基于生態(tài)足跡法的山西省水資源承載能力研究

張建龍，馮慧敏

（1.山西省水利建設開發(fā)中心，太原 030002；2.山西農業(yè)大學 林學院，山西 晉中 030801）

0 引 言

承載能力（Carrying Capacity）是力學概念承載力（Bearing Capacity）的延伸和發(fā)展，承載能力的研究是由靜態(tài)向動態(tài)，無交互向交互影響轉變的過程，人們通常采用該指標來表達區(qū)域對外部環(huán)境變化的最大承載力。近年來，隨著可持續(xù)發(fā)展理念的提出，有些學者在對水資源、水環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展不斷認識的基礎上，提出了 “水資源承載能力”（Carrying Capacity of Water Resources）的概念[1－4]。由于我國水環(huán)境污染日益嚴重以及水資源的緊缺，已嚴重威脅人類自身的生存，對水資源承載能力的研究也亟需加強。水資源承載能力是眾多資源承載能力問題中較為復雜的一種，其涉及的內容復雜、影響因素多且處于動態(tài)變化中，上世紀90年代以來，關于水資源承載能力的研究方興未艾，各種觀點、概念、方法不斷涌現(xiàn)，但迄今為止仍然沒有形成一個系統(tǒng)的、科學的理論體系。不可否認，關于對水資源承載能力的研究也取得了一定的成果。但也還存在著理論基礎不完善、無公認的承載能力指標體系等問題，還存在不少不盡人意的地方。鑒于生態(tài)足跡法具有可操縱性強、計算結果直觀、能體現(xiàn)區(qū)域的可比性等優(yōu)點，因此本文以2001～2010年的山西省水資源、用水及人口資料為基礎，利用生態(tài)足跡模型進行水資源承載能力研究，以期為山西省水資源的科學管理和合理開發(fā)利用提供一定的參考依據(jù)。

1 山西省區(qū)域概況

山西省地處華北地區(qū)西部，地理坐標為E110°14′～E114°33′，N34°34′～N40°43′。南北長約680 km，東西寬約380km，總面積為156271km2，河流分屬海河和黃河兩大流域，其中海河流域為59133km2，占全省的37.84%，黃河流域為97138km2，占全省的62.16%。全省共有集水面積＞100km2的河流240多條，集水面積＞3000km2的較大河流有10條。全省1956～2000年多年平均水資源總量123.8×108m3，多年平均水資源可利用量為83.77×108m3，占多年平均水資源總量的67.7%。2010年全省人口3574萬人，其中城鎮(zhèn)人口1717萬人，全年地區(qū)生產總值為9200億元，其中第一產業(yè)554億元，第二產業(yè)5234億元，第三產業(yè)3412億元。山西省是全國的能源重化工基地，目前已基本形成了以重工業(yè)為主，以煤炭、電力、冶金、化工、機械為主要支柱的工業(yè)體系，新興產業(yè)和高新技術產業(yè)、各種制造加工工業(yè)、服務業(yè)都在迅速發(fā)展。在經濟社會快速發(fā)展的同時，對水資源的需求急劇增加，山西省的水資源能否支撐將來的用水需求，能否支撐經濟社會的可持續(xù)發(fā)展，是政府十分關心的問題，也是迫切需要研究的問題。

2 生態(tài)足跡模型

1992年，生態(tài)經濟學家Willam Rees最早提出了生態(tài)足跡的概念，后來經過Wackemage等人不斷完善，使得生態(tài)足跡法成為一種能夠衡量自然界為人類提供的生命支持服務功能和人類對自然資源利用程度的方法[5－6]。水資源生態(tài)足跡模型是以水資源總量（或水資源可利用量）和水資源的開發(fā)利用為基礎，同給定的人口生態(tài)承載能力進行比較，進行水資源承載能力的研究，該指標能較好地測量和定量分析人類社會活動對水生態(tài)環(huán)境的影響。

根據(jù)不同用水戶的特性，本文將水資源生態(tài)足跡賬戶分為生產用水、生態(tài)用水和生活用水足跡，其模型計算包括水資源承載能力和水資源生態(tài)足跡計算兩個部分。

2.1 水資源生態(tài)足跡

依據(jù)生態(tài)足跡理論，水生態(tài)足跡的計算基于以下兩個基本事實：①人類可以確定自身開發(fā)利用的絕大多數(shù)水資源及其所產生的廢污水量；②這些開發(fā)利用的水資源和廢污水能轉換成相應的生物生產面積。利用生產用水、生態(tài)用水和生活用水足跡構建水資源生態(tài)足跡模型如下：

式中EFw為總生態(tài)足跡（hm2）；efw為人均生態(tài)足跡（hm2／cap）；N 為人口總數(shù)；rw（rw＝5.19）為水資源的全球均衡因子；pw（pw＝3140m3／hm2）為水資源全球平均生產能力（m3／hm2）；W為人均消耗水資源量（m3）。

2.1.1 生產用水足跡

生產用水包括第一產業(yè)、第二產業(yè)和第三產業(yè)用水。根據(jù)生產用水特點，本文生產用水主要計算農業(yè)用水、工業(yè)用水、三產用水3個部分。生產用水足跡的計算公式為：

式中EFIi為生產用水生態(tài)足跡（hm2）；efIi為人均生產用水生態(tài)足跡（hm2／cap）；Wi為生產用水量（m3）；i＝1，2，3分別表示農業(yè)、工業(yè)、三產用水；N、rw符號意義同上。

2.1.2 生態(tài)用水足跡

生態(tài)用水通常包括河道內生態(tài)和河道外生態(tài)用水，生態(tài)用水生態(tài)足跡的計算公式為：

式中EFGw為生態(tài)用水生態(tài)足跡（hm2）；efGw為人均生態(tài)用水生態(tài)足跡（hm2／cap）；WG為生態(tài)用水量（m3），N、rw、pw符號意義同上。

2.1.3 生活用水足跡

生活用水包括城鎮(zhèn)生活用水和農村生活用水。城鎮(zhèn)生活用水由居民用水和公共用水組成，農村生活用水除居民生活用水外還包括畜用水在內。影響生活用水足跡最主要的的因素是人口數(shù)量和人均日綜合用量，生活用水足跡模型可表示為：

式中EFLw為生活用水生態(tài)足跡（hm2）；efLw為人均生活用水生態(tài)足跡（hm2／cap）；WL為生活用水量（m3）；N、rw、pw符號意義同上。

2.2 水資源承載能力

水資源承載能力具有自然和社會的雙重屬性，同樣具有動態(tài)性、跳躍性、相對極限性、模糊性、被承載模式的多樣性、不確定性以及可增強性等特點。除了受水資源系統(tǒng)本身的特性如自然環(huán)境、水資源量等的影響外，其影響因素還包括生產力水平、社會經濟結構、生態(tài)環(huán)境狀態(tài)以及人類的活動能力和意識形態(tài)等水資源客體，同時水資源承載能力主客體的相互作用也是影響水資源承載能力的重要因素。除此之外，水資源承載能力還與水源構成與開發(fā)利用方式、國民經濟發(fā)展規(guī)模及內部結構關系、生態(tài)系統(tǒng)保護范圍及程度、水資源開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護之間的平衡關系、人口發(fā)展與社會經濟發(fā)展的平衡關系等因素有關。

通常，對于一個地區(qū)而言，區(qū)域水資源總量（或可利用量）是水資源承載能力的限定性因素，以一定的時期內區(qū)域水資源總量（或可利用總量）為基礎，結合區(qū)域人口與社會經濟發(fā)展，在生態(tài)足跡理論范疇內水資源承載能力可由下式確定：

式中ECw為水資源承載能力（hm2）；ecw為人均水資源承載能力（hm2／cap）；W為水資源量（m3）；ψw為區(qū)域水資源產量因子；θ為水資源量可利用程度；N、rw、pw符號意義同上。

2.3 水資源盈余和赤字

盈余（Profits）是指人們在水資源開發(fā)利用過程中，將區(qū)域內水資源消耗產生的生態(tài)足跡和水資源承載能力相比較后為正數(shù)，即用會計學的術語來說就是總收入減去總成本為正數(shù)。反之，則可表示為水資源赤字，利用水資源赤字和盈余情況可以判斷某一研究區(qū)域的水資源開發(fā)利用狀況，可為水資源的可持續(xù)利用提供指導。即：

當ECw＞EFw時，表示為水資源盈余；當ECw＝EFw時，表示為水資源平衡；當ECw＜EFw時，表示為水資源赤字。

3 結果分析

本文中水資源量、生產用水、生活用水和生態(tài)用水等數(shù)據(jù)來源于 《2001～2010年山西省水資源公報》，在扣除直接利用黃河水和外調水的基礎上，參照最新的水利普查數(shù)據(jù)進行適當處理；人口數(shù)據(jù)來源于 《2001～2010年山西省統(tǒng)計年鑒》。基本資料見表1。

對于本研究涉及的計算參數(shù)，主要采用前人研究的成果。根據(jù)WWF 2000年核算的均衡因子計算結果，本文水資源的全球均衡因子取5.19，世界水資源平均生產能力取3140m3／hm2；根據(jù)文獻 [7]以及山西省的基本的情況，扣除10%用于維持生態(tài)和生物多樣性的水資源量，參數(shù)θ取值0.90；研究區(qū)域內的水資源用地平均生產力與世界水資源平均生產力的比值區(qū)域可以作為研究區(qū)域的水資源產量因子，根據(jù)山西省水資源量和多年平均產水模數(shù)，計算水資源產量因子為0.2523。

根據(jù)表1中山西省水資源量、用水量以及人口統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，利用式（1）～式（4）計算得到生產用水、生活用水以及生態(tài)用水生態(tài)足跡；利用式（5）計算得到水資源承載能力。計算結果見表2。

根據(jù)表2，從山西省水資源生態(tài)足跡計算結果來看，2001～2010年，山西省人均水資源生態(tài)足跡在逐年上升，由2001年的0.1897hm2／cap上升到2009年的最大值，為0.2224hm2／cap。在水資源生態(tài)足跡的各賬戶中，生產賬戶占最大比重，其中工業(yè)、第三產業(yè)和農業(yè)計算值小于水資源生態(tài)足跡，從變化趨勢看，第二、第三產業(yè)的計算值均變化不大，而農業(yè)水資源生態(tài)足跡呈先遞減再遞增的趨勢。生產賬戶多年平均占有量為80.52%，且所占比例呈逐年下降趨勢；生活賬戶多年平均占有量為17.84%，逐年變化趨勢基本平穩(wěn)；生態(tài)環(huán)境賬戶多年平均所占比例僅為1.64%，但是生態(tài)足跡計算值在逐年升高，由2001年的0.07%上升到2010年的6.47%。從山西省水資源承載能力計算結果來看，最低年份為2001年，為296×104hm2，而最高年份為2003年，為545×104hm2。

表1 山西省水資源量、用水量以及人口情況Table1 List of water resources，water use and population in Shanxi Province

表2 水資源生態(tài)足跡與水資源承載能力計算結果Table2 Results of water resources ecological footprint and carrying capacity

2001～2010年間山西省的水資源生態(tài)足跡，多年平均水資源承載能力383×104hm2，除2003年外其余各年份基本上變化不大，說明山西省的水資源近年水資源量變化不大，人均水資源承載能力變化趨勢基本同水資源承載能力的變化趨勢相一致。從人均水資源承載能力和人均生態(tài)足跡比較看出，生態(tài)足跡均大于水資源承載能力，呈現(xiàn)水資源赤字，多年平均赤字0.0920hm2／cap，2009年最大為 0.1149hm2／cap，2003 年 最小為 0.0280 hm2／cap。

4 結 論

生態(tài)足跡法是一種可以將全球關于人口、水資源應用和水資源有效性匯總為一個簡單的、通用的、便于比較的手段，是一種賬戶工具。本文針對區(qū)域特點，利用生態(tài)足跡法研究了山西省的水資源承載能力，在水資源生態(tài)足跡的各賬戶中，生產賬戶占最大比重，2001～2010年的生態(tài)足跡均大于水資源承載能力。呈現(xiàn)水資源赤字的結果表明山西省的水資源已無進一步開發(fā)利用的空間，應盡量采用外流域調水的方式進行開源，需在強化節(jié)水、提高用水工藝、調整產業(yè)結構等方面提高的水資源利用效率。

[1]姚治君，王建華，江 東，等.區(qū)域水資源承載能力的研究進展及其理論探析 [J].水科學進展，2002，13（1）：111-115.

[2]汪黨獻，王 浩，馬 靜.中國區(qū)域發(fā)展的水資源支撐能力 [J].水利學報，2000，（11）：21-26.

[3]王 煌，楊立彬，張新海，等.西北地區(qū)水資源承載能力研究 [J].水科學進展，2001，12（4）：523-529.

[4]王忠靜.干旱區(qū)內陸河區(qū)水資源承載能力與可持續(xù)利用研究 [D].北京：清華大學，1998.

[5]樊 華.基于生態(tài)足跡理論的陜北生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展研究 [D].北京：北京林業(yè)大學，2010.

[6]黃林楠，張偉新，姜翠玲，等.水資源生態(tài)足跡計算方法 [J].生態(tài)學報，2008，28（3）：1282-1283.

[7]范曉秋.水資源生態(tài)足跡研究與應用 [D].南京：河海大學，2005.