劉漢生,王 暉,張 婷,吳宜進(jìn),張永利
(1.華中師范大學(xué)地理過(guò)程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430079;2.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,湖北 武漢 430040)
武漢市水資源生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)分析
劉漢生1,王 暉2*,張 婷1,吳宜進(jìn)1,張永利1
(1.華中師范大學(xué)地理過(guò)程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430079;2.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,湖北 武漢 430040)
生態(tài)足跡理論為水資源可持續(xù)利用提供了量化評(píng)價(jià)尺度。通過(guò)對(duì)水資源生態(tài)足跡及生態(tài)承載力模型的構(gòu)建,計(jì)算分析了2005-2012年武漢市人均水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力,同時(shí)選用人均水資源生態(tài)赤字/盈余、萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡、水資源生態(tài)壓力指數(shù)等指標(biāo)對(duì)其水資源可持續(xù)利用狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明,2005-2012年人均水資源生態(tài)足跡總體呈上升趨勢(shì),而人均水資源生態(tài)承載力年際變化大;萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡每年都在不斷下降,水資源可持續(xù)利用效率在逐步提高;除2010年外,水資源生態(tài)壓力指數(shù)均突破1,水資源總體上處于不安全狀態(tài)。
武漢市;水資源;生態(tài)足跡;可持續(xù)利用
在氣候變暖的背景下,隨著城市建設(shè)快速擴(kuò)張,武漢市城市用水壓力加大,如何促進(jìn)水資源可持續(xù)利用成為不可忽視的問(wèn)題。為了解武漢市水資源可持續(xù)利用狀況,促進(jìn)水資源的合理開(kāi)發(fā)利用,本文采用生態(tài)足跡分析法對(duì)武漢市水資源狀況進(jìn)行分析。
生態(tài)足跡分析法是一種簡(jiǎn)便、操作性較強(qiáng)的研究思路,是由W illiam Rees提出,其后由Wackenagel對(duì)其理論和方法進(jìn)行發(fā)展和完善[1],它是一種用以衡量人類對(duì)自然資源利用程度以及自然界為人類提供生命支持服務(wù)功能的方法[2-4]。國(guó)內(nèi)外從生態(tài)足跡角度評(píng)價(jià)水資源消耗有2種方式:一是將水資源消費(fèi)折算成水資源量的水足跡[5-6],從水量上研究水資源的消耗,但無(wú)法全面度量人類活動(dòng)對(duì)生物生產(chǎn)性用地的生態(tài)占用;二是將水資源消耗折算成水域面積的水資源生態(tài)足跡[7-8],它可以將消耗的水資源轉(zhuǎn)化為可比較的生物生產(chǎn)性用地面積來(lái)評(píng)定生態(tài)占用狀況,克服了水足跡研究的不足。近年來(lái),由于水資源生態(tài)足跡在評(píng)價(jià)水資源可持續(xù)性上的優(yōu)越性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于其模型方法的研究較多,如黃林楠等[9]提出建立水資源賬戶并構(gòu)建水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力計(jì)算模型,研究分析了江蘇省1998-2003年水資源生態(tài)足跡,驗(yàn)證了模型的正確性和科學(xué)性。王文國(guó)等[10]根據(jù)水資源生態(tài)足跡模型,計(jì)算分析了四川省2001-2009年水資源生態(tài)足跡、生態(tài)承載力,并結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r提出可持續(xù)發(fā)展措施。張義等[11]在傳統(tǒng)水資源生態(tài)足跡基礎(chǔ)上對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行改進(jìn),計(jì)算分析了2003-2010年廣西水資源生態(tài)足跡,并與傳統(tǒng)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。楊建軍等[12]建立水資源生態(tài)足跡框架體系及計(jì)算模型,采用規(guī)模、結(jié)構(gòu)和比較方法對(duì)西安市2001-2007年的水資源生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,提出支持可持續(xù)發(fā)展的水資源對(duì)策。
目前的研究主要從生態(tài)承載力、生態(tài)壓力指數(shù)和水足跡等方面分析武漢市水資源[13-15]。本研究采用水資源生態(tài)足跡模型方法,對(duì)武漢市2005-2012年人均水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力進(jìn)行計(jì)算,從生態(tài)足跡新視角定量評(píng)價(jià)水資源可持續(xù)利用狀況,為科學(xué)制定水資源利用政策和管理提供參考依據(jù)。
武漢市地處113°41'-115°05'E,29°58'-31°22'N,地形以平原為主,中部散列東西向殘丘,屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季涼爽濕潤(rùn),四季分明,年降水量1 205 mm;武漢是世界上水資源豐富的特大城市之一,水域面積2 217.6 km2,占全境總面積的26.1%,人均占有地表水11.4× 104m2,全市河網(wǎng)水系發(fā)育齊全,5 km以上的河流共165條,大小湖泊166個(gè)。由于氣候變暖、水資源不合理利用和水污染等的制約,作為 “百湖之市”的武漢市近年來(lái)水資源形勢(shì)日益嚴(yán)峻,已影響到自然生態(tài)系統(tǒng)、居民飲水和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。
2.1 水資源生態(tài)足跡模型
將水資源量的消耗轉(zhuǎn)換成相應(yīng)賬戶的生物生產(chǎn)性用地面積,然后對(duì)其進(jìn)行均衡化得到各地區(qū)可相互比較的抽象數(shù)值即為水資源生態(tài)足跡[9]:
式中,E為水資源總生態(tài)足跡 (hm2),N為人口數(shù) (人),A為人均水資源生態(tài)足跡 (hm2·人-1),γ為水資源的全球均衡因子,W為人均消耗的水資源量 (m3),P為全球水資源平均生產(chǎn)能力(m3·hm-2)。全球水資源平均生產(chǎn)能力即全球多年平均產(chǎn)水模數(shù),為3 140 m3·hm-2[16],均衡因子采用黃林楠等[9]算出的全球水資源均衡因子5.19。
2.2 水資源生態(tài)承載力模型
水資源承載力為某一區(qū)域在具體發(fā)展時(shí)間段內(nèi),能夠支持該地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的水資源最大供給能力,即社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的水資源支持能力[9]:
式中,C為水資源承載力 (hm2),N為人口數(shù) (人),G為人均水資源承載力 (hm2·人-1),γw為水資源的全球均衡因子,ψ為區(qū)域水資源的產(chǎn)量因子,Q為水資源總量 (m3),P為全球水資源平均生產(chǎn)能力 (m3·hm-2)。為維持生態(tài)環(huán)境平衡,一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的水資源承載力中要扣除60%[17],在模型計(jì)算中乘以系數(shù)0.4。產(chǎn)量因子為區(qū)域水資源平均生產(chǎn)能力與全球水資源平均生產(chǎn)能力比值[8]。根據(jù)水資源公報(bào),武漢市多年水資源平均生產(chǎn)能力為45.21×104m3·km-2,計(jì)算得水資源產(chǎn)量因子為1.44。
2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源
2005-2012年的 W,Q數(shù)據(jù)來(lái)源于 《武漢市水資源公報(bào)》《湖北省水資源公報(bào)》;N和GDP數(shù)據(jù)來(lái)源于各年的 《武漢市統(tǒng)計(jì)年鑒》《湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒》《湖北省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展公報(bào)》。
3.1 人均水資源生態(tài)狀況
為測(cè)評(píng)區(qū)域水資源利用是否可持續(xù),A減去G,得到人均水資源生態(tài)赤字或人均水資源生態(tài)盈余[7]。
當(dāng)A>G時(shí),人均水資源生態(tài)赤字;當(dāng)A<G時(shí),人均水資源生態(tài)盈余;當(dāng)A=G時(shí),水資源生態(tài)平衡。
3.2 萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡
E除以GDP即萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡,它可以客觀地判定區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用效率[7]。
該指標(biāo)數(shù)值越小,說(shuō)明水資源可持續(xù)利用效率越高;數(shù)值越大,說(shuō)明水資源可持續(xù)利用效率越低。
3.3 水資源生態(tài)壓力指數(shù)
生態(tài)壓力指數(shù)由趙先貴等[18]提出,本研究引入水資源生態(tài)壓力指數(shù),用以衡量社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境對(duì)水資源的壓力強(qiáng)度,即A與G的比值[7]。
當(dāng)水資源生態(tài)壓力指數(shù)0~<1時(shí),該水資源利用狀態(tài)為安全;當(dāng)水資源生態(tài)壓力指數(shù) >1時(shí),則水資源生態(tài)安全處于威脅狀態(tài);當(dāng)水資源生態(tài)壓力指數(shù)=1時(shí),則水資源生態(tài)安全處于平衡狀態(tài)。
4.1 水資源生態(tài)足跡
在武漢市水資源生態(tài)足跡計(jì)算過(guò)程中,結(jié)合用水戶特性和水資源生態(tài)足跡內(nèi)涵,把水資源賬戶劃分3個(gè)二級(jí)賬戶:生產(chǎn)用水、生活用水、生態(tài)用水足跡[19],其中生產(chǎn)用水再細(xì)分為第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)3個(gè)三級(jí)賬戶。2005-2012年武漢市人均水資源生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果如表1。
2005-2012年武漢市人均水資源生態(tài)足跡呈波動(dòng)上升趨勢(shì) (表1),其中 2005-2007年由0.753 7 hm2·人-1下降到0.726 5 hm2·人-1,降幅較??;但2007-2012年由0.726 5 hm2·人-1增長(zhǎng)到0.795 7 hm2·人-1,增長(zhǎng)率高達(dá)9.53%,增幅較大。據(jù)計(jì)算2005-2012年武漢市人口年均增長(zhǎng)率為0.35%,而人均水資源生態(tài)足跡年均增長(zhǎng)率高達(dá)0.78%,表明影響水資源生態(tài)足跡增長(zhǎng)主要是水資源消費(fèi)水平的增長(zhǎng),人口增長(zhǎng)對(duì)水資源生態(tài)足跡的影響相對(duì)較小。
表1 武漢市歷年水資源生態(tài)足跡
在人均水資源生態(tài)足跡賬戶中,生產(chǎn)用水份額最大,占人均水資源生態(tài)足跡的86%以上;生活用水相對(duì)較小,約占12%左右,主要為城鎮(zhèn)居民用水;生態(tài)用水所占比例不到1%,但呈上升趨勢(shì)(表1),表明城市綠化需水量增加,生態(tài)環(huán)境保護(hù)逐漸得到重視;生產(chǎn)、生活用水比重過(guò)大,不利于生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。在生產(chǎn)用水賬戶中,第二產(chǎn)業(yè)所占比例最大,歷年增長(zhǎng)率為3.5%,是水資源生態(tài)足跡的主要貢獻(xiàn)者;第一產(chǎn)業(yè)波動(dòng)大且呈下降趨勢(shì),第三產(chǎn)業(yè)變化較小但仍保持遞增趨勢(shì)(圖1)。第一、二產(chǎn)業(yè)在人均水資源生產(chǎn)賬戶中比重較大,表明水資源利用產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)明顯不合理。
圖1 武漢市人均水資源生態(tài)足跡生產(chǎn)賬戶變化
4.2 水資源生態(tài)承載力
2005-2012年人均水資源生態(tài)承載力差異較大 (圖2),最高年份為2010年,達(dá)0.871 8 hm2·人-1,最低年份為 2006年,達(dá) 0.266 5 hm2·人-1,相差0.605 3 hm2·人-1;2005-2009年變化幅度較小,2009-2012年變化幅度大,表明武漢市人均水資源承載力變化大且不穩(wěn)定,與戴昌軍等[15]研究結(jié)果基本一致。人均水資源生態(tài)承載力除2010年外均小于人均水資源生態(tài)足跡,生態(tài)赤字明顯,一定程度上制約了水資源支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力。
圖2 武漢市人均水資源生態(tài)承載力變化
采用線性回歸方法對(duì)人均水資源生態(tài)承載力與年降水量進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)年降水量較少時(shí),人均水資源生態(tài)承載力就小,年降水量較多時(shí),人均水資源承載力就大,此結(jié)論與王文國(guó)等[10,20]分析結(jié)果相一致,二者呈顯著正相關(guān) (圖2),R2達(dá)到0.916 8。2010年武漢市年降水量高達(dá)1 494.8 mm,人均水資源生態(tài)承載力也為歷年最高,達(dá)到0.871 8 hm2·人-1,屬豐水年,其他年份的人均水資源生態(tài)承載力變化與降水量基本也呈相同趨勢(shì),可見(jiàn)年降水量是人均水資源生態(tài)承載力的重要影響因素。
圖3 武漢市人均水資源承載力與年降水量之間線性回歸擬合
4.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)動(dòng)態(tài)分析
2005-2012年武漢市人均水資源生態(tài)赤字總體上差異較大,2005-2006年由-0.341 7 hm2·人-1上升到-0.478 5 hm2·人-1,2010年下降至最低值 0.096 4 hm2·人-1,2011-2012年在-0.477 7 hm2·人-1和-0.283 4 hm2·人-1間波動(dòng) (圖4)。除2010年為人均水資源生態(tài)盈余,其他年份均為人均水資源生態(tài)赤字,表明武漢市水資源開(kāi)發(fā)利用程度已超出水資源生態(tài)承載力,水資源在一定程度上出現(xiàn)短缺。水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的非均衡式增長(zhǎng)造成生態(tài)赤字,主要是由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展下的人口和產(chǎn)業(yè)需水量激增,以及水污染、浪費(fèi)和利用率低導(dǎo)致的。武漢市雖地處亞熱帶,降水豐富,但社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求日益增長(zhǎng),導(dǎo)致水資源生態(tài)赤字較大,與可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用存在較大差距。
圖4 武漢市人均生態(tài)足跡赤字/盈余變化趨勢(shì)
2005-2012年武漢市萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡一直在不斷下降,從2005年的0.263 4 hm2下降到2012年0.081 7 hm2,年均減少15.4%,降低速度較快。其中2005-2008年間由0.263 4 hm2減少到0.148 5 hm2,減幅較大,2009-2012年間由0.138 5 hm2減少到0.081 7 hm2,減幅相對(duì)較小(圖5)。整體上2012年萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡僅有2005年的 30%,水資源的利用效率逐年提高,表明武漢市逐漸重視水資源的重復(fù)利用。
三大產(chǎn)業(yè)萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡也在逐年下降。第二產(chǎn)業(yè)萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡占比重最高,從 2005年的 0.140 5 hm2降至 2012年的0.041 7 hm2,年均減少15.9%,但依然明顯高于第一、三產(chǎn)業(yè);第一產(chǎn)業(yè)從2005年的0.085 0 hm2下降到2012年的0.024 2 hm2,年均減少16.4%,水資源利用效率提高速度大于第二、三產(chǎn)業(yè) (圖5)。第一、二產(chǎn)業(yè)萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡比重過(guò)高,消耗水資源量多,而第三產(chǎn)業(yè)萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡相對(duì)較小,對(duì)水資源需求較少。
圖5 武漢市萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡變化趨勢(shì)
2005-2012年武漢市水資源生態(tài)壓力指數(shù)變化幅度波動(dòng)較大,2005-2006年由1.829 4上升至2.795 5,此后下降至2010年0.889 4,2010-2012年在0.889 4和2.523 8間波動(dòng) (圖6)。水資源生態(tài)壓力指數(shù)除2010年外均超過(guò)1,反映了武漢市水資源開(kāi)發(fā)利用不可持續(xù)的現(xiàn)實(shí)狀況,水資源生態(tài)壓力較大,總體上處于受威脅狀態(tài)。在氣候變暖驅(qū)使下,加上農(nóng)業(yè)和重工業(yè)生產(chǎn)、城鎮(zhèn)人口增長(zhǎng)對(duì)水資源需求增加,以及水生態(tài)環(huán)境惡化損耗部分水資源,導(dǎo)致水資源與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境發(fā)展失衡,水資源利用面臨較大壓力,加劇了武漢市水資源供需矛盾。
圖6 武漢市水資源生態(tài)壓力指數(shù)變化趨勢(shì)
2005-2012年武漢市人均水資源生態(tài)足跡總體上處于上升態(tài)勢(shì),2012年達(dá)到 0.795 7 hm2·人-1,占用的生物生產(chǎn)性面積較大;人均生態(tài)赤字較大,水資源不可持續(xù)性明顯,水資源生態(tài)壓力指數(shù)偏大,水資源支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力減弱。由此說(shuō)明,隨著武漢市城鎮(zhèn)化快速發(fā)展,人口規(guī)模急劇擴(kuò)大,人均水資源生態(tài)足跡會(huì)繼續(xù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì),水資源消耗量也在迅速增加。
在水資源3個(gè)三級(jí)賬戶中,第一、二產(chǎn)業(yè)的水資源生態(tài)足跡過(guò)大,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源需求矛盾較大。2005-2012年武漢市萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡在下降,尤其是耗水量大的第一、二產(chǎn)業(yè)。合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)促進(jìn)水資源可持續(xù)利用具有積極意義,因此,緩解武漢市水資源短缺矛盾,需進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),尤其是大力發(fā)展低耗水的第三產(chǎn)業(yè),同時(shí)加強(qiáng)水污染治理,不斷地提高水資源可持續(xù)利用率。
目前,基于生態(tài)足跡評(píng)定水資源可持續(xù)利用的方法研究還較少,加上選取指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不一,本文主要采取當(dāng)前水資源生態(tài)足跡研究領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的計(jì)算模型和評(píng)價(jià)指標(biāo),且由于數(shù)據(jù)獲取的局限性,未對(duì)水污染消耗 (包括廢水和酸雨)的生態(tài)足跡進(jìn)行計(jì)算分析,但實(shí)際水資源消耗占有的生物生產(chǎn)性面積更大,方法上尚存在一些不足,后續(xù)還需進(jìn)行更全面的研究。
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(責(zé)任編輯:侯春曉)
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0528-9017(2015)04-0514-05
10.16178/j.issn.0528-9017.20150424
2014-10-15
國(guó)家科技支撐計(jì)劃 (2012BAH33B00)
劉漢生(1990-),男,湖北黃岡人,碩士研究生,從事區(qū)域資源開(kāi)發(fā)與利用研究工作。E-mail:liuhansheng1990@163.com。
王 暉,男,湖北武漢人,工程師,碩士研究生,主要從事輸變電工程水土保持方案編制及水土保持監(jiān)測(cè)工作。
文獻(xiàn)著錄格式:劉漢生,王暉,張婷,等.武漢市水資源生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)分析 [J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,56(4):514-518.