邱 微，樊慶鋅，趙慶良，袁一星

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150090，qiuwei@hit.edu.cn)

水資源短缺已經(jīng)成為制約許多國家和地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題.研究水資源承載力是確定流域或區(qū)域社會發(fā)展的基礎(chǔ)和前提，是解決度量水資源可持續(xù)利用等諸多水問題的根本.保證水環(huán)境能夠支撐生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，控制水資源的開發(fā)利用不超過其承載能力，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，是學(xué)術(shù)界和管理者亟待解決的問題.

水資源生態(tài)承載力在國際上研究成果相對較少，主要針對特定區(qū)域圍繞虛擬水［1-3］、生態(tài)足跡方法［4-7］、投入 -產(chǎn)出模型與生態(tài)足跡模型結(jié)合［8］展開研究.此外，還有研究人員從生物能源利用的角度［9］，考慮人類對水資源的直接消費(fèi)和間接消費(fèi)［10］，從供水的角度對水資源生態(tài)承載力進(jìn)行相關(guān)研究［11-13］.我國新疆水資源軟科學(xué)課題組在1985年首次對新疆的水資源承載能力和開發(fā)戰(zhàn)略對策進(jìn)行了研究［14］.徐中民等［15］采用情景基礎(chǔ)的多目標(biāo)分析框架，探索性地計(jì)算了水資源的生態(tài)足跡.許新宜等［16］將水資源納入了宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)集成研究.吳志峰等［17］匯總淡水生態(tài)足跡與水產(chǎn)品生態(tài)足跡作為一個區(qū)域總的水生態(tài)足跡.杜發(fā)興等［18］在傳統(tǒng)多目標(biāo)分析決策技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立了基于熵權(quán)的屬性識別水資源承載力評價模型.韓俊麗等［19］運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)模型對包頭市水資源承載力進(jìn)行了模擬和預(yù)測.崔振才等［20］將水資源承載力計(jì)算概化為模糊線性規(guī)劃問題.

現(xiàn)有方法還存在一定局限性，如多目標(biāo)模型由于求解技術(shù)上的困難及對資料的要求使其應(yīng)用受到影響;基于虛擬水發(fā)展起來的計(jì)算方法，由于選擇指標(biāo)的局限性，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性;系統(tǒng)動力學(xué)法由于涉及的變量比較多，容易導(dǎo)致不合理的結(jié)論.本文基于生態(tài)足跡理論，構(gòu)建水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力模型，計(jì)算黑龍江省水資源生態(tài)需求和供給能力.研究結(jié)果對于促進(jìn)黑龍江省水資源的科學(xué)管理和有效利用具有指導(dǎo)意義.

1 水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力計(jì)算模型

水資源生態(tài)足跡模型主要用來計(jì)算在一定的人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模條件下維持水資源消費(fèi)和消納水污染所必需的生物生產(chǎn)性面積.把生態(tài)足跡中的水域擴(kuò)大為水資源用地，將消耗的水資源轉(zhuǎn)化為相應(yīng)賬戶的水域面積，然后對其進(jìn)行均衡化，最終得到可用于全球范圍內(nèi)不同地區(qū)相互比較的均衡值.本研究中，水資源生態(tài)足跡包括生活用水生態(tài)足跡、生產(chǎn)用水生態(tài)足跡、農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡、生態(tài)用水生態(tài)足跡和水產(chǎn)品消耗生態(tài)足跡.

(1)生活用水生態(tài)足跡(WFd)，指城市生活用水和農(nóng)村生活用水及家畜用水在研究時間段的需求

式中:wfd為人均生活用水生態(tài)足跡(hm2/人);N為人口數(shù);aaj為人均水域面積(hm2/人);Adw為生活用水消耗量(m3);Pw為全球水資源平均生產(chǎn)能力(m3/hm2).

(2)生產(chǎn)用水生態(tài)足跡(WFi)，企業(yè)在生產(chǎn)過程中用于制造、加工、冷卻、洗滌和其他生產(chǎn)過程中對水資源的需求過程

式中:wfi為人均生產(chǎn)用水生態(tài)足跡(hm2/人);Aiw為生產(chǎn)用水消耗量(m3);N、aaj、Pw同式(1).

(3)農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡(WFag)，指用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對水資源的需求過程

式中:wfag為人均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡(hm2/人); Aagw為農(nóng)業(yè)用水消耗量(m3).

(4)生態(tài)用水生態(tài)足跡(WFe)，包括城市環(huán)境用水和部分河湖、濕地的人工補(bǔ)水對水資源的需求

式中:wfe為人均生態(tài)用水生態(tài)足跡(hm2/人);Aew為生態(tài)用水消耗量(m3).

(5)水產(chǎn)品用水生態(tài)足跡(WFaq)，指人工養(yǎng)殖的水產(chǎn)品和天然生長的水產(chǎn)品對水資源的需求

式中:wfaq為人均水產(chǎn)品用水生態(tài)足跡(hm2/人); Aaqw為水產(chǎn)品用水消耗量(m3).

(6)水資源生態(tài)足跡以水資源生產(chǎn)性土地的面積來表達(dá)，水資源生態(tài)足跡計(jì)算公式為

(7)水資源承載力的計(jì)算必須綜合考慮生態(tài)環(huán)境以及社會生產(chǎn)，由于同類生物生產(chǎn)性的土地生產(chǎn)力在不同地區(qū)之間存在差異，因而各地區(qū)同類生物生產(chǎn)性的土地的實(shí)際面積不能直接對比.產(chǎn)量因子就是一個將同類生物生產(chǎn)性的土地轉(zhuǎn)換成可比面積的參數(shù).同時，根據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會的建議，生態(tài)承載力應(yīng)扣除12%的面積用于生物多樣性保護(hù)的生態(tài)補(bǔ)償.同理，在計(jì)算水資源生態(tài)足跡時也應(yīng)扣除12%的面積用于生物多樣性保護(hù)的生態(tài)補(bǔ)償.在生態(tài)足跡理論框架內(nèi)，水資源承載力(WC)為

式中:wc為人均水資源承載力(hm2/人);aW為水資源的全球均衡因子;γW區(qū)域水資源產(chǎn)量因子; QW水資源總量(m3);PW水資源全球平均生產(chǎn)力(m3/hm2).

(8)水資源生態(tài)赤字和水資源生態(tài)盈余

將一個地區(qū)或國家的水資源消耗產(chǎn)生的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力相比較，就會產(chǎn)生水資源生態(tài)赤字和水資源生態(tài)盈余

水資源生態(tài)盈余(或赤字)=WC-WF.

當(dāng)WC>WF時，為水資源生態(tài)盈余;當(dāng)WC= WF時，為水資源生態(tài)平衡;當(dāng)WC

(9)模型中參數(shù)的確定

a.全球水資源平均生產(chǎn)力為

式中:Pw為水資源全球平均生產(chǎn)力(m3/hm2);Qw為水資源總量(m3);A為計(jì)算區(qū)域的面積(hm2).

b.中國水資源產(chǎn)量因子為

式中:γ為水資源產(chǎn)量因子(無量綱值);Pi為區(qū)域單位面積產(chǎn)水量(m3/hm2);Pc為全國單位面積產(chǎn)水量(m3/hm2)，假設(shè)中國的水資源產(chǎn)量因子為1.

c.全球范圍內(nèi)水資源產(chǎn)量因子為

式中:γw為全球范圍內(nèi)的水資源產(chǎn)量因子;γwC為中國在全球范圍內(nèi)的水資源產(chǎn)量因子;γwa為某區(qū)域在國家范圍內(nèi)的水資源產(chǎn)量因子.

d.均衡因子為

式中:aW為水資源均衡因子;Pw為全球所有各類生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力;P為某一類生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力.

2 結(jié)果與分析

收集、整理和分析黑龍江省2003-2008年水資源指標(biāo)數(shù)據(jù)，按照上述計(jì)算模型，計(jì)算黑龍江省水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力.2003年黑龍江省人均水資源生態(tài)足跡需求計(jì)算結(jié)果見表1.同理，計(jì)算出2004-2008年黑龍江省水資源生態(tài)足跡，2003-2008年黑龍江省水資源的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力變化趨勢見圖1.可以看出，黑龍江省水資源生態(tài)足跡需求逐年增加，水資源生態(tài)承載力逐漸減少.2008年水資源生態(tài)足跡需求達(dá)到最大，為0.311 7hm2/人;2003年水資源生態(tài)足跡需求達(dá)到最小，為0.158 2 hm2/人;水資源生態(tài)承載力逐漸減少，2008年水資源生態(tài)赤字為 0.182 3 hm2/人.2004、2006、2007、2008年黑龍江省水資源利用均為不可持續(xù)狀態(tài).

圖1 2003-2008年黑龍江省水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力變化趨勢

黑龍江省水資源時空分布不均，降水主要集中在夏季，造成全省或局部地區(qū)常常出現(xiàn)供水不足和農(nóng)業(yè)旱澇交替變化.近些年來，黑龍江省氣候變化較大，有些年份降水偏少，導(dǎo)致降水量減小、蒸發(fā)量增加，氣候明顯變得干旱，流域水資源總量明顯低于多年平均值.此外，水資源供需矛盾突出，水資源利用效率較低，水土流失較嚴(yán)重，都是導(dǎo)致水資源生態(tài)承載力下降的原因，因此黑龍江省水資源呈現(xiàn)生態(tài)赤字狀態(tài).

黑龍江省地下水開采規(guī)模有限，總開采量遠(yuǎn)小于可開采量，今后要考慮合理利用地表水，科學(xué)開發(fā)地下水，充分利用降水與過境水資源，通過調(diào)蓄洪水解決水資源季節(jié)、空間分配不均的矛盾;倡導(dǎo)發(fā)展耗水少、節(jié)水型工業(yè)，對已有的耗水型企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造;推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)與農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等措施，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化管理和科學(xué)利用，維系水資源消耗量和水資源供給量的動態(tài)平衡.

3 結(jié)論

1)基于生態(tài)足跡理論，構(gòu)建水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力計(jì)算模型，收集、整理和分析黑龍江省2003-2008年水資源指標(biāo)數(shù)據(jù)，定量地計(jì)算和分析黑龍江省水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力.

2)黑龍江省水資源生態(tài)足跡需求逐年增加，水資源生態(tài)承載力逐漸減少，2004、2006、2007、2008年黑龍江省水資源利用均為不可持續(xù)狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力模型的科學(xué)合理性.

3)黑龍江省水資源時空分布不均，近年來流域水資源總量明顯低于多年平均值，水資源供需矛盾突出，水資源利用效率較低，水土流失較嚴(yán)重，都是導(dǎo)致水資源生態(tài)承載力下降的原因.

4)通過合理利用地表水，科學(xué)開發(fā)地下水，充分利用降水與過境水資源，調(diào)蓄洪水、推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水等措施，科學(xué)管理和有效利用黑龍江省有限的水資源，人為調(diào)節(jié)維系或恢復(fù)流域的健康水環(huán)境，控制水資源的開發(fā)利用不超過其承載能力和環(huán)境容量，促進(jìn)水資源的健康循環(huán).

［1］HOEKSTRA A Y，CHAPAGAIN A K.The water footprints of Morocco and the Netherlands:Global water use as a result of domestic consumption of agricultural commodities［J］.Ecological Economics，2007，64(1):143 -151.

［2］CHAPAGAIN A K，HOEKSTRA A Y，SAVENIJE H H G，et al.The water footprint of cotton consumption:An assessment of the impact of worldwide consumption of cotton products on the water resources in the cotton producing countries［J］.Ecological Economics，2006，60 (1):186-203.

［3］ELENA G C，ESTHER V.From water to energy:The virtual water content and water footprint of biofuel consumption in Spain［J］.Energy Policy，2010，38(3): 1345-1352.

［4］GERBENS-LEENES P W，HOEKSTRA A Y，Van Der MEER T.The water footprint of energy from biomass:A quantitative assessment and consequences of an increasing share of bio-energy in energy supply［J］.Ecological Economics，2009，68(4):1052-1060.

［5］VENETOULIS J.Accessing ecological impact of a university the ecological footprint for the university of Red lands［J］.International Journal of Sustainability in Higher Education，2001，2(2):180-196.

［6］JENERETTE G D，MARUSSICH W A，NEWELL J P. Linking ecological footprints with ecosystem valuation in the provisioning of urban freshwater［J］.Ecological Economics，2006，59(1):38-47.

［7］JENERETTE G D，WU Wanli，GOLDSMITH S，et al. Contrasting water footprints of cities in China and the U-nited States［J］.Ecological Economics，2006，57(3): 346-358.

［8］HUBACEK K，GUAN Dabo，BARRETT J，et al.Environmentalimplicationsofurbanization and lifestyle change in China:Ecological and water footprints［J］. Journal of Cleaner Production，2009，17:1241-1248.

［9］TAN R R，F(xiàn)OOD C Y，AVISO K B，et al.The use of graphical pinch analysis for visualizing water footprint constraints in biofuel production［J］.Applied Energy，2009，86:605-609.

［10］YU Yang，HUBACEK K，F(xiàn)ENG Kuishuang，et al.Assessing regional and global water footprints for the UK［J］.Ecological Economics，2010，69(5):1140-1147.

［11］FENG Lihua，ZHANG Xingcai，LUO Gaoyuan.Application of system dynamics in analyzing the carrying capacity of water resources in Yiwu City，China［J］. Mathematics and Computers in Simulation，2008，79 (3):269-278.

［12］XIA Y Q，SHAO M A.Soil water carrying capacity for vegetation:A hydrologic and biogeochemical process model solution［J］.Ecological Modelling，2008，214(2 -4):112-124.

［13］HOEKSTRA A Y.Human appropriation of natural capital:A comparison of ecological footprint and water footprint analysis［J］.Ecological Economics，2009，68(7):1963-1974.

［14］新疆水資源軟科學(xué)課題組.新疆水資源及其承載力的開發(fā)戰(zhàn)略對策［J］.水利水電技術(shù)，1989(6):29.

［15］徐中民.情景基礎(chǔ)的水資源承載力多目標(biāo)分析理論與應(yīng)用［J］.冰川凍土，1999，21(2):99-106.

［16］許新宜，王浩，甘泓，等.華北地區(qū)宏觀經(jīng)濟(jì)水資源規(guī)劃理論與方法［M］.鄭州:黃河水利出版社，1997:24-38.

［17］吳志峰，胡永紅，李定強(qiáng)，等.城市水生態(tài)足跡變化分析與模擬［J］.資源科學(xué)，2006，28(5):152-156.

［18］杜發(fā)興，曹廣晶，梁川，等.水資源承載力綜合評價的熵權(quán)屬性識別模型［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41(11):243-246.

［19］韓俊麗，段文閣，李百歲.基于SD模型的干旱區(qū)城市水資源承載力模擬與預(yù)——以包頭市為例［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2005，19(4):188-191.

［20］崔振才，白玉慧，劉慶鳳，等.基于模糊規(guī)劃的水資源承載力評價模型及應(yīng)用［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，42(6):738-781.