廣東省水資源生態(tài)足跡的定量評價及其影響因素

陶倩君，郭程軒

(華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

隨著全球人口的急劇增長和工業(yè)的迅速發(fā)展，人類對水資源的需求急速增加，而水污染問題也日益嚴(yán)重，消耗著寶貴的淡水資源。廣東省位于熱帶、亞熱帶季風(fēng)區(qū)，境內(nèi)河網(wǎng)稠密，水資源較豐富。然而季風(fēng)氣候也造就了當(dāng)?shù)厮Y源的時空分布不均，使旱澇、臺風(fēng)等氣象災(zāi)害頻發(fā)。城市化快速推進更使廣東省水資源需求量和廢水排放量不斷增加，進一步加劇了水資源時空分布不均的狀況，使其面臨日益嚴(yán)峻的水資源問題[1]。

2002年Hoekstra等[2]在加拿大生態(tài)經(jīng)濟學(xué)家William Rees的研究基礎(chǔ)上提出了水資源生態(tài)足跡的概念，即用生產(chǎn)性土地面積來度量一個地區(qū)人口或經(jīng)濟規(guī)模的水資源消費污水吸收水平的賬戶工具，其改良了生態(tài)足跡模型中水資源賬戶的計算方法，為判斷水資源的生態(tài)生產(chǎn)面積是否處于該區(qū)域生態(tài)承載能力范圍內(nèi)提供了定量依據(jù)。近年來，針對水資源生態(tài)足跡的研究也引起了我國學(xué)者的關(guān)注，黃林楠等[3]在生態(tài)足跡模型的基礎(chǔ)上提出了水資源模塊，制定了均衡因子和產(chǎn)量因子的計算模型；譚秀娟等[4]運用ARIMA模型對我國水資源生態(tài)足跡變化趨勢進行深入研究；張義等[5]修改了水資源生態(tài)足跡的已有模型，首次把污水生態(tài)足跡添加到水資源生態(tài)足跡的計算中。

國內(nèi)在這個領(lǐng)域的研究主要集中在全國大尺度范圍或水資源較緊缺的省份[6-8]，對我國南方地區(qū)，尤其是總體水資源較豐富的東南部地區(qū)的研究較少。同時，由于數(shù)據(jù)的局限，國內(nèi)的研究大多忽視了水污染足跡的影響。本研究在計算2000—2014年廣東省水資源生態(tài)足跡的過程中較充分地考慮了水污染的影響，并通過相關(guān)性分析，找出影響廣東省水資源可持續(xù)利用的主要因素，以期為廣東省水資源的可持續(xù)利用提供參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與技術(shù)路線

數(shù)據(jù)主要來源于2000—2014年《廣東省水資源公報》《廣東省環(huán)境狀況公報》以及2001—2015年《廣東省統(tǒng)計年鑒》等相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

本文通過數(shù)據(jù)可視化對水資源生態(tài)足跡、水資源生態(tài)盈虧和萬元GDP水資源生態(tài)足跡進行歷年動態(tài)變化分析，并借助地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS對廣東省21個地級市的計算結(jié)果進行空間分析；結(jié)合廣東省經(jīng)濟、人口、各賬戶用水量等因素，對影響水資源生態(tài)足跡的因素進行相關(guān)分析，得出影響廣東省水資源可持續(xù)利用的主要因素，據(jù)此提出廣東省水資源實現(xiàn)可持續(xù)利用的建議。技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線

1.2 相關(guān)參數(shù)

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(平均產(chǎn)水模數(shù))除以世界水資源生產(chǎn)能力 (3 140 m3/hm2)[3]。根據(jù)近15年廣東各個地級市平均產(chǎn)水模數(shù)求得廣東各個地級市的產(chǎn)量因子(表1)。參考黃林楠等[3]的研究選取漁業(yè)的均衡因子為0.35，水資源的均衡因子為5.19。

表1 廣東各地級市產(chǎn)量因子

1.3 水資源生態(tài)足跡模型

根據(jù)水資源消費的不同，把水資源生態(tài)足跡分為以下賬戶：漁業(yè)生態(tài)足跡、淡水生態(tài)足跡和水污染生態(tài)足跡，其中，淡水生態(tài)足跡包括生活用水、生產(chǎn)用水和其他用水。本研究針對水污染足跡選取具數(shù)據(jù)較齊全且科學(xué)性較高的氨氮和有機物作為特征指標(biāo)，并以其中的最大污染足跡作為最終的水污染生態(tài)足跡[5]。水資源生態(tài)足跡計算公式為

EFW=EFfiw+EFfrw+EFWP

(1)

(2)

(3)

EFWP=max(EFNP,EFCODP)

(4)

其中：

式中：EFW、EFfiw、EFfrw、EFWP、EFNP和EFCODP分別為水資源生態(tài)足跡、漁業(yè)生態(tài)足跡、淡水生態(tài)足跡、水污染生態(tài)足跡、氨氮污染足跡和有機物污染足跡，hm2；Afiw、Afrw、CN和CCOD分別為水產(chǎn)品總消費量、淡水總消費量、氨氮污染物量和有機物污染物量，t；aw為均衡因子；Pfiw為全球水產(chǎn)品平均生產(chǎn)能力，t/hm2；Pw為全球水資源平均生產(chǎn)能力，m3/hm2；PN為全球消納氨氮污染的平均能力，hm2/人；PCOD為全球消納有機物污染的平均能力，hm2/人。根據(jù)《中國主要農(nóng)產(chǎn)品全球平均產(chǎn)量的更新計算》，取Pfiw為1.5 t/hm2，參考文獻[5]取PN為0.003 145 hm2/人，PCOD為0.062 893 hm2/人。

1.4 水資源生態(tài)盈余或赤字

將一個地區(qū)的水資源消耗產(chǎn)生的生態(tài)足跡和所擁有的水資源生態(tài)承載力相比較，就會產(chǎn)生水資源生態(tài)赤字和水資源生態(tài)盈余。同時，一個國家和地區(qū)的水資源承載力中至少扣除60%用于維持生態(tài)環(huán)境[3]，可得水資源生態(tài)盈余的公式為

Erd=EFW-ECW

(5)

其中：

式中：Erd和ECW分別為水資源生態(tài)盈余和水資源生態(tài)承載力，hm2；γ為水資源均衡因子；ψ為水資源產(chǎn)量因子；Q為水資源總量，m3。當(dāng)Erd大于0時，為水資源生態(tài)赤字；當(dāng)Erd等于0時，為水資源生態(tài)平衡；當(dāng)Erd小于0時，為水資源生態(tài)盈余。

1.5 萬元GDP水資源生態(tài)足跡

萬元GDP水資源生態(tài)足跡是指研究區(qū)域內(nèi)水資源生態(tài)足跡與GDP的比值，是用來衡量水資源的利用效率的指標(biāo)，數(shù)值越大說明水資源的利用率越低，數(shù)值越小，則說明水資源利用率越高。計算公式為

(6)

式中：EFGDP為萬元GDP水資源生態(tài)足跡，hm2/萬元；WGDP為研究區(qū)域GDP值，萬元。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣東省歷年水資源生態(tài)足跡的變化

圖2為2000—2014年廣東省人均水資源生態(tài)足跡變化情況，從圖2可知，近15年間廣東水資源生態(tài)足跡的總量呈現(xiàn)上升趨勢，在2010—2011年水資源生態(tài)足跡的增長尤為明顯。從水資源生態(tài)足跡組成比例中可見，漁業(yè)生態(tài)足跡和淡水生態(tài)足跡對總量的貢獻率較小，其中，工業(yè)用水量和生活用水量在2011—2014年均持續(xù)下降(表2)，可見2011以來廣東省在生產(chǎn)和生活上的水資源利用率在不斷提高，節(jié)水意識也在不斷增強。而水污染生態(tài)足跡對總量的貢獻率較大，水污染生態(tài)足跡的變化趨勢和水資源生態(tài)足跡非常相似。在2010—2011年，水污染生態(tài)足跡出現(xiàn)爆炸式增長，增長量為36.91 hm2/人，增長率達到97.9%。而在2011年后的3年中，水污染足跡則出現(xiàn)了輕微的下降趨勢，這與廣東省相關(guān)環(huán)境保護部門意識到緩解大量污染物排放量的需要提高廢水的處理率有關(guān)，但根據(jù)2014年的數(shù)據(jù)顯示，即便如此，水污染足跡仍居較高水平。

圖2 2000—2014年廣東省人均水資源生態(tài)足跡變化

表2 2000—2014年廣東省人均淡水資源生態(tài)足跡組成 hm2

圖3 2000—2014年廣東省萬元GDP水資源生態(tài)足跡變化

在水資源的利用效率上，2000—2014年廣東省萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(圖3)，這說明15年間廣東省經(jīng)濟的發(fā)展并非以大規(guī)模消耗水資源和犧牲環(huán)境為代價的粗放型經(jīng)濟增長模式，相反，廣東省水資源利用率、廢水處理率都逐漸提高?？梢姡瑥V東省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整促進了經(jīng)濟發(fā)展之余，也帶來了相應(yīng)的環(huán)境效益。但面對日益增加的水資源生態(tài)足跡，節(jié)水意識和廢水排放量的有效控制仍需不斷增強。

2.2 廣東省各市水資源生態(tài)足跡的空間差異

從水資源生態(tài)足跡的空間分布來看，近年來珠江三角洲的水資源生態(tài)足跡最大，其次是粵北和粵西地區(qū)，水資源生態(tài)足跡最小的是粵東地區(qū)。圖4為廣東省人均水資源生態(tài)足跡的空間分布。從圖4可見，水資源生態(tài)足跡從珠三角地區(qū)分別向北、東、西3個方向逐級遞減，呈現(xiàn)出以珠江三角洲為核心的中間高，四周低的半環(huán)狀分布?？梢?，珠江三角洲地區(qū)在經(jīng)濟發(fā)展和城市化加速發(fā)展的過程中，工業(yè)用水、城鎮(zhèn)用水、城鎮(zhèn)公共用水和廢水的排放量較大。除珠三角地區(qū)外，韶關(guān)的水資源生態(tài)足跡也較高，這是因為韶關(guān)作為廣東的重工業(yè)城市，工業(yè)用水量和工業(yè)廢水的排放量都較大。而粵西、粵東地區(qū)雖然農(nóng)業(yè)用水量較高，但由于其在水資源生態(tài)足跡中所占的比例較小，因此人均水資源生態(tài)足跡僅處于全省的中低等水平。

圖4 廣東省人均水資源生態(tài)足跡空間分布

圖5 廣東省人均水資源生態(tài)承載力空間分布

圖5為廣東省人均水資源生態(tài)承載力的空間分布，粵北地區(qū)最大，其次是粵東地區(qū)，而粵西地區(qū)較小，珠三角地區(qū)最小。這是因為粵北地區(qū)人口較其他地區(qū)少，而年降水量較豐富，山區(qū)的植被覆蓋量高，且中小型水庫較多，涵水、蓄水條件都較好?；洊|、粵東北地區(qū)擁有東江、梅江、韓江等河流，且擁有新豐江水庫和楓樹壩水庫，水資源總量較大，但由于粵東地區(qū)人口數(shù)量的限制，人均水資源生態(tài)承載力僅處于中等水平?；浳鞯貐^(qū)雖然年降水量較大，且地下水資源豐富，但其流域面積小，河流短淺，水源攔蓄條件較差，因此水資源生態(tài)承載力只處在中等偏下水平。珠三角地區(qū)的城市化建設(shè)導(dǎo)致下墊面滲水性能普遍降低，下墊面涵養(yǎng)水資源的能力明顯低于其他植被覆蓋率較高的中小城市，同時，珠三角地區(qū)的人口較其他地區(qū)多，造成人均水資源生態(tài)承載力最低。

在水資源生態(tài)盈虧方面，盡管近15年來廣東水資源每年均處于生態(tài)盈余狀態(tài)，但廣東省各市水資源可持續(xù)利用狀況并不樂觀。水資源分布和需求不匹配，水資源利用狀況存在很大空間差異(圖6)，呈現(xiàn)水資源生態(tài)赤字的城市包括：東莞市、佛山市、廣州市、深圳市、中山市、汕頭市，均屬于珠三角地區(qū)，最大的生態(tài)赤字達到-3.1hm2/人，而粵北地區(qū)則出現(xiàn)顯著的水資源生態(tài)盈余，最大值達22.1hm2/人。

圖6 廣東省人均水資源生態(tài)盈余/赤字空間分布

表3為廣東省部分地級市近年水資源生態(tài)盈余/赤字隨時間變化情況。從表3可知，廣州、深圳、佛山、東莞在近15年來水資源均處于生態(tài)赤字狀態(tài)，中山市和珠海市則分別從2003年和2011年開始，由水資源生態(tài)盈余轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)赤字，且赤字狀況在2011年大幅度加深。中山市僅在2008—2011年，生態(tài)赤字則增加了接近6倍。可見，由于珠三角地區(qū)經(jīng)濟較發(fā)達，人口數(shù)量大，工農(nóng)業(yè)用水和廢水的排放量都較大，但其水資源生態(tài)承載力卻不高，常常出現(xiàn)用水緊張。而可喜的是，2014年以來，珠三角多市的生態(tài)赤字有所減小，這說明近兩年人們逐漸意識到經(jīng)濟飛速發(fā)展對環(huán)境的負(fù)面影響，也加大了對水資源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注度。

表3 廣東省部分地級市近年水資源生態(tài)盈余或赤字變化情況 hm2/人

圖7為廣東省萬元GDP水資源生態(tài)足跡空間分布。由圖7可見，珠三角對水資源的利用效率較高，而粵北、粵東北地區(qū)對水資源的利用效率較低。但恰恰粵北、粵東北地區(qū)的水資源生態(tài)承載力則較珠三角地區(qū)大得多。因此，兩個地區(qū)應(yīng)該進一步發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)區(qū)域之間資源和技術(shù)的互補。在合理開發(fā)的情況下，實現(xiàn)自北向南的水資源的空間調(diào)配，緩解珠三角地區(qū)的用水緊張，同時，借助珠三角的技術(shù)和資金的支持，完善粵北、粵東北地區(qū)的水利工程建設(shè)，提高水資源利用效率，從而更好地實現(xiàn)區(qū)域間水資源的可持續(xù)發(fā)展。

圖7 廣東省萬元GDP水資源生態(tài)足跡空間分布

2.3 廣東省水資源生態(tài)足跡的影響因素

根據(jù)廣東省水資源利用現(xiàn)狀，參照水資源評價指標(biāo)體系選取的相關(guān)原則及標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)《廣東省水資源公報》《廣東省統(tǒng)計年鑒》[6-7]等相關(guān)資料，選取了14個指標(biāo)，并與因變量廣東省人均水資源生態(tài)足跡做相關(guān)分析，結(jié)果按照相關(guān)系數(shù)從大到小排列見表4。

由表4可以看出，在14個指標(biāo)中，城鎮(zhèn)生活污水、人均GDP、工業(yè)廢水3個指標(biāo)與人均水資源生態(tài)足跡的相關(guān)系數(shù)最高，是影響廣東省人均水資源生態(tài)足跡的最主要因素。可見，隨著廣東省經(jīng)濟和城市化的快速發(fā)展，水污染問題已經(jīng)成為影響廣東省水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵因素。據(jù)統(tǒng)計，目前廣州市郊依然存在很多小型造紙、印染、服裝染料、制革、農(nóng)藥等嚴(yán)重污染水環(huán)境的企業(yè)，其清潔化生產(chǎn)的意識較低，對水污染的貢獻度較高。萬元GDP用水量、萬元農(nóng)業(yè)增加值用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)業(yè)用水量與人均水資源生態(tài)足跡的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，且數(shù)值接近-1，這說明這4個指標(biāo)與人均水資源生態(tài)足跡呈顯著負(fù)相關(guān)。這4個指標(biāo)的逐漸減少表明了廣東經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型升級，一些高耗水、低產(chǎn)值企業(yè)在結(jié)構(gòu)調(diào)整中遭淘汰，加上新技術(shù)的進步和節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，致使各種工農(nóng)業(yè)、企業(yè)的用水效率不斷提高。然而，多年來水資源生態(tài)足跡的上升趨勢說明，用水效率的提高依然跟不上需水量和污水排放量暴增的步伐。

表4 廣東省各指標(biāo)與人均水資源生態(tài)足跡的相關(guān)系數(shù)

注：**表示達到0.01顯著性水平；*表示達到0.05顯著性水平。

3 結(jié) 論

a. 2000—2014年隨著經(jīng)濟和城市化的快速發(fā)展，廣東省水資源生態(tài)足跡呈上升趨勢；15年來全省水資源都為生態(tài)盈余，但由于水資源的開發(fā)量和排污量的增加，水資源的盈余值也在近年波動下降。

b. 在空間上，水資源生態(tài)足跡從珠三角地區(qū)分別向北、東、西3個方向逐級遞減，呈現(xiàn)出以珠江三角洲為核心的中間高，四周低的半環(huán)狀分布。此外，從珠三角和粵北、粵東北地區(qū)的水資源承載力與水資源的利用效率不匹配的情況看來，珠三角和粵北、粵東地區(qū)應(yīng)該進一步發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)區(qū)域之間資源和技術(shù)的互補。在水資源生態(tài)盈余/赤字方面，粵北地區(qū)生態(tài)盈余值最大，而珠三角地區(qū)已有東莞、佛山、廣州、深圳、中山、汕頭、珠海7市多年出現(xiàn)水資源生態(tài)赤字，水資源利用呈現(xiàn)不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

c. 在結(jié)構(gòu)上，水污染足跡占水資源生態(tài)足跡的比例最大，且增長速度最快。同時，相關(guān)性分析結(jié)果也顯示，城鎮(zhèn)生活污水、人均GDP、工業(yè)廢水是影響廣東省水資源生態(tài)足跡的最主要因素。

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