珠三角区域水资源生态足迹动态分析与预测
2024-06-26牛亚朝罗柱王强付志君徐承毅
牛亚朝 罗柱 王强 付志君 徐承毅
摘 要：水资源的短缺和过度开发制约着大多数地区的可持续发展，为分析水资源可持续利用水平，基于水资源生态足迹法，通过指标计算法（水资源生态经济协调度、水资源可持续利用水平、人均万元 GDP 水资源生态足迹）动态分析了2010—2022年珠三角区域各地市水资源可持续利用情况，同时构建 GM（1，1）灰色预测模型模拟未来10 a该区域人均水资源生态足迹的演变情况，结果表明：从整体趋势来看，2010—2022年各地市人均水资源生态足迹都有所下降，其中下降趋势最明显的为中山市，下降幅度达到了47.01%；从时间变化上看，珠三角区域各地市的水资源承载力出现较大的差异而呈波动变化；肇庆市的水资源经济协调度较差；佛山市的水资源压力较大，处于不可持续水平；各地市的人均万元水资源生态足迹值都随年份呈下降趋势，未来10 a 该区域人均水资源生态足迹呈稳定下降趋势。研究成果可为未来该地区水资源可持续利用和缓解生态环境压力提供决策依据。
关键词：水资源生态足迹；水资源承载力；灰色预测模型；珠三角区域
中图分类号：TV213.4 文献标识码：B 文章编号：1001-9235（2024）05-0034-12
Dynamic Analysis and Prediction of Ecological Footprint of Water Resources in the Pearl River Delta Region
NIU Yachao1， LUO Zhu1，2， WANG Qiang3， FU Zhijun1，2， XU Chengyi1
（1. Guangdong Building Research Yuansheng Engineering Testing Co.， Ltd.， Dongguan 523710， China;2. Guangdong Provincial Academy Building Research Group Co.， Ltd， Guangzhou 510500， China;3. Pearl River Water Resources Research Institute， PearlRiver Water Conservancy Commission， Guangzhou 510611， China）
Abstract： The scarcity and overuse of water resources restrict the sustainable development of many regions. To assess water resources sustainability， this paper conducted a dynamic analysis of water resources sustainability in various cities in the Pearl River Delta region from 2010 to 2022 by using the ecological footprint method of water resources and indicator calculation （economic and ecological coordination of water resources， water resources sustainability， and ecological footprint of water resources per capita at a gross domestic product （GDP） of 10，000 yuan）. Additionally， the paper constructed a GM （1，1） gray prediction model to project the future evolution of the ecological footprint of water resources per capita in the region over the next ten years. The findings indicate that the ecological footprint of water resources per capita has decreased in all cities between 2010 and 2022， and Zhongshan City has the most obvious decreasing trend， with a decrease rate of 47.01%. In terms of temporal changes， the carrying capacity of water resources in different cities in the Pearl River Delta region exhibits significant differences and fluctuations. The economic coordination of water resources in Zhaoqing City is poor. The pressure of water resources in Foshan City is great and unsustainable. The ecological footprint of water resources per capita at a GDP of 10，000 yuan shows a decreasing trend over the years， and the ecological footprint of water resources per capita in this region exhibits a stable decreasing trend over the next decade. These research findings can provide decision-making insights for water resources sustainability and mitigation of ecological pressure in this region in the future.
Keywords： ecological footprint of water resources; carrying capacity of water resources; grey prediction model; Pearl River Delta region
快速的城市化增加了人类社会对水资源及其相关生态系统服务的需求，水资源短缺日益成为城市未来发展的最大瓶颈，如何协调社会经济与水资源的可持续性就显得尤为重要。为了实现水资源的可持续利用，满足区域用水需求，常用的方法有层次分析法、数据包网络分析法、水资源综合评价法等。而生态足迹的概念最早由 Rees提出，用于估算人类自然资源消耗和吸收人类产生的废物所需的生态生产空间面积的大小，随后该理论又得到进一步的延伸，在基于承载力的概念上，进一步揭示了生态承载力与自然资源消耗之间的关系［1］。一些研究人员受到生态足迹概念的启发，通过将其应用到水资源分析中，从而提出水资源生态足迹法，并将其定义为生产该国居民消费的商品和服务所需的水量［2］。
水资源生态足迹法则可通过综合账户，来分析人类生态需求和生态承载力之间的关系，同时监测人类社会的发展对自然资源的消耗，目前该方法已在国内外得到广泛的应用。杨婷婷［3］基于水资源生态足迹法对沿海11省市的水资源可持续利用性进行了分析。钟妮栖等［4］对黄河流域城市群水资源利用与经济发展脱钩关系进行了深入探讨。秦欢欢［5］分析了4种模式下华北平原的水资源生态足迹与生态承载力，并选择 SD 法对未来30年的水资源生态足迹和生态承载力进行了预测分析。洪竞科等［6］则基于套索算法和灰色预测模型预测了浙江省未来十年的碳排放量。朱雪颖等［7］构建了 GM（1，1）模型预测了塔里木河流域2021—2030年的人均水资源生态盈亏。MA 等［8］结合关联规则算法和 GM（1，1）分析预测了中国东部、中部和西部地区的碳排放。不难发现，近年来灰色预测模型在数据预测方面得到了广泛的应用，而 GM（1，1）模型是灰色预测模型中应用最为广泛的一个基本模型，由于 GM（1，1）模型构建相对较为简单，且对样本数据的时间长度无特殊要求，同时其预测精度相对较高，因此本文使用 GM（1，1）灰色预测模型对珠三角区域2023—2032年的水资源生态足迹进行预测。
先前的研究基本通过水资源生态足迹的盈亏来评价水资源的可持续利用情况，不能全面综合地反映出其经济社会发展对水资源利用的关系，本研究则采用多个指标计算法，通过水资源生态经济协调度、水资源可持续利用水平、人均万元 GDP（国民生产总值）水资源生态足迹3个指标，动态分析了珠三角区域各地市2010—2022年的水资源利用情况，同时通过构建 GM（1，1）灰色预测模型预测了2023—2032年珠三角区域人均水资源生态足迹的演变情况，研究结果旨在期望为珠三角区域水资源的开发利用和科学管理提供一定的理论支撑。
1材料与方法
1.1研究区概况
珠三角地区（图1）位于广东省内，由广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门和肇庆9个地级市组成，是中国重要的经济中心区域，研究区总面积54766 km2。研究区内水系发达，水资源充沛，2022年珠三角区域年降水量达2100.5 mm，地表和地下水资源丰富，水资源总量达332.1亿 m3，由于珠三角地区经济总量较大，2022年该地区用水总量217.8亿 m3，占广东全省用水总量的54.2%。
1.2数据来源
本文所用的生产用水量、生活用水量、生态用水量、用水总量、人均万元 GDP、水资源总量、人均消耗水量和年末常住人口等数据均来自广东省2010—2022年《广东统计年鉴》和《广东省水资源公报》。
1.3研究方法
1.3.1水资源生态足迹
水资源生态足迹是指将一个地区消耗的水资源量转化为相应的土地面积，并将其均衡化，以获得不同地区间可比的均衡值，通过该值的大小可较为准确的量化该区域水资源的可持续利用情况。在本文中将总水资源消耗分为生产用水、生活用水、生态用水，同时将总水资源生态足迹账户划分为生产用水、生活用水和生态环境用水3个二级账户，其计算方法见式（1）—（4）：
式中 EFC、EFH、EFT、EFZ——生产用水、生活用水、生态环境用水和总水资源的生态足迹，hm2； N——年末常住人口，人；efC、efH、efT——各二级账户人均水资源生态足迹，hm2/人； efrj ——总人均水资源生态足迹，hm2/人；γ——水资源全球平衡因子，根据文献［9］本文取γ=5.19；WC、WH、WT——当年各二级账户水资源消耗量，m3；Wrj——当年该地区人均水资源消耗量，m3/人；P——水资源全球平均生产能力，在本文中取3140 m3/hm2［10］。
1.3.2水资源承载力
水资源承载力可以量化一个地区在一定历史发展时期内水资源对资源、环境、社会可持续发展的最大支撑能力。但有学者认为，如果一个地区的水资源过度开发，超过当地水资源量的30%～40%，可能会造成环境恶化现象［11］。所以通常需要扣除60%的水量来维持水生生态系统的健康［12］，见式（5）：
式中 EC——当地的水资源承载力，hm2；ec——人均水资源承载力，hm2/人；Q——当地的水资源总量；φ——区域的水资源产量因子，代表了不同地区的水资源供给能力，其计算见式（6）：
φ= （6）
式中 PW——区域单位面积的产水量，m3/hm2。
在本文中根据《广东省水资源公报》提供的产水模数的定义，采取产水模数代表区域代为面积的产水量，根据各地市提供的每年的产水模数，计算得到各地市2010—2022年的水资源产量因子见表1。
1.3.3水资源生态赤字/盈余
区域的水资源生态足迹与水资源承载力之差来反映地区的水资源生态赤子/盈余，见式（7）：
es = ef - ec （7）
式中 es——水资源生态赤字/盈余，es<0表示该地区水资源较为充足，可满足当地的用水需求，es>0表示该地区水资源出现短缺，不能满足当地用水需求。
1.3.4指标计算方法
a）水资源生态经济协调度。采用生态经济协调度可较好地反映出水资源与经济社会发展之间的关系，见式（8）：
ECI =ef + ec（8）
式中 ECI——水资源生态经济协调度。
ECI 的取值为1.000～1.414，主要衡量珠三角区域各地市水资源生态经济的协调性以及水资源整体利用效率［13］。
b）水资源可持续利用水平。采取水资源生态足迹与水资源承载力的比值来量化区域的水资源可持续利用水平，其值越大，表示当地的水资源压力越大，其可持续利用水平就越低，见式（9）：
efS =
式中 efS——水资源的可持续利用指数。
当0
其中，非常可持续是指水资源消耗量不超过水资源供应量，且消耗量不会导致水资源枯竭。完全不可持续是指水资源的消耗量超过了供应量，同时还威胁到区域生态环境质量和生物多样性。
c）人均万元 GDP 水资源生态足迹。采用人均水资源生态足迹与人均万元 GDP之间的比值，可反映出区域的发展与水资源利用程度之间的关系，其值越小，代表该区域的水资源利用效率越好［7］，见式（10）：
efGDP =人均万元（ ef）GDP （ 10）
式中 ef ——人均水资源生态足迹，hm2/人； efGDP ——人均万元 GDP 水资源生态足迹， hm2/人·万元。
1.3.5灰色预测模型
灰色系统理论最早由邓九龙教授在1982年提出，灰色预测模型在灰色系统理论中发挥着重要的作用，该模型可针对不完整信息或小样本数据进行预测，现已广泛应用于农产品、环境问题、交通流量和能源经济等方面的预测中［15］。其中对单调趋势明显的序列，GM（1，1）模型对信息的模拟准确度较高，具有良好的实用性和适用性［16］。其计算方法如下。
原始数据序列见式（11）：
其离散形式及预测序列见式（16）、（17）：
同时，构造矩阵 B 和向量 U，（17）见式（18）—（20）：
数据的预测误差见式（21）：
小误差概率p 见式（22）：
方差比 C 见式（23）：
其中 C 值越小表明模型的预测值与实际值较为吻合，而 P 值则代表残差与残差平均值之差小于给定值0.6745的点数，其值越大则表明数据分布较为均匀，因此通常将两者结合作为模型精度划分的依据，具体的模型精度分级见表3。
2结果与分析
2.1人均水资源生态足迹动态分析
2010—2022年各地市人均生产用水、人均生活用水、人均生态用水和人均总水资源生态足迹的变化趋势见图2，可以看出三类二级水资源账户中，人均生产用水在各地市中所占的比例最大，人均生活用水次之，占比最小的为人均生态用水。其中人均生产用水足迹最多的为江门市，在2010—2011年达到了1.00 hm2/人以上，最少的城市为深圳市，在2022年仅为0.11 hm2/人。同样，从2010—2022年的13年的平均值来看，人均生产用水足迹最高和最低的城市为江门市和深圳市，分别为0.89、0.14 hm2/人；2010—2022年中，人均生活用水最高的城市为2014年的珠海市，人均生活用水达到0.14 hm2/人，最少的为2016年的中山市，人均生活用水量仅为0.073 hm2/人，从位帅等［17］的研究中发现，这是由于2016年是中山市实行最严格水资源管理制度第2个考核期的第1年，该年对节水型社会建设工作要求更加严格，可能导致其人均生活用水量最低。整体来看，2010—2022年人均生活用水足迹最高和最低的城市为珠海市和惠州市，分别为0.125、0.087 hm2/人；人均生态用水量在所有珠三角城市中普遍都在0.02 hm2/人以下。
图2可以看出，珠三角各地市2010—2022年人均水资源生态足迹的变化趋势一致，只有广州和惠州2个城市在2010—2019年呈现出下降趋势，其他城市在2010—2019年都呈现出先下降后升高再下降的趋势，但在2020年之后广州、深圳、东莞、江门和惠州的人均水资源生态足迹呈现出一定的升高趋势，中山市在2010—2022年人均水资源生态足迹变化最大，由2010年的1.02 hm2/人下降到2022年间的0.54 hm2/人，下降幅度达到了47.01%，可见在2011年开展节水工作后，节水载体建设逐渐强化，节水宣传日渐得到重视，促使其人均水资源生态足迹不断下降［17］，肇庆市13 a 间变化幅度最小，但其人均水资源生态足迹始终维持在0.65～0.85 hm2/人。但从整体趋势来看，2010—2022年各地市人均水资源生态足迹都有所下降，且下降幅度都在20%以上，张义敏等［18］的研究表明，在2011年之后全省的用水效率得到有效提高，同时随着珠三角区域人口不断增长，用水工艺升级等因素，可能导致人均水资源生态足迹有所下降。
2.2人均水资源生态承载力及生态盈亏动态分析
珠三角区域各地市年均人均水资源承载力的大小为江门>肇庆>惠州>珠海>中山>广州>佛山>东莞>深圳（图3），江门和肇庆的人均水资源承载力明显高于其他各市，其中江门市的年均人均水资源承载力是深圳市的20倍，这与陶倩君等［19］的研究结果较为相似，究其原因，可能是由于江门和肇庆市降水量较大，且地下水资源丰富，山区植被覆盖量高，人口较少，导致两市水资源承载力较大。从时间变化上看，珠三角区域各地市的水资源承载力出现较大的差异而呈波动变化，最高的为2018年江门的12.21 hm2/人，最低的为2011年的深圳市仅为0.23hm2/人，有研究表明，生态承载力的波动变化可能与该区域受降水丰枯年交替变化有关［10］。
由珠三角区域各地市人均水资源生态赤字/盈余（图4）可知，在2010—2022年人均水资源生态足迹发生明显动态变化的城市主要集中在广州、深圳、中山、佛山、东莞5个城市，由于这几个城市工业化程度较高，且经济发展较为迅速，随着人口的增长，水资源开发强度提高，使得人均水资源生态盈亏发生较大的变化。在2016、2018、2019、2022年各地市均表现为生态盈余，其余年份均有城市出现生态赤字现象，2011年珠三角区域生态赤字的范围最广，其中中山市的生态赤字已达到-0.53 hm2/人，随后出现生态赤字的范围得到逐步减小，表明随着2011年最严格水资源管理制度的实施，用水效率得到有效提升，可见水资源的生态盈余不仅仅受自然条件的影响，还可能与地区的水资源消耗有关；在2010—2022年佛山市的人均水资源生态足迹长时间处于赤字状态，虽有盈余出现但其盈余值仍然较小，江门、肇庆、珠海、惠州4个城市均呈现较为稳定的生态盈余现象，其中江门和肇庆的生态盈余一直维持在较高的水准，江门市在2018年的生态盈余已达到11.21 hm2/人，为同时期东莞市人均水资源生态盈余值的133倍，因此有必要加强水资源管理，提高用水效率。
2.3水资源评价指标分析
图5为各地市水资源生态经济协调度，可以看出佛山、东莞、深圳、广州、中山5个城市的生态经济协调度都较好，生态经济协调度基本达到1.4左右，且年际水资源生态经济协调度变化均较小，表明水资源生态实现了供求平衡。此外，珠三角区域各市年均水资源生态经济协调度表现为：佛山（1.392）>东莞（1.383）>深圳（1.377）>广州（1.373）=中山 （1.373）>珠海（1.172）>惠州（1.142）>江门（1.127）>肇庆（1.102），肇庆市的水资源经济协调度较差，而肇庆市水资源生态足迹在历年的统计数据来看一直处于盈余状态，从而可以得出水资源生态经济协调度的大小与水资源生态足迹的赤字/盈余并没有太大的关联，由于肇庆市的工业化程度相较于其他城市较为落后，且受经济发展程度的影响，虽然其水资源量较为充沛，但是水资源开发利用较低，从而未将水资源优势转化为经济优势。
从图6可以看出，各地市的水资源可持续利用水平在2010—2022年呈波动变化，其中珠海、惠州、江门和肇庆的水资源可持续利用水平始终保持在0.5以下，表明其水资源压力小，处于非常可持续水平；佛山的水资源可持续利用水平值在9个市中处于较高值，且基本上在1.0以上，表明其水资源压力较大，在2011年时，其值达到了最大2.67，处于完全不可持续状态，虽然在2011年之后有所降低，但还是处于不可持续状态。
人均万元水资源生态足迹可以反映一个地区水资源的利用效率，从图7可以得出，江门和肇庆市历年的人均万元 GDP水资源生态足迹值较大，表明其水资源利用效率较低，而深圳市的人均万元水资源生态足迹值较低，基本上在0.05 hm2/人·万元，表明其水资源利用效率较高。不过从整体趋势来看，各地市的人均万元水资源生态足迹值都随年份呈下降趋势，表明珠三角区域各地市用水效率得到不断地提升，水资源利用率发展趋势将会越来越好。
2.4珠三角区域未来10 a 水资源生态足迹预测分析
利用 GM（1，1）灰色预测模型对珠三角区域各地市2010—2032年人均水资源生态足迹值进行预测，计算出的结果经过精度检验基本都达到要求（表4），其中广州、佛山、中山和江门的小误差概率达到了1，方差比都在0.35以下，模拟精度最好，珠海和东莞两市的预测模拟精度较低，但也达到了勉强合格。从图8中可以看出，各地市人均水资源生态足迹2023—2032年未来10 a呈稳定下降趋势，其中中山和广州的下降幅度最大，分别为42.95%和39.81%，肇庆的下降幅度最小仅为16.21%，但其人均水资源生态足迹值仍在0.5 hm2/人以上，另一方面，从2010—2022年的生态承载力来看，肇庆市未来的水资源生态足迹将可能仍处于较高水平的盈余状态。
3结论
本文以珠三角区域9个地市为研究区域，基于水资源生态足迹法，分析了珠三角区域在2010—2022年的人均水资源生态足迹、人均水资源生态承载了和人均水资源生态足迹盈亏，通过指标计算法（水资源生态经济协调度、水资源可持续利用水平、人均万元 GDP水资源生态足迹）动态分析了珠三角区域水资源的利用情况，结合 GM（1，1）灰色预测模型对2023—2032年间水资源生态足迹进行预测，研究结果如下。
a）人均生产用水在各地市中所占的比例最大，人均生态用水量最小，中山市在2010—2022年人均水资源生态足迹变化最大，下降幅度达到了47.01%，肇庆市的变化幅度最小。从整体趋势来看，2010—2022年各地市人均水资源生态足迹都有所下降，且下降幅度都在20%以上，说明广东省在2011年实行最严格水资源管理制度后对珠三角区域水资源利用情况的转变产生了积极作用。
b）从时间变化上看，珠三角区域各地市的水资源承载力出现较大的差异而呈波动变化，在2010—2022年人均水资源生态足迹盈亏发生明显动态变化的城市主要集中在广州、深圳、中山、佛山、东莞5个城市，其中佛山市的人均水资源生态足迹长时间处于赤字状态，未来佛山市急需采取有效措施加强水资源节约利用，缓解水资源生态压力，促进水资源可持续发展。
c）肇庆市的水资源经济协调度较差，虽然其水资源量较为充沛，但是水资源开发利用较低，从而未将水资源优势转化为经济优势，未来肇庆市急需采取有效手段，充分发挥地区资源优势，加快产业转型升级，促进水资源优势转化；珠海、惠州、江门和肇庆的水资源压力小，佛山市的水资源压力较大，处于不可持续水平；从整体趋势来看，各地市的人均万元 GDP 水资源生态足迹值都随年份呈下降趋势，表明珠三角区域近年来各地市用水效率得到了有效提升。
d）通过灰色预测模型，模拟未来十年珠三角各地市人均水资源生态足迹，发现各地市在2023—2032年呈稳定下降趋势，其中中山和广州的下降幅度最大，分别为42.95%和39.81%，肇庆的下降幅度最小仅为16.21%，在未来仍需提高用水效率，调整产业结构，实现区域水资源的有效可持续利用。
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（责任编辑：程 茜）
