基于生態(tài)足跡法的鄭州市水資源可持續(xù)利用分析

譚 力

（惠州市華禹水利水電工程勘測設(shè)計有限公司，廣東 惠州 516003）

0 引言

20 世紀(jì)末，我國的水資源管理側(cè)重于生產(chǎn)和生活用水，較少考慮生態(tài)用水需求，致使河流生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，人與自然之間的矛盾不斷增加。加之人們不合理地開發(fā)利用水資源，造成了水體惡化、水土流失、生態(tài)退化等生態(tài)環(huán)境問題。 于是，水資源可持續(xù)利用問題開始得到重視。 在水資源可持續(xù)利用分析研究中， 由于影響因素種類多且一些影響因素難以量化，造成評估結(jié)果的不確定性。 因此，選擇合適的評估分析方法是合理、 客觀分析水資源可持續(xù)利用狀況的前提。 常用的水資源評估分析方法有密切值法、指標(biāo)體系評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。 這些方法各有其優(yōu)缺點，如密切值法能對多元－多屬性－多指標(biāo)對象的價值進行評估及優(yōu)選， 但易造成指標(biāo)權(quán)重系數(shù)偏差大，影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性［1］；指標(biāo)體系評價法能定量化指標(biāo)值，但由于指標(biāo)多樣性，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)難以確定，且忽略了指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性［2］；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法考慮了指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，評估結(jié)果較為合理，但對數(shù)據(jù)要求極高且操作較難［3］。 生態(tài)足跡法是一種從生態(tài)角度衡量可持續(xù)發(fā)展程度的方法， 由于其計算簡單、易于操作而得到了廣泛應(yīng)用［4－5］。

鄭州市是河南省省會，位于華北平原南部、黃河下游，總面積7 567 km2。 鄭州市人口基數(shù)大，水資源總量少， 作為國家中心城市和全國重要的交通樞紐城市， 水資源的匱乏嚴(yán)重制約著其經(jīng)濟社會的發(fā)展水平。 筆者試采用生態(tài)足跡法對鄭州市2003～2019年的生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水進行分析，旨在反映鄭州市水資源可持續(xù)利用狀況， 以期為其水資源規(guī)劃和管理提供參考。

1 研究模型

1.1 水資源生態(tài)足跡模型

生態(tài)足跡反映一定區(qū)域生產(chǎn)、 生活所消耗的水資源總和，從而體現(xiàn)水資源的消耗水平［6］。 水資源生態(tài)足跡模型如式（1）所示。

式 中：EFW為 水 資 源 生 態(tài) 足 跡，hm2；efw表 示 人均水資源生態(tài)足跡，hm2／人；N 為人口數(shù)，萬人；rw為全球水均衡因子；W 為水資源用水總量，m3；Pw為全球水資源平均生產(chǎn)能力，m3／hm2。

水資源生態(tài)足跡可以分為3 個方面［7］，其表達式為式（2）～式（4）。

式中：EFpw、EFlw、EFew分別為生產(chǎn)、 生活和生態(tài)用 水 生 態(tài) 足 跡，hm2；efpwi、eflw、efew分 別 表 示 人 均 生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水生態(tài)足跡，hm2／人；Wi、Wl、We分別為生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水量，m3。

1.2 水資源承載力模型

水資源承載力反映區(qū)域水資源供給情況［8］，可表示為式（5）。

式中：EC 為水資源承載力，hm2；c 為水資源產(chǎn)量因子；Q 為水資源總量，m3。

1.3 水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)

（1）水資源生態(tài)盈余。 從供給與需求關(guān)系分析，水資源的需求量與供給量的差值代表生態(tài)盈余或赤字［9］，可用式（6）表示。

若ED>0，則為生態(tài)赤字，說明該地區(qū)水資源過度開發(fā)利用；若ED<0，則為生態(tài)盈余，說明該地區(qū)水資源開發(fā)利用適當(dāng)；若ED=0，則為臨界狀態(tài)，代表該地區(qū)水資源供需平衡。

（2）水資源生態(tài)壓力指數(shù)EP。 水資源生態(tài)壓力指數(shù)EP 用式（7）計算。

按照任志遠等人研究中的等級劃分［10］，當(dāng)EP<0.5 時，表示區(qū)域水生態(tài)環(huán)境處于安全狀態(tài)；當(dāng)0.5≤EP<0.8 時， 表示區(qū)域水生態(tài)環(huán)境為較安全狀態(tài)；當(dāng)0.8≤EP<1 時， 表示區(qū)域水生態(tài)環(huán)境處于臨界狀態(tài)；當(dāng)EP>1 時，表示區(qū)域水生態(tài)環(huán)境為不安全狀態(tài)，此時水資源需求量大于供給量，水資源開發(fā)利用不健康。

2 計算結(jié)果分析

水資源公報數(shù)據(jù)具有較好的可靠性和代表性，能夠合理地反映鄭州市水資源可持續(xù)利用狀況。 本研究以鄭州市2003～2019 年的水資源公報中的水資源狀況和相關(guān)經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 計算鄭州市生態(tài)足跡與水資源承載能力。

2.1 水資源生態(tài)足跡分析

鄭州市2003～2019 年生態(tài)足跡計算結(jié)果如表1所示。

表1 鄭州市2003～2019 年生態(tài)足跡與水資源承載力Tab.1 Ecological footprint and carrying capacity of water resources in Zhengzhou from 2003 to 2019

根據(jù)鄭州市2003～2019 年生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水情況，由生態(tài)足跡模型計算水資源生態(tài)足跡，并繪制人均生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水生態(tài)足跡變化曲線，如圖1 所示。

由圖1 可知， 在鄭州市水資源生態(tài)足跡3 個用水項中，生產(chǎn)用水生態(tài)足跡約占水資源生態(tài)足跡的67%，且呈下降趨勢。 生活用水生態(tài)足跡約占水資源生態(tài)足跡的26%，且呈上升趨勢。 這表明鄭州市人民生活水平越來越高， 生活用水在水資源配置中的比重也越來越大。 生態(tài)用水比例最小，但可以看到，生態(tài)用水生態(tài)足跡在2003～2010 年逐年增大，2011 年突然減小，隨后幾年呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢。這是由于隨著國家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略的提出， 鄭州市在生態(tài)建設(shè)方面的投入也越來越大。

圖1 鄭州市2003～2019 年人均生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水生態(tài)足跡示意圖Fig.1 Schematic diagram of per capita production， living and ecological water utilization footprint in Zhengzhou from 2003 to 2019

2.2 水資源承載力分析

根據(jù)鄭州市2003～2019 年人均水資源生態(tài)承載力和年平均降水?dāng)?shù)據(jù)， 制作人均水資源承載力曲線及平均降水量變化曲線［11］，如圖2 所示。

由圖2 可知，鄭州市水資源承載力變化較大，整體呈下降趨勢。 2003 年、2011 年、2016 年的水資源承載力較大，2017～2019 年的水資源承載力較小。人均水資源承載力變化趨勢與年降水量變化趨勢基本一致，年降水量大的年份，人均水資源承載力就大，年降水量小的年份，人均水資源承載力就小。

圖2 鄭州市2003～2019 年人均水資源承載力及降水量變化曲線Fig.2 Change curves of per capita carrying capacity of water resources and precipitation in Zhengzhou from 2003 to 2019

2.3 水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)分析

2.3.1 水資源壓力指數(shù)分析

根據(jù)上述生態(tài)足跡及人均水資源承載力計算結(jié)果，計算鄭州市生產(chǎn)、生態(tài)、生活3 個方面的水資源壓力指數(shù)，繪制相應(yīng)變化曲線，如圖3 所示。 由圖3可知， 2003～2019 年，鄭州市生產(chǎn)、生活、生態(tài)水資源壓力指數(shù)變化趨勢基本一致， 整體呈增加趨勢［12］。其中，生產(chǎn)水資源壓力指數(shù)高于生態(tài)和生活水資源壓力指數(shù)。2012～2015 年與2018～2019 年，鄭州市生產(chǎn)水資源壓力指數(shù)高于0.5 且低于0.8，水生態(tài)環(huán)境處于較安全狀態(tài)；2003～2011 年和2016 年生產(chǎn)水資源壓力指數(shù)小于0.5，水生態(tài)環(huán)境處于安全狀態(tài)。 就生活水資源而言，僅有2017～2019 年的壓力指數(shù)高于0.5 且低于0.8， 水生態(tài)環(huán)境處于較安全狀態(tài)；其余各年壓力指數(shù)均低于0.5， 水生態(tài)環(huán)境處于安全狀態(tài)。 生態(tài)水資源壓力指數(shù)均低于0.5，水生態(tài)環(huán)境處于安全狀態(tài)。 由此說明，鄭州市用水水平已經(jīng)進入一個新的階段，生活用水和生態(tài)用水的水資源壓力指數(shù)呈增加趨勢，但合理分配水資源，在保證生活用水和經(jīng)濟發(fā)展的同時， 加大生態(tài)文明建設(shè)力度，促進人水和諧、人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展仍然重要。

圖3 鄭州市2003～2019 年水資源壓力指數(shù)變化圖Fig.3 Changes of water resources pressure index in Zhengzhou from 2003 to 2019

2.3.2 生態(tài)盈余分析

根據(jù)鄭州市生態(tài)足跡和水資源承載力計算結(jié)果，進而計算生態(tài)盈余狀況，如圖4 所示。 由圖4 可以看出， 鄭州市2003～2012 年及2016 年水資源量較為充沛，基本能夠滿足人們生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水需求。 其中，2003 年生態(tài)盈余達到0.063 3 hm2／人。該年降水量為1 016.5 mm， 水資源總量為21.061 8億m2，在歷年中均最高，充沛的降水和可利用水資源量使得2003 年水資源盈余最多。2012～2015 年與2017～2019 年水資源量不足，低于實際用水量，2017年赤字量最大，為0.018 4 hm2／人，降水量和水資源總量分別為524.1 mm、5.512 億m2。

圖4 鄭州市2003～2019 年生態(tài)盈余變化情況Fig.4 Changes of ecological surplus in Zhengzhou from 2003 to 2019

3 結(jié)語

利用生態(tài)足跡模型對鄭州市2003～2019 年用水情況、水資源總量、年降水量等進行分析，得出如下結(jié)論：（1）鄭州市生產(chǎn)用水足跡在水資源生態(tài)足跡中占比最大，為67%，其整體上呈現(xiàn)逐年下降的趨勢；生活用水和生態(tài)用水生態(tài)足跡整體上逐年上升，表明近年來鄭州市水資源配置發(fā)生了很大變化。（2）鄭州市可利用水資源量越來越少， 但用水需求越來越大，水資源承載力整體下降，表明鄭州市的水資源利用壓力會越來越大。 （3）從水資源壓力指數(shù)來看，鄭州市水資源壓力指數(shù)越來越大，2012 年之后的壓力指數(shù)平均水平遠高于之前，處于較安全狀態(tài)；從生態(tài)盈余來看，2012～2019 年中，有7 年出現(xiàn)了生態(tài)赤字，鄭州市水資源配置規(guī)劃有待改善。