水足迹视角下江西省环鄱阳湖水资源利用评价

傅春，李军涵

(南昌大学建筑工程学院，江西 南昌 330031)

水足迹是在2002年由荷兰学者Hoekstra提出，内涵与生态足迹有一定相似性，其定义为区域内所有人口在一个时间段内消耗的服务和产品所需全部水资源数量[1]。我国目前对水足迹的认知还处于初步发展的阶段，研究主要还是针对水足迹的概念与探索研究区域上新的计算方法，未能很好用于区域上水资源开发利用的评价上[2]。

国内的水足迹研究中，孙才志等[3]采用基尼系数、分离系数及锡尔系数对区域上水资源强度的分布规律及原因做了研究；张燕等[4]采用动态计量经济学与协整分析方法，来研究城乡之间不同的消费构成对水足迹的长期动态影响；朱启荣等[5]学者通过统计资料研究了我国出口贸易的水足迹，并指出应进一步降低蓝色水和灰色水在我国出口贸易中的占比；黄晶等[6]基于水足迹理论对1995—2005年北京市农业用水结构分析，提出北京农业用水状态不可长期维持，应减少种植高耗水型作物以优化作物结构；潘安娥等[7]以水足迹为参考评价当前社会经济发展与水资源利用之间的协调关系。

目前国内对水足迹的研究多用行政区域划分计算，对流域内各地区分别比较的较少[8]。本文以水足迹为视角，计算了鄱阳湖地区2013—2017年间的水足迹，利用水足迹理论、脱钩评价模型与水资源评价体系分析了鄱阳湖地区水资源利用的空间分布特征与短时间内的时空变化特征。计算了水足迹强度作为水资源利用效率的重要量化指标，农业、工业、生活生态和灰水的水足迹强度和区域水足迹强度可作为5项反应水资源利用效率的指标[9]。采用水资源评价体系与脱钩评价模型判断区域内水资源开发利用情况，以及预测鄱阳湖的人口承载力和经济发展状况，为以后鄱阳湖发展提供参考。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 环鄱阳湖区概况

鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游南部，纬度为北纬28°24′～29°46′，经度为东经115°49′～116°46′。鄱阳湖作为中国最大淡水湖，常年平均面积约3 000 km2，赣江、抚河、饶河、修水及信江的水源在湖区汇集，并于九江市湖口县流入长江。气候上鄱阳湖属于亚热带温暖潮湿的亚热带季风气候，年降水量在1 400～1 900 mm之间，多年平均气温在17 ℃左右，气温变化符合北半球季风气候，1月气温最低[10]。

本文研究区域为部分环鄱阳湖地区，所得数据由行政区域划分，选取九江市、上饶市、南昌市、抚州市、景德镇市、鹰潭市资料进行统计分析。

1.2 计算数据来源

农产品的水足迹计算采用文献[11-12]的成果，各地年工业产值、进出口工业产品量和工业增加值来自当地2014—2019年统计年鉴，万元工业增加值用水量、农村城镇用水量、可用水资源量与降雨量等数据采用《江西省水资源公报》(2014—2019年)与各市水资源公报，根据《江西省水资源公报》的数据显示，环鄱阳湖地区超标的污染主要是氨氮、总磷以及化学需氧量(COD)，根据GB 8978—1996《污水综合排放标准》，选取水体氨氮和COD指标的二级排放标准作为平均承载力[13]，氨氮在水体中质量浓度不得高于0.025 kg·m-3，COD在水体中质量浓度不得高于0.12 kg·m-3。各地区生产总值、工业排污量、人口面积与出口进口产值等数据来自各地的《国民经济和社会发展统计公报》。

2 研究方法

2.1 水足迹测算方法

根据水足迹自下而上的方法计算居民的消费品结构和需求服务对水足迹的影响，公式为：

W=I+E

(1)

I=Wcs+Wip+Wde+Wwp-V

(2)

式中：W为区域内水足迹总量；E为外部水足迹总量，即进口至研究区域内并被消费的产品和服务的水量；I表示为区域内部水足迹总量；Wcs为动物制品和农产品合计的农业水足迹；Wip为工业生产水足迹；Wde为生活生态水足迹，包含生活水足迹与生态水足迹两部分，文中分为两部分计算；Wwp为灰水足迹；V为出口至外地消费产品的虚拟水足迹，即出口虚拟水足迹。

2.1.1 农业水足迹

农业水足迹的计算由不同种类的农产品和动物产品的总量乘各自单位产品用水量，再将所有种类的生产用水量相加，文中选取了各地典型的作物和动物产品共11种，分别为谷物、棉花、油料、水果、茶叶、猪肉、牛肉、羊肉、禽类、蛋类和水产品，各种类单位虚拟水含量结合了文献[14]对江西省的研究，见表1。

2.1.2 工业水足迹

工业水足迹占总水足迹的比例较小，计算由于工业品种类多，虚拟水含量难以得到数据，因此沿用文献[15]中的做法，以各地统计年鉴以及《江西省水资源公报》中工业用水总量来代替。若统计年鉴中没有当年工业用水量数据，则用该年份各地与全省工业产值之比乘上江西省工业用水量。

表1 典型动物产品和农产品虚拟水含量Tab.1 Virtual water content of typical animal products and agricultural products

2.1.3 生活和生态水足迹

文中使用城镇农村居民用水与公共用水量之和来表示生活水足迹，生态水足迹用《江西省水资源公报》中生态环境用水量表示。

2.1.4 灰水足迹

灰水足迹可用水体中典型污染物为指标计算，即将当地水体中典型污染物浓度稀释到排放标准浓度所需的水资源量，其公式为：

(3)

式中：Wwp为灰水足迹，m3/a；L为当地水体的总排污量，kg/a；cmax表示典型污染物在水体中达标的最高质量浓度，kg·m-3；cnat为自然水体中污染物的初始质量浓度，为方便计算通常可取为0，kg·m-3。

由于数据匮乏，无法全部准确得到氨氮和其他污染物排放的数据，因此参考文献[16]的研究成果，选用居民生活污水排放氨氮代替总氨氮排放，居民生活污水和畜禽养殖排放COD代替总COD排放。计算数据及部分准确数据来自当地统计年鉴。

参考《第二次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》中江西省属于四区，其中南昌属于较发达城市，其农村地区按四区二类计算，其他五市属于一般城市市区，农村地区按四区三类计算，系数见表2。

畜禽养殖同样参考文献[16]中的做法，用养殖专业户的排污系数乘以当年主要种类畜禽存栏量来粗略计算污染量，见表3。最终灰水足迹经过计算比较文献资料，采用氨氮计算的结果。

表2 单位城市农村人口产污系数Tab.2 Urban and rural pollution production coefficients

表3 单位畜禽COD排污系数Tab.3 COD emission coefficient of livestock and poultry

2.1.5 进出口虚拟水足迹

由于数据匮乏，本文参考文献[17]的做法，EWF外部水足迹总量计算以当地年出口贸易总值乘以万元GDP用水量来得到，VWU出口虚拟水量以当地进口贸易总值乘以万元GDP用水量得到。

2.2 水足迹强度计算

水足迹强度是某一部分水足迹总量除以该部分GDP的比值，反应单位GDP增长所需的水资源量，可以直观表示地区内不同行业水资源的利用效率。农业水足迹强度计算为农业水足迹比农业牧业的总产值，工业水足迹强度计算为工业水足迹比工业总产值，生活水足迹强度计算为生活水足迹总量比城镇居民消费产值，灰水足迹强度为灰水足迹比当地总GDP，反应增长单位GDP对环境产生的污染。其中生态水足迹强度由于缺乏生态效益资料，文中未计算。

2.3 水资源评价体系

以水足迹理论为基础，参考文献[18]的计算方法，运用水足迹与水资源压力指数、水资源匮乏度、水资源利用效率、水资源负载指数、脱钩评价模型结合相关评价指标对鄱阳湖环湖区的水资源利用情况进行评价，讨论鄱阳湖地区水资源利用与经济发展的协调关系，探讨如何减少区域水足迹，实现鄱阳湖地区水资源的高效优质利用，制定更合理的水资源利用决策。

水资源压力指数代表区域内水资源开发利用是否合理、水资源压力与水资源承载水平的关系，水资源匮乏度表示区域内水资源的缺水情况，多少程度需要外来供给。水资源利用效率表示该区域水资源利用可持续发展与利用效率情况，值越大则效率越高，水资源负载指数通过区域内的人口、地区发展情况与区域内可利用水资源总量决定，反应当前水资源开发压力与前景。计算公式为：

(4)

式中：H为水资源负载指数；k为由区域降雨量R决定的取值系数，鄱阳湖常年降雨量均超过800 mm，因此当R<1 600 mm时，k=0.5，当800≤R<1 600时，k=0.7-0.2(R-200)/800；P为区域内的常住人口，万人；G为当年区域内生产总值，亿元；A为区域可利用水资源量，亿m3。

2.4 “以水定城”预测

根据水资源承载力预测，探讨“以水定城”的设计思路和相关参考指标，采用人口数量、产业结构、万元GDP用水量为主要指标，为之后鄱阳湖的发展规模以及发展方向做参考。其计算公式为：

(5)

式中：Py为预测年份区域内常住人口，万人;Aj为多年平均区域可利用水资源量;Ct和Cf分别为城镇居民生活公共用水和农村居民生活用水，m3/d；kt和kf分别为城市人口和农村人口占总人口的比例。

预测年份GDP的大概规模计算公式为：

(6)

式中：Gy为预测年份GDP总量，亿元；Wwy为万元GDP用水量，m3。参考《江西省城镇体系规划(2015—2030)》，鄱阳湖地区在2020年预计城镇化率达到60%，2030年达到68%，万元GDP用水量2020年取近5年最低值，2030年数据根据规划达到2020年的一半。

3 计算结果与分析

基于水足迹理论计算得到的2013—2017年江西省鄱阳湖环湖区6市的各项平均水足迹见表4，计算农业、工业、生活、灰水的平均水足迹强度，以对各市水资源利用效率进行比较，见表5。

从水足迹总量来看，6市中农业水足迹都占比最大，其中以上饶的农业水足迹占比为最大。九江市和南昌市工业较为发达，因此工业水足迹较高，而灰水足迹又随着工业水足迹和生活水足迹增加而增加，生活与生态水足迹基本与当地人口成正比。除鹰潭市外，其余5市都是出口水足迹高于进口水足迹，在水足迹上呈输出的形势。

从水足迹强度上来看，景德镇市农业水足迹强度最低，其余各市强度均在2 000 m3/万元左右，表明农业上水资源利用还有很大的提升空间。工业水足迹强度九江市明显高于其他市，除水资源利用管理可能存在的差异外，考虑到各地产业结构不同导致用水效率不同。灰水足迹强度、生活水足迹强度以及总水足迹强度来看南昌市和景德镇市都处于较低的水平，考虑是由经济发展以及人口集中，导致用水效率的提升。总水足迹强度偏高的抚州市和上饶市都因为农业产值占比较高造成，不科学的农业用水对总水足迹强度贡献较大。

表4 2013—2017年各市平均水足迹Tab.4 Average water footprint of each city from 2013 to 2017

表5 2013—2017年各部门平均水足迹强度Tab.5 Average water footprint intensity of various sectors from 2013 to 2017

以水资源压力指数、水资源匮乏度、水资源利用效率、脱钩评价模型结合相关评价指标对鄱阳湖环湖6市做整体的评价，见表6。表6显示鄱阳湖区域人均水足迹呈曲折缓慢增加的趋势，但由于水资源利用效率的总体提高，水资源匮乏度和水资源压力指数呈下降状态。脱钩指数反应了水资源开发利用与经济增长处于相对脱钩初级协调状态，但区域总水足迹变化率越来越趋于零值，也说明整体处于向绝对脱钩优质协调转变的状态。

对计算出的水资源负载指数进行分级评价，分级评价的标准综合了文献[19-20]的做法，见表7。该评价标准在京津冀与黑河地区得以应用，并被认为是普遍适用的评价标准，与地区因素无关。以水资源负载指数分级的方法来判断当前区域的水资源利用水平以及之后的开发利用难度评价，见表8。

水资源负载指数的物理意义是研究区域内人口和生产总值与水资源量所确定的水资源需求量的关系，可以利用这3个数值反映当下水资源利用水平以及今后的开发利用难易程度。计算结果表示鄱阳湖研究区域水资源利用水平达到中等水平，社会各界在以往几年节水用水上取得了不错的成果，继续开发的潜力一般，难度条件中等，今后水资源利用效率的增加可能相对缓慢，需要考虑新的方法或措施。

以水定城计算中得到的结果见表9，参考《江西省统计年鉴》中的数据，2018年鄱阳湖地区GDP已达13 240亿元，人口约为2 414万人，与预测的结果相比GDP实际增速更大，可以提前达到《江西省城镇体系规划(2015—2030)》中的目标。人口与可承载人口相差较大，仍有很大的发展空间。

表6 2013—2017年鄱阳湖区域6市水足迹及水资源评价Tab.6 Water footprint and water resources evaluation of 6 cities in Poyang Lake region from 2013 to 2017

表7 水资源负载指数分级评价标准Tab.7 Classification evaluation criteria of water resource load index

表8 鄱阳湖区域6市2013-2017年水资源负载指数分级Tab.8 Classification of water resource load index of 6 cities in Poyang Lake region from 2013 to 2017

表9 鄱阳湖人口经济发展预测结果Tab.9 Prediction results of population and economic development of Poyang Lake

4 结论

1) 研究区域内水足迹强度普遍与经济情况关系较大，经济越发达，相应总水足迹强度越低，水资源利用效率则越高；经济越欠缺，水足迹强度则相对较高。同时农业的用水效率极大的影响总用水效率，应该在农业节水方面研究新的有效措施。

2) 本文研究的鄱阳湖区域普遍水足迹强度较大，仍有较大的空间，2014—2019年间人均水足迹由1 337.68 m3·人-1上升至1 385.72 m3·人-1。生活水足迹与灰水足迹上与人口相关密切，城镇人口比例较大的地区其灰水足迹强度与生活水足迹强度更低。应着手减少城镇农村居民用水，提倡节约用水、生态用水，优化产业结构，尽量发展用水较少的第三产业。

3) 环鄱阳湖区水资源利用效率逐步升高，水资源匮乏度与压力指数与降水变化有一定关系，但仍呈曲折降低的趋势，水资源匮乏度和压力指数分别降低13.9%和12.8%，区域内水资源利用与经济发展呈相对脱钩的初级协调状态，利用水平中等，今后开发的潜力较为一般。

4) “以水定城”结果显示环鄱阳湖区2020年承载人口可达4 949.2万人，GDP预计可达8 350.9亿元，2030年承载人口可达4 663.8万人，GDP预计可达16 701.9亿元。2019年环鄱阳湖区GDP已超过2020年目标，而人口还有很大提升空间，应在条件合理下加快城镇化进程。