張媛媛

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061001）

0 引言

作為一種基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性可再生資源，水資源的可持續(xù)供給對地球生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)與人類經(jīng)濟社會健康發(fā)展至關(guān)重要。水資源承載力評價是對水資源的自然屬性和社會屬性綜合質(zhì)量的評估，其社會屬性即為人類生產(chǎn)生活、經(jīng)濟社會發(fā)展提供支撐、服務(wù)能力，自然屬性則以水資源的數(shù)量、質(zhì)量為基本特征，并且水資源在受到景觀退化、人為破壞等影響下自行恢復(fù)、調(diào)節(jié)的能力。當(dāng)前關(guān)于水資源與人的關(guān)系闡釋較多，但三維生態(tài)足跡模型對于水資源資源狀態(tài)、承載壓力、人地結(jié)構(gòu)性的描述較為全面、客觀，能夠很好地表征人地之間的能動關(guān)系[1]。生態(tài)足跡（Ecological footprint,EF）是生態(tài)學(xué)家Rees[2]提出來的用以衡量資源供需、廢物消納的新方法，Wackernagel 等[3]發(fā)展了這一理論并應(yīng)用于測算人類對資源的利用程度和自然資源的供給量，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可。本文以唐山市為案例區(qū)，簡述三維生態(tài)足跡模型應(yīng)用流程，旨在厘清水資源資源對區(qū)域發(fā)展的限制問題、人類活動對水資源壓力的影響機制，從而為唐山市水資源規(guī)劃、科學(xué)利用、環(huán)境保護(hù)提供實踐依據(jù)和決策參考。

1 三維生態(tài)足跡模型

1.1 傳統(tǒng)三維生態(tài)足跡模型

三維生態(tài)足跡模型是以生態(tài)足跡理論為基礎(chǔ)的，Wackernagel 在一維生態(tài)模型的基礎(chǔ)上加入了生態(tài)盈余和赤字概念，由一維模型發(fā)展至二維模型，表達(dá)公式如下[4]：

式中：EF 為區(qū)域總的生態(tài)足跡，N 為總?cè)丝跀?shù)，i 為消耗的水資源類型，ai則表示人均消耗的第i 種水資源總量，ci為第i 種資源的人均消費量，pi則描述為第i 種消費資源的全球平均生產(chǎn)能力。ED 表示區(qū)域生態(tài)赤字，BC 為區(qū)域所能提供的生態(tài)生產(chǎn)性水資源總量，生態(tài)盈余則用ER 指代。

Niccolucci 等[2]在此基礎(chǔ)上賦予其足跡深度、足跡廣度兩項指標(biāo)概念，前者為生態(tài)足跡與生態(tài)生產(chǎn)資源之比，其值越大，表明生態(tài)過載、負(fù)荷過重，反之說明生態(tài)承載壓力較??；后者為資源流量使用情況，若生態(tài)生產(chǎn)性水資源大于生態(tài)足跡，說明足跡廣度與生態(tài)足跡值相等。根據(jù)區(qū)域水資源承載演變過程，三者之間存在如下關(guān)系：

式中：參數(shù)EFdepth表示為足跡深度，EFsize則表示為足跡廣度[5]。

1.2 改進(jìn)三維生態(tài)足跡模型擴展

傳統(tǒng)三維生態(tài)足跡模型中對水資源承載力的判定為人類對水資源的消費與水資源資源供給、支撐、服務(wù)能力的判定，其基于生態(tài)赤字、生態(tài)盈余量值的大小，判別區(qū)域水資源是否透支。三維生態(tài)足跡模型中的足跡深度、足跡廣度等概念可以更好地表征區(qū)域人類對自然資源的消費和自然資源存量的情況。擴展后的三維生態(tài)足跡模型如下[6]：

由此將生態(tài)足跡深度值由1，擴展為0。若EFdepth的值在介于0～1 時，則有：

式中：對象M 的足跡深度表示為EFdepthM,其生態(tài)足跡大小則表示為EFM。0≤EFdepth＜1 時,水資源存在結(jié)余,水生態(tài)足跡處于盈余狀態(tài), 此時足跡深度表示人類的生產(chǎn)對水資源的使用情況，計算如下[6]:

式中：關(guān)于對象M 的生態(tài)盈余則表示為，ERM,當(dāng)EFdepth為1 時，則有如下：

此時水資源總量與人類消費水資源量相等，即表明處于臨界狀態(tài)，生態(tài)赤字與盈余均不存在。而當(dāng)EFdepth 的值大于1時，則有：

式中：當(dāng)EFdepth的值大于1 時，人類消費索取生態(tài)生產(chǎn)功能性存量資源，亦即此時的足跡深度可以用來度量資源存量狀態(tài)或?qū)Υ媪抠Y源的使用率。則生態(tài)赤字計算公式如下[6]：

1.3 水資源壓力指數(shù)構(gòu)建

水資源壓力表示區(qū)域內(nèi)各種用水總數(shù)量，其計算公式如下[6]：

式中：N 表示區(qū)域人口總數(shù)量，Wa 表示一定區(qū)域內(nèi)居民對水資源的平均年需求量，一個區(qū)域內(nèi)的水資源總的壓力大小則用Wp 表示。衡量區(qū)域水資源資源和水環(huán)境質(zhì)量，可用水資源供給能力表示。一定區(qū)域內(nèi)的區(qū)域內(nèi)水資源壓力指數(shù)，相關(guān)學(xué)者給出農(nóng)產(chǎn)品壓力指數(shù)的經(jīng)驗公式，如下：

式中：水資源壓力指數(shù)表示為Iwater，其值越大，表明區(qū)域水資源承載的水資源壓力越大，而EFwater和BCwater則分別表示區(qū)域內(nèi)的水資源的生態(tài)足跡大小與區(qū)域內(nèi)水資源總數(shù)目。

2 案例分析

2.1 唐山市概況

唐山是我國工業(yè)重鎮(zhèn)，位于華北平原東北部渤海北岸，西接京津、北靠燕山，區(qū)域面積達(dá)13.472 km2。該市屬燕山地臺向前海低地延伸區(qū)，東北為燕山余脈、南部是海河沖擊平原，高程介于0 m～843 m，地形分異明顯。唐山位于東亞溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥、夏季炎熱多雨，四季分明，年平均氣溫12.5℃，區(qū)域降水量介于500 mm～700 mm，日照時數(shù)2212 h。河流發(fā)源于山地，流程短、流量小，有明顯豐枯季，有春汛和夏汛，地表徑流量達(dá)14.62 億m3，屬渤海水系。用地類型以林草地、耕地、建設(shè)用地為主，典型植被為溫帶落葉闊葉林和針葉林。唐山市常年水資源總量為26.27 億m3，人均占有量僅為385 m3，低于警戒線400 m3的水平，屬于我國嚴(yán)重缺水城市。近年來隨著重化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人口聚集，城市用水量迅速增加，然而區(qū)域水源供應(yīng)不足、水污染問題尾大不掉，為民生安全、經(jīng)濟發(fā)展帶來隱患。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究中指標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒》(2001年～2016 年)、《河北統(tǒng)計年鑒》(2001 年～2016 年)、《唐山統(tǒng)計年鑒》(2001 年～2016 年)，研究時域為2000 年～2015 年。指標(biāo)中主要包含水資源總量、水資源消費總量、工業(yè)用水總量、農(nóng)業(yè)用水總量、生產(chǎn)生活用水總量等直接統(tǒng)計指標(biāo)數(shù)值。在Excel 2016 軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、指數(shù)計算。

3 唐山市水資源承載力分析

3.1 唐山市水資源生態(tài)足跡動態(tài)分析

通常在統(tǒng)計區(qū)域生態(tài)生產(chǎn)性資源量時需要預(yù)留部分水資源，用以保護(hù)區(qū)域生物多樣性，根據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會的建議，扣除12%的水資源量?；谇笆鲅芯糠椒ǎ玫?000 年～2015 年唐山市生態(tài)足跡變化趨勢，結(jié)果如圖1、2。

2001 年～2015 年唐山農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡從整體呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，其最高值為2015 年的1.659 hm2/ 人，最低值出現(xiàn)在2001 年，僅為1.383 hm2/人，15 年來其平均值為1.537 hm2/ 人，其線性變化趨勢為(y=0.0166x-31.891,R2=0.9639)，在0.05 水平上顯著。結(jié)合唐山市人均農(nóng)業(yè)生態(tài)生產(chǎn)性水資源(見圖2)，可知其最大值為2003 年的0.346 hm2/人，最小值為2015 年的0.278 hm2/人，平均值為0.317 hm2/ 人，其變化趨勢為(y=-0.0052x+10.779，R2=0.9428)，說明唐山市人均生態(tài)生產(chǎn)性農(nóng)業(yè)水資源量逐漸減少，并且其缺口逐漸增大，反映了區(qū)域水資源承載超過水資源生態(tài)負(fù)荷。

生活用水的生態(tài)足跡最高值為2015 年的0.375 hm2/人，最低值為2001 年，僅為0.313 hm2/人，其平均值為0.351 hm2/人，其線性趨勢為(y=0.0037x-7.1092，R2=0.9014)。而唐山市人均生活用水的生態(tài)生產(chǎn)性水資源量在近15 年間平均值為0.0469 hm2/人，其變化趨勢為(y=-0.0007x+1.4983，R2=0.991),在0.05 水平上通過信度檢驗；表明該市生活用水消費力度遠(yuǎn)大于資源產(chǎn)出。

其他用水的生態(tài)足跡從整體呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，其最高值為2015 年的0.178 hm2/人，最低值出現(xiàn)在2001 年，僅為0.145 hm2/人，15 年來其平均值為0.158 hm2/人，其線性變化趨勢為(y=0.0017x-3.1867，R2=0.8427)。另外，唐山市人均生態(tài)生產(chǎn)其他水資源近15 年期間其最大值為2003 年的0.0642 hm2/人，最小值為2015 年的0.0402 hm2/人，平均值為0.0509 hm2/人，其變化趨勢為(y=-0.0007x+1.4983，R2=0.991),在0.05 水平上通過信度檢驗。

圖1 2001年～2015 年唐山市水資源承載力生態(tài)足跡

圖2 2001年～2015 年唐山市生產(chǎn)線水資源承足跡

從工業(yè)用水來看，其生態(tài)足跡亦呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(y=0.0056x-10.382，R2=0.8888)；與此同時，其人均生態(tài)生產(chǎn)性水資源成減少趨勢(y=-0.0019x+4.0513，R2=0.9231),均在0.05 水平上通過信度檢驗。

3.2 唐山市水資源足跡深度動態(tài)分析

2001 年～2015 年來唐山市水資源承載力足跡深度變化趨勢見圖3。可知近15 年來唐山市各種資源類型的水資源承載力足跡深度存在差異，其中以耕林地的足跡深度最大，減少資源最小。

區(qū)域工業(yè)業(yè)用水綜合足跡深度最小值為5.279 hm2/人，最大值為7.070 hm2/人，平均值為6.222 hm2/人，這表明唐山市農(nóng)業(yè)用水資源流量少于人類消耗的資源量，即水資源資源亦即不能承載或為區(qū)域經(jīng)濟社會提供充足保障，其一年所消耗的自然資源存量相當(dāng)于唐山市水資源量全球平均生物生產(chǎn)空間5 年～7 年的積累量。

唐山生活用水、農(nóng)業(yè)足跡深度分別介于2.277 hm2～2.794 hm2/人和14.665～22.070 hm2/人hm2/人之間。農(nóng)業(yè)用水是唐山水資源消費的主要資源類型，研究顯示，近15 年來唐山市耕地的足跡深度值最大值、最小值分別為5.636 hm2/人和6.75 hm2/人，表明農(nóng)業(yè)用水對區(qū)域水資源生態(tài)足跡具有重要影響。

從其他用水來看，其生態(tài)足跡深度最大值為2015 年的3.339 hm2/人，最小值為2001 年的2.292 hm2/人，平均值為2.909hm2/ 人，表明其他用水對區(qū)域水資源足跡深度影響較小。

圖3 唐山市水資源承載力足跡深度變化趨勢

3.3 唐山市生態(tài)盈余與赤字動態(tài)分析

基于前述的三維生態(tài)足跡模型，核算了2001 年～2015年唐山市不同用水類型水資源的生態(tài)盈余與生態(tài)赤字，見圖4?？芍?5 年來唐山市農(nóng)業(yè)水資源承載力不存在生態(tài)盈余，常年處于生態(tài)赤字狀態(tài)，處于-0.193 hm2/人和-0.291 hm2/人之間，平均值為-0.242 hm2/ 人，變化趨勢為(y=-0.007x+13.873,R2=0.9927)。生活用水的生態(tài)赤字由最初的-0.149 hm2/人波動變化至-0.2005 hm2/ 人，相應(yīng)地其變化趨勢為y=-0.0026x+5.0754，R2=0.8427，并且達(dá)到顯著水平。其工業(yè)用水也呈現(xiàn)生態(tài)赤字，由2001 年的-0.0477 變化至2015 hm2/人年的-0.0550 hm2/人，其平均值為-0.053 hm2/人，線性演變趨勢為y=-0.0005x+0.9143，R2=0.7747，并且其變化趨勢顯著。研究時域內(nèi)唐山市化石燃料資源承載力的生態(tài)赤字由2001年代-0.3565 hm2/人起伏變化至2015 年的-0.3226 hm2/人，其平均值達(dá)到-0.211 hm2/ 人，其變化趨勢為y=0.0203x-41.054，R2=0.2722，通過了5%水平的信度檢驗。唐山市其他用水類型生態(tài)赤字由2001 年的-0.5439 hm2/人波動演變至2015 年的-0.6496 hm2/人，期間其平均值為-0.610 人hm2/人，其線性變化特征為y=0.5335x-1052.9，R2=0.9927。

圖4 2001年～2015 年唐山市水資源生態(tài)赤字變化趨勢

3.4 唐山市水資源承載力指數(shù)動態(tài)分析

依據(jù)前述指數(shù)構(gòu)建的方法，得到2001 年～2015 年唐山市水資源壓力指數(shù)。其最小值出現(xiàn)在2001 年的5.115，最大值為2015 年的5.804，總體呈線性升高趨勢，以的y=0.0423x-79.469，R2=0.8888 形式變化，并且通過0.05 水平的信度檢驗，表明該變化趨勢顯著。從水資源壓力指數(shù)大小來看，可知唐山市對水資源的消費已經(jīng)超出水資源供給能力的5～7 倍，這是由于區(qū)域水資源稟賦和人口總數(shù)決定，唐山市地處我國半干旱半濕潤區(qū)，降水和地表徑流豐富，但水資源利用率和有效徑流均較少，加之龐大的人口基數(shù)勢必增加了用水需求，從而對區(qū)域水資源造成巨大壓力。

4 結(jié)論

生態(tài)盈余表征水資源存量，其意指能夠滿足經(jīng)濟社會發(fā)展需求外存在的盈余，生態(tài)赤字則反之。通過生態(tài)盈余和生態(tài)赤字能夠直觀顯示區(qū)域人類對水資源的消費需求是否超出了資源承載能力。本研究核算了2001 年～2015 年唐山市農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和其他用水的水資源承載力，綜合結(jié)果表明區(qū)域水生態(tài)赤子較大，水資源透支嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)予以重視。