无锡市水生态足迹与水资源可持续发展评价

宦臣臣，甘升伟，徐 慧，饶汉霖

(1.太湖流域水文水资源监测中心 江苏 无锡 214024；2. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

近年来,愈加严峻的水资源利用现状和水生态发展问题对水资源的可持续发展利用提出了更高的要求。国内外学者围绕水资源可持续利用[1-4]和水生态可持续发展[5]的研究方兴未艾，运用系统动力学[6]、多目标规划、生态足迹[7]等方法在多种空间尺度上开展了研究。生态足迹法因为其量化准确，可操作性强的优点而得到了广泛应用，谭秀娟[8]，于冰[9]等利用该方法对国家、省市等尺度上的水资源可持续利用状况进行了分析评价。

水生态足迹(Water Ecological Footprint)，是人类在对水生态系统的深入研究中，以生态足迹理论[10]为基础发展而来的。在诸多学者的研究与探讨下，水生态足迹的概念已逐渐明确。其定义为：某一特定的地理区域内，经济规模和人口发展到一定程度时，区域发展所消费的水资源量和吸纳生活生产废弃物需要的水资源量，所核算得到的生物生产性土地的面积。简单来讲，水生态足迹指的是一定人口和经济规模条件下维持水资源消费和消纳水污染所必需的生物生产性土地面积，其单位一般为hm2。而与之类似的水足迹测算的则是用于生产和服务所消费的水资源量，单位为m3[11]。

关于水生态足迹的划分，传统生态足迹理论中仅包括水产品生态足迹，缺少水资源账户。但是水资源作为国民生活生产的重要战略性资源，其重要性和不可替代性不容忽视，因此，许多学者开始致力于将水资源纳入到生态足迹的研究中去，以便对其进行量化分析及比较。黄林楠等[12]在生态足迹理论的基础上增加了水资源账户，并对各项系数和子账户进行了测算。段锦等[13]通过增加淡水资源账户和污染账户，进一步弥补了生态足迹模型中对淡水资源和生态系统消纳污染物能力描述的不足。焦文珺等[14]基于生态系统服务对各类水生态足迹的内涵及关系进行了探讨，完善了水生态足迹模型。但目前多数研究对水生态系统的整体性考虑不足，在水生态足迹的耦合方面考虑不够充分，而且没有将现状与发展趋势的分析结合起来。因此，笔者运用水资源可持续发展综合评价模型综合从水量、水质和水生态系统3个方面考虑，对水资源可持续发展的现状及趋势进行了深入探讨。其中，水产品生态足迹是水生态系统稳定性的反馈，属水域型生产性土地；淡水生态足迹对应水量的安全性，水污染生态足迹是水质的保证，均为水资源生产性土地。

1 水资源可持续发展综合评价模型

1.1 水生态足迹模型

(1) 水产品、淡水、水污染生态足迹计算模型分别为:

Esw=Nesw=Φ(Ws/Ps)

(1)

Erw=Nerw=φ(Wr/Pw)

(2)

Epw=Nepw=φ(Wp/Pw)

(3)

式中：E为各类水生态足迹，hm2。其中，Esw对应水产品，Erw对应淡水，Epw对应水污染。e为其对应的人均值，hm2·人-1。W为各类水生态足迹账户核算的项目，Ws为区域水产品消费量，t；Wr为区域淡水消耗量(不含火电用水)，m3；Wp为稀释污染物需水量，m3。选取无锡水域主要超标污染物氨氮作为稀释对象，利用零维水质模型[15]计算，降解系数取KN=0.05[16]。Ps、Pw均为全球平均生产能力，表征水产品的Ps=0.18 t/hm2[17]，表征水资源的Pw=3 140 m3/hm2[12]。Φ、φ均为全球均衡因子，表征水域的Φ=0.35[18]，水资源的φ=5.19[12]。

(2) 水生态足迹耦合模型。水产品、淡水、水污染生态足迹之间的关系并非相互独立，因为同一水域常常具有多种生态功能，例如提供淡水资源的水域也可能有渔业养殖的功能，同时根据《地表水环境质量标准GB 3838—2002》，一般排污区域不适用于水产养殖。因此结合《江苏省地表水(环境)功能区划》，得出三者关系如图1所示。

图1 三类水生态足迹的关系

图1中，A+B部分为水产品生态足迹，B+C+D部分为淡水生态足迹，D+E部分为水污染生态足迹，B和D为重复部分。根据无锡市水功能区划分，有10个水功能区兼做渔业和工农业用水区，占85个水资源开发利用区的12%，所以取淡水生态足迹的12%计算重复部分。而现行的水功能区划尚无排污控制区[19]，水污染生态足迹与淡水生态足迹重复部分无直接统计数据，取值为0。计算公式如下：

Efw=Nefw=Esw(A+B)+Erw(C)+Epw(E)

(4)

式中：Efw为区域水生态足迹，hm2；efw为人均水生态足迹，hm2·人-1。

1.2 水生态承载力模型

水生态承载力是指一定条件下，自然水生态系统所能支撑的人类活动的阈值[20]，可用水资源的生态生产能力来衡量，即区域水资源总量，核算为所能承载的相应生物生存的面积。计算公式如下：

Ecw=Necw=αφψ(Q/Pw)

(5)

式中：Ecw为考虑本地水资源总量的区域水生态承载力，hm2；ecw为人均水生态承载力，hm2·人-1；α为水资源合理开发利用率，取值0.4；Q为本地水资源总量，m3；ψ为区域水资源产量因子，经核算，无锡市ψ=1.50。

1.3 水资源可持续发展评价指标

(1) 水生态盈亏，具体可以用公式(6)进行计算：

ΔEw=Ecw-Efw

(6)

式中：ΔEw表示水生态盈亏，hm2·人-1。正值为盈余，表示水生态系统供给的水资源能支撑人类发展的需求；负值则为赤字。

(2) 万元GDP水生态足迹等于区域水生态足迹总量与对应时段的GDP总量的比值，该数值越小，说明创造同等价值的经济效益需要的水生态足迹越少，水资源利用效率越高，可持续性越强。

(3) 水生态可持续指数(ESI)反映的是一定区域的水生态系统可持续供给的水资源满足人类需求的程度，能够较为直观地反映水资源可持续发展的强度。

ESI=Ecw/(Ecw+Efw)

(7)

式中:ESI=0.5时，表示区域水资源供给需求平衡。因此可以0.5为界限，将可持续发展程度由弱到强分为4个不同的等级类型(表1)。

表1 水生态可持续指数分级

1.4 水生态足迹预测模型

ARIMA(p，d，q)模型一般用于非平稳时间序列[21]，应用时将其经过d次差分转化为平稳序列(式8)并进行检验，然后根据AIC准则确定模型参数p，q，就可以对时间序列进行相应的预测。

ut=λ1ut-1+,…,+λput-p+εt+θ1εt-1+,…,+θqεt-q

(8)

式中：ut为时间序列；λi(i=1,2,…,p)为回归系数；θi(i=1,2,…,q)为移动平均系数，εt是一个为白噪声序列的随机项。

2 实例分析

2.1 研究区概况

无锡市地处江苏省东南部，南濒太湖，北枕长江，地表水丰富，外来水源较为充足，人口密度大，本地多年平均水资源总量(1956—2000年)为22.05亿m3，多年平均人均水资源量为340 m3，水域水质总体维持在Ⅳ类。2015年无锡成为“国家生态保护与建设示范区试点城市”，环境保护与生态文明建设的战略地位更加突出，但是无锡经历了30多年的快速发展之后，资源环境在一定程度上出现了透支现象。因此，促使城市水资源可持续发展已成为支撑无锡经济社会可持续发展的重要任务。

2.2 无锡市水资源可持续发展现状分析

根据公式(1)～(7)，笔者结合人口情况对无锡市2008—2015年的人均水生态足迹进行计算和分析，结果见表2。各类生态足迹占比情况见图2，水资源可持续发展指标变化情况见图3。

表2 无锡市2008—2015年水生态足迹计算成果表

注：计算资料来源于《无锡市水资源公报》《无锡市统计年鉴》；表中和文中如无特殊说明，均不考虑外来水资源

从水生态足迹角度进行分析，2008—2015年无锡市的人均水生态足迹在0.28至0.35 hm2范围内波动，呈上升趋势，说明无锡市的经济发展在一定程度上是以增加水资源消耗为代价的，不利于可持续发展。由图2可知，占水生态足迹比重最大的是淡水生态足迹(扣除与水产品生态足迹重复部分，下同)，且从2008年的64.1%逐年递增到2015年的77.7%，年均增长2%，说明无锡城市化进程的加快对淡水消耗的需求量不断增加。而水污染生态足迹逐年减少，其原因在于无锡市污水排放总量控制的进一步加强，主要污染物氨氮已由2008年的0.61万t减少到2015年的0.36万t，削减率超过40%。

图2 2008—2015年无锡市各类水生态足迹占比

图3 2008—2015年无锡市水资源可持续发展指标

从考虑本地水资源总量的水生态承载力角度来看，无锡市的人均水生态承载力较低，且年际间波动很大，主要是因为降水量年际分布不均，本地水资源总量不稳定所致，尤其是2013年，仅为2008—2015年无锡平均水资源量的2/3。综合考虑水生态足迹和水生态承载力，除2013年水资源总量偏少，呈水生态赤字状态外，2008—2015年其余年份无锡市均处于水生态盈余状态，本地水资源的生态承载力基本满足水生态足迹消耗的需要，处于可持续发展状态。但是，如果考虑过境水对水生态承载力的影响，以本地水资源生态承载力最低的2013年为例，当年共取用长江水(非火电)7.09亿m3，则人均水生态承载力为0.427 hm2/人，ΔEw=0.083 hm2/人，ESI=0.55，比较可知，合理利用过境水可以提高区域水生态承载力。

由水生态可持续指数分析可得，除2013年水生态可持续指数小于0.5外，2008—2015年其余年份无锡市水生态可持续指数在0.55～0.66之间波动，处于弱可持续发展的状态，2015年本地水资源量最丰富，水生态可持续指数最大，但仍未达到强可持续的水平。同时由图3可知，无锡市万元GDP水生态足迹呈下降趋势，与GDP的逐年增长呈反相关关系。这充分说明了无锡市高速的经济发展并不依赖于高耗水产业，而更注重水资源利用效率的提高。其中2008—2011年下降幅度最大，由0.043 hm2/万元降低到了0.032 hm2/万元，降幅达25%；2012—2015年则基本趋于平稳，波动幅度小于0.001 hm2/万元，这表明无锡市水资源利用效率已经迫近现有政策及技术条件下的极限值，要进一步提高效率，则需要继续调整优化用水结构，改进节水工艺，突破当前极限值。

2.3 无锡市水资源可持续发展趋势预测

为研究无锡市今后几年内水生态足迹及可持续发展的趋势，基于IBM SPSS Statistics 22.0软件平台，采用自回归移动平均(ARIMA)模型预测了2016—2020年无锡市水产品消费量、淡水消耗量及氨氮排放量。人口总量根据《无锡市“十三五”人口发展规划》的常住人口自然增长率4‰进行推算。SPSS软件中的ARIMA模块调用过程为“分析→预测→创建模型→ARIMA”。调用ARIMA模块后，利用AIC准则判断出模型阶数及相关参数为(2,1,2)，运用此模型所得预测结果见表3。经检验，模型相对误差在10%左右。

图4 无锡市2016—2020年水生态足迹预测

2020年无锡市预测耗水量为14.48亿m3，与《无锡市水利现代化规划(2012年版)》中的耗水量预测值14.95亿m3一致，2020年无锡市氨氮排放量0.21万t，符合《无锡市“十三五”生态环境保护规划》中规定的“完成省下达的目标任务0.56万t”的减排目标，因此数据预测符合无锡市的经济社会发展趋势，可以用于水生态足迹的计算，计算结果见图4。

表3 无锡市2016—2020各项数据预测结果

由图4可知，若保持现有水平继续发展，无锡市人均水生态足迹将呈逐年上升趋势，无锡市对水生态系统的需求不断增加。其中，淡水生态足迹仍逐年增加，无锡市水生态系统供水压力进一步增大；水污染生态足迹逐年减少；水产品生态足迹和往年持平。水生态承载力因为受当年水文气象和降雨情况影响较大，预测难度较高，若以无锡市多年平均水资源总量估算可得2016—2020年城市人均水生态承载力为0.335～0.330 hm2，水生态可持续指数为0.48～0.46，随人口增加呈下降趋势。

3 结论和建议

通过构建水资源可持续发展综合评价模型，定量分析了无锡市水生态足迹的组成特点，对水资源可持续发展原因和问题进行了剖析，并对其发展趋势进行了短期预测，得到结论和建议如下：

(1) 从本地水生态承载力的角度来看，除2013年外，2008—2015年无锡市水资源系统呈水生态盈余状态，但是水生态可持续指数逼近0.5的临界值，说明本地水资源的生态承载力虽然基本能够满足水生态足迹消耗的需要，但整体处于弱可持续发展的状态，如果增加考虑过境水的影响，则水生态承载力有所增加，可持续发展强度更大。预测结果表明若按照现有水平继续发展，无锡市水生态足迹会进一步增大，水资源有不可持续发展的风险。

(2) 为了实现无锡市水资源可持续发展需要采取以下措施：首先，无锡市的淡水生态足迹占其水生态足迹的60%以上且占比逐年增加，因此，应降低耗水率，调整优化用水结构，建立节水型的社会生产和消费体系；其次，无锡市在治水治污方面取得了一定成效，应在此基础上进一步加强无锡市水污染总量控制以减少水污染生态足迹；最后，无锡市过境水资源丰富，应充分利用过境水资源与本地水资源互为补充，缓解当地用水资源压力，提高无锡市水生态承载能力。