嘉兴市水资源生态足迹动态分析

李 莉，余建林，浦国佳，俞丽琅，赵欢欢，苏营营

(浙江省嘉兴生态环境监测站，浙江嘉兴 314000)

水资源是极其重要的地球自然资源，水资源的开发和利用始终贯穿着人类文明史的产生和发展。随着经济的急速发展和人口规模的不断扩大，对水资源的需求量也在不断的扩大[1]。由于水资源是人类生存生活极其重要的一种稀缺性资源，了解和掌握区域内水资源的利用、变化情况，对于区域水资源的开发、保护和可持续利用都具有重要的意义。水资源生态足迹(water footprint，WF)，也被称为水资源生态占用，被认为可以用作定量评估和评价人类从事的生产活动和区域内水资源消耗之间的可持续发展状态的一个指标[2-3]。水资源生态足迹是指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，代表了社会生产和人类活动对水资源的需求量。近十几年来，水资源生态足迹的研究发展迅速，它已经成为研究区域水资源利用状况、评价区域可持续发展能力的重要指标；除此之外，水资源生态足迹的研究可以为区域内水资源的开发和利用提供科学的规划和建议[4-11]。

本文建立了2005年—2019年嘉兴市水资源生态足迹模型，分析了区域内水资源生态足迹、水资源的负载指数及可持续发展模型，为嘉兴市未来水资源的可持续开发利用提供参考。

1 试验材料和方法

1.1 研究区域概况

嘉兴市位于浙江省东北部，位于北纬30°15′—31°02′，东经120°20′—121°32′，处于长江三角洲杭嘉湖平原腹心地带，是长三角洲重要城市之一，也是浙江最大的平原区。陆地面积为3 915 km2，内陆水域面积为328 km2，下辖南湖区、秀洲区、海宁市、桐乡市、平湖市、嘉善县和海盐县。嘉兴市地处亚热带南缘，属东亚季风区，四季分明，气候温和适中，雨水丰沛，日照充足。多年平均降水量为1 355.51 mm(折合水量为49.98亿m3)，降水对嘉兴市的水资源总量影响较大，但是，全市降水丰沛期为4月—10月的汛期。据统计，全年接近四分之三的降水量集中在4月—10月。市域水系总体上属于长江水系太湖流域，京杭运河为贯穿市境的主干河流。全市河道纵横，水面率为8.85%，主要分布在秀洲区和嘉善县。嘉兴市多年平均水资源总量约26.30亿m3，人均水资源为669.1 m3，远远低于全国2 300 m3和浙江省2 106 m3的平均水平。因此，研究该区域内的水资源开发利用状况及其与社会经济发展之间的关系是十分重要和紧迫的。

1.2 研究方法及数据来源

1.2.1 水资源生态足迹模型

水资源生态足迹理论是将水资源的消耗折算成土地面积来表征水资源利用状况的一种方法[5-6]。根据水资源的用途及用水特性，城市水资源生态足迹账户一般为农业用水账户、工业用水账户、城镇用水账户、生活用水账户和生态用水账户。水资源账户的计算方法如式(1)。

EFm=N·efm=γ(W/Pm)

(1)

其中：EFm——研究区域内水资源生态足迹，km2；

efm——研究区域内人均水资源生态足迹，km2/人；

N——研究区域内人口；

γ——水资源的全球均衡因子，根据世界自然基金会(WWF)2000年的核算，γ为5.1[5,9]；

W——各类水资源的消耗量，m3；

Pm——水资源的全球水资源平均生产力，m3/km2，根据WWF 2000年的核算，Pm为3.14×105m3/km2。

1.2.2 水资源生态承载力模型

水资源生态承载力是水资源安全性的重要指标[12]，主要是指在一段具体的时间框架内，研究区域中能够供给的、足够保证研究区域内的社会状况、环境状态以及资源可持续发展能力的最大水资源量[6,13-17]。在水资源生态足迹研究过程中，发现40%是一个区域内的水资源开发利用率的红线[6]。也就是说，为了维持一个区域内最基本的生态环境稳定，最多只能开发40%的水资源。因此，水资源生态承载力计算模型如式(2)。

ECn=N·ecn=0.4·φ·γ·Q/Pm

(2)

其中：ECn——需要得到的区域内的水资源承载力，km2；

N——研究区域内的人口总量；

ecn——研究区域内的人均水资源承载力，km2/人；

γ——常数,5.1；

φ——研究区域内的水资源产量因子，计算得到嘉兴市φ为2.14；

Q——研究区域内的水资源总量，m3；

Pm——常量,3.14×105m3/km2。

1.2.3 水资源可持续指数模型

尹默雪等[18]首先提出了生态压力指数(EP)的概念。本研究将水资源生态压力指数细分为4个水资源生态账户下的压力指数，使其更具有针对性，计算方法如式(3)。当EP在0～1时，表示水资源的利用处于安全的状态；当EP>1时，表示水资源的利用处于危险的状态；当EP=1时，表示水资源的利用处于平衡状态[14,19]。

EP=EFm/ECn

(3)

水资源生态压力指数不但是衡量区域内水资源生态安全的重要指标，也是评价区域内可持续发展能力的重要参考方式。在水资源压力指数的基础上，引入水资源可持续指数(EPI)，用于评价研究区域内水资源的可持续发展利用程度，计算如式(4)。

EPI=ECn/(EFm+ECn)

(4)

EPI在0～1时，值越大，表明可持续利用程度越高；反之，则表明水资源利用处于不可持续状态；0.5被认为是临界点。根据EPI的值，将水资源可持续发展利用的程度划分为6个等级，如表1所示。

表1 水资源可持续指数等级划分Tab.1 Classification of Sustainable Utilization Index of Water Resources

1.2.4 万元GDP水资源生态足迹

为了评价水资源的利用效率，引入了万元GDP水资源生态足迹指数(EFI),其计算如式(5)。EFI数值越小，说明水资源利用效率越高；反之则效率越低[18]。一般来说，区域内的万元GDP水资源生态足迹会与该区域的水资源利用成反比。

EFI=EFm/GDP

(5)

1.2.5 水资源负载指数

结合研究区域内水资源总量、人口总数和GDP总值可以得到水资源负载指数。这一指标不但可以显示区域内人口经济的发展状态与水资源的开发利用状态之间的关系，还可以在一定程度上评估该区域内未来水资源开发的前景。因此，在水资源研究中，一般利用水资源负载指数来评价区域内水资源的开发利用前景。其计算如式(6)[20-21]。

(6)

其中：C——该区域内的水资源负载指数；

P——该区域内的人口总数，万人；

G——该区域内的GDP，亿元；

W——该区域内的水资源总量，亿m3；

k——常数，k取值规则如式(7)。

(7)

其中：R——年降水量，mm。

不同的水资源负载指数代表的水资源利用程度和进一步开发评价如表2所示。

表2 水资源负载指数分类Tab.2 Categorization Load Index of Water Resources

1.3 数据来源

本文所采用的数据均来源于2005年—2019年《嘉兴市水资源公报》和《市统计年鉴》。

2 结果与分析

2.1 嘉兴市水资源生态足迹

图1 嘉兴市2005年—2019年平均水资源生态足迹组成Fig.1 Configuration of Water Resources Ecological Footprint in Jiaxing City during 2005—2019

图1为2005年—2019年嘉兴市平均水资源生态足迹账户构成图。生产用水(包括农业用水和工业用水)是水资源生态足迹的主要组成部分，占比达到80%以上，且农业用水大大超过工业用水，占水资源生态足迹的一半以上，多年平均农业用水生态足迹和工业用水生态足迹占比分别为61.98%和21.89%。居民生活用水生态足迹、城镇生公共用水生态足迹和生态用水生态足迹分别占10.11%、4.55%和1.47%，这3个账户的水资源生态足迹变化不大。虽然从2005年—2019年农业用水和工业用水量下降明显，但是第三产业用水量保持相对稳定，增量不明显，说明当前嘉兴市水资源利用结构还处于转型状态，高耗水的第一和第二产业仍然占据嘉兴市产业结构的主要部分。

图2为嘉兴市2005年—2019年的水资源生态足迹。由图2可知，研究期间水资源生态足迹呈波动状，总体为下降趋势。

图2 2005年—2019年嘉兴市水资源生态足迹Fig.2 Water Resource Ecological Footprint in Jiaxing City from 2005—2019

2.2 水资源可持续利用评价指标

2005年—2019年嘉兴市人均水资源生态足迹、人均水资源生态承载力以及水资源可持续指数的变化如图3所示。由图3可知，人均水资源生态足迹处于6.15×10-3～1.10×10-2km2/人，最高值出现在2005年，最低值出现在2019年，最大值和最小值之间相差4.85×10-3km2/人。总体来说，嘉兴市水资源人均生态足迹出现了明显的下降，2019年比2005年下降了44.1%。

图3 2005年—2019年嘉兴市水资源可持续指数、人均水资源生态承载力、人均水资源生态足迹Fig.3 Variation of Sustainable Utilization Index of Water Resources, Carrying Capacity of Water Resource Per Capita and Water Resource Ecological Footprint of Per Capita in Jiaxing during 2005—2019

人均水资源生态承载力与人均水资源生态足迹变化趋势一致，主要受降水量的影响。在降水量丰沛的年份，人均水资源生态承载力就较大，比如在2012年、2015年、2016年和2018年，这几年人均水资源的生态承载力在1.09×10-2～1.24×10-2km2/人；而降水量较小的年份，人均水资源承载力出现很大的下降，比如2005年、2006年和2011年，人均水资源生态承载力都小于5×10-3km2/人。经计算，嘉兴市的水资源承载力与年降水量之间的相关系数达到0.976，因此，降雨少或者降水的时间空间不均匀对嘉兴市的水资源承载力有直接的影响，水资源的可持续开发和利用已经成为嘉兴市深灰经济发展中亟待解决的战略问题。

由以上二者可以得到嘉兴市在2005年—2019年的水资源可持续利用指数。水资源可持续利用指数随着水资源总量和年降水量变化而波动。2005年—2007年嘉兴市的人均水资源已经处于生态赤字的状况，表示在这段时间内，嘉兴市存在水资源开发利用程度过度的问题。2008年—2010年稍有生态盈余，2011年、2013年由于降水量的减少，嘉兴地区的水资源又出现了生态赤字；其余年份嘉兴的水资源都处于生态盈余。由图3可知，2005年—2019年嘉兴市水资源生态赤字的总体趋势逐年缩小，这与嘉兴市采取的产业结构调整和节水措施导致耗水量高的第一、第二产业比例下降，以及相应的用水量下降密切相关。

2.3 水资源利用强度

图4为嘉兴市2005年—2019年万元GDP水资源生态足迹的变化趋势，由2005年的4.4×10-3km2/万元下降到了2019年的5.5×10-4km2/万元，降低了87.5%，说明嘉兴市水资源利用率逐年提高。嘉兴市在能在经济增长较快的同时大幅度提高水资源的利用强度，主要是因为随着科技进度，在各个产业行业中采用了较为先进的技术，从而较高地提高了水资源的利用率。在今后的经济建设中，如果要进一步提高效率，则需继续调整优化用水结构，进一步改进节水工艺。

图4 嘉兴市2005年—2019年水资源利用强度指标Fig.4 Ten Thousand Yuan GDP Ecological Footprint from 2005—2019 in Jiaxing City

2.4 水资源负载指数

为了进一步研究嘉兴市水资源利用情况，对嘉兴市2005年—2019年水资源负载指数进行了研究。水资源负载指数是结合区域内降水、水资源总量、人口以及经济发展几个因素，综合反映区域内水资源利用程度的一个综合指数。由图6可知，嘉兴市水资源负载指数总体处于Ⅱ和Ⅲ级别。2011年由于降水量大幅度减少、GDP小幅提升，当年的水资源负载指数达到10.44，进入Ⅰ级别，即需要外流域调水才能维持继续发展的水平。而其余年份基本都在Ⅱ级和Ⅲ级之间波动。总体来看，嘉兴市的水资源还可以满足社会经济的正常运行，但是水资源开发利用难度加大也是不争的事实，对水资源进行更有效的开发利用和合理配置以满足长远发展的要求是当下急需关注的问题。

图5 嘉兴市2005年—2019年水资源负载指数变化Fig.5 Load Index of Water Resources in Jiaxing City during 2005—2019

3 结论与建议

3.1 结论

水资源生态足迹模型可以用来评价某区域在某个时间段内水资源的可持续发展状况。本文通过建立水资源生态足迹模型，分析和评价了2005年—2019年嘉兴市水资源可持续发展状态，得出以下结论。

(1)嘉兴市历年水资源生态足迹和人均水资源生态足迹呈波动性的总体下降趋势。年降水量对水资源生态足迹和水资源生态承载力影响较大。

(2)从工业、农业、生活、城镇和生态用水对嘉兴市生态足迹账户的贡献来看：农业用水生态足迹占比最高，为61.98%，其次为工业用水生态足迹，在研究期平均占比为21.89%；生活用水、城镇用水和生态用水生态足迹占比分别为10.11%、4.55%和1.47%。嘉兴地区的第一产业用水和第二产业用水这两部分的生态足迹占比高达82.7%，说明该地区的水资源利用结构还不够合理，产业结构还有进一步调整的空间。

(3)2005年—2019年嘉兴市的人均水资源生态足迹总体为下降趋势，2019年较2005年下降了44.1%；从人均分账户的趋势来看，人均农业用水生态足迹的整体趋势是大幅下降，2019年较2005年下降了55.5%。结合农业用水生态足迹逐年下降的数据，说明政府在节水型农业的发展和推广上得到了较好的成效，农业用水的水资源效率得到了有效的提高。值得注意的是，在这期间虽然经济飞速发展，第二产业蓬勃发展，但是工业用水生态足迹变化不大，说明在工业大规模发展的同时，无论从政策上还是经济上，都可以充分认识到提高水资源利用率的重要性。在保证经济发展的同时，不对水资源进行无序的、无节制的开发，并积极采取技术手段提高水资源的利用效率。人均工业用水、人均生活用水和人均生态用水生态足迹历年来稍有波动，总体趋势变化不大；人均城镇用水生态足迹总体为上升趋势，2019年较2005年上升了164.4%，这与人口总量的快速增长有正相关的关系。

(4)2005年—2019年嘉兴市人均水资源生态承载力和生态盈余波动较明显，整体上与年降水量和水资源总量呈明显的正相关。虽然嘉兴地区河网密集，但是水资源总量受到降水的影响非常大。对于嘉兴地区来说，水资源总量虽然不小，但是人均水资源量远远低于全国和全省水平，因此，嘉兴地区总体的水资源利用形势还是比较紧张的。

(5)2005年—2019年嘉兴市水资源万元GDP指数逐年下降，说明水资源利用效率逐渐提高。这主要由于在经济发展的过程中，随着新技术的发展，以及政府逐渐将环境保护和产业发展结合起来，积极推广和利用新技术，在保证经济发展的同时，提高水资源的利用率，合理开发区域内的水资源。

(6)从2005年—2019年的水资源水资源负载指数可以看出，近年来嘉兴市水资源开发利用的条件相对来说还是处于一个较困难的状态，这与区域内水资源量和人口经济规模不匹配也有一定的正相关。

3.2 建议

为了减轻嘉兴市的水资源利用开发压力，根据以上水资源生态足迹模型的分析结果，建议采取以下措施来保证嘉兴市水资源的可持续利用。

(1)虽然农业用水生态足迹下降明显，但是农业用水至今仍旧是嘉兴地区的主要用水产业，因此，应当继续积极引入农业相关的节水技术，改善第一产业农业及相关产业的用水效率，改善现有的农业生产模式。

(2)调整产业结构和产业政策，发展具有区域特色的第三产业。利用现代化的新技术，淘汰落后产能，鼓励发展低能耗和节水型的工业模式发展。水资源问题的根源在于供需不平衡，在水资源供给一定的前提下，只有减少水资源的使用量、提高水资源的利用效率，才能实现水资源可持续利用的目标。积极发展绿色生态产业，将水资源的利用向生态用水偏移，不仅可以提高用水效率，还可以保障该地区的保水能力，减小自然因素对水资源生态承载力的影响。

(3)由于工业用水也是嘉兴地区用水的主要构成部分，应当采用现代化新技术提高工业用水的循环使用率；并且从水资源保护层面出发，应当加强对工业废水进行无害化处理以后再排放的监督管理。

(4)随着人口的增加，生活用水的需求也会不断提高，因此，提高居民节水意识，倡导节约用水，建立节水型社会对水资源的保护和利用也是极其重要的。与此同时，完善顶层制度设计，制定科学的用水总量控制和管理体系，加强对水资源的管理，对于可持续利用和开发有限的水资源是重要的制度保障。

此外，本文在水资源生态足迹计算过程中，并没有考虑水污染对水资源生态足迹的影响。因此，在今后的研究中，应逐步将这部分的内容引入研究体系，分析结果可以更全面、更科学。