基于能值理論的水資源生態(tài)足跡變化特征
——以北京市為例

劉珂伶, 楊 柳

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院, 北京 100083)

水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用是資源環(huán)境研究的重要內(nèi)容。水足跡和水資源生態(tài)足跡是水資源可持續(xù)利用研究中應(yīng)用最廣泛的兩種方法。Hoekstra以虛擬水理論為基礎(chǔ)提出水足跡方法，是一種測(cè)量淡水利用與消耗的計(jì)算方法[1]。水資源生態(tài)足跡則在傳統(tǒng)生態(tài)足跡的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)水資源自然資源供應(yīng)能力的考慮[2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者亦對(duì)水資源生態(tài)足跡開(kāi)展諸多探討，如黃林楠等建立水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力模型，并對(duì)江蘇省1998—2003年水資源生態(tài)足跡進(jìn)行測(cè)算[3]。譚秀娟等利用該理論分析了我國(guó)1949—2007年的水資源可持續(xù)利用狀況，進(jìn)一步證明該模型的科學(xué)性[4]。此后，不同學(xué)者對(duì)中國(guó)、遼寧省、中原城市群、湖州市等不同區(qū)域尺度的地區(qū)進(jìn)行水資源生態(tài)足跡的計(jì)算，并提出針對(duì)性建議[5-8]。

然而，水資源生態(tài)足跡模型仍存在一定缺陷。在水資源生態(tài)足跡模型中，均衡因子和產(chǎn)量因子是兩個(gè)重要參數(shù)，它們將不同區(qū)域不同類型的土地面積轉(zhuǎn)化為可比較的度量相同的土地面積。現(xiàn)有研究中，均衡因子和產(chǎn)量因子的選取，大多為全球性的數(shù)據(jù)且時(shí)間久遠(yuǎn)。這種處理雖便于不同地區(qū)間水資源生態(tài)足跡的橫向比較，但忽略了時(shí)間和區(qū)域的差異性，會(huì)產(chǎn)生計(jì)算結(jié)果于實(shí)際情況的誤差。有學(xué)者利用遙感產(chǎn)品NPP計(jì)算研究區(qū)域的均衡因子，以求更準(zhǔn)確反映區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀[9]。但是NPP產(chǎn)品的空間分辨率往往很粗糙，對(duì)于景觀異質(zhì)性強(qiáng)的地區(qū)，NPP產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)無(wú)效值，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果無(wú)意義[10]。

能值生態(tài)足跡模型為探求自然資源供需關(guān)系提供了新思路。Zhao等人首次將能值理論引入生態(tài)足跡方法，通過(guò)與傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型的對(duì)比，證明能值生態(tài)足跡模型的可行性[11]。此后，不同學(xué)者利用能值生態(tài)足跡模型對(duì)中亞地區(qū)、我國(guó)江蘇省、上海市、青島市等不同尺度進(jìn)行研究，并在研究中不斷改進(jìn)，形成較為健全的能值生態(tài)足跡模型[12-15]。區(qū)域能值密度和太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率是能值生態(tài)足跡模型中的重要參數(shù)。區(qū)域能值密度是將太陽(yáng)能值折算成土地面積的參數(shù)，太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率可將不同類型的能量轉(zhuǎn)化成度量統(tǒng)一的太陽(yáng)能值。由于自然生態(tài)系統(tǒng)的自組織程度已達(dá)到較高水平，故太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率和區(qū)域能值密度更為穩(wěn)定，其隨時(shí)間波動(dòng)程度很小[16]。引入能值理論，從能值流動(dòng)角度計(jì)算區(qū)域水資源生態(tài)足跡，采用更為穩(wěn)定的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率和區(qū)域能值密度等參數(shù)，能夠更為準(zhǔn)確地動(dòng)態(tài)模擬區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀。

北京市作為全國(guó)政治、文化等中心，人口日益增加，水資源匱乏，人均占有量?jī)H為我國(guó)人均占有量的1/8，是世界人均占有量的1/30，缺水程度十分嚴(yán)重[17]。準(zhǔn)確辨識(shí)北京市水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀是提出科學(xué)決策的重要基礎(chǔ)。北京市人口密度大導(dǎo)致景觀異質(zhì)性很高，若使用遙感產(chǎn)品計(jì)算均衡因子和產(chǎn)量因子意義不大。因此，本文以北京市為例，采用基于能值理論的水資源生態(tài)足跡模型對(duì)北京市2005—2018年水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力的變化趨勢(shì)進(jìn)行測(cè)算和分析，利用水資源生態(tài)足跡評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)北京市水資源現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將研究尺度縮小至格網(wǎng)，對(duì)格網(wǎng)尺度的水資源生態(tài)足跡及與區(qū)域尺度之間的關(guān)聯(lián)問(wèn)題進(jìn)行研究。研究結(jié)果可為北京市水資源開(kāi)發(fā)利用和科學(xué)管理及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評(píng)估與規(guī)劃提供參考，進(jìn)一步豐富水資源開(kāi)發(fā)利用研究理論體系。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

水資源能值生態(tài)足跡計(jì)算中涉及的北京市水資源總量、用水量數(shù)據(jù)均來(lái)自北京市水務(wù)局《北京市水資源公報(bào)》，北京市分區(qū)及分產(chǎn)業(yè)用水量來(lái)自《節(jié)水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯編》。地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)、年末常住人口數(shù)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自北京市統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)上的《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《北京區(qū)域統(tǒng)計(jì)年鑒》。地圖數(shù)據(jù)為北京市1∶100萬(wàn)分區(qū)劃矢量圖。北京市人口、降水量、GDP1 km格網(wǎng)空間分布數(shù)據(jù)均來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)。

1.2 研究方法

1.2.1 基于能值理論的水資源生態(tài)足跡模型

(1) 水資源能值生態(tài)足跡(WEEF)。生態(tài)足跡代表了人類負(fù)荷強(qiáng)度，反映了區(qū)域生態(tài)和經(jīng)濟(jì)特征。根據(jù)傳統(tǒng)水資源生態(tài)足跡和能值生態(tài)足跡模型，建立WEEF模型。利用太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率，根據(jù)不同種類用水量得到水資源人均太陽(yáng)能值，再通過(guò)區(qū)域水資源能值密度得到消耗水資源的生物生產(chǎn)性土地面積，即為WEEF。此外，水資源作為一種供給人類發(fā)展需求的資源，還承擔(dān)著消納人類產(chǎn)生廢棄物的作用。因此WEEF由用水足跡和污染足跡組成，其中用水足跡包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水等用水足跡，污染足跡為消納污染的足跡。其計(jì)算方法為[18]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:WEEF為人均水資源能值生態(tài)足跡(hm2/人);Ci為第i種用水的人均太陽(yáng)能值(sej/人);Ewi為第i種用水量(m3);Twi為第i種用水的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率(sej/m3);N為人口總數(shù);P為區(qū)域能值密度(sej/hm2);U為區(qū)域能值總量(sej);S為研究區(qū)域面積(hm2);WEEFp為人均水資源污染足跡(hm2/人);ECOD和ENH3-N分別為化學(xué)需氧量(COD)和氨氮的能值(sej);MCOD/NH3-N為COD或氨氮的廢水排放量(t);ρ為水的密度(1 000 kg/m3); CONCOD/NH3-N為COD或氨氮的允許排放濃度,可在《北京市水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/307-2005)中獲得；COD為30 mg/L,氨氮為1.5 mg/L;Hw為熱值系數(shù)(2.56E+04 J/kg);Uw為水的單位能值,由集水區(qū)年降水總能值與年集水化學(xué)相除的多年平均值得到,取值為3.02 E+04 sej/J。具體計(jì)算方法為[19]:

(6)

雨水化學(xué)能=區(qū)域面積×年降水量×蒸散系數(shù)(60%)×水密度×雨水吉布斯自由能

(7)

地表水(地下水)化學(xué)能=水量×地表水(地下水)吉布斯自由能×水密度

(8)

其中，雨水的太能能值轉(zhuǎn)換率參考《能值評(píng)估手冊(cè)》，取值為1.54E+04 sej/J[13]。吉布斯自由能是指各類水體相對(duì)于海水的吉布斯自由能，計(jì)算公式為：

(9)

式中:s為水體的固體物質(zhì)溶解量(mg/kg)。雨水、地表水、地下水的固體物質(zhì)溶解量分別為10 mg/kg,56.9 mg/kg,300 mg/kg。

(2) 水資源能值生態(tài)承載力(WEEC)。水資源生態(tài)承載力是區(qū)域水資源豐富程度的度量。北京市水資源主要來(lái)源于地表水、地下水和雨水。能值理論中雨水能值分為雨水化學(xué)能和雨水勢(shì)能，雨水化學(xué)能降落到地表后，隨地表徑流會(huì)轉(zhuǎn)化為地表水化學(xué)能，隨土壤滲透至地下水后會(huì)轉(zhuǎn)化為地下水化學(xué)能，因此北京市水資源能值組成為地表水化學(xué)能、地下水化學(xué)能和雨水勢(shì)能(圖1)。此外有研究表明[20]，區(qū)域?qū)λY源開(kāi)發(fā)利用率若超過(guò)40%將會(huì)引起該區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化，因此在計(jì)算水資源生態(tài)承載力時(shí)要乘以0.4作為開(kāi)發(fā)水資源的利用率。其計(jì)算模型為：

(10)

式中:WEEC為人均水資源能值生態(tài)承載力(hm2/人);EG為地表水化學(xué)能(sej);EU為地下水化學(xué)能(sej);ER為雨水勢(shì)能(sej);Pw為區(qū)域水資源平均能值密度(sej/hm2)。

(3) 相關(guān)參數(shù)的確定。區(qū)域能值密度P和區(qū)域水資源能值密度Pw是根據(jù)北京市區(qū)域能值和水資源能值除以北京市面積的多年平均值得出，區(qū)域能值密度為1.35E+15 sej/hm2，區(qū)域水資源能值密度為5.85E+14 sej/hm2。各種用水或水資源的能值通過(guò)將用水量乘以相應(yīng)能值轉(zhuǎn)化系數(shù)來(lái)計(jì)算。表1是本文用到的能值轉(zhuǎn)化系數(shù)及其來(lái)源，其中雨水勢(shì)能計(jì)算方法為[16]：

ER=S×Rain×Runoff×ρ×elevation×g

(11)

式中:S為區(qū)域面積(m3);Rain為平均降水量(m);Runoff為徑流系數(shù)(0.4);elevation為平均高程(m);g為重力加速度(9.8 m/s2)。

圖1 水資源生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)圖

表1 各類用水或水資源的能值轉(zhuǎn)換率 sej/m3

1.2.2 水資源生態(tài)足跡評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1) 水資源生態(tài)赤字/生態(tài)盈余(WED/WES)。WED/WES能直接反映區(qū)域?qū)λY源的利用強(qiáng)度。當(dāng)WEEC>WEEF時(shí)為生態(tài)盈余(WES)，區(qū)域水資源供給滿足人類需求；反之，區(qū)域水資源供給則不能滿足人類需求，區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源生態(tài)安全構(gòu)成威脅；WEEC=WEEF時(shí)水資源生態(tài)平衡。其計(jì)算公式如下[2]：

WED(WES)=WEEC-WEEF

(12)

(2) 水資源生態(tài)壓力指數(shù)(WEFI)。WEFI利用水資源生態(tài)系統(tǒng)單位生態(tài)容量承受的壓力來(lái)評(píng)價(jià)水資源生態(tài)安全。根據(jù)Yang等[16]對(duì)區(qū)域生態(tài)安全等級(jí)劃分的研究結(jié)果，當(dāng)WEFI<1時(shí)，人類消耗小于生態(tài)承載，表明水資源處于生態(tài)安全狀態(tài)；WEFI>1時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)承受壓力大于實(shí)際生態(tài)承載力，說(shuō)明水資源生態(tài)不安全；WEFI=1時(shí)則表明區(qū)域水資源供需處于平衡狀態(tài)(表2)。與WED/WES相比，WEFI為無(wú)量綱，可用于不同區(qū)域間水資源利用情況的比較。其計(jì)算公式為：

WEFI=WEEF/WEEC

(13)

表2 基于生態(tài)壓力的區(qū)域生態(tài)安全等級(jí)分類

(3) 水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)(WEECI)。WEECI可反映生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間的生態(tài)協(xié)調(diào)性，區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展是否在生態(tài)環(huán)境承載范圍內(nèi)以及能值生態(tài)足跡與區(qū)域資源稟賦之間的關(guān)系。本文引進(jìn)該指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)水資源生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間的協(xié)調(diào)性以及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源稟賦之間的關(guān)系。其計(jì)算方法為[15]：

(14)

其中，WEECI取值區(qū)間為(1,1.414)。WEECI越接近1，則生態(tài)協(xié)調(diào)性越差；WEECI越接近1.414，則說(shuō)明生態(tài)協(xié)調(diào)性越好；當(dāng)WEECI=1.414時(shí)，處于最佳生態(tài)協(xié)調(diào)狀態(tài)。

1.2.3 格網(wǎng)水資源生態(tài)足跡 水資源生態(tài)足跡計(jì)算受限于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺失。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)多數(shù)以行政區(qū)域(市、區(qū)等)為統(tǒng)計(jì)單元，更小單元的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基本缺失或難于獲得。鑒于GIS數(shù)據(jù)可提供不同格網(wǎng)單元的人口、降水量等空間分布數(shù)據(jù)，因此本文利用ArcGIS軟件的數(shù)學(xué)分析方法，將北京市WEEF，WEEC，WED，WEFI，WEECI進(jìn)行1 km尺度格網(wǎng)化，并與北京市區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)疊加，獲得格網(wǎng)和區(qū)域尺度相關(guān)數(shù)據(jù)[25]。

(15)

式中:WEEFij為第i個(gè)行政區(qū)第j個(gè)格網(wǎng)的水資源能值生態(tài)足跡;WEEFi為第i個(gè)行政區(qū)的用水能值生態(tài)足跡;pi為第i個(gè)行政區(qū)的人口數(shù)量;pj為第j個(gè)格網(wǎng)內(nèi)的人口數(shù)量。

在水資源生態(tài)承載力的計(jì)算中，由于北京城市化現(xiàn)象十分明顯，自來(lái)水供水情況已非常普遍，因此本文假設(shè)同一行政區(qū)內(nèi)，人均水資源供給水平一致，結(jié)合1 km格網(wǎng)降水量空間分布數(shù)據(jù)，可計(jì)算各格網(wǎng)內(nèi)的雨水勢(shì)能，三者相加得到格網(wǎng)水資源能值生態(tài)承載力，具體計(jì)算公式為：

WEECij=(WEECGi+WEECUi)×pj+WEECRj

(16)

式中:WEECij為第i個(gè)行政區(qū)第j個(gè)格網(wǎng)的水資源生態(tài)承載力;WEECGi和WEECUi分別為為第i個(gè)行政區(qū)的人均地表水生態(tài)承載力和人均地下水生態(tài)承載力;WEECRj為第j個(gè)格網(wǎng)的雨水勢(shì)能包含的水資源生態(tài)承載力。

在水資源生態(tài)足跡評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算中，WED，WEFI，WEECI均可由格網(wǎng)水資源生態(tài)足跡與格網(wǎng)水資源生態(tài)承載力按照1.2.2節(jié)中式(12-14)進(jìn)行計(jì)算。

1.2.4 傳統(tǒng)水資源生態(tài)足跡 為分析水資源能值生態(tài)足跡與傳統(tǒng)水資源生態(tài)足跡的差異及其產(chǎn)生原因，本文根據(jù)文獻(xiàn)[3]提出的傳統(tǒng)水資源生態(tài)足跡方法[3]，文獻(xiàn)[26]提出的水污染足跡計(jì)算模型[26]，計(jì)算北京市2005—2018年的水資源生態(tài)足跡。其中，均衡因子取世界自然基金會(huì)在2002年的測(cè)算結(jié)果5.19，產(chǎn)量因子根據(jù)北京市多年產(chǎn)水模數(shù)與世界平均產(chǎn)水模數(shù)的比值計(jì)算得出為0.54，世界水資源平均生產(chǎn)能力為3 140 m3/hm2，水消納COD全球平均生產(chǎn)能力為0.094 2 t/hm2，水消納氨氮全球平均生產(chǎn)能力為0.004 71 t/hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 WEEF變化特征

北京市WEEF從2005年0.41 hm2/人下降至2018年0.29 hm2/人，降幅為29.27%。變化趨勢(shì)呈現(xiàn)周期波動(dòng)，2005—2010年逐年下降，至0.32 hm2/人，2011年增長(zhǎng)顯著，環(huán)比增長(zhǎng)29.03%而后逐年下降至0.29 hm2/人(表3)。2005—2018年，北京市農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水、污染賬戶等足跡分別占總能值生態(tài)足跡的4.32%～12.94%，5.39%～12.10%，30.69%～49.95%，1.55%～19.80%，19.74%～49.52%。生活用水對(duì)總能值生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)最大，其次是污染賬戶、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水，最小的是生態(tài)用水。

表3 北京市水資源能值生態(tài)足跡

各類用水賬戶的變化規(guī)律表明，污染賬戶的變化可能是導(dǎo)致總能值生態(tài)足跡周期性變化的原因。用水賬戶總體呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)，其中生活用水足跡基本沒(méi)有變化，農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水足跡逐年降低，而生態(tài)用水足跡正逐年上升(圖2)。

圖2 北京市水資源能值生態(tài)足跡結(jié)構(gòu)

2.2 WEEC變化特征

2005—2018年，北京市WEEC為0.02～0.05 hm2/人。其中地表水是水資源能值生態(tài)承載力的主要貢獻(xiàn)者，其次是地下水，雨水勢(shì)能的生態(tài)承載力最小(表4)。WEEC呈現(xiàn)周期性上下波動(dòng)，主要受地表水的影響，若某年份地表水能值大，則該年的生態(tài)承載力也高。2012年北京市水資源生態(tài)承載力最高，為0.05 hm2/人，2014年最低，為0.02 hm2/人(圖3)。

圖3 北京市水資源能值生態(tài)承載力趨勢(shì)變化

2.3 WED與WEFI變化特征

2005—2018年，北京市WED總體呈逐年下降趨勢(shì)，從2005年的-0.35 hm2/人下降至2018年的-0.22 hm2/人，降幅為37.14%。WEFI呈現(xiàn)上下波動(dòng)的形勢(shì)，2014年最高，為11.55,2018年最低，為4.72。該值受WEEC變化的影響較大，WEEC在2014年最小導(dǎo)致該年的生態(tài)壓力激增。研究結(jié)果表明，北京市常年處于水資源生態(tài)赤字狀態(tài)，南水北調(diào)等外調(diào)水的輸入以及北京市發(fā)布的節(jié)水減排等一系列舉措稍減輕了赤字程度，但由于起始生態(tài)赤字程度高，現(xiàn)階段也仍處于較大的赤字狀態(tài)。水資源生態(tài)壓力多年平均值為7.37，常年處于亞安全狀態(tài)(圖4)。

圖4 北京市水資源生態(tài)壓力與生態(tài)赤字

2.4 WEECI變化特征

2005—2018年，北京市水資源生態(tài)系統(tǒng)與其社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性較差，WEECI為1.08～1.19，均接近于1(圖5)。2014—2018年WEECI有上升趨勢(shì)，2018年最高，為1.19，表明水資源生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的關(guān)系正不斷改善。很可能是由于北京市積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)張水資源利用效率高的第三產(chǎn)業(yè)，同時(shí)注重節(jié)水科技的提升，減少在運(yùn)輸和利用時(shí)的水資源消耗，使水資源利用效率不斷提高。

圖5 北京市水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)

2.5 北京市水資源能值生態(tài)足跡空間特征

北京每1 km2WEEF最大值為13 447 hm2，最小值為17.706 hm2?？傮w上呈由中心向四周逐漸變小的形勢(shì)，其中海淀區(qū)東部地區(qū)WEEF最高，延慶區(qū)、平谷區(qū)等周邊城區(qū)WEEF較小。各行政區(qū)內(nèi)WEEF亦呈中心高四周低的形勢(shì)，區(qū)內(nèi)均存在WEEF較高的小型聚集區(qū)(圖6)。

圖6 2015年北京市水資源生態(tài)足跡空間特征

每1 km2WEEC最大值為2 708 hm2，最小值為2 hm2。平谷區(qū)、大興區(qū)擁有較高的WEEC，中心城區(qū)WEEC相對(duì)較低。WEEC在行政區(qū)內(nèi)分布變化較大的是大興區(qū)和平谷區(qū)，其中大興區(qū)從北到南WEC逐漸增大，平谷區(qū)從北到南WEC逐漸減小。

表4 北京市水資源能值生態(tài)承載力

WED和WEFI總體上也呈現(xiàn)中心高四周低的形勢(shì)，其中僅平谷區(qū)的WED大于0，呈現(xiàn)水資源生態(tài)盈余，水資源供需狀況協(xié)調(diào)。其他行政區(qū)WED均小于0，中心城區(qū)城六區(qū)生態(tài)赤字最大，說(shuō)明其水資源供需嚴(yán)重不平衡。各區(qū)內(nèi)的WEFI變化不明顯，只有平谷區(qū)WEFI小于1呈安全狀態(tài)，西城區(qū)、東城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)和海淀區(qū)WEFI均超過(guò)30，為極度不安全狀態(tài)，通州區(qū)為輕度不安全狀態(tài)，其余行政區(qū)均為亞安全狀態(tài)。

WEECI總體上在中心城區(qū)城六區(qū)和通州區(qū)的值較小，均靠近1，水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性最低，而平谷區(qū)水資源生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)性最高。

3 討 論

3.1 水資源能值生態(tài)足跡與傳統(tǒng)水資源生態(tài)足跡對(duì)比

水資源能值生態(tài)足跡與傳統(tǒng)水資源生態(tài)足跡的變化趨勢(shì)大體相似，但前者數(shù)值略低于后者。主要原因有二(圖7)。其一，傳統(tǒng)計(jì)算方法中缺少對(duì)各類用水足跡貢獻(xiàn)差異的考慮，認(rèn)為各種類型用水消耗的單位淡水資源所占用的生物生產(chǎn)性土地面積是相同的。事實(shí)上，各類用水中水資源的最終流向有差異就會(huì)導(dǎo)致占用能力不同，例如農(nóng)業(yè)用水的最終去向是農(nóng)作物和土壤，土壤中水分會(huì)通過(guò)滲透作用匯入地下水，農(nóng)作物中的水分也會(huì)被人類所用，因此農(nóng)業(yè)用水的占用能力應(yīng)相對(duì)較低。其二，能值水污染足跡計(jì)算結(jié)果總體上大于傳統(tǒng)水污染足跡計(jì)算結(jié)果。這可能由于傳統(tǒng)水污染足跡選取參數(shù)為全球性的，即消納COD/氨氮全球平均生產(chǎn)能力，該參數(shù)忽略了地區(qū)差異，而能值水污染足跡在計(jì)算水的單位能值時(shí)考慮到北京市實(shí)際降水情況及水資源儲(chǔ)量，計(jì)算得到的能值污染足跡更大。水資源能值生態(tài)足跡對(duì)各類用水實(shí)際占用能力的差異以及地區(qū)差異均有衡量，因此更能真實(shí)反映區(qū)域水資源利用狀況。

圖7 水資源能值生態(tài)足跡與傳統(tǒng)水資源生態(tài)足跡

水資源生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果的比較，表明傳統(tǒng)水生態(tài)足跡中水資源生態(tài)承載力大于能值方法的結(jié)果，這與能值生態(tài)足跡的相關(guān)研究結(jié)果相反(圖8)。對(duì)于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)而言，能值生態(tài)承載力的計(jì)算以能量流為基礎(chǔ)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，能考慮到被傳統(tǒng)生態(tài)承載力忽視的其他類型土地所提供的承載力，例如濕地等，所以其值比傳統(tǒng)生態(tài)承載力高[22-24]。而在水資源生態(tài)系統(tǒng)中，只有雨水和地表地下水資源提供生態(tài)承載力，因此導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果比傳統(tǒng)方法低的原因可能在于傳統(tǒng)方法中均衡因子的選取是世界性的，忽略了地區(qū)之間的差異，而能值方法中選取區(qū)域能值密度，能真實(shí)反映區(qū)域?qū)嶋H承載能力。

圖8 水資源能值生態(tài)承載力與傳統(tǒng)水資源生態(tài)承載力

將能值理論與水資源生態(tài)足跡模型結(jié)合，既能考慮到污染賬戶，也能避免均衡因子和產(chǎn)量因子計(jì)算時(shí)的不穩(wěn)定性，對(duì)于景觀異質(zhì)性高的地區(qū)，可利用該方法能夠更為真實(shí)的計(jì)算區(qū)域水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力。

3.2 北京市水資源開(kāi)發(fā)利用狀況

WEEF呈現(xiàn)周期性變化，主要受污染足跡變化的影響，其中2011年和2016年是兩個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2011年污染足跡迅速增大，是由于COD排放量的迅速增大。2016年污染足跡迅速減少，這可能與北京市在2015年底發(fā)布的《北京市水污染防治工作方案》有關(guān)，該方案的頒布加強(qiáng)了水污染的管控力度，嚴(yán)格限制了不達(dá)標(biāo)污水的排放。從用水賬戶來(lái)看，農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水的生態(tài)足跡一直降低，這與農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)提高和工廠等工業(yè)設(shè)施轉(zhuǎn)移關(guān)系密切。先進(jìn)的農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施提高了用水效率，節(jié)省了農(nóng)業(yè)用水。生態(tài)用水足跡不斷增加，說(shuō)明北京市對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視程度日益增大。生活用水的生態(tài)足跡最高且呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，說(shuō)明人們?nèi)粘Ｉ钪兴Y源消耗對(duì)水資源利用影響較大，限制人口、加強(qiáng)節(jié)約用水宣傳力度、建立節(jié)約用水獎(jiǎng)勵(lì)制度、發(fā)展科技提高節(jié)水效率是必要舉措。WEEC常年保持較低水平且呈現(xiàn)波動(dòng)變化形勢(shì)，其變化主要受降水影響，2008年、2012年是降水豐年，地區(qū)的水資源儲(chǔ)量增加，WEEC上升；2014年曾因厄爾尼諾現(xiàn)象導(dǎo)致全國(guó)大部分地區(qū)降水量銳減，水資源儲(chǔ)量顯著降低，WEEC隨之下降。南水北調(diào)的外來(lái)水也能增加WEEC，本文中將其均歸納到地表水。但是南水北調(diào)外來(lái)水水量都比較固定，且由于地理環(huán)境的原因，水質(zhì)與本地水可能會(huì)有不同，相互之間不相容導(dǎo)致水質(zhì)變差甚至不可用[27]，因此適量增加南水北調(diào)外來(lái)水水量，并提高水質(zhì)改良技術(shù)，使其與本地水質(zhì)相容，以人工方式增加區(qū)域水資源生態(tài)承載力。

從空間特征上看，WEEF，WED，WEFI均呈現(xiàn)四周低、中心高的形勢(shì)，WEECI呈現(xiàn)四周高、中心低的形勢(shì)，WEEC無(wú)固定規(guī)律。限制人口是北京市整體控制水資源生態(tài)壓力的有效舉措，明確城市發(fā)展方向，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，將第二產(chǎn)業(yè)適當(dāng)向周邊城市轉(zhuǎn)移，繼續(xù)發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)并將其適當(dāng)轉(zhuǎn)移至周邊行政區(qū)，產(chǎn)業(yè)疏解帶動(dòng)人口疏解[28]，從而將中心城區(qū)人口轉(zhuǎn)移至周邊行政區(qū)，平衡全市水資源生態(tài)壓力。此外，與以往研究中行政區(qū)域尺度相比，將研究尺度降低到1 km格網(wǎng)尺度，可清楚了解行政區(qū)內(nèi)部的水資源利用空間分布特征以及尺度之間的關(guān)聯(lián)特征，可為行政區(qū)域間和區(qū)域內(nèi)的水資源配置提供參考。

4 結(jié)論與建議

(1) 北京市WEEF在0.29～0.41 hm2/人，其中生活用水對(duì)WEEF的貢獻(xiàn)最大，其次是污染賬戶、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水，最小的是生態(tài)用水。WEEC在0.02～0.05 hm2/人，地表水比重最大，其次是地下水，雨水勢(shì)能比重最小。

(2) WED與WEI的年均值分別為-0.30 hm2/人和7.37，北京市常年處于生態(tài)赤字和水資源生態(tài)亞安全狀態(tài)。WEECI年均值為1.13，生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性較差。水資源生態(tài)足跡空間特征分布不均，中心城區(qū)的水資源生態(tài)足跡、生態(tài)赤字和生態(tài)壓力最高，生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性最差。

(3) 北京市水資源生態(tài)安全仍處于較為嚴(yán)峻的形勢(shì)。為降低水資源生態(tài)足跡和生態(tài)壓力，限制人口、拆遷轉(zhuǎn)移人口、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移產(chǎn)業(yè)區(qū)位、加強(qiáng)節(jié)約用水宣傳力度、建立節(jié)約用水獎(jiǎng)勵(lì)制度、發(fā)展科技提高節(jié)水效率是必要舉措。