基于三維生態(tài)足跡模型的唐山市水資源承載力研究

張媛媛

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061001）

0 引言

作為一種基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性可再生資源，水資源的可持續(xù)供給對地球生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)與人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展至關(guān)重要。水資源承載力評(píng)價(jià)是對水資源的自然屬性和社會(huì)屬性綜合質(zhì)量的評(píng)估，其社會(huì)屬性即為人類生產(chǎn)生活、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供支撐、服務(wù)能力，自然屬性則以水資源的數(shù)量、質(zhì)量為基本特征，并且水資源在受到景觀退化、人為破壞等影響下自行恢復(fù)、調(diào)節(jié)的能力。當(dāng)前關(guān)于水資源與人的關(guān)系闡釋較多，但三維生態(tài)足跡模型對于水資源資源狀態(tài)、承載壓力、人地結(jié)構(gòu)性的描述較為全面、客觀，能夠很好地表征人地之間的能動(dòng)關(guān)系[1]。生態(tài)足跡（Ecological footprint,EF）是生態(tài)學(xué)家Rees[2]提出來的用以衡量資源供需、廢物消納的新方法，Wackernagel 等[3]發(fā)展了這一理論并應(yīng)用于測算人類對資源的利用程度和自然資源的供給量，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可。本文以唐山市為案例區(qū)，簡述三維生態(tài)足跡模型應(yīng)用流程，旨在厘清水資源資源對區(qū)域發(fā)展的限制問題、人類活動(dòng)對水資源壓力的影響機(jī)制，從而為唐山市水資源規(guī)劃、科學(xué)利用、環(huán)境保護(hù)提供實(shí)踐依據(jù)和決策參考。

1 三維生態(tài)足跡模型

1.1 傳統(tǒng)三維生態(tài)足跡模型

三維生態(tài)足跡模型是以生態(tài)足跡理論為基礎(chǔ)的，Wackernagel 在一維生態(tài)模型的基礎(chǔ)上加入了生態(tài)盈余和赤字概念，由一維模型發(fā)展至二維模型，表達(dá)公式如下[4]：

式中：EF 為區(qū)域總的生態(tài)足跡，N 為總?cè)丝跀?shù)，i 為消耗的水資源類型，ai則表示人均消耗的第i 種水資源總量，ci為第i 種資源的人均消費(fèi)量，pi則描述為第i 種消費(fèi)資源的全球平均生產(chǎn)能力。ED 表示區(qū)域生態(tài)赤字，BC 為區(qū)域所能提供的生態(tài)生產(chǎn)性水資源總量，生態(tài)盈余則用ER 指代。

Niccolucci 等[2]在此基礎(chǔ)上賦予其足跡深度、足跡廣度兩項(xiàng)指標(biāo)概念，前者為生態(tài)足跡與生態(tài)生產(chǎn)資源之比，其值越大，表明生態(tài)過載、負(fù)荷過重，反之說明生態(tài)承載壓力較??；后者為資源流量使用情況，若生態(tài)生產(chǎn)性水資源大于生態(tài)足跡，說明足跡廣度與生態(tài)足跡值相等。根據(jù)區(qū)域水資源承載演變過程，三者之間存在如下關(guān)系：

式中：參數(shù)EFdepth表示為足跡深度，EFsize則表示為足跡廣度[5]。

1.2 改進(jìn)三維生態(tài)足跡模型擴(kuò)展

傳統(tǒng)三維生態(tài)足跡模型中對水資源承載力的判定為人類對水資源的消費(fèi)與水資源資源供給、支撐、服務(wù)能力的判定，其基于生態(tài)赤字、生態(tài)盈余量值的大小，判別區(qū)域水資源是否透支。三維生態(tài)足跡模型中的足跡深度、足跡廣度等概念可以更好地表征區(qū)域人類對自然資源的消費(fèi)和自然資源存量的情況。擴(kuò)展后的三維生態(tài)足跡模型如下[6]：

由此將生態(tài)足跡深度值由1，擴(kuò)展為0。若EFdepth的值在介于0～1 時(shí)，則有：

式中：對象M 的足跡深度表示為EFdepthM,其生態(tài)足跡大小則表示為EFM。0≤EFdepth＜1 時(shí),水資源存在結(jié)余,水生態(tài)足跡處于盈余狀態(tài), 此時(shí)足跡深度表示人類的生產(chǎn)對水資源的使用情況，計(jì)算如下[6]:

式中：關(guān)于對象M 的生態(tài)盈余則表示為，ERM,當(dāng)EFdepth為1 時(shí)，則有如下：

此時(shí)水資源總量與人類消費(fèi)水資源量相等，即表明處于臨界狀態(tài)，生態(tài)赤字與盈余均不存在。而當(dāng)EFdepth 的值大于1時(shí)，則有：

式中：當(dāng)EFdepth的值大于1 時(shí)，人類消費(fèi)索取生態(tài)生產(chǎn)功能性存量資源，亦即此時(shí)的足跡深度可以用來度量資源存量狀態(tài)或?qū)Υ媪抠Y源的使用率。則生態(tài)赤字計(jì)算公式如下[6]：

1.3 水資源壓力指數(shù)構(gòu)建

水資源壓力表示區(qū)域內(nèi)各種用水總數(shù)量，其計(jì)算公式如下[6]：

式中：N 表示區(qū)域人口總數(shù)量，Wa 表示一定區(qū)域內(nèi)居民對水資源的平均年需求量，一個(gè)區(qū)域內(nèi)的水資源總的壓力大小則用Wp 表示。衡量區(qū)域水資源資源和水環(huán)境質(zhì)量，可用水資源供給能力表示。一定區(qū)域內(nèi)的區(qū)域內(nèi)水資源壓力指數(shù)，相關(guān)學(xué)者給出農(nóng)產(chǎn)品壓力指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，如下：

式中：水資源壓力指數(shù)表示為Iwater，其值越大，表明區(qū)域水資源承載的水資源壓力越大，而EFwater和BCwater則分別表示區(qū)域內(nèi)的水資源的生態(tài)足跡大小與區(qū)域內(nèi)水資源總數(shù)目。

2 案例分析

2.1 唐山市概況

唐山是我國工業(yè)重鎮(zhèn)，位于華北平原東北部渤海北岸，西接京津、北靠燕山，區(qū)域面積達(dá)13.472 km2。該市屬燕山地臺(tái)向前海低地延伸區(qū)，東北為燕山余脈、南部是海河沖擊平原，高程介于0 m～843 m，地形分異明顯。唐山位于東亞溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥、夏季炎熱多雨，四季分明，年平均氣溫12.5℃，區(qū)域降水量介于500 mm～700 mm，日照時(shí)數(shù)2212 h。河流發(fā)源于山地，流程短、流量小，有明顯豐枯季，有春汛和夏汛，地表徑流量達(dá)14.62 億m3，屬渤海水系。用地類型以林草地、耕地、建設(shè)用地為主，典型植被為溫帶落葉闊葉林和針葉林。唐山市常年水資源總量為26.27 億m3，人均占有量僅為385 m3，低于警戒線400 m3的水平，屬于我國嚴(yán)重缺水城市。近年來隨著重化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人口聚集，城市用水量迅速增加，然而區(qū)域水源供應(yīng)不足、水污染問題尾大不掉，為民生安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來隱患。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究中指標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》(2001年～2016 年)、《河北統(tǒng)計(jì)年鑒》(2001 年～2016 年)、《唐山統(tǒng)計(jì)年鑒》(2001 年～2016 年)，研究時(shí)域?yàn)?000 年～2015 年。指標(biāo)中主要包含水資源總量、水資源消費(fèi)總量、工業(yè)用水總量、農(nóng)業(yè)用水總量、生產(chǎn)生活用水總量等直接統(tǒng)計(jì)指標(biāo)數(shù)值。在Excel 2016 軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、指數(shù)計(jì)算。

3 唐山市水資源承載力分析

3.1 唐山市水資源生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)分析

通常在統(tǒng)計(jì)區(qū)域生態(tài)生產(chǎn)性資源量時(shí)需要預(yù)留部分水資源，用以保護(hù)區(qū)域生物多樣性，根據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)的建議，扣除12%的水資源量。基于前述研究方法，得到2000 年～2015 年唐山市生態(tài)足跡變化趨勢，結(jié)果如圖1、2。

2001 年～2015 年唐山農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡從整體呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，其最高值為2015 年的1.659 hm2/ 人，最低值出現(xiàn)在2001 年，僅為1.383 hm2/人，15 年來其平均值為1.537 hm2/ 人，其線性變化趨勢為(y=0.0166x-31.891,R2=0.9639)，在0.05 水平上顯著。結(jié)合唐山市人均農(nóng)業(yè)生態(tài)生產(chǎn)性水資源(見圖2)，可知其最大值為2003 年的0.346 hm2/人，最小值為2015 年的0.278 hm2/人，平均值為0.317 hm2/ 人，其變化趨勢為(y=-0.0052x+10.779，R2=0.9428)，說明唐山市人均生態(tài)生產(chǎn)性農(nóng)業(yè)水資源量逐漸減少，并且其缺口逐漸增大，反映了區(qū)域水資源承載超過水資源生態(tài)負(fù)荷。

生活用水的生態(tài)足跡最高值為2015 年的0.375 hm2/人，最低值為2001 年，僅為0.313 hm2/人，其平均值為0.351 hm2/人，其線性趨勢為(y=0.0037x-7.1092，R2=0.9014)。而唐山市人均生活用水的生態(tài)生產(chǎn)性水資源量在近15 年間平均值為0.0469 hm2/人，其變化趨勢為(y=-0.0007x+1.4983，R2=0.991),在0.05 水平上通過信度檢驗(yàn)；表明該市生活用水消費(fèi)力度遠(yuǎn)大于資源產(chǎn)出。

其他用水的生態(tài)足跡從整體呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，其最高值為2015 年的0.178 hm2/人，最低值出現(xiàn)在2001 年，僅為0.145 hm2/人，15 年來其平均值為0.158 hm2/人，其線性變化趨勢為(y=0.0017x-3.1867，R2=0.8427)。另外，唐山市人均生態(tài)生產(chǎn)其他水資源近15 年期間其最大值為2003 年的0.0642 hm2/人，最小值為2015 年的0.0402 hm2/人，平均值為0.0509 hm2/人，其變化趨勢為(y=-0.0007x+1.4983，R2=0.991),在0.05 水平上通過信度檢驗(yàn)。

圖1 2001年～2015 年唐山市水資源承載力生態(tài)足跡

圖2 2001年～2015 年唐山市生產(chǎn)線水資源承足跡

從工業(yè)用水來看，其生態(tài)足跡亦呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(y=0.0056x-10.382，R2=0.8888)；與此同時(shí)，其人均生態(tài)生產(chǎn)性水資源成減少趨勢(y=-0.0019x+4.0513，R2=0.9231),均在0.05 水平上通過信度檢驗(yàn)。

3.2 唐山市水資源足跡深度動(dòng)態(tài)分析

2001 年～2015 年來唐山市水資源承載力足跡深度變化趨勢見圖3?？芍?5 年來唐山市各種資源類型的水資源承載力足跡深度存在差異，其中以耕林地的足跡深度最大，減少資源最小。

區(qū)域工業(yè)業(yè)用水綜合足跡深度最小值為5.279 hm2/人，最大值為7.070 hm2/人，平均值為6.222 hm2/人，這表明唐山市農(nóng)業(yè)用水資源流量少于人類消耗的資源量，即水資源資源亦即不能承載或?yàn)閰^(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)提供充足保障，其一年所消耗的自然資源存量相當(dāng)于唐山市水資源量全球平均生物生產(chǎn)空間5 年～7 年的積累量。

唐山生活用水、農(nóng)業(yè)足跡深度分別介于2.277 hm2～2.794 hm2/人和14.665～22.070 hm2/人hm2/人之間。農(nóng)業(yè)用水是唐山水資源消費(fèi)的主要資源類型，研究顯示，近15 年來唐山市耕地的足跡深度值最大值、最小值分別為5.636 hm2/人和6.75 hm2/人，表明農(nóng)業(yè)用水對區(qū)域水資源生態(tài)足跡具有重要影響。

從其他用水來看，其生態(tài)足跡深度最大值為2015 年的3.339 hm2/人，最小值為2001 年的2.292 hm2/人，平均值為2.909hm2/ 人，表明其他用水對區(qū)域水資源足跡深度影響較小。

圖3 唐山市水資源承載力足跡深度變化趨勢

3.3 唐山市生態(tài)盈余與赤字動(dòng)態(tài)分析

基于前述的三維生態(tài)足跡模型，核算了2001 年～2015年唐山市不同用水類型水資源的生態(tài)盈余與生態(tài)赤字，見圖4?？芍?5 年來唐山市農(nóng)業(yè)水資源承載力不存在生態(tài)盈余，常年處于生態(tài)赤字狀態(tài)，處于-0.193 hm2/人和-0.291 hm2/人之間，平均值為-0.242 hm2/ 人，變化趨勢為(y=-0.007x+13.873,R2=0.9927)。生活用水的生態(tài)赤字由最初的-0.149 hm2/人波動(dòng)變化至-0.2005 hm2/ 人，相應(yīng)地其變化趨勢為y=-0.0026x+5.0754，R2=0.8427，并且達(dá)到顯著水平。其工業(yè)用水也呈現(xiàn)生態(tài)赤字，由2001 年的-0.0477 變化至2015 hm2/人年的-0.0550 hm2/人，其平均值為-0.053 hm2/人，線性演變趨勢為y=-0.0005x+0.9143，R2=0.7747，并且其變化趨勢顯著。研究時(shí)域內(nèi)唐山市化石燃料資源承載力的生態(tài)赤字由2001年代-0.3565 hm2/人起伏變化至2015 年的-0.3226 hm2/人，其平均值達(dá)到-0.211 hm2/ 人，其變化趨勢為y=0.0203x-41.054，R2=0.2722，通過了5%水平的信度檢驗(yàn)。唐山市其他用水類型生態(tài)赤字由2001 年的-0.5439 hm2/人波動(dòng)演變至2015 年的-0.6496 hm2/人，期間其平均值為-0.610 人hm2/人，其線性變化特征為y=0.5335x-1052.9，R2=0.9927。

圖4 2001年～2015 年唐山市水資源生態(tài)赤字變化趨勢

3.4 唐山市水資源承載力指數(shù)動(dòng)態(tài)分析

依據(jù)前述指數(shù)構(gòu)建的方法，得到2001 年～2015 年唐山市水資源壓力指數(shù)。其最小值出現(xiàn)在2001 年的5.115，最大值為2015 年的5.804，總體呈線性升高趨勢，以的y=0.0423x-79.469，R2=0.8888 形式變化，并且通過0.05 水平的信度檢驗(yàn)，表明該變化趨勢顯著。從水資源壓力指數(shù)大小來看，可知唐山市對水資源的消費(fèi)已經(jīng)超出水資源供給能力的5～7 倍，這是由于區(qū)域水資源稟賦和人口總數(shù)決定，唐山市地處我國半干旱半濕潤區(qū)，降水和地表徑流豐富，但水資源利用率和有效徑流均較少，加之龐大的人口基數(shù)勢必增加了用水需求，從而對區(qū)域水資源造成巨大壓力。

4 結(jié)論

生態(tài)盈余表征水資源存量，其意指能夠滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求外存在的盈余，生態(tài)赤字則反之。通過生態(tài)盈余和生態(tài)赤字能夠直觀顯示區(qū)域人類對水資源的消費(fèi)需求是否超出了資源承載能力。本研究核算了2001 年～2015 年唐山市農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和其他用水的水資源承載力，綜合結(jié)果表明區(qū)域水生態(tài)赤子較大，水資源透支嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)予以重視。