广州市水资源生态足迹与生态承载力的时空分析

赵子惜

(广东省水文局广州水文分局，广东 广州 510150)

水是人类赖以生存和发展不可缺少的重要物质资源。水资源作为一项基础性的自然资源，对人们的生产生活具有重要的影响[1]。但中国高速发展的经济导致水资源需求量和消耗量逐渐增加，水资源短缺和污染问题日益突出[2]。因此合理开发、利用水资源才能保证人类社会、经济和生存环境可持续发展。而水资源生态足迹和水资源生态承载力是评价水资源可持续利用的关键，也是评价社会经济环境可持续发展的有效指标之一[3]。

1992年，生态经济学家William E.Rees提出生态足迹的概念，之后他与Wackemagel M不断完善，提出生态足迹计算模型[4]。该方法可用来衡量区域的可持续发展[5-7]。但Wackemagel的模型中对水域账户的计算过程中仅包含了水域的生物生产[8-9]。作为补充，黄林楠等[10]将水资源用地作为第七类土地类型，纳入生态足迹计算，并建立水资源生态足迹的计算模型。通过此模型，研究者便可得出区域内的水资源生态赤字(盈余)、水资源生态压力指数、万元GDP数字元生态足迹等指标，从而评价其水资源可持续利用能力。

基于水资源生态足迹模型的研究，许多学者亦可从不同空间区划分析研究区域内的水资源可持续利用状况。路瑞[11]、王秀颖[12]、贾焰[13]、张军等[14]从流域出发，分析了黄河、浑河、石羊河、疏勒河流域的水资源承载力和水资源生态足迹。金昌盛[15]、崔东亮等[16]从城市群出发，分别评价了长江经济带、粤港澳大湾区水资源利用效率。从全国层面来看，谭秀娟等[17]通过构建计算模型分析中国1949—2007年水资源的可持续利用状况，表明中国人均水资源生态承载力呈下降趋势，水资源处于一种不安全状态。从行政区划的角度，常龙芳等[18]分析了近十年云南省水资源生态足迹和生态承载力，结果表明：水资源生态足迹变化不明显，水资源生态承载力差异较大，昆明、大理、曲靖、红河州水资源生态足迹较大，迪庆州、丽江、怒江较小。以上的国内研究，都从侧面证明了水资源生态足迹方法对区域内水资源可持续利用时间变化和空间分布研究的普遍适用性。

近年来，针对广州市水资源可持续利用的研究都是围绕模糊综合评判法[19]、系统动力学[20]、改进基尼系数法等[21]较多，而基于生态足迹法的研究较少，广州市水资源生态足迹的空间分布鲜有研究。广州市虽地处南方丰水区，过境客水丰富，但存在水资源时空分布不均、水资源污染严重、水质型缺水等问题，对其水资源可持续利用的研究至关重要。本文基于水资源生态足迹模型分析了2005—2019年期间，广州市生态足迹和生态承载力的时间变化以及空间差异，评价广州市的可持续发展现状，为广州市水资源的合理利用提供建议。

1 研究区概况

广州地处广东省中南部，珠江三角洲北缘，濒临南中国海。东连博罗、龙门两县，西邻三水、南海和顺德，北靠清远，南接东莞和中山(图1)。境内河流水系发达，全市水域面积744 km2，占全市土地面积的10.05%。集雨面积在100 km2以上的河流共22条，主要河流有北江、东江北干流及增江、流溪河、白坭河、珠江广州河段等。全市大部分地表径流通过虎门、蕉门、洪奇沥3个出海口入伶仃出南海。

图1 广州市地理位置

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文所采用的用水量、年降雨量、水资源总量等数据来源于广州市2005—2019年水资源公报，所用人口数据、GDP等数据来源于相应年份的统计年鉴。相关数据见表1。

表1 广州市2005—2019年水资源开发利用情况

2.2 研究方法

2.2.1水资源生态承载力

水资源承载能力是指某一地区水资源所能支持的生产、生活和生态持续发展的能力。水资源生态承载力模型可表示为[22-24]：

ECw=N×eCw=0.4×φ×γw×(Q/ρw)

(1)

式中 ECw——区域水资源承载力，hm2；eCw——人均水资源承载，hm2/人；N——区域人口数；Q——水资源总量；φ——区域水资源的产量因子；ρw——水资源全球平均生产能力，m3/hm2；γw——均衡因子。参考黄林楠、徐珊等[10，30]研究，φ取3.24，ρw取3.14×103m3/hm2，γw取5.19。

2.2.2水资源生态足迹计算

水资源生态足迹可以定义为：任何已知人口(某个人、一个城市、一个区域或全球)的水资源足迹是生产这些人口所消耗的所有资源所需要的水资源量[25-27]。

EFw=N×efw=γw×(W/ρw)

(2)

式中 EFw——水资源生态足迹，hm2；efw——人均生态足迹，hm2/人；W——总用水量，m3。

2.2.3水资源可持续利用评价指标

a)水资源生态赤字(盈余)。水资源生态赤字(盈余)用来衡量水资源的可持续利用程度[28]，表示为：

Ew=ECw-EFw

(3)

Ew>0，为水资源生态盈余；当Ew<0时，为水资源生态赤字。

b)水资源生态压力指数。计算公式如下，Pw=1时，表明水资源处于供需平衡状态，Pw值越小，水资源安全受到的威胁越小。

Pw=EFw/ECw

(4)

c)万元GDP水资源生态足迹。万元GDP水资源生态足迹可以反映区域内水资源的利用效率，计算公式为区域内水资源生态足迹与GDP的比值[29]。

Gw=EFw/GDP

(5)

3 广州市水资源生态足迹

3.1 广州市人均水资源生态足迹变化情况

表2为广州市2005—2019年水资源生态足迹相关指标，可知2005—2019年广州市人均水资源生态足迹呈下降趋势，年均增长率为-5.4%。人均生活用水生态足迹、农业用水生态足迹、工业用水生态足迹均呈下降趋势，其中人均工业用水生态足迹下降速率最大，2005—2019年人均工业用水足迹从0.921 2 hm2/人变化到0.354 hm2/人，年均增长率为-6.6%(图2)。对比广东省的人均水资源生态足迹计算结果，广州市历年人均水资源生态足迹均高于广东省的平均水平，但差额逐年降低，说明广州市人均水资源生态足迹逐渐达到广东省平均水平[30]。

2014年广州市调整行政区划，含天河、海珠、白云、越秀、荔湾、黄埔、花都、从化、番禺、增城、南沙11个区，故水资源生态足迹分布图仅为2015—2019年。人均水资源生态足迹较小的区域为白云、天河、海珠区，较大的区域分布在黄埔和南沙区，人均水资源生态足迹均大于2 hm2/人(图3)。根据2019年各区用水量，可知黄埔区和南沙区工业用水量都相对较高，分别为16.28亿、7.98亿m3。黄埔区和南沙区作为广州开发区，第二产业为主导产业，经济发展快速，2019年黄埔区生产总值排名全市第二，主要以电子信息、汽车制造、化工、电力生产、食品饮料、金属冶炼及电器机械产业为主。南沙区经济增速高，2019年GDP增速第一，发展潜力十足，主要以汽车制造业、电气机械和器材制造业、化学原料和化学制品制造业为主[31]。根据水资源生态足迹的定义，人均水资源生态足迹和社会发展对水资源的需求量呈正比，黄埔、南沙作为是广州市发展的主阵地，经济发展较高，对水资源的需求量也较高。越秀、天河、海珠、白云、荔湾区第三产业占比超过70%，主导产业有金融业、交通运输、旅游业等服务业。这些产业对水资源的需求较少，人均水资源生态足迹也较小。

表2 广州市2005—2019年水资源生态足迹相关指标

图2 广州市人均水资源生态足迹生产账户的变化趋势

a)2015年

b)2016年

c)2017年

d)2018年

e)2019年

3.2 人均水资源生态承载力动态变化

由图4可知，广州市水资源生态承载力在2005—2019年的起伏较大，由公式可知，水资源总量的大小决定了水资源生态承载力的大小。而水资源量的变化与降水量变化呈正相关[32]。2016年水资源总量和降雨量最大，水资源生态承载力也最大，为2 256.72万hm2。2011年广州市年降雨量、水资源总量、水资源生态承载力、人均水资源生态承载力均为最小，人均水资源生态承载力为0.953 2 hm2/人，与徐珊等[30]的研究成果一致。

图4 2005—2019年广州市水资源生态承载力

广州市中心区(荔湾区、越秀区、海珠区、天河区、白云区)河网水系复杂，故中心区不按照行政分区计算，图5为2015—2019年广州各区行政区人均水资源承载力。可知，2015—2019年各区的人均水资源承载力为：从化区>增城区>花都区>南沙区>黄埔区>番禺区>中心区。从化、增城水资源相对丰富，人口密度低，对水资源开发利用程度较低，故人均水资源生态承载力高于其他区。中心区经济发展较快，人口密度大，人均水资源承载力小于其他区。

a)2015年

b)2016年

c)2017年

d)2018年

e)2019年

3.3 水资源可持续利用评价指标分析

a)水资源生态盈余分析。根据统计数据计算得出，2005—2019年广州市水资源均处于生态盈余状态，2016年为最大盈余，为0.847 5 hm2/人，同年水资源总量和年降雨量分别为105.35亿m2、2 448.6 mm，均为最大。2011年水资源生态盈余为0.006 7 hm2/人，水资源总量为56.74亿m2，年降雨量为1 423 mm，均为最小。由图6—7可知，水资源生态盈余与水资源总量和年降雨量有明显相关关系。而水资源生态承载力和水资源总量、降雨量呈正相关，故水资源生态盈余和水资源生态承载力变化幅度一致[33]。

图6 水资源盈余和水资源总量的关系

图7 水资源盈余和年降雨量的关系

b)水资源压力指数分析。2005—2019年水资源生态压力指数均在0～1，表明广州市水资源处于可持续利用状态。2007、2009、2011年水资源压力指数接近1，2011年水资源压力指数最大，达到0.993(图8)。

图8 广州市水资源生态压力指数变化

c)万元GDP水资源生态足迹分析。由图9可知，2005—2019年，广州市万元GDP水资源生态足迹逐年下降，由0.266 4 hm2/人下降到0.043 5 hm2/人，共下降了0.222 9 hm2/人。15年间，广州市GDP呈增长趋势，经济发展快、人口密集、用水需求量大，但万元GDP水资源生态足迹呈逐年下降，这说明一方面广州市工业生产设备较完善、技术到位，水资源利用效率逐年提升，另一方面企业、居民的节水意识也逐渐提高[34]。

图9 广州市年万元GDP水资源生态足迹变化

4 结论和建议

水资源可持续发展对广州市社会经济发展有重要影响，本文基于水资源生态足迹相关评价方法，分析了2005—2019年广州市水资源生态足迹的水资源承载力的时间变化和空间分布情况，结论如下。

a)2005—2019年，广州市人均水资源生态足迹逐年减小，人均水资源承载力同水资源总量变化一致，波动较大，水资源生态承载力大于水资源生态足迹，水资源呈盈余状态，水资源处于可持续利用状态，万元GDP水资源生态足迹逐年降低，共下降了0.222 9 hm2/人。广州市水资源账户总体处于安全状态，水资源利用效率不断提高。

b)广州市水资源生态足迹和水资源承载力各行政区分布不均衡，黄埔区、南沙区经济发展快速，工业用水量大，社会发展对水资源的需求量大，人均水资源生态足迹较大。白云、天河、海珠区水资源生态足迹较小。2005—2019年各区的人均水资源承载力为：从化区>增城区>花都区>南沙区>黄埔区>番禺区>中心区。

c)广州作为珠三角地区的中心城市，水资源生态承载力和水资源生态足迹之间的关系日益紧张[30]。广州各行政区应根据政府规划，结合水资源实际分布与利用状况，发挥各自的优势，进行产业升级。作为广州开发区的黄埔和南沙，可以引进产业结构中较高等级的高新产业，以高新技术为重点，提高用水效率；花都区作为广州第二产业比重高于第三产业的区之一，从花都区的经济主导产业情况看[31]，皮革、皮毛、羽毛(绒)及其制品业、纺织服饰业等高耗水的产业较多，应加大产业调整力度，逐渐较少、淘汰高耗水及衰退较快的工业，提高新技术的应用，使企业的用水效率不断提高；中心城区应继续发展低耗水的第三产业，提高现代服务业对经济的贡献率。只有充分考虑广州市水资源的时空分布情况，进行产业升级，提高用水效率，加强水资源管理、开展非常规水利用、提高居民节水意识、治理污水、调整产业结构等工程和非工程措施，实现区域水资源可持续利用。