基于生態(tài)足跡法的天津市水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)

陳琦瑩，黃磊，楊曉亮，王永獻(xiàn)

（海河水利委員會(huì)海河下游管理局，天津300061）

基于生態(tài)足跡法的天津市水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)

陳琦瑩，黃磊，楊曉亮，王永獻(xiàn)

（海河水利委員會(huì)海河下游管理局，天津300061）

基于生態(tài)足跡理論，通過(guò)理論分析，結(jié)合實(shí)證分析法、定性分析法與定量分析法，綜合使用動(dòng)態(tài)、靜態(tài)分析方式，建立天津市水資源可持續(xù)利用定量評(píng)估的水資源生態(tài)足跡模型，針對(duì)2009—2013年天津市數(shù)據(jù)，以時(shí)間序列為基準(zhǔn)做出定量分析和動(dòng)態(tài)分析；通過(guò)計(jì)算，探討天津市水資源可持續(xù)利用的情況，對(duì)天津市水資源可持續(xù)利用提供政策性意見。

生態(tài)足跡；水資源；評(píng)價(jià)；天津

黨的十八大以來(lái)，天津市的經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，人民生活質(zhì)量日益提高，在此基礎(chǔ)上區(qū)域間貿(mào)易量不斷擴(kuò)大，根據(jù)實(shí)物交換量，區(qū)域間虛擬水資源貿(mào)易量也相應(yīng)地越來(lái)越大，因此從水資源足跡角度對(duì)區(qū)域水資源可持續(xù)利用進(jìn)行預(yù)測(cè)是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。

1 研究背景及意義

提起天津，總不免想起“九河下梢天津衛(wèi)，三道浮橋兩道關(guān)”的古諺。然而，隨著天津市經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和海河上游興建的大量水利工程，海河入海水量相應(yīng)減少，且由于天津市的地質(zhì)特點(diǎn)，河水中含鹽量越來(lái)越大，海河漸漸地從其直接水源地的角色中淡出。此外，天津市“十年九旱”的氣候特點(diǎn)也使很多河流水庫(kù)漸漸干涸，隨著用水量的增加，地下水位逐年下降，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民的生活飲用水均受到了嚴(yán)重威脅。國(guó)務(wù)院1972—2008年36 a間累計(jì)向天津市調(diào)水10次之多，共引黃河水約59億m3，其中天津市收水36.6億m3。2009—2013年天津市引灤、引黃輸水共計(jì)33.01億m3。即便如此，天津市的淡水資源仍然極度缺乏。

2 生態(tài)足跡分析法

生態(tài)足跡分析法（Ecological Footprint Analysis，簡(jiǎn)稱EFA）的概念是加拿大經(jīng)濟(jì)學(xué)家William Rees于1992年首創(chuàng)的，后由其博士研究生Mathis Wack?ernagel等于1996年發(fā)展成為計(jì)算模型，并開始推廣應(yīng)用。該方法通過(guò)比較給定區(qū)域的生態(tài)承載力與估算出的人類所需的生物生產(chǎn)性土地面積來(lái)衡量區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，用以衡量人類對(duì)給定區(qū)域的自然資源利用程度以及評(píng)估自然環(huán)境給人類提供的生命支持程度。

隨著該方法在全球范圍內(nèi)推廣，其影響逐步擴(kuò)大，進(jìn)而在不同的社會(huì)領(lǐng)域、不同的地域空間尺度迅速展開了運(yùn)用，其計(jì)算模型和理論方法在急速地發(fā)展和完善。

3 天津市水資源生態(tài)足跡計(jì)算

3.1 天津市水資源生態(tài)足跡模型創(chuàng)建

根據(jù)生態(tài)足跡模型的創(chuàng)建原則，水資源生態(tài)足跡模型是將水資源消耗量換算為水資源用地面積（相應(yīng)的生態(tài)生產(chǎn)面積），并進(jìn)行均衡化（無(wú)量綱化），得到該地區(qū)的數(shù)值，進(jìn)而與世界范圍內(nèi)不同地區(qū)的數(shù)值進(jìn)行分析比較。

水資源生態(tài)足跡模型為：

式中：EFW為水資源總生態(tài)足跡（hm2）；N為人口數(shù)；efw為人均水資源生態(tài)足跡（hm2）；γw為水資源世界均衡因子；W為水資源消耗量（m3）；PW為世界平均水資源生產(chǎn)能力（m3/hm2）。

淡水生態(tài)足跡根據(jù)淡水的用途，包括生活用水生態(tài)足跡、生產(chǎn)用水生態(tài)足跡和生態(tài)用水生態(tài)足跡。其計(jì)算公式為：

式中：EFfrw為淡水總生態(tài)足跡（hm2）；effrw為人均淡水生態(tài)足跡（hm2）；aw為水全球均衡因子；aaj為人均水域面積（hm2）；Afrw為淡水總消費(fèi)量（m3）；其余變量含義同上。

3.2 水資源生態(tài)承載力及計(jì)算模型建立

承載力在生態(tài)學(xué)中的概念為“某種個(gè)體在某一特定環(huán)境條件下（主要指生存空間、陽(yáng)光、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等生態(tài)因子的組合），存在數(shù)量是有一個(gè)最高極限的”。在生態(tài)足跡理論中，主要用水資源利用所能承載的相應(yīng)生態(tài)生產(chǎn)面積來(lái)衡量水資源生態(tài)承載力。

在計(jì)算水資源承載力過(guò)程中，考慮到生態(tài)環(huán)境和生物多樣性的維護(hù)要求，須扣除計(jì)算值的60%。據(jù)研究，為了不引起生態(tài)環(huán)境惡化，一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的水資源開發(fā)利用率原則上不應(yīng)超過(guò)30%～40%[1]。

水資源生態(tài)承載力模型為：

式中：ECw為水資源生態(tài)承載力（hm2）；ecw為人均水資源生態(tài)承載力（hm2）；rw為區(qū)域水資源用地產(chǎn)量因子；Qw為水資源總量（m3）；其余變量含義同上。

3.3 水資源的生態(tài)盈余及生態(tài)赤字判斷

水資源的生態(tài)赤字、生態(tài)盈余在生態(tài)足跡的理論中，是通過(guò)對(duì)比水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力之間的關(guān)系，以衡量水資源可持續(xù)利用的主要指標(biāo)。其計(jì)算公式為：

式中：當(dāng)Erd＞0時(shí)，屬于水資源生態(tài)赤字狀態(tài)，代表該區(qū)域內(nèi)水資源供給不足，若試圖維持該區(qū)域發(fā)展，將犧牲該區(qū)域生態(tài)環(huán)境或通過(guò)區(qū)域外調(diào)入水資源方式進(jìn)行彌補(bǔ)；當(dāng)Erd＜0時(shí)，屬于水資源生態(tài)盈余狀態(tài)，意味著區(qū)域內(nèi)水資源利用處于可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)，當(dāng)前水資源量既可確保優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境，亦滿足區(qū)域進(jìn)一步發(fā)展的需要。

3.4 模型參數(shù)確定

3.4.1 水資源平均生產(chǎn)力

以水文學(xué)中常用的平均產(chǎn)水模數(shù)來(lái)表示水資源平均生產(chǎn)力，平均產(chǎn)水模數(shù)即單位面積內(nèi)的平均水資源量，其計(jì)算公式為：

式中：Pw為水資源的平均生產(chǎn)力，即平均產(chǎn)水模數(shù)（m3/hm2）；Qw為區(qū)域水資源總量（m3）；S為區(qū)域面積（hm2）。

2009—2013 年全國(guó)水資源總量為135 830億m3，5 a平均單位面積產(chǎn)水量為28.30萬(wàn)m3/hm2[2]。2009—2013年中國(guó)平均水資源生產(chǎn)力，見表1。

表1 2009—2013年中國(guó)平均水資源生產(chǎn)力

3.4.2 天津市水資源產(chǎn)量因子的確定

水資源生態(tài)足跡產(chǎn)量因子是指某一區(qū)域在特定年份中水資源平均生產(chǎn)力與世界平均同類土地的生產(chǎn)力的比，一般假定世界水資源產(chǎn)量因子為1。

中國(guó)范圍的產(chǎn)量因子計(jì)算公式為：

式中：γ為水資源產(chǎn)量因子；v為區(qū)域內(nèi)單位面積產(chǎn)水量（m3/hm2）；v0為全國(guó)單位面積產(chǎn)水量（m3/hm2）。

經(jīng)計(jì)算，以單位面積產(chǎn)水量確定的天津市水資源產(chǎn)量因子見表2。

表2 以單位面積產(chǎn)水量確定的天津水資源產(chǎn)量因子（設(shè)中國(guó)水資源產(chǎn)量因子為1.0）

從表2可以看到，天津市在全國(guó)的水資源產(chǎn)量因子為0.52，在此設(shè)全球水資源產(chǎn)量因子為1.0，計(jì)算出中國(guó)水資源產(chǎn)量因子為0.932。隨后，將天津市水資源產(chǎn)量因子換算為全球范圍內(nèi)的水資源產(chǎn)量因子。

區(qū)域在全球范圍內(nèi)水資源產(chǎn)量因子計(jì)算公式為：

式中：γw為全球范圍內(nèi)的水資源產(chǎn)量因子；γag為全球范圍內(nèi)國(guó)家的水資源產(chǎn)量因子；γwg為國(guó)家范圍內(nèi)區(qū)域的水資源產(chǎn)量因子。

經(jīng)計(jì)算，天津市在全球范圍內(nèi)的水資源產(chǎn)量因子為0.481 78。

3.4.3 均衡因子計(jì)算

選取范曉秋《水資源生態(tài)足跡研究與應(yīng)用》（2005年）[3]中以WWF2002均衡因子為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，得出水資源均衡因子5.19作為計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)值，以此構(gòu)建表現(xiàn)水域提供水產(chǎn)品能力的模型，進(jìn)而論證自然界、社會(huì)生產(chǎn)生活以及當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展中水資源的貢獻(xiàn)，同時(shí)符合對(duì)水資源用地表達(dá)的目的。水資源均衡因子，見表3。

表3 水資源均衡因子

4 天津市水資源可持續(xù)利用形勢(shì)分析

4.1 天津市水資源生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果

天津市水資源生態(tài)足跡在計(jì)算過(guò)程中根據(jù)我國(guó)用水分類體系，在水資源生態(tài)足跡中建立3個(gè)細(xì)分賬戶，分別是生產(chǎn)用水、生活用水和生態(tài)用水。根據(jù)表4中的2009—2013年間天津市水資源供給明細(xì)表和消耗明細(xì)表，經(jīng)計(jì)算得出天津市水資源生態(tài)足跡結(jié)果，其中表5為計(jì)算明細(xì)表。

表4 2009—2013年天津市水資源生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果

表5 天津市水資源生態(tài)足跡結(jié)果明細(xì)hm2/人

4.2 天津市水資源生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)分析

4.2.1 水資源生態(tài)足跡（需求）分析

圖1是2009—2013年間天津市人均水資源生態(tài)足跡年度軌跡線。

圖1 天津市人均水資源生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)變化

從圖1可以看到，天津市水資源生態(tài)足跡5 a數(shù)值在0.25～0.27波動(dòng)，雖然幅度很小，但總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。

圖2是天津市人均水資源足跡中生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水生態(tài)足跡各賬戶所占比重。

圖2 天津市人均水資源生態(tài)足跡各賬戶所占比例

由圖2可以看到，各賬戶所占比例常年穩(wěn)定在80%、15%和5%左右，較為穩(wěn)定。鑒于當(dāng)前全國(guó)環(huán)保形勢(shì)嚴(yán)峻和人民群眾對(duì)環(huán)境保護(hù)日益提高的需求，生態(tài)用水占比在未來(lái)必將繼續(xù)上升，而此缺口必將擠壓生產(chǎn)用水所占比重。根據(jù)我國(guó)在推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的各區(qū)域試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)用水普遍可以下降15%～20%，結(jié)合天津市實(shí)際情況，可以看出在提高生產(chǎn)用水利用率方面仍有較大的提升空間。

4.2.2 水資源生態(tài)承載力（供給）分析

從圖3可以看出，天津市水資源生態(tài)承載力數(shù)據(jù)波動(dòng)巨大，2009—2013年間數(shù)據(jù)變異指數(shù)為46.24%，年際間變化較大，極差為0.0334 hm2/人，相對(duì)極差高達(dá)1.277。這是因?yàn)樘旖虻靥幦A北平原東部、海河流域下游，主要受季風(fēng)環(huán)流的支配，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，自然降水量對(duì)地區(qū)水資源呈現(xiàn)主導(dǎo)地位。區(qū)域特性造成平均降水量的分布除年際變化很大外，年內(nèi)也呈現(xiàn)出明顯的周期性，使得水資源分布嚴(yán)重不均勻。這就是天津市地區(qū)的水文、氣象等自然條件對(duì)水資源承載力的影響。

圖3 天津市人均水資源生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)變化

4.2.3 水資源生態(tài)赤字（盈余）分析

按圖4對(duì)天津市水資源賬戶中數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，水資源生態(tài)赤字在2009—2013年間的各數(shù)據(jù)變異系數(shù)為5.51%，表明天津市水資源生態(tài)赤字?jǐn)?shù)值波動(dòng)較小，呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢(shì)。同一時(shí)期，水資源生態(tài)承載力的數(shù)據(jù)變異系數(shù)為46.24%，表明水資源生態(tài)承載力數(shù)值波動(dòng)較大，生態(tài)赤字的變化受水資源生態(tài)承載力的影響也較大。近10 a來(lái)水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的比值最低為2012年的1.70，而2010年該比值更是高達(dá)20.63，表明天津市的水資源生態(tài)赤字非周期性，呈現(xiàn)出差額較大和持續(xù)性的特點(diǎn)，水資源供給與需求呈現(xiàn)嚴(yán)重失衡狀態(tài)。為了緩解水資源短缺的發(fā)生和保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展，天津市必須通過(guò)供需兩條線來(lái)解決該問(wèn)題，即增加區(qū)域間調(diào)水供給并提高水資源利用率。

圖4 天津市水資源生態(tài)赤字動(dòng)態(tài)變化

5 天津市水資源可持續(xù)利用的建議

5.1 大力促進(jìn)科技發(fā)展

科技是第一生產(chǎn)力，當(dāng)前我國(guó)在農(nóng)業(yè)灌溉、輸水、水回收及再利用等實(shí)際工程領(lǐng)域以及建立水利用量量化標(biāo)準(zhǔn)、水處理技術(shù)、水資源管理監(jiān)控技術(shù)等理論技術(shù)領(lǐng)域，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距。天津市依照中央相關(guān)規(guī)劃部署，發(fā)布了《天津市建設(shè)節(jié)水型社會(huì)“十一五”規(guī)劃》，其中包含了打造節(jié)水型社會(huì)以及對(duì)節(jié)水用具的技術(shù)改造等要求及展望，同時(shí)通過(guò)中新天津生態(tài)城的節(jié)水、水資源利用生態(tài)技術(shù)的實(shí)施，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。未來(lái)為了更有效地進(jìn)行水資源管理、防治水資源污染，必須堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展道路，大力推進(jìn)科技進(jìn)步，利用先進(jìn)技術(shù)提高水資源利用效率并避免巨額浪費(fèi)。

5.2 調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

根據(jù)國(guó)際、國(guó)內(nèi)通行的經(jīng)驗(yàn)，不同的產(chǎn)業(yè)單位增加值對(duì)水資源的需求量有較大差異，第一產(chǎn)業(yè)對(duì)水資源消耗量最大、利用效率最低，第三產(chǎn)業(yè)對(duì)水資源利用率則最高。根據(jù)這一特性，為實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約、有效配置，可以制定相應(yīng)的政策法規(guī)進(jìn)行引導(dǎo)，調(diào)整天津市各產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中的比重，限制第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)中高耗水、高污染企業(yè)投資建設(shè)，推動(dòng)已投產(chǎn)企業(yè)的節(jié)水環(huán)保改造，發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)和旱作農(nóng)業(yè)[4]，加大對(duì)第三產(chǎn)業(yè)的扶持。如此，通過(guò)對(duì)高耗水企業(yè)的限制以及對(duì)節(jié)水型企業(yè)進(jìn)行稅收返還、環(huán)保補(bǔ)貼等經(jīng)濟(jì)性手段，促進(jìn)天津市整體經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)向節(jié)水型、環(huán)保型轉(zhuǎn)變。

5.3 提高水資源利用效率

目前，天津市在水資源短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)下，采取了利用再生水、海水資源淡化等多種方式，增加水資源的可利用量，但仍需引灤、引黃調(diào)水以解決燃眉之急，考慮用其它方式增加水資源可利用量迫在眉睫。

參考發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)，可以普遍采用推動(dòng)節(jié)水、集水型設(shè)施的方式來(lái)解決該問(wèn)題，即在推動(dòng)節(jié)水改造的同時(shí)，建設(shè)雨水收集回灌系統(tǒng)、海綿城市網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)透水性路面等設(shè)施，在雨季或汛期通過(guò)收集天然降水或洪水，形成“旱季節(jié)水、雨季增效”的理念，提高水資源利用效率，進(jìn)而減少對(duì)外界水資源的依賴。我國(guó)北京、西北部地區(qū)在這方面已有多年經(jīng)驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的效果。天津市年平均降水量在360～970 mm，折合水量為29億～140億m3，通過(guò)建設(shè)集水設(shè)施實(shí)現(xiàn)天然降水的收集，從而提升農(nóng)業(yè)灌溉、市政綠化以及環(huán)衛(wèi)用水等是非常適合的。

[1]Zhang Y.China‘s water resources and sustainable develop?ment[M].Nanning：Guangxi Science and Technology Publish?ing House，2000.

[2]重慶市水務(wù)局.2013年重慶市水資源公報(bào)[R].重慶：重慶市水務(wù)局，2013.

[3]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.

[4]張虹.天津市水資源需求管理研究[J].現(xiàn)代管理科學(xué)，2010（2）：104-106.

TV213.9

A

1004-7328（2017）06-0007-05

2017—09—06

陳琦瑩（1985—），女，工程師，主要從事水利工程管理和防汛工作。

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.06.002