基于生态足迹法的徒骇河-马颊河流域水资源承载力动态分析与预测

李 谨，董亚军，傅 新，焦 贞，刘鲁霞

(1. 济南大学 水利与环境学院，山东 济南 250022；2. 聊城市水利局，山东 聊城 252000)

水作为资源环境的重要组成部分，与社会经济发展和人民生活质量密切相关。随着人口增长和社会经济发展，人类对水资源的需求不断增加，区域水资源供需不平衡导致的水资源短缺问题已经成为水资源管理和资源可持续性研究关注的焦点[1-2]。水资源承载力包含在各种自然资源承载力之内，是自然资源承载力的重要组成部分，同时水资源承载力在区域的可持续发展过程中，对确定区域综合发展规模至关重要[3]。目前水资源承载力研究多数集中于省、市或行政区域研究[4-6]，涉及完整流域的水资源承载力研究相对较少。在研究方法层面上，已有研究主要采用模糊综合评判法[7-9]、人工神经网络[10]、集对分析分理论[11]等；但由于水资源可持续利用系统的不确定性，水资源指标评价方法和标准尚未统一[12]，因此精细化定量建模估算和动态分析仍有待深入探讨。

近年来，生态足迹法逐渐得到国内外研究学者的关注，如资源承载力评估[13-14]、生态环境质量变化的复杂性分析[15]等。该方法将不同资源转化为标准生产用地面积来评估可持续性。当前，国内开始应用生态足迹法开展流域水资源承载力的研究，主要涉及黑河流域[16-17]、伊犁河流域[18]、疏勒河流域[19]、石羊河流域[20]、长江流域[21]等。水资源生态足迹研究通常只聚焦于研究区内不同部门的水资源消耗和再生，而不考虑区外来水，因此，除非是全球尺度或封闭系统(如整个流域水资源)，否则应用生态足迹评估单尺度的水资源生态足迹尚不够精确[16]。此外，由于水资源生态足迹是水资源过去和现在状态的静态评估，因此无法直接应用于水资源管理与规划。

徒骇河-马颊河流域是海河流域的三大水系之一，是山东省重要的农业区，水资源短缺，水环境污染严重，加之开发建设，流域湿地萎缩，生物物种锐减，流域生态环境遭到严重破坏，如何在保证经济社会稳定发展的同时，不损害生态环境的利益，是该流域亟待解决的难题。

本文中在流域尺度和城市尺度上分析徒骇河-马颊河流域水资源生态足迹及承载力，目的在于整体把握该流域生态足迹和水资源承载力动态变化，综合考虑资源、社会、生态等多个相关数据因素[22]，构建水资源承载力模型；引入灰色拓扑模型对该流域水资源承载力进行预测，以期服务于流域水资源管理和可持续利用。

1 研究区概况

徒骇河-马颊河流域位于海河流域南部，南依黄河，东临渤海，西倚太行，地理位置为东经115°00′—119°00′、北纬35°30′—38°00′，如图1所示。流域面积26 141 km2。徒骇河、马颊河分别流经山东省聊城、德州、济南、滨州四市的26 个县(市、区)，包括德州、聊城、滨州市的绝大部分，济南市的小部分行政区域。流经行政区域人口密度大，均大于全国平均水平，特别是聊城市，其人口密度是全国平均人口密度的4倍多，区域供用水矛盾问题突出。两河分别在山东省无棣县沙头堡村东注入渤海，是山东省海河流域主要的排水河道之一。该流域受黄河泛滥冲积影响，地形地貌复杂，形成岗、坡、洼分散分布，微地貌变化很大。年平均降水量为564 mm，主要集中在汛期(6—9 月)，年平均气温为12.7 ℃，年平均水面蒸发量为1 200 mm，5—6 月占全年蒸发量的1/3，年际变化不大，年内分配不均。该区位于温带季风气候区，空气湿润，土壤肥沃，属黄河冲积平原，是山东省重要的粮棉产区和能源基地，具有重要的经济和战略地位。

图1 徒骇河-马颊河流域地理位置 徒骇河-马颊河流域地理位置地图由标准地图服务系统网站下载，地图审批号为GS(2019)3333(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0210%22)，通过软件Arcgis 10.7经数据化处理后得到。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文中以徒骇河-马颊河流域所涉及26个县(市、区)的统计数据为主，通过分析水资源生态足迹及承载力的时空特征，进一步预测流域水资源承载力趋势。流域所在县域的居民生活用水、农业用水、工业用水、城镇公共用水和生态环境用水的数量，水资源总量，部分社会经济数据等主要数据来源于2003—2019年的《中国县域统计年鉴》《山东省统计年鉴》、山东省水资源公报、部分县统计资料以及流域各水文站多年的水文监测数据。

2.2 研究方法

2.2.1 生态足迹法

生态足迹法由加拿大经济学家William于20世纪90年代首次提出，从生物物理量的角度出发，将各种资源和能源消耗折算为土地面积，以判断生态系统是否处于可载状态，其本质是对研究区土地资源生产能力进行估测[23]。水资源生态足迹法中，水资源的可持续利用程度主要通过水资源的生态盈余和生态赤字情况来衡量，计算得到的水资源承载力兼具自然属性、社会属性以及空间属性。生态足迹理论说明，水资源生态足迹是在特定人口和经济状况下，将社会发展、人类生存等必备的水资源量折算为所必须的生态生产性面积[24]、水资源的生物生产能力来衡量水资源承载力，反映区域水资源对生态、经济和社会系统良性发展的支撑能力[25]，因此需要构建水资源二级账户来分析流域水资源承载力。

根据徒骇河-马颊河流域用水特点及水资源生态足迹的意义来分类，将水资源用水账户分为5 个二级账户，分别为生活用水足迹、农业用水足迹、工业用水足迹、城镇公共用水足迹以及生态环境用水足迹，具体计算公式为

V=0.4γφW/p，

(1)

F=γW/p，

(2)

式中：V为水资源承载力；γ为均衡因子，为便于分析比较，本文中的水资源均衡因子计算值由世界自然基金会2002年研究报告确定，为5.19；φ为估算区域的水资源产量因子，由区域单位面积产水量与世界平均水资源生产能力的比值来表示；W为估算区域内的水资源总量，其计算方法为该区域内地表水资源量加上地下水资源量再减去其重复计算量；p为世界水资源平均生产能力；F为生态足迹。若一个国家或地区的水资源开发利用率超过30%～40%，可能引起生态环境恶化，考虑到维持生态环境平衡的要求，必须扣除其国家或地区的水资源承载力中的60%[26-27]。

2.2.2 水资源压力指数

水资源压力指数为区域水资源用水足迹与水资源承载力的比值，其数值表征了区域水生态压力的大小[28]，可反映水资源的可持续利用水平，其计算公式为

Yj=Fj/Vj，

(3)

式中：Yj为第j年的水资源压力指数；Fj为第j年的区域水资源用水足迹；Vj为第j年的水资源承载力。当Yj>1时，水资源消费量大于供给量，水资源利用处于不安全状态；当0

2.2.3 水资源集约利用度

集约利用度是一个国家或地区万元国内生产总值(GDP)与水资源生态足迹的比值，是一个考虑经济发展情况对水资源利用效率的重要指标[30]，用来描述一个国家或地区的用水消耗情况，数值越大，说明该国家或地区用水效率越高，反之越小，其计算公式为

Jt=Gt/Ft，

(4)

式中：Jt为第t年的集约利用度；Gt为第t年的国家或地区万元GDP；Ft为第t年的水资源生态足迹。

2.2.4 灰色拓扑模型

灰色模型GM(1,1)作为一种风险评估与预测的理论[31]，可以反映数据发展的趋势，且对样本量的要求低，建模所需信息少[32]，是近年来发展成熟的小样本预测的有效方法。其中的拓扑预测是根据现有图形和数据按照系统特征值，对原始数据的波形继续进行分层次预测，适用于差异较大、变化频繁的数据，是GM(1,1)模型群的预测。本文中使用的GM(1,1)模型基本形式为

(5)

根据后验差的比值C和小误差概率P可以判断GM(1, 1)模型的精度检验等级，精度检验等级表见表1。

表1 GM(1,1)模型精度检验等级

3 结果与分析

基于水资源生态足迹估算模型和现有统计数据，定量计算流域范围内各县域5 个账户的水资源生态足迹，进而在城市尺度和流域尺度上分别分析生态足迹和承载力的时空动态特征，判断徒骇河-马颊河流域水资源是否满足区域发展需求及可持续发展水平。

3.1 城市尺度分析

3.1.1 城市水资源生态足迹和水资源承载力动态分析

徒骇河-马颊河流域城市尺度各账户生态足迹如图2所示。从整体来看： 农业用水是各城市中水资源消耗量最大的，比其他用水量大约一个数量级，平均值占总足迹的85%；工业用水和居民生活用水次之；城镇公共用水和生态环境用水对水资源的需求相对较低。

(a)济南市(b)德州市(c)聊城市(d)滨州市图2 徒骇河-马颊河流域城市尺度各二级账户水资源生态足迹

从不同城市来看，2003—2019年间4个城市居民生活用水量与工业用水量两者总体相差不大，生活用水量较为稳定，而工业用水量及生态环境用水量变化明显。其中，聊城市工业用水量和居民生活用水量平均值最大，约为3.30×103、2.36×103km2。由图2可以看出，4个城市在2016—2019年间生态环境用水量出现了不同程度的激增，说明城市生态环境保护得到重视。

徒骇河-马颊河流域各城市水资源总生态足迹和水资源承载力如图3所示。由各城市总生态足迹值可知，德州市是该流域水资源消耗最多的城市，生态足迹平均值为3.55×104km2。各城市水资源供给情况显示，德州市的水资源承载力均高于该流域其他3 个城市，承载力均值约为4.25×103km2，聊城市水资源承载力次之，济南和滨州2个城市的承载力均较低且变化趋势较为平稳。

图3 徒骇河-马颊河流域各城市水资源生态足迹和水资源承载力

3.1.2 城市水资源压力指数状况分析

图4所示为2003—2019年徒骇河-马颊河流域水资源压力指数。由图可知，该流域水资源压力指数均大于1，区间范围为3～35，表明水资源消耗量均大于可供给量，流域水资源量利用过度，且远低于可持续利用水平。4个城市水资源压力指数的多年变化趋势相近，总体呈现两边高中间低的状态，但是聊城市2006年水资源压力指数激增，达到34.91。根据山东省水资源公报统计，2006年全省属于偏枯水年，水资源总量显著减少，导致4个城市的水资源压力指数值较大，尤其是聊城市，水资源生态足迹约为该市水资源承载力的35倍。总体来看，徒骇河-马颊河流域城市水资源利用均处于严重不可持续状态，其中聊城市不可持续水平程度最高，水资源压力指数平均接近12。

图4 徒骇河-马颊河流域各城市水资源压力指数

3.1.3 城市水资源集约利用度状况分析

图5所示为2003—2019年徒骇河-马颊河流域各城市水资源集约利用度。由图可以看出，2003—2019年间，各城市水资源集约利用度明显提高，说明用水效率逐年升高，其中济南、聊城两市用水效率提高显著，集约利用度均提高至2003年的7倍以上。

图5 徒骇河-马颊河流域各城市水资源集约利用度

3.2 流域尺度分析

流域支流间水资源具有一定的流动性，在生态足迹模型和城市尺度的水资源可持续水平的基础上，本文中进一步分析了徒骇河-马颊河流域在流域尺度上的水资源利用状况。

3.2.1 水资源生态足迹和承载力动态分析

图6所示为徒骇河-马颊河流域流域水资源生态足迹及承载力。由图可知，该流域总水资源生态足迹的起伏变化并不显著，多年平均值为9.72×104km2，2006年流域总水资源生态足迹数值最大，为11.28×104km2，2006—2011年间流域总水资源生态足迹值逐年递减，于2011年达最小值8.83×104km2，随后呈现递增趋势，于2019年达到10.03×104km2。与各账户生态足迹相关性分析可知，总水资源生态足迹与农业用水足迹呈显著正相关，该流域水资源承载力平均值为1.10×104km2，2014年出现最小值，为5.41×103km2。徒骇河-马颊河流域是一个传统的农业产区，农田灌溉历史悠久，是山东省重要的粮棉生产基地，灌溉用水需求较大，因此农业用水是流域水资源的主要用水消耗单元。

3.2.2 水资源集约利用度状况分析

徒骇河-马颊河流域水资源集约利用度情况如图7(a)所示。从图中可以看到，2003—2019年流域水资源集约利用度呈明显的逐年递增趋势，且2010—2011年增长最快，为270.97万元/km2，于2019年达到1.87×103万元/km2。水资源集约利用度的不断增加说明该流域水资源利用效率不断向好发展，用水问题得到一定改善。

图6 徒骇河-马颊河流域水资源生态足迹及承载力

3.2.3 流域水资源压力指数状况分析

图7(b)所示为2003—2019年徒骇河-马颊河流域的流域尺度水资源压力指数状况。由图可见，流域水资源压力指数均大于4，其中2006、2008、2014年的指数值均大于15。从整体来看，该流域水资源压力指数以2011年为节点，2003—2011年呈下降趋势，2011—2019年呈上升趋势，表明该流域水资源开发利用条件困难，整个流域水资源利用呈现显著的不可持续模式。

由Pearson相关性计算可知，徒骇河-马颊河流域水资源承载力、水资源压力指数与年均气温间的相关系数值分别为-0.663、0.677，分别呈现负相关、正相关关系；水资源承载力、水资源压力指数与年降雨量间的相关系数值分别为0.811、-0.914，分别呈现显著正相关、显著负相关关系，说明该流域水资源问题的根源在于供需不平衡。尽管徒骇河-马颊河流域水资源利用情况呈现改善趋势，但流域水资源开发利用效率仍需进一步提高，在水资源供给一定的前提下调整产业结构，提高水资源利用效率，必要时需采取区域外调水来缓解水资源紧张的状况。

(a)水资源集约利用(b)水资源压力指数图7 徒骇河-马颊河流域水资源相关指数

3.3 水资源承载力预测结果与分析

根据2003—2019年徒骇河-马颊河流域水资源承载力数据分布特征，遵循科学性、全面性和系统性的原则，选取不等间隔的数值(6 500、8 000、10 000、12 500、14 000、16 300、18 000、19 500)为阈值，求得相应的预测模型和精度见表2。由表可知，模型精度均为合格以上，可以用来进行水资源承载力预测。

选用精度较高的6个模型，预测得到徒骇河-马颊河流域水资源承载力发展趋势如图8所示，基于2003—2019年已知的流域水资源承载力，得到了2003—2030年的流域水资源承载力预测区间。通过实测值与预测值的对比可以看出，该流域水资源承载力预测值与已有实测值的变化较为吻合。2010年的水资源承载力远高于其他时间点的，原因主要是这一年流域降水量大。2010年以来，水资源承载力整体呈下降趋势，表明水资源制约着区域社会经济发展。

表2 徒骇河-马颊河流域水资源承载力预测模型与精度

图8 徒骇河-马颊河流域水资源承载力预测结果

由图8中水资源承载力预测下限可以看出，2020—2030年间，该流域水资源承载力发展较为平稳，而水资源承载力预测上限呈连续起伏型稳中向好趋势，2030年水资源承载力约为7.86×103～2.10×104km2，说明近几年来在各地政府强调水资源合理利用，推广农业节水灌溉，加强水环境治理的政策驱动和引导下，水资源条件呈现稳中向好的发展态势，但是加强水资源管理，合理有效地利用有限的水资源依然是该流域保持水资源可持续利用的当务之急。

4 结论

本文中基于生态足法，引入多尺度分析框架，从城市尺度和流域尺度分别进行水资源生态足迹和水资源承载力等方面的分析，并预测徒骇河-马颊河流域水资源承载能力，分析流域水资源可持续发展态势，得到如下结论：

1)城市尺度水资源生态足迹分析显示，农业用水是该流域最主要的水资源消耗，其他用水与农业用水相差至少1个数量级，但工业用水量和生态环境用水量出现突增，说明随着城市化进程加速、经济快速发展和人民环保意识的唤醒，这2个部门的用水需求量加大。从整体来看，聊城、德州、济南、滨州4个城市水资源压力指数在2003—2019年均大于3，水资源利用仍处于不安全状态，生态压力问题依然突出，但是在近几年政府政策的驱动和引导下，水资源利用效率均有所提高，其中济南、聊城两市提高幅度最大。

2)在流域尺度上，徒骇河-马颊河流域总水资源生态足迹起伏变化较小，时间序列上自2006年以来呈现缓慢降低趋势，于2011年达最小值，随后变化趋势较为平稳，但是数值远大于水资源承载力。综合来看，2003—2019年间流域水资源集约利用度呈明显上升趋势，水资源利用效率不断提高，水资源压力指数均大于4，整个流域水资源利用多年来处于不可持续状态。

3)利用GM(1, 1)模型预测的徒骇河-马颊河流域水资源承载力表明，2020—2030年该流域水资源承载力总体呈现稳中向好趋势，节约高效的用水措施取得了一定成效，但是面对水资源供需不平衡、水资源的过度开发等严峻现实，各城市需要继续加大力度，通过推广农田节水灌溉、加快调整产业结构布局、转变合理用水方式等措施，努力使流域的水资源开发利用走向可持续发展。

受限于数据统计方式，本文中仅从地级城市和流域尺度分析徒骇河-马颊河流域水资源承载力及水资源可持续发展状况，难以精细地表达空间差异，今后有必要整合多源数据从精细化空间尺度上进一步深入分析流域水资源利用。此外，本文中构建的生态足迹模型中涉及的均衡因子，有待结合流域实际特征进行相应的修正和细化，提高模型估算精度。