無錫市水生態(tài)足跡與水資源可持續(xù)發(fā)展評價

宦臣臣，甘升偉，徐 慧，饒漢霖

(1.太湖流域水文水資源監(jiān)測中心 江蘇 無錫 214024；2. 河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

近年來,愈加嚴峻的水資源利用現狀和水生態(tài)發(fā)展問題對水資源的可持續(xù)發(fā)展利用提出了更高的要求。國內外學者圍繞水資源可持續(xù)利用[1-4]和水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展[5]的研究方興未艾，運用系統(tǒng)動力學[6]、多目標規(guī)劃、生態(tài)足跡[7]等方法在多種空間尺度上開展了研究。生態(tài)足跡法因為其量化準確，可操作性強的優(yōu)點而得到了廣泛應用，譚秀娟[8]，于冰[9]等利用該方法對國家、省市等尺度上的水資源可持續(xù)利用狀況進行了分析評價。

水生態(tài)足跡(Water Ecological Footprint)，是人類在對水生態(tài)系統(tǒng)的深入研究中，以生態(tài)足跡理論[10]為基礎發(fā)展而來的。在諸多學者的研究與探討下，水生態(tài)足跡的概念已逐漸明確。其定義為：某一特定的地理區(qū)域內，經濟規(guī)模和人口發(fā)展到一定程度時，區(qū)域發(fā)展所消費的水資源量和吸納生活生產廢棄物需要的水資源量，所核算得到的生物生產性土地的面積。簡單來講，水生態(tài)足跡指的是一定人口和經濟規(guī)模條件下維持水資源消費和消納水污染所必需的生物生產性土地面積，其單位一般為hm2。而與之類似的水足跡測算的則是用于生產和服務所消費的水資源量，單位為m3[11]。

關于水生態(tài)足跡的劃分，傳統(tǒng)生態(tài)足跡理論中僅包括水產品生態(tài)足跡，缺少水資源賬戶。但是水資源作為國民生活生產的重要戰(zhàn)略性資源，其重要性和不可替代性不容忽視，因此，許多學者開始致力于將水資源納入到生態(tài)足跡的研究中去，以便對其進行量化分析及比較。黃林楠等[12]在生態(tài)足跡理論的基礎上增加了水資源賬戶，并對各項系數和子賬戶進行了測算。段錦等[13]通過增加淡水資源賬戶和污染賬戶，進一步彌補了生態(tài)足跡模型中對淡水資源和生態(tài)系統(tǒng)消納污染物能力描述的不足。焦文珺等[14]基于生態(tài)系統(tǒng)服務對各類水生態(tài)足跡的內涵及關系進行了探討，完善了水生態(tài)足跡模型。但目前多數研究對水生態(tài)系統(tǒng)的整體性考慮不足，在水生態(tài)足跡的耦合方面考慮不夠充分，而且沒有將現狀與發(fā)展趨勢的分析結合起來。因此，筆者運用水資源可持續(xù)發(fā)展綜合評價模型綜合從水量、水質和水生態(tài)系統(tǒng)3個方面考慮，對水資源可持續(xù)發(fā)展的現狀及趨勢進行了深入探討。其中，水產品生態(tài)足跡是水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的反饋，屬水域型生產性土地；淡水生態(tài)足跡對應水量的安全性，水污染生態(tài)足跡是水質的保證，均為水資源生產性土地。

1 水資源可持續(xù)發(fā)展綜合評價模型

1.1 水生態(tài)足跡模型

(1) 水產品、淡水、水污染生態(tài)足跡計算模型分別為:

Esw=Nesw=Φ(Ws/Ps)

(1)

Erw=Nerw=φ(Wr/Pw)

(2)

Epw=Nepw=φ(Wp/Pw)

(3)

式中：E為各類水生態(tài)足跡，hm2。其中，Esw對應水產品，Erw對應淡水，Epw對應水污染。e為其對應的人均值，hm2·人-1。W為各類水生態(tài)足跡賬戶核算的項目，Ws為區(qū)域水產品消費量，t；Wr為區(qū)域淡水消耗量(不含火電用水)，m3；Wp為稀釋污染物需水量，m3。選取無錫水域主要超標污染物氨氮作為稀釋對象，利用零維水質模型[15]計算，降解系數取KN=0.05[16]。Ps、Pw均為全球平均生產能力，表征水產品的Ps=0.18 t/hm2[17]，表征水資源的Pw=3 140 m3/hm2[12]。Φ、φ均為全球均衡因子，表征水域的Φ=0.35[18]，水資源的φ=5.19[12]。

(2) 水生態(tài)足跡耦合模型。水產品、淡水、水污染生態(tài)足跡之間的關系并非相互獨立，因為同一水域常常具有多種生態(tài)功能，例如提供淡水資源的水域也可能有漁業(yè)養(yǎng)殖的功能，同時根據《地表水環(huán)境質量標準GB 3838—2002》，一般排污區(qū)域不適用于水產養(yǎng)殖。因此結合《江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》，得出三者關系如圖1所示。

圖1 三類水生態(tài)足跡的關系

圖1中，A+B部分為水產品生態(tài)足跡，B+C+D部分為淡水生態(tài)足跡，D+E部分為水污染生態(tài)足跡，B和D為重復部分。根據無錫市水功能區(qū)劃分，有10個水功能區(qū)兼做漁業(yè)和工農業(yè)用水區(qū)，占85個水資源開發(fā)利用區(qū)的12%，所以取淡水生態(tài)足跡的12%計算重復部分。而現行的水功能區(qū)劃尚無排污控制區(qū)[19]，水污染生態(tài)足跡與淡水生態(tài)足跡重復部分無直接統(tǒng)計數據，取值為0。計算公式如下：

Efw=Nefw=Esw(A+B)+Erw(C)+Epw(E)

(4)

式中：Efw為區(qū)域水生態(tài)足跡，hm2；efw為人均水生態(tài)足跡，hm2·人-1。

1.2 水生態(tài)承載力模型

水生態(tài)承載力是指一定條件下，自然水生態(tài)系統(tǒng)所能支撐的人類活動的閾值[20]，可用水資源的生態(tài)生產能力來衡量，即區(qū)域水資源總量，核算為所能承載的相應生物生存的面積。計算公式如下：

Ecw=Necw=αφψ(Q/Pw)

(5)

式中：Ecw為考慮本地水資源總量的區(qū)域水生態(tài)承載力，hm2；ecw為人均水生態(tài)承載力，hm2·人-1；α為水資源合理開發(fā)利用率，取值0.4；Q為本地水資源總量，m3；ψ為區(qū)域水資源產量因子，經核算，無錫市ψ=1.50。

1.3 水資源可持續(xù)發(fā)展評價指標

(1) 水生態(tài)盈虧，具體可以用公式(6)進行計算：

ΔEw=Ecw-Efw

(6)

式中：ΔEw表示水生態(tài)盈虧，hm2·人-1。正值為盈余，表示水生態(tài)系統(tǒng)供給的水資源能支撐人類發(fā)展的需求；負值則為赤字。

(2) 萬元GDP水生態(tài)足跡等于區(qū)域水生態(tài)足跡總量與對應時段的GDP總量的比值，該數值越小，說明創(chuàng)造同等價值的經濟效益需要的水生態(tài)足跡越少，水資源利用效率越高，可持續(xù)性越強。

(3) 水生態(tài)可持續(xù)指數(ESI)反映的是一定區(qū)域的水生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)供給的水資源滿足人類需求的程度，能夠較為直觀地反映水資源可持續(xù)發(fā)展的強度。

ESI=Ecw/(Ecw+Efw)

(7)

式中:ESI=0.5時，表示區(qū)域水資源供給需求平衡。因此可以0.5為界限，將可持續(xù)發(fā)展程度由弱到強分為4個不同的等級類型(表1)。

表1 水生態(tài)可持續(xù)指數分級

1.4 水生態(tài)足跡預測模型

ARIMA(p，d，q)模型一般用于非平穩(wěn)時間序列[21]，應用時將其經過d次差分轉化為平穩(wěn)序列(式8)并進行檢驗，然后根據AIC準則確定模型參數p，q，就可以對時間序列進行相應的預測。

ut=λ1ut-1+,…,+λput-p+εt+θ1εt-1+,…,+θqεt-q

(8)

式中：ut為時間序列；λi(i=1,2,…,p)為回歸系數；θi(i=1,2,…,q)為移動平均系數，εt是一個為白噪聲序列的隨機項。

2 實例分析

2.1 研究區(qū)概況

無錫市地處江蘇省東南部，南瀕太湖，北枕長江，地表水豐富，外來水源較為充足，人口密度大，本地多年平均水資源總量(1956—2000年)為22.05億m3，多年平均人均水資源量為340 m3，水域水質總體維持在Ⅳ類。2015年無錫成為“國家生態(tài)保護與建設示范區(qū)試點城市”，環(huán)境保護與生態(tài)文明建設的戰(zhàn)略地位更加突出，但是無錫經歷了30多年的快速發(fā)展之后，資源環(huán)境在一定程度上出現了透支現象。因此，促使城市水資源可持續(xù)發(fā)展已成為支撐無錫經濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要任務。

2.2 無錫市水資源可持續(xù)發(fā)展現狀分析

根據公式(1)～(7)，筆者結合人口情況對無錫市2008—2015年的人均水生態(tài)足跡進行計算和分析，結果見表2。各類生態(tài)足跡占比情況見圖2，水資源可持續(xù)發(fā)展指標變化情況見圖3。

表2 無錫市2008—2015年水生態(tài)足跡計算成果表

注：計算資料來源于《無錫市水資源公報》《無錫市統(tǒng)計年鑒》；表中和文中如無特殊說明，均不考慮外來水資源

從水生態(tài)足跡角度進行分析，2008—2015年無錫市的人均水生態(tài)足跡在0.28至0.35 hm2范圍內波動，呈上升趨勢，說明無錫市的經濟發(fā)展在一定程度上是以增加水資源消耗為代價的，不利于可持續(xù)發(fā)展。由圖2可知，占水生態(tài)足跡比重最大的是淡水生態(tài)足跡(扣除與水產品生態(tài)足跡重復部分，下同)，且從2008年的64.1%逐年遞增到2015年的77.7%，年均增長2%，說明無錫城市化進程的加快對淡水消耗的需求量不斷增加。而水污染生態(tài)足跡逐年減少，其原因在于無錫市污水排放總量控制的進一步加強，主要污染物氨氮已由2008年的0.61萬t減少到2015年的0.36萬t，削減率超過40%。

圖2 2008—2015年無錫市各類水生態(tài)足跡占比

圖3 2008—2015年無錫市水資源可持續(xù)發(fā)展指標

從考慮本地水資源總量的水生態(tài)承載力角度來看，無錫市的人均水生態(tài)承載力較低，且年際間波動很大，主要是因為降水量年際分布不均，本地水資源總量不穩(wěn)定所致，尤其是2013年，僅為2008—2015年無錫平均水資源量的2/3。綜合考慮水生態(tài)足跡和水生態(tài)承載力，除2013年水資源總量偏少，呈水生態(tài)赤字狀態(tài)外，2008—2015年其余年份無錫市均處于水生態(tài)盈余狀態(tài)，本地水資源的生態(tài)承載力基本滿足水生態(tài)足跡消耗的需要，處于可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。但是，如果考慮過境水對水生態(tài)承載力的影響，以本地水資源生態(tài)承載力最低的2013年為例，當年共取用長江水(非火電)7.09億m3，則人均水生態(tài)承載力為0.427 hm2/人，ΔEw=0.083 hm2/人，ESI=0.55，比較可知，合理利用過境水可以提高區(qū)域水生態(tài)承載力。

由水生態(tài)可持續(xù)指數分析可得，除2013年水生態(tài)可持續(xù)指數小于0.5外，2008—2015年其余年份無錫市水生態(tài)可持續(xù)指數在0.55～0.66之間波動，處于弱可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，2015年本地水資源量最豐富，水生態(tài)可持續(xù)指數最大，但仍未達到強可持續(xù)的水平。同時由圖3可知，無錫市萬元GDP水生態(tài)足跡呈下降趨勢，與GDP的逐年增長呈反相關關系。這充分說明了無錫市高速的經濟發(fā)展并不依賴于高耗水產業(yè)，而更注重水資源利用效率的提高。其中2008—2011年下降幅度最大，由0.043 hm2/萬元降低到了0.032 hm2/萬元，降幅達25%；2012—2015年則基本趨于平穩(wěn)，波動幅度小于0.001 hm2/萬元，這表明無錫市水資源利用效率已經迫近現有政策及技術條件下的極限值，要進一步提高效率，則需要繼續(xù)調整優(yōu)化用水結構，改進節(jié)水工藝，突破當前極限值。

2.3 無錫市水資源可持續(xù)發(fā)展趨勢預測

為研究無錫市今后幾年內水生態(tài)足跡及可持續(xù)發(fā)展的趨勢，基于IBM SPSS Statistics 22.0軟件平臺，采用自回歸移動平均(ARIMA)模型預測了2016—2020年無錫市水產品消費量、淡水消耗量及氨氮排放量。人口總量根據《無錫市“十三五”人口發(fā)展規(guī)劃》的常住人口自然增長率4‰進行推算。SPSS軟件中的ARIMA模塊調用過程為“分析→預測→創(chuàng)建模型→ARIMA”。調用ARIMA模塊后，利用AIC準則判斷出模型階數及相關參數為(2,1,2)，運用此模型所得預測結果見表3。經檢驗，模型相對誤差在10%左右。

圖4 無錫市2016—2020年水生態(tài)足跡預測

2020年無錫市預測耗水量為14.48億m3，與《無錫市水利現代化規(guī)劃(2012年版)》中的耗水量預測值14.95億m3一致，2020年無錫市氨氮排放量0.21萬t，符合《無錫市“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》中規(guī)定的“完成省下達的目標任務0.56萬t”的減排目標，因此數據預測符合無錫市的經濟社會發(fā)展趨勢，可以用于水生態(tài)足跡的計算，計算結果見圖4。

表3 無錫市2016—2020各項數據預測結果

由圖4可知，若保持現有水平繼續(xù)發(fā)展，無錫市人均水生態(tài)足跡將呈逐年上升趨勢，無錫市對水生態(tài)系統(tǒng)的需求不斷增加。其中，淡水生態(tài)足跡仍逐年增加，無錫市水生態(tài)系統(tǒng)供水壓力進一步增大；水污染生態(tài)足跡逐年減少；水產品生態(tài)足跡和往年持平。水生態(tài)承載力因為受當年水文氣象和降雨情況影響較大，預測難度較高，若以無錫市多年平均水資源總量估算可得2016—2020年城市人均水生態(tài)承載力為0.335～0.330 hm2，水生態(tài)可持續(xù)指數為0.48～0.46，隨人口增加呈下降趨勢。

3 結論和建議

通過構建水資源可持續(xù)發(fā)展綜合評價模型，定量分析了無錫市水生態(tài)足跡的組成特點，對水資源可持續(xù)發(fā)展原因和問題進行了剖析，并對其發(fā)展趨勢進行了短期預測，得到結論和建議如下：

(1) 從本地水生態(tài)承載力的角度來看，除2013年外，2008—2015年無錫市水資源系統(tǒng)呈水生態(tài)盈余狀態(tài)，但是水生態(tài)可持續(xù)指數逼近0.5的臨界值，說明本地水資源的生態(tài)承載力雖然基本能夠滿足水生態(tài)足跡消耗的需要，但整體處于弱可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，如果增加考慮過境水的影響，則水生態(tài)承載力有所增加，可持續(xù)發(fā)展強度更大。預測結果表明若按照現有水平繼續(xù)發(fā)展，無錫市水生態(tài)足跡會進一步增大，水資源有不可持續(xù)發(fā)展的風險。

(2) 為了實現無錫市水資源可持續(xù)發(fā)展需要采取以下措施：首先，無錫市的淡水生態(tài)足跡占其水生態(tài)足跡的60%以上且占比逐年增加，因此，應降低耗水率，調整優(yōu)化用水結構，建立節(jié)水型的社會生產和消費體系；其次，無錫市在治水治污方面取得了一定成效，應在此基礎上進一步加強無錫市水污染總量控制以減少水污染生態(tài)足跡；最后，無錫市過境水資源豐富，應充分利用過境水資源與本地水資源互為補充，緩解當地用水資源壓力，提高無錫市水生態(tài)承載能力。