武汉市水资源生态足迹动态分析

刘汉生，王 晖，张 婷，吴宜进，张永利

（1.华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，湖北 武汉 430079；2.湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040）

武汉市水资源生态足迹动态分析

刘汉生1，王 晖2*，张 婷1，吴宜进1，张永利1

（1.华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，湖北 武汉 430079；2.湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040）

生态足迹理论为水资源可持续利用提供了量化评价尺度。通过对水资源生态足迹及生态承载力模型的构建，计算分析了2005-2012年武汉市人均水资源生态足迹与生态承载力，同时选用人均水资源生态赤字/盈余、万元GDP水资源生态足迹、水资源生态压力指数等指标对其水资源可持续利用状况进行评价。研究结果表明，2005-2012年人均水资源生态足迹总体呈上升趋势，而人均水资源生态承载力年际变化大；万元GDP水资源生态足迹每年都在不断下降，水资源可持续利用效率在逐步提高；除2010年外，水资源生态压力指数均突破1，水资源总体上处于不安全状态。

武汉市；水资源；生态足迹；可持续利用

在气候变暖的背景下，随着城市建设快速扩张，武汉市城市用水压力加大，如何促进水资源可持续利用成为不可忽视的问题。为了解武汉市水资源可持续利用状况，促进水资源的合理开发利用，本文采用生态足迹分析法对武汉市水资源状况进行分析。

生态足迹分析法是一种简便、操作性较强的研究思路，是由W illiam Rees提出，其后由Wackenagel对其理论和方法进行发展和完善［1］，它是一种用以衡量人类对自然资源利用程度以及自然界为人类提供生命支持服务功能的方法［2-4］。国内外从生态足迹角度评价水资源消耗有2种方式：一是将水资源消费折算成水资源量的水足迹［5-6］，从水量上研究水资源的消耗，但无法全面度量人类活动对生物生产性用地的生态占用；二是将水资源消耗折算成水域面积的水资源生态足迹［7-8］，它可以将消耗的水资源转化为可比较的生物生产性用地面积来评定生态占用状况，克服了水足迹研究的不足。近年来，由于水资源生态足迹在评价水资源可持续性上的优越性，国内外学者基于其模型方法的研究较多，如黄林楠等［9］提出建立水资源账户并构建水资源生态足迹和水资源生态承载力计算模型，研究分析了江苏省1998-2003年水资源生态足迹，验证了模型的正确性和科学性。王文国等［10］根据水资源生态足迹模型，计算分析了四川省2001-2009年水资源生态足迹、生态承载力，并结合社会经济发展状况提出可持续发展措施。张义等［11］在传统水资源生态足迹基础上对计算模型进行改进，计算分析了2003-2010年广西水资源生态足迹，并与传统模型计算结果进行比较分析。杨建军等［12］建立水资源生态足迹框架体系及计算模型，采用规模、结构和比较方法对西安市2001-2007年的水资源生态足迹计算结果进行分析，提出支持可持续发展的水资源对策。

目前的研究主要从生态承载力、生态压力指数和水足迹等方面分析武汉市水资源［13-15］。本研究采用水资源生态足迹模型方法，对武汉市2005-2012年人均水资源生态足迹和生态承载力进行计算，从生态足迹新视角定量评价水资源可持续利用状况，为科学制定水资源利用政策和管理提供参考依据。

1 研究区概况

武汉市地处113°41＇-115°05＇E，29°58＇-31°22＇N，地形以平原为主，中部散列东西向残丘，属于北亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季凉爽湿润，四季分明，年降水量1 205 mm；武汉是世界上水资源丰富的特大城市之一，水域面积2 217.6 km2，占全境总面积的26.1%，人均占有地表水11.4× 104m2，全市河网水系发育齐全，5 km以上的河流共165条，大小湖泊166个。由于气候变暖、水资源不合理利用和水污染等的制约，作为 “百湖之市”的武汉市近年来水资源形势日益严峻，已影响到自然生态系统、居民饮水和社会经济可持续发展。

2 计算模型及数据来源

2.1 水资源生态足迹模型

将水资源量的消耗转换成相应账户的生物生产性用地面积，然后对其进行均衡化得到各地区可相互比较的抽象数值即为水资源生态足迹［9］：

式中，E为水资源总生态足迹 （hm2），N为人口数 （人），A为人均水资源生态足迹 （hm2·人-1），γ为水资源的全球均衡因子，W为人均消耗的水资源量 （m3），P为全球水资源平均生产能力（m3·hm-2）。全球水资源平均生产能力即全球多年平均产水模数，为3 140 m3·hm-2［16］，均衡因子采用黄林楠等［9］算出的全球水资源均衡因子5.19。

2.2 水资源生态承载力模型

水资源承载力为某一区域在具体发展时间段内，能够支持该地区社会、经济和环境可持续发展的水资源最大供给能力，即社会经济和生态系统可持续发展的水资源支持能力［9］：

式中，C为水资源承载力 （hm2），N为人口数 （人），G为人均水资源承载力 （hm2·人-1），γw为水资源的全球均衡因子，ψ为区域水资源的产量因子，Q为水资源总量 （m3），P为全球水资源平均生产能力 （m3·hm-2）。为维持生态环境平衡，一个国家或地区的水资源承载力中要扣除60%［17］，在模型计算中乘以系数0.4。产量因子为区域水资源平均生产能力与全球水资源平均生产能力比值［8］。根据水资源公报，武汉市多年水资源平均生产能力为45.21×104m3·km-2，计算得水资源产量因子为1.44。

2.3 数据来源

2005-2012年的 W，Q数据来源于 《武汉市水资源公报》《湖北省水资源公报》；N和GDP数据来源于各年的 《武汉市统计年鉴》《湖北省统计年鉴》《湖北省国民经济和社会发展公报》。

3 水资源可持续利用评价指标

3.1 人均水资源生态状况

为测评区域水资源利用是否可持续，A减去G，得到人均水资源生态赤字或人均水资源生态盈余［7］。

当A＞G时，人均水资源生态赤字；当A＜G时，人均水资源生态盈余；当A=G时，水资源生态平衡。

3.2 万元GDP水资源生态足迹

E除以GDP即万元GDP水资源生态足迹，它可以客观地判定区域水资源开发利用效率［7］。

该指标数值越小，说明水资源可持续利用效率越高；数值越大，说明水资源可持续利用效率越低。

3.3 水资源生态压力指数

生态压力指数由赵先贵等［18］提出，本研究引入水资源生态压力指数，用以衡量社会经济和环境对水资源的压力强度，即A与G的比值［7］。

当水资源生态压力指数0～＜1时，该水资源利用状态为安全；当水资源生态压力指数 ＞1时，则水资源生态安全处于威胁状态；当水资源生态压力指数=1时，则水资源生态安全处于平衡状态。

4 结果与分析

4.1 水资源生态足迹

在武汉市水资源生态足迹计算过程中，结合用水户特性和水资源生态足迹内涵，把水资源账户划分3个二级账户：生产用水、生活用水、生态用水足迹［19］，其中生产用水再细分为第一产业、第二产业、第三产业3个三级账户。2005-2012年武汉市人均水资源生态足迹计算结果如表1。

2005-2012年武汉市人均水资源生态足迹呈波动上升趋势 （表1），其中 2005-2007年由0.753 7 hm2·人-1下降到0.726 5 hm2·人-1，降幅较小；但2007-2012年由0.726 5 hm2·人-1增长到0.795 7 hm2·人-1，增长率高达9.53%，增幅较大。据计算2005-2012年武汉市人口年均增长率为0.35%，而人均水资源生态足迹年均增长率高达0.78%，表明影响水资源生态足迹增长主要是水资源消费水平的增长，人口增长对水资源生态足迹的影响相对较小。

表1 武汉市历年水资源生态足迹

在人均水资源生态足迹账户中，生产用水份额最大，占人均水资源生态足迹的86%以上；生活用水相对较小，约占12%左右，主要为城镇居民用水；生态用水所占比例不到1%，但呈上升趋势（表1），表明城市绿化需水量增加，生态环境保护逐渐得到重视；生产、生活用水比重过大，不利于生态系统的可持续发展。在生产用水账户中，第二产业所占比例最大，历年增长率为3.5%，是水资源生态足迹的主要贡献者；第一产业波动大且呈下降趋势，第三产业变化较小但仍保持递增趋势（图1）。第一、二产业在人均水资源生产账户中比重较大，表明水资源利用产业结构明显不合理。

图1 武汉市人均水资源生态足迹生产账户变化

4.2 水资源生态承载力

2005-2012年人均水资源生态承载力差异较大 （图2），最高年份为2010年，达0.871 8 hm2·人-1，最低年份为 2006年，达 0.266 5 hm2·人-1，相差0.605 3 hm2·人-1；2005-2009年变化幅度较小，2009-2012年变化幅度大，表明武汉市人均水资源承载力变化大且不稳定，与戴昌军等［15］研究结果基本一致。人均水资源生态承载力除2010年外均小于人均水资源生态足迹，生态赤字明显，一定程度上制约了水资源支撑社会经济发展的能力。

图2 武汉市人均水资源生态承载力变化

采用线性回归方法对人均水资源生态承载力与年降水量进行拟合，发现年降水量较少时，人均水资源生态承载力就小，年降水量较多时，人均水资源承载力就大，此结论与王文国等［10，20］分析结果相一致，二者呈显著正相关 （图2），R2达到0.916 8。2010年武汉市年降水量高达1 494.8 mm，人均水资源生态承载力也为历年最高，达到0.871 8 hm2·人-1，属丰水年，其他年份的人均水资源生态承载力变化与降水量基本也呈相同趋势，可见年降水量是人均水资源生态承载力的重要影响因素。

图3 武汉市人均水资源承载力与年降水量之间线性回归拟合

4.3 评价指标动态分析

2005-2012年武汉市人均水资源生态赤字总体上差异较大，2005-2006年由-0.341 7 hm2·人-1上升到-0.478 5 hm2·人-1，2010年下降至最低值 0.096 4 hm2·人-1，2011-2012年在-0.477 7 hm2·人-1和-0.283 4 hm2·人-1间波动 （图4）。除2010年为人均水资源生态盈余，其他年份均为人均水资源生态赤字，表明武汉市水资源开发利用程度已超出水资源生态承载力，水资源在一定程度上出现短缺。水资源生态足迹与生态承载力的非均衡式增长造成生态赤字，主要是由于经济高速发展下的人口和产业需水量激增，以及水污染、浪费和利用率低导致的。武汉市虽地处亚热带，降水丰富，但社会经济发展对水资源的需求日益增长，导致水资源生态赤字较大，与可持续开发利用存在较大差距。

图4 武汉市人均生态足迹赤字/盈余变化趋势

2005-2012年武汉市万元GDP水资源生态足迹一直在不断下降，从2005年的0.263 4 hm2下降到2012年0.081 7 hm2，年均减少15.4%，降低速度较快。其中2005-2008年间由0.263 4 hm2减少到0.148 5 hm2，减幅较大，2009-2012年间由0.138 5 hm2减少到0.081 7 hm2，减幅相对较小（图5）。整体上2012年万元GDP水资源生态足迹仅有2005年的 30%，水资源的利用效率逐年提高，表明武汉市逐渐重视水资源的重复利用。

三大产业万元GDP水资源生态足迹也在逐年下降。第二产业万元GDP水资源生态足迹占比重最高，从 2005年的 0.140 5 hm2降至 2012年的0.041 7 hm2，年均减少15.9%，但依然明显高于第一、三产业；第一产业从2005年的0.085 0 hm2下降到2012年的0.024 2 hm2，年均减少16.4%，水资源利用效率提高速度大于第二、三产业 （图5）。第一、二产业万元GDP水资源生态足迹比重过高，消耗水资源量多，而第三产业万元GDP水资源生态足迹相对较小，对水资源需求较少。

图5 武汉市万元GDP水资源生态足迹变化趋势

2005-2012年武汉市水资源生态压力指数变化幅度波动较大，2005-2006年由1.829 4上升至2.795 5，此后下降至2010年0.889 4，2010-2012年在0.889 4和2.523 8间波动 （图6）。水资源生态压力指数除2010年外均超过1，反映了武汉市水资源开发利用不可持续的现实状况，水资源生态压力较大，总体上处于受威胁状态。在气候变暖驱使下，加上农业和重工业生产、城镇人口增长对水资源需求增加，以及水生态环境恶化损耗部分水资源，导致水资源与经济、社会、环境发展失衡，水资源利用面临较大压力，加剧了武汉市水资源供需矛盾。

图6 武汉市水资源生态压力指数变化趋势

5 小结与讨论

2005-2012年武汉市人均水资源生态足迹总体上处于上升态势，2012年达到 0.795 7 hm2·人-1，占用的生物生产性面积较大；人均生态赤字较大，水资源不可持续性明显，水资源生态压力指数偏大，水资源支撑社会经济发展能力减弱。由此说明，随着武汉市城镇化快速发展，人口规模急剧扩大，人均水资源生态足迹会继续呈增长趋势，水资源消耗量也在迅速增加。

在水资源3个三级账户中，第一、二产业的水资源生态足迹过大，社会经济发展与水资源需求矛盾较大。2005-2012年武汉市万元GDP水资源生态足迹在下降，尤其是耗水量大的第一、二产业。合理的产业结构对促进水资源可持续利用具有积极意义，因此，缓解武汉市水资源短缺矛盾，需进一步优化产业结构，尤其是大力发展低耗水的第三产业，同时加强水污染治理，不断地提高水资源可持续利用率。

目前，基于生态足迹评定水资源可持续利用的方法研究还较少，加上选取指标标准不一，本文主要采取当前水资源生态足迹研究领域应用较广泛的计算模型和评价指标，且由于数据获取的局限性，未对水污染消耗 （包括废水和酸雨）的生态足迹进行计算分析，但实际水资源消耗占有的生物生产性面积更大，方法上尚存在一些不足，后续还需进行更全面的研究。

［1］ 姚猛，韦保仁.生态足迹分析方法研究进展 ［J］.资源与产业，2008，10（3）：70-74.

［2］ Rees W E.Ecological footprints and appropriated carrying capacity：what u rban economics leaves out［J］.Environment and Urbanization，1992，4（2）：121-130.

［3］ Wackenagel M，Onisto L，Bello P.Ecological footprints of nations.commissioned by the earth council for the rio+5 forum［J］.International Council for Local Environmental Initiatives Toronto Rio，1997（5）：3-17.

［4］ Wackenagel M，Rees W E.Ou r ecological footprint：reducing human impact on the earth［M］.Gabriola Isoland，B C：New Society Publishers，1998.

［5］ Chanpagain A K，Hoekstra A Y.Water footprints of nations［R］.Value Water Research Report Series（16）IHE Delft，2004：1-8.

［6］ Hoekstra A Y，Chapagain A K.Water footprints of nations：water use by people as a function of their consumption pattern［J］.W ater Resources Management，2007，21（1）：35-48.

［7］ 谭秀娟，郑钦玉.我国水资源生态足迹分析与预测 ［J］.生态学报，2009，29（7）：3559-3568.

［8］ 范晓秋.水资源生态足迹研究与应用 ［D］.南京：河海大学，2005.

［9］ 黄林楠，张伟新，姜翠玲，等.水资源生态足迹计算方法［J］.生态学报，2008，28（3）：1279-1286.

［10］ 王文国，何明雄，潘科，等.四川省水资源生态足迹与生态承载力的时空分析 ［J］.自然资源学报，2011，26（9）：1555-1565.

［11］ 张义，张合平，李丰生，等.基于改进模型的广西水资源生态足迹动态分析 ［J］.资源科学，2013，35（8）：1601-1610.

［12］ 杨建军，洪辉，付娜，等.水资源生态足迹消费账户及其计算模型：以西安市为例 ［J］.安全与环境学报，2010（1）：122-126.

［13］ 姚姗姗.武汉市城市水资源生态承载能力研究 ［D］.武汉：华中师范大学，2009.

［14］ 廖乐，吴宜进，毕旭.湖北省各主要地市水资源压力指数评价 ［J］.环境保护科学，2012，38（3）：82-86.

［15］ 戴昌军，管光明，梁忠民，等.基于水资源足迹的武汉市水资源可持续利用研究 ［J］.人民长江，2011，42（9）：8-11.

［16］ 张岳.中国水资源与可持续发展 ［M］.南宁：广西科学技术出版，2000.

［17］ 张岳.中国2 l世纪水危机与节水 ［J］.水利水电科技进展，1997，17（2）：2-9.

［18］ 赵先贵，马彩虹，高利峰，等.基于生态压力指数的不同尺度区域生态安全评价 ［J］.中国生态农业学报，2007，15（6）：135-138.

［19］ 王文国，龚久平，青鹏，等.重庆市水资源生态足迹与生态承载力分析 ［J］.生态经济，2011（7）：159-162.

［20］ 常龙芳.云南省水资源生态足迹与生态承载力动态分析［J］.云南地理环境研究，2013，24（5）：106-110.

（责任编辑：侯春晓）

X 37；TV 213.9

A

0528-9017（2015）04-0514-05

10.16178/j.issn.0528-9017.20150424

2014-10-15

国家科技支撑计划 （2012BAH33B00）

刘汉生（1990-），男，湖北黄冈人，硕士研究生，从事区域资源开发与利用研究工作。E-mail：liuhansheng1990@163.com。

王 晖，男，湖北武汉人，工程师，硕士研究生，主要从事输变电工程水土保持方案编制及水土保持监测工作。

文献著录格式：刘汉生，王晖，张婷，等.武汉市水资源生态足迹动态分析 ［J］.浙江农业科学，2015，56（4）：514-518.