基于生態(tài)足跡法的疏勒河流域水資源承載力評價

張軍，張仁陟＊，周冬梅

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州730070）

水資源作為自然資源中的一種重要資源，對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展有著不可替代的作用［1，2］。在我國廣大的干旱半干旱地區(qū)，水資源成為這些地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善的限制性因子?？茖W(xué)合理地解決經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與水資源供需的矛盾，加強(qiáng)流域尺度上水資源管理，實現(xiàn)水資源與社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，是當(dāng)前迫切需要解決的重要課題之一。特別是20世紀(jì)以來，隨著人口膨脹，工農(nóng)業(yè)用水猛增導(dǎo)致出現(xiàn)水資源緊張以及水環(huán)境日益惡化，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人類自身的生存。全球氣候變化和全球水資源的分配不均加劇了水資源貧乏地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化與社會經(jīng)濟(jì)不持續(xù)性，水資源短缺和水環(huán)境破壞已經(jīng)成為全球性的嚴(yán)峻問題。因此，可持續(xù)利用水資源的觀點隨之出現(xiàn)，水資源承載力（carrying capacity of water resource）的概念伴隨著可持續(xù)發(fā)展的觀點，以及人們對社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識基礎(chǔ)上被提出。水資源承載力是指在區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展前提下，根據(jù)一定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平和社會生產(chǎn)條件，水資源天然產(chǎn)出量的允許開發(fā)水量維持的人口、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力［3－5］。國外目前大多將水資源承載力納入可持續(xù)發(fā)展理論中［6－8］，國內(nèi)研究主要集中在城市水資源承載力和區(qū)（流）域水資源承載力兩個方面［9－11］，其研究方法有主成分分析法［12，13］、物元綜合評價模型［14］、熵模型［15］、模糊物元模型［16－18］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［19］、區(qū)域水資源的供需平衡模型［20］、綜合評價指標(biāo)法［21，22］等諸多方法應(yīng)用于水資源承載力研究。這些研究成果豐富了水資源承載力研究內(nèi)容，也推動了水資源承載力研究。而利用生態(tài)足跡法研究水資源承載力的研究不多［23，24］，生態(tài)足跡法提出以后，由于其具有很強(qiáng)的綜合性，并且符合可持續(xù)發(fā)展的理念而受到生態(tài)學(xué)、資源科學(xué)等領(lǐng)域?qū)W者的廣泛興趣［25－30］，該方法的意義在于人類如何保持地球生態(tài)系統(tǒng)的承載力，維護(hù)人類未來的生存。尤其對于水資源短缺的干旱區(qū)，水資源的可持續(xù)利用是實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)、健康和穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)，研究干旱區(qū)水資源承載力是實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。為此，選擇疏勒河流域進(jìn)行干旱區(qū)流域水資源可持續(xù)利用研究，疏勒河流域處于中國西北，深居中國內(nèi)陸，是典型的干旱生態(tài)區(qū)，且疏勒河流域有悠久的農(nóng)業(yè)灌溉歷史，疏勒河流域水系的灌溉維護(hù)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，在甘肅乃至中國具有重要的地位。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

疏勒河流域位于河西走廊的西部，東起玉門鎮(zhèn)，西至玉門關(guān)，處于92°11′～98°30′E，38°0′～42°48′N（圖1），是河西走廊三大主要內(nèi)陸河之一，位于青藏高原和內(nèi)蒙古阿拉善高原的過渡帶上，面積約16.998萬km2［31］。年平均氣溫7～9℃，年平均降水量不足60mm，蒸發(fā)量卻高達(dá)1 500～3 000mm，極度干燥的自然條件使該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境極度依賴于水資源系統(tǒng)，生態(tài)環(huán)境比較脆弱，是我國西北典型的干旱區(qū)，疏勒河水資源的灌溉，使得玉門、瓜州、敦煌和赤金－花海等綠洲的灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，疏勒河流域是甘肅省的主要商品糧基地之一，有“西部糧倉”之稱，具有重要的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略地位。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of Shule river basin

1.2 研究方法

生態(tài)足跡法是由加拿大經(jīng)濟(jì)學(xué)家William及其博士生Wackernagel于20世紀(jì)90年代提出的，該方法通過引入生態(tài)生產(chǎn)性土地來定量分析自然資源的可持續(xù)利用程度［32］。水資源生態(tài)足跡對水資源可持續(xù)利用程度的衡量主要是通過水資源生態(tài)盈余和生態(tài)赤字來表示。當(dāng)一個地區(qū)的生態(tài)足跡小于其水資源生態(tài)承載力時，水資源呈盈余狀態(tài)，表明這個地區(qū)水資源處于可持續(xù)利用狀態(tài)，該地區(qū)的水資源不但可以保證其經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與環(huán)境的良性循環(huán)，還可以滿足區(qū)域內(nèi)發(fā)展的進(jìn)一步需求；反之，當(dāng)一個地區(qū)的水資源生態(tài)足跡大于這個地區(qū)的水資源生態(tài)承載力時，則出現(xiàn)水資源生態(tài)赤字，表明這個地區(qū)的水資源利用處于不健康模式，區(qū)域內(nèi)水資源不足，不能滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，或者是以破壞環(huán)境為代價來維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1.2.1 生態(tài)承載力計算方法 根據(jù)生態(tài)足跡理論，將水資源承載力用水資源的生物生產(chǎn)能力來衡量，即水資源利用所能承載的相應(yīng)生物生存面積。

水資源承載力的計算模型為［32］：

式中，ECw為水資源承載力（hm2）；rw為水資源全球均衡因子；φw為計算區(qū)域水資源產(chǎn)量因子；W 為計算區(qū)域內(nèi)水資源總量（m3），水資源總量為區(qū)域內(nèi)地表水資源量和地下水資源量之和再扣除其重復(fù)計算量；Pw為世界水資源平均生產(chǎn)能力（m3／hm2）。根據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會（WCED）的建議，一個國家或地區(qū)的生態(tài)承載力中必須扣除12%用于維持生態(tài)和生物多樣性。所以，0.88為扣除12%后用于維持生態(tài)和生物多樣性的水資源量。

水資源產(chǎn)量因子［32］：為確定不同區(qū)域的水資源產(chǎn)量因子，假定世界水資源產(chǎn)量因子為1，區(qū)域水資源產(chǎn)量因子為該區(qū)域水資源平均生產(chǎn)能力與世界水資源平均生產(chǎn)能力的比值。本研究先計算出疏勒河流域水資源平均生產(chǎn)能力（2003－2007年疏勒河流域水資源平均生產(chǎn)能力為144.78m3／km2）與全國水資源平均生產(chǎn)能力（全國水資源平均生產(chǎn)能力為2 946m3／km2）的比值，再根據(jù)在全球范圍內(nèi)中國水資源的產(chǎn)量因子計算出疏勒河流域在全球范圍內(nèi)水資源產(chǎn)量因子。經(jīng)計算，疏勒河流域的水資源產(chǎn)量因子為0.049。

水資源生產(chǎn)能力：采用水文學(xué)中的產(chǎn)水模數(shù)來描述水資源生產(chǎn)能力，根據(jù)學(xué)者研究結(jié)果［33］，世界水資源平均生產(chǎn)能力為31.4×104m3／km2。

水資源全球均衡因子：某種生物生產(chǎn)面積的均衡因子等于該類生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力除以全球各類生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力。所以，水資源的全球均衡因子等于水資源生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力除以全球各類生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力。為便于比較，本研究選擇根據(jù)WWF2002確定的水資源均衡因子5.19作為計算值。

1.2.2 水資源生態(tài)足跡計算 水資源生態(tài)足跡以水資源為出發(fā)點，估算流域或區(qū)域的水代謝強(qiáng)度［33］。水資源生態(tài)足跡可以定義為：任何已知人口（某個人、一個城市、一個區(qū)域或全球）的水資源足跡是生產(chǎn)這些人口所消耗的所有資源所需要的水資源量。這里的所有資源既包括人類生活所必須的直接消耗的水資源，也包括為人類提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和功能的環(huán)境資源［34，35］。

根據(jù)Wackernagel的生態(tài)足跡模型，水資源生態(tài)足跡如同其他各個帳戶，將消耗的水資源量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)帳戶的生產(chǎn)面積——水資源用地面積。在水資源生態(tài)足跡下建立3個水資源生態(tài)足跡二級帳戶，分別為生產(chǎn)用水、生活用水、生態(tài)用水。生產(chǎn)用水包括農(nóng)田灌溉用水、林牧漁畜用水、工業(yè)用水等。生活用水包括城鎮(zhèn)生活用水和農(nóng)村生活用水。生態(tài)用水包括城市綠地用水和區(qū)域內(nèi)水體納污能力之外的稀釋污染物用水量。其計算公式分別為：

式中，EFp為生產(chǎn)用水生態(tài)足跡（hm2）；EFl為生活用水生態(tài)足跡（hm2）；EFw為生態(tài)用水生態(tài)足跡（hm2）；r為水資源全球均衡因子；Wp為生產(chǎn)用水量（m3）；Wl為生活用水量（m3）；Ww為生態(tài)用水量（m3）；p為世界水資源平均生產(chǎn)能力（m3／hm2）。

1.2.3 水資源負(fù)載指數(shù)計算 水資源負(fù)載指數(shù)是用于描述區(qū)域水資源的開發(fā)利用前景的，其物理意義是區(qū)域水資源量與人口和國內(nèi)生產(chǎn)總值決定的水資源需求量的關(guān)系，反映了區(qū)域水資源的利用水平及今后水資源開發(fā)的難易程度，水資源負(fù)載指數(shù)分為5個等級（表1），其計算公式為［36］：

式中，c為水資源負(fù)載指數(shù)；p為人口（萬人）；G為國內(nèi)生產(chǎn)總值（億元）；W 為水資源總量（億m3）；k為與降水有關(guān)的系數(shù)，其取值如下公式：

式中，k為與降水有關(guān)的系數(shù)；R為年降水量（mm）。

表1 水資源負(fù)載指數(shù)分級Table 1 Load indexes rank of water resources

2 結(jié)果與分析

2.1 疏勒河流域水資源承載力與水生態(tài)足跡

利用上述研究方法，以甘肅省2003－2007年水資源公報數(shù)據(jù)（表2）為基礎(chǔ)，計算疏勒河流域2003－2007年水資源生態(tài)承載力和生態(tài)足跡（表3）。由表2可以看出疏勒河流域用水以農(nóng)業(yè)用水為主，農(nóng)業(yè)用水量占到總用水量的88%以上，其中2003年最高為98%，最低的2005年占到了88%，相比較生態(tài)環(huán)境用水較少，僅占總用水量的0.05%～0.47%?？傮w來說，5年來疏勒河流域農(nóng)業(yè)用水量呈緩慢下降趨勢，而工業(yè)用水量、生活用水量和生態(tài)環(huán)境用水量呈波動的逐年上升趨勢。

表2 疏勒河流域2003－2007年社會經(jīng)濟(jì)及用水量Table 2 Socioeconomic status and using water in Shule river basin from 2003to 2007

疏勒河流域水資源承載力從2003年的1 696.35hm2增加到2007年的1 925.26hm2，均呈現(xiàn)上升趨勢（表3），其與疏勒河流域降水量增加有明顯的相關(guān)關(guān)系（兩者的相關(guān)系數(shù)為R2＝0.84）。特別是，2007年降水量的明顯增加影響水資源承載力明顯增加。水資源總生態(tài)足跡5年里呈現(xiàn)持續(xù)增加的態(tài)勢，農(nóng)業(yè)用水足跡和生活用水足跡持續(xù)增加，而工業(yè)用水足跡則從2006年開始呈現(xiàn)下降趨勢。農(nóng)業(yè)用水足跡中農(nóng)田灌溉用水足跡和林牧漁畜用水足跡均增加，相比較林牧漁畜用水足跡增加更加明顯，年均增長率為27%，遠(yuǎn)高于農(nóng)田灌溉用水足跡8%的年均增長率，表明2003－2007年疏勒河流域林牧漁畜用水量增長很快。城鎮(zhèn)公共用水足跡和居民生活用水足跡年均增加率為4%和58%，表明疏勒河流域居民生活用水量增加很大。

疏勒河流域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口數(shù)量的持續(xù)增長，生活用水量、農(nóng)業(yè)用水量也隨之增加，同時對生態(tài)環(huán)境也越來越重視，所以生活用水足跡、農(nóng)業(yè)用水足跡和生態(tài)環(huán)境用水足跡也越來越大。這3類用水足跡在2005年以來，增加速度較快，這與疏勒河流域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展有密切關(guān)系，隨著經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)發(fā)展，用水量還將大幅度增加，所以水資源生態(tài)足跡隨之也將大幅度增加。為保障本身脆弱的生態(tài)環(huán)境需加大保護(hù)、修復(fù)力度，使生態(tài)用水量越來越大，生態(tài)用水足跡也將持續(xù)增長。

表3 疏勒河流域2003－2007年水資源承載力與生態(tài)足跡Table 3 Carrying capacity of water resources and ecological footprint in Shule river basin from 2003to 2007

疏勒河流域生態(tài)赤字由2003年的18 017.88hm2增加到2007年的30 311.08hm2，其中2005年增長最大，增加值為10 220.5hm2。隨著降水量的增加，疏勒河流域水資源承載力有所增加（2003－2007年的增長幅度為13.5%），但其增長幅度遠(yuǎn)不及總生態(tài)足跡（2003－2007年增長幅度為63.5%）和生態(tài)赤字（2003－2007年增長幅度為68.2%），這對于該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展造成極大的威脅。按照目前的發(fā)展?fàn)顩r，隨著各種用水量的不斷增加，水資源生態(tài)赤字勢必還會進(jìn)一步增加。所以，有限水資源的合理有效利用成為疏勒河流域可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

人口是導(dǎo)致疏勒河流域水資源短缺的重要因素之一。疏勒河流域水資源承載力與人口以及人均水資源量有高的相關(guān)性（圖2和3），因此，為保證疏勒河流域水資源的可持續(xù)利用，需加強(qiáng)人口控制。據(jù)中國人民銀行酒泉市中心支行課題組研究自20世紀(jì)80年代以來，為解決甘肅中、南干旱地區(qū)和高寒陰濕山區(qū)的貧困問題，已經(jīng)向疏勒河流域移民14.4萬人。人口遷移必定會對疏勒河流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生直接影響，可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，農(nóng)業(yè)移民對環(huán)境資源的利用不合理時，后果將會更為嚴(yán)重。疏勒河流域干旱少雨，其人口承載力本身就有限，大規(guī)模的人口遷入會導(dǎo)致水資源進(jìn)一步短缺，因此控制該區(qū)域的人口數(shù)量是實現(xiàn)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的主要措施。

圖2 水資源承載力與人口的關(guān)系Fig.2 The relationship between population and carrying capacity of water resources

圖3 水資源承載力與人均水資源量的關(guān)系Fig.3 The relationship between water resources per person and carrying capacity of water resources

2.2 疏勒河流域水資源負(fù)載指數(shù)

為進(jìn)一步了解疏勒河流域水資源變化趨勢，利用水資源負(fù)載指數(shù)公式，計算了疏勒河流域水資源負(fù)載指數(shù)（表4），2003－2007年疏勒河流域水資源負(fù)載指數(shù)介于4～6，呈現(xiàn)波動狀態(tài)。結(jié)合表1的分級說明，可以看出2003，2004和2007年該流域水資源利用程度高，開發(fā)潛力不大，且開發(fā)條件困難；而2004－2005年該流域水資源利用程度中等，開發(fā)潛力較大，開發(fā)條件中等?？傮w來說，疏勒河流域水資源負(fù)載指數(shù)呈上升趨勢，表明水資源利用程度不斷提高，其進(jìn)一步開發(fā)條件惡化。因此，在疏勒河流域必須實行水資源可持續(xù)利用戰(zhàn)略。

表4 疏勒河流域2003－2007年水資源負(fù)載指數(shù)分級Table 4 Load factors rank of water resources in Shule river basin from 2003to 2007

3 討論

疏勒河流域水資源承載力從2003年的1 696.35hm2增加至2007年的1 925.26hm2，呈現(xiàn)上升趨勢，2007年水資源承載力明顯增加。水資源總生態(tài)足跡5年里呈現(xiàn)持續(xù)增加的態(tài)勢，農(nóng)業(yè)用水足跡和生活用水足跡持續(xù)增加，而工業(yè)用水足跡則呈現(xiàn)下降趨勢；疏勒河流域生態(tài)赤字由2003年的18 017.88hm2增加到2007年30 311.08hm2，其中2005年增長最大。隨著降水量的增加，疏勒河流域水資源承載力有所增加（2003－2007年的增長幅度為13.5%），但其增長幅度遠(yuǎn)不及總生態(tài)足跡（2003－2007年增長幅度為63.5%）和生態(tài)赤字（2003－2007年增長幅度為68.2%），這對于該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展造成極大的威脅。按照目前的發(fā)展?fàn)顩r，隨著各種用水量的不斷增加，水資源生態(tài)赤字勢必還會進(jìn)一步增加，所以，有限水資源的合理有效利用成為疏勒河流域可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

在疏勒河流域應(yīng)當(dāng)適度減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，干旱內(nèi)陸流域的生態(tài)環(huán)境問題往往是在人水矛盾的巨大壓力下，由于缺乏水資源的統(tǒng)一管理、盲目擴(kuò)大耕地、過度使用地表水、持續(xù)超采地下水的后果［37］。計算結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)用水在疏勒河流域占絕對優(yōu)勢，農(nóng)業(yè)用水足跡占總生態(tài)足跡的88%以上。每立方水產(chǎn)糧0.15～0.30kg，糧食耗水量3.2～6.8m3／kg，每立方水產(chǎn)棉花0.03kg，棉花耗水量8.0～26.5m3／kg；糧食耗水量分別為石羊河流域和黑河流域的2.1和1.8倍［38］，大量的水消耗到農(nóng)田蒸發(fā)上，因此應(yīng)該減少耕地面積，特別是要減少高耗水農(nóng)作物種植面積。另外疏勒河流域是甘肅省重要的商品糧基地，造成大量的虛擬水輸出。

水資源負(fù)載指數(shù)結(jié)果也表明，疏勒河流域水資源開發(fā)潛力不大，2007年疏勒河流域有噴滴灌面積為367hm2、微灌面積為3 247hm2、低壓管灌面積15 100hm2、渠道防滲面積31 793hm2，分別僅占耕地面積的0.21%，1.85%，8.59%和18.09%。因此，需要加大農(nóng)業(yè)節(jié)水力度，推行滴灌、自壓噴灌、低壓管道輸水等節(jié)水技術(shù)，提高灌溉用水的利用率，同時還要推廣旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)，加強(qiáng)農(nóng)田基本建設(shè)，提高干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)用水的利用率。

除此以外，加強(qiáng)水資源管理制度，制定科學(xué)的用水總量控制和定額管理指標(biāo)體系［39］。大力宣傳使得節(jié)水觀念深入人心，加強(qiáng)節(jié)水宣傳和教育、增強(qiáng)人們的節(jié)水意識、推廣使用節(jié)水型器具，制定合理的節(jié)水目標(biāo)，使有限的水資源得到有效的利用。

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