基于生態(tài)足跡法的徒駭河-馬頰河流域水資源承載力動態(tài)分析與預測

李 謹，董亞軍，傅 新，焦 貞，劉魯霞

(1. 濟南大學 水利與環(huán)境學院，山東 濟南 250022；2. 聊城市水利局，山東 聊城 252000)

水作為資源環(huán)境的重要組成部分，與社會經濟發(fā)展和人民生活質量密切相關。隨著人口增長和社會經濟發(fā)展，人類對水資源的需求不斷增加，區(qū)域水資源供需不平衡導致的水資源短缺問題已經成為水資源管理和資源可持續(xù)性研究關注的焦點[1-2]。水資源承載力包含在各種自然資源承載力之內，是自然資源承載力的重要組成部分，同時水資源承載力在區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展過程中，對確定區(qū)域綜合發(fā)展規(guī)模至關重要[3]。目前水資源承載力研究多數集中于省、市或行政區(qū)域研究[4-6]，涉及完整流域的水資源承載力研究相對較少。在研究方法層面上，已有研究主要采用模糊綜合評判法[7-9]、人工神經網絡[10]、集對分析分理論[11]等；但由于水資源可持續(xù)利用系統(tǒng)的不確定性，水資源指標評價方法和標準尚未統(tǒng)一[12]，因此精細化定量建模估算和動態(tài)分析仍有待深入探討。

近年來，生態(tài)足跡法逐漸得到國內外研究學者的關注，如資源承載力評估[13-14]、生態(tài)環(huán)境質量變化的復雜性分析[15]等。該方法將不同資源轉化為標準生產用地面積來評估可持續(xù)性。當前，國內開始應用生態(tài)足跡法開展流域水資源承載力的研究，主要涉及黑河流域[16-17]、伊犁河流域[18]、疏勒河流域[19]、石羊河流域[20]、長江流域[21]等。水資源生態(tài)足跡研究通常只聚焦于研究區(qū)內不同部門的水資源消耗和再生，而不考慮區(qū)外來水，因此，除非是全球尺度或封閉系統(tǒng)(如整個流域水資源)，否則應用生態(tài)足跡評估單尺度的水資源生態(tài)足跡尚不夠精確[16]。此外，由于水資源生態(tài)足跡是水資源過去和現在狀態(tài)的靜態(tài)評估，因此無法直接應用于水資源管理與規(guī)劃。

徒駭河-馬頰河流域是海河流域的三大水系之一，是山東省重要的農業(yè)區(qū)，水資源短缺，水環(huán)境污染嚴重，加之開發(fā)建設，流域濕地萎縮，生物物種銳減，流域生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，如何在保證經濟社會穩(wěn)定發(fā)展的同時，不損害生態(tài)環(huán)境的利益，是該流域亟待解決的難題。

本文中在流域尺度和城市尺度上分析徒駭河-馬頰河流域水資源生態(tài)足跡及承載力，目的在于整體把握該流域生態(tài)足跡和水資源承載力動態(tài)變化，綜合考慮資源、社會、生態(tài)等多個相關數據因素[22]，構建水資源承載力模型；引入灰色拓撲模型對該流域水資源承載力進行預測，以期服務于流域水資源管理和可持續(xù)利用。

1 研究區(qū)概況

徒駭河-馬頰河流域位于海河流域南部，南依黃河，東臨渤海，西倚太行，地理位置為東經115°00′—119°00′、北緯35°30′—38°00′，如圖1所示。流域面積26 141 km2。徒駭河、馬頰河分別流經山東省聊城、德州、濟南、濱州四市的26 個縣(市、區(qū))，包括德州、聊城、濱州市的絕大部分，濟南市的小部分行政區(qū)域。流經行政區(qū)域人口密度大，均大于全國平均水平，特別是聊城市，其人口密度是全國平均人口密度的4倍多，區(qū)域供用水矛盾問題突出。兩河分別在山東省無棣縣沙頭堡村東注入渤海，是山東省海河流域主要的排水河道之一。該流域受黃河泛濫沖積影響，地形地貌復雜，形成崗、坡、洼分散分布，微地貌變化很大。年平均降水量為564 mm，主要集中在汛期(6—9 月)，年平均氣溫為12.7 ℃，年平均水面蒸發(fā)量為1 200 mm，5—6 月占全年蒸發(fā)量的1/3，年際變化不大，年內分配不均。該區(qū)位于溫帶季風氣候區(qū)，空氣濕潤，土壤肥沃，屬黃河沖積平原，是山東省重要的糧棉產區(qū)和能源基地，具有重要的經濟和戰(zhàn)略地位。

圖1 徒駭河-馬頰河流域地理位置 徒駭河-馬頰河流域地理位置地圖由標準地圖服務系統(tǒng)網站下載，地圖審批號為GS(2019)3333(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0210%22)，通過軟件Arcgis 10.7經數據化處理后得到。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文中以徒駭河-馬頰河流域所涉及26個縣(市、區(qū))的統(tǒng)計數據為主，通過分析水資源生態(tài)足跡及承載力的時空特征，進一步預測流域水資源承載力趨勢。流域所在縣域的居民生活用水、農業(yè)用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水和生態(tài)環(huán)境用水的數量，水資源總量，部分社會經濟數據等主要數據來源于2003—2019年的《中國縣域統(tǒng)計年鑒》《山東省統(tǒng)計年鑒》、山東省水資源公報、部分縣統(tǒng)計資料以及流域各水文站多年的水文監(jiān)測數據。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)足跡法

生態(tài)足跡法由加拿大經濟學家William于20世紀90年代首次提出，從生物物理量的角度出發(fā)，將各種資源和能源消耗折算為土地面積，以判斷生態(tài)系統(tǒng)是否處于可載狀態(tài)，其本質是對研究區(qū)土地資源生產能力進行估測[23]。水資源生態(tài)足跡法中，水資源的可持續(xù)利用程度主要通過水資源的生態(tài)盈余和生態(tài)赤字情況來衡量，計算得到的水資源承載力兼具自然屬性、社會屬性以及空間屬性。生態(tài)足跡理論說明，水資源生態(tài)足跡是在特定人口和經濟狀況下，將社會發(fā)展、人類生存等必備的水資源量折算為所必須的生態(tài)生產性面積[24]、水資源的生物生產能力來衡量水資源承載力，反映區(qū)域水資源對生態(tài)、經濟和社會系統(tǒng)良性發(fā)展的支撐能力[25]，因此需要構建水資源二級賬戶來分析流域水資源承載力。

根據徒駭河-馬頰河流域用水特點及水資源生態(tài)足跡的意義來分類，將水資源用水賬戶分為5 個二級賬戶，分別為生活用水足跡、農業(yè)用水足跡、工業(yè)用水足跡、城鎮(zhèn)公共用水足跡以及生態(tài)環(huán)境用水足跡，具體計算公式為

V=0.4γφW/p，

(1)

F=γW/p，

(2)

式中：V為水資源承載力；γ為均衡因子，為便于分析比較，本文中的水資源均衡因子計算值由世界自然基金會2002年研究報告確定，為5.19；φ為估算區(qū)域的水資源產量因子，由區(qū)域單位面積產水量與世界平均水資源生產能力的比值來表示；W為估算區(qū)域內的水資源總量，其計算方法為該區(qū)域內地表水資源量加上地下水資源量再減去其重復計算量；p為世界水資源平均生產能力；F為生態(tài)足跡。若一個國家或地區(qū)的水資源開發(fā)利用率超過30%～40%，可能引起生態(tài)環(huán)境惡化，考慮到維持生態(tài)環(huán)境平衡的要求，必須扣除其國家或地區(qū)的水資源承載力中的60%[26-27]。

2.2.2 水資源壓力指數

水資源壓力指數為區(qū)域水資源用水足跡與水資源承載力的比值，其數值表征了區(qū)域水生態(tài)壓力的大小[28]，可反映水資源的可持續(xù)利用水平，其計算公式為

Yj=Fj/Vj，

(3)

式中：Yj為第j年的水資源壓力指數；Fj為第j年的區(qū)域水資源用水足跡；Vj為第j年的水資源承載力。當Yj>1時，水資源消費量大于供給量，水資源利用處于不安全狀態(tài)；當0

2.2.3 水資源集約利用度

集約利用度是一個國家或地區(qū)萬元國內生產總值(GDP)與水資源生態(tài)足跡的比值，是一個考慮經濟發(fā)展情況對水資源利用效率的重要指標[30]，用來描述一個國家或地區(qū)的用水消耗情況，數值越大，說明該國家或地區(qū)用水效率越高，反之越小，其計算公式為

Jt=Gt/Ft，

(4)

式中：Jt為第t年的集約利用度；Gt為第t年的國家或地區(qū)萬元GDP；Ft為第t年的水資源生態(tài)足跡。

2.2.4 灰色拓撲模型

灰色模型GM(1,1)作為一種風險評估與預測的理論[31]，可以反映數據發(fā)展的趨勢，且對樣本量的要求低，建模所需信息少[32]，是近年來發(fā)展成熟的小樣本預測的有效方法。其中的拓撲預測是根據現有圖形和數據按照系統(tǒng)特征值，對原始數據的波形繼續(xù)進行分層次預測，適用于差異較大、變化頻繁的數據，是GM(1,1)模型群的預測。本文中使用的GM(1,1)模型基本形式為

(5)

根據后驗差的比值C和小誤差概率P可以判斷GM(1, 1)模型的精度檢驗等級，精度檢驗等級表見表1。

表1 GM(1,1)模型精度檢驗等級

3 結果與分析

基于水資源生態(tài)足跡估算模型和現有統(tǒng)計數據，定量計算流域范圍內各縣域5 個賬戶的水資源生態(tài)足跡，進而在城市尺度和流域尺度上分別分析生態(tài)足跡和承載力的時空動態(tài)特征，判斷徒駭河-馬頰河流域水資源是否滿足區(qū)域發(fā)展需求及可持續(xù)發(fā)展水平。

3.1 城市尺度分析

3.1.1 城市水資源生態(tài)足跡和水資源承載力動態(tài)分析

徒駭河-馬頰河流域城市尺度各賬戶生態(tài)足跡如圖2所示。從整體來看： 農業(yè)用水是各城市中水資源消耗量最大的，比其他用水量大約一個數量級，平均值占總足跡的85%；工業(yè)用水和居民生活用水次之；城鎮(zhèn)公共用水和生態(tài)環(huán)境用水對水資源的需求相對較低。

(a)濟南市(b)德州市(c)聊城市(d)濱州市圖2 徒駭河-馬頰河流域城市尺度各二級賬戶水資源生態(tài)足跡

從不同城市來看，2003—2019年間4個城市居民生活用水量與工業(yè)用水量兩者總體相差不大，生活用水量較為穩(wěn)定，而工業(yè)用水量及生態(tài)環(huán)境用水量變化明顯。其中，聊城市工業(yè)用水量和居民生活用水量平均值最大，約為3.30×103、2.36×103km2。由圖2可以看出，4個城市在2016—2019年間生態(tài)環(huán)境用水量出現了不同程度的激增，說明城市生態(tài)環(huán)境保護得到重視。

徒駭河-馬頰河流域各城市水資源總生態(tài)足跡和水資源承載力如圖3所示。由各城市總生態(tài)足跡值可知，德州市是該流域水資源消耗最多的城市，生態(tài)足跡平均值為3.55×104km2。各城市水資源供給情況顯示，德州市的水資源承載力均高于該流域其他3 個城市，承載力均值約為4.25×103km2，聊城市水資源承載力次之，濟南和濱州2個城市的承載力均較低且變化趨勢較為平穩(wěn)。

圖3 徒駭河-馬頰河流域各城市水資源生態(tài)足跡和水資源承載力

3.1.2 城市水資源壓力指數狀況分析

圖4所示為2003—2019年徒駭河-馬頰河流域水資源壓力指數。由圖可知，該流域水資源壓力指數均大于1，區(qū)間范圍為3～35，表明水資源消耗量均大于可供給量，流域水資源量利用過度，且遠低于可持續(xù)利用水平。4個城市水資源壓力指數的多年變化趨勢相近，總體呈現兩邊高中間低的狀態(tài)，但是聊城市2006年水資源壓力指數激增，達到34.91。根據山東省水資源公報統(tǒng)計，2006年全省屬于偏枯水年，水資源總量顯著減少，導致4個城市的水資源壓力指數值較大，尤其是聊城市，水資源生態(tài)足跡約為該市水資源承載力的35倍?？傮w來看，徒駭河-馬頰河流域城市水資源利用均處于嚴重不可持續(xù)狀態(tài)，其中聊城市不可持續(xù)水平程度最高，水資源壓力指數平均接近12。

圖4 徒駭河-馬頰河流域各城市水資源壓力指數

3.1.3 城市水資源集約利用度狀況分析

圖5所示為2003—2019年徒駭河-馬頰河流域各城市水資源集約利用度。由圖可以看出，2003—2019年間，各城市水資源集約利用度明顯提高，說明用水效率逐年升高，其中濟南、聊城兩市用水效率提高顯著，集約利用度均提高至2003年的7倍以上。

圖5 徒駭河-馬頰河流域各城市水資源集約利用度

3.2 流域尺度分析

流域支流間水資源具有一定的流動性，在生態(tài)足跡模型和城市尺度的水資源可持續(xù)水平的基礎上，本文中進一步分析了徒駭河-馬頰河流域在流域尺度上的水資源利用狀況。

3.2.1 水資源生態(tài)足跡和承載力動態(tài)分析

圖6所示為徒駭河-馬頰河流域流域水資源生態(tài)足跡及承載力。由圖可知，該流域總水資源生態(tài)足跡的起伏變化并不顯著，多年平均值為9.72×104km2，2006年流域總水資源生態(tài)足跡數值最大，為11.28×104km2，2006—2011年間流域總水資源生態(tài)足跡值逐年遞減，于2011年達最小值8.83×104km2，隨后呈現遞增趨勢，于2019年達到10.03×104km2。與各賬戶生態(tài)足跡相關性分析可知，總水資源生態(tài)足跡與農業(yè)用水足跡呈顯著正相關，該流域水資源承載力平均值為1.10×104km2，2014年出現最小值，為5.41×103km2。徒駭河-馬頰河流域是一個傳統(tǒng)的農業(yè)產區(qū)，農田灌溉歷史悠久，是山東省重要的糧棉生產基地，灌溉用水需求較大，因此農業(yè)用水是流域水資源的主要用水消耗單元。

3.2.2 水資源集約利用度狀況分析

徒駭河-馬頰河流域水資源集約利用度情況如圖7(a)所示。從圖中可以看到，2003—2019年流域水資源集約利用度呈明顯的逐年遞增趨勢，且2010—2011年增長最快，為270.97萬元/km2，于2019年達到1.87×103萬元/km2。水資源集約利用度的不斷增加說明該流域水資源利用效率不斷向好發(fā)展，用水問題得到一定改善。

圖6 徒駭河-馬頰河流域水資源生態(tài)足跡及承載力

3.2.3 流域水資源壓力指數狀況分析

圖7(b)所示為2003—2019年徒駭河-馬頰河流域的流域尺度水資源壓力指數狀況。由圖可見，流域水資源壓力指數均大于4，其中2006、2008、2014年的指數值均大于15。從整體來看，該流域水資源壓力指數以2011年為節(jié)點，2003—2011年呈下降趨勢，2011—2019年呈上升趨勢，表明該流域水資源開發(fā)利用條件困難，整個流域水資源利用呈現顯著的不可持續(xù)模式。

由Pearson相關性計算可知，徒駭河-馬頰河流域水資源承載力、水資源壓力指數與年均氣溫間的相關系數值分別為-0.663、0.677，分別呈現負相關、正相關關系；水資源承載力、水資源壓力指數與年降雨量間的相關系數值分別為0.811、-0.914，分別呈現顯著正相關、顯著負相關關系，說明該流域水資源問題的根源在于供需不平衡。盡管徒駭河-馬頰河流域水資源利用情況呈現改善趨勢，但流域水資源開發(fā)利用效率仍需進一步提高，在水資源供給一定的前提下調整產業(yè)結構，提高水資源利用效率，必要時需采取區(qū)域外調水來緩解水資源緊張的狀況。

(a)水資源集約利用(b)水資源壓力指數圖7 徒駭河-馬頰河流域水資源相關指數

3.3 水資源承載力預測結果與分析

根據2003—2019年徒駭河-馬頰河流域水資源承載力數據分布特征，遵循科學性、全面性和系統(tǒng)性的原則，選取不等間隔的數值(6 500、8 000、10 000、12 500、14 000、16 300、18 000、19 500)為閾值，求得相應的預測模型和精度見表2。由表可知，模型精度均為合格以上，可以用來進行水資源承載力預測。

選用精度較高的6個模型，預測得到徒駭河-馬頰河流域水資源承載力發(fā)展趨勢如圖8所示，基于2003—2019年已知的流域水資源承載力，得到了2003—2030年的流域水資源承載力預測區(qū)間。通過實測值與預測值的對比可以看出，該流域水資源承載力預測值與已有實測值的變化較為吻合。2010年的水資源承載力遠高于其他時間點的，原因主要是這一年流域降水量大。2010年以來，水資源承載力整體呈下降趨勢，表明水資源制約著區(qū)域社會經濟發(fā)展。

表2 徒駭河-馬頰河流域水資源承載力預測模型與精度

圖8 徒駭河-馬頰河流域水資源承載力預測結果

由圖8中水資源承載力預測下限可以看出，2020—2030年間，該流域水資源承載力發(fā)展較為平穩(wěn)，而水資源承載力預測上限呈連續(xù)起伏型穩(wěn)中向好趨勢，2030年水資源承載力約為7.86×103～2.10×104km2，說明近幾年來在各地政府強調水資源合理利用，推廣農業(yè)節(jié)水灌溉，加強水環(huán)境治理的政策驅動和引導下，水資源條件呈現穩(wěn)中向好的發(fā)展態(tài)勢，但是加強水資源管理，合理有效地利用有限的水資源依然是該流域保持水資源可持續(xù)利用的當務之急。

4 結論

本文中基于生態(tài)足法，引入多尺度分析框架，從城市尺度和流域尺度分別進行水資源生態(tài)足跡和水資源承載力等方面的分析，并預測徒駭河-馬頰河流域水資源承載能力，分析流域水資源可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢，得到如下結論：

1)城市尺度水資源生態(tài)足跡分析顯示，農業(yè)用水是該流域最主要的水資源消耗，其他用水與農業(yè)用水相差至少1個數量級，但工業(yè)用水量和生態(tài)環(huán)境用水量出現突增，說明隨著城市化進程加速、經濟快速發(fā)展和人民環(huán)保意識的喚醒，這2個部門的用水需求量加大。從整體來看，聊城、德州、濟南、濱州4個城市水資源壓力指數在2003—2019年均大于3，水資源利用仍處于不安全狀態(tài)，生態(tài)壓力問題依然突出，但是在近幾年政府政策的驅動和引導下，水資源利用效率均有所提高，其中濟南、聊城兩市提高幅度最大。

2)在流域尺度上，徒駭河-馬頰河流域總水資源生態(tài)足跡起伏變化較小，時間序列上自2006年以來呈現緩慢降低趨勢，于2011年達最小值，隨后變化趨勢較為平穩(wěn)，但是數值遠大于水資源承載力。綜合來看，2003—2019年間流域水資源集約利用度呈明顯上升趨勢，水資源利用效率不斷提高，水資源壓力指數均大于4，整個流域水資源利用多年來處于不可持續(xù)狀態(tài)。

3)利用GM(1, 1)模型預測的徒駭河-馬頰河流域水資源承載力表明，2020—2030年該流域水資源承載力總體呈現穩(wěn)中向好趨勢，節(jié)約高效的用水措施取得了一定成效，但是面對水資源供需不平衡、水資源的過度開發(fā)等嚴峻現實，各城市需要繼續(xù)加大力度，通過推廣農田節(jié)水灌溉、加快調整產業(yè)結構布局、轉變合理用水方式等措施，努力使流域的水資源開發(fā)利用走向可持續(xù)發(fā)展。

受限于數據統(tǒng)計方式，本文中僅從地級城市和流域尺度分析徒駭河-馬頰河流域水資源承載力及水資源可持續(xù)發(fā)展狀況，難以精細地表達空間差異，今后有必要整合多源數據從精細化空間尺度上進一步深入分析流域水資源利用。此外，本文中構建的生態(tài)足跡模型中涉及的均衡因子，有待結合流域實際特征進行相應的修正和細化，提高模型估算精度。