CN108564296A - 一种基于生态足迹模型的流域水资源承载力评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于生态足迹模型的流域水资源承载力评价方法,水资源为研究对象，运用生态足迹法对涉及到的水资源生态足迹，包括生活用水足迹、城镇公共用水足迹与工业用水足迹，农业用水足迹进行研究，并对水资源承载力及生态赤字进行计算分析。该方法适当减少耕地面积、提高水资源利用效率对水资源的可持续发展有着重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种可持续性综合评价方法，具体地说，涉及一种基于生态足迹模型的流域水资源承载力评价方法。
背景技术
水资源作为一种重要的自然资源，对地区经济发展和人民生产生活密切相关。随着社会生产的快速发展及生活条件的改善，工农业用水猛增与人口膨胀导致水资源紧张、水环境恶化及生态失衡，已经严重威胁到人类自身的生存与发展；水资源短缺与水污染日趋严峻，将会严重制约区域的发展。要从根本上解决水资源供需与人类需求之间的矛盾，就必须对当地的水资源承载力进行研究。
流域水资源承载力是承载力、水环境以及水生态的有机结合，综合体现了水体的社会属性、资源属性和环境价值。关于水资源承载力的研究主要集中在国内，国外多将其纳入可持续发展理论。施雅风等人采用常规趋势法研究新疆乌鲁木齐河流域水资源承载力时，率先提出了水资源承载力的概念，随后相关学者围绕水资源承载力的概念、内涵、评价方法，开展了大量研究。水资源承载力的涵义不断被丰富和完善，模糊综合评价、系统工程原理、多目标分析等多种方法相继提出并广泛应用于区域水资源承载力研究中。
水资源承载力与可持续发展相辅相成，在进行水资源承载能力研究时，要把水资源承载能力置于可持续发展战略构架下进行考虑。与其他可持续发展评价方法相比，生态足迹法具有紧扣可持续发展理论，计算过程相对简单，可操作性强等特点，而水资源作为衡量区域可持续发展的必要组成部分，应用生态足迹法对水资源进行评价不失为一种有益的尝试。通过构建水资源账户，将水资源账户纳入生态足迹总的构成中，不仅可进行水资源可持续发展评价，同时还可结合计算区域总的生态足迹，实现对区域可持续发展状况的评价。通过建立水资源账户，学者们对某些行政区域某一年或某些年的水资源生态足迹和水资源承载力进行了评价，结果显示多数区域处于水资源生态赤字状态。显然，从行政区划的角度对区域水资源承载力进行评价，忽略了流域本身作为水资源承载主体的自然完整性。但是应用生态足迹原理开展流域水资源承载力的研究，目前并不多见，仅涉及黑河、疏勒河、石羊河、浑河等典型流域。
山东省徒骇河流域作为水资源短缺严重、用水量大、开发利用程度高、产业结构调整快速的典型流域，在山东省全面实施最严格水资源管理制度，进行水资源的优化配置和连通联调的情况下，其水资源承载力将会发生怎样的变化，可持续发展条件下其能够支撑的人口和社会经济规模将会有多大，都是亟需回答的问题。因此，在新形势下非常有必要对徒骇河流域的水资源状况、社会经济状况及水资源承载力进行全面系统的评价与分析。本文通过对徒骇河流域水资源状况及社会经济发展资料的分析，应用生态足迹法建立水资源账户，建立徒骇河流域水资源生态足迹和水资源承载力计算模型，在分别计算徒骇河流域水资源承载力和生态足迹的基础上，对流域水资源承载力的盈亏动态变化进行科学评价，以期为区域水资源可持续发展和利用决策提供科学依据。
发明内容
本发明公开了一种基于生态足迹模型的流域水资源承载力评价方法,水资源为研究对象，运用生态足迹法对涉及到的水资源生态足迹，包括生活用水足迹、城镇公共用水足迹与工业用水足迹，农业用水足迹进行研究，并对水资源承载力及生态赤字进行计算分析。该方法适当减少耕地面积、提高水资源利用效率对水资源的可持续发展有着重要意义。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于生态足迹模型的流域水资源承载力评价方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1：水资源承载力的计算方法
根据用水特性分类，将水资源账户划分成生活用水足迹、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5个二级账户。其中，生活用水包括城镇生活用水和农村生活用水，农业用水主要包括农田灌溉和林牧渔畜用水，城镇公共用水主要包括商饮业用水和服务业用水，生态环境用水是绿地用水以及水体纳污能力之外的稀释污染物用水，不包括降水、径流自然满足的水量，主要包括城镇生态环境用水和农村生态环境用水。水资源承载力的计算模型为：
步骤2：水资源生态足迹计算
水资源生态足迹与其他各个账户一样，将研究区域所消耗的水资源量转化成为相对应账户的生产面积，即为水资源用地面积。各账户的生态足迹计算公式如下：
EF1=γW1/Pω
EFa=γWa/Pω
EFi=γWi/Pω
EFc=γWc/Pω
EFe=γWe/Pω
式中，EF1为生活用水足迹（km2），W1为生活用水量，EFa为农业用水足迹，Wa农业用水量，EFi为工业用水足迹，Wi为工业用水量，EFc为城镇公共用水足迹，Wc为城镇公共用水量，EFe为生态环境用水足迹，We为生态环境用水量，γ为水资源全球均衡因子，Pω为世界水资源平均生产能力。
步骤3：水资源负载指数计算
水资源负载指数用流域水资源所能承载的人口与经济规模表达，反映流域水资源利用水平下人口与经济发展的关系。它直观描述流域水资源的开发利用前景，为今后水资源开发提供依据。水资源负载指数分为5个等级（见表1），计算公式为：
C=k*((pG)^0.5)/W
式中，c为水资源负载指数；p为人口（万人）；G为国民生产总值（亿元）；W为水资源总量（亿m3）；K为与降水有关的系数，其取值如下公式：
式中：k为与降水有关的系数；R为年降水量（mm）。
表1水资源负载指数分级
| 水资源负载指数 | 级别 | 水资源利用程度 | 今后水资源进一步开发评价 |
| >10 | Ⅰ | 很高，潜力不大 | 有条件时需要外流域调水 |
| 5~10 | Ⅱ | 高，潜力不大 | 开发条件困难 |
| 2~5 | Ⅲ | 中等，潜力较大 | 开发条件中等 |
| 1~2 | Ⅳ | 较低，潜力大 | 开发条件较容易 |
| <1 | Ⅴ | 低，潜力很大 | 开发条件容易 |
本发明的有益效果是：运用生态足迹法对涉及到的水资源生态足迹、水资源承载力及生态赤字进行计算分析评价该区的水资源利用方式处于非健康模式，适当减少耕地面积、提高水资源利用效率对山东省徒骇河流域水资源的可持续发展有着重要意义。
附图说明
图1基于生态足迹模型的流域水资源承载力评价方法的总体技术线路图；
图2徒骇河流域地理位置图；
图3徒骇河流域2003-2011年水资源生态足迹面积变化图；
图4徒骇河流域水资源承载力与降水量之间的关系；
图5生态赤字与农田灌溉用水足迹之间的关系。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实例进一步阐述本发明。如图2～5所示，本发明以徒骇河为研究对象，运用生态足迹法对涉及到的水资源生态足迹，进行研究，并对水资源承载力及生态赤字进行计算分析。
步骤1：水资源承载力的计算方法
根据用水特性分类，将水资源账户划分成生活用水足迹、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5个二级账户。其中，生活用水包括城镇生活用水和农村生活用水，农业用水主要包括农田灌溉和林牧渔畜用水，城镇公共用水主要包括商饮业用水和服务业用水，生态环境用水是绿地用水以及水体纳污能力之外的稀释污染物用水，不包括降水、径流自然满足的水量，主要包括城镇生态环境用水和农村生态环境用水。水资源承载力的计算模型为：
步骤2：水资源生态足迹计算
水资源生态足迹与其他各个账户一样，将研究区域所消耗的水资源量转化成为相对应账户的生产面积，即为水资源用地面积。各账户的生态足迹计算公式如下：
EF1=γW1/Pω
EFa=γWa/Pω
EFi=γWi/Pω
EFc=γWc/Pω
EFe=γWe/Pω
式中，EF1为生活用水足迹（km2），W1为生活用水量，EFa为农业用水足迹，Wa农业用水量，EFi为工业用水足迹，Wi为工业用水量，EFc为城镇公共用水足迹，Wc为城镇公共用水量，EFe为生态环境用水足迹，We为生态环境用水量，γ为水资源全球均衡因子，Pω为世界水资源平均生产能力。
步骤3：水资源负载指数计算
水资源负载指数用流域水资源所能承载的人口与经济规模表达，反映流域水资源利用水平下人口与经济发展的关系。它直观描述流域水资源的开发利用前景，为今后水资源开发提供依据。水资源负载指数分为5个等级（见表1），计算公式为：
见表1），计算公式为：
C=k*((pG)^0.5) /W
式中，c为水资源负载指数；p为人口（万人）；G为国民生产总值（亿元）；W为水资源总量（亿m3）；K为与降水有关的系数，其取值如下公式：
式中：k为与降水有关的系数；R为年降水量（mm）。
表1水资源负载指数分级
| 水资源负载指数 | 级别 | 水资源利用程度 | 今后水资源进一步开发评价 |
| >10 | Ⅰ | 很高，潜力不大 | 有条件时需要外流域调水 |
| 5~10 | Ⅱ | 高，潜力不大 | 开发条件困难 |
| 2~5 | Ⅲ | 中等，潜力较大 | 开发条件中等 |
| 1~2 | Ⅳ | 较低，潜力大 | 开发条件较容易 |
| <1 | Ⅴ | 低，潜力很大 | 开发条件容易 |
徒骇河位于海河流域南部，发源于山东莘县古云乡文明寨村东，从上游至下游依次流经山东省聊城、德州、济南、滨州四市，包括莘县、阳谷、东昌府区、荏平等共13个县，在山东省境内主河道约长406km，流域面积13 296km2，属暖温带半湿润、半干旱季风气候过渡区，四季特征明显。流域降水量多分布于每年6-9月的汛期，多年平均降水量564mm，多年平均径流量为5.47亿m3。流域春季降水少、蒸发大、农业灌溉需水量大，用水矛盾较突出。本发明研究区范围如图2。
本发明所使用的水资源二级账户的用水量包括：农业用水量、工业用水量、生活用水量等及部分经济社会数据来源于2003-2011年《山东省水资源公报》；部分社会经济数据来源于2003-2011年《山东年鉴》；各县耕地面积与年降雨量数据来源于2003-2011年《济南市统计年鉴》、《聊城市统计年鉴》、《滨州市统计年鉴》及《德州市统计年鉴》，见表2。
表2徒骇河流域2003-2011年社会经济及用水量
| 项目 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 |
| 人口/万人 | 971.8 | 977.1 | 971.9 | 979.1 | 987.1 | 991.3 | 992.3 | 985.2 | 1070.2 |
| GDP/亿元 | 828.5 | 993.0 | 1231.3 | 1451.4 | 1750.9 | 2174.8 | 2353.6 | 2739.9 | 3148.5 |
| 年降水量/mm | 11268.3 | 10508.9 | 11189.7 | 8045.1 | 9419.6 | 7844.6 | 10984.6 | 11939.6 | 9045.6 |
| 耕地面积/104hm2 | 100.84 | 102.14 | 101.83 | 101.09 | 100.97 | 107.80 | 105.14 | 104.43 | 101.45 |
| 水资源总量/亿m3 | 27.3 | 18.7 | 21.9 | 9.3 | 12.1 | 8.9 | 23.0 | 32.8 | 15.4 |
| 农业用水量/亿m3 | 36.24 | 30.73 | 34.15 | 39.13 | 36.29 | 35.13 | 34.31 | 33.92 | 29.94 |
| 工业用水量/亿m3 | 1.75 | 1.8 | 1.92 | 2.03 | 2.29 | 2.36 | 2.69 | 2.55 | 2.86 |
| 生活用水量/亿m3 | 1.95 | 2.29 | 2.30 | 2.21 | 2.45 | 2.52 | 2.38 | 2.36 | 2.14 |
| 城镇公共用水/亿m3 | 0.26 | 0.23 | 0.20 | 0.42 | 0.35 | 0.31 | 0.39 | 0.38 | 0.34 |
| 生态环境用水/亿m3 | 0.10 | 0.14 | 0.18 | 0.19 | 0.29 | 0.34 | 0.28 | 0.38 | 0.37 |
利用水资源生态足迹模型，计算得出徒骇河流域2003-2011年的平均水资源生态足迹，以及五个水资源账户，包括城镇公共用水、工业用水、农业用水、生活用水和生态环境用水的生态足迹。结果如表3所示。
表3徒骇河流域2003-2011年水资源承载力与生态足迹 km2
| 项目 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 |
| 农业用水生态足迹 | 44087.8 | 36734.3 | 41172.4 | 48909.9 | 44277.2 | 42738.5 | 41508.9 | 40575.6 | 35662.5 |
| 农田灌溉用水足迹 | 37673.5 | 30633.4 | 35600.8 | 43466.0 | 38203.4 | 37503.3 | 36339.1 | 35614.7 | 31530.7 |
| 林牧灌溉用水足迹 | 6414.4 | 6101.0 | 5571.6 | 5443.9 | 6073.8 | 5235.2 | 5169.8 | 4960.9 | 4131.8 |
| 工业用水生态足迹 | 2174.6 | 2223.1 | 2453.1 | 2579.8 | 3172 | 2967.1 | 3441.5 | 3106.6 | 3523.8 |
| 生活用水生态足迹 | 2312.6 | 2752.1 | 2814.0 | 2657.0 | 3041.6 | 3100.3 | 2874.5 | 2879.1 | 2687.6 |
| 城镇公共用水足迹 | 330.7 | 298.3 | 241.4 | 546.8 | 474.5 | 399.2 | 525.1 | 477.3 | 429.3 |
| 生态环境用水足迹 | 124.0 | 183.9 | 176.3 | 190.3 | 327.7 | 424.6 | 345.3 | 400.5 | 372.0 |
| 总水资源生态足迹 | 49029.7 | 42191.7 | 46857.2 | 54883.8 | 51293.0 | 49629.7 | 48695.3 | 47439.1 | 42675.2 |
| 水资源承载力 | 7875.1 | 5416.5 | 6323.0 | 2686.1 | 3507.7 | 2566.1 | 6651.6 | 9489.2 | 4456.1 |
| 生态赤字 | 41154.6 | 36775.2 | 40534.2 | 52197.7 | 47785.3 | 47063.6 | 42043.7 | 37949.9 | 38219.1 |
徒骇河流域2003-2011年平均总水资源生态足迹为48077.2km2，总体呈现先上升后下降的趋势，2003-2006呈波动上升趋势，2003-2004呈现下降态势，主要原因是农业用水量由2003年的36.24亿m3降至2004年的30.73亿m3。2004-2006呈现快速增加趋势，农业用水量增加迅速。2009年后又呈下降趋势，农业用水量变化趋势与之相符。2006-2008年总水资源持续较高的原因为年降水量的减少。通过计算相关系数发现，总水资源生态足迹与农田灌溉用水足迹呈显著的正相关性，与年降水量呈负相关性。
徒骇河流域2003-2011年平均农业用水生态足迹为41740.79km2,占总水资源生态足迹比例达86.82%，其中，农业用水足迹中约86.93%用于农田灌溉用水。农业用水生态足迹与总水资源生态足迹的变化趋势一致，2003-2004年呈下降趋势的原因是农田灌溉用水量的减少，随着农业产业的国民经济生产比例的增加,导致2004-2006年农业用水生态足迹增幅较大。2006-2011年呈现下降态势，2011年达到最低值35662.5km2，其原因是徒骇河流域产业政策的不断调整。
徒骇河流域2003-2011年平均工业用水生态足迹为2849.1km2，占总水资源生态足迹的5.93%。工业用水生态足迹呈显著上升趋势，其主要原因是经济发展迅速，工业需水量猛增。
徒骇河流域2003-2011年平均生活用水生态足迹为2791.0km2，占总水资源生态足迹的5.81%。生活用水生态足迹呈缓慢增长趋势，其中，最高年份2008年为3100.3km2，所占该年总生态足迹的比例为6.25%，最低年份2003年生活用水生态足迹为2312.6km2达该年总生态足迹的4.72%。随着人民生活水平的提高，使得尤以农村生活用水量逐年提高。
城镇公共用水足迹方面，徒骇河流域2003-2011年平均城镇用水生态足迹为562.8km2，占总水资源生态足迹的0.86%。城镇公共用水足迹整体呈波动上升趋势，最高年份2006年为1889.8km2，所占该年总水资源生态足迹的比例为1.00%。最低年份2005年为241.4km2，达该年总生态足迹的0.52%。
生态环境用水足迹呈持续上升趋势，徒骇河流域在2003-2011年平均生态环境用水生态足迹为282.7km2，占总水资源生态足迹的0.59%。最高年份2008年其生态环境用水生态足迹424.6km2，所占该年总生态足迹的比例为0.86%，主要原因是城镇环境用水量增加较大。最低年份2003年生态环境用水生态足迹为124.0km2达该年总生态足迹的0.25%，该年农村生态用水量较少。徒骇河流域的水资源生态足迹面积变化表征各账户用水足迹的变化，见图3。
徒骇河流域经济发展快速，居民生活用水量、农业灌溉用水量与工业用水量随之增加，导致该区总水资源生态足迹增加。因此，调整产业结构，改变农业用水足迹过大问题，加强水资源管理，提高现有水资源利用效率，是实现该区水资源可持续发展的重要措施。
徒骇河流域水资源承载力及动态特征
2003年徒骇河流域水资源承载力为7875.1km2，而后持续下降至2008年的2566.1km2。2009-2010年徒骇河流域水资源承载力处于较高水平，这主要是由于流域内降水量大幅增加的原因。由图4可知，徒骇河流域水资源承载力与降水量之间存在显著地正相关关系。总体来看，研究区降水的时空分布不均，随着各种用水量的增加，尤以耕地面积增加农业耗水，使得水资源承载力下降。因此，适当减少耕地面积，提高农业水资源利用效率是实现徒骇河流域水资源可持续利用的重要途径。
徒骇河流域水资源生态赤字
徒骇河流域2003-2011年的水资源生态足迹和水资源承载力对比结果显示，水资源生态足迹大于水资源承载力，说明该流域水资源供给不足，水资源利用处于相对不可持续状态。2003-2011年徒骇河流域水资源生态赤字总体呈先上升后下降的趋势，生态赤字在2003-2006年间波动上升，2005-2006年生态赤字处于较高的阶段，并于2006年达到峰值53540.6km2；此后下降至2011年的38219.2km2，这与该流域的水资源生态足迹变化趋势一致。分析表明，徒骇河流域水资源生态赤字与农田灌溉用水足迹呈显著的正相关关系（图5），说明徒骇河流域水资源生态赤字主要是由农业用水造成的。
徒骇河流域水资源负载指数
为进一步了解徒骇河流域水资源开发利用情况，计算了该流域的水资源负载指数，如表4所示。由表4结合表1数据可以看出，徒骇河流域水资源负载指数均为Ⅰ级，表明该区水资源利用程度很高，潜力不大，今后水资源开发利用条件较为困难，为维持该流域的可持续发展，需要提高现有水资源的利用效率，必要时需从外流域调水。
表4徒骇河流域2003-2011年水资源负载指数
| 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 | |
| 水资源负载指数 | 16.46 | 26.27 | 24.99 | 64.11 | 54.14 | 82.66 | 33.19 | 25.01 | 59.51 |
本发明分析总水资源生态足迹总体呈现先上升后下降的态势，生活用水足迹、城镇公共用水足迹与工业用水足迹持续增加，农业用水足迹总体虽呈下降趋势，但仍在总水资源生态足迹中占有较大比重。2003-2011山东省徒骇河流域水资源承载力呈现“先波动下降后上升再下降”趋势，2011年与2003年相比，承载力下降了43.42%。徒骇河流域水资源承载力与降水量之间存在显著地正相关关系，与耕地面积存在显著负相关关系。2003-2011年徒骇河流域生态赤字的变化较大，表明该区的用水不合理、用水与供水存在较大的矛盾，需要进一步的优化用水结构，加强该流域的供水能力。水资源负载指数也表明，徒骇河流域水资源利用程度很高，开发潜力不大，因此需要加强水资源管理，提高水资源利用效率。
另外，人口的增加、工矿企业的快速发展、过度使用地表水、盲目开采地下水等给徒骇河流域带来生态环境的破坏、水质质量的下降，使得水资源承载力负荷与生态赤字增加，加剧徒骇河流域用供水矛盾。因此，未来徒骇河流域需采取加强人口控制及企业管理与提高人们节水意识将会有效缓解该区水资源压力，实现该区水资源可持续发展。
Claims (3)
1.一种基于生态足迹模型的流域水资源承载力评价方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1：水资源承载力的计算方法；
步骤2：水资源生态足迹计算；
步骤3：水资源负载指数计算。
2.根据权利要求1所述的基于生态足迹模型的流域水资源承载力评价方法，其特征在于，步骤2中各账户的生态足迹计算公式：
EF1＝γW1/Pω
EFa＝γWa/Pω
EFi＝γWi/Pω
EFc＝γWc/Pω
EFe＝γWe/Pω
式中，EF1为生活用水足迹(km2)，W1为生活用水量，EFa为农业用水足迹，Wa农业用水量，EFi为工业用水足迹，Wi为工业用水量，EFc为城镇公共用水足迹，Wc为城镇公共用水量，EFe为生态环境用水足迹，We为生态环境用水量，γ为水资源全球均衡因子，Pω为世界水资源平均生产能力。
3.根据权利要求1所述的基于生态足迹模型的流域水资源承载力评价方法，其特征在于：步骤3中水资源负载指数计算：
水资源负载指数用流域水资源所能承载的人口与经济规模表达，反映流域水资源利用水平下人口与经济发展的关系，流域水资源的开发利用前景，为今后水资源开发提供依据，资源负载指数分为5个等级(见表1)，计算公式为：
C＝k*((pG)^0.5)/W
式中，c为水资源负载指数；p为人口(万人)；G为国民生产总值(亿元)；W为水资源总量(亿m3)；K为与降水有关的系数，其取值如下公式：
式中：k为与降水有关的系数；R为年降水量(mm)。
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