湖北省水生態(tài)足跡時(shí)空動(dòng)態(tài)分析

賈詩(shī)琪，張 鑫，彭 輝，黃亞杰

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)已由經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)為高質(zhì)量發(fā)展階段，作為發(fā)展基石的能源控制著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的命脈，各行業(yè)對(duì)于能源的巨大需求和能源持續(xù)性短缺也已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。黨的十八大以來，“綠水青山就是金山銀山”的觀念已深入人心，水資源問題在社會(huì)大眾中引起廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的水資源評(píng)價(jià)是基于水文學(xué)的原理進(jìn)行的計(jì)算，僅僅考慮地區(qū)的水文變化規(guī)律，而引入生態(tài)足跡的概念則將自然界的水資源與社會(huì)性的人類活動(dòng)結(jié)合起來，評(píng)價(jià)結(jié)果更為全面。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)生態(tài)足跡已做了不少研究，徐中民等[1]分析了甘肅省1998年的生態(tài)足跡，結(jié)果表明甘肅省生態(tài)承載力不足，生態(tài)赤字嚴(yán)重，該地區(qū)難以持續(xù)發(fā)展；章鳴等[2]計(jì)算1995—2002年杭州市的生態(tài)足跡指標(biāo)，研究結(jié)果表明杭州市人均生態(tài)足跡呈遞增趨勢(shì)，人均生態(tài)承載力則逐年遞減，杭州市的生態(tài)赤字日益嚴(yán)重，需采取措施進(jìn)行緩解；譚秀娟等[3]構(gòu)建水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力模型，對(duì)我國(guó)1949—2007年水資源利用情況作出評(píng)價(jià)，并引入自回歸滑動(dòng)平均(ARMA)模型對(duì)我國(guó)生態(tài)足跡變化趨勢(shì)進(jìn)行深入研究；將層次分析法[4-5]引入，構(gòu)建生態(tài)足跡評(píng)價(jià)體系，量化地計(jì)算了生態(tài)足跡和承載力，在國(guó)內(nèi)已有先例；陳仕軍等[6]和李允潔等[7]利用生態(tài)足跡模型，分別對(duì)重慶市萬州區(qū)和浙江省的發(fā)展作了可持續(xù)性分析；劉玉邦等[8]將生態(tài)足跡與對(duì)數(shù)平均迪氏指數(shù)法(Logarithmic Mean Divisia Index，LMDI)結(jié)合，分析了成都市2000—2016年水生態(tài)足跡的各類因素，表明經(jīng)濟(jì)因素占據(jù)主導(dǎo)地位。Bagliani等[9]以生態(tài)足跡和生態(tài)承載力為指標(biāo)來監(jiān)測(cè)意大利錫耶納地區(qū)的環(huán)境狀況，計(jì)算了多年錫耶納地區(qū)的生態(tài)足跡，并將其與意大利和世界平均生態(tài)足跡進(jìn)行比較；Drastichová[10]以生態(tài)足跡理論為基礎(chǔ)，對(duì)歐美地區(qū)的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力進(jìn)行分析，結(jié)果表明北美地區(qū)人均生態(tài)足跡最大，其次是歐盟，而北歐地區(qū)的人均生態(tài)承載力最大。

參照國(guó)內(nèi)外已有研究現(xiàn)狀，本文搜集湖北省2005—2018年水文、水資源、國(guó)民經(jīng)濟(jì)等相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)該省水生態(tài)足跡進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 研究資料

2.1 區(qū)域概況

湖北省地處中國(guó)七大地理分區(qū)之一的華中地區(qū)，東鄰安徽，西連重慶，西北與陜西接壤，南接江西、湖南，北與河南毗鄰，介于29°01′53″N—33°6′47″N、108°21′42″E—116°07′50″E之間，東西長(zhǎng)約740 km，南北寬約470 km，總面積18.59萬km2，占中國(guó)國(guó)土面積的1.94%。湖北省地勢(shì)總體為東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地。在全省國(guó)土面積中，山地占56%，丘陵占24%，平原湖區(qū)占20%，屬長(zhǎng)江水系。湖北省地處亞熱帶，全省除神農(nóng)架和十堰部分地區(qū)屬高山氣候外，大部分地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候[11]。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用的數(shù)據(jù)中，人口、GDP來源于《湖北統(tǒng)計(jì)年鑒》[12]，降水量、水資源總量、產(chǎn)水模數(shù)、用水量和廢污水排放量來源于《湖北省水資源公報(bào)》[13],矢量地圖、柵格數(shù)據(jù)來源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)[14]。

3 生態(tài)足跡模型

人類在地球上生存，無時(shí)無刻不在消耗地球上的資源，為了衡量和計(jì)算人類消耗的自然資源是否處于地球生態(tài)系統(tǒng)的承載力范圍內(nèi)，1992年，加拿大教授Rees[15]首次提出“生態(tài)足跡”的概念，1996年由其學(xué)生Wackernagel等[16]加以完善。

要維持一個(gè)人、地區(qū)、國(guó)家的發(fā)展和生存所需要的或者能夠負(fù)擔(dān)人類所排放的廢棄物的、具有生物生產(chǎn)力的土地(水域)面積，此為生態(tài)足跡的意義，生態(tài)承載力則是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)具有生物生產(chǎn)力的地域和水域面積，兩者常以hm2作為單位。

與傳統(tǒng)的水資源評(píng)價(jià)方法對(duì)比，傳統(tǒng)方法利用評(píng)價(jià)地區(qū)的多年降水量、流域面積、產(chǎn)流因子、入滲率等水文參數(shù)，通過對(duì)地表水和地下水進(jìn)行劃分，計(jì)算出該地區(qū)的水資源量；生態(tài)足跡法除收集水文參數(shù)外，還需使用評(píng)價(jià)地區(qū)的用水量、污水排放量、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

相比傳統(tǒng)水資源評(píng)價(jià)方法，生態(tài)足跡法將社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素納入考慮范圍，該方法具有數(shù)據(jù)獲取便捷、結(jié)果具有社會(huì)性的優(yōu)點(diǎn)，更能反映評(píng)價(jià)地區(qū)的水資源現(xiàn)狀。

3.1 水資源生態(tài)足跡

水資源生態(tài)足跡是生態(tài)足跡的一個(gè)分類，是滿足人類生存發(fā)展需要所消耗的水資源量經(jīng)過計(jì)算而得的生態(tài)足跡[17]。參考國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，水資源生態(tài)足跡分為兩部分，即淡水生態(tài)足跡和水污染生態(tài)足跡。

3.1.1 淡水生態(tài)足跡

結(jié)合湖北省的水資源利用現(xiàn)狀，淡水生態(tài)足跡分為生產(chǎn)用水、生活用水、生態(tài)用水三部分，參考黃林楠等[18]的研究，采用如下計(jì)算模型，即：

(1)

EFi=N·efi=γ(Wi/pw) 。

(2)

式中：EFfw為淡水生態(tài)足跡(hm2)；EFi為第i類水資源生態(tài)足跡(hm2)；i為水資源利用類型；N為人口數(shù)；efi為第i類水資源人均生態(tài)足跡(hm2/cap)；γ為水資源全球均衡因子；Wi為第i類消耗的水資源量(m3)；pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力(m3/hm2)。根據(jù)黃林楠等[18]的研究，γ取值為5.19，pw取值為3 140 m3/hm2。

3.1.2 水污染生態(tài)足跡

根據(jù)洪輝等[19]的研究，水污染生態(tài)足跡計(jì)算方法為

EFww=N·efww=γ(Ww/pw) 。

(3)

式中：EFww為水污染生態(tài)足跡(hm2)；Ww為污染稀釋凈化需水量(m3)。

根據(jù)劉子剛等[20]的研究，對(duì)于湖北省的污染稀釋凈化需水量的計(jì)算采用零維水質(zhì)模型，計(jì)算方法為

(4)

式中：W為污染物排放量，以COD排放量計(jì)算(t/a)；K為污染物綜合降解系數(shù)(d-1)；Cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度(mg/L)。

根據(jù)《湖北省水資源公報(bào)》和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[21]，湖北省內(nèi) Ⅱ 類水河段占比65.4%，Ⅲ 類水河段占比25.0%，Ⅱ 類水體COD濃度為15 mg/L，Ⅲ 類水體COD濃度為20 mg/L，綜合計(jì)算得Cs為16.8 mg/L。參考傅慧源[22]和卓海華等[23]研究，湖北省污染物綜合降解系數(shù)K取值為0.1。

結(jié)合水資源生態(tài)足跡的理論意義，水資源生態(tài)足跡為淡水生態(tài)足跡和水污染生態(tài)足跡兩者之和，其計(jì)算公式為

EFw=EFfw+EFww。

(5)

3.2 水資源生態(tài)承載力

水資源生態(tài)承載力是指在固定時(shí)間段內(nèi)某地區(qū)的水資源量可供當(dāng)?shù)厝丝?、社?huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的承載能力，而一個(gè)地區(qū)的水資源利用率不可能達(dá)到100%。根據(jù)相關(guān)研究，在水資源生態(tài)承載力計(jì)算中?？紤]為只有40%的水資源用于維持人口、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[24]，即計(jì)算式乘上系數(shù)0.4，采用的計(jì)算模型為[18]

ECw=N·ecw=0.4ψγ(Q/pw) 。

(6)

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/cap)；ψ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子；Q為區(qū)域水資源總量(m3)。

參考范曉秋[25]的計(jì)算方法，某一個(gè)區(qū)域的水資源產(chǎn)量因子為該地區(qū)的水資源平均生產(chǎn)能力(產(chǎn)水模數(shù))與全球水資源平均生產(chǎn)能力的比值。根據(jù)《湖北省水資源公報(bào)》數(shù)據(jù)，可計(jì)算得湖北省2005—2018年以及17個(gè)地市(州)的水資源產(chǎn)量因子。

3.3 水資源生態(tài)盈余(赤字)

生態(tài)盈余和生態(tài)赤字是用于評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的水資源利用狀況而提出的概念，是將生態(tài)承載力和生態(tài)足跡進(jìn)行比較，根據(jù)大小關(guān)系判斷該地區(qū)為生態(tài)盈余或生態(tài)赤字，具體方法為

生態(tài)盈余(赤字)=ECw-EFw。

(7)

當(dāng)計(jì)算結(jié)果為正時(shí)，表明該地區(qū)為生態(tài)盈余，水資源呈可持續(xù)利用狀態(tài)；當(dāng)計(jì)算結(jié)果為0時(shí)，表明該地區(qū)為生態(tài)平衡；當(dāng)計(jì)算結(jié)果為負(fù)時(shí)，表明該地區(qū)為生態(tài)赤字，水資源短缺，不利于該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

3.4 萬元GDP水資源生態(tài)足跡

萬元國(guó)民生產(chǎn)總值(GDP)水資源生態(tài)足跡是用于衡量水資源利用效率的指標(biāo)，它是地區(qū)的水資源生態(tài)足跡與GDP的比值，該數(shù)值越大，說明地區(qū)水資源利用效率越低；反之，地區(qū)水資源利用效率越高。其計(jì)算方法為[26]

(8)

3.5 水資源負(fù)載指數(shù)

水資源負(fù)載指數(shù)的作用是將一個(gè)地區(qū)的水資源量、人口、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值、降水等結(jié)合起來，用于反映該地區(qū)的水資源利用情況，并對(duì)將來的水資源開發(fā)難易程度作出評(píng)價(jià)，其計(jì)算方法為[27]

(9)

式中：c為水資源負(fù)載指數(shù)；P為人口數(shù)(萬人)；G為國(guó)民生產(chǎn)總值(億元)；Q為水資源總量(億m3)；k為與降水量相關(guān)的系數(shù)，其計(jì)算式為[28]

式中R為降水量(mm)。

水資源負(fù)載指數(shù)與水資源利用情況的關(guān)系見表1。

表1 水資源負(fù)載指數(shù)分級(jí)Table 1 Classification of water resources load index

4 湖北省水生態(tài)足跡年際變化

根據(jù)所有數(shù)據(jù)，利用式(1)—式(10)，計(jì)算得2005—2018年湖北省水資源生態(tài)足跡、生態(tài)承載力、生態(tài)盈余(赤字)、萬元GDP水資源生態(tài)足跡和水資源負(fù)載指數(shù)，見表2和表3，將表2和表3中數(shù)據(jù)在Excel中繪制成年際變化圖，見圖1。

表2 2005—2018年水資源生態(tài)足跡Table 2 Ecological footprint of water resources from 2005-2018

表3 2005—2018年水資源生態(tài)承載力、生態(tài)盈余(赤字)、萬元GDP生態(tài)足跡、負(fù)載指數(shù)Table 3 Ecological carrying capacity of water resources,ecological surplus(deficit), ecological footprint of 10 000 yuan GDP, and load index from 2005-2018

由表2和圖1可以看出，2005—2018年，湖北省水資源生態(tài)足跡逐年上升，其中生產(chǎn)用水生態(tài)足跡占據(jù)水資源生態(tài)足跡的絕大部分，超過80%，說明在生產(chǎn)中還需采取節(jié)水措施；生活用水生態(tài)足跡逐年增大，這和人民生活水平提高和人口增長(zhǎng)有關(guān)；生態(tài)用水生態(tài)足跡增長(zhǎng)巨大，表明隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)對(duì)于生態(tài)環(huán)境高度關(guān)注；水污染生態(tài)足跡有一定

圖1 各指標(biāo)年際變化Fig.1 Inter-annual changes of water resources

程度增長(zhǎng)，要求湖北省內(nèi)對(duì)于水污染的控制應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)。而水資源生態(tài)承載力年際變化很大，這與湖北省各年的降水量相關(guān)，導(dǎo)致湖北省在2005—2018年間雖無生態(tài)赤字年份，但水資源生態(tài)盈余變化極大。水資源負(fù)載指數(shù)波動(dòng)明顯且總體呈上升趨勢(shì)；2005—2018年，隨著生產(chǎn)行業(yè)用水技術(shù)的提高和先進(jìn)生產(chǎn)工藝的出現(xiàn)，萬元GDP水資源生態(tài)足跡逐年下降。

5 湖北省水生態(tài)足跡空間分布

根據(jù) 2005—2018 年湖北省年降水量和湖北省多年平均降水量， 湖北省多年平均降水量為1 166 mm， 結(jié)合2005—2018年逐年的降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行排位， 參考典型不利的原則， 選取2016年、2015年和2011年分別作為豐水、 平水和枯水典型年， 計(jì)算當(dāng)年湖北省內(nèi)17個(gè)地市(州)的人均水資源生態(tài)足跡、 生態(tài)承載力、 生態(tài)盈余(赤字)以及水資源負(fù)載指數(shù)和萬元GDP水資源生態(tài)足跡， 利用ArcGIS 10.2將其繪制在湖北省行政區(qū)劃圖上， 得到湖北省水生態(tài)足跡空間分布， 見圖2—圖4。

圖2 豐水年(2016年)空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecological footprints in a wet year (2016)

圖3 平水年(2015年)空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecological footprints in a flat year (2015)

圖4 枯水年(2011年)空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological footprints in a dry year (2011)

由圖2—圖4可以看出，在3個(gè)典型年，鄂州、襄陽、荊門的人均水資源生態(tài)足跡較大，神農(nóng)架、恩施、十堰的人均水資源生態(tài)足跡較?。簧褶r(nóng)架、恩施、咸寧人均水資源生態(tài)盈余較大，襄陽、孝感、鄂州的人均水資源生態(tài)赤字較為嚴(yán)重；恩施、咸寧、神農(nóng)架水資源負(fù)載指數(shù)較小，水資源負(fù)載指數(shù)最大的3座城市的則是武漢、襄陽、孝感，這與當(dāng)?shù)厝丝诤徒?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有密切關(guān)系；武漢、宜昌、黃石萬元GDP水資源生態(tài)足跡最小，說明這3座城市用水效率較高，而荊州、孝感、黃岡的萬元GDP水資源生態(tài)足跡則較大。

6 結(jié) 論

通過對(duì)于湖北省2005—2018年水資源生態(tài)足跡、水資源生態(tài)承載力、水資源生態(tài)盈余(赤字)、水資源負(fù)載指數(shù)和萬元GDP生態(tài)足跡的計(jì)算，經(jīng)分析，得到如下結(jié)論：

(1)2005—2018年湖北省水資源生態(tài)足跡呈逐年上升趨勢(shì)，2018年水資源生態(tài)足跡相比2005年增長(zhǎng)17.19%，其中，生產(chǎn)用水生態(tài)足跡增長(zhǎng)14.60%，生活用水生態(tài)足跡增長(zhǎng)39.82%，生態(tài)用水生態(tài)足跡增長(zhǎng)15.5倍，水污染生態(tài)足跡增長(zhǎng)20.12%。在水資源生態(tài)足跡的組成部分中，水污染生態(tài)足跡占比極低，僅占0.97%。

(2)湖北省2005—2018年的水資源生態(tài)承載力年際變化極大，2016年水資源生態(tài)承載力為最低年份2006年的5.49倍，因而湖北省水資源生態(tài)盈余(赤字)有明顯年際波動(dòng)，2016年水資源生態(tài)盈余為最低年份2006年的66.05倍。

(3)水資源負(fù)載指數(shù)年際變化明顯，但總體而言為上升趨勢(shì)，2018年水資源負(fù)載指數(shù)較2005年上升172.12%；萬元GDP水資源生態(tài)足跡逐年下降，2018年萬元GDP水資源生態(tài)足跡相比2005年下降80.26%。

(4)從空間分布上看，武漢、襄陽、孝感3座城市水資源負(fù)載指數(shù)較大，3個(gè)典型年平均負(fù)載指數(shù)達(dá)到Ⅰ級(jí)；神農(nóng)架、恩施、咸寧3座城市水資源負(fù)載指數(shù)較小，3個(gè)典型年平均負(fù)載指數(shù)均在Ⅲ級(jí)以下，其中神農(nóng)架為Ⅴ級(jí)。

湖北省水資源較豐富，為可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，但省內(nèi)水資源分布不均，結(jié)合17個(gè)地市(州)各自的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r，導(dǎo)致各地水資源利用情況差異很大，鄂西南用水壓力較小，但武漢城市圈以及鄂西北的襄陽市用水壓力很大，為此需采取節(jié)約用水、開發(fā)高效用水技術(shù)、開展跨區(qū)域調(diào)水等措施以緩解上述地區(qū)較為嚴(yán)重的水負(fù)載現(xiàn)狀。