基于三维水生态足迹的郑州市水资源状况评估

Assessment of Water Resources Status in Zhengzhou City Based on the Three-Dimensional Water Ecological Footprint

摘要: 郑州市作为严重缺水型城市，对其进行水资源状况的综合评估确有必要。本文采用三维水生态足迹模型，研究郑州市2016~2024年水生态足迹、水生态承载力等相关指标，结合Tapio模型分析水资源与经济发展之间的联系，结果表明：1) 研究期间该市水量生态足迹保持稳定，水质生态足迹总体呈上升态势；水资源生态承载力和水质生态承载力的变化趋势基本一致，在波动中小幅上升；2) 分析该市存量流量利用比，研究期间除2021年安全状态为中度不可持续外，其余年份均为极端不可持续；3) 基于建立的Tapio脱钩模型，该市水资源与经济发展有向强脱钩状态发展的趋势，用水效率有所提高，水资源状况与经济发展的协调性逐渐增强。

Abstract: Zhengzhou is a severely water-scarce city, making a comprehensive assessment of its water resources status imperative. This study employs the three-dimensional water ecological footprint model to investigate relevant indicators including the water ecological footprint and water ecological carrying capacity of Zhengzhou City during the period 2016~2024. Combined with the Tapio decoupling model, it analyzes the relationship between water resources and economic development. The results indicate that: 1) Throughout the study period, the water quantity ecological footprint of the city remained stable, while the water quality ecological footprint showed an overall upward trend; the water resources ecological carrying capacity and water quality ecological carrying capacity exhibited a basically consistent variation trend, increasing slightly with fluctuations. 2) An analysis of the city’s stock-flow utilization ratio reveals that all years under study were in an extremely unsustainable state, except for 2021, which was classified as moderately unsustainable. 3) Based on the established Tapio decoupling model, the relationship between water resources and economic development in the city tends to move towards a strong decoupling state, indicating an improvement in water use efficiency and a gradual enhancement in the coordination between water resources conditions and economic development.

1. 引言

近几年郑州以国家中心城市建设为牵引，在经济、产业、创新、交通、城市更新、生态治理等领域实现质效双升，常住人口与建成区持续扩容，2024年GDP达14532.1亿元、常住人口1308.6万人，正加速迈向高质量发展的现代化国际大都市。在城市快速发展的同时，郑州市始终面临着水资源短缺的挑战，人均水资源量97.6立方米，不足全国人均水平的1/20，属于严重缺水型城市，对外调水依赖程度高。面对日益突出的水资源供需矛盾，合理评估水资源开发利用状况，掌握水资源可持续程度，对优化水资源配置、提升城市用水效率、实现郑州市水资源的可持续利用具有重要意义。

水生态足迹是将区域人口消耗的水资源量转化为相应的生物生产性土地面积，水资源生态承载力则表征区域水资源对经济社会发展的支撑能力[1]。国内、国外已围绕生态足迹做了大量的研究：生态足迹模型最初由加拿大生态经济学家Willam [2]于1992年提出，后Wackernagel [3]对这一概念进行完善，形成二维生态足迹模型。黄林楠等人[4]明确均衡因子等关键参数的计算，建立水资源账户。为了弥补存量资本研究领域的空白，Niccolucci等提出足迹广度和足迹深度的概念，以此来分析流量资本、存量资本的消耗程度[5] [6]。随着水生态足迹模型的建立和完善，区域水资源的开发利用程度、安全状态及可持续程度的评估方式更加完备、评价结果更为准确[7]-[13]。

2. 研究区概况和数据来源

郑州是河南省省会，位于河南省中部偏北，地跨黄河、淮河两大流域。郑州市多年平均水资源量为12.3亿立方米，全域地表水可利用量3.5亿立方米，地下水可开采量5.6亿立方米，扣除重复计算量，实际本地可利用水资源量8.5亿立方米，人均水资源量远低于全国平均水平，属水资源严重匮乏地区。本文数据来源于2016年~2024年《郑州市水资源公报》、2017年~2023年《郑州市环境统计年报》。氨氮污染物的统计口径与统计制度进行了调整，导致相关数据与前期不可比，因此在后续分析中对该指标进行分段处理。

3. 研究方法

3.1. 三维水生态足迹模型

3.1.1. 水量、水质生态足迹

传统水生态足迹模型仅对水资源的流量资本进行研究，忽略了水资源存量，故通过引入足迹广度、深度构建三维模型。水生态足迹涉及水量、水质两个方面：水量生态足迹包括工业、农业、生活、生态四种水资源用途；水质生态足迹的核算遵循“重叠效应取最大值、无重叠效应取总和”的原则，选取化学需氧量和氨氮排放量作为核心核算参数[14]。其中COD是工业、生活污水排放的主要污染物，而农业生产中使用的化肥、农药及养殖污水等含氨氮量较大[15]。计算公式：

$E{F}_w=E{F}_{wr}+E{F}_{wq}$ (1)

$E{F}_{wr}=r_w\times W/P_w=r_w\times \left(W_1+W_2+W_3+W_4\right)/P_w$ (2)

$E{F}_{wq}=E{F}_{\text{COD}}+E{F}_{{\text{NH}}_3}=r_w\times \left(U_{\text{COD}}/P_{\text{COD}}+U_{{\text{NH}}_3}/P_{{\text{NH}}_3}\right)$ (3)

式中，EF_w为水生态足迹，hm²；EF_wr、EF_wq分别为水量、水质生态足迹，hm²；r_w为全球水资源均衡因子，取值5.19 [4]；W为用水总量，W₁、W₂、W₃、W₄分别为农业、工业、生活、生态用水量，m³；P_w为全球水资源平均生产能力，取值为3140 m³/hm² [4]；EF_COD、$E{F}_{{\text{NH}}_{\text{3}}\text{-N}}$ 分别为化学需氧量、氨氮的水质生态足迹，hm²；U_COD、$U_{{\text{NH}}_{\text{3}}\text{-N}}$ 分别为化学需氧量、氨氮的排放量，t；P_COD、$P_{{\text{NH}}_{\text{3}}\text{-N}}$ 分别为全球水域对化学需氧量、氨氮的平均吸纳能力，分别为0.0629 m³/hm²和0.0031 m³/hm² [16]。

3.1.2 水资源生态承载力

水资源生态承载力是区域水资源供给量对该区域资源、环境与社会可持续发展的支撑能力[16]。计算公式：

$E{C}_{wr}=\left(1-60\%\right)\times r_w\times \phi \times Q/P_w$ (4)

式中，EC_wr为水资源生态承载力，hm²；$\phi$ 为区域水资源产量因子，郑州市省公顷水资源产量因子取值为0.54 [4]；Q为区域水资源总量，m³。

3.1.3. 水质生态承载力

水质生态承载力是指从区域水资源量能够接纳污染物的水资源量的生物生产性土地面积[15]。计算公式：

$E{C}_{wq}=\left(1-12\%\right)\times \frac{Q-W\times K}{Pw}$ (5)

式中，EC_wq为水生态承载力，hm²；K为区域综合耗水率，等于用水消耗量除以用水量；Q、W、P_w含义同上。

3.1.4. 存量流量利用比

存量流量利用比是指存量资本领先于流量资本的程度，是三维模型的重要评价指标。足迹广度、深度分别代表区域内人类活动对水资源流量资本的消耗及存量资本的占用情况，通过分析推导，得到存量流量利用比这一核心评价指标，以此反映区域生态可持续性及自然资本存量与流量的结构变化。

$R=\frac{EF-E{F}_{size}}{E{F}_{size}}=E{F}_{depth}-1$ (6)

$E{F}_{size}=\min \left(E{F}_w,E{C}_w\right)$ (7)

$E{F}_{depth}=1+\frac{\max \left(E{F}_w-E{C}_w,0\right)}{E{C}_w}$ (8)

式中，R为存量流量利用比；EF_size、EF_depth分别为足迹广度、足迹深度。存量流量利用比值越大，存量资本消耗越严重，区域可持续性越弱，安全状态可根据比值范围分为6种状态，具体见表1。

Table 1. Classification of stock-flow utilization ratio levels

表1. 存量流量利用比等级划分

指数	等级	数值范围	安全状态
R	Ⅰ	<0.5	相对可持续
	Ⅱ	0.5~1.0	轻微可持续
	Ⅲ	1.0~2.0	轻微不可持续
	Ⅳ	2.0~4.0	中度不可持续
	Ⅴ	4.0~6.0	高度不可持续
	Ⅵ	>6.0	极端不可持续

3.2. Tapio脱钩模型

Tapio模型在评价经济发展和环境压力之间的脱钩关系具有良好的适用性，被广泛用于评价水资源利用与经济增长之间的关系。本文引入Tapio脱钩弹性模型，对郑州市经济发展与水资源利用之间的联系进行研究[1]。计算公式：

$e=\frac{\Delta E{F}_w}{\Delta G}=\frac{\left(E{F}_w^t-E{F}_w^{t-1}\right)/E{F}_w^{t-1}}{\left(G^t-G^{t-1}\right)/G^{t-1}}$ (9)

式中，e为脱钩指数；ΔEF_w为水资源生态足迹变化量；ΔG为经济变化量；$E{F}_w^t$ 、$E{F}_w^{t-1}$ 分别为第t年和第t − 1年的水资源生态足迹，hm²；G^t、G^t−1分别为第t年和第t − 1年的经济，万元。脱钩关系可根据脱钩指数分为8种脱钩状态，具体见表2。

Table 2. Eight decoupling states

表2. 8种脱钩状态

脱钩状态		ΔEFw	ΔG	e	表征意义
脱钩	强脱钩	负	正	(−∞, 0)	理想状态
	弱脱钩	正	正	[0, 0.8)	较理想状态
	衰退脱钩	负	负	(1.2, +∞)	可允许状态
负脱钩	强负脱钩	正	负	(−∞, 0)	最不理想状态
	弱负脱钩	负	负	[0, 0.8)	不可取状态
	扩张负脱钩	正	正	(1.2, +∞)	不可取状态
连结	扩张连结	正	正	[0.8, 1.2]	不可取状态
	衰退连结	负	负	[0.8, 1.2]	可允许状态

4. 结果分析

根据式(2)计算出2016~2024年郑州市工业、农业、生活和生态环境的水量生态足迹，如图1所示。该市生活用水生态足迹占比最高，达到36%左右，该账户生态足迹呈波动上升态势，2021年达到峰值0.014亿hm²。随着南水北调工程的投入及生活水平的提高，郑州市居民的生活用水条件得到了极大的改善。工业用水生态足迹在波动中逐渐下降，从2016年的0.009亿hm²下降至2024年的0.004亿hm²，降幅约为56%，郑州市印发节水行动实施方案，对髙耗水行业企业(如火电、化工、洗浴等)用水情况进行严格管控，同时通过提高中水回用、污水处理技术，提高再生水利用率，极大降低了工业用水量。农业用水生态足迹基本保持稳定，多年用水生态足迹均值约为0.007亿hm²，郑州市在农业规模与产能逐步提升的情况下，不断通过政策、技术等手段提高水资源利用效率，优化用水定额。生态环境用水生态足迹在逐步上升，从2016年的0.004亿hm²增加至2024年的0.011亿hm²，增幅高达175%，该足迹约占郑州市水资源生态足迹的25%。据估算，我国环境用水量约占全国总用水量的1/6~1/5，郑州市的生态环境用水量已经达到甚至超出国内平均水平，在防治水污染、改善水质、协调生态平衡等方面成效显著。

Figure 1. Trends of water ecological footprint for each water resource account in Zhengzhou during 2016~2024

图1. 郑州市2016~2024年各水资源账户用水生态足迹变化趋势

由式(2)得出2016~2024年郑州市水量生态足迹，变化趋势呈现先上升后下降后基本保持稳定的状态，研究期均值为0.03亿hm²。由式(3)得出2017~2023年郑州市水质生态足迹见图2，由图可知，郑州市COD生态足迹呈逐年上升的趋势，从2017年的0.02亿hm²上升至2023年的0.04亿hm²，增加了近一倍，统计数据显示，2023年第一、二、三产业增加值分别同比增长1.0%、11.1%、5.1%，2021至2024年，郑州市规模以上工业增加值分别同比增长10.4%、4.4%、12.8%、10.5%，表明在产业结构转型升级、经济高质量发展的同时，郑州市COD生态足迹略有增加。郑州市氨氮生态足迹在2020~2023年产生突变，原因是该年度区间污染物的统计口径有调整，数据与其他年份不可比，由2017~2019年数据可知，该足迹呈逐年增加的趋势，由2020~2023年数据可知，该足迹也呈逐年增加的趋势。即该市水质生态足迹总体呈上升趋势。

Figure 2. Trends of water quality ecological footprint in Zhengzhou during 2017~2023

图2. 郑州市2017~2023年水质生态足迹变化趋势

由式(4)和(5)得出2016~2024年郑州市水资源生态承载力和水质生态承载力的变化趋势见图3。从图3可以看出，二者的变化趋势基本一致，呈波动中小幅上升状态。根据分析不难发现，承载力与水资源总量成正比，而降雨量是水资源总量的主要影响因素。该市水资源生态承载力和水质生态承载力在2021年存在突变，最大值分别达到0.010、0.005亿hm²，原因是2021年郑州市遭遇“7·20”强降雨，7月20日当天降雨量达624.1 mm，几乎等同于郑州往年全年平均降水量，水资源总量得到了极大的补给。因地下水补给具有较长时期的调节作用，郑州市近几年的水资源匮乏的状况较以往得到缓解。由式(6)、(7)、(8)求出郑州市存量流量利用比，分析可知，研究期除2021年安全状态为中度不可持续外，其余年份均为极端不可持续。郑州是公认的缺水型城市，人均水资源占有量仅为全省的1/4，不足全国的1/20，需通过外流域调水来缓解水资源的供需矛盾。

Figure 3. Trends of water ecological carrying capacity in Zhengzhou during 2016~2024

图3. 郑州市2016~2024年水生态承载力变化趋势

根据式(9)得出2017~2024年郑州市水资源利用情况与经济发展变化之间的脱钩关系见图4，整体来看，二者关系主要呈现强脱钩和弱脱钩两种特征，在近几年有向强脱钩状态发展的趋势。该市2021~2024年脱钩指数分别为：1.24、−3.38、−0.04、0.0002，脱钩状态分别为：弱脱钩、强脱钩、强脱钩、弱脱钩，近几年万元GDP用水量逐年降低，分别为：17.5 m³、16.3 m³、15.4 m³、14.4 m³，流域调水量分别为10.5亿m³、9.8亿m³、9.3亿m³、10.1亿m³，非常规水供水量分别为4.8亿m³、3.8亿m³、4.1亿m³、4.2亿m³，占总供水量的比例均有所上升。随着郑州市南水北调、再生水利用、生态水循环利用等工程的有序开展，该市水资源供需矛盾得到缓解，用水效率有所提高，经济增长对水资源的依赖性呈逐步弱化态势，水资源供需与经济高质量发展的协调水平不断提升，以有限的水资源总量，有力保障了郑州国家中心城市现代化建设。

Figure 4. Decoupling status in Zhengzhou during 2017~2024

图4. 郑州市2017~2024年脱钩状态

5. 结论

利用水生态足迹模型对郑州市2016~2024年水资源状况进行综合评估，主要研究结论如下：

1) 研究期间郑州市水量生态足迹的变化趋势呈现先上升后下降最后基本保持稳定的状态，水质生态足迹总体呈上升趋势。水资源生态承载力和水质生态承载力的变化趋势基本一致，呈波动中小幅上升状态。分析郑州市存量流量利用比可知，研究期除2021年安全状态为中度不可持续外，其余年份均为极端不可持续，郑州市水资源供需矛盾较为突出，需通过外流域调水来缓解。

2) 研究期间郑州市4个水资源账户的水生态足迹变化特征各不相同：生活用水生态足迹在郑州市水资源生态足迹中占比最大，且呈波动上升态势，工业用水账户的足迹在波动中逐渐下降，农业用水账户的足迹基本保持稳定，生态环境用水账户的足迹在逐步上升。

3) 研究2017~2024年郑州市水资源利用情况与经济发展变化之间的关系，有向强脱钩状态发展的趋势，总体较为理想。表明随着郑州市南水北调、再生水利用、生态水循环利用等工程的有序开展，郑州市水资源供需矛盾得到缓解，用水效率有所提高，经济增长对水资源的依赖性呈逐步弱化态势，水资源供需与经济高质量发展的协调水平不断提升。

基金项目

河南省自然基金面上项目(252300420293)、河南省科技攻关项目(252102320009)。