基于生态足迹法的山西省水资源承载能力研究

张建龙，冯慧敏

（1.山西省水利建设开发中心，太原 030002；2.山西农业大学 林学院，山西 晋中 030801）

0 引 言

承载能力（Carrying Capacity）是力学概念承载力（Bearing Capacity）的延伸和发展，承载能力的研究是由静态向动态，无交互向交互影响转变的过程，人们通常采用该指标来表达区域对外部环境变化的最大承载力。近年来，随着可持续发展理念的提出，有些学者在对水资源、水环境和可持续发展不断认识的基础上，提出了 “水资源承载能力”（Carrying Capacity of Water Resources）的概念[1－4]。由于我国水环境污染日益严重以及水资源的紧缺，已严重威胁人类自身的生存，对水资源承载能力的研究也亟需加强。水资源承载能力是众多资源承载能力问题中较为复杂的一种，其涉及的内容复杂、影响因素多且处于动态变化中，上世纪90年代以来，关于水资源承载能力的研究方兴未艾，各种观点、概念、方法不断涌现，但迄今为止仍然没有形成一个系统的、科学的理论体系。不可否认，关于对水资源承载能力的研究也取得了一定的成果。但也还存在着理论基础不完善、无公认的承载能力指标体系等问题，还存在不少不尽人意的地方。鉴于生态足迹法具有可操纵性强、计算结果直观、能体现区域的可比性等优点，因此本文以2001～2010年的山西省水资源、用水及人口资料为基础，利用生态足迹模型进行水资源承载能力研究，以期为山西省水资源的科学管理和合理开发利用提供一定的参考依据。

1 山西省区域概况

山西省地处华北地区西部，地理坐标为E110°14′～E114°33′，N34°34′～N40°43′。南北长约680 km，东西宽约380km，总面积为156271km2，河流分属海河和黄河两大流域，其中海河流域为59133km2，占全省的37.84%，黄河流域为97138km2，占全省的62.16%。全省共有集水面积＞100km2的河流240多条，集水面积＞3000km2的较大河流有10条。全省1956～2000年多年平均水资源总量123.8×108m3，多年平均水资源可利用量为83.77×108m3，占多年平均水资源总量的67.7%。2010年全省人口3574万人，其中城镇人口1717万人，全年地区生产总值为9200亿元，其中第一产业554亿元，第二产业5234亿元，第三产业3412亿元。山西省是全国的能源重化工基地，目前已基本形成了以重工业为主，以煤炭、电力、冶金、化工、机械为主要支柱的工业体系，新兴产业和高新技术产业、各种制造加工工业、服务业都在迅速发展。在经济社会快速发展的同时，对水资源的需求急剧增加，山西省的水资源能否支撑将来的用水需求，能否支撑经济社会的可持续发展，是政府十分关心的问题，也是迫切需要研究的问题。

2 生态足迹模型

1992年，生态经济学家Willam Rees最早提出了生态足迹的概念，后来经过Wackemage等人不断完善，使得生态足迹法成为一种能够衡量自然界为人类提供的生命支持服务功能和人类对自然资源利用程度的方法[5－6]。水资源生态足迹模型是以水资源总量（或水资源可利用量）和水资源的开发利用为基础，同给定的人口生态承载能力进行比较，进行水资源承载能力的研究，该指标能较好地测量和定量分析人类社会活动对水生态环境的影响。

根据不同用水户的特性，本文将水资源生态足迹账户分为生产用水、生态用水和生活用水足迹，其模型计算包括水资源承载能力和水资源生态足迹计算两个部分。

2.1 水资源生态足迹

依据生态足迹理论，水生态足迹的计算基于以下两个基本事实：①人类可以确定自身开发利用的绝大多数水资源及其所产生的废污水量；②这些开发利用的水资源和废污水能转换成相应的生物生产面积。利用生产用水、生态用水和生活用水足迹构建水资源生态足迹模型如下：

式中EFw为总生态足迹（hm2）；efw为人均生态足迹（hm2／cap）；N 为人口总数；rw（rw＝5.19）为水资源的全球均衡因子；pw（pw＝3140m3／hm2）为水资源全球平均生产能力（m3／hm2）；W为人均消耗水资源量（m3）。

2.1.1 生产用水足迹

生产用水包括第一产业、第二产业和第三产业用水。根据生产用水特点，本文生产用水主要计算农业用水、工业用水、三产用水3个部分。生产用水足迹的计算公式为：

式中EFIi为生产用水生态足迹（hm2）；efIi为人均生产用水生态足迹（hm2／cap）；Wi为生产用水量（m3）；i＝1，2，3分别表示农业、工业、三产用水；N、rw符号意义同上。

2.1.2 生态用水足迹

生态用水通常包括河道内生态和河道外生态用水，生态用水生态足迹的计算公式为：

式中EFGw为生态用水生态足迹（hm2）；efGw为人均生态用水生态足迹（hm2／cap）；WG为生态用水量（m3），N、rw、pw符号意义同上。

2.1.3 生活用水足迹

生活用水包括城镇生活用水和农村生活用水。城镇生活用水由居民用水和公共用水组成，农村生活用水除居民生活用水外还包括畜用水在内。影响生活用水足迹最主要的的因素是人口数量和人均日综合用量，生活用水足迹模型可表示为：

式中EFLw为生活用水生态足迹（hm2）；efLw为人均生活用水生态足迹（hm2／cap）；WL为生活用水量（m3）；N、rw、pw符号意义同上。

2.2 水资源承载能力

水资源承载能力具有自然和社会的双重属性，同样具有动态性、跳跃性、相对极限性、模糊性、被承载模式的多样性、不确定性以及可增强性等特点。除了受水资源系统本身的特性如自然环境、水资源量等的影响外，其影响因素还包括生产力水平、社会经济结构、生态环境状态以及人类的活动能力和意识形态等水资源客体，同时水资源承载能力主客体的相互作用也是影响水资源承载能力的重要因素。除此之外，水资源承载能力还与水源构成与开发利用方式、国民经济发展规模及内部结构关系、生态系统保护范围及程度、水资源开发利用与生态环境保护之间的平衡关系、人口发展与社会经济发展的平衡关系等因素有关。

通常，对于一个地区而言，区域水资源总量（或可利用量）是水资源承载能力的限定性因素，以一定的时期内区域水资源总量（或可利用总量）为基础，结合区域人口与社会经济发展，在生态足迹理论范畴内水资源承载能力可由下式确定：

式中ECw为水资源承载能力（hm2）；ecw为人均水资源承载能力（hm2／cap）；W为水资源量（m3）；ψw为区域水资源产量因子；θ为水资源量可利用程度；N、rw、pw符号意义同上。

2.3 水资源盈余和赤字

盈余（Profits）是指人们在水资源开发利用过程中，将区域内水资源消耗产生的生态足迹和水资源承载能力相比较后为正数，即用会计学的术语来说就是总收入减去总成本为正数。反之，则可表示为水资源赤字，利用水资源赤字和盈余情况可以判断某一研究区域的水资源开发利用状况，可为水资源的可持续利用提供指导。即：

当ECw＞EFw时，表示为水资源盈余；当ECw＝EFw时，表示为水资源平衡；当ECw＜EFw时，表示为水资源赤字。

3 结果分析

本文中水资源量、生产用水、生活用水和生态用水等数据来源于 《2001～2010年山西省水资源公报》，在扣除直接利用黄河水和外调水的基础上，参照最新的水利普查数据进行适当处理；人口数据来源于 《2001～2010年山西省统计年鉴》。基本资料见表1。

对于本研究涉及的计算参数，主要采用前人研究的成果。根据WWF 2000年核算的均衡因子计算结果，本文水资源的全球均衡因子取5.19，世界水资源平均生产能力取3140m3／hm2；根据文献 [7]以及山西省的基本的情况，扣除10%用于维持生态和生物多样性的水资源量，参数θ取值0.90；研究区域内的水资源用地平均生产力与世界水资源平均生产力的比值区域可以作为研究区域的水资源产量因子，根据山西省水资源量和多年平均产水模数，计算水资源产量因子为0.2523。

根据表1中山西省水资源量、用水量以及人口统计的数据，利用式（1）～式（4）计算得到生产用水、生活用水以及生态用水生态足迹；利用式（5）计算得到水资源承载能力。计算结果见表2。

根据表2，从山西省水资源生态足迹计算结果来看，2001～2010年，山西省人均水资源生态足迹在逐年上升，由2001年的0.1897hm2／cap上升到2009年的最大值，为0.2224hm2／cap。在水资源生态足迹的各账户中，生产账户占最大比重，其中工业、第三产业和农业计算值小于水资源生态足迹，从变化趋势看，第二、第三产业的计算值均变化不大，而农业水资源生态足迹呈先递减再递增的趋势。生产账户多年平均占有量为80.52%，且所占比例呈逐年下降趋势；生活账户多年平均占有量为17.84%，逐年变化趋势基本平稳；生态环境账户多年平均所占比例仅为1.64%，但是生态足迹计算值在逐年升高，由2001年的0.07%上升到2010年的6.47%。从山西省水资源承载能力计算结果来看，最低年份为2001年，为296×104hm2，而最高年份为2003年，为545×104hm2。

表1 山西省水资源量、用水量以及人口情况Table1 List of water resources，water use and population in Shanxi Province

表2 水资源生态足迹与水资源承载能力计算结果Table2 Results of water resources ecological footprint and carrying capacity

2001～2010年间山西省的水资源生态足迹，多年平均水资源承载能力383×104hm2，除2003年外其余各年份基本上变化不大，说明山西省的水资源近年水资源量变化不大，人均水资源承载能力变化趋势基本同水资源承载能力的变化趋势相一致。从人均水资源承载能力和人均生态足迹比较看出，生态足迹均大于水资源承载能力，呈现水资源赤字，多年平均赤字0.0920hm2／cap，2009年最大为 0.1149hm2／cap，2003 年 最小为 0.0280 hm2／cap。

4 结 论

生态足迹法是一种可以将全球关于人口、水资源应用和水资源有效性汇总为一个简单的、通用的、便于比较的手段，是一种账户工具。本文针对区域特点，利用生态足迹法研究了山西省的水资源承载能力，在水资源生态足迹的各账户中，生产账户占最大比重，2001～2010年的生态足迹均大于水资源承载能力。呈现水资源赤字的结果表明山西省的水资源已无进一步开发利用的空间，应尽量采用外流域调水的方式进行开源，需在强化节水、提高用水工艺、调整产业结构等方面提高的水资源利用效率。

[1]姚治君，王建华，江 东，等.区域水资源承载能力的研究进展及其理论探析 [J].水科学进展，2002，13（1）：111-115.

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[7]范晓秋.水资源生态足迹研究与应用 [D].南京：河海大学，2005.