基于生态足迹的山东省水资源承载力研究

黄佳 徐晨光 满洲

摘要：为研究山东省水资源生态承载力现状，缓解山东省用水压力，基于生态足迹的理论和方法，构建了水资源二级账户;同时，从城市发展的角度，选取了城市建设和社会经济中的相关指标，利用统计产品与服务解决方案（Statistical Product and Service Solutions，SPSS）软件，分别对山东省水资源生态足迹和生态承载力进行了相关性分析。分析结果表明：山东省水资源生态足迹和生态承载力均呈现出下降的趋势，水资源处于生态赤字状态;山东省水资源生态足迹受农业用水的影响最大，水资源生态承载力受降水的影响最大，城市设施水平对提高水资源生态承载力具有正面效应。因此，为了提高山东省的水资源生态承载力，提出了有针对性的措施，即应要改变农业灌溉方式，调节生产生活方式，并充分利用雨水资源，从而使得雨污资源化。

关键词：生态足迹; 生态承载力; 水资源; 城市发展; 相关性分析; 山东省

中图法分类号： TV211文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.021

1研究背景

人类邻水而居，择水而憩，自古以来，人类的生活生产都与水息息相关，但是粗放的用水方式已使全球陷入水资源紧缺的危机当中，水资源承载力更是处于危险的状态。水资源承载力作为城市水资源安全的保障[1-2]，在国外经常被学者与可持续发展理论联系在一起[3-5];而在国内由新疆水资源软科学课题研究组于1989年首次提出[6]，自此便被应用在各个层面的水质和水量的核算当中，开展的研究也涉及到数学[7-9]、系统动力学[10-11]、统计学[12-14]、生态学[15-17]等学科。目前，国内外学者对于水资源承載力的定义主要分为以下两大类。

（1） 基于水资源状况的定义。即通过对某一历史阶段的水资源状况进行分析，结合可预见的社会经济和科学技术发展水平，区域水资源所能支撑人类活动的最大临界值。

（2） 基于社会经济发展水平的定义。即在不影响区域可持续发展的前提下，利用当前的社会科学技术水平，使得该区域的水资源能够承载社会经济发展的最大规模。

随着科学技术的发展以及人类对大自然认知的不断更新，水资源承载力的定义和计算方法也在不断发展。然而，目前国内外学者对于水资源承载力的定义和计算方法尚未达到一个统一的标准。

William和Wackernagel于1992年提出了生态足迹的理念，并将其定义为：把人类对资源的利用情况进行量化，衡量人类对生态系统产生的压力，用来反映人类生存与发展对自然生态的胁迫情况，表征可持续发展的程度[18-20]。作为一种将生态学、资源环境学和系统学等学科融合在一起的可以对自然资源利用状况进行有效相关评价的方法，其综合性强，便于使用，被国内外学者广泛应用到旅游[21-22]、能源[23-24]、食物[25-26]、国际贸易[27]以及饮食结构[28]等多个领域。同时，也被一些学者引入到了对水资源质量和数量的核算以及水资源承载力和可持续发展的评价上，并开展了水足迹[29-30]、水生态足迹[31-32]以及水资源生态足迹[17，33]的研究。其中，对水资源生态足迹的研究大多集中在对相关参数的确定，生态足迹账户的划分以及不同尺度、不同地域的水资源生态足迹的核算和预测方面上。而本文研究是在已有研究的基础上，对水资源短缺的山东省构建了水资源生态足迹模型，并从城市发展的角度选取相关指标，利用SPSS对山东省水资源生态承载力现状进行了分析与评价，从而为今后山东省水资源开发利用工作提供了理论指导，并提出可靠的建议。

2研究地区与数据来源

2.1研究区概况

山东省是我国主要的缺水城市之一，虽然地处我国东部沿海，但由于受到地形地貌以及气候的影响，使得该省的水资源时空分布不均，淡水资源极其匮乏。山东全省人均水资源量不足全国水平的1/6，而全省人口占全国总人口的7%，灌溉耕地占全国的6%，省经济总量占全国的10%。由此可见，该省的水资源压力是非常大的。

2.2数据来源

本研究中使用的所有数据，均来源于山东省统计局公布的2006～2015年《山东省统计年鉴》[34]和山东省水利厅公布的2006～2015年的《山东省水资源公报》[35]。

3研究方法

3.1水资源生态足迹模型

生态足迹（ecological footprint）作为一个用来衡量人类对大自然需求与消费的有效工具，可以量化某一地区的生物资源供需状况;结合生物承载力核算来评价一个国家、地区乃至全球的可持续发展状况，从而提高各级政府的生态保护意识，为生活生产消费模式的选择，经济、环境政策的制定以及生态文明建设的推进提供理论指导[36]。

根据黄林楠等人对水资源生态模型的探索[17]，本研究按照水资源生态足迹模型的内涵，将山东省水资源划分为农业用水、工业用水、城镇公共用水、生活用水以及生态环境用水5个生态足迹二级账户。

（1） 农业用水可分为农田灌溉用水和林牧渔畜用水，该用水量主要与当地的农田灌溉方式、农作生产方式、农作面积以及气候地理条件相关。

（2） 工业用水是指整个工业生产过程中所使用的水，该用水量主要与行业特点以及工业废水再利用率相关。

（3） 城镇公共用水包括服务业和建筑业两大行业中的用水量，该用水量的多少可以从侧面间接地反映当地的城市化进程以及社会发展水平。

（4） 生活用水按照地域类型可分为农村生活用水和城镇生活用水，该用水量主要与当地居民的生活习惯、生活质量以及人口数量密切相关。

（5） 生态环境用水是指河道外的绿地、花园等生态设施通过供水工程的供水来实现的用水量，而不包括大气降水和径流中自然满足的水量，该类用水量可以在一定程度上反映出城市的性质以及生态城市的建设进程。计算公式如下：

EFi=N×efi=γ×Wi/p（1）

式中，i为水资源利用类型;EFi为第i类水资源的生态足迹，hm 2;N为人口数量，万人;efi为第i类用水类型的人均水资源生态足迹，hm 2/人;γ为水资源全球均衡因子;W为消耗的水资源量，m 3;p为水资源全球平均生产能力，m 3/hm 2。

3.2水资源承载力模型

水资源承载力是用来衡量当地水资源能够维持人口和社会经济发展的可开发利用总量的有效工具。相关研究成果显示[17]，此处水资源承载力的计算需要扣除60%用作大自然的生态运作，剩下的40%才是可以被人类开发利用的，否则就会使得当地的生态系统受到破坏。水资源承载力计算公式如下：

ECw=N×ecw=0.4ψγQ/p（2）

式中，ECw为水资源承载力，hm 2;N为人口数量;ecw为人均水资源承载力，hm 2/人;ψ为区域水资源产量因子;γ为水资源全球均衡因子;Q为区域水资源总量，m 3;p为水资源全球平均生产能力，m 3/hm 2。

3.3水资源生态赤字或盈余

水资源生态赤字或盈余（A）通常被用来评价一个国家或地区的水资源可持续利用状况。其计算公式[33]如下：

A=EF-ECW（3）

由A值的正负来确定该区域在这一时期内水资源是生态盈余还是生态赤字。若A为正值，则该区域的水资源处于生态盈余状态，表明该区域的水资源足以满足当地生产生活的需要;若A为负值，则该区域的水资源处于生态赤字状态，表明水资源匮乏，单纯的依靠该區域的水资源已经不能满足当地生活生产的需要，急需采取相关措施来应对这种状况。

3.4万元GDP水资源生态足迹

万元GDP水资源生态足迹（B）是用来衡量某区域的水资源利用效率的重要指标。其计算公式如下：

B=EFGDP（4）

3.5水资源负载指数计算

水资源负载指数是一个综合某区域的水资源总量、人口、经济以及降水量等相关内容的评价指标，可以用来评价这一区域的水资源利用程度。计算公式如下[37]：

c=kPG/W（5）

式中，c为水资源负载指数（水资源负载指数级别划分如表1所示）;P为人口，万人;G为国内生产总值，亿元;W为水资源总量，亿m 3;k为与降水有关的系数，其取值公式如下：

k=1.0R≤200

1.0-0.1（R-200）/200200

0.9-0.2（R-200）/400400

0.7-0.2（R-200）/800800

0.5R≥1600（6）

式中，k为与降水有关的系数;R为年降水量，mm。

4结 果

4.1主要参数确定

根据前人的研究成果以及山东省多年来的水资源状况[16-17]，确定了模型中的主要参数数值，如表2所示。

4.2山东省水资源生态足迹计算结果

根据上述计算方法进行计算，得出的山东省2006～2015年各用水方式的人均水资源生态足迹如表3所示。

总的来说，山东省水资源生态足迹呈现出缓慢下降的趋势，如图1所示。

具体来说：2006～2015年的这10 a间，山东省的农业用水量所占比重最大，其比例平均高达71.7%。在农业用水量中，农田灌溉用水量是其主导因素，林牧渔畜用水次之。但是另一方面，农业用水量呈不断下降的趋势，从2006年的0.310 8 hm 2/人下降到2015年的0.240 5 hm 2/人，下降了22.6%。与此同时，农田灌溉用水量从2006年的0.274 5 hm 2/人下降到2015年的0.207 1 hm 2/人，下降了24.6%，下降趋势与农业用水量基本上保持一致。

在此期间，林牧渔畜的用水量呈现出上升的趋势，在农业用水量中所占的比重由2005年的11.68%上升至2015年的13.89%。

山东省城镇公共用水量分为两个阶段，其中，2006～2012年为缓慢上升阶段，用水量持续增加，增长率为73.61%;2012年之后，用水量缓慢下降，但是并不明显。工业用水量呈现波动上升的趋势，在2006～2010年间工业用水量缓慢上升，到2011年，工业用水量迅速增加且到达了顶峰，峰值为0.051 0 hm 2/人，2012年用水量减少，之后趋于平稳。

生活用水量总体上呈现出上升的趋势，但是到2014年有所下降，之后又开始回升。生态环境用水量呈持续上升的状态，在2011年用水量达到峰值，为0.012 3 hm 2/人，自2012年起用水量开始减少，到2015年再次上升。

通过计算得知，山东省水资源处于生态赤字状态。从图2可以看出，生态赤字与水资源承载力呈现出波动变化的状态，而且二者的变化趋势相反。

4.3万元GDP水资源生态足迹结果

根据计算公式（4），可以得出2006～2015年山东省万元GDP水资源生态足迹，如图3所示。

从图3可以看出，山东省2006～2015年万元GDP水资源生态足迹总体上呈显出下降的趋势，下降率为67.25%。而在2006～2008年期间，下降速度最快，由2006年的0.170 4 m 3/万元下降至2008年的0.117 5 m 3/万元，下降率为31.04%。从这个下降趋势可以看出，山东省的经济发展并没有以过度消耗水资源为代价，这与政府的管理得当以及与居民的思想觉悟提升是分不开的。

4.4水資源负载指数结果

通过对山东省水资源负载指数进行计算，可以得出2006～2015年山东省水资源负载指数变化趋势，如图4所示。

从图4可以看出，2006～2015年，山东省水资源负载指数均大于10，级别为Ⅰ级;尤其是2014年，其水资源负载指数到达了顶峰，达到120.34。说明山东省的水资源利用程度很高，继续开发利用的难度相当大，因而急需从外流域调水，以满足当地的社会生产与生活的需要。

5相关性分析

5.1山东省人均水资源生态足迹相关性分析

为了进一步分析山东省水资源生态足迹的可持续利用情况，本文选取了GDP（f1，亿元）、人口（f2，万人）、年平均气温（f3，℃）、农业用水量（f4，亿m 3）、工业用水量（f5，亿m 3）、城镇公共用水量（f6，亿m 3）、生活用水量（f7，亿m 3）、生态环境用水量（f8，亿m 3）以及废水排放量（f9，亿m 3）等9个指标，借助于SPSS软件，对山东省的人均水资源生态足迹（F，hm 2/人）进行了相关性分析。分析结果如表4所示。

由表4中的分析结果可知：

（1） 人均水资源生态足迹与GDP、人口、工业用水量以及城镇公共用水量在0.01水平上呈现为负显著相关，其中，GDP在该水平上的相关性位居第二，人口因素在各影响因素中位居第三;而工业用水量和城镇公共用水量与人均水资源生态足迹呈现为负显著相关的关系，由该关系可以看出，山东省在生态文明建设中，在水资源保护与水资源高效利用等方面的努力和付出取得了一定的成果。

（2） 人均水资源生态足迹与生态环境用水量、污水排放量在0.05水平上呈现为负显著相关，说明该省在生态文明建设方面的投入越来越多，其重视程度越来越大;由污水排放量与人均水资源生态足迹的负显著相关的关系可以看出，该省在水资源回用方面的开发潜力还是很大的。

（3） 人均水资源生态足迹与农业用水量在0.01

水平上呈现为正显著相关，说明该省的水资源主要用在了农业方面，并且结合上述研究结果可以看出，较高的农业用水量主要用在农田灌溉方面，由此也反映出山东省的农田灌溉方式与该省的水资源紧缺的现实之间存在着矛盾。

（4） 林牧渔畜用水量与人均水资源生态足迹呈正相关关系，年平均气温和生活用水量与其呈负相关关系。

5.2山东省人均水资源承载力相关性分析

为了更好地分析水资源的利用情况，本研究从城市发展的角度出发，选取了城市人口密度（w1，人· km-2）、人均日生活用水量（w2，L）、人均公园绿地面积（w3，m 2）、建成区绿化覆盖率（w4，%）、接待入境旅客（w5，万人次）、进出口总值（w6，万美元）、GDP（w7，亿元）、年降水量（w8，mm）、年平均气温（w9，℃）、废水排放量（w10，万t）、污水处理量（w11，万t）等11个指标，借助于SPSS软件，对人均水资源承载力（W，hm 2/人）进行了相关性分析，分析结果如表5所示。

由表5可知：

（1） 从城市设施水平来看，城市人口密度、人均公园绿地面积和建成区绿化覆盖率对人均水资源生态承载力没有显著相关关系，但三者与其均表现出负相关关系;而人均日生活用水量与人均水资源生态承载力具有0.01水平上的显著负相关关系。

（2） 从城市经济发展方面可以看出，接待入境旅客、进出口总值和GDP与水资源生态承载力均呈现负相关，但都不显著。

从中可以看出，山东省的经济发展不是以过分消耗水资源为代价的。

（3） 从气候条件来看，年降水量与水资源生态承载力在0.01水平上为显著相关，而年平均气温与水资源生态承载力则无显著相关性，但是可看出，二者之间存在着一定程度的负相关关系。

（4） 从雨污回用方面可以看出，废水排放量和污水处理量与人均水资源生态承载力都没有呈现出显著的相关性。

6结论与讨论

（1） 从水资源生态足迹、生态赤字和负载指数等指标方面，可以看出山东省水资源开发难度大，单靠该省的水资源难以维持当前社会经济的发展。因此分析认为，开源节流，改变农业灌溉方式，调节生产结构，合理利用南水北调等引入水，以及提高水资源利用效率，是解决该省缺水现状的必要途径。

（2） 根据相关性分析结果可以看出，当前山东省的经济发展不是以消耗水资源为代价，且重视环境保护和生态建设，而生态环境和城市设施水平与水资源生态足迹和水资源承载力密切相关。因此，山东省可在此处着手，进一步开展环境保护和生态建设工作，提高城市设施水平;利用污水处理厂和生态湿地等设施，提高雨污的利用效率，将处理过的中水用作绿地等的维护中，切实做到优水优用，中水中用，并使得雨污资源化，从而在一定程度上减轻供水压力，提高水资源的承载力。

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引用本文：黄佳，徐晨光，满洲.基于生态足迹的山东省水资源承载力研究[J].人民长江，2019，50（2）：115-121.

Research on water resources carrying capacity of Shandong Province based on ecological footprint

HUANG Jia，XU Chenguang，MAN Zhou

（School of Resources and Environment，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract： In order to study the current status of water resources ecological carrying capacity in Shandong Province and relieve the pressure of water use in Shandong Province， a secondary account of water resources based on ecological footprint is built. Relevant indicators of urban construction and social economy are selected from the perspective of urban development. SPSS is used to analyze the correlation between water footprint and ecological carrying capacity of Shandong Province. The results show that the ecological footprint and ecological carrying capacity of water resources in Shandong Province both show a downward trend. Water resources are in an ecological deficit state. The ecological footprint of water resources in Shandong Province is most affected by agricultural water use， and the ecological carrying capacity of water resources is most affected by precipitation， and the urban facilities has a positive effect on improving the ecological carrying capacity of water resources. Therefore， in order to improve the ecological carrying capacity of water resources in Shandong， it is necessary to change the mode of agricultural irrigation， transform the production and life style， and make full use of rainwater resources to make the rain and sewage become resources.

Key words：ecological footprint; ecological capacity;water resources;city development;correlation analysis;Shangdong Province