三峡库区水资源生态足迹及承载力时空演变研究

许 典 子，张 万 顺,2,3，彭 虹，申 诗 嘉，黄 攀 攀

(1.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430072； 2.武汉大学 中国主体功能区战略研究院，湖北 武汉 430072； 3.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072; 4.武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 430072)

随着水资源短缺问题的日益凸显，水资源可持续利用研究已成为促进社会经济环境可持续发展的关键环节[1-2]。作为我国水资源配置的战略水源地和长江上游经济发展战略中心，三峡库区具有举足轻重的地位，研究三峡库区水资源可持续承载状态以及发展趋势，能有效支撑长江经济带水资源综合管理。

生态足迹是衡量资源可持续利用的一种综合核算方法[3]，由William于1992年提出，此后Wackernagel及众多学者对理论进行了发展和完善[4-5]，该理论衡量社会的资源环境需求与实际可用土地面积及其环境所提供的服务之间的关系[6]。学者们将生态足迹理论应用于水资源领域，开展了水足迹[7-9]、水生态足迹[10-12]以及水资源生态足迹研究[13-15]。Wang等构建了水资源生态足迹及水资源生态承载力模型，将水资源账户进一步划分为3个子账户，包括生活用水、生产用水及生态需水足迹，计算辽河流域城市尺度和流域尺度水资源生态足迹[16]；丁华等引入万元GDP水资源生态足迹，建立改进的上海市水资源生态足迹和承载力模型，分析其水资源生态需求和供给能力[17]；邓晓军等引入虚拟水，计算了农业、工业产品的生产需水量和虚拟水贸易量，通过水匮乏度、水自给率和水依赖度等分析了四川省水资源利用状况[18]；周健等通过引入生态系统服务价值理论，构建了基于生态足迹的三峡库区重庆段生态补偿标准模型，并计算各区县的生态补偿标准[19]；刘子刚等对水生态足迹的内涵进行扩展，将水产品生态足迹、淡水生态足迹以及水污染生态足迹考虑在内，分析湖州市逐年水生态足迹和水生态承载力[20]。纵观以往的水足迹研究，三峡库区的水资源生态足迹研究多以行政区域或小流域为研究对象，容易忽略水污染对生态环境的影响，尚未见三峡库区全库区流域的水资源生态足迹研究。

本文以三峡库区流域作为研究区域，将水资源开发利用及水环境安全纳入生态足迹核算，构建三峡库区流域水资源生态足迹模型，综合评价建库以来三峡库区流域水资源生态足迹与水资源生态承载力的时空格局动态变化规律，明晰影响水资源生态足迹与水资源生态承载力动态演变因素，对三峡库区流域水资源的科学管控和区域的社会经济可持续发展具有十分重要的支撑作用。

1 研究方法

水资源生态足迹模型包含以下3个部分：水资源生态足迹、水资源生态承载力和水资源生态盈亏。水资源生态足迹反映需求，表示人类在生活生产中开发利用水资源以及自然环境维持自身进化对水的需求。水资源生态承载力反映供给，表示水资源对生态和经济系统良性发展的支撑能力。地区水资源供需平衡状况主要是通过水资源生态盈余和生态赤字来表示[21]，水资源生态足迹模型框架如图1所示，具体过程如下。

图1 水资源生态足迹模型框架Fig.1 Framework of water resources ecological footprint model

1.1 水资源生态足迹

基于生态足迹建立水资源账户，将水资源生态足迹划分为淡水生态足迹和水污染生态足迹：

EFw=EFfw+EFww

(1)

式中，EFw表示区域水资源生态足迹，hm2；EFfw表示区域淡水生态足迹，hm2；EFww表示区域水污染生态足迹，hm2。

1.1.1 淡水生态足迹

根据用水性质分类，淡水生态足迹下的水资源帐户可划分为生活用水、生产用水和生态需水足迹3个二级帐户。

水资源账户的计算模型可表示为[20]：

EFfw=N×AEFfw=γw×W/APw

(2)

式中，AEFfw表示区域淡水生态足迹，hm2；N表示区域人口数；EFfw表示该区域人均淡水生态足迹，hm2/人；γw表示水资源全球均衡因子；W表示水资源消耗量，可进一步细分为生活用水量、生产用水量以及生态环境用水量，m3;APw表示全球水资源平均生产能力，m3·hm-2。

1.1.2 水污染生态足迹

水污染生态足迹反映稀释和净化生产生活中排放的污废水对水资源的消耗，水污染生态足迹计算公式为[20-22]：

EFww=N×AEFww=γw×(TCww/APw)

(3)

式中，EFww表示区域水污染生态足迹,hm2；AEFww表示区域人均水污染生态足迹,hm2/人；TCww表示区域污染稀释净化需水量,m3；APw表示全球水资源平均生产能力,m3·hm-2。采用零维水质模型计算污染稀释净化需水量，公式如下[22]：

(4)

式中，Qww表示区域污染物排放量,t/a；Cs表示水质目标浓度,mg/L，根据水资源公报[23]等成果，以Ⅲ 类水质为标准，COD和氨氮浓度标准分别为20 mg/L和1.0 mg/L；K为污染物综合降解系数，1/d，按照《三峡库区水域纳污能力及限制排污总量意见》等成果[24]，取K值为0.1。

水文学中将水资源的生产能力以多年平均产水模数来表述，全球水资源平均生产能力即为全球多年平均产水模数。根据多年统计资料，结合该参数在三峡库区的应用，确定全球单位面积的产水量为3 140 m3·hm-2[25-26]。全球水资源均衡因子以水资源生物生产面积的平均生态生产力除以全球各类生物生产面积的平均生态生产力来刻画，根据研究结果，多采用WWF《2002世界自然基金会地球生命力报告》确定的全球水资源均衡因子5.19进行计算，学者们在长江经济带及三峡库区范围进行了应用，表明其具有适用性[13，26-27]。

1.2 水资源生态承载力

基于生态足迹的水资源承载力表示该区域在一定的发展阶段和技术管理条件下，水资源可支持该区域资源、环境和社会可持续发展的能力。水资源生态承载力的计算模型可表示为[16]：

ECw=N×ecw=α×γw×φ×Q/APw

(5)

式中，ECw表示区域水资源承载力,hm2；N表示区域人口数；ecw表示区域人均水资源生态承载力,hm2/人；γw表示水资源均衡因子；φ表示水资源产量因子；Q表示区域水资源总量,m3；APw表示全球水资源平均生产能力,m3/hm2；α表示生物多样性补偿系数。

水资源产量因子以区域单位面积产水量除以全球单位面积产水量来刻画，也可用区域多年平均径流深除以全球多年平均径流深来计算。根据水利电力部水文局数据，重庆市水资源产量因子为2.04，湖北省为1.68[13]，核算出三峡库区流域产量因子为1.97。基于世界环境与发展委员会(WCED)成果，α取值为0.88，表示扣除12%维持生态环境和生物多样性的水资源量[16,28]。

1.3 水资源生态盈亏

以水资源生态盈余或生态赤字来衡量水资源的可持续利用程度，计算公式如下：

EFb=ECw=-EFw

(6)

式中，EFb表示区域水资源生态盈亏指数；EFw表示水资源生态足迹,hm2；ECw表示水资源承载力,hm2。若EFb<0，表示该地区水资源生态赤字，水资源开发利用处于不健康模式；若EFb=0，表示水资源生态平衡；反之则代表生态盈余，该区域水资源开发利用处于可持续状态。

2 结果与分析

2.1 研究区概况

三峡库区是指长江上游流域由于三峡工程修建而存在的具有特殊意义的独特地理单元，是我国水资源配置的战略水源地，横贯东西的“黄金水道”，也是我国实行“西部大开发”政策、“一带一路”规划和“长江经济带”战略的重要联结点，包含了湖北省所辖夷陵区、秭归县、巴东县、兴山县4个区县和重庆市所辖巫山县、巫溪县、奉节县、云阳县、开州区、万州区、忠县、涪陵区、丰都县、武隆县、石柱县、长寿区、渝北区、巴南区、江津区以及重庆主城区(包括渝中区、北碚区、沙坪坝区、南岸区、九龙坡区、大渡口区和江北区)22个区县，共26个区县(图2)。三峡库区流域总面积5.8万km2，2016年常住人口为2 066.04万人。该区域属于亚热带季风气候，水热资源丰富，立体气候明显，年均温度15～19℃，年降水量1 000～1 800 mm，降雨多集中在4～10月。长江横贯全区，过境水资源丰富，水资源总量约4 000亿m3，水资源开发潜力巨大。《全国主体功能区规划》将三峡库区流域定位为重点开发区和重点生态功能区，区域间的水资源量、水资源质量以及社会经济发展都存在较大差异。

2.2 数据来源

本文采用的水资源数据(包括降雨量、水资源总量、生活用水量、生产用水量、生态环境用水量及污染物排放量等)来源于2002～2016年《重庆市水资源公报》《湖北省水资源公报》，社会经济数据(包括人口及GDP等)来源于《重庆市统计年鉴》《湖北省统计年鉴》以及《巴东县国民经济和社会发展统计公报》《宜昌市国民经济和社会发展统计公报》等。

图2 三峡库区流域行政区划 Fig.2 Administrative district of Three Gorges Reservoir area

2.3 时间动态演变特征

基于上述研究方法，以重庆市及湖北省三峡库区流域2002～2016年水资源公报数据为基础，计算三峡库区流域2002～2016年水资源生态足迹和水资源生态承载力(表1)。

表1 三峡库区流域2002～2016年水资源生态足迹与水资源生态承载力Tab.1 Water resources ecological footprint and ecological carrying capacity in Three Gorges Reservoir area from 2002 to 2016

2002～2016年历年生态盈亏指数均大于0，表明三峡库区流域整体上呈现一定生态盈余，不仅可以保证社会经济与生态环境的良性发展，而且满足水资源的进一步需求，水资源利用处于可持续状态。

2002～2016年三峡库区流域水资源生态足迹总体上呈波动的先上升后下降趋势(图3)，2008年水资源生态足迹达到最高141.04×106hm2，2008年比2002年增长54.60%。2009年水污染生态足迹达到最高48.30×106hm2，2009年比2002年增长90.98%，此后水污染状态有所改善，水污染生态足迹呈现降低趋势并趋于稳定状态。2008年淡水生态足迹达到最高98.27×106hm2，2008年比2002年增长49.02%。用水总量尤其是第二产业用水量也呈现先上升后下降的趋势(图4)，2008年第二产业用水生态足迹达到峰值60.25×106hm2，其后逐渐降低，2016年第二产业用水生态足迹仅为2008年的66.86%，这表明自2008年起水资源利用效率在逐步提高。

三峡库区水资源生态承载力历年间波动变化较大(图3)，2007年水资源生态承载力最高达257.99×106hm2，而2006年最低仅有141.88×106hm2，且其他年份呈高低不均分布。由图5可知，三峡库区2002～2016年间水资源生态承载力与降水量呈线性相关(正相关系数=0.86)。2006年三峡库区年降雨量较其他年份明显减少，库区遭遇旱情，水资源生态承载力明显降低。

在水资源生态足迹的二级账户中(图6)，2002～2016年生产账户占比均在76%以上，比重最大。生活用水生态足迹呈现出先降低后增加的趋势，从2002年到2003年，生活用水生态足迹由15.18×106hm2降低至11.12×106hm2，而后增加至2016年的17.73×106hm2。由于三峡工程全部竣工后，水库淹没区将涉及湖北省、重庆市21个县市区，因此在2003年三峡大坝正式下闸蓄水后，2004年常住人口较2003年减少134.73万人，而2004年城镇人口较2003年增加332.62万人，大量人口外迁，城镇户籍却大量增加，三峡库区人口结构发生了重大变化，由人口迁移导致的用水结构也发生改变。这期间，由于大量农村人口转变为城镇户籍，生活用水由2003年的6.73亿m3增加至7.20亿m3，生活用水量增加7.0%，生活用水生态足迹由58.65×106hm2增加到72.80×106hm2；三峡大坝的修建，库区淹没了2.79万hm2优质耕园地，耕地面积减少，农业用水量也相应减少，第一产业用水量由2003年的13.57亿m3减少为13.21亿m3，第一产业用水生态足迹由22.43×106hm2降低至21.83×106hm2。历年生态环境账户所占比例均不到1.2%，在坚持生态优先，绿色发展的战略定位下，三峡库区生态环境用水量在逐年升高。三峡库区流域历年水资源生态盈余均在23.49×106hm2以上，水资源尚处于可持续利用状态。

图3 三峡库区流域2002～2016年水资源生态足迹与水资源生态承载力Fig.3 Water resources ecological footprint and carrying capacity in Three Gorges Reservoir area from 2002 to 2016

图4 三峡流域库区用水总量与第二产业用水量Fig.4 Water consumption of Three Gorges Reservoir area from 2002 to 2016

图5 三峡流域库区水资源生态承载力与降雨量的关系Fig.5 Relationship between precipitation and carrying capacity of water resources

2.4 空间格局

三峡库区水资源生态足迹及生态承载力均呈现地域不均衡性(表2)。其中，生态功能区的兴山县水资源生态足迹最小，为1.14×106hm2，重点开发区的江津区水资源生态足迹最大，为13.94×106hm2，是兴山县的12倍；重点开发区的渝中区水资源生态承载力最小，为0.06×106hm2，生态功能区的巫溪县水资源生态

图6 三峡流域库区2002～2016年淡水生态足迹组成Fig.6 Water ecological footprint contents of Three Gorges Reservoir area from 2002 to 2016

Tab.2 Water resources ecological footprint and water resources ecological carrying capacity of every district of Three Gorges Reservoir area in 2016 106hm2

承载力最大，为28.22×106hm2，是渝中区的470倍，地区差异显著。三峡库区整体呈现生态盈余，但重庆市部分区县，包括渝中、渝北、沙坪坝、南岸、九龙坡、江津、江北、大渡口、长寿、涪陵和北碚区11个区县的生态盈亏指数为负值，呈现水资源生态赤字，其余区县的生态盈亏指数为正值，呈现水资源生态盈余(图7)。

从地域上看，三峡库区流域水资源生态承载力总体上呈现由西向东、由库尾向库首增多的趋势(图7)。位于库尾的重庆市9大主城区的水资源生态承载力较弱，主城区以6.65%的土地面积和4.85%的水资源量，承载了重庆市27.21%的人口以及41.89%的经济产值，水资源开发利用率和用水效率高，水资源压力较大，除巴南区外均呈现生态赤字。除主城区外，位于库尾的长寿区建有国家级经济技术开发区，重点发展天然气石油化工及新材料新能源等，水污染生态足迹为3.05×106hm2，生产用水足迹占淡水生态足迹的87.5%，水资源生态足迹是水资源生态承载力3.14倍，呈现水资源生态赤字。江津区水资源量丰富，但生产用水足迹占淡水生态足迹的91.5%，生态盈亏指数为-7.94×106hm2，同样呈现生态赤字。

图7 三峡库区流域水资源生态盈亏指数Fig.7 Distribution of water resources ecological surplus and deficit index in Three Gorges Reservoir area

库中区域除武隆县、云阳县和石柱县为重点生态功能区，其余区县均为重点开发区。其中，涪陵区、万州区和开州区水资源生态足迹占库中区域的67.74%，库中区域各区县除涪陵区外，水资源生态足迹均未超过水资源生态承载力，呈现生态盈余。涪陵区位于长江干流与其支流乌江的交汇处，属于乌江开发区，生产用水足迹占淡水生态足迹的87.73%，水污染生态足迹为4.27×106hm2，生态盈亏的指数为-6.10×106hm2，呈现生态赤字。库首区域均为重点生态功能区，作为重要生物多样性保护以及少数民族的聚集区，生态文明建设放在更加突出的地位，库首水资源禀赋条件好，水资源生态承载力相对较高，占全库区的46.39%，区域内均呈现生态盈余。

三峡库区流域水资源生态足迹高的区域集中在重点开发区，各区县水资源生态足迹占全库区的82.27%，水污染生态足迹占全库区的87.67%。而重点生态功能区的水资源生态足迹相对较低，仅占全库区的17.73%；水污染状况较轻，水污染生态足迹仅占全库区的12.33%。重点开发区作为支撑区域经济增长的重要区域，用水量大，用水效率高，在高质量发展的同时，应避免出现开发区城市扩张带来的水资源过度开发和生态环境压力过大等问题；重点生态功能区水资源量充沛，因主导功能定位及产业结构和布局等因素的影响，当地水资源的开发利用率较低，在不影响自然保护区主体功能的前提下，也需提高水资源开发利用率和用水效率。

3 讨 论

根据水生态足迹的内涵，本文采用的水资源生态足迹法将人类对水资源的消耗和水污染的生态影响纳入到生态足迹的核算，弥补了仅考虑水资源量而忽略水资源质量的不足，具备较好的科学性和系统性。时间尺度上，考虑水污染生态足迹后，三峡库区流域历年水资源仍然呈现生态盈余，但水资源生态盈余量减少；空间尺度上，涪陵区由于污染物排放量较多，在三峡库区各区县中水污染生态足迹最大，考虑水污染生态足迹后，水资源处于生态赤字状态。本文确定的水资源生态足迹计算所涉及到几个基本参数，其中水资源均衡因子、水资源产量因子和全球水资源平均生产能力的取值在众多学者们的研究中基本统一，而不同学者对于生物多样性补偿系数α的取值持不同观点，如世界环境与发展委员会(WCED)取值为0.88[16,28]，张月等取值为0.75[29]，黄林楠等取值为0.4[13,20]。表3为上述3种不同生物多样性补偿系数取值下的水资源生态足迹与水资源生态承载力结果。其中，本文采用WCED发布的结果并考虑三峡库区实际情况，选取α=0.88进行计算[19]，α=0.75和α=0.4则分别表示扣除25%和60%维持生态环境和生物多样性的水资源量。当α=0.75时，2002～2016年历年水资源生态承载力均大于生态足迹，呈现水资源生态盈余，但盈余量较α=0.88时有所降低；当α=0.4时，仅2002,2003年区域呈现水资源生态盈余，自2004年起历年水资源生态承载力均小于水资源生态足迹，呈现水资源生态赤字。因此，当α取值减小时，表示需要有更多的水资源用于维持生态系统健康，则水资源生态承载力会随之降低，水资源可持续利用的压力也会随之增大。

人口增长以及社会经济发展对水的大量需求是水资源生态足迹变化的主要原因，同时水资源利用率提升使生产用水得到控制也是水资源生态足迹变化较大的因素。从2002年到2008年水资源生态足迹持续上升，2008年比2002年增长54.60%，而自2008年至2016年，水资源生态足迹呈缓慢下降的趋势，降至130.05×106hm2，其中，生活账户和生态环境账户呈逐年增加的趋势，而生产账户则呈现先增加后降低的趋势。由此可知水资源生态足迹的变化是社会经济发展的需要，且水资源的利用效率有了明显的提高，这与三峡库区流域的社会经济发展规律是基本一致的，因此本文采用水资源生态足迹法计算结果是较为科学合理的。

表3 生物多样性补偿系数不同取值下三峡库区流域2002～2016年水资源生态足迹与水资源生态承载力Tab.3 Water resources ecological footprint and ecologicalcarrying capacity in Three Gorges Reservoir area under different biodiversity compensation coefficient 106hm2

4 结 论

本文运用生态足迹理论，将水资源生态足迹分为淡水生态足迹和水污染生态足迹，构建水生态足迹模型，计算分析了三峡库区流域2002～2016年水资源生态足迹和水资源生态承载力。

整体而言，三峡库区水资源禀赋条件好，2002～2016年水资源生态足迹均小于水资源生态承载力，水资源生态有一定盈余，水资源呈可持续利用状态。但三峡库区流域水资源分布与人口、经济的分布极不对应，库首重点生态功能区域的生态盈余较大，库尾重点开区域基本呈现水资源生态赤字，水资源与社会经济发展之间呈现不均衡模式。因此在库尾地区，尤其是出现生态赤字的渝中区、渝北区等应加大产业调整力度，严格控制耗水量大或污染严重的企业发展。

三峡库区流域2002～2016年水资源生态足迹总体上呈先上升后下降趋势，用水效率和水污染状态有明显改善。三峡库区水资源生态承载力受降水影响较大，两者呈现显著的线性相关，水资源生态承载力随年际间降雨量的减少而明显降低，水资源生态盈余也随之减少，因此需加强三峡库区水利工程的蓄水能力以应对干旱问题。

水资源生态足迹各账户占比反映三峡库区产业结构调整的变化，在水资源生态足迹的各账户中，以生产账户所占比重最大，历年占有量均在76%以上。因此,需基于三峡库区流域水资源-社会-经济可持续发展进行产业调整，提高三峡库区整体的水资源利用效率，特别是重点开发区的工业用水重复利用率，促进三峡库区流域水资源与社会经济的可持续发展。