姜詩(shī)慧，彭劍峰*，宋永會(huì)，劉瑞霞，張茉莉

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012 2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

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沈陽(yáng)市2005—2012年水足跡與水資源承載力分析

姜詩(shī)慧1,2，彭劍峰1,2*，宋永會(huì)1,2，劉瑞霞1,2，張茉莉1,2

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012 2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

為衡量城市人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源的真實(shí)利用情況，以水足跡(water footprint, WF)理論為基礎(chǔ)，計(jì)算了沈陽(yáng)市2005—2012年水足跡和水資源承載力基礎(chǔ)指標(biāo)；對(duì)比分析了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源系統(tǒng)造成的壓力以及水資源系統(tǒng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力；利用水足跡指標(biāo)構(gòu)建了耦合協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；借鑒容量耦合模型對(duì)沈陽(yáng)市水資源承載力的耦合度和耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行了時(shí)序分析。結(jié)果表明：沈陽(yáng)市2005—2012年水足跡整體呈波動(dòng)下降態(tài)勢(shì)，水足跡年平均值保持在約36.54×108m3；農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量是城市水足跡的主要組成部分，人口數(shù)量和飲食習(xí)慣差異是導(dǎo)致城鎮(zhèn)居民虛擬水消費(fèi)量較大的主要原因；從水資源承載力基礎(chǔ)指標(biāo)來(lái)看，沈陽(yáng)市對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)利用處于不可持續(xù)狀態(tài)，人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展已導(dǎo)致水資源供給乏力；從歷年耦合度和耦合協(xié)調(diào)度計(jì)算結(jié)果來(lái)看，沈陽(yáng)市水資源承載力系統(tǒng)處于拮抗?fàn)顟B(tài)。除2005年外，沈陽(yáng)市“水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”系統(tǒng)始終處于輕度失調(diào)狀態(tài)。

水足跡；水資源承載力；可持續(xù)發(fā)展；耦合度；耦合協(xié)調(diào)度

隨著城市人口的不斷增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人類(lèi)對(duì)水資源的需求量也隨之增加，城市對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)、利用面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，準(zhǔn)確衡量城市人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源的真實(shí)利用情況，分析并掌握社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源系統(tǒng)造成的壓力和水資源系統(tǒng)的承載能力成為指導(dǎo)城市科學(xué)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

以虛擬水理論為基礎(chǔ)，荷蘭學(xué)者Hoekstra類(lèi)比生態(tài)足跡提出了水足跡(water footprint, WF)這一水資源領(lǐng)域的重要概念，該概念的提出對(duì)人們重新認(rèn)識(shí)水資源、水安全，尤其是對(duì)水資源短缺城市的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義[1]。水足跡是指在某一已知人口的區(qū)域和時(shí)間內(nèi)，公眾在消費(fèi)產(chǎn)品和服務(wù)過(guò)程中所消耗的水資源總量，這里所指的產(chǎn)品和服務(wù)包括人類(lèi)生活所必須的各種食物、用品、生活用水及環(huán)境用水[2]。水足跡能夠真實(shí)地反映區(qū)域?qū)λY源的需求和占用情況，為城市科學(xué)利用有限水資源提供有益的決策依據(jù)。水足跡理論在提出僅10年的時(shí)間里，便在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。Chapagain等[3-4]不僅計(jì)算了1997—2001年國(guó)際貿(mào)易中農(nóng)產(chǎn)品和畜牧產(chǎn)品的虛擬水量，還對(duì)世界各國(guó)水足跡進(jìn)行了計(jì)算：從全球水足跡計(jì)算結(jié)果來(lái)看，印度是世界上水足跡最大的國(guó)家；但從人均水足跡來(lái)看，美國(guó)則位居第一。Aldaya等[5]將水足跡思想融入水資源管理政策中，并率先將水足跡指標(biāo)應(yīng)用于流域管理規(guī)劃。在我國(guó)，鄧曉軍等[6-7]采用城市水足跡分析方法先后對(duì)上海市和重慶市水足跡進(jìn)行計(jì)算與對(duì)比分析，結(jié)果表明，兩城市水足跡總體呈上升趨勢(shì)，且二者的差距逐漸縮小，上海市水資源系統(tǒng)對(duì)外依賴(lài)程度遠(yuǎn)高于重慶市；王新華等[8]分析了2000年中國(guó)各省水足跡，其中，青海等西北部各省水足跡較大，浙江、江西、廣西和四川等南部和中東部各省水足跡較小；劉梅等[9]對(duì)河北省水足跡及相關(guān)指數(shù)進(jìn)行了空間分類(lèi)分析。除此之外，還有很多學(xué)者針對(duì)工業(yè)、紡織印染行業(yè)及畜牧業(yè)等行業(yè)水足跡進(jìn)行計(jì)算，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的水資源綜合利用情況進(jìn)行了科學(xué)有效評(píng)估[10-12]。我國(guó)的水足跡研究主要集中在對(duì)其概念及計(jì)算方法的介紹和區(qū)域?qū)用嫔系膽?yīng)用研究。

水資源是城市發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，良好的水資源承載力是協(xié)調(diào)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。筆者基于沈陽(yáng)市水資源、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)三大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)狀況，以水足跡理論、方法為基礎(chǔ)對(duì)沈陽(yáng)市水足跡和水資源承載力基礎(chǔ)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、分析，并利用水足跡指標(biāo)構(gòu)建城市水資源承載力耦合協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，借鑒容量耦合模型揭示沈陽(yáng)市水資源利用、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的耦合協(xié)調(diào)狀況，對(duì)沈陽(yáng)市水資源的供需矛盾進(jìn)行判斷，以期為實(shí)現(xiàn)沈陽(yáng)市水資源系統(tǒng)與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和決策參考。

1 研究方法

1.1 城市水足跡模型

借鑒水足跡理念，城市水足跡采用分帳戶(hù)的方法描述水資源在城市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)換，計(jì)算公式為：

WF=IWF+EWF=WFcrop+WFindustry+

WFlife+WFecology+WFtrade=N×wf

式中：WF為水足跡，表示某個(gè)區(qū)域的水資源足跡；IWF為內(nèi)部水足跡，表示生產(chǎn)該地區(qū)居民所消費(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)的水資源總量；EWF為外部水足跡，表示該區(qū)域居民消費(fèi)的那部分進(jìn)口虛擬水總量；WFcrop為農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量；WFindustry為工業(yè)虛擬水消費(fèi)量；WFlife為居民生活用水量；WFecology為生態(tài)環(huán)境用水量；WFtrade為虛擬水貿(mào)易量；N為人口總量；wf為人均水足跡。

1.2 水資源承載力基礎(chǔ)指標(biāo)模型

選擇水資源壓力指標(biāo)(water stress, WS)、社會(huì)承載力指標(biāo)(social carrying capacity, SCC)和經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)(economic carrying capacity, ECC)指標(biāo)表征區(qū)域水資源的承載狀態(tài)。

(1)水資源壓力指標(biāo)為城市WF與可更新水資源量(renewable water resources, RWR)的比值，用于衡量水資源壓力強(qiáng)度。水資源壓力指標(biāo)越大，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)水資源承載壓力越大。

WS=WFRWR

(2)社會(huì)承載力指標(biāo)為城市虛擬水消費(fèi)量(virtual water consumption, VWC)與水資源量(water resources quantity, WRQ)的比值，采用區(qū)域內(nèi)水資源能維持的社會(huì)消費(fèi)指標(biāo)來(lái)表示水資源的承載能力。

SCC=VWCWRQ

(3)經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)為城市虛擬水生產(chǎn)量(virtual water production, VWP)與水資源量的比值，采用區(qū)域內(nèi)水資源能維持的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)指標(biāo)來(lái)表示水資源的承載能力。

ECC=VWPWRQ

1.3 耦合度和耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合是指2個(gè)或2個(gè)以上物體相互依賴(lài)、相互協(xié)調(diào)和相互促進(jìn)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系。城市水資源承載力是集“水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”于一體的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。水資源子系統(tǒng)作為水資源承載力的主體，不僅為城市水資源綜合承載力提供支撐，也與“社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”兩大客體子系統(tǒng)形成了相互作用、相互制約的互動(dòng)關(guān)系。從宏觀角度來(lái)看，廣義水資源總量越大，城市水資源就越容易滿(mǎn)足人類(lèi)生活、生產(chǎn)等各項(xiàng)活動(dòng)需求，有利于減輕水資源供給壓力，保持城市健康發(fā)展。將水資源、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)三大子系統(tǒng)作為城市水資源承載力相互耦合系統(tǒng)，利用三大子系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)定量測(cè)度子系統(tǒng)之間的耦合度和耦合協(xié)調(diào)度，不僅可以反映水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間協(xié)調(diào)發(fā)展的同步性，還可以反映出城市的綜合發(fā)展水平。目前，耦合理論已在生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、農(nóng)學(xué)和旅游學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但鮮有涉及城市水資源承載力內(nèi)部子系統(tǒng)的耦合關(guān)系及時(shí)序變化規(guī)律。因此，筆者將耦合度和耦合協(xié)調(diào)度模型引入城市水資源承載力研究領(lǐng)域，并以沈陽(yáng)市為例對(duì)水資源、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)三大子系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行了時(shí)序分析。

耦合度描述的是系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)部要素之間彼此的影響程度。耦合協(xié)調(diào)度是度量系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)部要素在發(fā)展過(guò)程中彼此和諧一致的程度，體現(xiàn)協(xié)調(diào)狀況的好壞程度。借鑒熊建新等[13]對(duì)洞庭湖區(qū)生態(tài)承載力的研究方法，將沈陽(yáng)市水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)三大子系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)表示為：

式中：f(x)、g(y)、h(z)分別為沈陽(yáng)市三大子系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)；xi、yj、zk分別為沈陽(yáng)市三大子系統(tǒng)各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；ai、bj、ck分別為沈陽(yáng)市三大子系統(tǒng)各指標(biāo)的權(quán)重；m、n、o分別為沈陽(yáng)市三大子系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)量。

沈陽(yáng)市水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)三大子系統(tǒng)相互作用耦合度(C)模型為：

耦合度的取值為0～1，C越大表明系統(tǒng)間相互作用強(qiáng)度越大，但其只能說(shuō)明系統(tǒng)間相互作用程度的強(qiáng)弱，無(wú)法反映系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展水平的高低。因此，根據(jù)已有研究成果[14-15]，本文構(gòu)建了能夠客觀反映沈陽(yáng)市水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)三大子系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展水平的耦合協(xié)調(diào)度模型：

T=αf(x)+βg(y)+δh(z)

式中：D為耦合協(xié)調(diào)度；T為沈陽(yáng)市三大子系統(tǒng)綜合調(diào)和指數(shù)，其反映三大子系統(tǒng)整體協(xié)同效應(yīng)；α、β、δ為各子系統(tǒng)的權(quán)重。沈陽(yáng)是我國(guó)東北地區(qū)最大的中心城市，城鎮(zhèn)化和工業(yè)化推進(jìn)速度快，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展同等重要，且集中表現(xiàn)為水資源承載力的壓力部分，而水資源子系統(tǒng)集中表現(xiàn)為水資源承載力的承載部分，是支撐社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的載體之一。因此，根據(jù)沈陽(yáng)市實(shí)際情況，取α=0.4、β=0.3、δ=0.3。

2 應(yīng)用實(shí)例——以沈陽(yáng)市為例

2.1 研究區(qū)域概況

沈陽(yáng)市地處中國(guó)東北地區(qū)南部、遼寧省中部，以平原為主，地勢(shì)平坦。屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，全年平均氣溫8.3 ℃，全年降水量500 mm，四季分明。沈陽(yáng)市屬?lài)?yán)重缺水城市，沈陽(yáng)市人均水資源占有量約為全省的25，全國(guó)的16，而城市周邊的遼河、渾河、太子河流域水資源開(kāi)發(fā)利用率均已超過(guò)75%。定量估算水足跡并分析城市水資源承載力內(nèi)部要素之間的關(guān)系將有助于認(rèn)清沈陽(yáng)市對(duì)水資源的利用強(qiáng)度，有利于制訂有效的水資源管理方案，實(shí)現(xiàn)城市水資源的持續(xù)利用。

2.2 水足跡計(jì)算與分析

根據(jù)沈陽(yáng)市的實(shí)際情況和資料的可獲得性，沈陽(yáng)市水足跡主要包括農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量、工業(yè)虛擬水消費(fèi)量、居民生活用水量、生態(tài)環(huán)境用水量和虛擬水貿(mào)易量5部分內(nèi)容。其中，農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量為單位農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬水含量與沈陽(yáng)市居民農(nóng)業(yè)產(chǎn)品消費(fèi)量的乘積，農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量測(cè)算如表1所示[16]。由于工業(yè)生產(chǎn)體系十分復(fù)雜且不同產(chǎn)品生產(chǎn)工藝存在很大差異，因此工業(yè)虛擬水消費(fèi)量通過(guò)工業(yè)年用水量與工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)出口虛擬水量進(jìn)行估算。其中，工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)出口虛擬水量由萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值用水量與工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)出口總額相乘獲得；居民生活和生態(tài)環(huán)境用水只考慮實(shí)體水用量；由于虛擬水貿(mào)易量已經(jīng)包含在農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量和工業(yè)虛擬水消費(fèi)量中，因此在水足跡計(jì)算中沒(méi)有加入虛擬水貿(mào)易量。本文計(jì)算所需數(shù)據(jù)主要源自《沈陽(yáng)市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《沈陽(yáng)市水資源公報(bào)》和《沈陽(yáng)市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。沈陽(yáng)市2005—2012年水足跡及相關(guān)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 沈陽(yáng)市2005—2012年農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量測(cè)算[16]Table 1 The calculation table of virtual water consumption of agricultural production in Shenyang in 2005-2012

表2 沈陽(yáng)市2005—2012年水足跡及相關(guān)指標(biāo)測(cè)算Table 2 The calculation table of water footprint indicator in Shenyang in 2005-2012

1)根據(jù)《沈陽(yáng)市統(tǒng)計(jì)年鑒》，只計(jì)算了主要產(chǎn)品的虛擬水消費(fèi)量；2)由于進(jìn)出口虛擬水量已包含在農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量和工業(yè)虛擬水消費(fèi)量中，故在水足跡計(jì)算中未加入虛擬水貿(mào)易量。

從表2可以看出，沈陽(yáng)市2005—2012年水足跡整體呈波動(dòng)下降態(tài)勢(shì)，水足跡年平均值約為36.54×108m3。從水足跡整體構(gòu)成來(lái)看，農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量在水足跡中占有較大份額(78.02%)；從人均水足跡來(lái)看，沈陽(yáng)市人均水足跡與總水足跡變化趨勢(shì)基本一致，2005年的人均水足跡最高(572.171 9 m3人)；從萬(wàn)元GDP水足跡變化情況看，呈逐年下降態(tài)勢(shì)。其不僅反映出沈陽(yáng)市粗放型的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式有所改善，在保障和支持社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)兼顧了環(huán)境效益，同時(shí)也反映出沈陽(yáng)市對(duì)水資源利用的重視程度逐漸增強(qiáng)，通過(guò)科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新減少了水資源消耗，水資源的利用逐步向可持續(xù)利用模式轉(zhuǎn)型[17]。

圖1為沈陽(yáng)市居民農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量構(gòu)成。

圖1 沈陽(yáng)市居民農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量構(gòu)成Fig.1 The figure of agricultural virtual water consumption in Shenyang

從圖1可以看出，城鎮(zhèn)居民虛擬水消費(fèi)量是農(nóng)村居民虛擬水消費(fèi)量的3倍多。其中，城鎮(zhèn)居民動(dòng)物性產(chǎn)品虛擬水消費(fèi)量約是植物性產(chǎn)品的1.13倍，而農(nóng)村居民植物性產(chǎn)品虛擬水消費(fèi)量約是動(dòng)物性產(chǎn)品的3.33倍。造成這種差距的原因主要有2個(gè)方面：1)人口數(shù)量差異。隨著沈陽(yáng)市城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城鎮(zhèn)居民人口數(shù)量逐漸攀升。2012年，沈陽(yáng)市城鎮(zhèn)人口數(shù)量達(dá)到520萬(wàn)人，約是農(nóng)村人口的2.56倍，其是導(dǎo)致城鎮(zhèn)居民虛擬水消費(fèi)量較大的原因之一。2)飲食習(xí)慣差異。圖2反映了沈陽(yáng)市居民食品消費(fèi)構(gòu)成。從圖2可以看出，城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民飲食結(jié)構(gòu)基本相同，但飲食習(xí)慣存在差異。通過(guò)對(duì)比分析可知，城鎮(zhèn)居民偏愛(ài)肉類(lèi)食品，農(nóng)村居民則以糧食為主要消費(fèi)對(duì)象。在城鎮(zhèn)居民食品結(jié)構(gòu)中，肉類(lèi)、油類(lèi)和糧食占有較大比例，平均分別為28.1%、17.52%和17.31%，蛋類(lèi)和果蔬約占消費(fèi)總量的21.92%。在農(nóng)村居民食品結(jié)構(gòu)中糧食依舊是消費(fèi)大戶(hù)，約占消費(fèi)總量的45.31%，油類(lèi)、肉類(lèi)和果蔬平均值分別為17.08%、10.86%和9.72%。另?yè)?jù)對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬水的計(jì)算結(jié)果可知，單位農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬水含量為肉類(lèi)>油類(lèi)>蛋類(lèi)>糧食>果蔬[16]，農(nóng)村居民對(duì)單位虛擬水含量較高的產(chǎn)品需求量較小，表明居民的飲食習(xí)慣差異對(duì)虛擬水消費(fèi)量的影響十分顯著。

圖2 沈陽(yáng)市居民食品消費(fèi)構(gòu)成Fig.2 The figure of food consumption constitute in Shenyang

由于較高的農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量不利于拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，因此從提高城市可持續(xù)發(fā)展能力的角度來(lái)看，應(yīng)減少消費(fèi)單位虛擬水含量較高的產(chǎn)品。根據(jù)沈陽(yáng)市不同地區(qū)居民飲食習(xí)慣的差異，建議沈陽(yáng)市城鎮(zhèn)居民適當(dāng)減少對(duì)豬肉、牛肉等肉類(lèi)產(chǎn)品的消費(fèi)，注重飲食的合理搭配。農(nóng)村居民則可以相應(yīng)地增加對(duì)牛奶、蔬菜和禽蛋等營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高產(chǎn)品的消費(fèi)。另外，也可通過(guò)虛擬水貿(mào)易理論來(lái)緩解城市水資源緊缺的局面。通過(guò)調(diào)整生產(chǎn)和用水結(jié)構(gòu)將富水城市生產(chǎn)的虛擬水含量高的產(chǎn)品輸送到貧水城市，間接節(jié)約貧水城市水資源，實(shí)現(xiàn)水資源在城市之間的合理配置，減輕貧水城市供水壓力，從而達(dá)到緩解水資源壓力的目的。

2.3 水資源承載力基礎(chǔ)指標(biāo)計(jì)算與分析

沈陽(yáng)市2005—2012年水資源壓力指標(biāo)、社會(huì)承載力指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 沈陽(yáng)市2005—2012年水資源承載力基礎(chǔ)指標(biāo)變化Fig.3 The basic index variation plot of water resources carrying in Shenyang (2005-2012)

當(dāng)水資源壓力指標(biāo)大于1.0時(shí)，表明該區(qū)域水資源系統(tǒng)超載；當(dāng)水資源壓力指標(biāo)小于1.0時(shí)，表明該區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用處于安全狀態(tài)[18]。本文以城市水足跡與可更新水資源量的比值來(lái)表征水資源壓力大小，其中可更新水資源量為歷年降水量。從圖3可以看出，沈陽(yáng)市水資源壓力指標(biāo)一直保持在0.8以下，除個(gè)別年份外水資源壓力指標(biāo)呈波動(dòng)下降態(tài)勢(shì)，與歷年城市水足跡變化趨勢(shì)基本一致。社會(huì)承載力指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)分別用以評(píng)價(jià)區(qū)域虛擬水消費(fèi)量、虛擬水生產(chǎn)量與水資源量的比值[19]。沈陽(yáng)市歷年社會(huì)承載力和經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)值均大于1.0，表明社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的超負(fù)荷利用已經(jīng)造成了水資源供給乏力。從變化幅度來(lái)看，經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)波動(dòng)明顯，而社會(huì)承載力指標(biāo)變化幅度不大。首先，在城市人口變化幅度不大的前提下社會(huì)對(duì)水資源的需求量保持穩(wěn)定；其次，虛擬水生產(chǎn)量因受復(fù)雜經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的影響而產(chǎn)生不同的變化，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)呈明顯的波動(dòng)態(tài)勢(shì)；此外，歷年經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)均大于社會(huì)承載力指標(biāo)，表明城市人口增長(zhǎng)給水資源系統(tǒng)造成的壓力明顯小于經(jīng)濟(jì)發(fā)展給水資源系統(tǒng)帶來(lái)的影響。

水資源壓力指標(biāo)、社會(huì)承載力指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)變化趨勢(shì)基本相同，表明作為主體的水資源系統(tǒng)與作為客體的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)具有一定互動(dòng)關(guān)系[20]。在城市快速發(fā)展的過(guò)程中，人類(lèi)通過(guò)資源消耗和廢物排放對(duì)水資源系統(tǒng)造成壓力，匱乏的水資源系統(tǒng)又通過(guò)反饋?zhàn)饔糜绊懮鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，最終導(dǎo)致復(fù)合系統(tǒng)的衰退。因此，為實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源可持續(xù)利用三者之間的平衡，就要以“社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”為杠桿來(lái)改善城市水資源配置結(jié)構(gòu)，尤其是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的改變。通過(guò)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式由粗放型向集約型的轉(zhuǎn)變，把盲目追求GDP轉(zhuǎn)變?yōu)楦幼⒅貎?nèi)部水足跡的利用效率及外部水足跡的輸入，通過(guò)引入外來(lái)水資源提高城市水資源承載能力，有效解決水資源與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾[21-23]。

2.4 水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系分析

由水足跡定義可知，水足跡主要由虛擬水消費(fèi)量和實(shí)體水消費(fèi)量組成。相對(duì)于實(shí)體水而言，虛擬水雖然不是真正意義上的水，而是以“虛擬”的形式寄存在消費(fèi)產(chǎn)品和服務(wù)中，但其本質(zhì)仍代表了一定量的水資源。因此，將水足跡指標(biāo)引入水資源承載力指標(biāo)系統(tǒng)是可行的。以城市水資源綜合承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，立足于城市水資源承載主體和客體2個(gè)方面，根據(jù)水資源子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)之間的作用機(jī)理確定11項(xiàng)體現(xiàn)承載狀態(tài)的指標(biāo)，構(gòu)建了水資源承載力耦合協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表3)。在利用極差變換法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)變異系數(shù)賦權(quán)方法確定各子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重，并借鑒物理學(xué)中容量耦合系統(tǒng)模型對(duì)“水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”系統(tǒng)進(jìn)行耦合關(guān)系分析[24-26]。

表3 城市水資源承載力耦合協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 3 The evaluation index of coupling coordinative degree of water resources carrying capacity

根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況計(jì)算出沈陽(yáng)市2005—2012年水資源承載力耦合度和耦合協(xié)調(diào)度(圖4)。

圖4 沈陽(yáng)市2005—2012年水資源承載力耦合度和耦合協(xié)調(diào)度Fig.4 The coupling degree and coupling coordinative degreeof ecological carrying capacity in Shenyang in 2005-2012

根據(jù)耦合度和耦合協(xié)調(diào)度波動(dòng)變化的特點(diǎn)將沈陽(yáng)市2005—2012年發(fā)展?fàn)顟B(tài)分為2個(gè)階段：1)2005—2009年為第1階段。第1階段耦合度和耦合協(xié)調(diào)度逐漸下降且整體呈現(xiàn)耦合協(xié)調(diào)度大于耦合度。沈陽(yáng)市水資源承載力內(nèi)部子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)性大于互動(dòng)性，不僅反映出水資源子系統(tǒng)與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)間較差的互動(dòng)干擾性，還反映出沈陽(yáng)市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用之間良好的整體協(xié)調(diào)性。2)2010—2012年為第2階段。第2階段耦合協(xié)調(diào)度逐漸升高而耦合度下降，整體呈現(xiàn)耦合協(xié)調(diào)度小于耦合度。城市水資源承載力系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)間干擾性逐漸減弱但協(xié)調(diào)發(fā)展水平逐漸提高。總體來(lái)看，沈陽(yáng)市“水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”系統(tǒng)耦合度呈小幅度波動(dòng)變化。與第1階段相比，第2階段耦合度平均值約為0.329 9，略高于第1階段的0.320 3，沈陽(yáng)市水資源承載力系統(tǒng)始終處于拮抗?fàn)顟B(tài)。2005—2012年作為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，沈陽(yáng)市通過(guò)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，“增速快檔、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力轉(zhuǎn)換”的經(jīng)濟(jì)特征不斷顯現(xiàn)。2010年，沈陽(yáng)市借第十二屆運(yùn)動(dòng)會(huì)等重大戰(zhàn)略的機(jī)遇，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)快速發(fā)展，在大力推進(jìn)裝備制造業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)及縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了全市經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重建設(shè)，帶動(dòng)了各子系統(tǒng)之間的作用強(qiáng)度。

為方便對(duì)沈陽(yáng)市發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析，利用中值分段法將耦合協(xié)調(diào)度劃分為4個(gè)等級(jí)(<0.25為嚴(yán)重失調(diào)，0.25～0.50為輕度失調(diào)，0.50～0.75為中度協(xié)調(diào)，>0.75為優(yōu)度協(xié)調(diào))。從分類(lèi)結(jié)果來(lái)看，除2005年外，沈陽(yáng)市“水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”系統(tǒng)一直處于輕度失調(diào)狀態(tài)；2012年沈陽(yáng)市耦合協(xié)調(diào)度雖有提高但仍低于2009年。沈陽(yáng)市水資源承載力“水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”三大子系統(tǒng)間缺乏必要的互動(dòng)，在城市快速發(fā)展的過(guò)程中，面對(duì)有限的水資源，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在諸多矛盾。因此，為使沈陽(yáng)市水資源承載力發(fā)展態(tài)勢(shì)逐漸好轉(zhuǎn)，需要通過(guò)國(guó)家宏觀調(diào)控及地方經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)：1)加強(qiáng)對(duì)水資源的保護(hù)和治理力度。積極落實(shí)嚴(yán)格的水資源管理制度，強(qiáng)化水資源管理水平和對(duì)水源地的保護(hù)以及沈陽(yáng)段河流的治理力度，嚴(yán)格取水許可審批和水資源論證，逐步緩解城市水資源壓力。2)調(diào)整工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局。沈陽(yáng)是基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)比重比較大的工業(yè)城市，工業(yè)水資源的高消耗已成為城市發(fā)展急需解決的問(wèn)題。城市發(fā)展必須堅(jiān)持把“工業(yè)立市”作為全市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本方針，以產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方式大力發(fā)展重大技術(shù)裝備、汽車(chē)及零部件等八大產(chǎn)業(yè)，保證人類(lèi)生活、生產(chǎn)的高質(zhì)量發(fā)展。農(nóng)業(yè)虛擬水消費(fèi)量是城市水足跡的主要組成部分，不同農(nóng)畜產(chǎn)品的需水量差異較大，要積極優(yōu)化農(nóng)畜業(yè)生產(chǎn)格局：一方面盡量限制豬、牛的養(yǎng)殖數(shù)量，倡導(dǎo)居民減少對(duì)肉類(lèi)等單位虛擬水含量較高產(chǎn)品的消費(fèi)比例，形成健康飲食習(xí)慣；另一方面增大水果、蔬菜等單位虛擬水量低的經(jīng)濟(jì)作物種植面積，保證在減少水資源消耗量的同時(shí)全面提升市民身體素質(zhì)。3)實(shí)施虛擬水貿(mào)易戰(zhàn)略，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展觀念。在城市化發(fā)展進(jìn)程中，要協(xié)調(diào)好水資源利用與城市可持續(xù)發(fā)展二者之間的關(guān)系，在實(shí)現(xiàn)本地水資源多效利用的同時(shí)充分利用虛擬水貿(mào)易戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)，通過(guò)進(jìn)口水密集型產(chǎn)品確保城市用水安全、緩解城市供水壓力、促進(jìn)水資源的合理利用，達(dá)到保障水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的目的。

3 結(jié)論

(1)沈陽(yáng)市2005—2012年的平均水足跡為36.54×108m3，其中，2005年的人均水足跡最高(572.171 9 m3人)。萬(wàn)元GDP水足跡呈逐年下降態(tài)勢(shì)。沈陽(yáng)市粗放型的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式有所改善，水資源的利用逐步向可持續(xù)模式轉(zhuǎn)型。

(2)在城市水足跡中，城鎮(zhèn)居民虛擬水消費(fèi)量是農(nóng)村居民的3倍多。其中，城鎮(zhèn)居民動(dòng)物性產(chǎn)品虛擬水消費(fèi)量約為植物性產(chǎn)品虛擬水消費(fèi)量的1.13倍，而農(nóng)村居民植物性產(chǎn)品虛擬水消費(fèi)量約為動(dòng)物性產(chǎn)品虛擬水消費(fèi)量的3.33倍。人口數(shù)量和飲食習(xí)慣差異是導(dǎo)致城鎮(zhèn)居民虛擬水消費(fèi)量較大的主要原因。其中，城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民飲食結(jié)構(gòu)基本相同，但飲食習(xí)慣存在差異：城鎮(zhèn)居民偏愛(ài)單位虛擬水含量較高的肉類(lèi)食品；而農(nóng)村居民則以糧食為主。

(3)除個(gè)別年份外，沈陽(yáng)市水資源壓力指數(shù)呈波動(dòng)下降態(tài)勢(shì)，沈陽(yáng)市對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)利用處于不可持續(xù)狀態(tài)。歷年社會(huì)、經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)表明：沈陽(yáng)市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)造成城市水資源供給乏力，城市人口增長(zhǎng)給水資源系統(tǒng)造成的壓力明顯小于經(jīng)濟(jì)發(fā)展給水資源系統(tǒng)帶來(lái)的影響。

(4)2005—2012年沈陽(yáng)市耦合度總體呈小幅波動(dòng)變化，水資源承載力系統(tǒng)始終處于拮抗?fàn)顟B(tài)。除2005年外，“水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”系統(tǒng)一直處于輕度失調(diào)狀態(tài)。

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Analysis of water footprint and water resources carrying capacity in Shenyang in 2005-2012

JIANG Shihui1,2, PENG Jianfeng1,2, SONG Yonghui1,2, LIU Ruixia1,2, ZHANG Moli1,2

1.Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China

Based on the theory of water footprint, the water footprint and water resources carrying capacity were calculated to measure the real utilization of water resources in Shenyang for 2005-2012. The relationship between socioeconomic system and water resources system was contrasted and analyzed by the water footprint and water resources carrying capacity. On the basis of water footprint indicator, an evaluation index system of coupling coordinative degree was constructed, and the temporal difference of coupling degree and coupling coordinative degree in Shenyang analyzed by using the Capacitive Coupling Model. The results indicated that water footprint in Shenyang showed decreasing trend in 2005-2012. The annual average of water footprint was about 3.654×109m3. The virtual water consumption of agriculture was the key component of city water footprint. The difference in population and dietary habits was the main reason for increase of the virtual water consumption. In terms of the basic indexes of water resources carrying capacity, the utilization of water resources in Shenyang was unsustainable. The population growth and economic development had caused the water resources shortage. The coordination result of coupling degree and coupling coordinative degree showed that the water resources carrying capacity system was in the state of antagonism, and the system of "water resource, society and economy" was in the state of mild disorder during the last years except 2005.

water footprint; water resources carrying capacity; sustainable development; coupling degree; coupling coordination degree

2016-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50708101)；國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2012ZX07202-005)

姜詩(shī)慧(1988—)，女，碩士，主要從事流域水環(huán)境治理，jsh20071018@163.com

*責(zé)任作者：彭劍峰(1977—)，男，研究員，博士，主要從事流域水環(huán)境整治及風(fēng)險(xiǎn)控制，pjf1995@163.com

X52

1674-991X(2017)01-0015-09

10.3969j.issn.1674-991X.2017.01.003