北京市2010-2019年水資源生態足跡和生態承載力

岳 晨, 劉 峰,3, 楊 柳, 高 昀, 郭斯嘉

〔1.中國地質科學院 水文地質環境地質研究所，河北 石家莊 050061; 2.自然資源部地熱與干熱巖勘查開發技術創新中心，河北 石家莊 050061; 3.中國地質大學(北京)，北京 100083〕

水資源作為可再生性資源，在社會生產及生態環境等方面具有不可替代的重要作用。水資源的可持續開發也關系到城市的可持續發展。Willam Rees等在1992年最早提出生態足跡法，其博士Wackernagel于1996年將其完善，使其成為衡量資源可持續利用的綜合核算的工具[1-4]。生態足跡法通過估算維持人類生活的自然資源消費量和同化人類產生的廢棄物所需要的生態生產性空間面積大小，并與給定人口區域的生態承載力進行比較，來衡量區域的可持續發展狀況[5]。經過多年的發展，各國科研人員也在對水資源生態足跡法進行不斷改進和探索。Haberl等[6]通過長時間段生態足跡計算方法，分析了奧地利1926—1955年的生態足跡。Wackernagel等[7]分析菲律賓、韓國、奧地利1961—1999年的生態足跡和實際土地需求。孟麗紅等[8]通過分析了江西省2007—2011年水資源生態足跡模型，為江西省水資源可持續利用提供技術支持。陳正雷等[9]通過LMDI構建的水資源生態足跡模型分析了山東省2007—2016年水資源生態足跡和水資源承載力。目前，國內外對水資源生態足跡的基本理論、計算方法不斷探討以及實證分析研究[10-14]。本文主要以水資源生態足跡模型為理論框架，以北京市2010—2019年數據為基礎,通過分析南水北調前后5 a水資源生態足跡，生態承載力，以及水資源生態赤字和負載指數，系統分析南水北調為北京市可持續發展的影響，為北京市可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

北京市位于華北平原的西北邊緣，是中國的首都，也是全國的政治中心，文化中心，經濟中心；該地區的水資源可持續研究具有重要的科研價值與現實意義。北京市東、西、北三面環山，東南部為平原。平原區地勢西北高東南低。總的地貌平坦廣闊，由洪、沖積扇及沖、洪積平原聯合而成。北京市具有明顯的溫帶季風氣候特征，屬于華北平原降水量較多的地區，年平均降水量約630 mm。降水集中在7—8月，多暴雨。北京市地表水多年平均徑流量為1.77×109m3，地下水多年平均補給量為3.67×109m3[15]，人均水資源量為114 m3/人(2019年)，屬嚴重缺水地區。北京市主要河流有五條，但水量較少，多年供水以地下水為主。自南水北調中線工程于2014年底12月正式通水后，北京市城市供水結構發生重大變化，南水北調水成為供水結構的主要部分。

2 數據來源與研究方法

2.1 水資源生態足跡模型

水資源生態足跡，就是將消耗的水資源量轉化為相應賬戶的生產面積——水資源用地面積，然后對其進行均衡化，最終得到可用于全球范圍內不同地區可以相互比較的均衡值[16]。公式如下：

EFw=N×efw=N×γw×(W/pw)

(1)[17]

式中：EFw為水資源生態足跡(hm2)；N為人口數； efw為人均水資源生態足跡(hm2/人)；γw為全球水資源均衡因子,取5.19[18]；W為水資源消耗量(m3)；pw為全球水資源平均生產能力(m3/hm2)，取3 140 m3/hm2[19]。

2.2 水資源生態承載力模型

水資源生態承載力，主要表示水資源對生態系統和經濟系統良性發展的支撐能力，需要綜合考慮生態環境以及社會生產所需要的水資源[19]。

ECw=N×ecw=0.4×ψ×γw×Q/pw

(2)

式中：ECw為水資源生態承載力(hm2)；N為人口數； ecw為人均水資源生態承載力(hm2/人)；γw為水資源均衡因子；ψ為水資源產量因子，取0.77[18]；Q為水資源總量(m3)；pw為世界水資源平均生產能力(m3/hm2)。通常，一個國家和地區的水資源承載力中60%用于維持生態環境，因此，計算中乘以系數0.4[18]。

2.3 水資源生態盈余及水資源生態赤字

將區域內水資源生態足跡和生態承載力相比較，其差值即為水資源生態盈余或赤字[20]。

水資源生態赤字(盈余)=ECw-EFw

(3)

當數值為正時，則為生態盈余，表明北京市水資源尚有潛力；當數值為0時，則表明北京市水資源生態平衡。當數值為負時，則為生態赤字，表明水資源過量開發。

2.4 萬元GDP水資源生態足跡

萬元GDP水資源生態足跡是通過水資源生態足跡與萬元GDP的比值來表示的。其值越小表示水資源利用效率越高，反之越低[21]，公式如下：

萬元GDP水資源生態足跡=EFw/GDP

(4)

2.5 水資源負載指數

水資源負載指數能夠反映水資源的時空分布、利用程度及水資源開發的難易程度。其分級指標見表1[22]，公式為：

(5)

式中：c為水資源負載指數；p為人口(104人)；G為國內生產總值(108元)；W為水資源總量(108m3)；k為與降水有關的系數。

k值計算公式[23]如下：

(6) 表1 水資源負載指數分級指標[22,24]

2.6 數據來源

本文的研究數據主要來自北京統計年鑒(2011—2020年)，北京市水資源公報(2010—2019年)，具體數值見表2。

表2 2010-2019年北京市社會經濟及用水量分析

3 結果與分析

3.1 北京市水資源生態足跡、生態承載力及生態赤字(盈余)計算

本文以北京市2010—2019年的各行業用水量為基礎，以前文所述的水資源生態足跡模型及水資源生態承載力模型為依據，計算北京市2010—2019年水資源生態足跡和生態承載力，計算結果見表3。

表3 北京市2010-2019年人均水資源生態足跡與人均生態承載力分析 hm2/人

由圖1可知，北京市2010—2019年水資源生態足跡4個賬戶中，生活用水生態足跡所占水資源生態足跡比例最高，約為45%，呈現緩慢波動上升的趨勢。生態環境用水生態足跡變化最大，這幾年呈現逐步升高的趨勢，且所占比重逐年加大。由趨勢線可以看出2014年北京市生態環境用水生態足跡明顯上升，可能是由于使用京密引水渠調水，增加了運輸途中的輸水損失造成的。農業用水生態足跡和工業用水生態足跡自2010年以來逐年下降，尤其是農業用水生態足跡，下降趨勢明顯，說明這幾年北京市農業節水措施效果顯著，農業水資源利用率顯著提高。由示意圖可以看出近幾年北京市對工業節水相對重視，效果也比較顯著。由此可知，北京市水資源生態與社會經濟的關系正不斷改善。推測是北京市政府通過積極調整產業結構，注重節水科技的發展，不斷提高水資源利用率呈現的成果。

圖1 北京市2010-2019年水資源人均農業、工業、生活、生態環境生態足跡

由圖2可知，北京市水資源生態足跡總趨勢非常平穩，表明隨著經濟與人口的增長，人均水資源利用率也隨之上升，保持較低的人均水資源生態足跡是實現可持續發展的有效途徑。而反觀水資源生態承載力，可以看出上下波動頻率較大，較高年份為2016年和2018年，分別達到0.107 hm2/人和0.112 hm2/人。究其影響因素，不僅限于人口、水文、植被、地質條件等情況，也與當年的氣候條件，尤其是降水密切相關。根據圖3可以看出，2010—2014年水資源生態承載力的變化與降水的年度變化規律基本一致，說明水資源生態承載對于氣候變化非常敏感。2015年以后水資源生態承載力的變化規律與降水變化整體趨勢一致，但曲線更加平滑，推測可能是南水北調來水起到了一定的調蓄作用，對北京市水資源生態承載力起到一定影響作用。北京市水資源生態赤字在2016年達到最低值0.188 hm2/人，也是水資源生態承載力最高，推測主要原因是因為2016年為豐水年，且2016年南水北調供水已正常為北京市供水。由此可見，南水北調外調水的輸入對于北京市水資源生態赤字程度有一定緩解作用，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。

圖2 北京市2010-2019年人均水資源生態足跡、人均水資源生態承載力和人均水資源生態赤字特征

圖3 北京市2010-2019年年均降水量變化

從圖4可知，2010—2019年北京市萬元GDP水資源生態足跡呈現上下波動的形勢，整體變幅與北京市年均降水量變化趨勢一致。除2012年最高外，整體仍然有向下的趨勢，說明北京市水資源利用效率在穩步提高，這也與北京市近些年來不斷調整產業結構，優化產業發展息息相關。

圖4 北京市2010-2019年萬元GDP生態足跡變化特征

3.2 北京市水資源負載指數

通過計算北京市水資源負載指數表(表4)，可以看出北京市水資源負載指數很高。水資源負載指數與水資源時空分布、利用程度息息相關。北京市人口密度大，水資源儲量少且時空分布極不均勻，經濟增長迅速，用水量逐年增長造成水資源開發利用率高，因此，北京市水資源負載指數比較高。南水北調外調水進京后，北京市水資源負載指數有下降趨勢，但負載程度依然較高。說明南水北調外調水雖然很大程度上緩解了北京市供水緊張的形勢，但由于北京市水資源多年處于超采情況，即使有南水北調外調水輸入，仍需要一定時間才能進一步改善北京市水資源生態承載狀況。

表4 北京市歷年來水資源負載指數等級分布

4 結 論

(1) 通過計算北京市2010—2019年水資源生態足跡，水資源生態承載力，水資源生態赤字，萬元GDP生態足跡等諸多指標，計算結果顯示北京市人均水資源生態足跡在 0.28～0.32 hm2/人，其中，生活用水對水資源生態足跡貢獻最大，生態環境生態足跡變化最大，成為影響北京市水資源生態足跡的第二項指標，其次是農業用水，最小的是工業用水。北京市人均水資源生態承載力在0.04～0.12 hm2/人之間，水資源生態承載力受降水影響較大。但隨著南水北調外來水的輸入，該項指標受降水影響的程度有所降低。

(2) 2010—2019年北京市水資源負載指數遠大于10，赤字程度較高，水資源生態壓力大。隨著南水北調外調水進京，備用水源地取水量和當地供水量減少，會有效的緩解本地水資源的壓力，有利于水源地的涵養。但由于北京市水資源存量資本消耗嚴重，外調水對北京市水資源生態承載力的改善有限。

(3) 北京市水資源生態安全仍然處于比較嚴峻的形勢。雖然北京市政府已經做了很多工作，并取得了顯著成效。但由于北京特殊的政治背景，人口基數龐大，新增流動人口多，經濟增長迅速，均成為北京市水資源可持續發展的主要限制因素。為了降低水資源生態足跡和緩解水資源現有狀況，限制人口，調整產業結構，加強節水工業、農業的生產，提高水資源效率仍是必要舉措。