基于生態足跡法的疏勒河流域水資源承載力評價

張軍，張仁陟＊，周冬梅

（1.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省節水農業工程技術研究中心，甘肅 蘭州730070）

水資源作為自然資源中的一種重要資源，對國民經濟和社會發展有著不可替代的作用［1，2］。在我國廣大的干旱半干旱地區，水資源成為這些地區社會經濟發展和生態環境改善的限制性因子。科學合理地解決經濟社會發展與水資源供需的矛盾，加強流域尺度上水資源管理，實現水資源與社會、經濟和生態環境的協調發展，是當前迫切需要解決的重要課題之一。特別是20世紀以來，隨著人口膨脹，工農業用水猛增導致出現水資源緊張以及水環境日益惡化，已經嚴重威脅到人類自身的生存。全球氣候變化和全球水資源的分配不均加劇了水資源貧乏地區生態環境惡化與社會經濟不持續性，水資源短缺和水環境破壞已經成為全球性的嚴峻問題。因此，可持續利用水資源的觀點隨之出現，水資源承載力（carrying capacity of water resource）的概念伴隨著可持續發展的觀點，以及人們對社會經濟可持續發展的認識基礎上被提出。水資源承載力是指在區域社會、經濟和生態環境可持續發展前提下，根據一定的經濟技術水平和社會生產條件，水資源天然產出量的允許開發水量維持的人口、社會經濟發展能力［3－5］。國外目前大多將水資源承載力納入可持續發展理論中［6－8］，國內研究主要集中在城市水資源承載力和區（流）域水資源承載力兩個方面［9－11］，其研究方法有主成分分析法［12，13］、物元綜合評價模型［14］、熵模型［15］、模糊物元模型［16－18］、人工神經網絡［19］、區域水資源的供需平衡模型［20］、綜合評價指標法［21，22］等諸多方法應用于水資源承載力研究。這些研究成果豐富了水資源承載力研究內容，也推動了水資源承載力研究。而利用生態足跡法研究水資源承載力的研究不多［23，24］，生態足跡法提出以后，由于其具有很強的綜合性，并且符合可持續發展的理念而受到生態學、資源科學等領域學者的廣泛興趣［25－30］，該方法的意義在于人類如何保持地球生態系統的承載力，維護人類未來的生存。尤其對于水資源短缺的干旱區，水資源的可持續利用是實現區域經濟社會持續、健康和穩定發展的基礎，研究干旱區水資源承載力是實現區域可持續發展的基礎。為此，選擇疏勒河流域進行干旱區流域水資源可持續利用研究，疏勒河流域處于中國西北，深居中國內陸，是典型的干旱生態區，且疏勒河流域有悠久的農業灌溉歷史，疏勒河流域水系的灌溉維護了當地經濟社會的發展，在甘肅乃至中國具有重要的地位。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

疏勒河流域位于河西走廊的西部，東起玉門鎮，西至玉門關，處于92°11′～98°30′E，38°0′～42°48′N（圖1），是河西走廊三大主要內陸河之一，位于青藏高原和內蒙古阿拉善高原的過渡帶上，面積約16.998萬km2［31］。年平均氣溫7～9℃，年平均降水量不足60mm，蒸發量卻高達1 500～3 000mm，極度干燥的自然條件使該地區的生態環境極度依賴于水資源系統，生態環境比較脆弱，是我國西北典型的干旱區，疏勒河水資源的灌溉，使得玉門、瓜州、敦煌和赤金－花海等綠洲的灌溉農業發展迅速，疏勒河流域是甘肅省的主要商品糧基地之一，有“西部糧倉”之稱，具有重要的經濟和戰略地位。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of Shule river basin

1.2 研究方法

生態足跡法是由加拿大經濟學家William及其博士生Wackernagel于20世紀90年代提出的，該方法通過引入生態生產性土地來定量分析自然資源的可持續利用程度［32］。水資源生態足跡對水資源可持續利用程度的衡量主要是通過水資源生態盈余和生態赤字來表示。當一個地區的生態足跡小于其水資源生態承載力時，水資源呈盈余狀態，表明這個地區水資源處于可持續利用狀態，該地區的水資源不但可以保證其經濟、生態與環境的良性循環，還可以滿足區域內發展的進一步需求；反之，當一個地區的水資源生態足跡大于這個地區的水資源生態承載力時，則出現水資源生態赤字，表明這個地區的水資源利用處于不健康模式，區域內水資源不足，不能滿足社會經濟發展的需求，或者是以破壞環境為代價來維持區域經濟的發展。

1.2.1 生態承載力計算方法 根據生態足跡理論，將水資源承載力用水資源的生物生產能力來衡量，即水資源利用所能承載的相應生物生存面積。

水資源承載力的計算模型為［32］：

式中，ECw為水資源承載力（hm2）；rw為水資源全球均衡因子；φw為計算區域水資源產量因子；W 為計算區域內水資源總量（m3），水資源總量為區域內地表水資源量和地下水資源量之和再扣除其重復計算量；Pw為世界水資源平均生產能力（m3／hm2）。根據世界環境與發展委員會（WCED）的建議，一個國家或地區的生態承載力中必須扣除12%用于維持生態和生物多樣性。所以，0.88為扣除12%后用于維持生態和生物多樣性的水資源量。

水資源產量因子［32］：為確定不同區域的水資源產量因子，假定世界水資源產量因子為1，區域水資源產量因子為該區域水資源平均生產能力與世界水資源平均生產能力的比值。本研究先計算出疏勒河流域水資源平均生產能力（2003－2007年疏勒河流域水資源平均生產能力為144.78m3／km2）與全國水資源平均生產能力（全國水資源平均生產能力為2 946m3／km2）的比值，再根據在全球范圍內中國水資源的產量因子計算出疏勒河流域在全球范圍內水資源產量因子。經計算，疏勒河流域的水資源產量因子為0.049。

水資源生產能力：采用水文學中的產水模數來描述水資源生產能力，根據學者研究結果［33］，世界水資源平均生產能力為31.4×104m3／km2。

水資源全球均衡因子：某種生物生產面積的均衡因子等于該類生物生產面積的平均生態生產力除以全球各類生物生產面積的平均生態生產力。所以，水資源的全球均衡因子等于水資源生物生產面積的平均生態生產力除以全球各類生物生產面積的平均生態生產力。為便于比較，本研究選擇根據WWF2002確定的水資源均衡因子5.19作為計算值。

1.2.2 水資源生態足跡計算 水資源生態足跡以水資源為出發點，估算流域或區域的水代謝強度［33］。水資源生態足跡可以定義為：任何已知人口（某個人、一個城市、一個區域或全球）的水資源足跡是生產這些人口所消耗的所有資源所需要的水資源量。這里的所有資源既包括人類生活所必須的直接消耗的水資源，也包括為人類提供生態系統服務和功能的環境資源［34，35］。

根據Wackernagel的生態足跡模型，水資源生態足跡如同其他各個帳戶，將消耗的水資源量轉化為相應帳戶的生產面積——水資源用地面積。在水資源生態足跡下建立3個水資源生態足跡二級帳戶，分別為生產用水、生活用水、生態用水。生產用水包括農田灌溉用水、林牧漁畜用水、工業用水等。生活用水包括城鎮生活用水和農村生活用水。生態用水包括城市綠地用水和區域內水體納污能力之外的稀釋污染物用水量。其計算公式分別為：

式中，EFp為生產用水生態足跡（hm2）；EFl為生活用水生態足跡（hm2）；EFw為生態用水生態足跡（hm2）；r為水資源全球均衡因子；Wp為生產用水量（m3）；Wl為生活用水量（m3）；Ww為生態用水量（m3）；p為世界水資源平均生產能力（m3／hm2）。

1.2.3 水資源負載指數計算 水資源負載指數是用于描述區域水資源的開發利用前景的，其物理意義是區域水資源量與人口和國內生產總值決定的水資源需求量的關系，反映了區域水資源的利用水平及今后水資源開發的難易程度，水資源負載指數分為5個等級（表1），其計算公式為［36］：

式中，c為水資源負載指數；p為人口（萬人）；G為國內生產總值（億元）；W 為水資源總量（億m3）；k為與降水有關的系數，其取值如下公式：

式中，k為與降水有關的系數；R為年降水量（mm）。

表1 水資源負載指數分級Table 1 Load indexes rank of water resources

2 結果與分析

2.1 疏勒河流域水資源承載力與水生態足跡

利用上述研究方法，以甘肅省2003－2007年水資源公報數據（表2）為基礎，計算疏勒河流域2003－2007年水資源生態承載力和生態足跡（表3）。由表2可以看出疏勒河流域用水以農業用水為主，農業用水量占到總用水量的88%以上，其中2003年最高為98%，最低的2005年占到了88%，相比較生態環境用水較少，僅占總用水量的0.05%～0.47%。總體來說，5年來疏勒河流域農業用水量呈緩慢下降趨勢，而工業用水量、生活用水量和生態環境用水量呈波動的逐年上升趨勢。

表2 疏勒河流域2003－2007年社會經濟及用水量Table 2 Socioeconomic status and using water in Shule river basin from 2003to 2007

疏勒河流域水資源承載力從2003年的1 696.35hm2增加到2007年的1 925.26hm2，均呈現上升趨勢（表3），其與疏勒河流域降水量增加有明顯的相關關系（兩者的相關系數為R2＝0.84）。特別是，2007年降水量的明顯增加影響水資源承載力明顯增加。水資源總生態足跡5年里呈現持續增加的態勢，農業用水足跡和生活用水足跡持續增加，而工業用水足跡則從2006年開始呈現下降趨勢。農業用水足跡中農田灌溉用水足跡和林牧漁畜用水足跡均增加，相比較林牧漁畜用水足跡增加更加明顯，年均增長率為27%，遠高于農田灌溉用水足跡8%的年均增長率，表明2003－2007年疏勒河流域林牧漁畜用水量增長很快。城鎮公共用水足跡和居民生活用水足跡年均增加率為4%和58%，表明疏勒河流域居民生活用水量增加很大。

疏勒河流域經濟快速發展，人口數量的持續增長，生活用水量、農業用水量也隨之增加，同時對生態環境也越來越重視，所以生活用水足跡、農業用水足跡和生態環境用水足跡也越來越大。這3類用水足跡在2005年以來，增加速度較快，這與疏勒河流域經濟快速發展有密切關系，隨著經濟社會的持續發展，用水量還將大幅度增加，所以水資源生態足跡隨之也將大幅度增加。為保障本身脆弱的生態環境需加大保護、修復力度，使生態用水量越來越大，生態用水足跡也將持續增長。

表3 疏勒河流域2003－2007年水資源承載力與生態足跡Table 3 Carrying capacity of water resources and ecological footprint in Shule river basin from 2003to 2007

疏勒河流域生態赤字由2003年的18 017.88hm2增加到2007年的30 311.08hm2，其中2005年增長最大，增加值為10 220.5hm2。隨著降水量的增加，疏勒河流域水資源承載力有所增加（2003－2007年的增長幅度為13.5%），但其增長幅度遠不及總生態足跡（2003－2007年增長幅度為63.5%）和生態赤字（2003－2007年增長幅度為68.2%），這對于該區域的可持續發展造成極大的威脅。按照目前的發展狀況，隨著各種用水量的不斷增加，水資源生態赤字勢必還會進一步增加。所以，有限水資源的合理有效利用成為疏勒河流域可持續發展的當務之急。

人口是導致疏勒河流域水資源短缺的重要因素之一。疏勒河流域水資源承載力與人口以及人均水資源量有高的相關性（圖2和3），因此，為保證疏勒河流域水資源的可持續利用，需加強人口控制。據中國人民銀行酒泉市中心支行課題組研究自20世紀80年代以來，為解決甘肅中、南干旱地區和高寒陰濕山區的貧困問題，已經向疏勒河流域移民14.4萬人。人口遷移必定會對疏勒河流域生態環境產生直接影響，可能導致生態環境惡化，農業移民對環境資源的利用不合理時，后果將會更為嚴重。疏勒河流域干旱少雨，其人口承載力本身就有限，大規模的人口遷入會導致水資源進一步短缺，因此控制該區域的人口數量是實現該地區經濟社會可持續發展的主要措施。

圖2 水資源承載力與人口的關系Fig.2 The relationship between population and carrying capacity of water resources

圖3 水資源承載力與人均水資源量的關系Fig.3 The relationship between water resources per person and carrying capacity of water resources

2.2 疏勒河流域水資源負載指數

為進一步了解疏勒河流域水資源變化趨勢，利用水資源負載指數公式，計算了疏勒河流域水資源負載指數（表4），2003－2007年疏勒河流域水資源負載指數介于4～6，呈現波動狀態。結合表1的分級說明，可以看出2003，2004和2007年該流域水資源利用程度高，開發潛力不大，且開發條件困難；而2004－2005年該流域水資源利用程度中等，開發潛力較大，開發條件中等。總體來說，疏勒河流域水資源負載指數呈上升趨勢，表明水資源利用程度不斷提高，其進一步開發條件惡化。因此，在疏勒河流域必須實行水資源可持續利用戰略。

表4 疏勒河流域2003－2007年水資源負載指數分級Table 4 Load factors rank of water resources in Shule river basin from 2003to 2007

3 討論

疏勒河流域水資源承載力從2003年的1 696.35hm2增加至2007年的1 925.26hm2，呈現上升趨勢，2007年水資源承載力明顯增加。水資源總生態足跡5年里呈現持續增加的態勢，農業用水足跡和生活用水足跡持續增加，而工業用水足跡則呈現下降趨勢；疏勒河流域生態赤字由2003年的18 017.88hm2增加到2007年30 311.08hm2，其中2005年增長最大。隨著降水量的增加，疏勒河流域水資源承載力有所增加（2003－2007年的增長幅度為13.5%），但其增長幅度遠不及總生態足跡（2003－2007年增長幅度為63.5%）和生態赤字（2003－2007年增長幅度為68.2%），這對于該區域的可持續發展造成極大的威脅。按照目前的發展狀況，隨著各種用水量的不斷增加，水資源生態赤字勢必還會進一步增加，所以，有限水資源的合理有效利用成為疏勒河流域可持續發展的當務之急。

在疏勒河流域應當適度減少農業生產，干旱內陸流域的生態環境問題往往是在人水矛盾的巨大壓力下，由于缺乏水資源的統一管理、盲目擴大耕地、過度使用地表水、持續超采地下水的后果［37］。計算結果表明，農業用水在疏勒河流域占絕對優勢，農業用水足跡占總生態足跡的88%以上。每立方水產糧0.15～0.30kg，糧食耗水量3.2～6.8m3／kg，每立方水產棉花0.03kg，棉花耗水量8.0～26.5m3／kg；糧食耗水量分別為石羊河流域和黑河流域的2.1和1.8倍［38］，大量的水消耗到農田蒸發上，因此應該減少耕地面積，特別是要減少高耗水農作物種植面積。另外疏勒河流域是甘肅省重要的商品糧基地，造成大量的虛擬水輸出。

水資源負載指數結果也表明，疏勒河流域水資源開發潛力不大，2007年疏勒河流域有噴滴灌面積為367hm2、微灌面積為3 247hm2、低壓管灌面積15 100hm2、渠道防滲面積31 793hm2，分別僅占耕地面積的0.21%，1.85%，8.59%和18.09%。因此，需要加大農業節水力度，推行滴灌、自壓噴灌、低壓管道輸水等節水技術，提高灌溉用水的利用率，同時還要推廣旱作農業技術，加強農田基本建設，提高干旱半干旱地區農業用水的利用率。

除此以外，加強水資源管理制度，制定科學的用水總量控制和定額管理指標體系［39］。大力宣傳使得節水觀念深入人心，加強節水宣傳和教育、增強人們的節水意識、推廣使用節水型器具，制定合理的節水目標，使有限的水資源得到有效的利用。

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