宦臣臣，甘升偉，徐 慧，饒漢霖

(1.太湖流域水文水資源監(jiān)測中心 江蘇 無錫 214024；2. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

近年來,愈加嚴(yán)峻的水資源利用現(xiàn)狀和水生態(tài)發(fā)展問題對水資源的可持續(xù)發(fā)展利用提出了更高的要求。國內(nèi)外學(xué)者圍繞水資源可持續(xù)利用[1-4]和水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展[5]的研究方興未艾，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[6]、多目標(biāo)規(guī)劃、生態(tài)足跡[7]等方法在多種空間尺度上開展了研究。生態(tài)足跡法因?yàn)槠淞炕瘻?zhǔn)確，可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用，譚秀娟[8]，于冰[9]等利用該方法對國家、省市等尺度上的水資源可持續(xù)利用狀況進(jìn)行了分析評價(jià)。

水生態(tài)足跡(Water Ecological Footprint)，是人類在對水生態(tài)系統(tǒng)的深入研究中，以生態(tài)足跡理論[10]為基礎(chǔ)發(fā)展而來的。在諸多學(xué)者的研究與探討下，水生態(tài)足跡的概念已逐漸明確。其定義為：某一特定的地理區(qū)域內(nèi)，經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人口發(fā)展到一定程度時(shí)，區(qū)域發(fā)展所消費(fèi)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。簡單來講，水生態(tài)足跡指的是一定人口和經(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)性土地面積，其單位一般為hm2。而與之類似的水足跡測算的則是用于生產(chǎn)和服務(wù)所消費(fèi)的水資源量，單位為m3[11]。

關(guān)于水生態(tài)足跡的劃分，傳統(tǒng)生態(tài)足跡理論中僅包括水產(chǎn)品生態(tài)足跡，缺少水資源賬戶。但是水資源作為國民生活生產(chǎn)的重要戰(zhàn)略性資源，其重要性和不可替代性不容忽視，因此，許多學(xué)者開始致力于將水資源納入到生態(tài)足跡的研究中去，以便對其進(jìn)行量化分析及比較。黃林楠等[12]在生態(tài)足跡理論的基礎(chǔ)上增加了水資源賬戶，并對各項(xiàng)系數(shù)和子賬戶進(jìn)行了測算。段錦等[13]通過增加淡水資源賬戶和污染賬戶，進(jìn)一步彌補(bǔ)了生態(tài)足跡模型中對淡水資源和生態(tài)系統(tǒng)消納污染物能力描述的不足。焦文珺等[14]基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對各類水生態(tài)足跡的內(nèi)涵及關(guān)系進(jìn)行了探討，完善了水生態(tài)足跡模型。但目前多數(shù)研究對水生態(tài)系統(tǒng)的整體性考慮不足，在水生態(tài)足跡的耦合方面考慮不夠充分，而且沒有將現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的分析結(jié)合起來。因此，筆者運(yùn)用水資源可持續(xù)發(fā)展綜合評價(jià)模型綜合從水量、水質(zhì)和水生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)方面考慮，對水資源可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢進(jìn)行了深入探討。其中，水產(chǎn)品生態(tài)足跡是水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的反饋，屬水域型生產(chǎn)性土地；淡水生態(tài)足跡對應(yīng)水量的安全性，水污染生態(tài)足跡是水質(zhì)的保證，均為水資源生產(chǎn)性土地。

1 水資源可持續(xù)發(fā)展綜合評價(jià)模型

1.1 水生態(tài)足跡模型

(1) 水產(chǎn)品、淡水、水污染生態(tài)足跡計(jì)算模型分別為:

Esw=Nesw=Φ(Ws/Ps)

(1)

Erw=Nerw=φ(Wr/Pw)

(2)

Epw=Nepw=φ(Wp/Pw)

(3)

式中：E為各類水生態(tài)足跡，hm2。其中，Esw對應(yīng)水產(chǎn)品，Erw對應(yīng)淡水，Epw對應(yīng)水污染。e為其對應(yīng)的人均值，hm2·人-1。W為各類水生態(tài)足跡賬戶核算的項(xiàng)目，Ws為區(qū)域水產(chǎn)品消費(fèi)量，t；Wr為區(qū)域淡水消耗量(不含火電用水)，m3；Wp為稀釋污染物需水量，m3。選取無錫水域主要超標(biāo)污染物氨氮作為稀釋對象，利用零維水質(zhì)模型[15]計(jì)算，降解系數(shù)取KN=0.05[16]。Ps、Pw均為全球平均生產(chǎn)能力，表征水產(chǎn)品的Ps=0.18 t/hm2[17]，表征水資源的Pw=3 140 m3/hm2[12]。Φ、φ均為全球均衡因子，表征水域的Φ=0.35[18]，水資源的φ=5.19[12]。

(2) 水生態(tài)足跡耦合模型。水產(chǎn)品、淡水、水污染生態(tài)足跡之間的關(guān)系并非相互獨(dú)立，因?yàn)橥凰虺３＞哂卸喾N生態(tài)功能，例如提供淡水資源的水域也可能有漁業(yè)養(yǎng)殖的功能，同時(shí)根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002》，一般排污區(qū)域不適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖。因此結(jié)合《江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》，得出三者關(guān)系如圖1所示。

圖1 三類水生態(tài)足跡的關(guān)系

圖1中，A+B部分為水產(chǎn)品生態(tài)足跡，B+C+D部分為淡水生態(tài)足跡，D+E部分為水污染生態(tài)足跡，B和D為重復(fù)部分。根據(jù)無錫市水功能區(qū)劃分，有10個(gè)水功能區(qū)兼做漁業(yè)和工農(nóng)業(yè)用水區(qū)，占85個(gè)水資源開發(fā)利用區(qū)的12%，所以取淡水生態(tài)足跡的12%計(jì)算重復(fù)部分。而現(xiàn)行的水功能區(qū)劃尚無排污控制區(qū)[19]，水污染生態(tài)足跡與淡水生態(tài)足跡重復(fù)部分無直接統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，取值為0。計(jì)算公式如下：

Efw=Nefw=Esw(A+B)+Erw(C)+Epw(E)

(4)

式中：Efw為區(qū)域水生態(tài)足跡，hm2；efw為人均水生態(tài)足跡，hm2·人-1。

1.2 水生態(tài)承載力模型

水生態(tài)承載力是指一定條件下，自然水生態(tài)系統(tǒng)所能支撐的人類活動(dòng)的閾值[20]，可用水資源的生態(tài)生產(chǎn)能力來衡量，即區(qū)域水資源總量，核算為所能承載的相應(yīng)生物生存的面積。計(jì)算公式如下：

Ecw=Necw=αφψ(Q/Pw)

(5)

式中：Ecw為考慮本地水資源總量的區(qū)域水生態(tài)承載力，hm2；ecw為人均水生態(tài)承載力，hm2·人-1；α為水資源合理開發(fā)利用率，取值0.4；Q為本地水資源總量，m3；ψ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子，經(jīng)核算，無錫市ψ=1.50。

1.3 水資源可持續(xù)發(fā)展評價(jià)指標(biāo)

(1) 水生態(tài)盈虧，具體可以用公式(6)進(jìn)行計(jì)算：

ΔEw=Ecw-Efw

(6)

式中：ΔEw表示水生態(tài)盈虧，hm2·人-1。正值為盈余，表示水生態(tài)系統(tǒng)供給的水資源能支撐人類發(fā)展的需求；負(fù)值則為赤字。

(2) 萬元GDP水生態(tài)足跡等于區(qū)域水生態(tài)足跡總量與對應(yīng)時(shí)段的GDP總量的比值，該數(shù)值越小，說明創(chuàng)造同等價(jià)值的經(jīng)濟(jì)效益需要的水生態(tài)足跡越少，水資源利用效率越高，可持續(xù)性越強(qiáng)。

(3) 水生態(tài)可持續(xù)指數(shù)(ESI)反映的是一定區(qū)域的水生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)供給的水資源滿足人類需求的程度，能夠較為直觀地反映水資源可持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)度。

ESI=Ecw/(Ecw+Efw)

(7)

式中:ESI=0.5時(shí)，表示區(qū)域水資源供給需求平衡。因此可以0.5為界限，將可持續(xù)發(fā)展程度由弱到強(qiáng)分為4個(gè)不同的等級類型(表1)。

表1 水生態(tài)可持續(xù)指數(shù)分級

1.4 水生態(tài)足跡預(yù)測模型

ARIMA(p，d，q)模型一般用于非平穩(wěn)時(shí)間序列[21]，應(yīng)用時(shí)將其經(jīng)過d次差分轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)序列(式8)并進(jìn)行檢驗(yàn)，然后根據(jù)AIC準(zhǔn)則確定模型參數(shù)p，q，就可以對時(shí)間序列進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測。

ut=λ1ut-1+,…,+λput-p+εt+θ1εt-1+,…,+θqεt-q

(8)

式中：ut為時(shí)間序列；λi(i=1,2,…,p)為回歸系數(shù)；θi(i=1,2,…,q)為移動(dòng)平均系數(shù)，εt是一個(gè)為白噪聲序列的隨機(jī)項(xiàng)。

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況

無錫市地處江蘇省東南部，南瀕太湖，北枕長江，地表水豐富，外來水源較為充足，人口密度大，本地多年平均水資源總量(1956—2000年)為22.05億m3，多年平均人均水資源量為340 m3，水域水質(zhì)總體維持在Ⅳ類。2015年無錫成為“國家生態(tài)保護(hù)與建設(shè)示范區(qū)試點(diǎn)城市”，環(huán)境保護(hù)與生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略地位更加突出，但是無錫經(jīng)歷了30多年的快速發(fā)展之后，資源環(huán)境在一定程度上出現(xiàn)了透支現(xiàn)象。因此，促使城市水資源可持續(xù)發(fā)展已成為支撐無錫經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。

2.2 無錫市水資源可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

根據(jù)公式(1)～(7)，筆者結(jié)合人口情況對無錫市2008—2015年的人均水生態(tài)足跡進(jìn)行計(jì)算和分析，結(jié)果見表2。各類生態(tài)足跡占比情況見圖2，水資源可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)變化情況見圖3。

表2 無錫市2008—2015年水生態(tài)足跡計(jì)算成果表

注：計(jì)算資料來源于《無錫市水資源公報(bào)》《無錫市統(tǒng)計(jì)年鑒》；表中和文中如無特殊說明，均不考慮外來水資源

從水生態(tài)足跡角度進(jìn)行分析，2008—2015年無錫市的人均水生態(tài)足跡在0.28至0.35 hm2范圍內(nèi)波動(dòng)，呈上升趨勢，說明無錫市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展在一定程度上是以增加水資源消耗為代價(jià)的，不利于可持續(xù)發(fā)展。由圖2可知，占水生態(tài)足跡比重最大的是淡水生態(tài)足跡(扣除與水產(chǎn)品生態(tài)足跡重復(fù)部分，下同)，且從2008年的64.1%逐年遞增到2015年的77.7%，年均增長2%，說明無錫城市化進(jìn)程的加快對淡水消耗的需求量不斷增加。而水污染生態(tài)足跡逐年減少，其原因在于無錫市污水排放總量控制的進(jìn)一步加強(qiáng)，主要污染物氨氮已由2008年的0.61萬t減少到2015年的0.36萬t，削減率超過40%。

圖2 2008—2015年無錫市各類水生態(tài)足跡占比

圖3 2008—2015年無錫市水資源可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)

從考慮本地水資源總量的水生態(tài)承載力角度來看，無錫市的人均水生態(tài)承載力較低，且年際間波動(dòng)很大，主要是因?yàn)榻邓磕觌H分布不均，本地水資源總量不穩(wěn)定所致，尤其是2013年，僅為2008—2015年無錫平均水資源量的2/3。綜合考慮水生態(tài)足跡和水生態(tài)承載力，除2013年水資源總量偏少，呈水生態(tài)赤字狀態(tài)外，2008—2015年其余年份無錫市均處于水生態(tài)盈余狀態(tài)，本地水資源的生態(tài)承載力基本滿足水生態(tài)足跡消耗的需要，處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。但是，如果考慮過境水對水生態(tài)承載力的影響，以本地水資源生態(tài)承載力最低的2013年為例，當(dāng)年共取用長江水(非火電)7.09億m3，則人均水生態(tài)承載力為0.427 hm2/人，ΔEw=0.083 hm2/人，ESI=0.55，比較可知，合理利用過境水可以提高區(qū)域水生態(tài)承載力。

由水生態(tài)可持續(xù)指數(shù)分析可得，除2013年水生態(tài)可持續(xù)指數(shù)小于0.5外，2008—2015年其余年份無錫市水生態(tài)可持續(xù)指數(shù)在0.55～0.66之間波動(dòng)，處于弱可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，2015年本地水資源量最豐富，水生態(tài)可持續(xù)指數(shù)最大，但仍未達(dá)到強(qiáng)可持續(xù)的水平。同時(shí)由圖3可知，無錫市萬元GDP水生態(tài)足跡呈下降趨勢，與GDP的逐年增長呈反相關(guān)關(guān)系。這充分說明了無錫市高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展并不依賴于高耗水產(chǎn)業(yè)，而更注重水資源利用效率的提高。其中2008—2011年下降幅度最大，由0.043 hm2/萬元降低到了0.032 hm2/萬元，降幅達(dá)25%；2012—2015年則基本趨于平穩(wěn)，波動(dòng)幅度小于0.001 hm2/萬元，這表明無錫市水資源利用效率已經(jīng)迫近現(xiàn)有政策及技術(shù)條件下的極限值，要進(jìn)一步提高效率，則需要繼續(xù)調(diào)整優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)，改進(jìn)節(jié)水工藝，突破當(dāng)前極限值。

2.3 無錫市水資源可持續(xù)發(fā)展趨勢預(yù)測

為研究無錫市今后幾年內(nèi)水生態(tài)足跡及可持續(xù)發(fā)展的趨勢，基于IBM SPSS Statistics 22.0軟件平臺，采用自回歸移動(dòng)平均(ARIMA)模型預(yù)測了2016—2020年無錫市水產(chǎn)品消費(fèi)量、淡水消耗量及氨氮排放量。人口總量根據(jù)《無錫市“十三五”人口發(fā)展規(guī)劃》的常住人口自然增長率4‰進(jìn)行推算。SPSS軟件中的ARIMA模塊調(diào)用過程為“分析→預(yù)測→創(chuàng)建模型→ARIMA”。調(diào)用ARIMA模塊后，利用AIC準(zhǔn)則判斷出模型階數(shù)及相關(guān)參數(shù)為(2,1,2)，運(yùn)用此模型所得預(yù)測結(jié)果見表3。經(jīng)檢驗(yàn)，模型相對誤差在10%左右。

圖4 無錫市2016—2020年水生態(tài)足跡預(yù)測

2020年無錫市預(yù)測耗水量為14.48億m3，與《無錫市水利現(xiàn)代化規(guī)劃(2012年版)》中的耗水量預(yù)測值14.95億m3一致，2020年無錫市氨氮排放量0.21萬t，符合《無錫市“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》中規(guī)定的“完成省下達(dá)的目標(biāo)任務(wù)0.56萬t”的減排目標(biāo)，因此數(shù)據(jù)預(yù)測符合無錫市的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展趨勢，可以用于水生態(tài)足跡的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖4。

表3 無錫市2016—2020各項(xiàng)數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果

由圖4可知，若保持現(xiàn)有水平繼續(xù)發(fā)展，無錫市人均水生態(tài)足跡將呈逐年上升趨勢，無錫市對水生態(tài)系統(tǒng)的需求不斷增加。其中，淡水生態(tài)足跡仍逐年增加，無錫市水生態(tài)系統(tǒng)供水壓力進(jìn)一步增大；水污染生態(tài)足跡逐年減少；水產(chǎn)品生態(tài)足跡和往年持平。水生態(tài)承載力因?yàn)槭墚?dāng)年水文氣象和降雨情況影響較大，預(yù)測難度較高，若以無錫市多年平均水資源總量估算可得2016—2020年城市人均水生態(tài)承載力為0.335～0.330 hm2，水生態(tài)可持續(xù)指數(shù)為0.48～0.46，隨人口增加呈下降趨勢。

3 結(jié)論和建議

通過構(gòu)建水資源可持續(xù)發(fā)展綜合評價(jià)模型，定量分析了無錫市水生態(tài)足跡的組成特點(diǎn)，對水資源可持續(xù)發(fā)展原因和問題進(jìn)行了剖析，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了短期預(yù)測，得到結(jié)論和建議如下：

(1) 從本地水生態(tài)承載力的角度來看，除2013年外，2008—2015年無錫市水資源系統(tǒng)呈水生態(tài)盈余狀態(tài)，但是水生態(tài)可持續(xù)指數(shù)逼近0.5的臨界值，說明本地水資源的生態(tài)承載力雖然基本能夠滿足水生態(tài)足跡消耗的需要，但整體處于弱可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，如果增加考慮過境水的影響，則水生態(tài)承載力有所增加，可持續(xù)發(fā)展強(qiáng)度更大。預(yù)測結(jié)果表明若按照現(xiàn)有水平繼續(xù)發(fā)展，無錫市水生態(tài)足跡會進(jìn)一步增大，水資源有不可持續(xù)發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 為了實(shí)現(xiàn)無錫市水資源可持續(xù)發(fā)展需要采取以下措施：首先，無錫市的淡水生態(tài)足跡占其水生態(tài)足跡的60%以上且占比逐年增加，因此，應(yīng)降低耗水率，調(diào)整優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)，建立節(jié)水型的社會生產(chǎn)和消費(fèi)體系；其次，無錫市在治水治污方面取得了一定成效，應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)無錫市水污染總量控制以減少水污染生態(tài)足跡；最后，無錫市過境水資源豐富，應(yīng)充分利用過境水資源與本地水資源互為補(bǔ)充，緩解當(dāng)?shù)赜盟Y源壓力，提高無錫市水生態(tài)承載能力。