傅春，李軍涵

(南昌大學建筑工程學院，江西 南昌 330031)

水足跡是在2002年由荷蘭學者Hoekstra提出，內(nèi)涵與生態(tài)足跡有一定相似性，其定義為區(qū)域內(nèi)所有人口在一個時間段內(nèi)消耗的服務和產(chǎn)品所需全部水資源數(shù)量[1]。我國目前對水足跡的認知還處于初步發(fā)展的階段，研究主要還是針對水足跡的概念與探索研究區(qū)域上新的計算方法，未能很好用于區(qū)域上水資源開發(fā)利用的評價上[2]。

國內(nèi)的水足跡研究中，孫才志等[3]采用基尼系數(shù)、分離系數(shù)及錫爾系數(shù)對區(qū)域上水資源強度的分布規(guī)律及原因做了研究；張燕等[4]采用動態(tài)計量經(jīng)濟學與協(xié)整分析方法，來研究城鄉(xiāng)之間不同的消費構(gòu)成對水足跡的長期動態(tài)影響；朱啟榮等[5]學者通過統(tǒng)計資料研究了我國出口貿(mào)易的水足跡，并指出應進一步降低藍色水和灰色水在我國出口貿(mào)易中的占比；黃晶等[6]基于水足跡理論對1995—2005年北京市農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)分析，提出北京農(nóng)業(yè)用水狀態(tài)不可長期維持，應減少種植高耗水型作物以優(yōu)化作物結(jié)構(gòu)；潘安娥等[7]以水足跡為參考評價當前社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源利用之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。

目前國內(nèi)對水足跡的研究多用行政區(qū)域劃分計算，對流域內(nèi)各地區(qū)分別比較的較少[8]。本文以水足跡為視角，計算了鄱陽湖地區(qū)2013—2017年間的水足跡，利用水足跡理論、脫鉤評價模型與水資源評價體系分析了鄱陽湖地區(qū)水資源利用的空間分布特征與短時間內(nèi)的時空變化特征。計算了水足跡強度作為水資源利用效率的重要量化指標，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活生態(tài)和灰水的水足跡強度和區(qū)域水足跡強度可作為5項反應水資源利用效率的指標[9]。采用水資源評價體系與脫鉤評價模型判斷區(qū)域內(nèi)水資源開發(fā)利用情況，以及預測鄱陽湖的人口承載力和經(jīng)濟發(fā)展狀況，為以后鄱陽湖發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 環(huán)鄱陽湖區(qū)概況

鄱陽湖位于江西省北部，長江中下游南部，緯度為北緯28°24′～29°46′，經(jīng)度為東經(jīng)115°49′～116°46′。鄱陽湖作為中國最大淡水湖，常年平均面積約3 000 km2，贛江、撫河、饒河、修水及信江的水源在湖區(qū)匯集，并于九江市湖口縣流入長江。氣候上鄱陽湖屬于亞熱帶溫暖潮濕的亞熱帶季風氣候，年降水量在1 400～1 900 mm之間，多年平均氣溫在17 ℃左右，氣溫變化符合北半球季風氣候，1月氣溫最低[10]。

本文研究區(qū)域為部分環(huán)鄱陽湖地區(qū)，所得數(shù)據(jù)由行政區(qū)域劃分，選取九江市、上饒市、南昌市、撫州市、景德鎮(zhèn)市、鷹潭市資料進行統(tǒng)計分析。

1.2 計算數(shù)據(jù)來源

農(nóng)產(chǎn)品的水足跡計算采用文獻[11-12]的成果，各地年工業(yè)產(chǎn)值、進出口工業(yè)產(chǎn)品量和工業(yè)增加值來自當?shù)?014—2019年統(tǒng)計年鑒，萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)村城鎮(zhèn)用水量、可用水資源量與降雨量等數(shù)據(jù)采用《江西省水資源公報》(2014—2019年)與各市水資源公報，根據(jù)《江西省水資源公報》的數(shù)據(jù)顯示，環(huán)鄱陽湖地區(qū)超標的污染主要是氨氮、總磷以及化學需氧量(COD)，根據(jù)GB 8978—1996《污水綜合排放標準》，選取水體氨氮和COD指標的二級排放標準作為平均承載力[13]，氨氮在水體中質(zhì)量濃度不得高于0.025 kg·m-3，COD在水體中質(zhì)量濃度不得高于0.12 kg·m-3。各地區(qū)生產(chǎn)總值、工業(yè)排污量、人口面積與出口進口產(chǎn)值等數(shù)據(jù)來自各地的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》。

2 研究方法

2.1 水足跡測算方法

根據(jù)水足跡自下而上的方法計算居民的消費品結(jié)構(gòu)和需求服務對水足跡的影響，公式為：

W=I+E

(1)

I=Wcs+Wip+Wde+Wwp-V

(2)

式中：W為區(qū)域內(nèi)水足跡總量；E為外部水足跡總量，即進口至研究區(qū)域內(nèi)并被消費的產(chǎn)品和服務的水量；I表示為區(qū)域內(nèi)部水足跡總量；Wcs為動物制品和農(nóng)產(chǎn)品合計的農(nóng)業(yè)水足跡；Wip為工業(yè)生產(chǎn)水足跡；Wde為生活生態(tài)水足跡，包含生活水足跡與生態(tài)水足跡兩部分，文中分為兩部分計算；Wwp為灰水足跡；V為出口至外地消費產(chǎn)品的虛擬水足跡，即出口虛擬水足跡。

2.1.1 農(nóng)業(yè)水足跡

農(nóng)業(yè)水足跡的計算由不同種類的農(nóng)產(chǎn)品和動物產(chǎn)品的總量乘各自單位產(chǎn)品用水量，再將所有種類的生產(chǎn)用水量相加，文中選取了各地典型的作物和動物產(chǎn)品共11種，分別為谷物、棉花、油料、水果、茶葉、豬肉、牛肉、羊肉、禽類、蛋類和水產(chǎn)品，各種類單位虛擬水含量結(jié)合了文獻[14]對江西省的研究，見表1。

2.1.2 工業(yè)水足跡

工業(yè)水足跡占總水足跡的比例較小，計算由于工業(yè)品種類多，虛擬水含量難以得到數(shù)據(jù)，因此沿用文獻[15]中的做法，以各地統(tǒng)計年鑒以及《江西省水資源公報》中工業(yè)用水總量來代替。若統(tǒng)計年鑒中沒有當年工業(yè)用水量數(shù)據(jù)，則用該年份各地與全省工業(yè)產(chǎn)值之比乘上江西省工業(yè)用水量。

表1 典型動物產(chǎn)品和農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量Tab.1 Virtual water content of typical animal products and agricultural products

2.1.3 生活和生態(tài)水足跡

文中使用城鎮(zhèn)農(nóng)村居民用水與公共用水量之和來表示生活水足跡，生態(tài)水足跡用《江西省水資源公報》中生態(tài)環(huán)境用水量表示。

2.1.4 灰水足跡

灰水足跡可用水體中典型污染物為指標計算，即將當?shù)厮w中典型污染物濃度稀釋到排放標準濃度所需的水資源量，其公式為：

(3)

式中：Wwp為灰水足跡，m3/a；L為當?shù)厮w的總排污量，kg/a；cmax表示典型污染物在水體中達標的最高質(zhì)量濃度，kg·m-3；cnat為自然水體中污染物的初始質(zhì)量濃度，為方便計算通?？扇?，kg·m-3。

由于數(shù)據(jù)匱乏，無法全部準確得到氨氮和其他污染物排放的數(shù)據(jù)，因此參考文獻[16]的研究成果，選用居民生活污水排放氨氮代替總氨氮排放，居民生活污水和畜禽養(yǎng)殖排放COD代替總COD排放。計算數(shù)據(jù)及部分準確數(shù)據(jù)來自當?shù)亟y(tǒng)計年鑒。

參考《第二次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》中江西省屬于四區(qū)，其中南昌屬于較發(fā)達城市，其農(nóng)村地區(qū)按四區(qū)二類計算，其他五市屬于一般城市市區(qū)，農(nóng)村地區(qū)按四區(qū)三類計算，系數(shù)見表2。

畜禽養(yǎng)殖同樣參考文獻[16]中的做法，用養(yǎng)殖專業(yè)戶的排污系數(shù)乘以當年主要種類畜禽存欄量來粗略計算污染量，見表3。最終灰水足跡經(jīng)過計算比較文獻資料，采用氨氮計算的結(jié)果。

表2 單位城市農(nóng)村人口產(chǎn)污系數(shù)Tab.2 Urban and rural pollution production coefficients

表3 單位畜禽COD排污系數(shù)Tab.3 COD emission coefficient of livestock and poultry

2.1.5 進出口虛擬水足跡

由于數(shù)據(jù)匱乏，本文參考文獻[17]的做法，EWF外部水足跡總量計算以當?shù)啬瓿隹谫Q(mào)易總值乘以萬元GDP用水量來得到，VWU出口虛擬水量以當?shù)剡M口貿(mào)易總值乘以萬元GDP用水量得到。

2.2 水足跡強度計算

水足跡強度是某一部分水足跡總量除以該部分GDP的比值，反應單位GDP增長所需的水資源量，可以直觀表示地區(qū)內(nèi)不同行業(yè)水資源的利用效率。農(nóng)業(yè)水足跡強度計算為農(nóng)業(yè)水足跡比農(nóng)業(yè)牧業(yè)的總產(chǎn)值，工業(yè)水足跡強度計算為工業(yè)水足跡比工業(yè)總產(chǎn)值，生活水足跡強度計算為生活水足跡總量比城鎮(zhèn)居民消費產(chǎn)值，灰水足跡強度為灰水足跡比當?shù)乜侴DP，反應增長單位GDP對環(huán)境產(chǎn)生的污染。其中生態(tài)水足跡強度由于缺乏生態(tài)效益資料，文中未計算。

2.3 水資源評價體系

以水足跡理論為基礎(chǔ)，參考文獻[18]的計算方法，運用水足跡與水資源壓力指數(shù)、水資源匱乏度、水資源利用效率、水資源負載指數(shù)、脫鉤評價模型結(jié)合相關(guān)評價指標對鄱陽湖環(huán)湖區(qū)的水資源利用情況進行評價，討論鄱陽湖地區(qū)水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系，探討如何減少區(qū)域水足跡，實現(xiàn)鄱陽湖地區(qū)水資源的高效優(yōu)質(zhì)利用，制定更合理的水資源利用決策。

水資源壓力指數(shù)代表區(qū)域內(nèi)水資源開發(fā)利用是否合理、水資源壓力與水資源承載水平的關(guān)系，水資源匱乏度表示區(qū)域內(nèi)水資源的缺水情況，多少程度需要外來供給。水資源利用效率表示該區(qū)域水資源利用可持續(xù)發(fā)展與利用效率情況，值越大則效率越高，水資源負載指數(shù)通過區(qū)域內(nèi)的人口、地區(qū)發(fā)展情況與區(qū)域內(nèi)可利用水資源總量決定，反應當前水資源開發(fā)壓力與前景。計算公式為：

(4)

式中：H為水資源負載指數(shù)；k為由區(qū)域降雨量R決定的取值系數(shù)，鄱陽湖常年降雨量均超過800 mm，因此當R<1 600 mm時，k=0.5，當800≤R<1 600時，k=0.7-0.2(R-200)/800；P為區(qū)域內(nèi)的常住人口，萬人；G為當年區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)總值，億元；A為區(qū)域可利用水資源量，億m3。

2.4 “以水定城”預測

根據(jù)水資源承載力預測，探討“以水定城”的設(shè)計思路和相關(guān)參考指標，采用人口數(shù)量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、萬元GDP用水量為主要指標，為之后鄱陽湖的發(fā)展規(guī)模以及發(fā)展方向做參考。其計算公式為：

(5)

式中：Py為預測年份區(qū)域內(nèi)常住人口，萬人;Aj為多年平均區(qū)域可利用水資源量;Ct和Cf分別為城鎮(zhèn)居民生活公共用水和農(nóng)村居民生活用水，m3/d；kt和kf分別為城市人口和農(nóng)村人口占總?cè)丝诘谋壤?/p>

預測年份GDP的大概規(guī)模計算公式為：

(6)

式中：Gy為預測年份GDP總量，億元；Wwy為萬元GDP用水量，m3。參考《江西省城鎮(zhèn)體系規(guī)劃(2015—2030)》，鄱陽湖地區(qū)在2020年預計城鎮(zhèn)化率達到60%，2030年達到68%，萬元GDP用水量2020年取近5年最低值，2030年數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)劃達到2020年的一半。

3 計算結(jié)果與分析

基于水足跡理論計算得到的2013—2017年江西省鄱陽湖環(huán)湖區(qū)6市的各項平均水足跡見表4，計算農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、灰水的平均水足跡強度，以對各市水資源利用效率進行比較，見表5。

從水足跡總量來看，6市中農(nóng)業(yè)水足跡都占比最大，其中以上饒的農(nóng)業(yè)水足跡占比為最大。九江市和南昌市工業(yè)較為發(fā)達，因此工業(yè)水足跡較高，而灰水足跡又隨著工業(yè)水足跡和生活水足跡增加而增加，生活與生態(tài)水足跡基本與當?shù)厝丝诔烧取３椞妒型?，其?市都是出口水足跡高于進口水足跡，在水足跡上呈輸出的形勢。

從水足跡強度上來看，景德鎮(zhèn)市農(nóng)業(yè)水足跡強度最低，其余各市強度均在2 000 m3/萬元左右，表明農(nóng)業(yè)上水資源利用還有很大的提升空間。工業(yè)水足跡強度九江市明顯高于其他市，除水資源利用管理可能存在的差異外，考慮到各地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同導致用水效率不同。灰水足跡強度、生活水足跡強度以及總水足跡強度來看南昌市和景德鎮(zhèn)市都處于較低的水平，考慮是由經(jīng)濟發(fā)展以及人口集中，導致用水效率的提升?？偹阚E強度偏高的撫州市和上饒市都因為農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占比較高造成，不科學的農(nóng)業(yè)用水對總水足跡強度貢獻較大。

表4 2013—2017年各市平均水足跡Tab.4 Average water footprint of each city from 2013 to 2017

表5 2013—2017年各部門平均水足跡強度Tab.5 Average water footprint intensity of various sectors from 2013 to 2017

以水資源壓力指數(shù)、水資源匱乏度、水資源利用效率、脫鉤評價模型結(jié)合相關(guān)評價指標對鄱陽湖環(huán)湖6市做整體的評價，見表6。表6顯示鄱陽湖區(qū)域人均水足跡呈曲折緩慢增加的趨勢，但由于水資源利用效率的總體提高，水資源匱乏度和水資源壓力指數(shù)呈下降狀態(tài)。脫鉤指數(shù)反應了水資源開發(fā)利用與經(jīng)濟增長處于相對脫鉤初級協(xié)調(diào)狀態(tài)，但區(qū)域總水足跡變化率越來越趨于零值，也說明整體處于向絕對脫鉤優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)變的狀態(tài)。

對計算出的水資源負載指數(shù)進行分級評價，分級評價的標準綜合了文獻[19-20]的做法，見表7。該評價標準在京津冀與黑河地區(qū)得以應用，并被認為是普遍適用的評價標準，與地區(qū)因素無關(guān)。以水資源負載指數(shù)分級的方法來判斷當前區(qū)域的水資源利用水平以及之后的開發(fā)利用難度評價，見表8。

水資源負載指數(shù)的物理意義是研究區(qū)域內(nèi)人口和生產(chǎn)總值與水資源量所確定的水資源需求量的關(guān)系，可以利用這3個數(shù)值反映當下水資源利用水平以及今后的開發(fā)利用難易程度。計算結(jié)果表示鄱陽湖研究區(qū)域水資源利用水平達到中等水平，社會各界在以往幾年節(jié)水用水上取得了不錯的成果，繼續(xù)開發(fā)的潛力一般，難度條件中等，今后水資源利用效率的增加可能相對緩慢，需要考慮新的方法或措施。

以水定城計算中得到的結(jié)果見表9，參考《江西省統(tǒng)計年鑒》中的數(shù)據(jù)，2018年鄱陽湖地區(qū)GDP已達13 240億元，人口約為2 414萬人，與預測的結(jié)果相比GDP實際增速更大，可以提前達到《江西省城鎮(zhèn)體系規(guī)劃(2015—2030)》中的目標。人口與可承載人口相差較大，仍有很大的發(fā)展空間。

表6 2013—2017年鄱陽湖區(qū)域6市水足跡及水資源評價Tab.6 Water footprint and water resources evaluation of 6 cities in Poyang Lake region from 2013 to 2017

表7 水資源負載指數(shù)分級評價標準Tab.7 Classification evaluation criteria of water resource load index

表8 鄱陽湖區(qū)域6市2013-2017年水資源負載指數(shù)分級Tab.8 Classification of water resource load index of 6 cities in Poyang Lake region from 2013 to 2017

表9 鄱陽湖人口經(jīng)濟發(fā)展預測結(jié)果Tab.9 Prediction results of population and economic development of Poyang Lake

4 結(jié)論

1) 研究區(qū)域內(nèi)水足跡強度普遍與經(jīng)濟情況關(guān)系較大，經(jīng)濟越發(fā)達，相應總水足跡強度越低，水資源利用效率則越高；經(jīng)濟越欠缺，水足跡強度則相對較高。同時農(nóng)業(yè)的用水效率極大的影響總用水效率，應該在農(nóng)業(yè)節(jié)水方面研究新的有效措施。

2) 本文研究的鄱陽湖區(qū)域普遍水足跡強度較大，仍有較大的空間，2014—2019年間人均水足跡由1 337.68 m3·人-1上升至1 385.72 m3·人-1。生活水足跡與灰水足跡上與人口相關(guān)密切，城鎮(zhèn)人口比例較大的地區(qū)其灰水足跡強度與生活水足跡強度更低。應著手減少城鎮(zhèn)農(nóng)村居民用水，提倡節(jié)約用水、生態(tài)用水，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，盡量發(fā)展用水較少的第三產(chǎn)業(yè)。

3) 環(huán)鄱陽湖區(qū)水資源利用效率逐步升高，水資源匱乏度與壓力指數(shù)與降水變化有一定關(guān)系，但仍呈曲折降低的趨勢，水資源匱乏度和壓力指數(shù)分別降低13.9%和12.8%，區(qū)域內(nèi)水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展呈相對脫鉤的初級協(xié)調(diào)狀態(tài)，利用水平中等，今后開發(fā)的潛力較為一般。

4) “以水定城”結(jié)果顯示環(huán)鄱陽湖區(qū)2020年承載人口可達4 949.2萬人，GDP預計可達8 350.9億元，2030年承載人口可達4 663.8萬人，GDP預計可達16 701.9億元。2019年環(huán)鄱陽湖區(qū)GDP已超過2020年目標，而人口還有很大提升空間，應在條件合理下加快城鎮(zhèn)化進程。