广东省水资源生态足迹的定量评价及其影响因素

陶倩君，郭程轩

(华南师范大学地理科学学院，广东 广州 510631)

随着全球人口的急剧增长和工业的迅速发展，人类对水资源的需求急速增加，而水污染问题也日益严重，消耗着宝贵的淡水资源。广东省位于热带、亚热带季风区，境内河网稠密，水资源较丰富。然而季风气候也造就了当地水资源的时空分布不均，使旱涝、台风等气象灾害频发。城市化快速推进更使广东省水资源需求量和废水排放量不断增加，进一步加剧了水资源时空分布不均的状况，使其面临日益严峻的水资源问题[1]。

2002年Hoekstra等[2]在加拿大生态经济学家William Rees的研究基础上提出了水资源生态足迹的概念，即用生产性土地面积来度量一个地区人口或经济规模的水资源消费污水吸收水平的账户工具，其改良了生态足迹模型中水资源账户的计算方法，为判断水资源的生态生产面积是否处于该区域生态承载能力范围内提供了定量依据。近年来，针对水资源生态足迹的研究也引起了我国学者的关注，黄林楠等[3]在生态足迹模型的基础上提出了水资源模块，制定了均衡因子和产量因子的计算模型；谭秀娟等[4]运用ARIMA模型对我国水资源生态足迹变化趋势进行深入研究；张义等[5]修改了水资源生态足迹的已有模型，首次把污水生态足迹添加到水资源生态足迹的计算中。

国内在这个领域的研究主要集中在全国大尺度范围或水资源较紧缺的省份[6-8]，对我国南方地区，尤其是总体水资源较丰富的东南部地区的研究较少。同时，由于数据的局限，国内的研究大多忽视了水污染足迹的影响。本研究在计算2000—2014年广东省水资源生态足迹的过程中较充分地考虑了水污染的影响，并通过相关性分析，找出影响广东省水资源可持续利用的主要因素，以期为广东省水资源的可持续利用提供参考。

1 研究方法

1.1 数据来源与技术路线

数据主要来源于2000—2014年《广东省水资源公报》《广东省环境状况公报》以及2001—2015年《广东省统计年鉴》等相关统计数据。

本文通过数据可视化对水资源生态足迹、水资源生态盈亏和万元GDP水资源生态足迹进行历年动态变化分析，并借助地理信息系统软件ArcGIS对广东省21个地级市的计算结果进行空间分析；结合广东省经济、人口、各账户用水量等因素，对影响水资源生态足迹的因素进行相关分析，得出影响广东省水资源可持续利用的主要因素，据此提出广东省水资源实现可持续利用的建议。技术路线见图1。

图1 技术路线

1.2 相关参数

区域水资源产量因子为该区域水资源平均生产能力(平均产水模数)除以世界水资源生产能力 (3 140 m3/hm2)[3]。根据近15年广东各个地级市平均产水模数求得广东各个地级市的产量因子(表1)。参考黄林楠等[3]的研究选取渔业的均衡因子为0.35，水资源的均衡因子为5.19。

表1 广东各地级市产量因子

1.3 水资源生态足迹模型

根据水资源消费的不同，把水资源生态足迹分为以下账户：渔业生态足迹、淡水生态足迹和水污染生态足迹，其中，淡水生态足迹包括生活用水、生产用水和其他用水。本研究针对水污染足迹选取具数据较齐全且科学性较高的氨氮和有机物作为特征指标，并以其中的最大污染足迹作为最终的水污染生态足迹[5]。水资源生态足迹计算公式为

EFW=EFfiw+EFfrw+EFWP

(1)

(2)

(3)

EFWP=max(EFNP,EFCODP)

(4)

其中：

式中：EFW、EFfiw、EFfrw、EFWP、EFNP和EFCODP分别为水资源生态足迹、渔业生态足迹、淡水生态足迹、水污染生态足迹、氨氮污染足迹和有机物污染足迹，hm2；Afiw、Afrw、CN和CCOD分别为水产品总消费量、淡水总消费量、氨氮污染物量和有机物污染物量，t；aw为均衡因子；Pfiw为全球水产品平均生产能力，t/hm2；Pw为全球水资源平均生产能力，m3/hm2；PN为全球消纳氨氮污染的平均能力，hm2/人；PCOD为全球消纳有机物污染的平均能力，hm2/人。根据《中国主要农产品全球平均产量的更新计算》，取Pfiw为1.5 t/hm2，参考文献[5]取PN为0.003 145 hm2/人，PCOD为0.062 893 hm2/人。

1.4 水资源生态盈余或赤字

将一个地区的水资源消耗产生的生态足迹和所拥有的水资源生态承载力相比较，就会产生水资源生态赤字和水资源生态盈余。同时，一个国家和地区的水资源承载力中至少扣除60%用于维持生态环境[3]，可得水资源生态盈余的公式为

Erd=EFW-ECW

(5)

其中：

式中：Erd和ECW分别为水资源生态盈余和水资源生态承载力，hm2；γ为水资源均衡因子；ψ为水资源产量因子；Q为水资源总量，m3。当Erd大于0时，为水资源生态赤字；当Erd等于0时，为水资源生态平衡；当Erd小于0时，为水资源生态盈余。

1.5 万元GDP水资源生态足迹

万元GDP水资源生态足迹是指研究区域内水资源生态足迹与GDP的比值，是用来衡量水资源的利用效率的指标，数值越大说明水资源的利用率越低，数值越小，则说明水资源利用率越高。计算公式为

(6)

式中：EFGDP为万元GDP水资源生态足迹，hm2/万元；WGDP为研究区域GDP值，万元。

2 结果与分析

2.1 广东省历年水资源生态足迹的变化

图2为2000—2014年广东省人均水资源生态足迹变化情况，从图2可知，近15年间广东水资源生态足迹的总量呈现上升趋势，在2010—2011年水资源生态足迹的增长尤为明显。从水资源生态足迹组成比例中可见，渔业生态足迹和淡水生态足迹对总量的贡献率较小，其中，工业用水量和生活用水量在2011—2014年均持续下降(表2)，可见2011以来广东省在生产和生活上的水资源利用率在不断提高，节水意识也在不断增强。而水污染生态足迹对总量的贡献率较大，水污染生态足迹的变化趋势和水资源生态足迹非常相似。在2010—2011年，水污染生态足迹出现爆炸式增长，增长量为36.91 hm2/人，增长率达到97.9%。而在2011年后的3年中，水污染足迹则出现了轻微的下降趋势，这与广东省相关环境保护部门意识到缓解大量污染物排放量的需要提高废水的处理率有关，但根据2014年的数据显示，即便如此，水污染足迹仍居较高水平。

图2 2000—2014年广东省人均水资源生态足迹变化

表2 2000—2014年广东省人均淡水资源生态足迹组成 hm2

图3 2000—2014年广东省万元GDP水资源生态足迹变化

在水资源的利用效率上，2000—2014年广东省万元GDP水资源生态足迹呈现明显的下降趋势(图3)，这说明15年间广东省经济的发展并非以大规模消耗水资源和牺牲环境为代价的粗放型经济增长模式，相反，广东省水资源利用率、废水处理率都逐渐提高。可见，广东省产业结构的调整促进了经济发展之余，也带来了相应的环境效益。但面对日益增加的水资源生态足迹，节水意识和废水排放量的有效控制仍需不断增强。

2.2 广东省各市水资源生态足迹的空间差异

从水资源生态足迹的空间分布来看，近年来珠江三角洲的水资源生态足迹最大，其次是粤北和粤西地区，水资源生态足迹最小的是粤东地区。图4为广东省人均水资源生态足迹的空间分布。从图4可见，水资源生态足迹从珠三角地区分别向北、东、西3个方向逐级递减，呈现出以珠江三角洲为核心的中间高，四周低的半环状分布。可见，珠江三角洲地区在经济发展和城市化加速发展的过程中，工业用水、城镇用水、城镇公共用水和废水的排放量较大。除珠三角地区外，韶关的水资源生态足迹也较高，这是因为韶关作为广东的重工业城市，工业用水量和工业废水的排放量都较大。而粤西、粤东地区虽然农业用水量较高，但由于其在水资源生态足迹中所占的比例较小，因此人均水资源生态足迹仅处于全省的中低等水平。

图4 广东省人均水资源生态足迹空间分布

图5 广东省人均水资源生态承载力空间分布

图5为广东省人均水资源生态承载力的空间分布，粤北地区最大，其次是粤东地区，而粤西地区较小，珠三角地区最小。这是因为粤北地区人口较其他地区少，而年降水量较丰富，山区的植被覆盖量高，且中小型水库较多，涵水、蓄水条件都较好。粤东、粤东北地区拥有东江、梅江、韩江等河流，且拥有新丰江水库和枫树坝水库，水资源总量较大，但由于粤东地区人口数量的限制，人均水资源生态承载力仅处于中等水平。粤西地区虽然年降水量较大，且地下水资源丰富，但其流域面积小，河流短浅，水源拦蓄条件较差，因此水资源生态承载力只处在中等偏下水平。珠三角地区的城市化建设导致下垫面渗水性能普遍降低，下垫面涵养水资源的能力明显低于其他植被覆盖率较高的中小城市，同时，珠三角地区的人口较其他地区多，造成人均水资源生态承载力最低。

在水资源生态盈亏方面，尽管近15年来广东水资源每年均处于生态盈余状态，但广东省各市水资源可持续利用状况并不乐观。水资源分布和需求不匹配，水资源利用状况存在很大空间差异(图6)，呈现水资源生态赤字的城市包括：东莞市、佛山市、广州市、深圳市、中山市、汕头市，均属于珠三角地区，最大的生态赤字达到-3.1hm2/人，而粤北地区则出现显著的水资源生态盈余，最大值达22.1hm2/人。

图6 广东省人均水资源生态盈余/赤字空间分布

表3为广东省部分地级市近年水资源生态盈余/赤字随时间变化情况。从表3可知，广州、深圳、佛山、东莞在近15年来水资源均处于生态赤字状态，中山市和珠海市则分别从2003年和2011年开始，由水资源生态盈余转变为生态赤字，且赤字状况在2011年大幅度加深。中山市仅在2008—2011年，生态赤字则增加了接近6倍。可见，由于珠三角地区经济较发达，人口数量大，工农业用水和废水的排放量都较大，但其水资源生态承载力却不高，常常出现用水紧张。而可喜的是，2014年以来，珠三角多市的生态赤字有所减小，这说明近两年人们逐渐意识到经济飞速发展对环境的负面影响，也加大了对水资源可持续发展的关注度。

表3 广东省部分地级市近年水资源生态盈余或赤字变化情况 hm2/人

图7为广东省万元GDP水资源生态足迹空间分布。由图7可见，珠三角对水资源的利用效率较高，而粤北、粤东北地区对水资源的利用效率较低。但恰恰粤北、粤东北地区的水资源生态承载力则较珠三角地区大得多。因此，两个地区应该进一步发挥各自的优势，实现区域之间资源和技术的互补。在合理开发的情况下，实现自北向南的水资源的空间调配，缓解珠三角地区的用水紧张，同时，借助珠三角的技术和资金的支持，完善粤北、粤东北地区的水利工程建设，提高水资源利用效率，从而更好地实现区域间水资源的可持续发展。

图7 广东省万元GDP水资源生态足迹空间分布

2.3 广东省水资源生态足迹的影响因素

根据广东省水资源利用现状，参照水资源评价指标体系选取的相关原则及标准，依据《广东省水资源公报》《广东省统计年鉴》[6-7]等相关资料，选取了14个指标，并与因变量广东省人均水资源生态足迹做相关分析，结果按照相关系数从大到小排列见表4。

由表4可以看出，在14个指标中，城镇生活污水、人均GDP、工业废水3个指标与人均水资源生态足迹的相关系数最高，是影响广东省人均水资源生态足迹的最主要因素。可见，随着广东省经济和城市化的快速发展，水污染问题已经成为影响广东省水资源可持续利用的关键因素。据统计，目前广州市郊依然存在很多小型造纸、印染、服装染料、制革、农药等严重污染水环境的企业，其清洁化生产的意识较低，对水污染的贡献度较高。万元GDP用水量、万元农业增加值用水量、万元工业增加值用水量、农业用水量与人均水资源生态足迹的相关系数为负值，且数值接近-1，这说明这4个指标与人均水资源生态足迹呈显著负相关。这4个指标的逐渐减少表明了广东经济的转型升级，一些高耗水、低产值企业在结构调整中遭淘汰，加上新技术的进步和节能技术的应用，致使各种工农业、企业的用水效率不断提高。然而，多年来水资源生态足迹的上升趋势说明，用水效率的提高依然跟不上需水量和污水排放量暴增的步伐。

表4 广东省各指标与人均水资源生态足迹的相关系数

注：**表示达到0.01显著性水平；*表示达到0.05显著性水平。

3 结 论

a. 2000—2014年随着经济和城市化的快速发展，广东省水资源生态足迹呈上升趋势；15年来全省水资源都为生态盈余，但由于水资源的开发量和排污量的增加，水资源的盈余值也在近年波动下降。

b. 在空间上，水资源生态足迹从珠三角地区分别向北、东、西3个方向逐级递减，呈现出以珠江三角洲为核心的中间高，四周低的半环状分布。此外，从珠三角和粤北、粤东北地区的水资源承载力与水资源的利用效率不匹配的情况看来，珠三角和粤北、粤东地区应该进一步发挥各自的优势，实现区域之间资源和技术的互补。在水资源生态盈余/赤字方面，粤北地区生态盈余值最大，而珠三角地区已有东莞、佛山、广州、深圳、中山、汕头、珠海7市多年出现水资源生态赤字，水资源利用呈现不可持续发展状态。

c. 在结构上，水污染足迹占水资源生态足迹的比例最大，且增长速度最快。同时，相关性分析结果也显示，城镇生活污水、人均GDP、工业废水是影响广东省水资源生态足迹的最主要因素。

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