主观偏好权重的确定方法采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)。该方法是由美国著名运筹学专家Saaty在20世纪70年代提出的，广泛应用于复杂系统的分析与决策[13]。客观权重采用熵值法来确定。为了保证所得权重的准确性，本文通过最小二乘法工具，兼顾专家对指标的偏好和指标间的客观信息，在对指标有偏好信息及客观熵信息输出权重的基础上，得出综合权重[13]。其综合权重的计算过程如下：

AHP确定的主观偏好权重向量为

v=(v1,v2,…,vn)T；

(9)

熵值法确定的客观权重向量为

u=(u1,u2,…,un)T；

(10)

假设各指标综合权重向量为

w=(w1,w2,…,wn)T。

(11)

为了使得综合权重尽可能大地反映主观权重和客观权重的信息，应使判断指标的主观权重和客观权重的决策结果的偏差越小越好。为此，建立如下最小二乘法决策模型[17]：

(12)

故区域水适应指数模型为：

(13)

总得分越高的区域，当地的人口规模和社会经济对水资源的利用效率越高。

1.3 水安全指数

水安全综合指数是反映区域当前的水安全情况的综合指数。它是综合了水压力指数和水适应指数的计算结果之后得到的，本文采用如下公式得出各区域的水安全综合指数WSI，

(14)

区域水安全指数得分越高，表明该区域的水安全形势越好。

1.4 研究对象及数据来源

本文以中国31个省市(不包含港澳台地区)2000—2014年的统计数据为研究对象。数据来源：《中国统计年鉴》《中国水资源公报》《中国环境统计年鉴》《中国工业统计年鉴》《中国畜牧业年鉴》以及各省市统计年鉴和水资源公报等。

2 计算结果及分析

2.1 水压力指数的时空分布

根据公式(1)—(6)，测算出2000—2014年中国全国以及各省市的水生态足迹、水生态承载力和水压力指数，见表3。结果显示：研究期内中国的水生态足迹在时间分布上呈明显的上升趋势，水生态足迹的增加也与中国逐年增长的用水量相符；水生态承载力受年际水资源量丰枯交替的影响，整体呈波动状态；受此影响，水压力指数年际变化也处于波动状态，且均高于1，表明中国现阶段的社会、生产、生活用水情况已经超出水资源的承载水平；2011年中国的水压力指数为2.13，是研究期内水压力指数的最大值，该年份降水量较低，是研究期内中国年降水量的最低值。

表3 全国及各省市水压力指数

续表

注：限于版面，表中只列出部分年份的计算结果。

中国各省市水压力指数的分布如图1所示。

图1 中国各省市水压力指数分布图

结合图1和表3可知：受气候和地理条件的影响，水压力指数呈由南向北递增的趋势，水资源量充足的南方地区水压力指数普遍小于1，水资源短缺的北方地区水压力指数较高。西藏和青海的经济规模和人口密度较小，水资源的使用压力也相对较小；东南沿海地区虽然人口密度和经济规模较大，用水需求高，但得益于丰富的水资源量，水压力指数可以维持在较低水平；湖北历年的水压力指数都接近1，多年平均水压力指数为0.95，地区水资源量所能承载的用水程度已经达到饱和状态；华北地区受气候和降水量影响，水资源可利用量较少，加之工农业产业集中，人口和经济规模较大[19-21]，导致水压力指数较高；宁夏人均水资源量不足全国平均水平的1/10，是中国平均水压力指数最大的地区，虽然经济规模和人口密度较小，但水资源量不足以承载当地的用水需求。

2.2 水适应指数的时空分布

水适应指数用来表示地区对水资源的利用能力和区域用水与水资源的协调程度。水适应指数越高，表明地区生产生活用水与水资源的协调程度越高；反之，则越低。根据公式(9)—(13)和表2的指标体系，测算出2000—2014年全国及各省市的水适应指数，见表4。结果显示：研究期内中国各省市的水适应指数呈上升趋势，全国平均水适应指数从0.16上升到0.27，随着经济和科技的发展以及水资源政策的不断完善，水资源的分配利用也日趋合理。

表4 全国及各省市水适应指数

依据水适应指数计算结果，本文采用自然间断点分级法做出了代表年份的水适应指数分布图，如图2所示。由图2可知，各省市的水适应指数在时间分布上呈逐渐增加的趋势，2014年各省市的水适应指数较2000年的有明显增加，高分值的省市也明显增多。这也充分说明随着经济的发展和科技水平的不断提升，各省市对水资源的利用日趋合理，管理水平逐步提高，对水资源的监管制度也逐步完善，用水效率也在进一步提高。

在水适应指数的空间分布上，经济和科技较为发达的东部地区水适应指数明显高于西部地区，各省市的水适应指数呈由东向西递减的趋势。东部地区尤其是沿海地区的经济和科技水平在全国处于较为领先的位置，虽然经济发达和人口规模庞大会加剧水资源消耗，但这些地区在环境保护和提升水资源利用效率方面的设施投入相对充足，水资源保护政策可以得到更好的落实；北京、天津、上海、浙江和江苏的水适应指数处于全国较高水平，这些地区的经济和科技较为发达，在发展过程中意识到本区域的水资源量日渐匮乏，保持经济社会高速发展的同时注意水资源的节约与高效利用，使得地区的水资源利用与经济发展协调水平始终处于较高水平，水适应指数的提高也表明地区用水协调性进一步向高水平方向发展；中西部地区的水适应指数水平也有了一定提升，水资源利用效率逐步提高，这些省市水适应指数逐渐向更高水平靠近；西藏的水适应指数虽然有了一定程度的增长，水资源与社会经济用水协调水平有了长足进步，但是受制于自身经济实力和科技水平的局限，水适应指数仍然长期处于全国最低水平。

图2 中国各省市水适应指数分布图

2.3 水安全指数的时空分布

一个地区的水安全指数是由表示水的资源性安全的水压力指数和表示水资源协调性安全的水适应指数两部分构成。综合各省市的水压力指数和水适应指数的计算结果，根据公式(14)得出研究期内各省市的水安全指数，为更加直观地表述各省市水安全状况的分布情况，本文选取代表年份绘制了水安全指数分布图，如图3所示。

图3 中国各省市水安全指数分布图

由图3可知：受到水压力指数年际波动变化的影响，各地区历年的水安全指数年际变化也呈波动态势，年际水资源量的丰枯主导着地区的水安全形势。而在空间分布上，南方地区的水安全指数明显高于北方地区，水安全指数较低的地区主要集中在华北地区，京津冀是中国传统工业区，山东和河南是中国传统农业大省[19-20]，这些省市人口密度高，地表水资源严重缺乏，部分省市地下水开采过量[21]且用水效率偏低[22]，水资源短缺以及产业规模与水资源量的不匹配是这些地区水安全指数较低的主要原因；南方地区尤其是东南沿海地区的水安全指数较高，水资源量丰富且地区的水资源利用效率较高，使得这些地区的水安全指数较高，随着经济和科技的不断发展，这些地区的水资源利用能力和区域用水与水资源的协调程度不断提高，水安全水平也处于全国前列；西藏虽然水适应指数较低，但得益于丰富的水资源量和较低的社会用水需求，其水安全指数仍然较高。由此可见，较高的水适应指数对区域的水安全有着促进作用，经济和科技的发展对社会的水资源优化配置有着重要影响，但是水资源量的多少仍然是影响地区水安全水平的关键性因素。

3 结语

本文通过对中国各省的水生态足迹、水生态承载力进行测算，并将其引入到水安全评价领域，与传统多指标研究方法得出的水适应指数相结合得到水安全指数，并对结果进行了分析和评价。得到以下结论：

1)受水生态承载力丰枯水年交替的影响，水压力指数整体上处于波动状态，各省市之间水压力指数呈现出由南向北递增的趋势。

2)各省市的水适应指数呈上升趋势，随着社会经济的发展和科技水平的不断进步，水资源协调性安全呈逐步上升趋势，但由于人口规模和发展水平不一，各省市的水适应指数也有明显差距，经济和科技较为发达的地区，水适应指数较高，对水资源的利用效率也较高。

3)各省市水安全指数由水压力指数和水适应指数共同决定，在空间分布上呈由南向北递减的趋势，水资源量充足的南方地区水安全等级较高。

由此可见，社会经济的发展和科技水平的进步对水资源安全有着促进作用，但是水资源量的短缺仍然是影响地区水安全水平的决定性因素。研究结果对丰富水安全的研究具有一定的理论意义与参考价值，可为区域水资源的可持续利用提供参考依据。

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(责任编辑：乔翠平)

Evaluation of Chinese Provincial Water Safety from the Perspective of Water Ecological Footprint and Adaptability Theory

SUN Caizhi1,2， ZHANG Zhixiong1

(1.College of Urban and Environment, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China； 2.Center for Studies of Marine Economy and Sustainable Development, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China)

In this paper, the methods of ecological footprint and ecological carrying capacity of water resources were used to evaluate water security, combined with the method of multi-index comprehensive evaluation, and taking 31 provincial-level cities in China as a research object, we calculated the indexes of water pressure, water adaptability and water security, meanwhile, we investigated the coordinated relationship among Chinese economy, social development, the level of science and technology and water resources utilization. The results show: the index of water pressures of each province follows a fluctuating trend because of the effects of plenty or short water resources, in the spatial distribution, the index of water pressure in the south with plenty water resources is lower, while the index of water pressure in North China with severe water shortage is higher; with the development of economy and technology, the index of water adaptability of each province is rising. From a spatial view, the index of water adaptability in the eastern coastal area with high-level economic and technological development is higher, and its safe degree of water coordination is at a higher level in the whole country. All the results from the indexes of water security show that the inter-annual variation of the index of water security is a fluctuant trend because of the inter-annual fluctuation of the index of water pressure, the index of water security in the southeast coastal area is higher, and the water security in North China is more severe, which shows a decreasing trend from south to north.

water ecological footprint; ecological carrying capacity of water resources; the index of water pressure; the index of water adaptability; the index of water security; evaluation of water security

2016-12-24

国家社会科学基金重点项目(16AJY009)。

孙才志(1970—),男,山东烟台人,特聘教授,博士生导师，博士后，从事水资源与海洋经济方面的研究。E-mail:suncaizhi@lnnu.edu.cn.

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.03.002

TV213

A

1002-5634(2017)03-0009-08