南寧市水資源生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)分析

劉潔，褚俊英，解建倉，何素明

（1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048；2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038；3.廣西水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530023）

南寧市水資源生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)分析

劉潔1，褚俊英2，解建倉1，何素明3

（1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048；2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038；3.廣西水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530023）

從水資源量供需平衡的角度出發(fā)，判別城市發(fā)展與自然水系統(tǒng)的可持續(xù)性。基于生態(tài)足跡理論，構(gòu)建了水生態(tài)足跡與水生態(tài)承載力模型，并以廣西南寧市為例，對2004—2013年的水資源可持續(xù)程度進(jìn)行定量分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）南寧市歷年水資源用量處于盈余狀態(tài)；（2）淡水資源生態(tài)足跡所占比例較大，且與人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有密切關(guān)系；（3）萬元GDP生態(tài)曲線的不斷降低表明南寧市水資源利用效率逐步提高。研究結(jié)果表明，南寧市水資源符合可持續(xù)利用的原則。

水生態(tài)足跡；水生態(tài)承載力；可持續(xù)性；南寧市

1 研究背景

水生態(tài)足跡的概念衍生于生態(tài)足跡，由William Rees［1-2］和Mathis Wackernagel［3］提出，通過將人類活動(dòng)產(chǎn)生的消耗物與土地面積進(jìn)行有機(jī)轉(zhuǎn)化來衡量人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。隨后出現(xiàn)“虛擬水”概念，采用水資源消耗轉(zhuǎn)化為水資源量占地面積來表示，稱為水足跡［4］。水生態(tài)足跡是以水域全球平均生產(chǎn)能力為基礎(chǔ)，包括水資源消耗與水域生物生產(chǎn)消耗兩部分［5］。從水量和水質(zhì)兩方面考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用的合理健康性。對區(qū)域開展水生態(tài)足跡的評價(jià)分析，了解其水資源分配現(xiàn)狀，促進(jìn)區(qū)域水生態(tài)文明建設(shè)、加強(qiáng)水資源的保護(hù)力度，以及對保障其社會(huì)發(fā)展與實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用具有重要意義。

傳統(tǒng)水生態(tài)足跡的水資源賬戶僅包括水產(chǎn)品生態(tài)足跡，是從水域的生物生產(chǎn)功能來定義的一類賬戶。洪輝［6］對原有的水資源賬戶進(jìn)行擴(kuò)充，提出了水產(chǎn)品、水污染與淡水生態(tài)足跡3個(gè)水資源賬戶，隨后諸多學(xué)者根據(jù)這一模式提出水生態(tài)足跡的賬戶分類［5，7-9］。王儉等［10］將生態(tài)需水要素引入城市水資源生態(tài)足跡模型中，并將生態(tài)需水分為綠地生態(tài)需水和稀釋污染物需水量。張義［5］提出水資源與水污染生態(tài)足跡是非生物生產(chǎn)性的土地，無法與傳統(tǒng)生物生產(chǎn)性的生態(tài)足跡相融合，在舍棄均衡因子的背景下采用改進(jìn)的水生態(tài)足跡模型對廣西水生態(tài)足跡進(jìn)行模擬。但目前大多或部分研究中忽略了污染物凈化消耗所占比例以及水生態(tài)賬戶的分開計(jì)算，忽略了水生態(tài)系統(tǒng)的整體性。

針對上述問題，本文對水生態(tài)足跡的核算和評價(jià)問題，采用零維水質(zhì)模型核算污染物稀釋需水量。在傳統(tǒng)的生態(tài)足跡模型基礎(chǔ)上建立水資源賬戶，將水生態(tài)足跡分為水域-漁業(yè)（水產(chǎn)品）、水污染與淡水資源三類賬戶，計(jì)算水生態(tài)足跡和水生態(tài)承載力，并以廣西南寧市為例開展實(shí)例應(yīng)用，對南寧市的水生態(tài)足跡進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 研究方法

2.1 參數(shù)的確定本文所采用的數(shù)據(jù)來源包括：《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒（2005—2014）》、《廣西水資源公報(bào)（2005—2014）》、《南寧市統(tǒng)計(jì)年鑒（2005—2014）》與《南寧環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書（2004—2013）》。基于上述數(shù)據(jù)資源計(jì)算南寧市2004—2013年的水生態(tài)足跡、水生態(tài)盈余與水生態(tài)承載力。首先，確定核算模型中相關(guān)參數(shù)值，包括產(chǎn)量因子和均衡因子。

產(chǎn)量因子。相同的生物生產(chǎn)性土地面積在不同的區(qū)域之間會(huì)存在一定差異，需根據(jù)區(qū)域產(chǎn)水能力確定相應(yīng)的產(chǎn)量因子。計(jì)算方法如下：

式中：γ為地區(qū)或國家對應(yīng)的產(chǎn)量因子；Pz為地區(qū)或國家對應(yīng)的水資源生產(chǎn)能力（萬m3/hm2）；Pg為國家或全球?qū)?yīng)的水資源產(chǎn)水能力（萬m3/hm2）；γwy為全球范圍內(nèi)區(qū)域水資源產(chǎn)量因子；Yz為中國范圍內(nèi)區(qū)域水資源產(chǎn)量因子；Yg為全球范圍內(nèi)中國水資源產(chǎn)量因子。參考文獻(xiàn)［11］，廣西地區(qū)水資源產(chǎn)量因子取2.61。

均衡因子。由于不同類型的土地面積生態(tài)生產(chǎn)能力不同，需利用均衡因子將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為可比較的生態(tài)生產(chǎn)面積［12］。計(jì)算公式為：

式中：Qi為第i類水域類型的均衡因子；Vi為第i類水域類型的平均生態(tài)生產(chǎn)能力；V為全球范圍內(nèi)所有生物生產(chǎn)面積類型中的平均生態(tài)生產(chǎn)能力。根據(jù)世界水域均衡因子WWF-2002取值0.35［13］，水資源全球均衡因子取5.19［14］。

2.2 水生態(tài)足跡賬戶的分類

（1）在社會(huì)發(fā)展過程中，用于人類生產(chǎn)生活所消耗的淡水資源的占用程度［15］稱為淡水生態(tài)足跡，水資源量主要包括工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水和生活用水三部分，通常用水資源用地面積表示。計(jì)算公式如下：

式中：WEFfw為淡水生態(tài)足跡（hm2）；D為總?cè)丝?；weffw為人均淡水生態(tài)足跡（hm2/人）；PMa為人均水資源占地面積（hm2/人）；Cfw為淡水資源消耗總量（m3）；Pwr為全球水資源平均生產(chǎn)能力（m3/hm2），一般取3.14×103m3/hm2［16］。

（2）水產(chǎn)品生態(tài)足跡是指持續(xù)供給人類消耗的水產(chǎn)品在特定范圍內(nèi)所占的水域面積［17］，其表現(xiàn)人類對水域面積的占用情況。計(jì)算公式如下：

式中：WEFwc、wefwp、Q′i、PM′a、Zfc、Pwc分別表示水產(chǎn)品消耗生態(tài)足跡（hm2）、人均水產(chǎn)品消耗生態(tài)足跡（hm2/人）、全球水域均衡因子、人均水域面積（hm2/人）、水產(chǎn)品總消耗量（t）與全球水產(chǎn)品平均生產(chǎn)能力（t/hm2）。全球水產(chǎn)品平均生產(chǎn)能力根據(jù)Redefining Progress公布的成果取0.18 t/hm2［15］。

（3）當(dāng)水體受到污染時(shí)就會(huì)降低水體本身的凈化與生態(tài)功能，則需要從外界引入水來稀釋污染物濃度至標(biāo)準(zhǔn)濃度［18］，水污染生態(tài)足跡表現(xiàn)的是人類在生活生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的污水對水資源的需求程度，用水資源占地面積表示。計(jì)算公式如下：

式中：WEFwpf與wefwpf分別表示水污染生態(tài)足跡（hm2）和人均水污染生態(tài)足跡（hm2/人）；Awd為污染稀釋凈化需水量（m3）；

根據(jù)零維水質(zhì)模型［7，19］，污染稀釋凈化需水量計(jì)算公式如下：

式中：w為污染物年入河排放量（t/a）；Co為達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的第i種污染物濃度（mg/L）；根據(jù)《南寧市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》，南寧地區(qū)廢污水排放量中污染物COD的排放量為最大，故取COD為檢測污染物。Ⅲ類水中COD的目標(biāo)濃度標(biāo)準(zhǔn)為20 mg/L［20］；k為污染物綜合降解系數(shù)（1/d）；根據(jù)陳曉峰［21］對廣西各市重要河流水質(zhì)降解系數(shù)的研究，取0.2/d。COD入河排放量為工業(yè)廢水和生活污水總排放量乘以污染物入河系數(shù)，根據(jù)一般COD入河系數(shù)的取值范圍［22］，點(diǎn)源COD入河系數(shù)取0.8。

2.3 水生態(tài)承載能力水生態(tài)承載力表現(xiàn)的是自然水系統(tǒng)在某一時(shí)期內(nèi)，水資源量對滿足人類社會(huì)發(fā)展及自然生態(tài)健康所需要的供給能力［7］。目前，有兩種水資源開發(fā)利用率的取值，一種是采用傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型中的取值為0.88［7，15，23］，目的是為保障水域中其它物種的生態(tài)需水，在水域承載力計(jì)算時(shí)需扣除12%的生物多樣性保護(hù)面積；另一種應(yīng)用較多的取0.4［7，10，15，19，24］，當(dāng)國家或地區(qū)的水資源利用率超過了30%～40%，生態(tài)環(huán)境就會(huì)受到破壞，所以需扣除60%來維持生態(tài)環(huán)境與生物多樣性的需要，本文水資源開發(fā)率取0.4。計(jì)算公式如下：

式中：WCw、wcw、γwy、TQw分別為水資源承載能力（hm2）、人均水資源承載能力（hm2/人）、地區(qū)產(chǎn)量因子與地區(qū)水資源總量（m3）。

2.4 水生態(tài)赤字/盈余與萬元GDP水生態(tài)足跡區(qū)域所占用的水資源產(chǎn)生的水生態(tài)足跡與區(qū)域可提供的最大供給能力的差值表現(xiàn)為生態(tài)赤字與盈余［25］。前者說明該區(qū)域的水資源用量已超過了自然系統(tǒng)可提供的最大生態(tài)容量，城市水資源將出現(xiàn)不健康與不可持續(xù)的狀態(tài)。后者說明該地區(qū)的水生態(tài)容量可以滿足人類生活生產(chǎn)所需要的水資源量，可繼續(xù)維持經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

萬元GDP生態(tài)足跡為水生態(tài)足跡與萬元GDP的比值，體現(xiàn)城市發(fā)展中經(jīng)濟(jì)變化對水資源利用效率的高低。當(dāng)萬元GDP生態(tài)足跡的值較大時(shí)［24］，說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展所占用的水資源量較大，水資源利用率較低；反之亦然。為使在時(shí)間序列上真實(shí)有效的比較生產(chǎn)總值對水資源的利用效率，將GDP當(dāng)年價(jià)轉(zhuǎn)化為以2004年為基準(zhǔn)年的可比價(jià)。

3 結(jié)果與分析

以廣西南寧市為研究區(qū)域，采用上述方法對該區(qū)域水生態(tài)足跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。首先，分別計(jì)算南寧市的水生態(tài)足跡和水生態(tài)承載力，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行對比分析，得到南寧市水資源盈余狀況，進(jìn)而分析水生態(tài)足跡結(jié)構(gòu)，并對其萬元GDP和水資源生態(tài)足跡進(jìn)行分析，探究南寧市水資源的可持續(xù)性。

3.1 水生態(tài)足跡與水生態(tài)承載力分析圖1所示為南寧市水生態(tài)承載力與水生態(tài)足跡對比情況，由圖可知：南寧市人均水生態(tài)足跡一直小于人均承載能力，表明南寧市水資源隨時(shí)間變化均處于生態(tài)盈余狀態(tài)。水生態(tài)承載力整體變化呈波動(dòng)式，2004—2007年整體下降，到2008年人均承載力達(dá)最大值為3.57 hm2/人，隨后承載能力逐漸減弱，年降水量的變化與其有一定關(guān)系。南寧市人均水生態(tài)足跡變化較為穩(wěn)定，南寧市2004年水生態(tài)足跡為529.07萬hm2，2013年水生態(tài)足跡達(dá)到788.08萬hm2，增加了48.96%。人均水生態(tài)足跡從2004年的0.815 hm2/人增加到2013年的1.149 hm2/人。根據(jù)南寧市歷年的人口變化可知，南寧市總?cè)丝谥鹉暝黾樱瑥?004年648.8萬人增加到2013年的685.4萬人。人口數(shù)量的上升會(huì)增加水資源量的消耗，同時(shí)會(huì)影響水生態(tài)足跡的增大。

圖1 南寧市水生態(tài)承載力與水生態(tài)足跡對比

3.2 水生態(tài)足跡結(jié)構(gòu)分析圖2所示為南寧市水生態(tài)足跡水資源賬戶對比情況，由圖可知：人均水生態(tài)足跡中所占比例最大的為人均淡水資源生態(tài)足跡，所占比例歷年均超過人均總生態(tài)足跡的90%。整體變化較平緩，于2008年人均水資源生態(tài)足跡所占比例達(dá)到93.96%為最大值。但人均水產(chǎn)品生態(tài)足跡與人均水污染生態(tài)足跡與其相比所占比例甚小。人均水產(chǎn)品生態(tài)足跡變化范圍在4.4%～6.4%之間，而人均水污染所占比例最大僅為2.38%，并隨時(shí)間序列的變化而逐漸減弱。故南寧市應(yīng)加強(qiáng)對淡水資源的管理，提高其再生水的利用率，減少水資源的浪費(fèi)。

圖2 南寧市水生態(tài)足跡組成

3.3 萬元GDP與水資源生態(tài)足跡分析圖3所示為南寧市水資源生態(tài)足跡結(jié)構(gòu)對比情況，由圖可知：南寧市淡水資源分配中農(nóng)業(yè)灌溉用水量較工業(yè)用水與生活用水為最大，但水資源用量較為穩(wěn)定。2008年農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡達(dá)到417.51萬hm2，隨后逐漸減弱。人均工業(yè)用水與人均生活用水相差較小，但從2011年起人均工業(yè)用水量增加較迅速。人均生活用水從2004的0.089 hm2/人增加到2008年的0.102 hm2/人，整體呈緩慢增長趨勢。

圖3南寧市水資源生態(tài)足跡結(jié)構(gòu)對比

圖4 所示為南寧市萬元GDP水生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)變化情況，由圖可知：南寧市萬元GDP生態(tài)足跡整體呈減小趨勢，2010年以后變化趨勢較為平緩。從2004年的0.898 hm2/萬元下降到2013年的0.415 hm2/萬元，下降了53.79%，變化幅度較明顯，表明南寧市水資源利用率在不斷提高。

圖4 南寧市萬元GDP水生態(tài)足跡變化

4 結(jié)論

采用水生態(tài)足跡與生態(tài)承載能力模型對南寧市2004—2013年的水資源可持續(xù)性進(jìn)行分析得出以下結(jié)果：（1）南寧市近十年水資源利用均處于生態(tài)盈余狀態(tài)，且隨承載力的變化而變化。（2）萬元GDP生態(tài)足跡由2004年呈下降趨勢，表明水資源利用率隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷提高。（3）從整體來看，南寧市水生態(tài)足跡變化大致分為三個(gè)階段。從2004年到2008年為逐漸增長階段，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口的逐漸增長，促使水資源用量增加。從2008年到2009年，水生態(tài)問題的出現(xiàn)使人們對水資源用量進(jìn)行控制，水環(huán)境保護(hù)和水節(jié)約意識(shí)逐漸增強(qiáng)，水生態(tài)足跡下降。但從2009年起水生態(tài)足跡平穩(wěn)增長，這與經(jīng)濟(jì)建設(shè)與人口增長密切相關(guān)。

［1］William Rees.Ecological footprints and appropriated carrying capacity：What urban economics leave out?［J］. Environ Urban，1992，4（2）：121-130.

［2］William Rees，Mathis Wackernagel.Urban ecological footprint：Why cities cannot be sustainable-and why they are a key to sustainability［J］.Environ Impact Assess Rev，1996，16：223-248.

［3］Mathis Wackernagel，Larry onisto，Patricia Bello，et al.National natural capital accounting with the ecological footprint concept［J］.Ecological Economic，1999，29：375-390.

［4］Hoekstra，A.Y.Virtual water：An introduction［C］//Virtual Water Trade：Proceedings of the International Expert Meeting on Virtual Water Trade.Value of Water Research Report Series No.12.Delft.The Netherlands：IHE，2003：13-23.

［5］張義，張合平.基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的廣西水生態(tài)足跡分析［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，33（13）：4111-4124.

［6］洪輝.基于生態(tài)足跡法的西安市水資源生態(tài)足跡研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2007.

［7］林彤，廖福霖，羅棟燊.福建省水生態(tài)足跡時(shí)空分異［J］.亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，9（3）：82-88.

［8］李艷娟.濟(jì)南市水資源生態(tài)足跡計(jì)算與水環(huán)境壓力分析［D］.山東：山東師范大學(xué)，2010.

［9］孫芳玲.山東省水資源生態(tài)足跡研究［D］.山東：山東師范大學(xué)，2011.

［10］王儉，張朝星，于英譚，等.城市水資源生態(tài)足跡核算模型及應(yīng)用—以沈陽市為例［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，23（8）：2257-2262.

［11］張義，張合平，李豐生，等.基于改進(jìn)模型的廣西水資源生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)分析［J］.資源科學(xué)，2013，35（8）：1601-1610.

［12］吳志峰，胡永紅，李定強(qiáng)，等.城市水生態(tài)足跡變化分析與模擬［J］.資源科學(xué)，2006，28（5）：152-156.

［11］劉某承，李文華.基于凈初級生產(chǎn)力的中國生態(tài)足跡均衡因子測算［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2009，24（9）：1550-1559．

［12］范曉秋.水資源生態(tài)足跡研究與應(yīng)用［D］.南京：河海大學(xué)，2005.

［13］張義.基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的水生態(tài)足跡初步研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，2013，22（4）：502-508.

［14］張?jiān)?21世紀(jì)水危機(jī)與節(jié)水［J］.水利水電科學(xué)進(jìn)展，1997（2）：2-9.

［15］宋亞洲，韓寶平，朱國平，等.基于生態(tài)足跡的江蘇省漁業(yè)資源可持續(xù)利用評價(jià)［J］.水生態(tài)學(xué)雜志，2010，3（2）：17-22.

［16］李芬，孫然好，楊麗蓉，等.基于供需平衡的北京地區(qū)水生態(tài)服務(wù)功能評價(jià)［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21（5）：1146-1152.

［17］劉子剛，鄭瑜.基于生態(tài)足跡法的區(qū)域水生態(tài)承載力研究—以浙江省湖州市為例［J］.資源科學(xué)，2011，33（6）：1083-1088.

［18］國家環(huán)境保護(hù)總局.地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB 3828-2002［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［19］陳曉峰.廣西（區(qū)）典型區(qū)段納污能力計(jì)算及水質(zhì)可達(dá)性分析［D］.南京：河海大學(xué)，2009.

［20］謝曉敏.基于COD水環(huán)境容量的流域生態(tài)補(bǔ)償研究［D］.廣西：廣西大學(xué)，2013.

［21］洪輝，付娜.淺談水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的研究［J］.山西建筑，2007，33（30）：200-201.

［22］余盼，熊峰.安徽省水資源生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)分析：2005-2013［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：人文社會(huì)科學(xué)版，2015（1）：79-86.

［23］孫景章，王麗亞，魏瑞霞.唐山區(qū)域范圍內(nèi)的水生態(tài)足跡研究［J］.河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，33（1）：152-155.

Dynamic analysis of water ecological footprint in Nanning

LIU Jie1，CHU Junying2，XIE Jiancang1，HE Suming3
（1.College of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Xi’an University Of Technology，Xi’an710048，China；
2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China；
3.Guangxi Design Institute of Water resources and Electric Power Investigation，Nanning530023，China.)

The paper investigates the sustainability of the urban development and the natural water system，in terms of water resource supply and demand.The water ecological footprint and water ecological capacity models were established using the ecological footprint theory.The Nanning City of Guangxi was taken as an example to quantitatively analyze the water resource sustainability extent for the period of 2004-2013.The results are that：（1）the water resource for the past years in Nanning City is surplus；（2）the proportion of the freshwater resource ecological footprint is relatively larger，and it has close relationships with the population growth and economic development；（3）the continuous reduction of the GDP per ten thousand in?dicates that water resource utilization efficiency of Nanning City has continuously increased.The paper shows that the water resource in Nanning City is in accordance with the principle of the sustainable devel?opment.

water ecological footprint；water ecological carrying capacity；sustainability；Nanning

X22

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.05.012

1672-3031（2016）05-0386-06

（責(zé)任編輯：李福田）

2015-10-31

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51209170）；廣西水利科技項(xiàng)目（201503，201313，201506）；中國工程院重大咨詢項(xiàng)目（2016-ZD-08-03）；中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)（ZJ1224）

劉潔（1989-），女，河北邯鄲人，碩士生，主要從事水文學(xué)及水資源（區(qū)域經(jīng)濟(jì)與水資源管理）研究。

E-mail：liuj0920@126.com.cn

褚俊英（1976-），教授級高級工程師，主要從事水文學(xué)及水資源研究。E-mail：jchu@iwhr.com