基于能值理論的水資源生態足跡變化特征
——以北京市為例

劉珂伶, 楊 柳

(中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院, 北京 100083)

水資源的可持續開發利用是資源環境研究的重要內容。水足跡和水資源生態足跡是水資源可持續利用研究中應用最廣泛的兩種方法。Hoekstra以虛擬水理論為基礎提出水足跡方法，是一種測量淡水利用與消耗的計算方法[1]。水資源生態足跡則在傳統生態足跡的基礎上，增加了對水資源自然資源供應能力的考慮[2]。國內學者亦對水資源生態足跡開展諸多探討，如黃林楠等建立水資源生態足跡和水資源生態承載力模型，并對江蘇省1998—2003年水資源生態足跡進行測算[3]。譚秀娟等利用該理論分析了我國1949—2007年的水資源可持續利用狀況，進一步證明該模型的科學性[4]。此后，不同學者對中國、遼寧省、中原城市群、湖州市等不同區域尺度的地區進行水資源生態足跡的計算，并提出針對性建議[5-8]。

然而，水資源生態足跡模型仍存在一定缺陷。在水資源生態足跡模型中，均衡因子和產量因子是兩個重要參數，它們將不同區域不同類型的土地面積轉化為可比較的度量相同的土地面積。現有研究中，均衡因子和產量因子的選取，大多為全球性的數據且時間久遠。這種處理雖便于不同地區間水資源生態足跡的橫向比較，但忽略了時間和區域的差異性，會產生計算結果于實際情況的誤差。有學者利用遙感產品NPP計算研究區域的均衡因子，以求更準確反映區域水資源開發利用現狀[9]。但是NPP產品的空間分辨率往往很粗糙，對于景觀異質性強的地區，NPP產品會出現無效值，從而導致計算結果無意義[10]。

能值生態足跡模型為探求自然資源供需關系提供了新思路。Zhao等人首次將能值理論引入生態足跡方法，通過與傳統生態足跡模型的對比，證明能值生態足跡模型的可行性[11]。此后，不同學者利用能值生態足跡模型對中亞地區、我國江蘇省、上海市、青島市等不同尺度進行研究，并在研究中不斷改進，形成較為健全的能值生態足跡模型[12-15]。區域能值密度和太陽能值轉換率是能值生態足跡模型中的重要參數。區域能值密度是將太陽能值折算成土地面積的參數，太陽能值轉換率可將不同類型的能量轉化成度量統一的太陽能值。由于自然生態系統的自組織程度已達到較高水平，故太陽能值轉換率和區域能值密度更為穩定，其隨時間波動程度很小[16]。引入能值理論，從能值流動角度計算區域水資源生態足跡，采用更為穩定的太陽能值轉換率和區域能值密度等參數，能夠更為準確地動態模擬區域水資源開發利用現狀。

北京市作為全國政治、文化等中心，人口日益增加，水資源匱乏，人均占有量僅為我國人均占有量的1/8，是世界人均占有量的1/30，缺水程度十分嚴重[17]。準確辨識北京市水資源開發利用現狀是提出科學決策的重要基礎。北京市人口密度大導致景觀異質性很高，若使用遙感產品計算均衡因子和產量因子意義不大。因此，本文以北京市為例，采用基于能值理論的水資源生態足跡模型對北京市2005—2018年水資源生態足跡和水資源生態承載力的變化趨勢進行測算和分析，利用水資源生態足跡評價指標對北京市水資源現狀進行評價，并將研究尺度縮小至格網，對格網尺度的水資源生態足跡及與區域尺度之間的關聯問題進行研究。研究結果可為北京市水資源開發利用和科學管理及區域可持續發展評估與規劃提供參考，進一步豐富水資源開發利用研究理論體系。

1 數據來源和方法

1.1 數據來源

水資源能值生態足跡計算中涉及的北京市水資源總量、用水量數據均來自北京市水務局《北京市水資源公報》，北京市分區及分產業用水量來自《節水基礎數據統計匯編》。地區生產總值(GDP)、年末常住人口數等統計數據來自北京市統計局官網上的《北京市統計年鑒》和《北京區域統計年鑒》。地圖數據為北京市1∶100萬分區劃矢量圖。北京市人口、降水量、GDP1 km格網空間分布數據均來自中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn/)。

1.2 研究方法

1.2.1 基于能值理論的水資源生態足跡模型

(1) 水資源能值生態足跡(WEEF)。生態足跡代表了人類負荷強度，反映了區域生態和經濟特征。根據傳統水資源生態足跡和能值生態足跡模型，建立WEEF模型。利用太陽能值轉換率，根據不同種類用水量得到水資源人均太陽能值，再通過區域水資源能值密度得到消耗水資源的生物生產性土地面積，即為WEEF。此外，水資源作為一種供給人類發展需求的資源，還承擔著消納人類產生廢棄物的作用。因此WEEF由用水足跡和污染足跡組成，其中用水足跡包括農業用水、工業用水、生活用水、生態用水等用水足跡，污染足跡為消納污染的足跡。其計算方法為[18]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:WEEF為人均水資源能值生態足跡(hm2/人);Ci為第i種用水的人均太陽能值(sej/人);Ewi為第i種用水量(m3);Twi為第i種用水的太陽能值轉換率(sej/m3);N為人口總數;P為區域能值密度(sej/hm2);U為區域能值總量(sej);S為研究區域面積(hm2);WEEFp為人均水資源污染足跡(hm2/人);ECOD和ENH3-N分別為化學需氧量(COD)和氨氮的能值(sej);MCOD/NH3-N為COD或氨氮的廢水排放量(t);ρ為水的密度(1 000 kg/m3); CONCOD/NH3-N為COD或氨氮的允許排放濃度,可在《北京市水污染物排放標準》(DB11/307-2005)中獲得；COD為30 mg/L,氨氮為1.5 mg/L;Hw為熱值系數(2.56E+04 J/kg);Uw為水的單位能值,由集水區年降水總能值與年集水化學相除的多年平均值得到,取值為3.02 E+04 sej/J。具體計算方法為[19]:

(6)

雨水化學能=區域面積×年降水量×蒸散系數(60%)×水密度×雨水吉布斯自由能

(7)

地表水(地下水)化學能=水量×地表水(地下水)吉布斯自由能×水密度

(8)

其中，雨水的太能能值轉換率參考《能值評估手冊》，取值為1.54E+04 sej/J[13]。吉布斯自由能是指各類水體相對于海水的吉布斯自由能，計算公式為：

(9)

式中:s為水體的固體物質溶解量(mg/kg)。雨水、地表水、地下水的固體物質溶解量分別為10 mg/kg,56.9 mg/kg,300 mg/kg。

(2) 水資源能值生態承載力(WEEC)。水資源生態承載力是區域水資源豐富程度的度量。北京市水資源主要來源于地表水、地下水和雨水。能值理論中雨水能值分為雨水化學能和雨水勢能，雨水化學能降落到地表后，隨地表徑流會轉化為地表水化學能，隨土壤滲透至地下水后會轉化為地下水化學能，因此北京市水資源能值組成為地表水化學能、地下水化學能和雨水勢能(圖1)。此外有研究表明[20]，區域對水資源開發利用率若超過40%將會引起該區域生態環境惡化，因此在計算水資源生態承載力時要乘以0.4作為開發水資源的利用率。其計算模型為：

(10)

式中:WEEC為人均水資源能值生態承載力(hm2/人);EG為地表水化學能(sej);EU為地下水化學能(sej);ER為雨水勢能(sej);Pw為區域水資源平均能值密度(sej/hm2)。

(3) 相關參數的確定。區域能值密度P和區域水資源能值密度Pw是根據北京市區域能值和水資源能值除以北京市面積的多年平均值得出，區域能值密度為1.35E+15 sej/hm2，區域水資源能值密度為5.85E+14 sej/hm2。各種用水或水資源的能值通過將用水量乘以相應能值轉化系數來計算。表1是本文用到的能值轉化系數及其來源，其中雨水勢能計算方法為[16]：

ER=S×Rain×Runoff×ρ×elevation×g

(11)

式中:S為區域面積(m3);Rain為平均降水量(m);Runoff為徑流系數(0.4);elevation為平均高程(m);g為重力加速度(9.8 m/s2)。

圖1 水資源生態系統能量流動圖

表1 各類用水或水資源的能值轉換率 sej/m3

1.2.2 水資源生態足跡評價指標

(1) 水資源生態赤字/生態盈余(WED/WES)。WED/WES能直接反映區域對水資源的利用強度。當WEEC>WEEF時為生態盈余(WES)，區域水資源供給滿足人類需求；反之，區域水資源供給則不能滿足人類需求，區域社會經濟發展對當地水資源生態安全構成威脅；WEEC=WEEF時水資源生態平衡。其計算公式如下[2]：

WED(WES)=WEEC-WEEF

(12)

(2) 水資源生態壓力指數(WEFI)。WEFI利用水資源生態系統單位生態容量承受的壓力來評價水資源生態安全。根據Yang等[16]對區域生態安全等級劃分的研究結果，當WEFI<1時，人類消耗小于生態承載，表明水資源處于生態安全狀態；WEFI>1時，生態系統承受壓力大于實際生態承載力，說明水資源生態不安全；WEFI=1時則表明區域水資源供需處于平衡狀態(表2)。與WED/WES相比，WEFI為無量綱，可用于不同區域間水資源利用情況的比較。其計算公式為：

WEFI=WEEF/WEEC

(13)

表2 基于生態壓力的區域生態安全等級分類

(3) 水資源生態經濟協調指數(WEECI)。WEECI可反映生態環境與社會經濟之間的生態協調性，區域社會經濟發展是否在生態環境承載范圍內以及能值生態足跡與區域資源稟賦之間的關系。本文引進該指數來評價水資源生態系統與社會經濟之間的協調性以及區域社會經濟發展與水資源稟賦之間的關系。其計算方法為[15]：

(14)

其中，WEECI取值區間為(1,1.414)。WEECI越接近1，則生態協調性越差；WEECI越接近1.414，則說明生態協調性越好；當WEECI=1.414時，處于最佳生態協調狀態。

1.2.3 格網水資源生態足跡 水資源生態足跡計算受限于統計數據的缺失。統計數據多數以行政區域(市、區等)為統計單元，更小單元的統計數據基本缺失或難于獲得。鑒于GIS數據可提供不同格網單元的人口、降水量等空間分布數據，因此本文利用ArcGIS軟件的數學分析方法，將北京市WEEF，WEEC，WED，WEFI，WEECI進行1 km尺度格網化，并與北京市區劃矢量數據疊加，獲得格網和區域尺度相關數據[25]。

(15)

式中:WEEFij為第i個行政區第j個格網的水資源能值生態足跡;WEEFi為第i個行政區的用水能值生態足跡;pi為第i個行政區的人口數量;pj為第j個格網內的人口數量。

在水資源生態承載力的計算中，由于北京城市化現象十分明顯，自來水供水情況已非常普遍，因此本文假設同一行政區內，人均水資源供給水平一致，結合1 km格網降水量空間分布數據，可計算各格網內的雨水勢能，三者相加得到格網水資源能值生態承載力，具體計算公式為：

WEECij=(WEECGi+WEECUi)×pj+WEECRj

(16)

式中:WEECij為第i個行政區第j個格網的水資源生態承載力;WEECGi和WEECUi分別為為第i個行政區的人均地表水生態承載力和人均地下水生態承載力;WEECRj為第j個格網的雨水勢能包含的水資源生態承載力。

在水資源生態足跡評價指標的計算中，WED，WEFI，WEECI均可由格網水資源生態足跡與格網水資源生態承載力按照1.2.2節中式(12-14)進行計算。

1.2.4 傳統水資源生態足跡 為分析水資源能值生態足跡與傳統水資源生態足跡的差異及其產生原因，本文根據文獻[3]提出的傳統水資源生態足跡方法[3]，文獻[26]提出的水污染足跡計算模型[26]，計算北京市2005—2018年的水資源生態足跡。其中，均衡因子取世界自然基金會在2002年的測算結果5.19，產量因子根據北京市多年產水模數與世界平均產水模數的比值計算得出為0.54，世界水資源平均生產能力為3 140 m3/hm2，水消納COD全球平均生產能力為0.094 2 t/hm2，水消納氨氮全球平均生產能力為0.004 71 t/hm2。

2 結果與分析

2.1 WEEF變化特征

北京市WEEF從2005年0.41 hm2/人下降至2018年0.29 hm2/人，降幅為29.27%。變化趨勢呈現周期波動，2005—2010年逐年下降，至0.32 hm2/人，2011年增長顯著，環比增長29.03%而后逐年下降至0.29 hm2/人(表3)。2005—2018年，北京市農業用水、工業用水、生活用水、生態用水、污染賬戶等足跡分別占總能值生態足跡的4.32%～12.94%，5.39%～12.10%，30.69%～49.95%，1.55%～19.80%，19.74%～49.52%。生活用水對總能值生態足跡的貢獻最大，其次是污染賬戶、農業用水、工業用水，最小的是生態用水。

表3 北京市水資源能值生態足跡

各類用水賬戶的變化規律表明，污染賬戶的變化可能是導致總能值生態足跡周期性變化的原因。用水賬戶總體呈現小幅下降趨勢，其中生活用水足跡基本沒有變化，農業用水和工業用水足跡逐年降低，而生態用水足跡正逐年上升(圖2)。

圖2 北京市水資源能值生態足跡結構

2.2 WEEC變化特征

2005—2018年，北京市WEEC為0.02～0.05 hm2/人。其中地表水是水資源能值生態承載力的主要貢獻者，其次是地下水，雨水勢能的生態承載力最小(表4)。WEEC呈現周期性上下波動，主要受地表水的影響，若某年份地表水能值大，則該年的生態承載力也高。2012年北京市水資源生態承載力最高，為0.05 hm2/人，2014年最低，為0.02 hm2/人(圖3)。

圖3 北京市水資源能值生態承載力趨勢變化

2.3 WED與WEFI變化特征

2005—2018年，北京市WED總體呈逐年下降趨勢，從2005年的-0.35 hm2/人下降至2018年的-0.22 hm2/人，降幅為37.14%。WEFI呈現上下波動的形勢，2014年最高，為11.55,2018年最低，為4.72。該值受WEEC變化的影響較大，WEEC在2014年最小導致該年的生態壓力激增。研究結果表明，北京市常年處于水資源生態赤字狀態，南水北調等外調水的輸入以及北京市發布的節水減排等一系列舉措稍減輕了赤字程度，但由于起始生態赤字程度高，現階段也仍處于較大的赤字狀態。水資源生態壓力多年平均值為7.37，常年處于亞安全狀態(圖4)。

圖4 北京市水資源生態壓力與生態赤字

2.4 WEECI變化特征

2005—2018年，北京市水資源生態系統與其社會經濟系統之間的協調性較差，WEECI為1.08～1.19，均接近于1(圖5)。2014—2018年WEECI有上升趨勢，2018年最高，為1.19，表明水資源生態與社會經濟的關系正不斷改善。很可能是由于北京市積極調整產業結構，擴張水資源利用效率高的第三產業，同時注重節水科技的提升，減少在運輸和利用時的水資源消耗，使水資源利用效率不斷提高。

圖5 北京市水資源生態經濟協調指數

2.5 北京市水資源能值生態足跡空間特征

北京每1 km2WEEF最大值為13 447 hm2，最小值為17.706 hm2。總體上呈由中心向四周逐漸變小的形勢，其中海淀區東部地區WEEF最高，延慶區、平谷區等周邊城區WEEF較小。各行政區內WEEF亦呈中心高四周低的形勢，區內均存在WEEF較高的小型聚集區(圖6)。

圖6 2015年北京市水資源生態足跡空間特征

每1 km2WEEC最大值為2 708 hm2，最小值為2 hm2。平谷區、大興區擁有較高的WEEC，中心城區WEEC相對較低。WEEC在行政區內分布變化較大的是大興區和平谷區，其中大興區從北到南WEC逐漸增大，平谷區從北到南WEC逐漸減小。

表4 北京市水資源能值生態承載力

WED和WEFI總體上也呈現中心高四周低的形勢，其中僅平谷區的WED大于0，呈現水資源生態盈余，水資源供需狀況協調。其他行政區WED均小于0，中心城區城六區生態赤字最大，說明其水資源供需嚴重不平衡。各區內的WEFI變化不明顯，只有平谷區WEFI小于1呈安全狀態，西城區、東城區、朝陽區和海淀區WEFI均超過30，為極度不安全狀態，通州區為輕度不安全狀態，其余行政區均為亞安全狀態。

WEECI總體上在中心城區城六區和通州區的值較小，均靠近1，水資源生態經濟協調性最低，而平谷區水資源生態與經濟發展的協調性最高。

3 討 論

3.1 水資源能值生態足跡與傳統水資源生態足跡對比

水資源能值生態足跡與傳統水資源生態足跡的變化趨勢大體相似，但前者數值略低于后者。主要原因有二(圖7)。其一，傳統計算方法中缺少對各類用水足跡貢獻差異的考慮，認為各種類型用水消耗的單位淡水資源所占用的生物生產性土地面積是相同的。事實上，各類用水中水資源的最終流向有差異就會導致占用能力不同，例如農業用水的最終去向是農作物和土壤，土壤中水分會通過滲透作用匯入地下水，農作物中的水分也會被人類所用，因此農業用水的占用能力應相對較低。其二，能值水污染足跡計算結果總體上大于傳統水污染足跡計算結果。這可能由于傳統水污染足跡選取參數為全球性的，即消納COD/氨氮全球平均生產能力，該參數忽略了地區差異，而能值水污染足跡在計算水的單位能值時考慮到北京市實際降水情況及水資源儲量，計算得到的能值污染足跡更大。水資源能值生態足跡對各類用水實際占用能力的差異以及地區差異均有衡量，因此更能真實反映區域水資源利用狀況。

圖7 水資源能值生態足跡與傳統水資源生態足跡

水資源生態承載力計算結果的比較，表明傳統水生態足跡中水資源生態承載力大于能值方法的結果，這與能值生態足跡的相關研究結果相反(圖8)。對于整個生態系統而言，能值生態承載力的計算以能量流為基礎進行轉換，能考慮到被傳統生態承載力忽視的其他類型土地所提供的承載力，例如濕地等，所以其值比傳統生態承載力高[22-24]。而在水資源生態系統中，只有雨水和地表地下水資源提供生態承載力，因此導致計算結果比傳統方法低的原因可能在于傳統方法中均衡因子的選取是世界性的，忽略了地區之間的差異，而能值方法中選取區域能值密度，能真實反映區域實際承載能力。

圖8 水資源能值生態承載力與傳統水資源生態承載力

將能值理論與水資源生態足跡模型結合，既能考慮到污染賬戶，也能避免均衡因子和產量因子計算時的不穩定性，對于景觀異質性高的地區，可利用該方法能夠更為真實的計算區域水資源生態足跡與生態承載力。

3.2 北京市水資源開發利用狀況

WEEF呈現周期性變化，主要受污染足跡變化的影響，其中2011年和2016年是兩個重要的轉折點。2011年污染足跡迅速增大，是由于COD排放量的迅速增大。2016年污染足跡迅速減少，這可能與北京市在2015年底發布的《北京市水污染防治工作方案》有關，該方案的頒布加強了水污染的管控力度，嚴格限制了不達標污水的排放。從用水賬戶來看，農業用水和工業用水的生態足跡一直降低，這與農業灌溉技術提高和工廠等工業設施轉移關系密切。先進的農業灌溉設施提高了用水效率，節省了農業用水。生態用水足跡不斷增加，說明北京市對生態環境保護的重視程度日益增大。生活用水的生態足跡最高且呈現平穩態勢，說明人們日常生活中水資源消耗對水資源利用影響較大，限制人口、加強節約用水宣傳力度、建立節約用水獎勵制度、發展科技提高節水效率是必要舉措。WEEC常年保持較低水平且呈現波動變化形勢，其變化主要受降水影響，2008年、2012年是降水豐年，地區的水資源儲量增加，WEEC上升；2014年曾因厄爾尼諾現象導致全國大部分地區降水量銳減，水資源儲量顯著降低，WEEC隨之下降。南水北調的外來水也能增加WEEC，本文中將其均歸納到地表水。但是南水北調外來水水量都比較固定，且由于地理環境的原因，水質與本地水可能會有不同，相互之間不相容導致水質變差甚至不可用[27]，因此適量增加南水北調外來水水量，并提高水質改良技術，使其與本地水質相容，以人工方式增加區域水資源生態承載力。

從空間特征上看，WEEF，WED，WEFI均呈現四周低、中心高的形勢，WEECI呈現四周高、中心低的形勢，WEEC無固定規律。限制人口是北京市整體控制水資源生態壓力的有效舉措，明確城市發展方向，調整產業結構，將第二產業適當向周邊城市轉移，繼續發展第三產業并將其適當轉移至周邊行政區，產業疏解帶動人口疏解[28]，從而將中心城區人口轉移至周邊行政區，平衡全市水資源生態壓力。此外，與以往研究中行政區域尺度相比，將研究尺度降低到1 km格網尺度，可清楚了解行政區內部的水資源利用空間分布特征以及尺度之間的關聯特征，可為行政區域間和區域內的水資源配置提供參考。

4 結論與建議

(1) 北京市WEEF在0.29～0.41 hm2/人，其中生活用水對WEEF的貢獻最大，其次是污染賬戶、農業用水、工業用水，最小的是生態用水。WEEC在0.02～0.05 hm2/人，地表水比重最大，其次是地下水，雨水勢能比重最小。

(2) WED與WEI的年均值分別為-0.30 hm2/人和7.37，北京市常年處于生態赤字和水資源生態亞安全狀態。WEECI年均值為1.13，生態經濟協調性較差。水資源生態足跡空間特征分布不均，中心城區的水資源生態足跡、生態赤字和生態壓力最高，生態經濟協調性最差。

(3) 北京市水資源生態安全仍處于較為嚴峻的形勢。為降低水資源生態足跡和生態壓力，限制人口、拆遷轉移人口、調整產業結構、轉移產業區位、加強節約用水宣傳力度、建立節約用水獎勵制度、發展科技提高節水效率是必要舉措。