南宁市水资源生态足迹动态分析

刘洁，褚俊英，解建仓，何素明

（1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；3.广西水利电力勘测设计研究院，广西南宁530023）

南宁市水资源生态足迹动态分析

刘洁1，褚俊英2，解建仓1，何素明3

（1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；3.广西水利电力勘测设计研究院，广西南宁530023）

从水资源量供需平衡的角度出发，判别城市发展与自然水系统的可持续性。基于生态足迹理论，构建了水生态足迹与水生态承载力模型，并以广西南宁市为例，对2004—2013年的水资源可持续程度进行定量分析。结果发现：（1）南宁市历年水资源用量处于盈余状态；（2）淡水资源生态足迹所占比例较大，且与人口增长和经济发展有密切关系；（3）万元GDP生态曲线的不断降低表明南宁市水资源利用效率逐步提高。研究结果表明，南宁市水资源符合可持续利用的原则。

水生态足迹；水生态承载力；可持续性；南宁市

1 研究背景

水生态足迹的概念衍生于生态足迹，由William Rees［1-2］和Mathis Wackernagel［3］提出，通过将人类活动产生的消耗物与土地面积进行有机转化来衡量人类社会的可持续发展。随后出现“虚拟水”概念，采用水资源消耗转化为水资源量占地面积来表示，称为水足迹［4］。水生态足迹是以水域全球平均生产能力为基础，包括水资源消耗与水域生物生产消耗两部分［5］。从水量和水质两方面考虑社会经济发展与水资源利用的合理健康性。对区域开展水生态足迹的评价分析，了解其水资源分配现状，促进区域水生态文明建设、加强水资源的保护力度，以及对保障其社会发展与实现水资源的可持续利用具有重要意义。

传统水生态足迹的水资源账户仅包括水产品生态足迹，是从水域的生物生产功能来定义的一类账户。洪辉［6］对原有的水资源账户进行扩充，提出了水产品、水污染与淡水生态足迹3个水资源账户，随后诸多学者根据这一模式提出水生态足迹的账户分类［5，7-9］。王俭等［10］将生态需水要素引入城市水资源生态足迹模型中，并将生态需水分为绿地生态需水和稀释污染物需水量。张义［5］提出水资源与水污染生态足迹是非生物生产性的土地，无法与传统生物生产性的生态足迹相融合，在舍弃均衡因子的背景下采用改进的水生态足迹模型对广西水生态足迹进行模拟。但目前大多或部分研究中忽略了污染物净化消耗所占比例以及水生态账户的分开计算，忽略了水生态系统的整体性。

针对上述问题，本文对水生态足迹的核算和评价问题，采用零维水质模型核算污染物稀释需水量。在传统的生态足迹模型基础上建立水资源账户，将水生态足迹分为水域-渔业（水产品）、水污染与淡水资源三类账户，计算水生态足迹和水生态承载力，并以广西南宁市为例开展实例应用，对南宁市的水生态足迹进行模拟计算。

2 研究方法

2.1 参数的确定本文所采用的数据来源包括：《广西统计年鉴（2005—2014）》、《广西水资源公报（2005—2014）》、《南宁市统计年鉴（2005—2014）》与《南宁环境质量报告书（2004—2013）》。基于上述数据资源计算南宁市2004—2013年的水生态足迹、水生态盈余与水生态承载力。首先，确定核算模型中相关参数值，包括产量因子和均衡因子。

产量因子。相同的生物生产性土地面积在不同的区域之间会存在一定差异，需根据区域产水能力确定相应的产量因子。计算方法如下：

式中：γ为地区或国家对应的产量因子；Pz为地区或国家对应的水资源生产能力（万m3/hm2）；Pg为国家或全球对应的水资源产水能力（万m3/hm2）；γwy为全球范围内区域水资源产量因子；Yz为中国范围内区域水资源产量因子；Yg为全球范围内中国水资源产量因子。参考文献［11］，广西地区水资源产量因子取2.61。

均衡因子。由于不同类型的土地面积生态生产能力不同，需利用均衡因子将计算结果转化为可比较的生态生产面积［12］。计算公式为：

式中：Qi为第i类水域类型的均衡因子；Vi为第i类水域类型的平均生态生产能力；V为全球范围内所有生物生产面积类型中的平均生态生产能力。根据世界水域均衡因子WWF-2002取值0.35［13］，水资源全球均衡因子取5.19［14］。

2.2 水生态足迹账户的分类

（1）在社会发展过程中，用于人类生产生活所消耗的淡水资源的占用程度［15］称为淡水生态足迹，水资源量主要包括工业用水、农业灌溉用水和生活用水三部分，通常用水资源用地面积表示。计算公式如下：

式中：WEFfw为淡水生态足迹（hm2）；D为总人口；weffw为人均淡水生态足迹（hm2/人）；PMa为人均水资源占地面积（hm2/人）；Cfw为淡水资源消耗总量（m3）；Pwr为全球水资源平均生产能力（m3/hm2），一般取3.14×103m3/hm2［16］。

（2）水产品生态足迹是指持续供给人类消耗的水产品在特定范围内所占的水域面积［17］，其表现人类对水域面积的占用情况。计算公式如下：

式中：WEFwc、wefwp、Q′i、PM′a、Zfc、Pwc分别表示水产品消耗生态足迹（hm2）、人均水产品消耗生态足迹（hm2/人）、全球水域均衡因子、人均水域面积（hm2/人）、水产品总消耗量（t）与全球水产品平均生产能力（t/hm2）。全球水产品平均生产能力根据Redefining Progress公布的成果取0.18 t/hm2［15］。

（3）当水体受到污染时就会降低水体本身的净化与生态功能，则需要从外界引入水来稀释污染物浓度至标准浓度［18］，水污染生态足迹表现的是人类在生活生产过程中所产生的污水对水资源的需求程度，用水资源占地面积表示。计算公式如下：

式中：WEFwpf与wefwpf分别表示水污染生态足迹（hm2）和人均水污染生态足迹（hm2/人）；Awd为污染稀释净化需水量（m3）；

根据零维水质模型［7，19］，污染稀释净化需水量计算公式如下：

式中：w为污染物年入河排放量（t/a）；Co为达到水质标准规定的第i种污染物浓度（mg/L）；根据《南宁市环境质量公报》，南宁地区废污水排放量中污染物COD的排放量为最大，故取COD为检测污染物。Ⅲ类水中COD的目标浓度标准为20 mg/L［20］；k为污染物综合降解系数（1/d）；根据陈晓峰［21］对广西各市重要河流水质降解系数的研究，取0.2/d。COD入河排放量为工业废水和生活污水总排放量乘以污染物入河系数，根据一般COD入河系数的取值范围［22］，点源COD入河系数取0.8。

2.3 水生态承载能力水生态承载力表现的是自然水系统在某一时期内，水资源量对满足人类社会发展及自然生态健康所需要的供给能力［7］。目前，有两种水资源开发利用率的取值，一种是采用传统生态足迹模型中的取值为0.88［7，15，23］，目的是为保障水域中其它物种的生态需水，在水域承载力计算时需扣除12%的生物多样性保护面积；另一种应用较多的取0.4［7，10，15，19，24］，当国家或地区的水资源利用率超过了30%～40%，生态环境就会受到破坏，所以需扣除60%来维持生态环境与生物多样性的需要，本文水资源开发率取0.4。计算公式如下：

式中：WCw、wcw、γwy、TQw分别为水资源承载能力（hm2）、人均水资源承载能力（hm2/人）、地区产量因子与地区水资源总量（m3）。

2.4 水生态赤字/盈余与万元GDP水生态足迹区域所占用的水资源产生的水生态足迹与区域可提供的最大供给能力的差值表现为生态赤字与盈余［25］。前者说明该区域的水资源用量已超过了自然系统可提供的最大生态容量，城市水资源将出现不健康与不可持续的状态。后者说明该地区的水生态容量可以满足人类生活生产所需要的水资源量，可继续维持经济社会的可持续发展。

万元GDP生态足迹为水生态足迹与万元GDP的比值，体现城市发展中经济变化对水资源利用效率的高低。当万元GDP生态足迹的值较大时［24］，说明经济发展所占用的水资源量较大，水资源利用率较低；反之亦然。为使在时间序列上真实有效的比较生产总值对水资源的利用效率，将GDP当年价转化为以2004年为基准年的可比价。

3 结果与分析

以广西南宁市为研究区域，采用上述方法对该区域水生态足迹进行动态分析。首先，分别计算南宁市的水生态足迹和水生态承载力，在此基础上进行对比分析，得到南宁市水资源盈余状况，进而分析水生态足迹结构，并对其万元GDP和水资源生态足迹进行分析，探究南宁市水资源的可持续性。

3.1 水生态足迹与水生态承载力分析图1所示为南宁市水生态承载力与水生态足迹对比情况，由图可知：南宁市人均水生态足迹一直小于人均承载能力，表明南宁市水资源随时间变化均处于生态盈余状态。水生态承载力整体变化呈波动式，2004—2007年整体下降，到2008年人均承载力达最大值为3.57 hm2/人，随后承载能力逐渐减弱，年降水量的变化与其有一定关系。南宁市人均水生态足迹变化较为稳定，南宁市2004年水生态足迹为529.07万hm2，2013年水生态足迹达到788.08万hm2，增加了48.96%。人均水生态足迹从2004年的0.815 hm2/人增加到2013年的1.149 hm2/人。根据南宁市历年的人口变化可知，南宁市总人口逐年增加，从2004年648.8万人增加到2013年的685.4万人。人口数量的上升会增加水资源量的消耗，同时会影响水生态足迹的增大。

图1 南宁市水生态承载力与水生态足迹对比

3.2 水生态足迹结构分析图2所示为南宁市水生态足迹水资源账户对比情况，由图可知：人均水生态足迹中所占比例最大的为人均淡水资源生态足迹，所占比例历年均超过人均总生态足迹的90%。整体变化较平缓，于2008年人均水资源生态足迹所占比例达到93.96%为最大值。但人均水产品生态足迹与人均水污染生态足迹与其相比所占比例甚小。人均水产品生态足迹变化范围在4.4%～6.4%之间，而人均水污染所占比例最大仅为2.38%，并随时间序列的变化而逐渐减弱。故南宁市应加强对淡水资源的管理，提高其再生水的利用率，减少水资源的浪费。

图2 南宁市水生态足迹组成

3.3 万元GDP与水资源生态足迹分析图3所示为南宁市水资源生态足迹结构对比情况，由图可知：南宁市淡水资源分配中农业灌溉用水量较工业用水与生活用水为最大，但水资源用量较为稳定。2008年农业用水生态足迹达到417.51万hm2，随后逐渐减弱。人均工业用水与人均生活用水相差较小，但从2011年起人均工业用水量增加较迅速。人均生活用水从2004的0.089 hm2/人增加到2008年的0.102 hm2/人，整体呈缓慢增长趋势。

图3南宁市水资源生态足迹结构对比

图4 所示为南宁市万元GDP水生态足迹动态变化情况，由图可知：南宁市万元GDP生态足迹整体呈减小趋势，2010年以后变化趋势较为平缓。从2004年的0.898 hm2/万元下降到2013年的0.415 hm2/万元，下降了53.79%，变化幅度较明显，表明南宁市水资源利用率在不断提高。

图4 南宁市万元GDP水生态足迹变化

4 结论

采用水生态足迹与生态承载能力模型对南宁市2004—2013年的水资源可持续性进行分析得出以下结果：（1）南宁市近十年水资源利用均处于生态盈余状态，且随承载力的变化而变化。（2）万元GDP生态足迹由2004年呈下降趋势，表明水资源利用率随社会经济发展不断提高。（3）从整体来看，南宁市水生态足迹变化大致分为三个阶段。从2004年到2008年为逐渐增长阶段，随着社会经济发展与人口的逐渐增长，促使水资源用量增加。从2008年到2009年，水生态问题的出现使人们对水资源用量进行控制，水环境保护和水节约意识逐渐增强，水生态足迹下降。但从2009年起水生态足迹平稳增长，这与经济建设与人口增长密切相关。

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Dynamic analysis of water ecological footprint in Nanning

LIU Jie1，CHU Junying2，XIE Jiancang1，HE Suming3
（1.College of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Xi’an University Of Technology，Xi’an710048，China；
2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China；
3.Guangxi Design Institute of Water resources and Electric Power Investigation，Nanning530023，China.)

The paper investigates the sustainability of the urban development and the natural water system，in terms of water resource supply and demand.The water ecological footprint and water ecological capacity models were established using the ecological footprint theory.The Nanning City of Guangxi was taken as an example to quantitatively analyze the water resource sustainability extent for the period of 2004-2013.The results are that：（1）the water resource for the past years in Nanning City is surplus；（2）the proportion of the freshwater resource ecological footprint is relatively larger，and it has close relationships with the population growth and economic development；（3）the continuous reduction of the GDP per ten thousand in⁃dicates that water resource utilization efficiency of Nanning City has continuously increased.The paper shows that the water resource in Nanning City is in accordance with the principle of the sustainable devel⁃opment.

water ecological footprint；water ecological carrying capacity；sustainability；Nanning

X22

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.05.012

1672-3031（2016）05-0386-06

（责任编辑：李福田）

2015-10-31

国家自然科学基金项目（51209170）；广西水利科技项目（201503，201313，201506）；中国工程院重大咨询项目（2016-ZD-08-03）；中国水利水电科学研究院科研专项（ZJ1224）

刘洁（1989-），女，河北邯郸人，硕士生，主要从事水文学及水资源（区域经济与水资源管理）研究。

E-mail：liuj0920@126.com.cn

褚俊英（1976-），教授级高级工程师，主要从事水文学及水资源研究。E-mail：jchu@iwhr.com