郴州市水资源生态足迹及生态承载力时空分析

Spatial and Temporal Analysis of Ecological Footprint and Ecological Carrying Capacity of Water Resources in Chenzhou City

摘要: 郴州市是以“水资源可持续利用与绿色发展”为主题建设的国家可持续发展议程创新示范区。本文采用水资源生态足迹法，对郴州市及所辖11个县(市、区) 2015~2022年水资源生态足迹及水资源生态承载力时空分布进行了分析，结果表明：近八年以来，郴州市水资源生态足迹以农业用水足迹为主，其次为工业用水足迹，人均水资源生态足迹呈平稳波动，历年平均0.775 hm²/人；郴州市水资源生态足迹变化主要受降水影响，整体变化与降水量变化趋势保持一致；郴州市11个县市区在水资源生态足迹上存在差异，资兴市水资源生态足迹处于高水足迹域，桂阳县、宜章县、嘉禾县、汝城县和桂东县的人均水资源生态足迹均处于低水足迹域；郴州市水资源常年处于生态盈余，本地水资源可满足城市发展需求，为实现可持续发展目标打下坚实基础。

Abstract: Chenzhou City is constructing a national sustainable development agenda innovation demonstration zone with the theme of “sustainable utilization of water resources and green development”. This article uses the water resource ecological footprint method to analyze the spatial and temporal distribution of water resource ecological footprint and water resource ecological carrying capacity in Chenzhou City and its 11 counties (cities, districts) from 2015 to 2022. The results show that: The ecological footprint of water resources in the past eight years has been mainly based on agricultural water use, followed by industrial water use. The per capita ecological footprint of water resources shows a stable fluctuation, with an average of 0.775 hm² per person over the years. The ecological footprint of water resources is mainly affected by precipitation, and the overall change is consistent with the trend of precipitation changes; there are differences in the ecological footprint of water resources among 11 counties and districts in Chenzhou City. Zixing City’s ecological footprint of water resources is in the high-water footprint domain, while the per capita ecological footprint of water resources in Guiyang County, Yizhang County, Jiahe County, Rucheng County, and Guidong County are all in the low water footprint domain; water resources in Chenzhou City are constantly in ecological surplus, and local water resources can meet the needs of urban development, laying a solid foundation to achieve sustainable development goals.

1. 研究区概况

郴州市地处东经112˚14'~114˚10'，北纬24˚54'~26˚51'之间，位于湖南省东南部，南与广东毗邻，东临江西，素有湖南省“南大门”之称。全市辖2个市辖区、8个县，代管1个县级市，区域面积19,317 km²，是中国优秀旅游城市、中国温泉之城、中国有色金属之乡、国家园林城市。郴州市水资源禀赋丰富，境内有湘江、赣江和北江(占总面积的比例分别为77.36%、3.56%、19.08%)三大水系；除此之外境内的东江湖蓄水量(81.2亿m³)相当于半个洞庭湖，其水质常年稳定保持I类，是全国少有的大型优质水源。研究区水系图见图1。郴州市多年平均水资源总量164.4亿m³，人均水资源量3525 m³，是全国人均水资源量的1.7倍。2019年，国务院批复郴州市以“水资源可持续利用与绿色发展”为主题建设国家可持续发展议程创新示范区。近年来，郴州市创新示范区致力打造郴州“水立方”，创建“郴州好水，生活更美”品牌，示范区建设卓有成效，但也存在不平衡不充分的问题。本研究通过分析郴州市水资源生态足迹，剖析郴州国家可持续发展议程创新示范区水资源可持续状况的时空演变规律，为全球可持续发展提供中国经验。

2. 研究方法与数据来源

生态足迹法是一种全球持续发展指标。生态足迹最早是由加拿大生态经济学Willam Rees等[1]在1992年提出并在1996年由其博士生Wackernagel完善的一种衡量人类自然资源利用程度以及自然界为人类提供的生命支持服务功能的方法[2]。

2.1. 水资源生态足迹

水资源生态足迹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[3] [4]。公式如下：

图1. 郴州市水系图

$E{F}_w=N\times e{f}_w={\gamma }_w\times \left(W/p_w\right)$ (1)

式中：EF_w为水资源生态足迹/hm²；N为人口；ef_w为人均水资源生态足迹/hm²·cap⁻¹；γ_w为全球水资源均衡因子，取5.19 [2]；W为水资源消耗量/m³；p_w为全球水资源平均生产能力/m³·hm⁻²，取3140 m³/hm² [2]。

2.2. 水资源生态承载力

水生态承载力指在某一特定的历史发展阶段下，某一区域可供的最大水资源量，能够支持该区域可持续发展的能力，包括社会(生态、生产和生活)、资源、环境等方面[2]。计算公式如下：

$E{C}_w=N\times e{c}_w=0.4\times \psi \times {\gamma }_w\times Q/p_w$ (2)

式中：EC_w为水资源生态承载力/hm²；ec_w为人均水资源生态承载力/hm²·cap⁻¹；ψ为水资源产量因子，取0.41 [2]；Q为水资源总量/m³。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，乘以系数0.4 [2]。

2.3. 水资源生态盈亏

水资源生态盈余是水资源生态承载力大于水资源生态足迹，表明水资源尚有潜力。水资源生态赤字是水资源生态承载力小于水资源生态足迹，表明水资源过量开发[5]。

$ES/ED=E{C}_w-E{F}_w$ (3)

其值为正，为生态盈余；其值为0，表明水资源生态平衡；其值为负，为生态赤字。

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。其值越小表明水资源利用效率越高，反之越低[6]。

$万元GDP水资源生态足迹=E{F}_w/GDP$ (4)

2.5. 水资源生态压力

水资源生态压力主要表征水资源可持续发展受社会经济发展影响情况。其值的大小代表人类活动对水资源的作用程度，值越大越不利于水资源的可持续利用[7]。

$EFI=E{F}_w/E{C}_w$ (5)

式中：EFI为水资源生态压力。EFI > 1，表示人类活动已对水资源产生威胁和胁迫，并超出生态承载力的极限，水资源开采利用处于不利状况；EFI = 1，表示人类各种生产生活活动与水资源产生平衡，表明区域水资源达到维持其生态承载的极限；EFI < 1，表示人类活动对水资源的影响作用较小，在生态承载力的可控范围之内，水资源开采利用为良性状态[8]。

2.6. 数据来源

水资源数据取自2015~2022年《湖南省水资源公报》《郴州市水资源公报》；人口、面积等社会经济数据采用2015~2022年《郴州统计年鉴》，具体见表1。

表1. 2015~2022年郴州市社会经济指标及用水量

年份	人口/万人	GDP/亿元	年降水量 /mm	水资源总量 /亿m^3	总用水量 /亿m^3	农业用水 /亿m^3	工业用水 /亿m^3	居民生活 用水/亿m^3	城镇公共 用水/亿m^3	公共生态 用水/亿m^3
2015	473.02	2012.1	1797.5	205.8	24.31	12.48	8.82	2.13	0.66	0.21
2016	471.11	2190.8	1877.8	248.8	23.96	12.10	8.78	2.12	0.75	0.21
2017	473.16	2178.19	1403.2	157.6	22.84	12.41	7.19	2.14	0.89	0.21
2018	474.45	2391.9	1457.6	154.1	23.18	12.47	6.96	2.20	1.35	0.21
2019	475.46	2410.9	1653.0	233.6	23.19	12.36	6.83	2.22	1.56	0.23
2020	467.8	2503.07	1510.1	148.4	18.33	12.65	2.63	1.88	0.95	0.22
2021	465.79	2770.08	1576.4	148.1	19.48	12.26	3.04	2.21	1.16	0.80
2022	463.68	2980.49	1604.2	207	21.2	13.74	3.38	2.34	1.02	0.75

3. 结果与分析

3.1. 水资源生态足迹和生态承载力分析

以郴州市2015~2022年各行业用水数据为输入，利用公式(1)~(4)，计算其水资源生态足迹和生态承载力(结果见表2)。

表2. 郴州市2015~2022年人均水资源生态足迹与人均生态承载力

年份	生态足迹(hm^2/人)						人均生态承载力 (hm^2/人)	人均生态盈余 (hm^2/人)	万元GDP水资 源生态足迹 (hm^2)
	人均农 业用水	人均工 业用水	人均居民 生活用水	人均城镇 公共用水	人均公 共生态	人均水资源 生态足迹
2015	0.436	0.308	0.074	0.023	0.007	0.849	8.015	7.166	0.200
2016	0.425	0.308	0.074	0.026	0.007	0.841	9.729	8.888	0.181
2017	0.434	0.251	0.075	0.031	0.007	0.798	6.136	5.338	0.173
2018	0.434	0.242	0.077	0.047	0.007	0.808	5.983	5.176	0.160
2019	0.430	0.237	0.077	0.054	0.008	0.806	9.051	8.245	0.159
2020	0.447	0.093	0.066	0.034	0.008	0.648	5.844	5.196	0.121
2021	0.435	0.108	0.078	0.041	0.028	0.691	5.857	5.166	0.116
2022	0.490	0.120	0.083	0.036	0.027	0.757	8.224	7.467	0.118

图2. 郴州市2015~2022年人均水资源生态足迹

郴州市人均水资源生态足迹为0.775 hm²/人。如图2所示，从用水类型上看，郴州市水资源生态足迹以农业用水为主，农业用水足迹 > 工业用水足迹 > 居民生活用水足迹 > 城镇公共用水足迹 > 生态环境用水足迹。近几年，农业用水生态足迹、居民生活用水足迹保持平稳状况、工业用水生态足迹有逐年下降趋势，但与北方城市相比，仍有较大降低空间。综合分析可知，郴州市在农业节水、产业结构优化等方面还有很大的提升空间。

图3. 郴州市2015~2022年水资源生态足迹、水资源生态承载力、水资源生态盈余变化

2015年~2022年间，郴州市水资源均处于生态盈余状态，本地水资源可满足城市发展需求。如图3所示，郴州市2015~2022年人均水资源生态足迹呈平稳波动，历年平均0.775 hm²/人；水资源生态承载力变化趋势与降水量保持一致，表明其承载能力主要受降水影响。

3.2. 郴州市各县(区)人均水资源生态足迹和生态承载力分析

根据2015~2022年郴州各县(区)人均水资源生态足迹核算结果将其分为3个等级：高水足迹域(>1.5 hm²)、中等水足迹域(0.8~1.5 hm²)、和低水足迹域(<0.8 hm²)。由图4可知，从人均水资源生态足迹空间分布来看，2015~2022年北湖区、桂阳县、宜章县、嘉禾县、汝城县和桂东县的人均水资源生态足迹均处于低水足迹域，北湖区虽基本处于低水足迹域，但该地区作为郴州市人口最为密集的区域，居民生活用水足迹居高不下。资兴市2015~2022年人均水资源生态足迹均处于高水足迹域，2022年资兴市的工业用水超过农业用水，工业用水达2.22亿m³。苏仙区2015~2019年人均水资源生态足迹处于中等水足迹域，2020~2022年处于低水足迹域，历年平均值处于中等水足迹域。永兴县2015~2019年、2021年人均水资源生态足迹处于中等水足迹域，2020年、2022年处于低水足迹域，历年平均值处于中等水足迹域。临武县2015~2021年人均水资源生态足迹处于低水足迹域，2022年处于中等水足迹域，历年平均值处于低水足迹。安仁县2015年、2017年、2018年、2020年人均水资源生态足迹处于中等水足迹域，2016、2019、2022年处于低水足迹域，历年平均值处于低水足迹域。

从人均水资源生态承载力的变化来看，郴州各县(区)人均水生态承载力均介于1.88~23.50 hm²之间，其中人均水资源生态承载力最大的为桂东县，历年平均值为17.30 hm²；其次为汝城县和资兴市，历年平均值分别为14.57 hm²和14.10 hm²；人均水资源生态承载力最小的是嘉和县，历年平均值为2.93 hm²。

从人均水资源生态足迹与人均水资源生态承载力的变化趋势来看，郴州市所有县(区)的人均水资源生态足迹均小于人均水资源生态承载力，人类活动对水资源的影响作用较小，在生态承载力的可控范围之内，水资源开发利用为良性状态。

图4. 2015~2022年郴州市各县(区)人均水资源生态足迹与水资源生态承载力

4. 结论

1) 2015~2022年，郴州市水资源生态足迹以农业用水为主，农业用水足迹 > 工业用水足迹 > 居民生活用水足迹 > 城镇公共用水足迹 > 生态环境用水足迹。计算结果与郴州市农业用水占比较大、农业用水较为粗放、工业产业布局等密切相关，也表明郴州市在农业节水、优化种植结构等方面还需开展诸多工作。人均水资源生态足迹基本保持平稳，表明近几年郴州市用水特点和用水水平未发生显著变化，也说明水资源效率提升需尽快提上工作日程。全市工业用水足迹有明显下降趋势，2022年与2015年相比下降约60%，但与北方城市相比，仍有较大降低空间。

2) 2015~2022年，郴州市11个县市区在水资源生态足迹上存在显著空间差异。资兴市历年水资源生态足迹都处于高水足迹域，且2022年资兴市的工业用水量超过农业用水量，又加之工业用水效率不高，导致其综合水生态足迹较高。北湖区近年来基本处于低水足迹域，但由于北湖区是郴州市人口最为密集的区域，其居民生活用水足迹居高不下。研究期内苏仙区、永兴县水资源生态足迹有下降趋势，临武县水资源生态足迹有所上升。桂阳县、宜章县、嘉禾县、汝城县和桂东县的人均水资源生态足迹均处于低水足迹域，也与其水资源较为丰富、经济发展较为缓慢相关。

3) 2015~2022年，郴州市水资源均处于生态盈余状态，表明本地水资源可满足城市发展需求，同时反映出郴州市建设“水资源可持续利用与绿色发展”国家可持续发展创新示范区建设效果明显，水资源也可为其实现可持续发展目标奠定坚实基础。

基金项目

国家重点研发计划资助(项目编号：2022YFC3800700)、湖南水利科技项目XSKJ2023059-15、郴州国家可持续发展议程创新示范区省级专项“揭榜挂帅”项目2022sfq50、湖南省水利水电科学研究院优秀人才培养支撑项目《湖南省城市水生态安全指标体系及保障技术研究》。

NOTES

作者简介：徐幸仪(1986-)，女，硕士研究生，高工，研究方向为水资源节约与保护，Email: [e-mail]