廣州市水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的時(shí)空分析

趙子惜

(廣東省水文局廣州水文分局，廣東 廣州 510150)

水是人類賴以生存和發(fā)展不可缺少的重要物質(zhì)資源。水資源作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性的自然資源，對(duì)人們的生產(chǎn)生活具有重要的影響[1]。但中國高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)導(dǎo)致水資源需求量和消耗量逐漸增加，水資源短缺和污染問題日益突出[2]。因此合理開發(fā)、利用水資源才能保證人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生存環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。而水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力是評(píng)價(jià)水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵，也是評(píng)價(jià)社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的有效指標(biāo)之一[3]。

1992年，生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家William E.Rees提出生態(tài)足跡的概念，之后他與Wackemagel M不斷完善，提出生態(tài)足跡計(jì)算模型[4]。該方法可用來衡量區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。但Wackemagel的模型中對(duì)水域賬戶的計(jì)算過程中僅包含了水域的生物生產(chǎn)[8-9]。作為補(bǔ)充，黃林楠等[10]將水資源用地作為第七類土地類型，納入生態(tài)足跡計(jì)算，并建立水資源生態(tài)足跡的計(jì)算模型。通過此模型，研究者便可得出區(qū)域內(nèi)的水資源生態(tài)赤字(盈余)、水資源生態(tài)壓力指數(shù)、萬元GDP數(shù)字元生態(tài)足跡等指標(biāo)，從而評(píng)價(jià)其水資源可持續(xù)利用能力。

基于水資源生態(tài)足跡模型的研究，許多學(xué)者亦可從不同空間區(qū)劃分析研究區(qū)域內(nèi)的水資源可持續(xù)利用狀況。路瑞[11]、王秀穎[12]、賈焰[13]、張軍等[14]從流域出發(fā)，分析了黃河、渾河、石羊河、疏勒河流域的水資源承載力和水資源生態(tài)足跡。金昌盛[15]、崔東亮等[16]從城市群出發(fā)，分別評(píng)價(jià)了長江經(jīng)濟(jì)帶、粵港澳大灣區(qū)水資源利用效率。從全國層面來看，譚秀娟等[17]通過構(gòu)建計(jì)算模型分析中國1949—2007年水資源的可持續(xù)利用狀況，表明中國人均水資源生態(tài)承載力呈下降趨勢(shì)，水資源處于一種不安全狀態(tài)。從行政區(qū)劃的角度，常龍芳等[18]分析了近十年云南省水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，結(jié)果表明：水資源生態(tài)足跡變化不明顯，水資源生態(tài)承載力差異較大，昆明、大理、曲靖、紅河州水資源生態(tài)足跡較大，迪慶州、麗江、怒江較小。以上的國內(nèi)研究，都從側(cè)面證明了水資源生態(tài)足跡方法對(duì)區(qū)域內(nèi)水資源可持續(xù)利用時(shí)間變化和空間分布研究的普遍適用性。

近年來，針對(duì)廣州市水資源可持續(xù)利用的研究都是圍繞模糊綜合評(píng)判法[19]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[20]、改進(jìn)基尼系數(shù)法等[21]較多，而基于生態(tài)足跡法的研究較少，廣州市水資源生態(tài)足跡的空間分布鮮有研究。廣州市雖地處南方豐水區(qū)，過境客水豐富，但存在水資源時(shí)空分布不均、水資源污染嚴(yán)重、水質(zhì)型缺水等問題，對(duì)其水資源可持續(xù)利用的研究至關(guān)重要。本文基于水資源生態(tài)足跡模型分析了2005—2019年期間，廣州市生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的時(shí)間變化以及空間差異，評(píng)價(jià)廣州市的可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)狀，為廣州市水資源的合理利用提供建議。

1 研究區(qū)概況

廣州地處廣東省中南部，珠江三角洲北緣，瀕臨南中國海。東連博羅、龍門兩縣，西鄰三水、南海和順德，北靠清遠(yuǎn)，南接?xùn)|莞和中山(圖1)。境內(nèi)河流水系發(fā)達(dá)，全市水域面積744 km2，占全市土地面積的10.05%。集雨面積在100 km2以上的河流共22條，主要河流有北江、東江北干流及增江、流溪河、白坭河、珠江廣州河段等。全市大部分地表徑流通過虎門、蕉門、洪奇瀝3個(gè)出海口入伶仃出南海。

圖1 廣州市地理位置

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的用水量、年降雨量、水資源總量等數(shù)據(jù)來源于廣州市2005—2019年水資源公報(bào)，所用人口數(shù)據(jù)、GDP等數(shù)據(jù)來源于相應(yīng)年份的統(tǒng)計(jì)年鑒。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 廣州市2005—2019年水資源開發(fā)利用情況

2.2 研究方法

2.2.1水資源生態(tài)承載力

水資源承載能力是指某一地區(qū)水資源所能支持的生產(chǎn)、生活和生態(tài)持續(xù)發(fā)展的能力。水資源生態(tài)承載力模型可表示為[22-24]：

ECw=N×eCw=0.4×φ×γw×(Q/ρw)

(1)

式中 ECw——區(qū)域水資源承載力，hm2；eCw——人均水資源承載，hm2/人；N——區(qū)域人口數(shù)；Q——水資源總量；φ——區(qū)域水資源的產(chǎn)量因子；ρw——水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2；γw——均衡因子。參考黃林楠、徐珊等[10，30]研究，φ取3.24，ρw取3.14×103m3/hm2，γw取5.19。

2.2.2水資源生態(tài)足跡計(jì)算

水資源生態(tài)足跡可以定義為：任何已知人口(某個(gè)人、一個(gè)城市、一個(gè)區(qū)域或全球)的水資源足跡是生產(chǎn)這些人口所消耗的所有資源所需要的水資源量[25-27]。

EFw=N×efw=γw×(W/ρw)

(2)

式中 EFw——水資源生態(tài)足跡，hm2；efw——人均生態(tài)足跡，hm2/人；W——總用水量，m3。

2.2.3水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)

a)水資源生態(tài)赤字(盈余)。水資源生態(tài)赤字(盈余)用來衡量水資源的可持續(xù)利用程度[28]，表示為：

Ew=ECw-EFw

(3)

Ew>0，為水資源生態(tài)盈余；當(dāng)Ew<0時(shí)，為水資源生態(tài)赤字。

b)水資源生態(tài)壓力指數(shù)。計(jì)算公式如下，Pw=1時(shí)，表明水資源處于供需平衡狀態(tài)，Pw值越小，水資源安全受到的威脅越小。

Pw=EFw/ECw

(4)

c)萬元GDP水資源生態(tài)足跡。萬元GDP水資源生態(tài)足跡可以反映區(qū)域內(nèi)水資源的利用效率，計(jì)算公式為區(qū)域內(nèi)水資源生態(tài)足跡與GDP的比值[29]。

Gw=EFw/GDP

(5)

3 廣州市水資源生態(tài)足跡

3.1 廣州市人均水資源生態(tài)足跡變化情況

表2為廣州市2005—2019年水資源生態(tài)足跡相關(guān)指標(biāo)，可知2005—2019年廣州市人均水資源生態(tài)足跡呈下降趨勢(shì)，年均增長率為-5.4%。人均生活用水生態(tài)足跡、農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡、工業(yè)用水生態(tài)足跡均呈下降趨勢(shì)，其中人均工業(yè)用水生態(tài)足跡下降速率最大，2005—2019年人均工業(yè)用水足跡從0.921 2 hm2/人變化到0.354 hm2/人，年均增長率為-6.6%(圖2)。對(duì)比廣東省的人均水資源生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果，廣州市歷年人均水資源生態(tài)足跡均高于廣東省的平均水平，但差額逐年降低，說明廣州市人均水資源生態(tài)足跡逐漸達(dá)到廣東省平均水平[30]。

2014年廣州市調(diào)整行政區(qū)劃，含天河、海珠、白云、越秀、荔灣、黃埔、花都、從化、番禺、增城、南沙11個(gè)區(qū)，故水資源生態(tài)足跡分布圖僅為2015—2019年。人均水資源生態(tài)足跡較小的區(qū)域?yàn)榘自啤⑻旌印⒑Ｖ閰^(qū)，較大的區(qū)域分布在黃埔和南沙區(qū)，人均水資源生態(tài)足跡均大于2 hm2/人(圖3)。根據(jù)2019年各區(qū)用水量，可知黃埔區(qū)和南沙區(qū)工業(yè)用水量都相對(duì)較高，分別為16.28億、7.98億m3。黃埔區(qū)和南沙區(qū)作為廣州開發(fā)區(qū)，第二產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，2019年黃埔區(qū)生產(chǎn)總值排名全市第二，主要以電子信息、汽車制造、化工、電力生產(chǎn)、食品飲料、金屬冶煉及電器機(jī)械產(chǎn)業(yè)為主。南沙區(qū)經(jīng)濟(jì)增速高，2019年GDP增速第一，發(fā)展?jié)摿κ悖饕云囍圃鞓I(yè)、電氣機(jī)械和器材制造業(yè)、化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)為主[31]。根據(jù)水資源生態(tài)足跡的定義，人均水資源生態(tài)足跡和社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求量呈正比，黃埔、南沙作為是廣州市發(fā)展的主陣地，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較高，對(duì)水資源的需求量也較高。越秀、天河、海珠、白云、荔灣區(qū)第三產(chǎn)業(yè)占比超過70%，主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)有金融業(yè)、交通運(yùn)輸、旅游業(yè)等服務(wù)業(yè)。這些產(chǎn)業(yè)對(duì)水資源的需求較少，人均水資源生態(tài)足跡也較小。

表2 廣州市2005—2019年水資源生態(tài)足跡相關(guān)指標(biāo)

圖2 廣州市人均水資源生態(tài)足跡生產(chǎn)賬戶的變化趨勢(shì)

a)2015年

b)2016年

c)2017年

d)2018年

e)2019年

3.2 人均水資源生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)變化

由圖4可知，廣州市水資源生態(tài)承載力在2005—2019年的起伏較大，由公式可知，水資源總量的大小決定了水資源生態(tài)承載力的大小。而水資源量的變化與降水量變化呈正相關(guān)[32]。2016年水資源總量和降雨量最大，水資源生態(tài)承載力也最大，為2 256.72萬hm2。2011年廣州市年降雨量、水資源總量、水資源生態(tài)承載力、人均水資源生態(tài)承載力均為最小，人均水資源生態(tài)承載力為0.953 2 hm2/人，與徐珊等[30]的研究成果一致。

圖4 2005—2019年廣州市水資源生態(tài)承載力

廣州市中心區(qū)(荔灣區(qū)、越秀區(qū)、海珠區(qū)、天河區(qū)、白云區(qū))河網(wǎng)水系復(fù)雜，故中心區(qū)不按照行政分區(qū)計(jì)算，圖5為2015—2019年廣州各區(qū)行政區(qū)人均水資源承載力。可知，2015—2019年各區(qū)的人均水資源承載力為：從化區(qū)>增城區(qū)>花都區(qū)>南沙區(qū)>黃埔區(qū)>番禺區(qū)>中心區(qū)。從化、增城水資源相對(duì)豐富，人口密度低，對(duì)水資源開發(fā)利用程度較低，故人均水資源生態(tài)承載力高于其他區(qū)。中心區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，人口密度大，人均水資源承載力小于其他區(qū)。

a)2015年

b)2016年

c)2017年

d)2018年

e)2019年

3.3 水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

a)水資源生態(tài)盈余分析。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，2005—2019年廣州市水資源均處于生態(tài)盈余狀態(tài)，2016年為最大盈余，為0.847 5 hm2/人，同年水資源總量和年降雨量分別為105.35億m2、2 448.6 mm，均為最大。2011年水資源生態(tài)盈余為0.006 7 hm2/人，水資源總量為56.74億m2，年降雨量為1 423 mm，均為最小。由圖6—7可知，水資源生態(tài)盈余與水資源總量和年降雨量有明顯相關(guān)關(guān)系。而水資源生態(tài)承載力和水資源總量、降雨量呈正相關(guān)，故水資源生態(tài)盈余和水資源生態(tài)承載力變化幅度一致[33]。

圖6 水資源盈余和水資源總量的關(guān)系

圖7 水資源盈余和年降雨量的關(guān)系

b)水資源壓力指數(shù)分析。2005—2019年水資源生態(tài)壓力指數(shù)均在0～1，表明廣州市水資源處于可持續(xù)利用狀態(tài)。2007、2009、2011年水資源壓力指數(shù)接近1，2011年水資源壓力指數(shù)最大，達(dá)到0.993(圖8)。

圖8 廣州市水資源生態(tài)壓力指數(shù)變化

c)萬元GDP水資源生態(tài)足跡分析。由圖9可知，2005—2019年，廣州市萬元GDP水資源生態(tài)足跡逐年下降，由0.266 4 hm2/人下降到0.043 5 hm2/人，共下降了0.222 9 hm2/人。15年間，廣州市GDP呈增長趨勢(shì)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展快、人口密集、用水需求量大，但萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈逐年下降，這說明一方面廣州市工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備較完善、技術(shù)到位，水資源利用效率逐年提升，另一方面企業(yè)、居民的節(jié)水意識(shí)也逐漸提高[34]。

圖9 廣州市年萬元GDP水資源生態(tài)足跡變化

4 結(jié)論和建議

水資源可持續(xù)發(fā)展對(duì)廣州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響，本文基于水資源生態(tài)足跡相關(guān)評(píng)價(jià)方法，分析了2005—2019年廣州市水資源生態(tài)足跡的水資源承載力的時(shí)間變化和空間分布情況，結(jié)論如下。

a)2005—2019年，廣州市人均水資源生態(tài)足跡逐年減小，人均水資源承載力同水資源總量變化一致，波動(dòng)較大，水資源生態(tài)承載力大于水資源生態(tài)足跡，水資源呈盈余狀態(tài)，水資源處于可持續(xù)利用狀態(tài)，萬元GDP水資源生態(tài)足跡逐年降低，共下降了0.222 9 hm2/人。廣州市水資源賬戶總體處于安全狀態(tài)，水資源利用效率不斷提高。

b)廣州市水資源生態(tài)足跡和水資源承載力各行政區(qū)分布不均衡，黃埔區(qū)、南沙區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，工業(yè)用水量大，社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求量大，人均水資源生態(tài)足跡較大。白云、天河、海珠區(qū)水資源生態(tài)足跡較小。2005—2019年各區(qū)的人均水資源承載力為：從化區(qū)>增城區(qū)>花都區(qū)>南沙區(qū)>黃埔區(qū)>番禺區(qū)>中心區(qū)。

c)廣州作為珠三角地區(qū)的中心城市，水資源生態(tài)承載力和水資源生態(tài)足跡之間的關(guān)系日益緊張[30]。廣州各行政區(qū)應(yīng)根據(jù)政府規(guī)劃，結(jié)合水資源實(shí)際分布與利用狀況，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)。作為廣州開發(fā)區(qū)的黃埔和南沙，可以引進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中較高等級(jí)的高新產(chǎn)業(yè)，以高新技術(shù)為重點(diǎn)，提高用水效率；花都區(qū)作為廣州第二產(chǎn)業(yè)比重高于第三產(chǎn)業(yè)的區(qū)之一，從花都區(qū)的經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)情況看[31]，皮革、皮毛、羽毛(絨)及其制品業(yè)、紡織服飾業(yè)等高耗水的產(chǎn)業(yè)較多，應(yīng)加大產(chǎn)業(yè)調(diào)整力度，逐漸較少、淘汰高耗水及衰退較快的工業(yè)，提高新技術(shù)的應(yīng)用，使企業(yè)的用水效率不斷提高；中心城區(qū)應(yīng)繼續(xù)發(fā)展低耗水的第三產(chǎn)業(yè)，提高現(xiàn)代服務(wù)業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)率。只有充分考慮廣州市水資源的時(shí)空分布情況，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提高用水效率，加強(qiáng)水資源管理、開展非常規(guī)水利用、提高居民節(jié)水意識(shí)、治理污水、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等工程和非工程措施，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源可持續(xù)利用。