王 先 慶，李 博，李 進，劉 鵬 飛

(1.貴州大學 資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550000； 2.貴州大學 喀斯特環(huán)境與地質災害防治教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550000； 3.河南德諾安科職業(yè)衛(wèi)生評價有限公司，河南 南陽 473000)

1 研究背景

水是一種不可或缺的自然資源，在維護人類生活、生產活動以及生態(tài)環(huán)境等方面具有極其重要的作用。伴隨著人口與經(jīng)濟的飛速增長，水資源短缺已成為一個全球性的問題[1-2]，因此，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用已成為推動經(jīng)濟發(fā)展的一個重要因素[3-5]。

近幾年來，水資源在可持續(xù)利用發(fā)展方面越來越受到人們的關注，例如，巴西的Vicente P.P.B提出把每個流域中水的潛在量、需水量和可利用量用來比較，進而確定水的可持續(xù)性指標[6]。Rao.D.P將遙感和GIS相結合指出，一個較為完善的水資源可持續(xù)開發(fā)利用評價的實質是進行多目標、有效力和風險性分析[7]。南非的 Jay J.Walmsley 認為不同流域的發(fā)展現(xiàn)狀與資源管理行為是相互影響的，在這種情況下，起關鍵作用的可持續(xù)發(fā)展指標的應用就很難確定，而DPSIR指標框架對此類情況下的水資源可持續(xù)發(fā)展指標的確定十分有用[8]。Hoekstra提出了水足跡的概念,闡述了從水資源消費的視角來討論人對水資源的消耗情況,建立了資源和消費之間的相互關系[9]。由加拿大William Rees教授于1992年提出的生態(tài)足跡理論，不僅可用于測度人類對自然資源利用的程度，還可以定量表示自然所能提供的生態(tài)支撐能力和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展狀況[10]?；谏鷳B(tài)足跡模型的水資源可持續(xù)利用方法具有概念具體形象、方法簡便易行、便于區(qū)域間進行比較的優(yōu)勢，是當下受關注程度較高的可持續(xù)發(fā)展評價方法之一。目前，水資源生態(tài)足跡研究從地域上主要是側重于干旱、半干旱地區(qū)，而對于巖溶地區(qū)，尤其巖溶山區(qū)的研究很少[11]。

中國西南巖溶地區(qū)總面積約為42.62萬km2,強烈的巖溶化作用形成的地表、地下雙層空間結構，使地表水嚴重漏失；同時，巖溶區(qū)地表水資源大多集中于深切河谷中，與高原臺面和遠離河谷的斜坡等地區(qū)的城鎮(zhèn)、村寨、工礦等極不平衡，因此，雖然巖溶地區(qū)降水豐富，但是水資源供需矛盾仍然突出[12-13]。本文采用水資源生態(tài)足跡模型，對典型巖溶山區(qū)——貴州省六盤水市2008～2015年水資源生態(tài)足跡進行計算，從而得到了六盤水市水資源人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力及其人均生態(tài)盈余的整體發(fā)展趨勢，進而分析評價了六盤水市水資源可持續(xù)利用程度，最后提出了有益于六盤水市水資源可持續(xù)利用發(fā)展的建議。相關研究可以為巖溶地區(qū)水資源可持續(xù)利用研究提供一定的借鑒和參考。

2 研究區(qū)概況

六盤水是位于中國貴州省西部的一座新興工業(yè)發(fā)展城市，經(jīng)濟發(fā)展以煤炭、冶金、建材為主。地處云貴高原第一、二級臺地過渡面上，地勢西北高，東南低，海拔在1 400～1 900 m之間，總面積約9 965 km2,屬亞熱帶季風氣候區(qū)，冬暖夏涼、環(huán)境宜人，素有中國涼都之稱。年平均氣溫13 .0℃～14.0℃，1月均溫為3.0℃～6.3℃，7月均溫為19.8℃～22.0℃，年降雨量為1 200～1 500 mm；其地形起伏大，局部區(qū)域氣候存在明顯差異。交通位置如圖1所示。

圖1 六盤水市交通位置示意 Fig.1 Traffic and location of Liupanshui City

研究區(qū)域內的水資源主要補給來源為大氣降水，地表水與地下水相互補給、轉化，循環(huán)交替比較頻繁，水資源化學類型以低礦化度重碳酸鹽類淡水為主，對工農業(yè)生產和居民生活用水較為適宜。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文根據(jù)2008～2015年的《六盤水市水資源公報》[14]和《六盤水市統(tǒng)計年鑒》[15]，對研究區(qū)內的灌溉用水量、林牧漁及牲畜用水量、工業(yè)用水量、生活用水量、城鎮(zhèn)公共用水量、生態(tài)環(huán)境用水量、水資源總量、行政區(qū)面積、人口數(shù)量以及經(jīng)濟發(fā)展等資料進行了系統(tǒng)收集和整理分類，獲得了研究區(qū)域內的水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 六盤水市2008～2015年水資源開發(fā)利用情況

Tab.1 Water resources utilization data of Liupanshui City，2008～2015

年份年平均降雨量/mm水資源總量/億m3總人口/萬人GDP/億元總生產用水/億m3總生活用水/億m3總生態(tài)用水/億m320081352.162.807298.1700384.274.7401.7100.01020091081.941.884298.3400433.465.2192.0520.01520101175.136.650285.1180500.647.8821.2590.0782011802.226.260285.0000613.397.1801.5100.02020121197.644.880285.9000753.657.2601.5300.02020131005.225.310287.4500882.116.1651.2140.04420141467.959.160288.20001042.736.3731.3460.06520151256.252.388289.58731201.086.2801.4800.070

3.2 研究方法3.2.1 水資源生態(tài)足跡模型

生態(tài)足跡是指生產相應人口所消費的所有資源和消納所產生的廢物所需要的生態(tài)生產性土地面積，表示在現(xiàn)有技術和消費水平下區(qū)域人口對環(huán)境的影響規(guī)模和持續(xù)生存對環(huán)境提出的需求[16]。水資源生態(tài)足跡模型是由生態(tài)足跡模型衍生而來，與之對應的土地類型為水資源用地，其計算式為[10]

EFW=N·efw=N·A=N·rw(W/Pw)

(1)

式中，EFW為水資源生態(tài)足跡，hm2；efw、A均表示人均水資源生態(tài)足跡，hm2/人；N為人口數(shù)，萬人；rw為水資源的全球均衡因子；W為水資源量，m3；Pw為全球水資源平均生產能力，m3/hm2。

根據(jù)研究區(qū)內水資源消耗情況，水資源生態(tài)足跡可以分為生產、生活和生態(tài)用水足跡3個方面，相應的計算模型為[17]

EFpw=N·efpwi=N·rw·(Wi/Pw)

(2)

EFlw=N·eflw=N·rw·(Wl/Pw)

(3)

EFew=N·efew=N·rw·(We/Pw)

(4)

式中，EFpw為生產用水生態(tài)足跡，hm2;efpwi為人均生產用水生態(tài)足跡，hm2/人;Wi為生產用水量，m3；EFlw為生活用水生態(tài)足跡，hm2，eflw為人均生活用水生態(tài)足跡，hm2/人;Wl為生活用水量，m3；EFew為生態(tài)用水足跡，hm2;efew為人均生態(tài)用水生態(tài)足跡，hm2/人;We為生態(tài)用水量，m3。

3.2.2 水資源承載力模型

在某一地區(qū)或區(qū)域的某段發(fā)展時間內，為該區(qū)域的經(jīng)濟、環(huán)境以及社會發(fā)展提供最大的水資源可持續(xù)利用能力稱之為水資源承載力，計算式如下[18]。

EC=N·G=(1-0.6)·ε·rw(Q/Pw)

(5)

式中，EC為水資源承載力，hm2；G為人均水資源承載力，hm2/人；ε為區(qū)域水資源產量因子；Q為水資源產量，m3。

3.2.3 水資源可持續(xù)利用評價指標

(1) 水資源生態(tài)盈余。水資源生態(tài)盈余是用來確定研究區(qū)水資源利用是否處于可持續(xù)發(fā)展階段的一個定量指標，用ED表示，其計算式如下：

ED=G-A

(6)

式中，若A>G，則認為水資源處于不利于可持續(xù)發(fā)展階段，為生態(tài)赤字；若A

(2) 水資源生態(tài)壓力指數(shù)模型。水資源生態(tài)壓力指數(shù)的大小可以反映區(qū)域間水資源可持續(xù)利用情況和生態(tài)環(huán)境承受的壓力強度的相對大小。計算式如下[19]：

EP=EFw/EC

(7)

式中，EP為水資源生態(tài)壓力指數(shù)，按照任志遠、黃青等研究中對水資源生態(tài)壓力指數(shù)等級劃分[20]，當EP<0.5，表示該區(qū)域水資源開發(fā)利用處于安全狀態(tài)；當0.5≤EP<0.8，為較安全狀態(tài)；當0.8≤EP≤1，為臨界狀態(tài)；當EP>1，為不安全狀態(tài)。

(3) 萬元 GDP 水資源生態(tài)足跡。某國家、地區(qū)的經(jīng)濟增長模式與反映水資源利用效率的高低可在萬元 GDP 水資源生態(tài)足跡中體現(xiàn)，其結果越大，水資源利用效率越低；反之，水資源利用效率越高[21]。其計算式如下：

EFGDP=EFw/GDP

(8)

3.2.4 主要參數(shù)的確定

水資源全球均衡因子是全球某種生物生產面積的平均生態(tài)生產力與所有各類生物生產面積的平均生態(tài)生產力的比值[10]，本文采用WWF 2002(World Wide Fund for Nature Living Planet Roport 2002)確定的水資源均衡因子值rw=5.19。單位面積的產水量即為水資源平均產水模數(shù)，根據(jù)研究區(qū)域2008～2015年年均水資源總量地域面積，可求得其水資源平均生產力為4 382 m3/hm2；區(qū)域水資源量平均生產能力與世界水資源生產能力的比值被定義為區(qū)域水資源產量因子，根據(jù)張岳所撰《中國水資源與可持續(xù)發(fā)展》取全球單位面積產水量為3 140 m3/hm2[18]，結合研究區(qū)域單位面積產水量可得區(qū)域水資源產量因子為1.395 5。

4 結果與分析

按照前述中建立的水資源生態(tài)足跡模型見公式(1)～(8)，計算六盤水市2008～2015年水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，計算結果如表2所列。

4.1 水資源生態(tài)足跡分析

根據(jù)水資源消耗情況，可制作水資源人均生產、生活、生態(tài)足跡變化曲線圖，如圖2所示。

由圖2可知，水資源生態(tài)足跡3個賬戶中，生產用水足跡占水資源生態(tài)足跡比例約為70%，其用水足跡呈現(xiàn)波動上升下降的趨勢，其中,2009～2010年上升速度為最快，至2011年，生產用水開始有所減少；生活用水生態(tài)足跡約占水資源生態(tài)足跡的25%，其用水足跡整體上沒有太大波動，比較穩(wěn)定；生態(tài)用水所占的比例為最小，其用水足跡無明顯變化，但總體呈微弱上升趨勢。

表2 六盤水市2008～2015年水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力

Tab.2 Ecological footprint and ecological carrying capacity of water Resources in Liupanshui City,2008～2015

年份生態(tài)足跡/(hm2·人-1) 人均生產用水人均生活用水人均生態(tài)用水人均水資源生態(tài)足跡人均水資源承載力/(hm2·人-1) 水資源壓力指數(shù) 生產生活生態(tài)生態(tài)盈余、赤字 /(hm2·人-1)萬元GDP/(hm2·人-1)20080.18830.06790.00040.25661.39260.13520.04880.00031.13600.199120090.20720.08150.00060.28920.92820.22320.08780.00060.63890.199120100.32740.05230.00320.38300.84980.38530.06150.00380.46690.218120110.29840.06280.00080.36200.60920.48980.10300.00140.24720.168220120.30080.06340.00080.36501.03780.28980.06110.00080.67290.138520130.25400.05000.00180.30590.58210.43640.08590.00310.27630.099720140.26190.05530.00270.31991.35710.19300.04080.00201.03720.088420150.25680.06050.00290.32021.19600.21480.05060.00240.87580.0772

圖2 六盤水市2008～2015年水資源人均生產、生活、生態(tài)足跡示意Fig.2 Water resources per capita fo production, living and ecology from 2008 to 2015 in Liupanshui City

4.2 水資源承載力分析

根據(jù)2008～2015年六盤水市人均水資源生態(tài)承載力數(shù)據(jù)和年平均降雨量數(shù)據(jù)，可制作人均水資源生態(tài)承載力變化曲線及年平均降雨量變化曲線，如圖3所示。

圖3 六盤水市2008～2015年人均水資源承載力變化曲線Fig.3 Varations in water resources carrying capacity per capita from 2008 to 2015 in Liupanshui City

圖4 六盤水市2008～2015年平均降雨量變化曲線Fig.4 Average annual rainfall from 2008 to 2015 in Liupanshui City

由圖3可知，水資源承載力變化較大，較高年份為2008年和2014年，分別達到了1.392 6 hm2/人和1.357 1 hm2/人;較低年份為2011年和2013年，分別為0.609 2 hm2/人和0.582 1 hm2/人。結合圖4還可以發(fā)現(xiàn)，水資源承載力的年度變化規(guī)律和年平均降雨量的年度變化以及水資源總量的變化規(guī)律基本一致，年平均降雨量越大，水資源總量就越大，水資源承載力隨之也變大。

4.3 水資源可持續(xù)利用評價指標分析

(1) 水資源壓力指數(shù)分析。水資源生態(tài)足跡分為生產、生活和生態(tài)用水足跡3個方面，根據(jù)計算的數(shù)據(jù)，可以得到相應的水資源壓力指數(shù)變化曲線圖，如圖5所示。

圖5 六盤水市2008～2015年水資源壓力指數(shù)變化情況 Fig.5 Variations in water resources stress indexes from 2008 to 2015 in Liupanshui City

由圖5可知，生態(tài)、生活和生產水資源壓力指數(shù)都在0～1之間，且都小于0.5。生產用水有較大波動，且遠遠高于其他指標，生產水資源壓力指數(shù)最大是2011年，達到0.489 8。生態(tài)水資源壓力指數(shù)總體最小，表現(xiàn)為微弱的上升的趨勢。生活水資源壓力指數(shù)波動較平穩(wěn)，大致圍繞0.06上下波動。與圖4年平均降雨量年度變化情況比較可知，生產、生活以及生態(tài)的水資源壓力指數(shù)與年平均降雨量呈現(xiàn)負相關關系。

(2) 生態(tài)盈余分析?？梢愿鶕?jù)表2，繪制出水資源生態(tài)盈余變化情況，如圖6所示。

圖6 六盤水市2008～2015年生態(tài)盈余變化情況 Fig.6 Variations in ecological surplus from 2008 to 2015 in Liupanshui City

由圖6可知，六盤水市2008～2015年水資源屬于生態(tài)盈余的狀態(tài)，最大盈余是2008年，為1.136 0 hm2/人，是水資源總量最多的一年，為62.807億m3；較小盈余是2011年的0.247 2 hm2/人和2013年的0.276 3 hm2/人，對應的水資源量為26.260億m3和25.310億m3。且將生態(tài)盈余狀況與年平均降雨量年度變化比較發(fā)現(xiàn)，兩者存在相同的變化趨勢。

(3) 萬元GDP水資源生態(tài)足跡分析。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可以繪制六盤水市2008～2015年萬元GDP水資源生態(tài)足跡變曲線圖，如圖7所示。

圖7 六盤水市2008～2015年萬元GDP水資源生態(tài)足跡變化情況Fig.7 Variations in water resources ecological footprint per 1000 Yuan GDP from 2008 to 2015 in Liupanshui City

從圖7可以得出：萬元GDP水資源生態(tài)足跡從2008～2010年緩慢上升后，隨后一直呈現(xiàn)為下降的趨勢，并趨于平穩(wěn)，而且總體處于較低的水平，表明六盤水市的水資源可持續(xù)利用的空間還很大。

5 結 論

本文運用生態(tài)足跡的方法，建立了典型喀斯特地區(qū)——六盤水市的生態(tài)足跡模型，計算了2008～2015年六盤水市的水資源生態(tài)足跡、水資源承載力和水資源生態(tài)壓力指數(shù)等動態(tài)指標。結合該市人口、經(jīng)濟以及水資源利用現(xiàn)狀，可以得出以下結論。

(1) 2008～2015年間，六盤水市人均水資源賬戶呈現(xiàn)盈余狀態(tài)，水資源供給大于需求，總體上處于安全狀態(tài)，屬于可持續(xù)范圍。

(2) 應當注意的是，六盤水市水資源生態(tài)足跡3個賬戶中，生態(tài)用水的生態(tài)足跡最少且處于較低水平，這對于生態(tài)環(huán)境的改善是不利的；同時，水資源承載力的年際變化幅度較大，可持續(xù)性處于較不穩(wěn)定的狀態(tài)。

(3) 另外,萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，說明最近幾年水資源利用效率得到了顯著提升，但生態(tài)足跡總體上還處在較低的水平，可改善的空間還很大。

(4) 研究還發(fā)現(xiàn)，年平均降雨量對人均水資源承載力和生態(tài)盈余的影響是積極的，然而，對水資源壓力指數(shù)的影響是消極的。

基于以上結論，為了保證六盤水市水資源可以得到可持續(xù)利用，提出以下建議。

(1) 應嚴格控制用水總量，確保年際間用水量的穩(wěn)定。

(2) 加強生態(tài)用水方面基礎設施的建設，努力提高生態(tài)用水生態(tài)足跡水平。

(3) 在工農業(yè)方面積極發(fā)展高效節(jié)水技術，提高節(jié)水效率，加強節(jié)水意識。

(4) 結合該區(qū)水資源分配情況進行產業(yè)結構調整，促進水資源的可持續(xù)利用。

本文所得出的結論可以為巖溶地區(qū)的水資源可持續(xù)性研究提供一定的依據(jù)和參考。

總體而言，生態(tài)足跡方法是研究生態(tài)可持續(xù)發(fā)展可靠、有效的方法，水資源生態(tài)足跡模型與生態(tài)承載力模型可將評價區(qū)域水資源的可持續(xù)利用狀態(tài)具體量化出來。但是，水資源賬戶的選擇至關重要，要根據(jù)區(qū)域的實際情況和研究目的來進行選擇，本研究中考慮了生活、生產、生態(tài)3個用水賬戶，未來研究者可以根據(jù)不同的研究目的來確定水資源賬戶，使研究成果能全面、科學地反映地區(qū)水資源可持續(xù)利用的狀況。