嘉興市水資源生態(tài)足跡動態(tài)分析

李 莉，余建林，浦國佳，俞麗瑯，趙歡歡，蘇營營

(浙江省嘉興生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，浙江嘉興 314000)

水資源是極其重要的地球自然資源，水資源的開發(fā)和利用始終貫穿著人類文明史的產(chǎn)生和發(fā)展。隨著經(jīng)濟的急速發(fā)展和人口規(guī)模的不斷擴大，對水資源的需求量也在不斷的擴大[1]。由于水資源是人類生存生活極其重要的一種稀缺性資源，了解和掌握區(qū)域內(nèi)水資源的利用、變化情況，對于區(qū)域水資源的開發(fā)、保護和可持續(xù)利用都具有重要的意義。水資源生態(tài)足跡(water footprint，WF)，也被稱為水資源生態(tài)占用，被認為可以用作定量評估和評價人類從事的生產(chǎn)活動和區(qū)域內(nèi)水資源消耗之間的可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)的一個指標[2-3]。水資源生態(tài)足跡是指某一特定的地理區(qū)域內(nèi)，經(jīng)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(chǎn)廢棄物需要的水資源量，所核算得到的生物生產(chǎn)性土地的面積，代表了社會生產(chǎn)和人類活動對水資源的需求量。近十幾年來，水資源生態(tài)足跡的研究發(fā)展迅速，它已經(jīng)成為研究區(qū)域水資源利用狀況、評價區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力的重要指標；除此之外，水資源生態(tài)足跡的研究可以為區(qū)域內(nèi)水資源的開發(fā)和利用提供科學的規(guī)劃和建議[4-11]。

本文建立了2005年—2019年嘉興市水資源生態(tài)足跡模型，分析了區(qū)域內(nèi)水資源生態(tài)足跡、水資源的負載指數(shù)及可持續(xù)發(fā)展模型，為嘉興市未來水資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

嘉興市位于浙江省東北部，位于北緯30°15′—31°02′，東經(jīng)120°20′—121°32′，處于長江三角洲杭嘉湖平原腹心地帶，是長三角洲重要城市之一，也是浙江最大的平原區(qū)。陸地面積為3 915 km2，內(nèi)陸水域面積為328 km2，下轄南湖區(qū)、秀洲區(qū)、海寧市、桐鄉(xiāng)市、平湖市、嘉善縣和海鹽縣。嘉興市地處亞熱帶南緣，屬東亞季風區(qū)，四季分明，氣候溫和適中，雨水豐沛，日照充足。多年平均降水量為1 355.51 mm(折合水量為49.98億m3)，降水對嘉興市的水資源總量影響較大，但是，全市降水豐沛期為4月—10月的汛期。據(jù)統(tǒng)計，全年接近四分之三的降水量集中在4月—10月。市域水系總體上屬于長江水系太湖流域，京杭運河為貫穿市境的主干河流。全市河道縱橫，水面率為8.85%，主要分布在秀洲區(qū)和嘉善縣。嘉興市多年平均水資源總量約26.30億m3，人均水資源為669.1 m3，遠遠低于全國2 300 m3和浙江省2 106 m3的平均水平。因此，研究該區(qū)域內(nèi)的水資源開發(fā)利用狀況及其與社會經(jīng)濟發(fā)展之間的關系是十分重要和緊迫的。

1.2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.2.1 水資源生態(tài)足跡模型

水資源生態(tài)足跡理論是將水資源的消耗折算成土地面積來表征水資源利用狀況的一種方法[5-6]。根據(jù)水資源的用途及用水特性，城市水資源生態(tài)足跡賬戶一般為農(nóng)業(yè)用水賬戶、工業(yè)用水賬戶、城鎮(zhèn)用水賬戶、生活用水賬戶和生態(tài)用水賬戶。水資源賬戶的計算方法如式(1)。

EFm=N·efm=γ(W/Pm)

(1)

其中：EFm——研究區(qū)域內(nèi)水資源生態(tài)足跡，km2；

efm——研究區(qū)域內(nèi)人均水資源生態(tài)足跡，km2/人；

N——研究區(qū)域內(nèi)人口；

γ——水資源的全球均衡因子，根據(jù)世界自然基金會(WWF)2000年的核算，γ為5.1[5,9]；

W——各類水資源的消耗量，m3；

Pm——水資源的全球水資源平均生產(chǎn)力，m3/km2，根據(jù)WWF 2000年的核算，Pm為3.14×105m3/km2。

1.2.2 水資源生態(tài)承載力模型

水資源生態(tài)承載力是水資源安全性的重要指標[12]，主要是指在一段具體的時間框架內(nèi)，研究區(qū)域中能夠供給的、足夠保證研究區(qū)域內(nèi)的社會狀況、環(huán)境狀態(tài)以及資源可持續(xù)發(fā)展能力的最大水資源量[6,13-17]。在水資源生態(tài)足跡研究過程中，發(fā)現(xiàn)40%是一個區(qū)域內(nèi)的水資源開發(fā)利用率的紅線[6]。也就是說，為了維持一個區(qū)域內(nèi)最基本的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定，最多只能開發(fā)40%的水資源。因此，水資源生態(tài)承載力計算模型如式(2)。

ECn=N·ecn=0.4·φ·γ·Q/Pm

(2)

其中：ECn——需要得到的區(qū)域內(nèi)的水資源承載力，km2；

N——研究區(qū)域內(nèi)的人口總量；

ecn——研究區(qū)域內(nèi)的人均水資源承載力，km2/人；

γ——常數(shù),5.1；

φ——研究區(qū)域內(nèi)的水資源產(chǎn)量因子，計算得到嘉興市φ為2.14；

Q——研究區(qū)域內(nèi)的水資源總量，m3；

Pm——常量,3.14×105m3/km2。

1.2.3 水資源可持續(xù)指數(shù)模型

尹默雪等[18]首先提出了生態(tài)壓力指數(shù)(EP)的概念。本研究將水資源生態(tài)壓力指數(shù)細分為4個水資源生態(tài)賬戶下的壓力指數(shù)，使其更具有針對性，計算方法如式(3)。當EP在0～1時，表示水資源的利用處于安全的狀態(tài)；當EP>1時，表示水資源的利用處于危險的狀態(tài)；當EP=1時，表示水資源的利用處于平衡狀態(tài)[14,19]。

EP=EFm/ECn

(3)

水資源生態(tài)壓力指數(shù)不但是衡量區(qū)域內(nèi)水資源生態(tài)安全的重要指標，也是評價區(qū)域內(nèi)可持續(xù)發(fā)展能力的重要參考方式。在水資源壓力指數(shù)的基礎上，引入水資源可持續(xù)指數(shù)(EPI)，用于評價研究區(qū)域內(nèi)水資源的可持續(xù)發(fā)展利用程度，計算如式(4)。

EPI=ECn/(EFm+ECn)

(4)

EPI在0～1時，值越大，表明可持續(xù)利用程度越高；反之，則表明水資源利用處于不可持續(xù)狀態(tài)；0.5被認為是臨界點。根據(jù)EPI的值，將水資源可持續(xù)發(fā)展利用的程度劃分為6個等級，如表1所示。

表1 水資源可持續(xù)指數(shù)等級劃分Tab.1 Classification of Sustainable Utilization Index of Water Resources

1.2.4 萬元GDP水資源生態(tài)足跡

為了評價水資源的利用效率，引入了萬元GDP水資源生態(tài)足跡指數(shù)(EFI),其計算如式(5)。EFI數(shù)值越小，說明水資源利用效率越高；反之則效率越低[18]。一般來說，區(qū)域內(nèi)的萬元GDP水資源生態(tài)足跡會與該區(qū)域的水資源利用成反比。

EFI=EFm/GDP

(5)

1.2.5 水資源負載指數(shù)

結合研究區(qū)域內(nèi)水資源總量、人口總數(shù)和GDP總值可以得到水資源負載指數(shù)。這一指標不但可以顯示區(qū)域內(nèi)人口經(jīng)濟的發(fā)展狀態(tài)與水資源的開發(fā)利用狀態(tài)之間的關系，還可以在一定程度上評估該區(qū)域內(nèi)未來水資源開發(fā)的前景。因此，在水資源研究中，一般利用水資源負載指數(shù)來評價區(qū)域內(nèi)水資源的開發(fā)利用前景。其計算如式(6)[20-21]。

(6)

其中：C——該區(qū)域內(nèi)的水資源負載指數(shù)；

P——該區(qū)域內(nèi)的人口總數(shù)，萬人；

G——該區(qū)域內(nèi)的GDP，億元；

W——該區(qū)域內(nèi)的水資源總量，億m3；

k——常數(shù)，k取值規(guī)則如式(7)。

(7)

其中：R——年降水量，mm。

不同的水資源負載指數(shù)代表的水資源利用程度和進一步開發(fā)評價如表2所示。

表2 水資源負載指數(shù)分類Tab.2 Categorization Load Index of Water Resources

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的數(shù)據(jù)均來源于2005年—2019年《嘉興市水資源公報》和《市統(tǒng)計年鑒》。

2 結果與分析

2.1 嘉興市水資源生態(tài)足跡

圖1 嘉興市2005年—2019年平均水資源生態(tài)足跡組成Fig.1 Configuration of Water Resources Ecological Footprint in Jiaxing City during 2005—2019

圖1為2005年—2019年嘉興市平均水資源生態(tài)足跡賬戶構成圖。生產(chǎn)用水(包括農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水)是水資源生態(tài)足跡的主要組成部分，占比達到80%以上，且農(nóng)業(yè)用水大大超過工業(yè)用水，占水資源生態(tài)足跡的一半以上，多年平均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡和工業(yè)用水生態(tài)足跡占比分別為61.98%和21.89%。居民生活用水生態(tài)足跡、城鎮(zhèn)生公共用水生態(tài)足跡和生態(tài)用水生態(tài)足跡分別占10.11%、4.55%和1.47%，這3個賬戶的水資源生態(tài)足跡變化不大。雖然從2005年—2019年農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水量下降明顯，但是第三產(chǎn)業(yè)用水量保持相對穩(wěn)定，增量不明顯，說明當前嘉興市水資源利用結構還處于轉型狀態(tài)，高耗水的第一和第二產(chǎn)業(yè)仍然占據(jù)嘉興市產(chǎn)業(yè)結構的主要部分。

圖2為嘉興市2005年—2019年的水資源生態(tài)足跡。由圖2可知，研究期間水資源生態(tài)足跡呈波動狀，總體為下降趨勢。

圖2 2005年—2019年嘉興市水資源生態(tài)足跡Fig.2 Water Resource Ecological Footprint in Jiaxing City from 2005—2019

2.2 水資源可持續(xù)利用評價指標

2005年—2019年嘉興市人均水資源生態(tài)足跡、人均水資源生態(tài)承載力以及水資源可持續(xù)指數(shù)的變化如圖3所示。由圖3可知，人均水資源生態(tài)足跡處于6.15×10-3～1.10×10-2km2/人，最高值出現(xiàn)在2005年，最低值出現(xiàn)在2019年，最大值和最小值之間相差4.85×10-3km2/人。總體來說，嘉興市水資源人均生態(tài)足跡出現(xiàn)了明顯的下降，2019年比2005年下降了44.1%。

圖3 2005年—2019年嘉興市水資源可持續(xù)指數(shù)、人均水資源生態(tài)承載力、人均水資源生態(tài)足跡Fig.3 Variation of Sustainable Utilization Index of Water Resources, Carrying Capacity of Water Resource Per Capita and Water Resource Ecological Footprint of Per Capita in Jiaxing during 2005—2019

人均水資源生態(tài)承載力與人均水資源生態(tài)足跡變化趨勢一致，主要受降水量的影響。在降水量豐沛的年份，人均水資源生態(tài)承載力就較大，比如在2012年、2015年、2016年和2018年，這幾年人均水資源的生態(tài)承載力在1.09×10-2～1.24×10-2km2/人；而降水量較小的年份，人均水資源承載力出現(xiàn)很大的下降，比如2005年、2006年和2011年，人均水資源生態(tài)承載力都小于5×10-3km2/人。經(jīng)計算，嘉興市的水資源承載力與年降水量之間的相關系數(shù)達到0.976，因此，降雨少或者降水的時間空間不均勻對嘉興市的水資源承載力有直接的影響，水資源的可持續(xù)開發(fā)和利用已經(jīng)成為嘉興市深灰經(jīng)濟發(fā)展中亟待解決的戰(zhàn)略問題。

由以上二者可以得到嘉興市在2005年—2019年的水資源可持續(xù)利用指數(shù)。水資源可持續(xù)利用指數(shù)隨著水資源總量和年降水量變化而波動。2005年—2007年嘉興市的人均水資源已經(jīng)處于生態(tài)赤字的狀況，表示在這段時間內(nèi)，嘉興市存在水資源開發(fā)利用程度過度的問題。2008年—2010年稍有生態(tài)盈余，2011年、2013年由于降水量的減少，嘉興地區(qū)的水資源又出現(xiàn)了生態(tài)赤字；其余年份嘉興的水資源都處于生態(tài)盈余。由圖3可知，2005年—2019年嘉興市水資源生態(tài)赤字的總體趨勢逐年縮小，這與嘉興市采取的產(chǎn)業(yè)結構調整和節(jié)水措施導致耗水量高的第一、第二產(chǎn)業(yè)比例下降，以及相應的用水量下降密切相關。

2.3 水資源利用強度

圖4為嘉興市2005年—2019年萬元GDP水資源生態(tài)足跡的變化趨勢，由2005年的4.4×10-3km2/萬元下降到了2019年的5.5×10-4km2/萬元，降低了87.5%，說明嘉興市水資源利用率逐年提高。嘉興市在能在經(jīng)濟增長較快的同時大幅度提高水資源的利用強度，主要是因為隨著科技進度，在各個產(chǎn)業(yè)行業(yè)中采用了較為先進的技術，從而較高地提高了水資源的利用率。在今后的經(jīng)濟建設中，如果要進一步提高效率，則需繼續(xù)調整優(yōu)化用水結構，進一步改進節(jié)水工藝。

圖4 嘉興市2005年—2019年水資源利用強度指標Fig.4 Ten Thousand Yuan GDP Ecological Footprint from 2005—2019 in Jiaxing City

2.4 水資源負載指數(shù)

為了進一步研究嘉興市水資源利用情況，對嘉興市2005年—2019年水資源負載指數(shù)進行了研究。水資源負載指數(shù)是結合區(qū)域內(nèi)降水、水資源總量、人口以及經(jīng)濟發(fā)展幾個因素，綜合反映區(qū)域內(nèi)水資源利用程度的一個綜合指數(shù)。由圖6可知，嘉興市水資源負載指數(shù)總體處于Ⅱ和Ⅲ級別。2011年由于降水量大幅度減少、GDP小幅提升，當年的水資源負載指數(shù)達到10.44，進入Ⅰ級別，即需要外流域調水才能維持繼續(xù)發(fā)展的水平。而其余年份基本都在Ⅱ級和Ⅲ級之間波動。總體來看，嘉興市的水資源還可以滿足社會經(jīng)濟的正常運行，但是水資源開發(fā)利用難度加大也是不爭的事實，對水資源進行更有效的開發(fā)利用和合理配置以滿足長遠發(fā)展的要求是當下急需關注的問題。

圖5 嘉興市2005年—2019年水資源負載指數(shù)變化Fig.5 Load Index of Water Resources in Jiaxing City during 2005—2019

3 結論與建議

3.1 結論

水資源生態(tài)足跡模型可以用來評價某區(qū)域在某個時間段內(nèi)水資源的可持續(xù)發(fā)展狀況。本文通過建立水資源生態(tài)足跡模型，分析和評價了2005年—2019年嘉興市水資源可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)，得出以下結論。

(1)嘉興市歷年水資源生態(tài)足跡和人均水資源生態(tài)足跡呈波動性的總體下降趨勢。年降水量對水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力影響較大。

(2)從工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、城鎮(zhèn)和生態(tài)用水對嘉興市生態(tài)足跡賬戶的貢獻來看：農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占比最高，為61.98%，其次為工業(yè)用水生態(tài)足跡，在研究期平均占比為21.89%；生活用水、城鎮(zhèn)用水和生態(tài)用水生態(tài)足跡占比分別為10.11%、4.55%和1.47%。嘉興地區(qū)的第一產(chǎn)業(yè)用水和第二產(chǎn)業(yè)用水這兩部分的生態(tài)足跡占比高達82.7%，說明該地區(qū)的水資源利用結構還不夠合理，產(chǎn)業(yè)結構還有進一步調整的空間。

(3)2005年—2019年嘉興市的人均水資源生態(tài)足跡總體為下降趨勢，2019年較2005年下降了44.1%；從人均分賬戶的趨勢來看，人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡的整體趨勢是大幅下降，2019年較2005年下降了55.5%。結合農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡逐年下降的數(shù)據(jù)，說明政府在節(jié)水型農(nóng)業(yè)的發(fā)展和推廣上得到了較好的成效，農(nóng)業(yè)用水的水資源效率得到了有效的提高。值得注意的是，在這期間雖然經(jīng)濟飛速發(fā)展，第二產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，但是工業(yè)用水生態(tài)足跡變化不大，說明在工業(yè)大規(guī)模發(fā)展的同時，無論從政策上還是經(jīng)濟上，都可以充分認識到提高水資源利用率的重要性。在保證經(jīng)濟發(fā)展的同時，不對水資源進行無序的、無節(jié)制的開發(fā)，并積極采取技術手段提高水資源的利用效率。人均工業(yè)用水、人均生活用水和人均生態(tài)用水生態(tài)足跡歷年來稍有波動，總體趨勢變化不大；人均城鎮(zhèn)用水生態(tài)足跡總體為上升趨勢，2019年較2005年上升了164.4%，這與人口總量的快速增長有正相關的關系。

(4)2005年—2019年嘉興市人均水資源生態(tài)承載力和生態(tài)盈余波動較明顯，整體上與年降水量和水資源總量呈明顯的正相關。雖然嘉興地區(qū)河網(wǎng)密集，但是水資源總量受到降水的影響非常大。對于嘉興地區(qū)來說，水資源總量雖然不小，但是人均水資源量遠遠低于全國和全省水平，因此，嘉興地區(qū)總體的水資源利用形勢還是比較緊張的。

(5)2005年—2019年嘉興市水資源萬元GDP指數(shù)逐年下降，說明水資源利用效率逐漸提高。這主要由于在經(jīng)濟發(fā)展的過程中，隨著新技術的發(fā)展，以及政府逐漸將環(huán)境保護和產(chǎn)業(yè)發(fā)展結合起來，積極推廣和利用新技術，在保證經(jīng)濟發(fā)展的同時，提高水資源的利用率，合理開發(fā)區(qū)域內(nèi)的水資源。

(6)從2005年—2019年的水資源水資源負載指數(shù)可以看出，近年來嘉興市水資源開發(fā)利用的條件相對來說還是處于一個較困難的狀態(tài)，這與區(qū)域內(nèi)水資源量和人口經(jīng)濟規(guī)模不匹配也有一定的正相關。

3.2 建議

為了減輕嘉興市的水資源利用開發(fā)壓力，根據(jù)以上水資源生態(tài)足跡模型的分析結果，建議采取以下措施來保證嘉興市水資源的可持續(xù)利用。

(1)雖然農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡下降明顯，但是農(nóng)業(yè)用水至今仍舊是嘉興地區(qū)的主要用水產(chǎn)業(yè)，因此，應當繼續(xù)積極引入農(nóng)業(yè)相關的節(jié)水技術，改善第一產(chǎn)業(yè)農(nóng)業(yè)及相關產(chǎn)業(yè)的用水效率，改善現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。

(2)調整產(chǎn)業(yè)結構和產(chǎn)業(yè)政策，發(fā)展具有區(qū)域特色的第三產(chǎn)業(yè)。利用現(xiàn)代化的新技術，淘汰落后產(chǎn)能，鼓勵發(fā)展低能耗和節(jié)水型的工業(yè)模式發(fā)展。水資源問題的根源在于供需不平衡，在水資源供給一定的前提下，只有減少水資源的使用量、提高水資源的利用效率，才能實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的目標。積極發(fā)展綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)，將水資源的利用向生態(tài)用水偏移，不僅可以提高用水效率，還可以保障該地區(qū)的保水能力，減小自然因素對水資源生態(tài)承載力的影響。

(3)由于工業(yè)用水也是嘉興地區(qū)用水的主要構成部分，應當采用現(xiàn)代化新技術提高工業(yè)用水的循環(huán)使用率；并且從水資源保護層面出發(fā)，應當加強對工業(yè)廢水進行無害化處理以后再排放的監(jiān)督管理。

(4)隨著人口的增加，生活用水的需求也會不斷提高，因此，提高居民節(jié)水意識，倡導節(jié)約用水，建立節(jié)水型社會對水資源的保護和利用也是極其重要的。與此同時，完善頂層制度設計，制定科學的用水總量控制和管理體系，加強對水資源的管理，對于可持續(xù)利用和開發(fā)有限的水資源是重要的制度保障。

此外，本文在水資源生態(tài)足跡計算過程中，并沒有考慮水污染對水資源生態(tài)足跡的影響。因此，在今后的研究中，應逐步將這部分的內(nèi)容引入研究體系，分析結果可以更全面、更科學。