基于生态足迹模型的水资源可持续利用分析

王 先 庆，李 博，李 进，刘 鹏 飞

(1.贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550000； 2.贵州大学 喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室，贵州 贵阳 550000； 3.河南德诺安科职业卫生评价有限公司，河南 南阳 473000)

1 研究背景

水是一种不可或缺的自然资源，在维护人类生活、生产活动以及生态环境等方面具有极其重要的作用。伴随着人口与经济的飞速增长，水资源短缺已成为一个全球性的问题[1-2]，因此，实现水资源的可持续利用已成为推动经济发展的一个重要因素[3-5]。

近几年来，水资源在可持续利用发展方面越来越受到人们的关注，例如，巴西的Vicente P.P.B提出把每个流域中水的潜在量、需水量和可利用量用来比较，进而确定水的可持续性指标[6]。Rao.D.P将遥感和GIS相结合指出，一个较为完善的水资源可持续开发利用评价的实质是进行多目标、有效力和风险性分析[7]。南非的 Jay J.Walmsley 认为不同流域的发展现状与资源管理行为是相互影响的，在这种情况下，起关键作用的可持续发展指标的应用就很难确定，而DPSIR指标框架对此类情况下的水资源可持续发展指标的确定十分有用[8]。Hoekstra提出了水足迹的概念,阐述了从水资源消费的视角来讨论人对水资源的消耗情况,建立了资源和消费之间的相互关系[9]。由加拿大William Rees教授于1992年提出的生态足迹理论，不仅可用于测度人类对自然资源利用的程度，还可以定量表示自然所能提供的生态支撑能力和生态可持续发展状况[10]。基于生态足迹模型的水资源可持续利用方法具有概念具体形象、方法简便易行、便于区域间进行比较的优势，是当下受关注程度较高的可持续发展评价方法之一。目前，水资源生态足迹研究从地域上主要是侧重于干旱、半干旱地区，而对于岩溶地区，尤其岩溶山区的研究很少[11]。

中国西南岩溶地区总面积约为42.62万km2,强烈的岩溶化作用形成的地表、地下双层空间结构，使地表水严重漏失；同时，岩溶区地表水资源大多集中于深切河谷中，与高原台面和远离河谷的斜坡等地区的城镇、村寨、工矿等极不平衡，因此，虽然岩溶地区降水丰富，但是水资源供需矛盾仍然突出[12-13]。本文采用水资源生态足迹模型，对典型岩溶山区——贵州省六盘水市2008～2015年水资源生态足迹进行计算，从而得到了六盘水市水资源人均生态足迹、人均生态承载力及其人均生态盈余的整体发展趋势，进而分析评价了六盘水市水资源可持续利用程度，最后提出了有益于六盘水市水资源可持续利用发展的建议。相关研究可以为岩溶地区水资源可持续利用研究提供一定的借鉴和参考。

2 研究区概况

六盘水是位于中国贵州省西部的一座新兴工业发展城市，经济发展以煤炭、冶金、建材为主。地处云贵高原第一、二级台地过渡面上，地势西北高，东南低，海拔在1 400～1 900 m之间，总面积约9 965 km2,属亚热带季风气候区，冬暖夏凉、环境宜人，素有中国凉都之称。年平均气温13 .0℃～14.0℃，1月均温为3.0℃～6.3℃，7月均温为19.8℃～22.0℃，年降雨量为1 200～1 500 mm；其地形起伏大，局部区域气候存在明显差异。交通位置如图1所示。

图1 六盘水市交通位置示意 Fig.1 Traffic and location of Liupanshui City

研究区域内的水资源主要补给来源为大气降水，地表水与地下水相互补给、转化，循环交替比较频繁，水资源化学类型以低矿化度重碳酸盐类淡水为主，对工农业生产和居民生活用水较为适宜。

3 数据与方法

3.1 数据来源

本文根据2008～2015年的《六盘水市水资源公报》[14]和《六盘水市统计年鉴》[15]，对研究区内的灌溉用水量、林牧渔及牲畜用水量、工业用水量、生活用水量、城镇公共用水量、生态环境用水量、水资源总量、行政区面积、人口数量以及经济发展等资料进行了系统收集和整理分类，获得了研究区域内的水资源开发利用数据,如表1所示。

表1 六盘水市2008～2015年水资源开发利用情况

Tab.1 Water resources utilization data of Liupanshui City，2008～2015

年份年平均降雨量/mm水资源总量/亿m3总人口/万人GDP/亿元总生产用水/亿m3总生活用水/亿m3总生态用水/亿m320081352.162.807298.1700384.274.7401.7100.01020091081.941.884298.3400433.465.2192.0520.01520101175.136.650285.1180500.647.8821.2590.0782011802.226.260285.0000613.397.1801.5100.02020121197.644.880285.9000753.657.2601.5300.02020131005.225.310287.4500882.116.1651.2140.04420141467.959.160288.20001042.736.3731.3460.06520151256.252.388289.58731201.086.2801.4800.070

3.2 研究方法3.2.1 水资源生态足迹模型

生态足迹是指生产相应人口所消费的所有资源和消纳所产生的废物所需要的生态生产性土地面积，表示在现有技术和消费水平下区域人口对环境的影响规模和持续生存对环境提出的需求[16]。水资源生态足迹模型是由生态足迹模型衍生而来，与之对应的土地类型为水资源用地，其计算式为[10]

EFW=N·efw=N·A=N·rw(W/Pw)

(1)

式中，EFW为水资源生态足迹，hm2；efw、A均表示人均水资源生态足迹，hm2/人；N为人口数，万人；rw为水资源的全球均衡因子；W为水资源量，m3；Pw为全球水资源平均生产能力，m3/hm2。

根据研究区内水资源消耗情况，水资源生态足迹可以分为生产、生活和生态用水足迹3个方面，相应的计算模型为[17]

EFpw=N·efpwi=N·rw·(Wi/Pw)

(2)

EFlw=N·eflw=N·rw·(Wl/Pw)

(3)

EFew=N·efew=N·rw·(We/Pw)

(4)

式中，EFpw为生产用水生态足迹，hm2;efpwi为人均生产用水生态足迹，hm2/人;Wi为生产用水量，m3；EFlw为生活用水生态足迹，hm2，eflw为人均生活用水生态足迹，hm2/人;Wl为生活用水量，m3；EFew为生态用水足迹，hm2;efew为人均生态用水生态足迹，hm2/人;We为生态用水量，m3。

3.2.2 水资源承载力模型

在某一地区或区域的某段发展时间内，为该区域的经济、环境以及社会发展提供最大的水资源可持续利用能力称之为水资源承载力，计算式如下[18]。

EC=N·G=(1-0.6)·ε·rw(Q/Pw)

(5)

式中，EC为水资源承载力，hm2；G为人均水资源承载力，hm2/人；ε为区域水资源产量因子；Q为水资源产量，m3。

3.2.3 水资源可持续利用评价指标

(1) 水资源生态盈余。水资源生态盈余是用来确定研究区水资源利用是否处于可持续发展阶段的一个定量指标，用ED表示，其计算式如下：

ED=G-A

(6)

式中，若A>G，则认为水资源处于不利于可持续发展阶段，为生态赤字；若A

(2) 水资源生态压力指数模型。水资源生态压力指数的大小可以反映区域间水资源可持续利用情况和生态环境承受的压力强度的相对大小。计算式如下[19]：

EP=EFw/EC

(7)

式中，EP为水资源生态压力指数，按照任志远、黄青等研究中对水资源生态压力指数等级划分[20]，当EP<0.5，表示该区域水资源开发利用处于安全状态；当0.5≤EP<0.8，为较安全状态；当0.8≤EP≤1，为临界状态；当EP>1，为不安全状态。

(3) 万元 GDP 水资源生态足迹。某国家、地区的经济增长模式与反映水资源利用效率的高低可在万元 GDP 水资源生态足迹中体现，其结果越大，水资源利用效率越低；反之，水资源利用效率越高[21]。其计算式如下：

EFGDP=EFw/GDP

(8)

3.2.4 主要参数的确定

水资源全球均衡因子是全球某种生物生产面积的平均生态生产力与所有各类生物生产面积的平均生态生产力的比值[10]，本文采用WWF 2002(World Wide Fund for Nature Living Planet Roport 2002)确定的水资源均衡因子值rw=5.19。单位面积的产水量即为水资源平均产水模数，根据研究区域2008～2015年年均水资源总量地域面积，可求得其水资源平均生产力为4 382 m3/hm2；区域水资源量平均生产能力与世界水资源生产能力的比值被定义为区域水资源产量因子，根据张岳所撰《中国水资源与可持续发展》取全球单位面积产水量为3 140 m3/hm2[18]，结合研究区域单位面积产水量可得区域水资源产量因子为1.395 5。

4 结果与分析

按照前述中建立的水资源生态足迹模型见公式(1)～(8)，计算六盘水市2008～2015年水资源生态足迹和生态承载力，计算结果如表2所列。

4.1 水资源生态足迹分析

根据水资源消耗情况，可制作水资源人均生产、生活、生态足迹变化曲线图，如图2所示。

由图2可知，水资源生态足迹3个账户中，生产用水足迹占水资源生态足迹比例约为70%，其用水足迹呈现波动上升下降的趋势，其中,2009～2010年上升速度为最快，至2011年，生产用水开始有所减少；生活用水生态足迹约占水资源生态足迹的25%，其用水足迹整体上没有太大波动，比较稳定；生态用水所占的比例为最小，其用水足迹无明显变化，但总体呈微弱上升趋势。

表2 六盘水市2008～2015年水资源生态足迹和生态承载力

Tab.2 Ecological footprint and ecological carrying capacity of water Resources in Liupanshui City,2008～2015

年份生态足迹/(hm2·人-1) 人均生产用水人均生活用水人均生态用水人均水资源生态足迹人均水资源承载力/(hm2·人-1) 水资源压力指数 生产生活生态生态盈余、赤字 /(hm2·人-1)万元GDP/(hm2·人-1)20080.18830.06790.00040.25661.39260.13520.04880.00031.13600.199120090.20720.08150.00060.28920.92820.22320.08780.00060.63890.199120100.32740.05230.00320.38300.84980.38530.06150.00380.46690.218120110.29840.06280.00080.36200.60920.48980.10300.00140.24720.168220120.30080.06340.00080.36501.03780.28980.06110.00080.67290.138520130.25400.05000.00180.30590.58210.43640.08590.00310.27630.099720140.26190.05530.00270.31991.35710.19300.04080.00201.03720.088420150.25680.06050.00290.32021.19600.21480.05060.00240.87580.0772

图2 六盘水市2008～2015年水资源人均生产、生活、生态足迹示意Fig.2 Water resources per capita fo production, living and ecology from 2008 to 2015 in Liupanshui City

4.2 水资源承载力分析

根据2008～2015年六盘水市人均水资源生态承载力数据和年平均降雨量数据，可制作人均水资源生态承载力变化曲线及年平均降雨量变化曲线，如图3所示。

图3 六盘水市2008～2015年人均水资源承载力变化曲线Fig.3 Varations in water resources carrying capacity per capita from 2008 to 2015 in Liupanshui City

图4 六盘水市2008～2015年平均降雨量变化曲线Fig.4 Average annual rainfall from 2008 to 2015 in Liupanshui City

由图3可知，水资源承载力变化较大，较高年份为2008年和2014年，分别达到了1.392 6 hm2/人和1.357 1 hm2/人;较低年份为2011年和2013年，分别为0.609 2 hm2/人和0.582 1 hm2/人。结合图4还可以发现，水资源承载力的年度变化规律和年平均降雨量的年度变化以及水资源总量的变化规律基本一致，年平均降雨量越大，水资源总量就越大，水资源承载力随之也变大。

4.3 水资源可持续利用评价指标分析

(1) 水资源压力指数分析。水资源生态足迹分为生产、生活和生态用水足迹3个方面，根据计算的数据，可以得到相应的水资源压力指数变化曲线图，如图5所示。

图5 六盘水市2008～2015年水资源压力指数变化情况 Fig.5 Variations in water resources stress indexes from 2008 to 2015 in Liupanshui City

由图5可知，生态、生活和生产水资源压力指数都在0～1之间，且都小于0.5。生产用水有较大波动，且远远高于其他指标，生产水资源压力指数最大是2011年，达到0.489 8。生态水资源压力指数总体最小，表现为微弱的上升的趋势。生活水资源压力指数波动较平稳，大致围绕0.06上下波动。与图4年平均降雨量年度变化情况比较可知，生产、生活以及生态的水资源压力指数与年平均降雨量呈现负相关关系。

(2) 生态盈余分析。可以根据表2，绘制出水资源生态盈余变化情况，如图6所示。

图6 六盘水市2008～2015年生态盈余变化情况 Fig.6 Variations in ecological surplus from 2008 to 2015 in Liupanshui City

由图6可知，六盘水市2008～2015年水资源属于生态盈余的状态，最大盈余是2008年，为1.136 0 hm2/人，是水资源总量最多的一年，为62.807亿m3；较小盈余是2011年的0.247 2 hm2/人和2013年的0.276 3 hm2/人，对应的水资源量为26.260亿m3和25.310亿m3。且将生态盈余状况与年平均降雨量年度变化比较发现，两者存在相同的变化趋势。

(3) 万元GDP水资源生态足迹分析。根据表2中的数据，可以绘制六盘水市2008～2015年万元GDP水资源生态足迹变曲线图，如图7所示。

图7 六盘水市2008～2015年万元GDP水资源生态足迹变化情况Fig.7 Variations in water resources ecological footprint per 1000 Yuan GDP from 2008 to 2015 in Liupanshui City

从图7可以得出：万元GDP水资源生态足迹从2008～2010年缓慢上升后，随后一直呈现为下降的趋势，并趋于平稳，而且总体处于较低的水平，表明六盘水市的水资源可持续利用的空间还很大。

5 结 论

本文运用生态足迹的方法，建立了典型喀斯特地区——六盘水市的生态足迹模型，计算了2008～2015年六盘水市的水资源生态足迹、水资源承载力和水资源生态压力指数等动态指标。结合该市人口、经济以及水资源利用现状，可以得出以下结论。

(1) 2008～2015年间，六盘水市人均水资源账户呈现盈余状态，水资源供给大于需求，总体上处于安全状态，属于可持续范围。

(2) 应当注意的是，六盘水市水资源生态足迹3个账户中，生态用水的生态足迹最少且处于较低水平，这对于生态环境的改善是不利的；同时，水资源承载力的年际变化幅度较大，可持续性处于较不稳定的状态。

(3) 另外,万元GDP水资源生态足迹呈现逐年降低的趋势，说明最近几年水资源利用效率得到了显著提升，但生态足迹总体上还处在较低的水平，可改善的空间还很大。

(4) 研究还发现，年平均降雨量对人均水资源承载力和生态盈余的影响是积极的，然而，对水资源压力指数的影响是消极的。

基于以上结论，为了保证六盘水市水资源可以得到可持续利用，提出以下建议。

(1) 应严格控制用水总量，确保年际间用水量的稳定。

(2) 加强生态用水方面基础设施的建设，努力提高生态用水生态足迹水平。

(3) 在工农业方面积极发展高效节水技术，提高节水效率，加强节水意识。

(4) 结合该区水资源分配情况进行产业结构调整，促进水资源的可持续利用。

本文所得出的结论可以为岩溶地区的水资源可持续性研究提供一定的依据和参考。

总体而言，生态足迹方法是研究生态可持续发展可靠、有效的方法，水资源生态足迹模型与生态承载力模型可将评价区域水资源的可持续利用状态具体量化出来。但是，水资源账户的选择至关重要，要根据区域的实际情况和研究目的来进行选择，本研究中考虑了生活、生产、生态3个用水账户，未来研究者可以根据不同的研究目的来确定水资源账户，使研究成果能全面、科学地反映地区水资源可持续利用的状况。