2007-2016年貴州省水資源生態足跡的演化特征

周子琴, 蘇維詞,2, 鄭群威

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院, 重慶 401331; 2.貴州省山地資源研究所, 貴州 貴陽 550001)

水資源作為人類生產生活必不可少的基本物質和基礎性資源，對國民經濟和社會發展有著不可替代的作用[1]，是實現社會經濟可持續發展的物質基礎。隨著人口激增、社會經濟的迅速發展，人們對水資源的需求量在不斷增大。因此及時掌握區域水資源足跡的動態變化及盈虧情況，對區域水資源可持續性利用具有重要意義。目前，區域水資源生態足跡的研究大多基于生態足跡的原理和方法，并根據研究區域的自然生態環境、社會經濟發展特性進行適應性改進。目前相關研究主要集中在區域水資源生態足跡動態演變過程評估[2-4]、水資源負荷指數變化[4-5]、城市與鄉村等人均水資源生態足跡差異及可持續利用現狀[6-8]、區域水資源生態承載力研究[9]、水資源安全狀態及水資源可持續利用評價[10-14]、經濟發展與水資源協調及脫鉤[13]等方面。這些前期研究工作主要是針對區域(或流域)水資源供給與生態環境建設、社會經濟發展需求等供需情況或耦合狀態開展了許多有益探討，為區域水資源合理開發利用規劃與調配等提供了某些科學依據。

貴州省是典型的喀斯特省份，具有地表地下二元三維水文地質地貌條件，水資源賦存規律復雜，山多坡陡谷深，地表滲漏嚴重，可方便開發利用的水資源并不多，屬于典型的工程性缺水區，近年來，國家每年投入到貴州水利資金均在1.75×105元以上，工程性缺水問題已經大為改觀，但由于貴州生態本底脆弱，坡陡土層薄、保水能力差，加上地形地貌復雜導致降雨不均勻，所以臨時性干旱極易發生，特別是隨著經濟社會的快速發展及其對水資源需求增加，加上極端天氣日趨增多，水資源季節性和局域性短缺很突出，在一定程度上影響到貴州經濟社會持續穩定發展和生態建設。目前在中小尺度上針對貴州單個城市水資源足跡方面進行了個案研究[8，10，15-16]，如采用生態足跡理論與方法測算了貴陽市1998—2012年水資源承載力演化[15]；利用彈性網對PLS佐證分析2002—2016年貴陽市水生態足跡及驅動因素[8]；分析了2002—2014年貴陽市水生態足跡變化特征并用GRNN預測了2015—2019年的變化情況[16]；通過構建水資源生態足跡、水資源生態承載力模型及水資源生態安全評價模型，對六盤水市水資源生態安全進行了定量評價[10]等，但目前缺乏從整體的省域層面的研究。本文以貴州為例，分析了近10 a來貴州及各地市的水資源生態足跡及其時空變化規律，揭示其主要影響因素，為貴州社會經濟發展與水資源可持續利用提供某些參考依據。

1 研究區概況

貴州省地處亞熱帶季風氣候，降雨充沛，2007—2016年的年均降水總量為1.96×1011m3，年均徑流量達1.06×1011m3，人均水資源量為2 648 m3，屬于我國人均水資源富集地區。但貴州降水空間分布不均，降水普遍集中于東部和南部地區，經計算2007—2016年貴州省降水季節變異系數最大值為0.87，最小值為0.62，數值相差較大，說明貴州省降水季節和年際變化大，特別是貴州喀斯特發育典型性和區域的異質性，地表豐富的降水資源迅速轉入地下，地表可方便利用的水資源不多，工程性缺水問題比較突出，而近年來貴州省社會經濟的快速發展對水資源需求的增加，導致貴州水資源存在季節性和局域性短缺，水資源安全問題日漸突出。

2 數據來源與研究方法

2.1 水資源生態足跡模型

根據用水特性和水資源生態足跡的內涵，將用水分為生活用水、生產用水和生態環境用水三大類進行計算。水資源賬戶的計算公式如下[2]：

EFm=N·efm=N·γ·(W/pm)

(1)

EFα=N·efα=γ·Wα/pm

(2)

EFω=N·efω=γ·Wω/pm

(3)

EFμ=N·efμ=γ·Wμ/pm

(4)

式中：EFm——水資源總生態足跡(hm2)；N——人口數； efm——人均水資源生態足跡(hm2/人)；γ——水資源的全球均衡因子；W——人均消耗的水資源量(m3)；pm——水資源全球平均生產能力(m3/hm2)。 efα，efω，efμ——人均生活用水生態足跡(hm2/人)、人均生產用水生態足跡(hm2/人)、人均生態用水生態足跡(hm2/人)；Wα，Wω，Wμ——生活消耗的水資源量(m3)、生產消耗的水資源量(m3)、生態消耗的水資源量(m3)。

本文采用基于WWF 2000年核算的均衡因子計算出的水資源的全球均衡因子為5.19[16]。而水資源全球平均生產能力被定義為全球多年平均產水模數,為3 140 m3/hm2[15]。

2.2 水資源生態承載力模型

由于一個國家和地區的水資源承載力中必須至少扣除60%用于維持生態環境[17]，故水資源生態承載力計算公式為：

ECn=N·ecn=0.4×φ·γ·Q/pm

(5)

式中：ECn——水資源承載力(hm2)；N——人口數； ecn——人均水資源承載力(hm2/人)；γ——水資源的全球均衡因子；φ——區域水資源的產量因子；Q——研究區水資源總量(m3)；pm——水資源全球平均生產能力(m3/hm2)。

根據文獻[18—19]，研究區水資源產量因子(φ)的計算公式為：

φ=V/Vd

(6)

式中：V——區域水資源量的平均生產能力即區域平均產水模數，貴州省水資源產量因子為1.87[15]；Vd——全球水資源量的平均生產能力即全球多年平均產水模數。

2.3 水資源生態盈余(生態赤字)模型

將區域內水資源消耗產生的生態足跡(EFm)和生態承載力(ECn)相比較，即可計算研究區的水資源生態赤字或生態盈余(EZr)，由此判斷研究區域內水資源的可持續利用情況[20]。

EZr=ECn-EFm

(7)

當EZr>0時，為水資源生態盈余；當EZr=0時，為水資源生態平衡；當EZr<0時，為水資源生態赤字。

2.4 生態壓力指數

水資源生態壓力指數又可稱為水資源的匱乏度或水資源生態壓力強度，是指一個國家或區域水資源生態足跡與水資源生態承載力的比值[6]。

EPI=efm/ecn

(8)

式中：EPI——水資源生態壓力指數。若EPI>1，說明該區域水資源供給量不能滿足消費量，水資源可持續利用受到影響，EPI越大，水資源安全的壓力就越大，越不安全；若EPI=1，該區域水資源供需達到均衡，水資源安全處于臨界安全狀態或基本安全；若0

2.5 萬元GDP水資源生態足跡

萬元GDP水資源生態足跡是指區域水資源生態足跡與地區內生產總值(GDP)的比值，可以用來衡量水資源的利用效率，計算公式為：

EFI=EFm/GDP

(9)

2.6 數據來源

本研究相關數據來源于2007—2016年《貴州省水資源公報》《貴州統計年鑒》以及《貴州省國土資源公報》(表1)。

3 結果分析

3.1 貴州省水資源生態足跡與生態承載力變化分析

2007—2016年貴州省水資源生態足跡歷年有所波動，但波動范圍較小，其中2008年達到歷年最高值1.68×107hm2，2012年下降至最低值1.51×107hm2。變化趨勢可分為兩個階段(圖1)：2007—2012年水資源生態足跡呈現波動下降趨勢，受當年降水量波動影響較大，同時受外出務工增多影響，省內常駐人口數量也逐年降低；2012—2016年水資源生態足跡呈現持續上升趨勢，其中2012年起降水總量開始回升，外出務工人員開始回流，常駐人口總量持續增長，對水資源的需求量增大，同時耕地面積逐年有所減少，因此水資源生態足跡持續上升。從貴州省水資源生態承載力計算結果來看，各年份之間差異較大，呈波動變化趨勢(圖1)。研究時段貴州省降水量最高值出現在2014年，其水資源承載力也最高，達1.50×108hm2。2009—2011年西南大部分地區發生了3 a連續嚴重旱災，其中2011年干旱是貴州同期災害損失最大的一年，當年扣除蒸發量后的降水量比多年平均降水量偏少30.4%，年水資源總量同比常年偏少41%，水資源生態承載力也最低，僅有7.74×107hm2。經計算水資源承載力與歷年降水量的相關系數高達0.961，因此干旱等自然災害對貴州省水資源生態承載力影響較大。災害頻發不僅會造成嚴重的經濟損失，而且已嚴重制約了社會經濟的發展，水資源已成為貴州省社會經濟發展中亟待解決的戰略問題。

表1 貴州省2007-2016年水資源基礎數據統計

圖1 2007-2016年貴州省水資源生態足跡和水資源生態承載力

通過比較人均水資源生態足跡和水資源生態承載力之間的關系可以有效判斷一個地區的水資源利用狀況(圖2)。2007—2016年貴州省人均水資源生態足跡維持在0.434～0.482 hm2/人，最高值出現在2010年，最低值出現在2012年，2013年，最大值和最小值之差僅為0.048 hm2/人，說明貴州省水資源人均生態足跡總體平穩，波動幅度不大。歷年人均水資源生態足跡不到0.49 hm2/人，但是隨著經濟的發展，人口的增長，城市化的發展，對水資源的需求量會持續增加。人均水資源生態承載力相對于人均水資源生態足跡，其變化幅度較大，與當年降水量關系密切。最高值出現在2014年，達到4.276 hm2/人，最低值出現在2011年和2013年，僅為2.232 hm2/人和2.512 hm2/人，主要受這兩年降水量大幅度減少的影響。貴州省2007—2016年人均水資源生態足跡均低于當年人均水資源生態承載力，水資源處于生態盈余，滿足可持續發展的要求。但各年的生態盈余大小有所差異，其中2014年達到最高值為3.827 hm2/人，最低值出現在2011和2013年，僅為1.779和2.247 hm2/人。在水資源生態足跡變化不大的情況下，生態盈余量主要取決于生態承載力的變化。

圖2 貴州省2007-2016年人均水資源生態足跡、生態承載力和生態盈余

貴州省2007—2016年各類用水人均水資源生態足跡賬戶中(圖3)，農業用水量最大，生態足跡為0.073～0.093 hm2/人，平均占水資源總生態足跡的53.06%，總體呈上升趨勢，2013—2016年上升速度加快，主要緣由是靠天吃飯的坡耕地面積減少，水澆地(特別是農業園區)面積增大，導致農業用水增加。人均工業用水生態足跡占31.38%，維持在0.041～0.066 hm2/人，其中2007—2011年呈上升趨勢，2011年達到最高0.066 hm2/人，而2012年突然下降至0.041 hm2/人，這可能與貴州省2012年開始調整經濟結構，大力發展綠色產業和打造以旅游業等低消耗產業為主導產業有關。人均生活用水生態足跡為0.017～0.029 hm2/人，占14.91%，呈波動緩慢上升的趨勢。受2011年旱災的影響，人均農業用水和生活用水生態足跡都有明顯下降，達歷年最低值。人均生態用水生態足跡僅占0.65%，歷年變化范圍為0.000 8～0.001 5 hm2/人。

圖3 貴州省2007-2016年各類用水人均水資源生態足跡

3.2 貴州省水資源生態盈余及萬元GDP生態足跡

萬元GDP水資源生態足跡呈下降趨勢(圖4)，由2007年的0.56 hm2/萬元下降到2016年的0.14 hm2/萬元，年均降低12.95%，2007年是2016年的4倍，說明貴州省水資源利用率正逐年提高。

圖4 2007-2016年貴州省萬元GDP水資源生態足跡與生態壓力指數

3.3 貴州省水資源生態壓力指數

2007—2016年貴州省生態壓力指數為0.105～0.203(圖4)，變化幅度較大，但數值遠小于1，水資源利用尚處安全狀態。由圖1和圖4對比得到，貴州省在2014年生態盈余最多，生態壓力指數是最低的；在2011年，2013年水資源生態盈余最少的時候，生態壓力指數也是最高的，主要受這兩年降水量減少的影響。因此足以說明生態壓力指數變化趨勢與水資源生態盈余量的變化是相輔相成的。

3.4 2014-2016年貴州省各地州市水資源生態足跡與生態承載力

對2014—2016年貴州省9市(州)水資源生態足跡和水資源生態承載力進行分析。根據各地州市多年基礎數據計算得出各地的水資源產量因子(表2)，由此計算各地州市的人均水資源生態足跡、人均水資源生態承載力以及人均水資源生態盈余。根據水資源生態足跡的內涵，社會發展對水資源的需求量越大，人均水資源生態足跡越高[3]。由附圖11可以看出，2014—2016年貴州省人均水資源生態足跡3 a平均值較高的地區位于遵義市、黔東南州、黔南州和安順市，其中黔東南州和遵義市最高。由于黔東南州水稻田比重高，農業用水量大，導致人均水資源生態足跡較高；而遵義市工業經濟規模總量位居全省第一，白酒產業的經濟產值較高，對水資源開發利用程度較高。安順市和黔南州的水資源較為豐富，水稻田比重較高，加之大力開發少數民族地區的旅游產業，人均水資源生態足跡相對較高。貴陽市是貴州省經濟最發達的地區，人口密度大，以耗水較低的高新技術產業為主，因此人均水資源生態足跡反而低于黔東南州和遵義市。人均水資源生態足跡較低的地區位于畢節地區、銅仁地區、六盤水市和黔西南州。這些地區海拔較高，年平均降水量相對東部較少，加之第二產業比重較大，如六盤水市以煤炭、電力為主導產業，耗水量較多。由附圖12可知，各地人均水資源生態盈余均未呈現生態赤字，說明貴州省各地州市的水資源供給充足，仍有一定的開發空間，但其空間分布不均，東西部差異較大。人均水資源生態盈余較大的地區位于貴州省東部及南部地區，其中以黔東南州最大，高達12.81 hm2/人，主要原因在于盡管黔東南州水田農耕地比重大，導致人均水資源生態足跡高，但黔東南降水充沛，喀斯特發育程度相對較低，是貴州地表水資源最豐富的地州，水資源生態承載力相對最高，因此人均水資源生態盈余最大。黔南州和銅仁地區的人均水資源生態足跡和生態承載力相對較高，人均水資源生態盈余僅次于黔東南州。遵義市、黔西南州和安順市的人均水資源生態盈余相對較低，但也在2.0 hm2/人以上。貴陽市、畢節地區和六盤水市處于河源區或分水嶺地區，人口較多，工農業較發達，水資源相對較少，導致人均水資源生態盈余較低，其中貴陽市達最低值0.42 hm2/人，因此這些地區應該大力發展節水型產業體系，并提高民眾的節水意識。

表2 貴州省9市(州)水資源產量因子

總體看來，2014—2016年貴州省各地州市的萬元GDP水資源生態足跡均呈遞減趨勢，說明各地州市的水資源利用率正逐年提高(圖5)。具體分析，經濟最發達的貴陽市數值最低，僅有0.06 hm2/萬元左右，說明貴陽市水資源利用效率最高。水資源短缺地區如畢節地區、六盤水市、黔西南州的水資源利用效率也較高。而萬元GDP水資源生態足跡數值較高的區域位于黔東南州、黔南州、安順市、銅仁地區、遵義市，主要與這些地區的產業結構有關，其中安順市和銅仁地區水資源量較豐富，但經濟發展較落后，水資源利用效率較低；黔東南州和黔南州水資源豐富，以旅游業、服務業為主導產業，對水資源開發利用程度較低；遵義市水資源生態足跡較高，經濟基礎好，主要以耗水型工業為主，水資源利用效率較低。

圖5 貴州省2014-2016年9市(州)萬元GDP水資源生態足跡

4 結論與討論

(1) 2007—2016年貴州省人均水資源生態足跡呈波動上升趨勢，但其數值相對較低，不到0.49 hm2/人。根據水資源生態足跡的內涵，社會發展對水資源的需求量越大，水資源開發利用程度越高，人均水資源生態足跡數值越高[15]。分析可看出，近幾年貴州省經濟發展迅速，2016年GDP增速為10.5%，躋身全國第2位，隨著經濟社會的快速發展和需水量的增加，人均水資源生態足跡呈上升趨勢。但是貴州省經濟基數較低，人均GDP在全國排名中靠后，經濟發展的質量和潛力有待提升；同時貴州省喀斯特發育典型性和區域的異質性，地表豐富的降水資源迅速轉入地下，地表可方便利用的水資源不多，導致對水資源的開發利用程度不高，因此人均水資源生態足跡數值相對較低。貴州省歷年平均的人均農業用水、工業用水、生活用水和生態用水足跡分別為0.085 4，0.050 5，0.024和0.001 04 hm2/人，占人均水資源生態足跡總量的53.06%，31.38%，14.91%和0.65%。其中貴州省農業用水比重最大，這是由傳統的耕種方式和耕地面積增加引起的。為此要增強人們節水、保水意識，改變貴州省經濟發展的生產和消費方式，調整和優化農業生產結構，走水資源節約、集約、高效型的循環經濟發展道路。

(2) 2007—2016年貴州省水資源生態承載力水平不穩定，波動較大。在干旱年份，水資源承載力降低，導致生態盈余減少。2007—2016年貴州省各地州市均存在水資源生態盈余，其變化趨勢與水資源承載力變化趨勢相近，說明貴州水資源供給充足，在目前的經濟發展狀態下，能夠滿足區域的需要。萬元GDP水資源生態足跡逐年下降，年均降低12.95%，表明各地區對水資源的利用效率正在逐步提高，但還有很大的挖掘潛力。因此，基于貴州省巖溶地貌的特征，要加大水利工程的利用和建設，提高貴州蓄、提、引水的能力，提升對干旱災害的應對能力。

(3) 在地區演化特征差異上，貴州省各地州市水資源在空間上分布極為不均，水資源分布與人口、經濟的分布錯位。東部地區人口密度小、降水充沛，人均水資源生態盈余較大；地處中西部以貴陽、畢節、六盤水等為代表的長江珠江分水嶺地區、河源區降水相對較小，人口密度大，工農業較發達，導致人均水資源生態盈余較低，水資源承載力基本滿足社會和經濟的發展需要，但在干旱年份，會出現局部地區水資源供給不足，尤其是分散的農村地區表現比較明顯，飲水安全問題尚未完全解決，這對區域的可持續發展造成影響。所以在中西部地區，尤其是貴陽市、畢節地區和六盤水市等地區應該加大產業調整力度，合理安排產業布局與生產，提高水資源利用效率，同時進一步優化和完善大中小微型水利工程的建設與布局，提高應對極端氣候的能力。另外，貴州省水資源生態壓力指數遠小于1，水資源開發利用處于安全狀態，可開發利用空間大。因此，要根據各地州市的自身特色，大力發展旅游業、高新技術產業等低耗水產業，同時貴州作為兩江上游重要的生態屏障，要加強環境保護力度和水源涵養林的建設力度，合理開發水資源，提高水資源承載力，為兩江中下游地區的用水安全提供支撐。

(4) 本研究所用模型能夠較好地顯示貴州省水資源開發利用狀況，可為水資源管理與利用提供參考依據，但是也存在很多不足，僅對水資源量的生態足跡進行了研究，沒有考慮工礦業發展及農業面源污染等對水質安全的影響，未考慮突發事件、極端天氣背景下水資源承載力和水生態足跡變化情況，以后研究有待深入。