北京市2010-2019年水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力

岳 晨, 劉 峰,3, 楊 柳, 高 昀, 郭斯嘉

〔1.中國地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061; 2.自然資源部地?zé)崤c干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050061; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083〕

水資源作為可再生性資源，在社會(huì)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境等方面具有不可替代的重要作用。水資源的可持續(xù)開發(fā)也關(guān)系到城市的可持續(xù)發(fā)展。Willam Rees等在1992年最早提出生態(tài)足跡法，其博士Wackernagel于1996年將其完善，使其成為衡量資源可持續(xù)利用的綜合核算的工具[1-4]。生態(tài)足跡法通過估算維持人類生活的自然資源消費(fèi)量和同化人類產(chǎn)生的廢棄物所需要的生態(tài)生產(chǎn)性空間面積大小，并與給定人口區(qū)域的生態(tài)承載力進(jìn)行比較，來衡量區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r[5]。經(jīng)過多年的發(fā)展，各國科研人員也在對水資源生態(tài)足跡法進(jìn)行不斷改進(jìn)和探索。Haberl等[6]通過長時(shí)間段生態(tài)足跡計(jì)算方法，分析了奧地利1926—1955年的生態(tài)足跡。Wackernagel等[7]分析菲律賓、韓國、奧地利1961—1999年的生態(tài)足跡和實(shí)際土地需求。孟麗紅等[8]通過分析了江西省2007—2011年水資源生態(tài)足跡模型，為江西省水資源可持續(xù)利用提供技術(shù)支持。陳正雷等[9]通過LMDI構(gòu)建的水資源生態(tài)足跡模型分析了山東省2007—2016年水資源生態(tài)足跡和水資源承載力。目前，國內(nèi)外對水資源生態(tài)足跡的基本理論、計(jì)算方法不斷探討以及實(shí)證分析研究[10-14]。本文主要以水資源生態(tài)足跡模型為理論框架，以北京市2010—2019年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過分析南水北調(diào)前后5 a水資源生態(tài)足跡，生態(tài)承載力，以及水資源生態(tài)赤字和負(fù)載指數(shù)，系統(tǒng)分析南水北調(diào)為北京市可持續(xù)發(fā)展的影響，為北京市可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原的西北邊緣，是中國的首都，也是全國的政治中心，文化中心，經(jīng)濟(jì)中心；該地區(qū)的水資源可持續(xù)研究具有重要的科研價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。北京市東、西、北三面環(huán)山，東南部為平原。平原區(qū)地勢西北高東南低?？偟牡孛财教箯V闊，由洪、沖積扇及沖、洪積平原聯(lián)合而成。北京市具有明顯的溫帶季風(fēng)氣候特征，屬于華北平原降水量較多的地區(qū)，年平均降水量約630 mm。降水集中在7—8月，多暴雨。北京市地表水多年平均徑流量為1.77×109m3，地下水多年平均補(bǔ)給量為3.67×109m3[15]，人均水資源量為114 m3/人(2019年)，屬嚴(yán)重缺水地區(qū)。北京市主要河流有五條，但水量較少，多年供水以地下水為主。自南水北調(diào)中線工程于2014年底12月正式通水后，北京市城市供水結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，南水北調(diào)水成為供水結(jié)構(gòu)的主要部分。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 水資源生態(tài)足跡模型

水資源生態(tài)足跡，就是將消耗的水資源量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)賬戶的生產(chǎn)面積——水資源用地面積，然后對其進(jìn)行均衡化，最終得到可用于全球范圍內(nèi)不同地區(qū)可以相互比較的均衡值[16]。公式如下：

EFw=N×efw=N×γw×(W/pw)

(1)[17]

式中：EFw為水資源生態(tài)足跡(hm2)；N為人口數(shù)； efw為人均水資源生態(tài)足跡(hm2/人)；γw為全球水資源均衡因子,取5.19[18]；W為水資源消耗量(m3)；pw為全球水資源平均生產(chǎn)能力(m3/hm2)，取3 140 m3/hm2[19]。

2.2 水資源生態(tài)承載力模型

水資源生態(tài)承載力，主要表示水資源對生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)良性發(fā)展的支撐能力，需要綜合考慮生態(tài)環(huán)境以及社會(huì)生產(chǎn)所需要的水資源[19]。

ECw=N×ecw=0.4×ψ×γw×Q/pw

(2)

式中：ECw為水資源生態(tài)承載力(hm2)；N為人口數(shù)； ecw為人均水資源生態(tài)承載力(hm2/人)；γw為水資源均衡因子；ψ為水資源產(chǎn)量因子，取0.77[18]；Q為水資源總量(m3)；pw為世界水資源平均生產(chǎn)能力(m3/hm2)。通常，一個(gè)國家和地區(qū)的水資源承載力中60%用于維持生態(tài)環(huán)境，因此，計(jì)算中乘以系數(shù)0.4[18]。

2.3 水資源生態(tài)盈余及水資源生態(tài)赤字

將區(qū)域內(nèi)水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力相比較，其差值即為水資源生態(tài)盈余或赤字[20]。

水資源生態(tài)赤字(盈余)=ECw-EFw

(3)

當(dāng)數(shù)值為正時(shí)，則為生態(tài)盈余，表明北京市水資源尚有潛力；當(dāng)數(shù)值為0時(shí)，則表明北京市水資源生態(tài)平衡。當(dāng)數(shù)值為負(fù)時(shí)，則為生態(tài)赤字，表明水資源過量開發(fā)。

2.4 萬元GDP水資源生態(tài)足跡

萬元GDP水資源生態(tài)足跡是通過水資源生態(tài)足跡與萬元GDP的比值來表示的。其值越小表示水資源利用效率越高，反之越低[21]，公式如下：

萬元GDP水資源生態(tài)足跡=EFw/GDP

(4)

2.5 水資源負(fù)載指數(shù)

水資源負(fù)載指數(shù)能夠反映水資源的時(shí)空分布、利用程度及水資源開發(fā)的難易程度。其分級指標(biāo)見表1[22]，公式為：

(5)

式中：c為水資源負(fù)載指數(shù)；p為人口(104人)；G為國內(nèi)生產(chǎn)總值(108元)；W為水資源總量(108m3)；k為與降水有關(guān)的系數(shù)。

k值計(jì)算公式[23]如下：

(6) 表1 水資源負(fù)載指數(shù)分級指標(biāo)[22,24]

2.6 數(shù)據(jù)來源

本文的研究數(shù)據(jù)主要來自北京統(tǒng)計(jì)年鑒(2011—2020年)，北京市水資源公報(bào)(2010—2019年)，具體數(shù)值見表2。

表2 2010-2019年北京市社會(huì)經(jīng)濟(jì)及用水量分析

3 結(jié)果與分析

3.1 北京市水資源生態(tài)足跡、生態(tài)承載力及生態(tài)赤字(盈余)計(jì)算

本文以北京市2010—2019年的各行業(yè)用水量為基礎(chǔ)，以前文所述的水資源生態(tài)足跡模型及水資源生態(tài)承載力模型為依據(jù)，計(jì)算北京市2010—2019年水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 北京市2010-2019年人均水資源生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力分析 hm2/人

由圖1可知，北京市2010—2019年水資源生態(tài)足跡4個(gè)賬戶中，生活用水生態(tài)足跡所占水資源生態(tài)足跡比例最高，約為45%，呈現(xiàn)緩慢波動(dòng)上升的趨勢。生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡變化最大，這幾年呈現(xiàn)逐步升高的趨勢，且所占比重逐年加大。由趨勢線可以看出2014年北京市生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡明顯上升，可能是由于使用京密引水渠調(diào)水，增加了運(yùn)輸途中的輸水損失造成的。農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡和工業(yè)用水生態(tài)足跡自2010年以來逐年下降，尤其是農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡，下降趨勢明顯，說明這幾年北京市農(nóng)業(yè)節(jié)水措施效果顯著，農(nóng)業(yè)水資源利用率顯著提高。由示意圖可以看出近幾年北京市對工業(yè)節(jié)水相對重視，效果也比較顯著。由此可知，北京市水資源生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的關(guān)系正不斷改善。推測是北京市政府通過積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，注重節(jié)水科技的發(fā)展，不斷提高水資源利用率呈現(xiàn)的成果。

圖1 北京市2010-2019年水資源人均農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境生態(tài)足跡

由圖2可知，北京市水資源生態(tài)足跡總趨勢非常平穩(wěn)，表明隨著經(jīng)濟(jì)與人口的增長，人均水資源利用率也隨之上升，保持較低的人均水資源生態(tài)足跡是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。而反觀水資源生態(tài)承載力，可以看出上下波動(dòng)頻率較大，較高年份為2016年和2018年，分別達(dá)到0.107 hm2/人和0.112 hm2/人。究其影響因素，不僅限于人口、水文、植被、地質(zhì)條件等情況，也與當(dāng)年的氣候條件，尤其是降水密切相關(guān)。根據(jù)圖3可以看出，2010—2014年水資源生態(tài)承載力的變化與降水的年度變化規(guī)律基本一致，說明水資源生態(tài)承載對于氣候變化非常敏感。2015年以后水資源生態(tài)承載力的變化規(guī)律與降水變化整體趨勢一致，但曲線更加平滑，推測可能是南水北調(diào)來水起到了一定的調(diào)蓄作用，對北京市水資源生態(tài)承載力起到一定影響作用。北京市水資源生態(tài)赤字在2016年達(dá)到最低值0.188 hm2/人，也是水資源生態(tài)承載力最高，推測主要原因是因?yàn)?016年為豐水年，且2016年南水北調(diào)供水已正常為北京市供水。由此可見，南水北調(diào)外調(diào)水的輸入對于北京市水資源生態(tài)赤字程度有一定緩解作用，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)。

圖2 北京市2010-2019年人均水資源生態(tài)足跡、人均水資源生態(tài)承載力和人均水資源生態(tài)赤字特征

圖3 北京市2010-2019年年均降水量變化

從圖4可知，2010—2019年北京市萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)上下波動(dòng)的形勢，整體變幅與北京市年均降水量變化趨勢一致。除2012年最高外，整體仍然有向下的趨勢，說明北京市水資源利用效率在穩(wěn)步提高，這也與北京市近些年來不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)。

圖4 北京市2010-2019年萬元GDP生態(tài)足跡變化特征

3.2 北京市水資源負(fù)載指數(shù)

通過計(jì)算北京市水資源負(fù)載指數(shù)表(表4)，可以看出北京市水資源負(fù)載指數(shù)很高。水資源負(fù)載指數(shù)與水資源時(shí)空分布、利用程度息息相關(guān)。北京市人口密度大，水資源儲(chǔ)量少且時(shí)空分布極不均勻，經(jīng)濟(jì)增長迅速，用水量逐年增長造成水資源開發(fā)利用率高，因此，北京市水資源負(fù)載指數(shù)比較高。南水北調(diào)外調(diào)水進(jìn)京后，北京市水資源負(fù)載指數(shù)有下降趨勢，但負(fù)載程度依然較高。說明南水北調(diào)外調(diào)水雖然很大程度上緩解了北京市供水緊張的形勢，但由于北京市水資源多年處于超采情況，即使有南水北調(diào)外調(diào)水輸入，仍需要一定時(shí)間才能進(jìn)一步改善北京市水資源生態(tài)承載狀況。

表4 北京市歷年來水資源負(fù)載指數(shù)等級分布

4 結(jié) 論

(1) 通過計(jì)算北京市2010—2019年水資源生態(tài)足跡，水資源生態(tài)承載力，水資源生態(tài)赤字，萬元GDP生態(tài)足跡等諸多指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果顯示北京市人均水資源生態(tài)足跡在 0.28～0.32 hm2/人，其中，生活用水對水資源生態(tài)足跡貢獻(xiàn)最大，生態(tài)環(huán)境生態(tài)足跡變化最大，成為影響北京市水資源生態(tài)足跡的第二項(xiàng)指標(biāo)，其次是農(nóng)業(yè)用水，最小的是工業(yè)用水。北京市人均水資源生態(tài)承載力在0.04～0.12 hm2/人之間，水資源生態(tài)承載力受降水影響較大。但隨著南水北調(diào)外來水的輸入，該項(xiàng)指標(biāo)受降水影響的程度有所降低。

(2) 2010—2019年北京市水資源負(fù)載指數(shù)遠(yuǎn)大于10，赤字程度較高，水資源生態(tài)壓力大。隨著南水北調(diào)外調(diào)水進(jìn)京，備用水源地取水量和當(dāng)?shù)毓┧繙p少，會(huì)有效的緩解本地水資源的壓力，有利于水源地的涵養(yǎng)。但由于北京市水資源存量資本消耗嚴(yán)重，外調(diào)水對北京市水資源生態(tài)承載力的改善有限。

(3) 北京市水資源生態(tài)安全仍然處于比較嚴(yán)峻的形勢。雖然北京市政府已經(jīng)做了很多工作，并取得了顯著成效。但由于北京特殊的政治背景，人口基數(shù)龐大，新增流動(dòng)人口多，經(jīng)濟(jì)增長迅速，均成為北京市水資源可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素。為了降低水資源生態(tài)足跡和緩解水資源現(xiàn)有狀況，限制人口，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)節(jié)水工業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，提高水資源效率仍是必要舉措。