基于生态足迹法的江苏省水资源可持续利用评价
2020-06-19郭利丹井沛然
郭利丹，井沛然
(1.河海大学商学院，江苏 南京 211100； 2.河海大学国际河流研究中心，江苏 南京 211100；3.江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心，江苏 南京 211100)
水资源作为人类社会生产和发展的基础性资源，对人类生活、生产活动以及生态环境的维持具有不可替代的作用。随着我国区域社会经济高速发展以及人口急剧增长，水资源短缺和水环境破坏问题日益凸显，尤其是东南沿海发达省市经济社会发展与水资源供需矛盾更加尖锐。水资源的可持续利用已成为促进人口、资源、经济与生态环境协调发展，缓解我国区域水资源供需矛盾，改善生态环境的关键环节。近年来，国内外学者围绕水资源可持续利用[1-3]的研究方兴未艾，运用三阶段DEA[4]、遥感技术和GIS相结合[5]、水生态足迹[6]等方法在多种空间尺度上开展了研究。随着长江经济带发展战略全面实施和生态文明建设加快推进，生态环境保护已经在水资源开发利用中占据优先地位。在“生态优先、绿色发展”的总体战略指引下，本文针对长江经济带的重要节点区域——江苏省，通过水资源生态足迹分析探讨其水资源可持续利用潜力，为江苏省今后的社会经济发展及水资源和生态环境保护提供科学参考。
生态足迹理论最早由加拿大生态经济学家Rees等[7-8]提出，用于定量衡量人类对某一区域自然资源的利用程度，评估人类生产消费活动是否超过区域的生态系统承载力。该方法在计算中主要考虑耕地、草地、森林、化石能源用地、建筑用地和水域6种土地类型，从需求面计算自然环境提供给人类的生物生产性土地面积，通过与从供给面计算的生态承载力进行比较，估算出区域的可持续发展状况。水资源生态足迹即生态足迹理论在水资源领域的应用，是将水资源消耗量折算成水域面积，并通过水资源生态盈余和生态赤字评价水资源可持续利用程度，以直接反映区域人类社会经济活动对水资源的压力。许多学者对水资源生态足迹模型的基本理论和计算方法进行了探讨[9-11]，并对我国宁夏、广西、辽宁、浙江等多地区的水资源生态足迹进行了实证分析[12-15]。
水资源生态足迹的计算步骤一般是先进行账户分类，然后再逐级计算子账户的水资源生态足迹。鉴于污染水体自然净化和人工处理的复杂性，在水资源生态足迹核算中，因难以获取水污染统计数据，李允洁等[16]在计算中只考虑了淡水消费生态足迹和水产品消费生态足迹；吴志峰等[17-18]则考虑水污染对生态破坏的影响，采用污染稀释净化需水量计算水污染消费生态足迹，将其纳入水资源生态足迹核算。江苏省水资源总量丰富，但人均水资源不足，区域间水资源利用不平衡。岳金桂等[19]利用数据包络分析方法和Moran指数，从水资源利用相对效率和水资源全要素生产率两个方面分析了2000—2010年江苏省13个市水资源的时空分布情况。刘楚烨等[20]构建了水资源复合系统指标体系，从水足迹理论角度分析了江苏省2005—2015年水资源可持续发展情况，并结合GM(1，1)灰色模型预测了“十三五”期间江苏省水足迹的发展趋势。孙成慧等[21]估算了江苏省水资源生态足迹随时间的变化特征，但其分析仅限于生活用水足迹、生产用水足迹和生态用水足迹3个二级账户，且研究时段是1998—2008年，难以反映江苏省近年来的水资源可持续发展状况。冷建飞等[22]针对水资源生态足迹模型的不足，首次将生态赤字和万元GDP生态足迹2个评价指标应用于第一、第二和第三产业3个三级账户的测算中，客观地评价了江苏省2005—2012年的水资源可持续利用情况。
综上所述，生态足迹法是用于分析区域水资源可持续利用的有效方法，目前学术界对水资源生态足迹账户的分类通常只划分到一级或二级账户。本文基于生态足迹法的原理，①建立水资源生态足迹模型和水资源生态承载力模型，在生活用水、生产用水和生态用水3个二级账户基础上，进一步细分了12个三级账户，计算分析江苏省2008—2017年水资源生态足迹和生态承载力的变动趋势。②利用人均水资源生态盈亏指数、水资源生态压力指数、水资源可持续利用指数和万元GDP水资源生态足迹4个评价指标来测度研究区域的水资源可持续利用程度，进而分析江苏省水资源利用的基本特征和存在的问题。
1 研究方法
1.1 水资源生态足迹
假设研究区域内的水资源在空间上均匀分布，即单位面积所拥有的水量相同。计算过程中将水资源账户细分为生产用水、生活用水和生态用水3个二级账户，根据水资源开发利用方向和用水特性，进一步细分为农田灌溉、林牧渔畜、电力工业等12个三级账户，见表1。根据表1，构建各类水资源生态足迹计算模型。
a. 生产用水水资源生态足迹计算模型为
(1)
式中：Epw为区域生产用水水资源生态足迹，hm2；γw为全球水资源均衡因子，根据WWF《Living Planet Report 2002》，结合江苏省水资源实际情况，γw取值为5.19；Wpwi为生产用水量下各三级账户的用水量(i=1，2，…，n)，m3；n为三级账户个数；Apw为全球水资源平均生产能力(多年平均产水模数)，Apw=3 140 m3/hm2[23]。
表1 水资源生态足迹账户划分
b. 生活用水水资源生态足迹计算模型为
(2)
式中：Edw为区域生活用水水资源生态足迹，hm2；Wdwi为生活用水量下各三级账户的用水量，m3。
c. 生态用水水资源生态足迹计算模型为
(3)
式中：Eew为区域生态用水水资源生态足迹，hm2；Wewi为生态用水量下各三级账户的用水量，m3。
d. 汇总生产用水水资源生态足迹、生活用水水资源生态足迹及生态用水水资源生态足迹可得水资源生态足迹，其计算公式可表述为
Efw=γw(W/Apw)=Epw+Edw+Eew
(4)
式中：Efw为区域水资源生态足迹，hm2；W为总的水资源消耗量(用水量)，m3。
1.2 水资源生态承载力
基于生态足迹的水资源生态承载力表示在某一区域特定的发展阶段，水资源系统对该区域经济、社会、资源、环境可持续发展的最大支持能力[24]，反应水资源的供给状况。一个国家或地区水资源开发至少应扣除60%的水资源量用于维持生态环境[25]。水资源生态承载力计算公式为
Ecw=(1-60%)γwφ(Q/Apw)
(5)
式中：Ecw为区域水资源生态承载力，hm2；φ为区域水资源产量因子，为该区域水资源平均生产力与全球水资源平均生产能力的比值；Q为区域水资源总量，m3。
1.3 人均水资源生态盈亏指数
区域水资源生态足迹与水资源生态承载力的差值即为水资源生态赤字或盈余。由于近年来大量人口流入江苏，为了客观反映区域水资源可持续利用水平，推荐采用人均值，计算式如下：
ΔEaw=Eafw-Eacw
(6)
式中：ΔEaw为人均水资源生态盈亏指数；Eafw为人均水资源生态足迹，hm2；Eacw为人均水资源生态承载力，hm2。若ΔEaw>0，水资源呈生态赤字状态，表明该区域自然生态系统所提供的水资源量不足以支撑该区域社会经济的发展，水资源利用处于相对不可持续状态。若ΔEaw=0，表示水资源生态平衡。反之，若ΔEaw<0，水资源呈生态盈余状态，表明该区域水资源量足以支持其经济、生态与环境负荷，水资源处于可持续利用状态。
1.4 水资源生态压力指数
水资源生态压力指数可用来衡量社会经济系统对区域水资源压力强度的相对大小，是测度水资源可持续利用状况的量化指标。其计算公式为
Epi=Efw/Ecw
(7)
式中：Epi为区域水资源生态压力指数。当0
表2 水资源生态安全评价指标及等级划分
1.5 水资源可持续利用指数
水资源可持续利用指数是指某一区域在特定时间区间内可持续供给的水资源总量满足该区域人类社会经济活动对水资源的需求程度。计算公式为
Esi=Ecw/(Efw+Ecw)
(8)
式中：Esi为区域水资源可持续利用指数。当Esi<0.50时，说明区域水资源利用处于生态赤字的危险状态，水资源利用不可持续；当Esi>0.50时，说明区域水资源利用处于生态盈余的安全状态，水资源利用可持续；当Esi=0.5时，表明该区域水资源利用处于临界状态，且Esi越大，说明水资源的可持续利用程度越高。根据于航等[27]的划分标准，基于生态足迹法的水资源可持续利用程度划分如表3所示。
表3 水资源可持续利用程度划分
1.6 万元GDP水资源生态足迹
万元GDP水资源生态足迹是指一定时段内，区域水资源生态足迹与该地区国内生产总值(GDP)的比值，能较为客观地衡量水资源利用效率。万元GDP水资源生态足迹越大，水资源利用效率越低；反之，水资源的利用效率越高[9]。计算公式如下：
EGDP=Efw/NGDP
(9)
式中：EGDP为万元GDP水资源生态足迹，hm2；NGDP为区域某时段内的国内生产总值，万元。
2 研究区域及数据来源
江苏省位于我国大陆东部沿海中心，地处长江经济带。辖13市、96县，面积约10.72万 km2。江苏跨江滨海，湖泊众多，地势平坦，地貌由平原、水域、低山丘陵构成，地跨长江、淮河两大水系；属于东亚季风气候，处在亚热带和暖温带的气候过渡地带，气候同时具有南方和北方的特征。江苏省降水丰沛，水资源丰富，但可利用的水资源量却有限。根据国家统计局数据，2017年末江苏省城市人口密度为2 092人/km2，水资源总量392.9亿m3，人均水资源量490.27 m3，远低于2017年全国人均水平(2 074.50 m3)。
本文计算中的江苏省降水量，水资源总量，全省总用水量，生产、生活、生态用水量等数据来自2008—2017年《江苏省水资源公报》，人口、土地面积来自2009—2018年《江苏省统计年鉴》。基本数据见表4。
表4 江苏省2008—2017年基本数据
3 结果分析
3.1 水资源生态足迹
由于缺乏城镇居民生活、城镇公共事业、农村居民生活、农村牲畜用水量等详细统计数据，合并城镇和农村生活用水计算生活用水水资源生态足迹，将城市绿地和污染物稀释净化用水合并为城镇环境用水计算生态用水水资源生态足迹。其中，城镇环境用水仅包括人为措施供给的城镇环境用水，不包括部分河湖、湿地补水及降水、径流自然满足的水量。根据水资源生态足迹计算公式(式(1)～(4))，计算得到江苏省2008—2017年水资源生态足迹和人均水资源生态足迹，结果分别见表5和表6，江苏省2008—2017年水资源生态足迹动态变化见图1。
图1 江苏省2008—2017年水资源生态足迹动态变化
表5 江苏省2008—2017年水资源生态足迹 单位：106 hm2
表6 江苏省2008—2017年人均水资源生态足迹
从表5和图1可以看到，2008—2017年江苏省水资源生态足迹总体呈下降趋势，水资源生态足迹均值为84.60×106hm2，最高值出现在2011年，为91.93×106hm2，最低值出现在2016年，为74.91×106hm2，变化幅度为18.51%。在分析年份的水资源生态足迹账户中，农林牧渔业用水、工业用水、生活用水、第三产业用水水资源生态足迹均值分别为48.75×106hm2、26.87×106hm2、5.85×106hm2和2.33×106hm2，占江苏省水资源生态足迹的比例为57.62%、31.76%、6.91%、2.75%。农林牧渔业用水和工业用水水资源生态足迹之和占水资源生态足迹比例约为90%，由此可见，农林牧渔业用水和工业用水是江苏省最主要的用水形式。
从表6可以看到，2008—2017年江苏省人均水资源生态足迹波动下降，最高达到1.169 hm2，最低为0.937 hm2。生产用水水资源生态足迹占比最大(90%以上)，但其所占的比例呈不断下降的趋势，从2008年的93.50%下降到2017年的91.24%。生活用水水资源生态足迹绝对值和比例占比较小(6%～9%)，其用水足迹比较稳定，但总体呈微弱上升趋势，从2008年的5.99%上升到2017年的8.34%。生态用水水资源生态足迹占比最小(不足1%)，且无明显变化。
从三级账户水资源生态足迹动态变化(图2)可以看到，电力工业用水水资源生态足迹波动下降趋势明显，电力工业用水在2012年后下降速度较快，至2014年趋于稳定，而其他三级账户的水资源生态足迹变化幅度不大。这与江苏省近年来不断进行产业转型升级，积极调整各产业在经济结构中的比例，特别是与2011年江苏省人民政府工作报告中提出的新兴产业倍增、服务业提速、传统产业升级三大计划有密切关系。
图2 江苏省2008—2017年三级账户水资源生态足迹动态变化
3.2 水资源生态承载力
江苏省2008—2017年平均水资源量为442.71亿m3，区域多年水资源平均生产能力4 129.76 m3/hm2，由文献[23]可知，全球水资源平均生产能力(多年平均产水模数)为3 140 m3/hm2，计算得φ为1.32。根据水资源生态承载力的计算公式(式5)，计算得到江苏省2008—2017年的水资源生态承载力，结果如表7所示。
表7 江苏省2008—2017年水资源生态承载力
从江苏省水资源生态承载力计算结果(表7)和水资源生态承载力动态变化(图3)可知，2008—2017年江苏省水资源生态承载力年际间变化较大，总体上经历了小幅度波动增长的发展阶段。最低值出现在2013年(25.3×106hm2)，最高值出现在2016年(66.21×106hm2)，变化幅度为161.7%。结合江苏省2008—2017年的平均降水量变化情况(表4)还可以发现，区域水资源承载力的年度变化规律与年平均降雨量以及水资源总量的年度变化规律基本一致，且由于区域特性造成的平均降水量的分布随年际变化很大，使得水资源生态承载力出现了波动较大的状况。2016年是近年来的一个丰水年(降水量1 410.5 mm)，该年7月发生了长江流域中下游的区域性大洪水，年平均降雨量(水资源总量)较大，导致该年水资源生态承载力高于其他年份。
图3 江苏省2008—2017年水资源生态承载力动态变化
3.3 水资源生态盈亏指数
由式(6)计算江苏省水资源生态盈亏情况，见图4。由图4可知，江苏省2008—2017年的人均水资源生态足迹均高于同年人均水资源生态承载力，即使降水量较为丰富的2016年水资源利用都呈赤字状态。在分析年份中，人均水资源生态足迹持续下降，随着水资源生态承载力的波动上升，生态赤字呈持续降低的趋势。2008年水资源生态赤字最高，为0.739 hm2/人，2013年起水资源生态赤字迅速下降，并在2016年达到最低值，为0.107 hm2/人。江苏位于亚热带与暖温带过渡的季风气候区，水量充沛。然而，由于社会经济发展对水资源的巨大需求，近年来江苏省的水资源生态赤字呈现出差额较大和持续性的特点，水资源供给与需求出现失衡状态，区域水资源利用与发展模式相对不可持续，存在一定的水资源安全隐患。
图4 江苏省2008—2017年人均水资源生态足迹、生态承载力、生态盈亏动态变化
3.4 水资源生态压力指数
为评判江苏省水资源所处安全等级，由式(7)计算出2008—2017年水资源生态压力指数。从图5可知：2008—2017年江苏省的水资源生态压力指数变幅较大，且均值大于2.0，仅2015和2016年的生态压力指数位于1.01～1.50之间，说明江苏省的水资源利用是处于“极不安全”的状态。但是近年来江苏省水资源生态压力指数呈现波动减小的变化趋势，这反映了江苏省水资源利用的“不安全”程度和江苏省社会经济系统对水资源的压力强度趋于降低，水资源可持续利用状况有所好转。与表4年平均降水量变化情况比较可知，生态压力指数与年平均降雨量呈现负相关关系。
图5 江苏省2008—2017年水资源生态压力指数
3.5 水资源可持续利用指数
由式(8)可以得到江苏省2008—2017年水资源可持续利用指数(图6)。从图6可以看出，江苏省10年间的水资源利用随着年份的不同均呈现出不可持续状态。结合式(8)，在江苏省水资源生态足迹保持相对平稳的情况下，水资源可持续利用指数更多受到水资源生态承载力的影响，且与水资源承生态载力的变化趋势大致相同，图3与图6证实了这种变化关系。
根据水资源可持续利用程度划分标准(表3)，可以得到江苏省2008—2017年各年份的水资源可持续利用程度：2015—2016年的水资源利用体现为弱不可持续，其余年份均为中不可持续，没有可持续的年份。综合来看，江苏省的水资源利用处于不可持续的状态，水资源生态压力较大。
图6 江苏省2008—2017年水资源可持续利用指数
3.6 万元GDP水资源生态足迹
式(9)计算了2008—2017年万元GDP水资源生态足迹，见表8。从万元GDP水资源生态足迹的变化(图7)可以看出，2008—2017年间江苏省万元GDP水资源生态足迹呈下降趋势，由2008年的0.293 hm2下降到2017年的0.09 hm2，说明近年来江苏省水资源利用效率不断上升。究其原因，产业结构调整、高效节水灌溉技术水平的提高降低了万元GDP的用水量，耗水量大且利用率较低的农林牧渔业GDP比重由2008年的11.83%下降到2017年的8.34%，减少了水资源的消耗量，从而提高了水资源的利用效率。
表8 江苏省2008—2017年万元GDP水资源生态足迹
图7 江苏省2008—2017年万元GDP水资源生态足迹变化
4 结论与建议
本文构建了水资源生态足迹和生态承载力计算模型，并对江苏省2008—2017年的水资源可持续利用状况进行了分析和评价。研究认为：
a. 江苏省(人均)水资源生态承载力小于(人均)水资源生态足迹，呈现生态赤字状态。水资源需求大于供给，总体上处于非健康发展的不可持续状态。但生态赤字呈现逐年降低的趋势，说明水资源可持续利用程度整体在提升。
b. 水资源生态足迹呈降低趋势。根据江苏省政府报告，江苏省目前正迎来以全面发展现代服务业为核心的新的建设高潮。随着大力推广农业节水灌溉技术，建立健全节水型农业体系，限制第一、第二产业中高耗水、高污染企业投资建设，增加水资源利用率最高的高新技术产业和第三产业投资，使得江苏省生产用水水资源生态足迹大幅度减少，水资源生态足迹也随之降低。
c. 第一产业水资源生态足迹最大。通过分析三级账户的水资源生态足迹可知，农林牧渔业用水水资源生态足迹最大，工业用水次之，二者之和占水资源生态足迹比例约为90%，这是造成水资源生态赤字、水资源生态压力指数较高的重要原因。因此，在改善水资源的可持续利用状况和生态环境保护过程中，应注重产业结构的优化调整及这些因素的相互协调。
d. 水资源生态承载力呈波动上升趋势。水资源生态承载力具有自然和社会双重属性，由于降水、地质、气候等人为不可控因素的存在，建议采取寻找新的城市水源、地区间水资源合理调配等人为措施来增加水资源总量，进而提高水资源的生态承载力。
e. 生态用水水资源生态足迹总体上还处在较低的水平。江苏长江经济带作为长三角世界级城市群的重要组成部分，以及长江经济带节点区域，统筹推动长江经济带生态优先、绿色发展责无旁贷。为了响应“共抓大保护、不搞大开发”战略部署，建议江苏省政府和企业继续增加改善水生态环境资金技术的投入，依靠科技进步提高水资源利用效率、改善水环境质量。
本文是基于研究区域内水资源均匀分布的假设，暂未考虑不同区域间水资源供需的差异性，但历年水资源生态足迹和生态承载力的计算结果仍可在一定程度上反映江苏省水资源的整体形势及水资源的可持续利用状况。
