摘要：科學(xué)預(yù)測河北省未來的水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，對于區(qū)域水資源可持續(xù)利用具有重要意義。利用系統(tǒng)動力學(xué)（SD）法和生態(tài)足跡模型構(gòu)建河北省水資源利用SD模型，設(shè)計(jì)現(xiàn)狀延續(xù)型情景ES1、經(jīng)濟(jì)發(fā)展型情景ES2、節(jié)約用水型情景ES3和協(xié)調(diào)發(fā)展型情景ES4等4類不同發(fā)展情景，對現(xiàn)狀（2006～2021年）和未來（2022～2050年）水資源生態(tài)足跡進(jìn)行評價(jià)與預(yù)測。結(jié)果表明：① 對于現(xiàn)狀年份，人均水資源生態(tài)足跡呈緩慢下降趨勢，人均水資源生態(tài)承載力呈波動變化，水資源處于生態(tài)赤字，表明水資源利用處于不安全狀態(tài)，但水資源利用效率越來越高。② 對于預(yù)測年份，4類發(fā)展情景的人均水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)壓力指數(shù)均呈增長趨勢，水資源均處于生態(tài)赤字，并且虧損程度逐年嚴(yán)重。雖然萬元GDP水資源生態(tài)足跡均呈下降趨勢，未來的水資源利用效率越來越高，但未來水資源利用壓力仍過大。③ 情景ES4是最適宜的情景，既能以適當(dāng)?shù)乃俣缺ＷC河北省未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又能降低水資源生態(tài)壓力。河北省在未來水資源利用過程中，需從多方面采取積極行動，以確保水資源可持續(xù)利用發(fā)展。

關(guān) 鍵 詞：水資源生態(tài)足跡；生態(tài)赤字；系統(tǒng)動力學(xué)模型；生態(tài)足跡模型；河北省

中圖法分類號：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.08.015

0 引 言

水是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源^［1］，是保障社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐^［2］，水資源問題已成為許多國家社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性問題^［3］。伴隨社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快演變^［4］，全球范圍內(nèi)產(chǎn)生的污廢水超過80%未經(jīng)處理就排入水環(huán)境當(dāng)中^［5］，導(dǎo)致水體遭受嚴(yán)重污染，缺水問題嚴(yán)重。Rees^［6］于1992年提出生態(tài)足跡（ecological footprint，EF）這一概念。Wackernagel等^［7］于1998年對生態(tài)足跡理論進(jìn)行了完善，通過估算區(qū)域人口需求及具備生物生產(chǎn)力的土地和水域的面積^［8-9］，并與給定人口區(qū)域的生態(tài)承載力進(jìn)行比較，來衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r^［10］。隨著生態(tài)足跡理論逐漸成熟，在較多研究區(qū)得到廣泛的應(yīng)用，例如廣東省^［11］、江西省^［12］、北京市^［13］、淮河流域^［14］、福建省^［15］、華北平原^［16］、山東省^［17］等。河北省多年人均水資源占有量僅307 m^3［18］，是全國平均值的1/7^［19］，遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的人均500 m³的“極度缺水標(biāo)準(zhǔn)”，是典型的資源型缺水省份^［20-21］。隨著人類活動不斷進(jìn)行，水資源供需矛盾將更加突出以及水資源利用壓力將進(jìn)一步加大，水資源可持續(xù)利用問題將愈發(fā)嚴(yán)重?？茖W(xué)預(yù)測河北省未來水資源生態(tài)足跡的發(fā)展趨勢有利于掌握未來水資源利用狀況，從而采取積極措施來確保未來水資源可持續(xù)利用發(fā)展。

需水量預(yù)測是預(yù)測水資源生態(tài)足跡的基礎(chǔ)。當(dāng)前，常用預(yù)測需水量的方法有指標(biāo)法^［22］、定額法^［23］、時(shí)間序列法^［24］、灰色預(yù)測法^［25］、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法^［26］、多元線性回歸法^［27］、主成分分析法^［28］、系統(tǒng)動力學(xué)法^［29］。影響需水量的因素諸多，一般涉及到水文、社會經(jīng)濟(jì)、工程、科技等方面，并且因素間的反饋關(guān)系較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的預(yù)測方法不能系統(tǒng)、準(zhǔn)確地刻畫因素之間的反饋關(guān)系。相比之下，系統(tǒng)動力學(xué)（system dynamics，SD）可以定量考慮影響需水量的各種水文、社會經(jīng)濟(jì)、科技等諸多因素，進(jìn)而較準(zhǔn)確地預(yù)測需水量。SD法是Forrester教授提出的系統(tǒng)仿真方法，在處理高度非線性、高階次、多變量、多重反饋問題方面具有顯著優(yōu)勢^［29-30］。目前，系統(tǒng)動力學(xué)在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如需水量預(yù)測^［30］、水資源管理^［31-32］、裝配式建筑^［33］、交通運(yùn)輸管理^［34］、水環(huán)境承載力評價(jià)^［35-36］。

關(guān)于河北省缺水問題已有專家和學(xué)者開展了一些研究工作。趙彥紅^［37］采用水資源承載力模型對1996～2003年河北省水資源承載力進(jìn)行評估，結(jié)果顯示水資源承載力處于較低水平；李騰等^［38］采用水足跡法對2004～2018年河北省水資源可持續(xù)性進(jìn)行了探討，結(jié)果顯示水資源處于虧損狀態(tài)。然而目前針對河北省缺水問題開展的工作大多數(shù)是基于現(xiàn)狀年的研究，暫未對河北省水資源生態(tài)足跡進(jìn)行定量、系統(tǒng)的預(yù)測。因此，科學(xué)預(yù)測水資源生態(tài)足跡對河北省水資源可持續(xù)利用具有重要的意義。本次研究采用系統(tǒng)動力學(xué)法和水資源生態(tài)足跡法建立河北省水資源利用SD模型和水生態(tài)足跡模型，對2022～2050年的水資源生態(tài)足跡進(jìn)行分析與預(yù)測，旨在為河北省水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1.1 研究區(qū)概況

河北?。?6°05′～42°40′N，113°27′～119°50′E）地處華北，漳河以北，東臨渤海，內(nèi)環(huán)京津，西為太行山地，北為燕山山地，燕山以北為張北高原，其余為河北平原，總面積為18.88萬km²（其中平原區(qū)81 459 km²、山地90 280 km²、高原15 954 km²），屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。從圖1可知，研究區(qū)的平均降水量、水資源量和總用水量分別為521.59 mm/a、164.0億m³/a和190.17億m³/a。其中，平均農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境用水量分別為134.16億，22.66億，23.83億，9.52億m³/a；多年水資源量小于總用水量（2012、2016年和2021年除外），研究區(qū)大多數(shù)年份都處于缺水狀態(tài)，是典型的資源型缺水省份。

1.2 水資源利用SD模型

河北省水資源利用SD模型是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，包括生活需水量、工業(yè)需水量、農(nóng)業(yè)需水量、生態(tài)環(huán)境需水量和總供水量子系統(tǒng)，子系統(tǒng)間相互聯(lián)系、相互制約。采用VENSIM Professional軟件建立河北省水資源利用SD模型，與水資源有直接影響的因素考慮進(jìn)系統(tǒng)邊界內(nèi)，將各因素間的邏輯關(guān)系以方程形式定量表達(dá)，具體見圖2。模擬時(shí)間為2006～2050年，基準(zhǔn)年為2006年，時(shí)間步長為1 a。其中2006～2021年為校準(zhǔn)年；2022～2050年為預(yù)測年。

模型有效性檢驗(yàn)是判斷模型具備反映客觀事實(shí)能力的重要依據(jù)。因此，選取4個(gè)指標(biāo)（生活需水量、工業(yè)需水量、農(nóng)業(yè)需水量和總需水量）對模型進(jìn)行檢驗(yàn)。將4個(gè)待檢驗(yàn)指標(biāo)值的模擬數(shù)據(jù)與2006～2021年的歷史值進(jìn)行相對誤差檢驗(yàn)。相對誤差均在±5%以內(nèi)（表1），最大值出現(xiàn)在2021年的工業(yè)需水量（4.92%），兩者的吻合度較好，說明模型模擬效果較好^［39］，可以用于預(yù)測階段。

尋找適合河北省的未來發(fā)展情景對水資源可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。為此，依據(jù)河北省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和水資源利用狀況，充分考慮河北省未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中影響水資源可持續(xù)利用的因素，綜合考慮設(shè)計(jì)了4類發(fā)展情景：現(xiàn)狀延續(xù)型情景ES1、經(jīng)濟(jì)發(fā)展型情景ES2、節(jié)約用水型情景ES3和協(xié)調(diào)發(fā)展型情景ES4，具體見表2。決策變量參數(shù)值是依據(jù)河北省實(shí)際人口增長情況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源利用情況和工農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)等因素，綜合評價(jià)并考慮各情景強(qiáng)調(diào)的側(cè)重點(diǎn)不同而確定的參數(shù)值。

1.3 水生態(tài)足跡模型

水資源生態(tài)足跡是指人類生產(chǎn)消耗水資源量轉(zhuǎn)化的相應(yīng)產(chǎn)水面積，計(jì)算公式如下^［40］：

式中：E_F，w為研究區(qū)水資源生態(tài)足跡，hm²；N為總?cè)丝跀?shù)，人；e_f，w為人均水資源生態(tài)足跡，hm²/人；r_w表示水資源全球均衡因子，取值5.19^［9，12］；W₁、W₂、W₃和W₄分別表示生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)環(huán)境用水量，m³；P_w表示全球水資源平均生產(chǎn)能力，m³/hm²，取值3 140^［15］。

水資源生態(tài)承載力表示在一定的地區(qū)和時(shí)間能夠提供給該地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展最大的水資源可持續(xù)利用的能力，計(jì)算公式如下^［41］：

式中：E_C，w為研究區(qū)水資源生態(tài)承載力，hm²；α為水資源生態(tài)承載力計(jì)算中需扣除用于生態(tài)和生物多樣性補(bǔ)償面積后的可用水資源比例，一般取值為0.4^［16］；φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子，本次研究取值0.4^［10］；Q為區(qū)域水資源總量，m³。

水資源生態(tài)盈虧等于水資源生態(tài)承載力與水資源生態(tài)足跡的差值，可衡量區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，計(jì)算公式為

E_D，w=E_C，w-E_F，w（3）

式中：E_D，w為水資源生態(tài)盈虧。當(dāng)E_D，w＞0時(shí)，表示盈余，水資源可持續(xù)利用；當(dāng)E_D，w＜0時(shí)，表示赤字，水資源過度利用；當(dāng)E_D，w＝0時(shí)，表示水資源利用處于臨界狀態(tài)。

水資源壓力指數(shù)可衡量研究區(qū)域內(nèi)水資源可持續(xù)利用情況，計(jì)算公式如下^［42］：

式中：P_F，w為水資源壓力指數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)［43］，當(dāng)P_F，w＜0.5，處于安全狀態(tài)；當(dāng)0.5≤P_F，w＜0.8，處于較安全狀態(tài)；當(dāng)0.8≤P_F，w≤1，處于臨界狀態(tài)；當(dāng)P_F，w＞1，處于不安全狀態(tài)。

萬元GDP水資源生態(tài)足跡可衡量水資源利用率的高低，計(jì)算值大（小）表示利用效率低（高）^［44］，計(jì)算公式為

式中：E_F，GDP為萬元GDP水資源生態(tài)足跡，hm²/萬元；GDP為國內(nèi)生產(chǎn)總值，萬元。

水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)可衡量區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)程度，計(jì)算公式如下^［12］：

式中：E_CI，E為水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)。E_CI，E值越大（小）表示區(qū)域水資源生態(tài)協(xié)調(diào)性和安全性越好（差），其取值范圍為1≤E_CI，E≤1.414。

1.4 數(shù)據(jù)來源

模型中所用數(shù)據(jù)主要包括水資源數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和環(huán)境污染數(shù)據(jù)，其中地下水、地表水供水量和各類用水定額來自2006～2021年河北省水資源公報(bào)；人口、區(qū)域生產(chǎn)總值、牲畜和有效灌溉面積來源于2007～2022年河北省統(tǒng)計(jì)年鑒；污水排放系數(shù)、污水回用率參考2007～2022年河北省統(tǒng)計(jì)年鑒、《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省水資源生態(tài)足跡現(xiàn)狀分析

從圖3可知，河北省人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡（均值為0.307 hm²/人）呈波動下降趨勢，從0.376 hm²/人降至0.216 hm²/人，其占人均水資源生態(tài)足跡的比重最大（53.41%～77.17%），這一現(xiàn)象可能與提高農(nóng)業(yè)用水效率、調(diào)整種植模式有關(guān)；相比人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡，人均生活用水生態(tài)足跡則保持相對穩(wěn)定，年增長量在-0.002～0.005 hm²/人之間，生態(tài)足跡均值為0.054 hm²/人，是人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡均值的17.59%，其占人均水資源生態(tài)足跡比重為9.66%～15.28%；人均工業(yè)用水生態(tài)足跡（均值為0.052 hm²/人）呈先降后升再降的趨勢，年增長量在-0.005～0.006 hm²/人之間，其占人均水資源生態(tài)足跡比重在9.72%～13.19%之間；人均生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡（均值為0.021 hm²/人）呈先緩慢后急劇上升趨勢，從0.003 hm²/人漲到0.087 hm²/人，增加了29倍，表明河北省逐漸加大了對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度。

從圖4可知，人均水資源生態(tài)足跡呈波動下降趨勢，從0.489 hm²/人降至0.404 hm²/人，降幅為17.4%；人均水資源生態(tài)承載力均值為0.06 hm²/人，是人均水資源生態(tài)足跡均值（0.434 hm²/人）的13.82%，同時(shí)，人均水資源生態(tài)盈虧均小于0，水資源處于生態(tài)赤字，說明河北省一直存在水資源過度利用的現(xiàn)象。水資源生態(tài)壓力指數(shù)在3.02～11.88之間波動，均值為 8.03，大約是臨界狀態(tài)最小值（0.8）的10倍，水資源利用長期處于不安全狀態(tài)；萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈波動下降趨勢，由0.336 hm²/萬元降到0.074 hm²/萬元，降幅為77.98%，水資源利用率越來越高，這一現(xiàn)象可能與改變用水習(xí)慣、推廣水資源循環(huán)利用、節(jié)水技術(shù)創(chuàng)新等因素有關(guān)；平均水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)為1.126，水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性一般，但2019～2020年，2020～2021年分別以0.025/a和0.145/a的速度上升，說明水資源生態(tài)協(xié)調(diào)性朝著更好的趨勢發(fā)展。總體而言，河北省在2006～2021年的人均水資源生態(tài)盈虧均處于生態(tài)赤字，同時(shí)水資源生態(tài)壓力指數(shù)均大于1，表明水資源利用處于不安全狀態(tài)，但萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈下降趨勢，并且水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)在2019～2021年分別以0.025/a和0.145/a的速度上升，說明水資源利用率和生態(tài)協(xié)調(diào)性朝著更好的趨勢發(fā)展。

與中國部分省區(qū)相比（表3），研究區(qū)人均水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力均處于偏下水平，人均水資源生態(tài)盈虧處于高虧損狀態(tài)。研究區(qū)人均水資源生態(tài)足跡均值低于廣東省、福建省、遼寧省、江西省、上海市、四川省、湖北省、江蘇省和廣西壯族自治區(qū)，而高于北京市、陜西省、天津市和山東省。研究區(qū)人均水資源生態(tài)承載力均值僅高于山東省的0.037 hm²/人，而低于其他省區(qū)，水資源生態(tài)盈虧同北京市、遼寧省、上海市、江蘇省、山東省處于虧損狀態(tài)，并且虧損程度僅次于江蘇省的0.573 hm²/人。由此說明河北省水資源利用壓力很大，水資源生態(tài)虧損較嚴(yán)重，需從多方面采取措施來緩解這種情況。利用ArcGIS 10.8軟件對表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分布處理（圖5），水資源生態(tài)虧損處于較嚴(yán)重狀態(tài)主要是包括河北省在內(nèi)的華北平原及其附近的省區(qū)。然而，水資源生態(tài)處于盈余狀態(tài)的省份主要位于沿海地帶，其水資源較充沛。

2.2 水資源利用SD模型的模擬結(jié)果

從圖6可知，情景ES1、ES2和ES4的農(nóng)業(yè)需水量均呈增長趨勢。其中，在情景ES1和ES2時(shí)均從97.53億m³漲至137.9億m³，漲幅為41.39%；在情景ES4時(shí)從96.95億m³漲至117.5億m³，漲幅為21.20%。情景ES3的農(nóng)業(yè)需水量呈先降后升趨勢，先從96.53億m³降至93.35億m³（2030年）再漲至112.2億m³，總體漲幅為16.23%。各情景下農(nóng)業(yè)需水量均值依次為111.50億，111.50億，98.54億m³和102.15億m³，占總需水量比重依次為52.63%～43.32%、52.63%～34.15%、52.52%～41.87%和52.58%～35.67%，比重均逐年下降，這一現(xiàn)象可能與調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、提高灌溉技術(shù)等因素有關(guān)。工業(yè)需水量均呈增長趨勢，其中，情景ES2和ES4下的增長速率均逐漸加快，情景ES2時(shí)從20.81億m³升至189.3億m³，均值為75.69億m³，占總需水量比重在11.23%～46.88%之間；情景ES4時(shí)從20.65億m³升至140.6億m³，均值為62.28億m³，占總需水量比重在11.20%～42.68%之間；情景ES1和ES3下增長速率幾乎不變，均值分別為57.49億m³和49.25億m³。相比工業(yè)需水量，生活需水量的漲降幅度就表現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)，以-0.14億～0.43億m³/a的速度增長，各情景均值依次為31.21億，32.04億，28.48億m³和29.25億m³。生態(tài)環(huán)境需水量均值依次為39.26億，39.27億，39.26億m³和39.27億m³?？傂杷烤试鲩L趨勢（圖6（e）），其中，情景ES2時(shí)（均值為258.52億m³）的增長速度最快，情景ES1（均值為239.47億m³）和ES4（均值為232.93億m³）次之，情景ES3時(shí)（均值為215.51億m³）的增長速度最慢。情景ES1、ES2、ES3和ES4的平均水資源量分別為194億，194億，194億m³和203億m³。

從圖7（a）可知，生產(chǎn)總值均值依次為1.28×10⁹萬，1.68×10⁹萬，1.28×10⁹萬元和1.61×10⁹萬元。其中，情景ES2時(shí)的增長速度最快，年增長量在0.053×10⁹萬～0.373×10⁹萬元之間；情景ES4時(shí)的增長速度次之，最大年增長量為0.325×10⁹萬元；情景ES1和ES3時(shí)的增長速度最慢，平均年增長量均為0.7×10⁸萬元，是情景ES2（0.13×10⁹萬元）和ES4（0.12×10⁹萬元）的0.538和0.583倍。從圖7（b）可知，總?cè)丝诘脑鲩L速度最快為情景ES2，情景ES1和ES3時(shí)并列次之，情景ES4時(shí)最慢，均值依次為7.80×10⁷，7.88×10⁷，7.80×10⁷人和7.78×10⁷人。

2.3 水生態(tài)足跡模型的預(yù)測結(jié)果

從圖8可知，4類情景的人均工業(yè)用水生態(tài)足跡增長速率比人均生活、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡增長速率快，且到模擬期末（2048～2050年），情景ES2和ES4的人均工業(yè)用水生態(tài)足跡超過人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡，占人均水資源生態(tài)足跡比重最大。4類情景的人均工業(yè)用水生態(tài)足跡均值依次為0.120，0.155，0.103，0.130 hm²/人，年增長量分別在0.004～0.010、0.005～0.031、0.003～0.006和0.004～0.022 hm²/人之間，生態(tài)足跡均值依次從0.046 hm²/人升至0.213 hm²/人、從0.046 hm²/人升至0.367 hm²/人、從0.045 hm²/人升至0.170 hm²/人、從0.046 hm²/人升至0.284 hm²/人，其占人均水資源生態(tài)足跡比重依次在11.25%～33.44%、11.25%～46.93%、11.11%～31.72%、11.30%～42.77%之間。4類情景的人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡均值占人均水資源生態(tài)足跡均值的比重最大，人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡均值依次為0.236，0.233，0.209，0.217 hm²/人，情景ES1和ES2的年增長量均值均為0.002 hm²/人，情景ES3和ES4的年增長量均值分別為0.0004 hm²/人和0.001 hm²/人。4類情景的人均生活用水生態(tài)足跡變化處于穩(wěn)定狀態(tài)，均值依次為0.066，0.067，0.060，0.062 hm²/人。人均生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡均值依次為0.083，0.082，0.083，0.083 hm²/人，占人均水資源生態(tài)足跡比重分別在12.34%～21.17%、9.72%～21.17%、14.66%～21.38%和11.93%～21.28%之間。

從圖9可知，人均水資源生態(tài)足跡均呈增長趨勢，其中，情景ES2的增長速度最快，情景ES1和ES4次之，情景ES3最慢。情景ES1的人均水資源生態(tài)足跡均值為0.506 hm²/人，從0.409 hm²/人升至0.637 hm²/人，漲幅為55.7%；情景ES2的人均水資源生態(tài)足跡均值為0.538 hm²/人，是情景ES1的1.06倍，這是由于情景ES2較ES1更強(qiáng)調(diào)河北省未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展，從而導(dǎo)致人均水資源生態(tài)足跡的增加，同時(shí)也是4類情景中上漲幅度最快的情景，從0.409 hm²/人升至0.782 hm²/人，漲幅為91.2%，是情景ES1漲幅的1.64倍；情景ES3的人均水資源生態(tài)足跡均值為0.456 hm²/人，是情景ES1的0.9倍，雖然此情景對河北省水資源生態(tài)環(huán)境較友好，但在大力支撐河北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景下很難被接受；情景ES4的人均水資源生態(tài)足跡均值為0.493 hm²/人，是情景ES1、ES2、ES3的0.97，0.92，1.08倍。相比之下，情景ES4是最符合河北省未來發(fā)展情景，既強(qiáng)調(diào)了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也重視對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。人均水資源生態(tài)承載力均值依次為0.066，0.065，0.066，0.069 hm²/人。人均水資源生態(tài)盈虧均值依次為-0.440，-0.473，-0.390，-0.424 hm²/人，其中虧損程度最大為情景ES2，從-0.340 hm²/人降到-0.722 hm²/人，虧損將近一半；情景ES1和ES4次之，情景ES3虧損最少。水資源生態(tài)壓力指數(shù)均值依次為7.706，8.319，6.935和7.145，均大于1，表明未來水資源利用處于高壓的狀態(tài)。水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)均值依次為1.123，1.117，1.134和1.131，且曲線呈遞減趨勢（圖9（e）），與最佳值1.414的距離不斷拉大，表明河北省未來的社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境之間協(xié)調(diào)性越來越差，需進(jìn)一步提高水資源生態(tài)協(xié)調(diào)性。萬元GDP水資源生態(tài)足跡均值依次為0.035 4，0.032 5，0.032 6，0.030 9 hm²/萬元，曲線均呈遞減趨勢，表明河北省未來水資源利用率越來越高，其中，情景ES1的下降速度最慢，情景ES2和ES3次之，情景ES4的下降速度最快。

2.4 發(fā)展情景比較

表4是4類情景比較結(jié)果。從平均視角出發(fā)，若河北省選擇以往發(fā)展指標(biāo)作為未來發(fā)展指標(biāo)（情景ES1），那么經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度（5%）與情景ES3（5%）并列倒數(shù)，人均水資源生態(tài)足跡、生態(tài)赤字、生態(tài)壓力指數(shù)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)和萬元GDP水資源生態(tài)足跡均值分別居于第二、第二、第二、第三和第一；若河北省強(qiáng)調(diào)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展（情景ES2），那么經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、人均水資源生態(tài)足跡、生態(tài)赤字、生態(tài)壓力指數(shù)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)和萬元GDP水資源生態(tài)足跡均值分別居于第一、第一、第一、第一、第四和第三；若河北省強(qiáng)調(diào)未來節(jié)約用水（情景ES3），那么經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、人均水資源生態(tài)足跡、生態(tài)赤字、生態(tài)壓力指數(shù)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)和萬元GDP水資源生態(tài)足跡均值分別居于第三、第四、第四、第四、第一、第二。情景ES4既強(qiáng)調(diào)未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也重視對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，若選擇該情景，那么人均水資源生態(tài)足跡、生態(tài)赤字、生態(tài)壓力指數(shù)均值僅次于情景ES3（最小值），人均水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)均值僅次于情景ES3（最大值），經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度次于情景ES2（最大值），萬元GDP水資源生態(tài)足跡均值是所有情景中的最小值，因此情景ES4是最適合河北省未來發(fā)展情景的模式。

2.5 討 論

河北省長期存在水資源利用壓力過大的現(xiàn)象，隨著城市化和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這一現(xiàn)象將更加突出。因此，討論影響河北省水資源生態(tài)足跡的因素對水資源可持續(xù)利用發(fā)展具有重要的意義。

李騰等^［38］采用水足跡法對2004～2018年河北省水資源可持續(xù)性進(jìn)行研究，研究結(jié)果與本文對現(xiàn)狀的研究結(jié)論一致，均顯示水資源處于虧損狀態(tài)。與中國部分省區(qū)相比，河北省水資源虧損程度處于偏上水平，河北省為典型的資源型缺水省份，水資源量相對較少，然而發(fā)展經(jīng)濟(jì)需要消耗水資源，多因素共同導(dǎo)致水資源處于虧損狀態(tài)。但萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈波動下降趨勢，水資源利用率越來越高，表明各種節(jié)水政策得到有效的落實(shí)，取得較好的效果。

馮嬌嬌^［57］對2010～2016年河北省的用水結(jié)構(gòu)變化情況進(jìn)行探討，結(jié)果顯示農(nóng)業(yè)用水占總用水的比重最大，且比重呈下降趨勢，與本研究結(jié)果一致。無論是現(xiàn)狀年還是預(yù)測年下4類情景，人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡均值占人均水資源生態(tài)足跡均值的比重最大，且比重均逐年下降。人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡比重下降與提高農(nóng)業(yè)用水效率、改變種植模式和耕地面積減少等因素有關(guān)。馮嬌嬌指出耕地面積減少是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水量持續(xù)下降的主要原因。因此，要求在現(xiàn)有耕地面積下，優(yōu)化當(dāng)前的種植結(jié)構(gòu)，提高水資源與種植結(jié)構(gòu)的匹配度，提高糧食生產(chǎn)力，進(jìn)而保障河北省乃至國家的糧食安全；農(nóng)業(yè)用水消耗了水資源的絕大部分，因此制定并推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水制度、提高農(nóng)業(yè)用水效率，對降低水資源的消耗起到舉足輕重的作用。

3 結(jié) 論

（1）對于現(xiàn)狀年份，人均水資源生態(tài)足跡（均值為0.434 hm²/人）呈緩慢下降趨勢；人均水資源生態(tài)承載力（均值為0.060 hm²/人）呈波動變化趨勢；所有年份的人均水資源生態(tài)盈虧均小于0，同時(shí)，水資源生態(tài)壓力指數(shù)均大于1，表明水資源利用處于不安全狀態(tài)；萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈下降趨勢，說明水資源利用率越來越高；水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)均值為1.126，離最佳值1.414還有一段距離，需進(jìn)一步提高水資源生態(tài)協(xié)調(diào)性。

（2）對于預(yù)測年份，4類情景的人均水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)壓力指數(shù)均呈增長趨勢，均值分別為0.506，0.538，0.456，0.493 hm²/人和7.706，8.319，6.935，7.145，表明水資源利用壓力過大；人均水資源生態(tài)盈虧均小于0，表明未來水資源處于生態(tài)赤字，這是由河北省是典型的資源型缺水省份的實(shí)際情況決定的，水資源生態(tài)承載力不足以承受水資源生態(tài)足跡；萬元GDP水資源生態(tài)足跡均呈下降趨勢，說明未來水資源利用率越來越高，但在未來情景下水資源利用壓力過大，仍處于不安全狀態(tài)。

（3）尋找河北省未來水資源利用存在安全問題的解決方案，情景ES4是最適合的情景，對河北省未來的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源保護(hù)均有一定的保障。河北省在未來水資源利用過程中，需加強(qiáng)水資源管理、推廣節(jié)水技術(shù)、發(fā)展水資源多元化利用、優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)、提高水資源利用率，才能保證水資源可持續(xù)利用。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳瓊紅.基于水量-水質(zhì)的虛擬水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評估［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2022.

［2］孫冬營，余夢玲，馬劍鋒，等.供需變化情景下破產(chǎn)理論在流域水資源配置中的應(yīng)用［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2023，40（9）：17-23，31.

［3］趙雪雁，高志玉，馬艷艷，等.2005～2014年中國農(nóng)村水貧困與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的時(shí)空耦合研究［J］.地理科學(xué)，2018，38（5）：717-726.

［4］楊繼洲.基于SWAT模型的京津冀流域水環(huán)境污染防治方法研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2022.

［5］馬丁，李碩.中國地表水水質(zhì)變化趨勢及治理政策應(yīng)對［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2023，33（5）：27-39.

［6］REES W E.Ecological footprints and appropriated carrying capacity：what urban economics leaves out［J］.Environment and Urbanization，1992，4（2）：121-130.

［7］WACKERNAGEL M，REES W.Our ecological footprint：reducing human impact on the earth［M］.Gabriola Island：New Society Publishers，1998.

［8］楊曉霖，潘玉君，李曉莉.西南地區(qū)水資源生態(tài)足跡及承載力動態(tài)特征與預(yù)測分析［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，47（6）：58-67.

［9］李菲，張小平.甘肅省水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力時(shí)空特征［J］.干旱區(qū)地理，2020，43（6）：1486-1495.

［10］黃林楠，張偉新，姜翠玲，等.水資源生態(tài)足跡計(jì)算方法［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：1279-1286.

［11］張義敏，張曉琳，陳暢.基于水資源生態(tài)足跡模型的廣東省及珠三角九市水資源可持續(xù)利用研究［J］.人民珠江，2022，43（4）：31-40.

［12］秦歡歡，黃麗想.江西省水資源生態(tài)足跡評價(jià)與預(yù)測［J］.人民長江，2023，54（7）：104-112.

［13］岳晨，劉峰，楊柳，等.北京市2010～2019年水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力［J］.水土保持通報(bào)，2021，41（3）：291-295，304.

［14］安慧，范歷娟，吳海林，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的淮河流域水生態(tài)足跡分析與預(yù)測［J］.長江流域資源與環(huán)境，2021，30（5）：1076-1087.

［15］岳晨，錢永，崔向向，等.福建省2010～2019年水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力［J］.水土保持通報(bào)，2021，41（6）：282-287.

［16］秦歡歡.華北平原水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力評估［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2023，41（11）：41-51.

［17］黃麗想，秦歡歡，王健泉，等.山東省龍口市水資源生態(tài)足跡評價(jià)與預(yù)測［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，46（4）：406-412.

［18］曹曉磊，楊健，梁坤，等.河北省水資源現(xiàn)狀及保護(hù)對策［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2014（4）：45-48.

［19］康愛榮，于法穩(wěn).河北省農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用的對策研究［J］.唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（4）：38-42，52.

［20］余嶺，畢星，付祥偉.河北省水資源短缺預(yù)測研究：基于離散二階差分方法分析［J］.河南科學(xué)，2015，33（4）：614-620.

［21］刁子乘，趙晶，韓宇平，等.河北省城鎮(zhèn)居民生活層次化用水的影響因素分析［J］.中國農(nóng)村水利水電，2023（6）：215-221.

［22］吳彎.城鎮(zhèn)需水量預(yù)測方法研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2015.

［23］秦歡歡，黃碧賢，吳昊，等.基于SD模型和情景分析法的華北平原需水量預(yù)測［J］.節(jié)水灌溉，2022（2）：59-65.

［24］ZHAI Y，WANG J，TENG Y，et al.Water demand forecasting of Beijing using the time series forecasting method［J］.Journal of Geographical Sciences，2012，22（5）：919-932.

［25］吳凡，陳伏龍，張志君，等.基于改進(jìn)灰色模型的石河子市需水量預(yù)測［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2020，31（3）：76-82.

［26］賈振亞.基于BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的晉中市需水預(yù)測及水資源優(yōu)化配置［D］.太原：太原理工大學(xué)，2021.

［27］張惠芬.城市生態(tài)環(huán)境需水量研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2012.

［28］孔祥仟，陳園，劉博懿，等.基于主成分分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在需水預(yù)測中的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2018，36（4）：26-28.

［29］QIN H，CAI X，ZHENG C.Water demand predictions for megacities：system dynamics modeling and implications［J］.Water Policy，2018，20（1）：53-76.

［30］秦歡歡，賴冬蓉，萬衛(wèi)，等.基于系統(tǒng)動力學(xué)的北京市需水量預(yù)測及缺水分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（21）：175-182.

［31］曹琦，陳興鵬，師滿江.基于SD和DPSIRM模型的水資源管理模擬模型：以黑河流域甘州區(qū)為例［J］.經(jīng)濟(jì)地理，2013，33（3）：36-41.

［32］胡棋智.基于系統(tǒng)動力學(xué)的武漢市水資源管理策略研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2023.

［33］陶夢婷.基于系統(tǒng)動力學(xué)的裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與控制研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2022.

［34］程志友，羅鋒，吳蕊，等.基于系統(tǒng)動力學(xué)模型的港口危化品運(yùn)輸管理演化博弈［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，44（3）：71-78，99.

［35］張百川，張揚(yáng)，李政，等.湖泊流域水環(huán)境-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合模擬方法研究［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，58（5）：937-948.

［36］郭浩鋒，袁艷斌，曹陽，等.武漢市水資源承載力綜合評價(jià)及可持續(xù)利用研究［J］.水電能源科學(xué)，2023，41（12）：19-23.

［37］趙彥紅.河北省水環(huán)境現(xiàn)狀及水環(huán)境承載力研究［D］.石家莊：河北師范大學(xué)，2005.

［38］李騰，劉晴，隋鵬.河北省水資源變化及可持續(xù)性評估［J］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，26（6）：11-20.

［39］張?jiān)娰?，賴鋒，秦歡歡.基于SD模型的山東省水資源供需平衡分析［J］.人民珠江，2021，42（2）：61-67.

［40］薛桂芳.水資源生態(tài)足跡研究［J］.陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007（2）：75-77，104.

［41］譚秀娟，鄭欽玉.我國水資源生態(tài)足跡分析與預(yù)測［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（7）：3559-3568.

［42］李允潔，呂惠進(jìn)，卜鵬.基于生態(tài)足跡法的浙江省水資源可持續(xù)利用分析［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2016，33（12）：22-26，32.

［43］任志遠(yuǎn)，黃青，李晶.陜西省生態(tài)安全及空間差異定量分析［J］.地理學(xué)報(bào)，2005（4）：597-606.

［44］張義.基于生態(tài)足跡模型的廣西水資源利用評價(jià)［J］.人民黃河，2014，36（2）：58-61.

［45］朱正如，湛雅琪，曹永強(qiáng)，等.遼寧省水資源生態(tài)足跡時(shí)空特征及其影響因素分析［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2022，39（11）：29-34.

［46］周飛，邱衛(wèi)國.2013～2019年上海市水資源可持續(xù)利用程度評價(jià)［J］.人民黃河，2022，44（增1）：51-53.

［47］張淑蘭，張海軍，張盉儆，等.陜西省水資源生態(tài)足跡及其可持續(xù)利用分析［J］.人民長江，2021，52（4）：130-136.

［48］岳晨，李凡，付路路，等.天津市水資源生態(tài)足跡研究［J］.水文，2022，42（6）：56-60.

［49］李逢港，劉偉，董戰(zhàn)峰，等.四川省水資源生態(tài)足跡及可持續(xù)利用綜合評價(jià)［J］.環(huán)境污染與防治，2023，45（2）：245-249，256.

［50］王暢.湖北省水資源生態(tài)足跡研究［D］.武漢：華中師范大學(xué)，2013.

［51］侯焮晨.江蘇省水資源生態(tài)足跡評價(jià)及其可持續(xù)研究［D］.重慶：西南大學(xué)，2022.

［52］呂先蕊.河南省水資源生態(tài)足跡時(shí)空格局及驅(qū)動因素研究［D］.信陽：信陽師范學(xué)院，2023.

［53］陳正雷，陳星.山東省水生態(tài)足跡時(shí)空分布與驅(qū)動效應(yīng)研究［J］.人民黃河，2020，42（4）：76-80.

［54］莫崇勛，趙梳坍，阮俞理，等.基于生態(tài)足跡的廣西壯族自治區(qū)水資源生態(tài)特征時(shí)空變化規(guī)律及其驅(qū)動因素分析［J］.水土保持通報(bào)，2020，40（6）：297-302，311.

［55］吳全志，蘇喜軍，龍林玲.基于生態(tài)足跡模型的貴州省水資源可持續(xù)利用分析［J］.華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，37（3）：36-40.

［56］李允潔，呂惠進(jìn)，卜鵬.基于生態(tài)足跡法的浙江省水資源可持續(xù)利用分析［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2016，33（12）：22-26，32.

［57］馮嬌嬌.河北省2010～2016年用水結(jié)構(gòu)變化情況研究［J］.地下水，2020，42（4）：86-87，159.

（編輯：謝玲嫻）

Analysis and prediction of water resources ecological footprint in Hebei Province

WANG Jianquan¹，QIN Huanhuan^1，2

（1.School of Water Resources and Environmental Engineering，East China University of Technology，Nanchang 330013，China; 2.State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment，East China University of Technology，Nanchang 330013，China）

Abstract：Scientific prediction on future water resources ecological footprint and carrying capacity in Hebei Province is of great significance for the regional water resources sustainable utilization.A system dynamics （SD） model of water resource utilization was constructed based on the SD method and ecological footprint model in Hebei Province.We designed four scenarios，status quo continuation scenario ES1，economic development scenario ES2，water conservation scenario ES3，and coordinated development scenario ES4，to evaluate and predict the water resources ecological footprint in the present （2006～2021） and future （2022～2050）.The results indicate that：① for the current years，the per capita water resources ecological footprint and carrying capacity show a slowly decreasing and a fluctuating trend respectively，and the water resources are in ecological deficit，which indicates that water resources utilization is in an unsafe state.However，the water resources are being used more and more efficiently.② In the future，the per capita water resources ecological footprint and ecological stress index of all the scenarios show a growing trend，and the water resources are all in ecological deficit with more severe indicators year by year;the water resources ecological footprint of 10⁴ RMB GDP all show a decreasing trend，which indicates the water resources utilization efficiency will continue to increase in the future.However，the water resources utilization pressure is still too large.③ ES4 is the most suitable scenario，which can ensure the future socio-economic development of Hebei Province at an appropriate rate and reduce the ecological pressure on water resources.In the process of future water resource utilization in Hebei Province，it is necessary to take positive action in many ways to ensure the sustainable utilization and development of water resources.

Key words：water resources ecological footprint; ecological deficit; system dynamics model；ecological footprint model；Hebei Province