鄱阳湖流域水资源生态安全状况及承载力分析

2022-05-31刁艺璇佘敦先张勇奋丁文璐姚成慧

水资源保护 2022年3期

夏军，刁艺璇，佘敦先，李淼，张勇奋，丁文璐，姚成慧，5，刘昭

(1.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； 2.海绵城市建设与水系统科学湖北省重点实验室，湖北武汉 430072； 3.水利部发展研究中心，北京 100038； 4.江西省水利科学院，江西南昌 330029；5.北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

水资源作为人类生存和发展的基础自然资源，其生态安全状态及承载力水平决定了经济社会未来发展的空间[1]。我国水资源存在数量短缺和分布不均等问题，同时在经济增长、城市建设等过程中出现了水环境恶化、水质性缺水、重要湿地萎缩等新的水问题，进一步影响了水资源的生态安全和承载能力，限制了相关区域的发展[2-3]。随着创新、协调、绿色、开放、共享五大发展理念的提出，绿色发展成为重要的发展方式，其强调坚持可持续发展，是重视人与自然和谐发展的现代化新格局。在水资源方面，维持水资源的生态安全、保障水资源可持续利用是实现人与自然和谐发展的重要环节。开展水生态承载力研究，是认识人水关系、掌握水资源可持续发展情况的前提，也是推动生态文明建设、实现地区绿色发展的基础。

当前，对水生态承载力的概念界定尚处于完善阶段，大多数研究认为，水生态承载力是指在一定阶段，某一区域的水生态系统在维持自身及其所支持环境系统健康的状况下，所能承载的最大人口数量和经济规模[4-5]，包含自然和社会双重属性，是水资源、水环境和水生态承载力的结合，具有综合性、动态性的特点[6-7]。水生态承载力的量化评价方法主要包括水生态足迹法[8-9]、系统动力学法[10]、评价指标体系法[11-12]，以及系统动力学法和评价指标体系法结合构建的集成系统进行的综合研究[13]等。生态经济学家Rees[14]于20世纪90年代提出生态足迹(ecological footprint，EF)的概念，即指人类发展过程中的废物排放和资源消费所占用的生物生产性土地面积[15]。水资源生态足迹法是在生态足迹概念的基础上发展的量化方法，因其可操作性强、能够较为直观地反映水生态承载力状态及水资源开发利用情况，在国内外水资源领域应用广泛[16-19]。

鄱阳湖是我国第一大淡水湖，鄱阳湖流域的水资源生态安全是我国东南腹地和长江中下游地区生态安全、粮食安全和用水安全的重要保障；同时，鄱阳湖自然保护区已被确认为国际重要的湿地之一，其独特的湿地生态系统对改善当地气候、维护地区的生态平衡起到了关键的作用[20]。近年来，由于人类活动的影响，鄱阳湖出现水质下降、富营养化日趋严重等生态问题[21]，造成了经济社会发展和环境状况的不平衡[22]，因此流域的生态保护及绿色发展尤为重要。目前，关于鄱阳湖流域的湿地生态[23-25]、水环境污染[26]、水资源生态安全[27]、资源环境安全[28-29]、人类活动或气候变化对流域生态的影响[30]等研究已有丰富成果，但综合水资源生态安全及水生态承载力方面的研究结果相对较少。鉴于当前区域社会经济迅速发展的时代现状，应立足于新的发展阶段，系统综合地评估鄱阳湖流域水资源生态安全状况及水生态承载力情况。因此，本文通过综合考虑农业、工业、生活、生态用水及水污染要素，采用生态足迹模型计算鄱阳湖流域所在地市2010—2019年水资源生态足迹及水生态承载力水平，并从水资源生态盈余、水资源生态赤字、万元GDP水资源生态足迹及水资源生态经济协调指数多个维度评估水资源生态压力状况，了解研究区水资源生态安全的现状及发展情况，以期为鄱阳湖流域未来的水资源生态安全和区域绿色发展提供参考。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

鄱阳湖位于江西省北部(115°49′E～117°46′E，28°24′N～29°46′N)。从地形上看，流域东、南、西三面有山地环绕，北部地势较为平坦，中部丘陵起伏，整体呈现为向北开口的盆地格局。赣江、抚河、修河、饶河、信江等河流自南向北流动，在九江市湖口县石钟山附近汇入长江，年入江流量大约占长江水量的15.6%[31]。鄱阳湖流域面积约16.22万km2，涉及江西、安徽、浙江、福建、广东、湖南六省。由于其绝大部分(流域总面积的96.9%)位于江西省内，且流域范围与江西省行政区边界大致重合，因此选择江西省所辖地市，研究其水资源生态安全状态及水生态承载力水平(图1)。在气候上，研究区四季气温普遍较高，年平均气温19.0℃(2020年)，但频发强寒潮、倒春寒等阶段性低温事件。在全球气候变暖的大背景下，近60年来，其年平均气温呈现显著上升趋势，平均每10年增加0.2℃。另外，研究区降水量较为充足，平均年降水量为1 896.8 mm(2020年)，但降水时空分布不均，整体表现为北多南少、秋多冬少的特点。

图1 鄱阳湖流域范围

1.2 数据来源

数据主要来源于《江西省统计年鉴》(2010—2019年)、GB 8978—1996《污水综合排放标准》和中国科学院资源环境科学与数据中心网站。其中，使用的农业用水量为农田灌溉用水和林牧渔畜用水之和，生活用水量为城镇公共用水和居民生活用水之和。

2 研究方法

2.1 思路框架

鄱阳湖流域是城镇化和工业化快速发展的地区，在发展过程中，人类活动造成了生态压力增大、环境污染等问题，影响了水资源和生态系统的安全，成为限制区域可持续发展的主要因素[32]。针对鄱阳湖流域经济欠发达，人湖、人地矛盾尖锐，环境污染和生态脆弱等发展问题，立足于快速城镇化、工业化发展，生态经济区建设及提高地区人民生活水平的地区发展驱动需求，通过构建水资源生态足迹模型，分别考虑农业、工业、生活、生态4类用水账户和水污染账户，综合评估水资源生态足迹(water ecological footprint，WEF)和水生态承载力(water ecological capacity，WEC)，掌握地区水资源生态安全程度。为全面掌握水资源-经济社会-生态环境的协调发展情况，具体选取水资源生态赤字(water ecological deficit，WED)和水资源生态盈余(water ecological surplus，WES)反映水资源消耗水平，以万元GDP水资源生态足迹(water ecological footprint of GDP，WEFG)刻画水资源的开发潜力和利用效率，并以生态经济协调指数(eco-economic coordination index，EECI)分析地区经济社会和生态环境发展的协调水平(图2)。

2.2 计算方法

2.2.1水资源生态足迹

水资源生态足迹是区域消耗的水资源量转化为用地面积，包括区域用水及水污染产生的水资源生态足迹两部分。计算公式[33]如下：

WEF=WEFR+WEFQ

(1)

其中

WEFQ=γmax(WEFCOD，WEFNH3)=
γmax (LCOD/ρCOD，LNH3/ρNH3)×100/P

式中：WEF为水资源生态足迹，万hm2；WEFR为区域用水产生的水资源生态足迹，万hm2；WEFQ为水污染产生的水资源生态足迹，包括排放的生活污水中COD和氨氮所产生的污染足迹，万hm2；WWEFRi为第i类用水账户的水资源生态足迹，包括4类用水，i=1，2，3，4分别代表农业、工业、生活、生态用水账户，万hm2；N为人口数，万人；wEFRi为第i类用水账户人均水资源生态足迹，hm2；qi为第i类用水的人均用水量，m3；γ为水资源全球均衡因子，根据已有研究取值5.19；P为水资源全球平均产量，取值3 140 m3/hm2[34]；WEFCOD、WEFNH3分别为排放的生活污水中COD和氨氮所产生的污染足迹，万hm2；LCOD、LNH3分别为区域内生活污水中COD和氨氮排放量，t；ρCOD和ρNH3分别为国内单位面积水域COD和氨氮的排放达标质量浓度，根据GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的二级排放标准，ρCOD和ρNH3分别取120 mg/L、25 mg/L[35]。

图2 鄱阳湖流域水资源生态足迹模型及多维评估框架

2.2.2水生态承载力

基于水资源生态足迹模型的水生态承载力被定义为：在一定历史阶段，特定区域内的水资源最大供给量对该区域资源、环境和社会提供的可持续发展能力[36]。计算公式[37]如下：

WEC=NwEC=Nφγ(q/P)(1-α)

(2)

式中：WEC为区域水生态承载力，万hm2；wEC为人均水生态承载力，hm2；φ为水资源产量因子，取值3.07[36]；q为区域人均水资源量，m3。由于在地区发展中，对水资源的开发利用若超过总量的30%～40%，会产生生态环境的潜在影响，因此在水生态承载力中需保留用于维持地区生态环境状况的水资源，即在水生态承载力计算公式中加上系数1-α，其中α取值0.6[33]。

2.2.3水资源生态赤字和水资源生态盈余

具体而言，教师可以组织幼儿展开标本制作活动。在这个活动中，幼儿们可以根据自己的喜好在农村的自然环境中收集植物乃至昆虫的样本，然后在父母或教师的指导下对这些样本进行认真的整理，制作成栩栩如生而非杂乱无章的标本，最后呈现在班级自然角中。其中，昆虫标本的制作很有难度，保存也不容易，教师适宜取昆虫身上的一部分展开活动，比如，教幼儿小心截取和整理蚂蚱的对足、双翅，等等。此外，教师还可以开辟一小块沙盘，教幼儿玩沙画、写沙字等。奇石收集活动也可以成为幼儿动手能力教育的一个部分，它们都将有利于幼儿收集整理能力的培养。

使用水资源生态赤字和水资源生态盈余指标对水资源是否可持续利用进行量化。将地区产生的水资源生态足迹与水生态承载力进行比较，若水资源生态足迹大于水生态承载力，说明发展所需消耗的水资源超出地区水生态承载能力，产生了水资源生态赤字；反之则说明消耗量小于承载量，水资源处于生态盈余状态。

WER=WEF-WEC

(3)

式中：WER为水资源生态平衡指数，万hm2。当WER>0时，表示产生了水资源生态赤字，用WED表示；当WER<0时，表示产生了水资源生态盈余，用WES表示；当WER=0时，表示水资源生态平衡处于临界点。

2.2.4水资源开发利用效率

利用万元GDP水资源生态足迹(WEFG)对水资源开发利用效率进行量化。计算公式[38]如下：

WEFG=WEF/QGDP

(4)

式中：WEFG为万元GDP水资源生态足迹，hm2/元；QGDP为国内生产总值，万元。

2.2.5水资源生态经济协调程度

使用生态经济协调指数来反映经济社会和生态环境之间的协调程度，计算公式[39]如下：

(5)

式中：EECI为生态经济协调指数，取值范围为[1，1.414]。当EECI=1.414时，生态经济协调性较好，生态安全得到保障，水资源生态实现供求平衡；当EECI取值越接近1，经济社会发展越不可持续，生态安全性越低。

3 结果与分析

3.1 水资源生态压力状况分析

3.1.1水资源生态足迹

2019年，区域用水量产生的水资源生态足迹占总量的87%，水污染产生的水资源生态足迹占总量的13%。在用水方面，农业、工业、生活、生态4类用水账户产生的水资源生态足迹中，农业类占比56%，工业和生活类分别占比20%和10%，生态类仅占1%左右，因此农业是江西省水资源生态足迹产生的主要贡献类型(图3)。

图3 江西省各类型用水账户的2010—2019年水资源生态足迹

具体到各市，江西省宜春市是产生水资源生态足迹最多的地区，其次是赣州市、南昌市、上饶市和吉安市。农业用水账户水资源生态足迹主要产生地区为宜春市、上饶市、赣州市和吉安市；工业用水账户水资源生态足迹主要产生地区为宜春市、南昌市和九江市；生活用水账户水资源生态足迹主要产生地区为赣州市、南昌市、上饶市和宜春市；生态用水账户水资源生态足迹主要产生地区为南昌市和赣州市；水污染账户水资源生态足迹主要产生地区为赣州市和上饶市(表1)。

表1 江西省2019年水资源生态足迹组成情况

3.1.2水生态承载力

由表2可以看出，2019年江西省水生态承载力较高的地区是赣州市、吉安市、上饶市、抚州市和宜春市，水生态承载力达4 500万hm2以上，其余地市在800万～2 500万hm2之间。在人均水生态承载力方面，抚州、吉安、赣州、鹰潭、上饶等市较高，为9万～15万hm2，南昌市较低，低于5万hm2。可以看出，赣州、吉安、抚州这些地区水资源量相对丰富，且植被覆盖率较高，其水生态承载力的总量和人均值均位居前列，是水生态承载力状况最好的地区；鹰潭市和新余市水生态承载力总量最低，但人均值较高，水生态承载力状况也较好。近10年来，江西省大部分地区水生态承载力降低，如上饶、抚州、宜春、九江等市，其水资源总量下降。

表2 江西省各市2010年和2019年水生态承载力情况

3.1.3水资源生态赤字和水资源生态盈余

整体看来，江西省水生态承载力大于水资源生态足迹，均表现为生态盈余状态，水资源禀赋较好，未出现过分透支水资源的情况。由图4可知，江西省赣州市、吉安市、上饶市、抚州市是水资源生态盈余较多的地区，水资源生态现状对地区发展有较好的支持能力，未来水资源可开发利用水平较高。

图4 江西省各市2010—2019年水资源生态盈余

3.1.4水资源生态足迹影响因素分析

近10年来，江西省农业用水账户产生的水资源生态足迹略有上升，相比2010年增加了131.57万hm2；工业用水账户产生的水资源生态足迹整体表现平稳，变动幅度不大；生活用水账户产生的水资源生态足迹2010—2019年持续上升，相比2010年增加了84.30万hm2；生态用水账户产生的水资源生态足迹略有下降；水污染账户产生的水资源生态足迹略有上升，相比2010年增加了218.78万hm2，在地区水资源生态足迹中的占比从2010年的10%上升为2019年的13%。因此应关注江西省农业类用水及水污染所产生的水资源生态足迹数量。

通过各因素生态足迹占水资源生态足迹比值的变化量来分析影响水资源生态足迹变化的主要因素[40](表3)。由表3可以看出，水污染账户产生的水资源生态足迹变化对水资源生态足迹有较普遍的促进作用，除了萍乡市外，其余地市水污染账户产生的水资源生态足迹的贡献值均为正值。景德镇市水污染账户产生的水资源生态足迹占水资源生态足迹总量的比值由15%上升到23%，是导致其水资源生态足迹上升的主要原因，因此景德镇市应持续加强水环境治理设施建设，以绿色发展为目标，改善水体环境，促进生活方式的转变，减少入河污染[41]。吉安市水污染账户水资源生态足迹占水资源生态足迹总量的比值由7%上升到12%，上饶市由10%上升到17%，这些地区城镇生活污水所带来的水污染同样需要被重点关注。

表3 江西省各地市水资源生态足迹影响因素分析

在用水所产生的水资源生态足迹中，生态用水账户和生活用水账户产生的水资源生态足迹比例普遍为正值，但数值较小，说明其变化在水资源生态足迹总量的增加中作用不明显。工业用水账户和农业用水账户产生的水资源生态足迹比例变化较为明显，如作为江西省的新兴工业城市，新余市、景德镇市近年来积极发展新能源和进行产业转型，因此工业用水账户所产生的水资源生态足迹占水资源生态足迹总量的比例明显降低。而南昌市和抚州市WEFR2增加较为明显，说明其工业用水量和用水效率有进一步控制的空间。由于工业发展是南昌市发展规划中的重要部分，其将进一步做强工业实力，构建新工业发展格局，因此在地区未来发展过程中，应注重工业用水量的管控，并提高工业废水循环利用水平，以控制水资源生态足迹总量。在农业方面，新余市和景德镇市农业用水账户产生的水资源生态足迹占比明显增加，新余市应建立健全农业水价形成机制，在农业产业化过程中注重提高农业用水利用效率；景德镇市应改变农业粗放式用水情况，聚焦农业节水减排改革目标，通过农业水价改革和完善农业用水管理等措施，实现农业用水统筹控制及用水效率有效提高。

3.2 水资源开发利用效率分析

利用万元GDP水资源生态足迹表示区域内经济发展中水资源开发利用效率，其值越大，说明单位经济产出产生的水资源生态足迹越多，水资源利用效率越差。由图5(a)可以看出，江西省各地市万元GDP水资源生态足迹逐年降低。特别是吉安市、九江市、宜春市，其万元GDP水资源生态足迹与2010年相比下降超过60%，水资源利用效率明显提升。整体来看，在研究时段内江西省经济运行平稳，新动能增长加快，2019年1—9月，全省规模以上工业增加值增长8.7%，高于全国平均3.1%。同时，经济社会发展中能源结构有所改善，工业用水重复利用率提高，最严格水资源管理制度得到了有效实施[42]。

(a) 万元GDP水资源生态足迹

(b) 生态经济协调指数

在2019年，江西省万元GDP水资源生态足迹最低的地区是南昌市，吉安市、宜春市、抚州市相对较高。

3.3 水资源生态经济协调分析

生态经济协调指数反映了区域水资源和生态经济的协调性。2019年，南昌市生态经济协调指数值为1.30，是水资源生态经济协调性最佳地区；赣州市、抚州市、吉安市、上饶市生态经济协调指数较低，均低于1.0，水资源的生态经济协调性相对较差。同时，研究时段始末生态经济协调指数值的变化反映出萍乡、吉安两市水资源的生态经济协调性降低，需要重视这些地区水资源的生态安全状态，提高水资源的生态经济协调水平(图5(b))。