基于三维生态足迹模型的唐山市水资源承载力研究

张媛媛

（河北省沧州水文水资源勘测局，河北 沧州 061001）

0 引言

作为一种基础性、战略性可再生资源，水资源的可持续供给对地球生态系统循环与人类经济社会健康发展至关重要。水资源承载力评价是对水资源的自然属性和社会属性综合质量的评估，其社会属性即为人类生产生活、经济社会发展提供支撑、服务能力，自然属性则以水资源的数量、质量为基本特征，并且水资源在受到景观退化、人为破坏等影响下自行恢复、调节的能力。当前关于水资源与人的关系阐释较多，但三维生态足迹模型对于水资源资源状态、承载压力、人地结构性的描述较为全面、客观，能够很好地表征人地之间的能动关系[1]。生态足迹（Ecological footprint,EF）是生态学家Rees[2]提出来的用以衡量资源供需、废物消纳的新方法，Wackernagel 等[3]发展了这一理论并应用于测算人类对资源的利用程度和自然资源的供给量，得到了国内外学者的广泛认可。本文以唐山市为案例区，简述三维生态足迹模型应用流程，旨在厘清水资源资源对区域发展的限制问题、人类活动对水资源压力的影响机制，从而为唐山市水资源规划、科学利用、环境保护提供实践依据和决策参考。

1 三维生态足迹模型

1.1 传统三维生态足迹模型

三维生态足迹模型是以生态足迹理论为基础的，Wackernagel 在一维生态模型的基础上加入了生态盈余和赤字概念，由一维模型发展至二维模型，表达公式如下[4]：

式中：EF 为区域总的生态足迹，N 为总人口数，i 为消耗的水资源类型，ai则表示人均消耗的第i 种水资源总量，ci为第i 种资源的人均消费量，pi则描述为第i 种消费资源的全球平均生产能力。ED 表示区域生态赤字，BC 为区域所能提供的生态生产性水资源总量，生态盈余则用ER 指代。

Niccolucci 等[2]在此基础上赋予其足迹深度、足迹广度两项指标概念，前者为生态足迹与生态生产资源之比，其值越大，表明生态过载、负荷过重，反之说明生态承载压力较小；后者为资源流量使用情况，若生态生产性水资源大于生态足迹，说明足迹广度与生态足迹值相等。根据区域水资源承载演变过程，三者之间存在如下关系：

式中：参数EFdepth表示为足迹深度，EFsize则表示为足迹广度[5]。

1.2 改进三维生态足迹模型扩展

传统三维生态足迹模型中对水资源承载力的判定为人类对水资源的消费与水资源资源供给、支撑、服务能力的判定，其基于生态赤字、生态盈余量值的大小，判别区域水资源是否透支。三维生态足迹模型中的足迹深度、足迹广度等概念可以更好地表征区域人类对自然资源的消费和自然资源存量的情况。扩展后的三维生态足迹模型如下[6]：

由此将生态足迹深度值由1，扩展为0。若EFdepth的值在介于0～1 时，则有：

式中：对象M 的足迹深度表示为EFdepthM,其生态足迹大小则表示为EFM。0≤EFdepth＜1 时,水资源存在结余,水生态足迹处于盈余状态, 此时足迹深度表示人类的生产对水资源的使用情况，计算如下[6]:

式中：关于对象M 的生态盈余则表示为，ERM,当EFdepth为1 时，则有如下：

此时水资源总量与人类消费水资源量相等，即表明处于临界状态，生态赤字与盈余均不存在。而当EFdepth 的值大于1时，则有：

式中：当EFdepth的值大于1 时，人类消费索取生态生产功能性存量资源，亦即此时的足迹深度可以用来度量资源存量状态或对存量资源的使用率。则生态赤字计算公式如下[6]：

1.3 水资源压力指数构建

水资源压力表示区域内各种用水总数量，其计算公式如下[6]：

式中：N 表示区域人口总数量，Wa 表示一定区域内居民对水资源的平均年需求量，一个区域内的水资源总的压力大小则用Wp 表示。衡量区域水资源资源和水环境质量，可用水资源供给能力表示。一定区域内的区域内水资源压力指数，相关学者给出农产品压力指数的经验公式，如下：

式中：水资源压力指数表示为Iwater，其值越大，表明区域水资源承载的水资源压力越大，而EFwater和BCwater则分别表示区域内的水资源的生态足迹大小与区域内水资源总数目。

2 案例分析

2.1 唐山市概况

唐山是我国工业重镇，位于华北平原东北部渤海北岸，西接京津、北靠燕山，区域面积达13.472 km2。该市属燕山地台向前海低地延伸区，东北为燕山余脉、南部是海河冲击平原，高程介于0 m～843 m，地形分异明显。唐山位于东亚温带季风气候区，冬季寒冷干燥、夏季炎热多雨，四季分明，年平均气温12.5℃，区域降水量介于500 mm～700 mm，日照时数2212 h。河流发源于山地，流程短、流量小，有明显丰枯季，有春汛和夏汛，地表径流量达14.62 亿m3，属渤海水系。用地类型以林草地、耕地、建设用地为主，典型植被为温带落叶阔叶林和针叶林。唐山市常年水资源总量为26.27 亿m3，人均占有量仅为385 m3，低于警戒线400 m3的水平，属于我国严重缺水城市。近年来随着重化工产业发展、人口聚集，城市用水量迅速增加，然而区域水源供应不足、水污染问题尾大不掉，为民生安全、经济发展带来隐患。

2.2 数据来源与处理

本研究中指标数据数据主要来源于《中国统计年鉴》(2001年～2016 年)、《河北统计年鉴》(2001 年～2016 年)、《唐山统计年鉴》(2001 年～2016 年)，研究时域为2000 年～2015 年。指标中主要包含水资源总量、水资源消费总量、工业用水总量、农业用水总量、生产生活用水总量等直接统计指标数值。在Excel 2016 软件上进行数据整理、指数计算。

3 唐山市水资源承载力分析

3.1 唐山市水资源生态足迹动态分析

通常在统计区域生态生产性资源量时需要预留部分水资源，用以保护区域生物多样性，根据世界环境与发展委员会的建议，扣除12%的水资源量。基于前述研究方法，得到2000 年～2015 年唐山市生态足迹变化趋势，结果如图1、2。

2001 年～2015 年唐山农业用水生态足迹从整体呈现逐渐升高的趋势，其最高值为2015 年的1.659 hm2/ 人，最低值出现在2001 年，仅为1.383 hm2/人，15 年来其平均值为1.537 hm2/ 人，其线性变化趋势为(y=0.0166x-31.891,R2=0.9639)，在0.05 水平上显著。结合唐山市人均农业生态生产性水资源(见图2)，可知其最大值为2003 年的0.346 hm2/人，最小值为2015 年的0.278 hm2/人，平均值为0.317 hm2/ 人，其变化趋势为(y=-0.0052x+10.779，R2=0.9428)，说明唐山市人均生态生产性农业水资源量逐渐减少，并且其缺口逐渐增大，反映了区域水资源承载超过水资源生态负荷。

生活用水的生态足迹最高值为2015 年的0.375 hm2/人，最低值为2001 年，仅为0.313 hm2/人，其平均值为0.351 hm2/人，其线性趋势为(y=0.0037x-7.1092，R2=0.9014)。而唐山市人均生活用水的生态生产性水资源量在近15 年间平均值为0.0469 hm2/人，其变化趋势为(y=-0.0007x+1.4983，R2=0.991),在0.05 水平上通过信度检验；表明该市生活用水消费力度远大于资源产出。

其他用水的生态足迹从整体呈现逐渐升高的趋势，其最高值为2015 年的0.178 hm2/人，最低值出现在2001 年，仅为0.145 hm2/人，15 年来其平均值为0.158 hm2/人，其线性变化趋势为(y=0.0017x-3.1867，R2=0.8427)。另外，唐山市人均生态生产其他水资源近15 年期间其最大值为2003 年的0.0642 hm2/人，最小值为2015 年的0.0402 hm2/人，平均值为0.0509 hm2/人，其变化趋势为(y=-0.0007x+1.4983，R2=0.991),在0.05 水平上通过信度检验。

图1 2001年～2015 年唐山市水资源承载力生态足迹

图2 2001年～2015 年唐山市生产线水资源承足迹

从工业用水来看，其生态足迹亦呈现逐渐增加趋势(y=0.0056x-10.382，R2=0.8888)；与此同时，其人均生态生产性水资源成减少趋势(y=-0.0019x+4.0513，R2=0.9231),均在0.05 水平上通过信度检验。

3.2 唐山市水资源足迹深度动态分析

2001 年～2015 年来唐山市水资源承载力足迹深度变化趋势见图3。可知近15 年来唐山市各种资源类型的水资源承载力足迹深度存在差异，其中以耕林地的足迹深度最大，减少资源最小。

区域工业业用水综合足迹深度最小值为5.279 hm2/人，最大值为7.070 hm2/人，平均值为6.222 hm2/人，这表明唐山市农业用水资源流量少于人类消耗的资源量，即水资源资源亦即不能承载或为区域经济社会提供充足保障，其一年所消耗的自然资源存量相当于唐山市水资源量全球平均生物生产空间5 年～7 年的积累量。

唐山生活用水、农业足迹深度分别介于2.277 hm2～2.794 hm2/人和14.665～22.070 hm2/人hm2/人之间。农业用水是唐山水资源消费的主要资源类型，研究显示，近15 年来唐山市耕地的足迹深度值最大值、最小值分别为5.636 hm2/人和6.75 hm2/人，表明农业用水对区域水资源生态足迹具有重要影响。

从其他用水来看，其生态足迹深度最大值为2015 年的3.339 hm2/人，最小值为2001 年的2.292 hm2/人，平均值为2.909hm2/ 人，表明其他用水对区域水资源足迹深度影响较小。

图3 唐山市水资源承载力足迹深度变化趋势

3.3 唐山市生态盈余与赤字动态分析

基于前述的三维生态足迹模型，核算了2001 年～2015年唐山市不同用水类型水资源的生态盈余与生态赤字，见图4。可知近15 年来唐山市农业水资源承载力不存在生态盈余，常年处于生态赤字状态，处于-0.193 hm2/人和-0.291 hm2/人之间，平均值为-0.242 hm2/ 人，变化趋势为(y=-0.007x+13.873,R2=0.9927)。生活用水的生态赤字由最初的-0.149 hm2/人波动变化至-0.2005 hm2/ 人，相应地其变化趋势为y=-0.0026x+5.0754，R2=0.8427，并且达到显著水平。其工业用水也呈现生态赤字，由2001 年的-0.0477 变化至2015 hm2/人年的-0.0550 hm2/人，其平均值为-0.053 hm2/人，线性演变趋势为y=-0.0005x+0.9143，R2=0.7747，并且其变化趋势显著。研究时域内唐山市化石燃料资源承载力的生态赤字由2001年代-0.3565 hm2/人起伏变化至2015 年的-0.3226 hm2/人，其平均值达到-0.211 hm2/ 人，其变化趋势为y=0.0203x-41.054，R2=0.2722，通过了5%水平的信度检验。唐山市其他用水类型生态赤字由2001 年的-0.5439 hm2/人波动演变至2015 年的-0.6496 hm2/人，期间其平均值为-0.610 人hm2/人，其线性变化特征为y=0.5335x-1052.9，R2=0.9927。

图4 2001年～2015 年唐山市水资源生态赤字变化趋势

3.4 唐山市水资源承载力指数动态分析

依据前述指数构建的方法，得到2001 年～2015 年唐山市水资源压力指数。其最小值出现在2001 年的5.115，最大值为2015 年的5.804，总体呈线性升高趋势，以的y=0.0423x-79.469，R2=0.8888 形式变化，并且通过0.05 水平的信度检验，表明该变化趋势显著。从水资源压力指数大小来看，可知唐山市对水资源的消费已经超出水资源供给能力的5～7 倍，这是由于区域水资源禀赋和人口总数决定，唐山市地处我国半干旱半湿润区，降水和地表径流丰富，但水资源利用率和有效径流均较少，加之庞大的人口基数势必增加了用水需求，从而对区域水资源造成巨大压力。

4 结论

生态盈余表征水资源存量，其意指能够满足经济社会发展需求外存在的盈余，生态赤字则反之。通过生态盈余和生态赤字能够直观显示区域人类对水资源的消费需求是否超出了资源承载能力。本研究核算了2001 年～2015 年唐山市农业、工业、生活和其他用水的水资源承载力，综合结果表明区域水生态赤子较大，水资源透支严重，应当予以重视。