唐山區(qū)域范圍內(nèi)的水生態(tài)足跡研究

孫景章，王麗亞，魏瑞霞

（1.河北理工大學(xué) 輕工學(xué)院，河北 唐山063020；2.河北理工大學(xué) 資環(huán)學(xué)院，河北 唐山063020）

0 引 言

生態(tài)足跡方法是目前國(guó)際上流行的可持續(xù)發(fā)展定量評(píng)估的方法之一。Wackemagel和Rees（1996）已經(jīng)使用了土地面積來(lái)核算自然資本帳戶(hù)。這種以“土地”為要素的“生態(tài)足跡”方法目前已經(jīng)應(yīng)用到全球、國(guó)家、區(qū)域、城市、行業(yè)、公司、學(xué)校和個(gè)人尺度上[1,2]。

本文旨在使用最小生態(tài)需水量的概念，以“水量”而非“土地面積”為要素，拓展區(qū)域水生態(tài)足跡的核算方法，并以唐山市為案例地區(qū)對(duì)此方法進(jìn)行實(shí)踐。

1 區(qū)域水生態(tài)足跡和生態(tài)需水

1.1 區(qū)域水生態(tài)足跡

區(qū)域水生態(tài)足跡的概念來(lái)源于土地生態(tài)足跡。土地生態(tài)足跡的計(jì)算以人類(lèi)衣食住行活動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)，將人類(lèi)消費(fèi)的所有資源和吸納人類(lèi)產(chǎn)生的所有廢棄物所需的生態(tài)生產(chǎn)性土地的面積等量化處理，用以評(píng)價(jià)人類(lèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與本地的生態(tài)承載力之間的差距（Wackernageleta1，1996）。而區(qū)域水生態(tài)足跡則以人類(lèi)生產(chǎn)生活用水和區(qū)域最小生態(tài)需水量為出發(fā)點(diǎn)，用以評(píng)價(jià)維持區(qū)域人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和區(qū)域內(nèi)生命支持系統(tǒng)基本生態(tài)服務(wù)功能的水量與本地可更新水資源供給能力之間的差距。

將區(qū)域所占用的水生態(tài)足跡同區(qū)域可更新水資源供給能力相比就會(huì)得出區(qū)域生態(tài)赤字（ecological deficit）或生態(tài)贏余（ecological remainder）。生態(tài)贏余表明該地區(qū)的水生態(tài)容量足以支持人類(lèi)的生產(chǎn)和生活用水和最小生態(tài)需水量，區(qū)域的水資源利用處于相對(duì)可持續(xù)的發(fā)展模式?？沙掷m(xù)程度用生態(tài)盈余數(shù)值的大小衡量：生態(tài)赤字表明該地區(qū)的水資源使用量超過(guò)了其水生態(tài)容量，城市的水資源利用處于相對(duì)不可持續(xù)狀態(tài)。

1.2 區(qū)域生態(tài)需水

生態(tài)需水的概念最初由Gleick提出，他認(rèn)為生態(tài)需水是一定質(zhì)量和數(shù)量的水給予自然生境，以求最適程度的改變自然生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程，并保護(hù)物種多樣性和生態(tài)完整性。區(qū)域生態(tài)需水是指維持區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，功能和過(guò)程的水量[4]。按照生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型劃分，區(qū)域生態(tài)需水量包括：①區(qū)域植被生態(tài)環(huán)境需水量（植被蒸發(fā)需水，植被制造有機(jī)物需水和植被土壤需水[5]，②區(qū)域河湖濕地生態(tài)環(huán)境需水量（維持城市河湖濕地存在的需水量，如河道基流，河湖蒸散需水和河湖滲漏需水等、維持水體自?xún)裟芰臀廴疚锵♂屇芰Φ乃?、維持水鹽平衡、水熱平衡、水沙平衡的需水量等）。

2 研究方法

2.1 區(qū)域水生態(tài)足跡的計(jì)算

區(qū)域水生態(tài)足跡的計(jì)算公式：

式中：WEF為區(qū)域水生態(tài)足跡；We為區(qū)域生態(tài)需水量；Wh為人類(lèi)用水量；Wc為區(qū)域可更新的水資源量，包括地表水和地下水兩部分。對(duì)于區(qū)域生態(tài)需水量 We由于植被生態(tài)需水受限于天然降水補(bǔ)給，而人類(lèi)活動(dòng)的影響相對(duì)較小，所以此處并不計(jì)算，因此區(qū)域生態(tài)需水量指河湖生態(tài)需水量和地下水生態(tài)需水量。

2.2 區(qū)域河湖生態(tài)需水量

區(qū)域河湖生態(tài)需水量指區(qū)域河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)維持正常生態(tài)功能所需的水量，包括河湖蒸發(fā)損失量、河湖滲漏損失量和河道基礎(chǔ)流量[6]。具體計(jì)算如下：

河湖蒸發(fā)需水量為：

式中：Wre為河湖水面蒸發(fā)需水量（108m3）；Ar為河湖的面積（hm2）；Ew為河湖水面蒸發(fā)量（mm·a-1）；p為河湖內(nèi)降雨量（mm·a-1）。

河流基礎(chǔ)流量需水量：根據(jù)Tennant的研究，10%的平均流量是維持水生生物生存的最小瞬時(shí)流量[7]。因此本文以各流域多年平均流量的10%作為其最小生態(tài)需水量。

河湖滲漏需水量為：

式中：Wrg為河湖滲漏需水量（108m3）；Wb為河湖的基礎(chǔ)流量需水量（108m3）；γ為研究區(qū)域滲漏率。

地下水最小生態(tài)需水量：地下水系統(tǒng)的最小生態(tài)需水量為滿(mǎn)足地下水采補(bǔ)平衡的存儲(chǔ)水量。

3 研究區(qū)域概況與主要參數(shù)計(jì)算方法

3.1 唐山水資源概況

3.1.1 水供給

唐山區(qū)域境內(nèi)河流主要有灤河、陡河、沙河、薊運(yùn)河等河流。唐山的河流多數(shù)發(fā)源于北部丘陵、山地，流程較短，自成體系獨(dú)自入海?？煞譃闉春铀怠⑺E運(yùn)河水系和沙陡河水系。唐山市境內(nèi)已建成潘家口、大黑汀、邱莊、陡河4座大型水庫(kù)，總庫(kù)容41.22×108m3，地下水資源總量是16.9×108m3。

唐山多年平均降水量約為634.3mm。其中最大降水量1140mm（1949年），最小降水量292mm（1997年）。由于唐山地勢(shì)西高東低，北高南低，這一特點(diǎn)極為不利于自然降水的儲(chǔ)存和保留，更易形成干旱缺水。

目前唐山市已建成投產(chǎn)的城市污水處理廠達(dá)到9座，設(shè)計(jì)日處理污水能力達(dá)到73.9萬(wàn)噸；在建的有7座，設(shè)計(jì)日處理污水能力達(dá)到44萬(wàn)噸。覆蓋了全市6區(qū)6縣（市）城區(qū)。全市污水處理再利用量為1.31×108m3。

3.1.2 水需求

2008年唐山市年用水總量為31.5×108m3，其中工業(yè)用水4.71×108m3，生活用水2.39×108m3，農(nóng)業(yè)用水24.4×108m3。其中地表水使用量占46%，地下水使用量占54%，對(duì)地下水的依賴(lài)性極強(qiáng)。唐山水資源利用耗水率較高，農(nóng)業(yè)用水的損失率高達(dá)50%，造成大量水資源流失和浪費(fèi)。在工業(yè)用水中，萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值耗水量高于發(fā)達(dá)國(guó)家8倍之上。而且，農(nóng)業(yè)用水比重過(guò)高，環(huán)境補(bǔ)水比重較低，城市用水存在結(jié)構(gòu)性矛盾。

3.2 唐山市水生態(tài)足跡主要參數(shù)計(jì)算方法

研究范圍包括唐山行政區(qū)所轄的所有區(qū)縣，研究時(shí)間為 2000～2008年（除特殊說(shuō)明），數(shù)據(jù)來(lái)源于河北省水資源公報(bào)。城市河湖生態(tài)需水量包括轄區(qū)范圍內(nèi)的所有河流湖泊，其中市區(qū)湖泊生態(tài)需水量單獨(dú)計(jì)算。主要參數(shù)計(jì)算方法如下。

（1）河流面積：假定唐山市區(qū)域近年的水體面積沒(méi)有太大變化，根據(jù)河北省土地利用詳查圖，將研究區(qū)流域分區(qū)圖數(shù)字化，與河流分布圖疊加，提取各流域的河流分布圖，并在GIS的支持下，計(jì)算各流域的河流水面面積，主要提取的水域類(lèi)型為河流、灘涂、葦?shù)睾驼訚傻?，?jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 唐山河流生態(tài)需水參數(shù)統(tǒng)計(jì)

（2）河湖的滲漏系數(shù)：唐山市的湖泊大致可以分為這兩類(lèi)：一類(lèi)為修建較早的湖泊，經(jīng)過(guò)常年淤積，滲漏性差，另一類(lèi)為新建的湖泊，滲漏性強(qiáng)。由于缺乏唐山市湖泊滲漏狀況觀測(cè)和研究結(jié)果，因此，本文選取這兩類(lèi)滲漏系數(shù)的平均值即2.25×10-5cm·s-1作為唐山湖泊的滲漏系數(shù)。唐山河流的滲漏率取海河流域河流的滲漏率0.15。

（3）地下水生態(tài)需水參數(shù)：近年來(lái)，唐山地區(qū)地下水位年平均下降速率為0.45m/a。全地區(qū)地下水平均每年減少 2.61×108m3，根據(jù)采補(bǔ)平衡的原則，唐山市地下水生態(tài)需水量為多年平均虧損量與補(bǔ)水量之和19.6×108m3。

（4）人類(lèi)用水總量Wh和水資源量Wc：唐山市多年平均人類(lèi)用水量為29.72×108m3（2000～2008年）。多年平均地表水資源量為14.62×108m3，多年平均地下水資源量為16.90×108m3，唐山市多年平均水資源總量為31.52×108m3。

4 結(jié) 果

4.1 唐山市最小生態(tài)需水核算

根據(jù)2.2節(jié)中的計(jì)算公式和3.2節(jié)中的計(jì)算參數(shù)，唐山市最小生態(tài)需水核算結(jié)果如下：城市河湖最小生態(tài)需水量為9.02×108m3，其中湖泊最小生態(tài)需水量為0.72×108m3，河流最小生態(tài)需水量為8.30×108m3，其中陡河，沙河，灤河，薊運(yùn)河最小生態(tài)需水分別占河流最小生態(tài)需水量的1.20%、2.65%、89.03%和7.11%見(jiàn)（表2）。地下水需水量為19.6×108m3。

表2 唐山市河流生態(tài)需水核算

4.2 唐山市水生態(tài)足跡

根據(jù)上述分析結(jié)果可得，唐山市多年平均水生態(tài)足跡為1.85，即維持唐山市生態(tài)健康的用水量是其承載能力的1.85倍。此結(jié)果反映了唐山市人類(lèi)用水與生態(tài)用水的分配失衡，人類(lèi)用水占用了本屬于自然的生態(tài)用水。唐山市的水資源利用是不可持續(xù)的。建議1：唐山工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，增加第三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的比重，降低第二產(chǎn)業(yè)的比重；建議 2：農(nóng)業(yè)用水模式應(yīng)加以改變，增加滴水灌溉、噴淋灌溉的比重，提高水資源利用率。

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