岳 晨, 刘 峰,3, 杨 柳, 高 昀, 郭斯嘉

〔1.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061; 2.自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心，河北 石家庄 050061; 3.中国地质大学(北京)，北京 100083〕

水资源作为可再生性资源，在社会生产及生态环境等方面具有不可替代的重要作用。水资源的可持续开发也关系到城市的可持续发展。Willam Rees等在1992年最早提出生态足迹法，其博士Wackernagel于1996年将其完善，使其成为衡量资源可持续利用的综合核算的工具[1-4]。生态足迹法通过估算维持人类生活的自然资源消费量和同化人类产生的废弃物所需要的生态生产性空间面积大小，并与给定人口区域的生态承载力进行比较，来衡量区域的可持续发展状况[5]。经过多年的发展，各国科研人员也在对水资源生态足迹法进行不断改进和探索。Haberl等[6]通过长时间段生态足迹计算方法，分析了奥地利1926—1955年的生态足迹。Wackernagel等[7]分析菲律宾、韩国、奥地利1961—1999年的生态足迹和实际土地需求。孟丽红等[8]通过分析了江西省2007—2011年水资源生态足迹模型，为江西省水资源可持续利用提供技术支持。陈正雷等[9]通过LMDI构建的水资源生态足迹模型分析了山东省2007—2016年水资源生态足迹和水资源承载力。目前，国内外对水资源生态足迹的基本理论、计算方法不断探讨以及实证分析研究[10-14]。本文主要以水资源生态足迹模型为理论框架，以北京市2010—2019年数据为基础,通过分析南水北调前后5 a水资源生态足迹，生态承载力，以及水资源生态赤字和负载指数，系统分析南水北调为北京市可持续发展的影响，为北京市可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

北京市位于华北平原的西北边缘，是中国的首都，也是全国的政治中心，文化中心，经济中心；该地区的水资源可持续研究具有重要的科研价值与现实意义。北京市东、西、北三面环山，东南部为平原。平原区地势西北高东南低。总的地貌平坦广阔，由洪、冲积扇及冲、洪积平原联合而成。北京市具有明显的温带季风气候特征，属于华北平原降水量较多的地区，年平均降水量约630 mm。降水集中在7—8月，多暴雨。北京市地表水多年平均径流量为1.77×109m3，地下水多年平均补给量为3.67×109m3[15]，人均水资源量为114 m3/人(2019年)，属严重缺水地区。北京市主要河流有五条，但水量较少，多年供水以地下水为主。自南水北调中线工程于2014年底12月正式通水后，北京市城市供水结构发生重大变化，南水北调水成为供水结构的主要部分。

2 数据来源与研究方法

2.1 水资源生态足迹模型

水资源生态足迹，就是将消耗的水资源量转化为相应账户的生产面积——水资源用地面积，然后对其进行均衡化，最终得到可用于全球范围内不同地区可以相互比较的均衡值[16]。公式如下：

EFw=N×efw=N×γw×(W/pw)

(1)[17]

式中：EFw为水资源生态足迹(hm2)；N为人口数； efw为人均水资源生态足迹(hm2/人)；γw为全球水资源均衡因子,取5.19[18]；W为水资源消耗量(m3)；pw为全球水资源平均生产能力(m3/hm2)，取3 140 m3/hm2[19]。

2.2 水资源生态承载力模型

水资源生态承载力，主要表示水资源对生态系统和经济系统良性发展的支撑能力，需要综合考虑生态环境以及社会生产所需要的水资源[19]。

ECw=N×ecw=0.4×ψ×γw×Q/pw

(2)

式中：ECw为水资源生态承载力(hm2)；N为人口数； ecw为人均水资源生态承载力(hm2/人)；γw为水资源均衡因子；ψ为水资源产量因子，取0.77[18]；Q为水资源总量(m3)；pw为世界水资源平均生产能力(m3/hm2)。通常，一个国家和地区的水资源承载力中60%用于维持生态环境，因此，计算中乘以系数0.4[18]。

2.3 水资源生态盈余及水资源生态赤字

将区域内水资源生态足迹和生态承载力相比较，其差值即为水资源生态盈余或赤字[20]。

水资源生态赤字(盈余)=ECw-EFw

(3)

当数值为正时，则为生态盈余，表明北京市水资源尚有潜力；当数值为0时，则表明北京市水资源生态平衡。当数值为负时，则为生态赤字，表明水资源过量开发。

2.4 万元GDP水资源生态足迹

万元GDP水资源生态足迹是通过水资源生态足迹与万元GDP的比值来表示的。其值越小表示水资源利用效率越高，反之越低[21]，公式如下：

万元GDP水资源生态足迹=EFw/GDP

(4)

2.5 水资源负载指数

水资源负载指数能够反映水资源的时空分布、利用程度及水资源开发的难易程度。其分级指标见表1[22]，公式为：

(5)

式中：c为水资源负载指数；p为人口(104人)；G为国内生产总值(108元)；W为水资源总量(108m3)；k为与降水有关的系数。

k值计算公式[23]如下：

(6) 表1 水资源负载指数分级指标[22,24]

2.6 数据来源

本文的研究数据主要来自北京统计年鉴(2011—2020年)，北京市水资源公报(2010—2019年)，具体数值见表2。

表2 2010-2019年北京市社会经济及用水量分析

3 结果与分析

3.1 北京市水资源生态足迹、生态承载力及生态赤字(盈余)计算

本文以北京市2010—2019年的各行业用水量为基础，以前文所述的水资源生态足迹模型及水资源生态承载力模型为依据，计算北京市2010—2019年水资源生态足迹和生态承载力，计算结果见表3。

表3 北京市2010-2019年人均水资源生态足迹与人均生态承载力分析 hm2/人

由图1可知，北京市2010—2019年水资源生态足迹4个账户中，生活用水生态足迹所占水资源生态足迹比例最高，约为45%，呈现缓慢波动上升的趋势。生态环境用水生态足迹变化最大，这几年呈现逐步升高的趋势，且所占比重逐年加大。由趋势线可以看出2014年北京市生态环境用水生态足迹明显上升，可能是由于使用京密引水渠调水，增加了运输途中的输水损失造成的。农业用水生态足迹和工业用水生态足迹自2010年以来逐年下降，尤其是农业用水生态足迹，下降趋势明显，说明这几年北京市农业节水措施效果显著，农业水资源利用率显著提高。由示意图可以看出近几年北京市对工业节水相对重视，效果也比较显著。由此可知，北京市水资源生态与社会经济的关系正不断改善。推测是北京市政府通过积极调整产业结构，注重节水科技的发展，不断提高水资源利用率呈现的成果。

图1 北京市2010-2019年水资源人均农业、工业、生活、生态环境生态足迹

由图2可知，北京市水资源生态足迹总趋势非常平稳，表明随着经济与人口的增长，人均水资源利用率也随之上升，保持较低的人均水资源生态足迹是实现可持续发展的有效途径。而反观水资源生态承载力，可以看出上下波动频率较大，较高年份为2016年和2018年，分别达到0.107 hm2/人和0.112 hm2/人。究其影响因素，不仅限于人口、水文、植被、地质条件等情况，也与当年的气候条件，尤其是降水密切相关。根据图3可以看出，2010—2014年水资源生态承载力的变化与降水的年度变化规律基本一致，说明水资源生态承载对于气候变化非常敏感。2015年以后水资源生态承载力的变化规律与降水变化整体趋势一致，但曲线更加平滑，推测可能是南水北调来水起到了一定的调蓄作用，对北京市水资源生态承载力起到一定影响作用。北京市水资源生态赤字在2016年达到最低值0.188 hm2/人，也是水资源生态承载力最高，推测主要原因是因为2016年为丰水年，且2016年南水北调供水已正常为北京市供水。由此可见，南水北调外调水的输入对于北京市水资源生态赤字程度有一定缓解作用，但由于起始生态赤字程度高，现阶段也仍处于较大的赤字状态。

图2 北京市2010-2019年人均水资源生态足迹、人均水资源生态承载力和人均水资源生态赤字特征

图3 北京市2010-2019年年均降水量变化

从图4可知，2010—2019年北京市万元GDP水资源生态足迹呈现上下波动的形势，整体变幅与北京市年均降水量变化趋势一致。除2012年最高外，整体仍然有向下的趋势，说明北京市水资源利用效率在稳步提高，这也与北京市近些年来不断调整产业结构，优化产业发展息息相关。

图4 北京市2010-2019年万元GDP生态足迹变化特征

3.2 北京市水资源负载指数

通过计算北京市水资源负载指数表(表4)，可以看出北京市水资源负载指数很高。水资源负载指数与水资源时空分布、利用程度息息相关。北京市人口密度大，水资源储量少且时空分布极不均匀，经济增长迅速，用水量逐年增长造成水资源开发利用率高，因此，北京市水资源负载指数比较高。南水北调外调水进京后，北京市水资源负载指数有下降趋势，但负载程度依然较高。说明南水北调外调水虽然很大程度上缓解了北京市供水紧张的形势，但由于北京市水资源多年处于超采情况，即使有南水北调外调水输入，仍需要一定时间才能进一步改善北京市水资源生态承载状况。

表4 北京市历年来水资源负载指数等级分布

4 结 论

(1) 通过计算北京市2010—2019年水资源生态足迹，水资源生态承载力，水资源生态赤字，万元GDP生态足迹等诸多指标，计算结果显示北京市人均水资源生态足迹在 0.28～0.32 hm2/人，其中，生活用水对水资源生态足迹贡献最大，生态环境生态足迹变化最大，成为影响北京市水资源生态足迹的第二项指标，其次是农业用水，最小的是工业用水。北京市人均水资源生态承载力在0.04～0.12 hm2/人之间，水资源生态承载力受降水影响较大。但随着南水北调外来水的输入，该项指标受降水影响的程度有所降低。

(2) 2010—2019年北京市水资源负载指数远大于10，赤字程度较高，水资源生态压力大。随着南水北调外调水进京，备用水源地取水量和当地供水量减少，会有效的缓解本地水资源的压力，有利于水源地的涵养。但由于北京市水资源存量资本消耗严重，外调水对北京市水资源生态承载力的改善有限。

(3) 北京市水资源生态安全仍然处于比较严峻的形势。虽然北京市政府已经做了很多工作，并取得了显著成效。但由于北京特殊的政治背景，人口基数庞大，新增流动人口多，经济增长迅速，均成为北京市水资源可持续发展的主要限制因素。为了降低水资源生态足迹和缓解水资源现有状况，限制人口，调整产业结构，加强节水工业、农业的生产，提高水资源效率仍是必要举措。