A Study of the Spatio-Temporal Evolution of Water Resource Ecological Footprint and Ecological Carrying Capacity of Chengdu

Na-na XIONG; Shi-you XIE

doi:10.13718/j.cnki.xdzk.2019.06.017

2019 Volume 41 Issue 6

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Na-na XIONG, Shi-you XIE. A Study of the Spatio-Temporal Evolution of Water Resource Ecological Footprint and Ecological Carrying Capacity of Chengdu[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2019, 41(6): 118-126. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2019.06.017

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Na-na XIONG, Shi-you XIE. A Study of the Spatio-Temporal Evolution of Water Resource Ecological Footprint and Ecological Carrying Capacity of Chengdu[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2019, 41(6): 118-126. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2019.06.017

A Study of the Spatio-Temporal Evolution of Water Resource Ecological Footprint and Ecological Carrying Capacity of Chengdu

Na-na XIONG¹,
Shi-you XIE^1,2,

1.
School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China
2.
Key Laboratory of Eco-environment in the Three-Gorge Reservoir Region(Ministry of Education), Southwest University, Chongqing 400715, China

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Corresponding author: Shi-you XIE
Received Date: 21/09/2017
Available Online: 20/06/2019
MSC: X826

Abstract

Using the ecological footprint model of water resources, the ecological footprint and ecological carrying capacity of water resources of Chengdu from 2000 to 2015 were studied. The results showed that the ecological footprint value of water resources in Chengdu increased from 2000 to 2012 and was relatively low in 2013 due to the influence of Chengdu's water saving policy and industry transformation and tended to be stabilized in 2014 and 2015. The ecological carrying capacity of water resources was shown to be in a positive correlation with precipitation, r being 0.952. Drought disasters had a significant effect on the ecological carrying capacity, resulting in an ecological deficit of water resources in 2006 and 2009. The ecological footprint of water resources per wan yuan GDP (ten-thousand yuan GDP) declined steadily year by year, and the water use efficiency increased by 6.8 times in the 16 years. The per-capita ecological footprint of water resources in all districts and counties of Chengdu was unevenly distributed and varied greatly from 2013 to 2015. The per-capita water resource ecological footprint of industrial cities was high, and all districts and counties were in the state of per-capita water resources ecological surplus. However, the value decreased year by year, thus resulting in a reduced water ecological security. In conclusion, to change the industrial structure, improve the efficiency of water resource utilization and enhance the capacity of water conservancy facilities to combat drought and other natural disasters are the basic ways for the sustainable utilization of water resources in Chengdu.
- Chengdu,
- water resource,
- ecological footprint,
- ecological capacity

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

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资源是人类进步和发展不可或缺的必需品，在倡导可持续发展的全球化背景下，对资源利用能力的衡量已是新的热点.生态足迹是基于土地利用面积核算和计量资源可持续利用的模型^[1]，1992年由加拿大Rees等提出并不断完善和推广，能够较为合理地揭示区域资源与经济发展的关系，评价区域可持续利用能力，它具有直观可靠的计算结果和简单的模型运算等特点^[2].生态足迹具体是计算耕地、林地、化石能源等6类生态生产空间与维持人类资源消耗量和生态承载力的差值，得出生态盈余，继而对地区可持续发展状况进行评价的模型^[3-4].水资源作为生产、生活的消耗品，在生态维持中亦发挥重要作用^[5].将生态足迹模型用于水资源的评价中，很多学者进行了探索并给予认同^[6].学者们在不同区域尺度上，对河南、四川、上海、重庆、安阳等进行了水资源生态足迹的计算，表明了该模型对区域水资源评价具有良好的普适性^[7-11].

成都市作为“西部之心”，是重要的交通枢纽和农业生产城市^[12].成都市在经济指标增长的同时，水资源的消耗也在增加，区域水环境面临巨大压力，对可持续发展产生限制，缓解生态压力已成必然.本文在生态足迹理论上，利用成都市2000-2015年水资源相关数据，采用生态足迹模型计算方法对水资源生态足迹、生态承载力和生态盈亏进行分析，从时间和空间演变角度来测算和判断成都市水资源供需关系，为成都市水资源开发利用、科学管理及可持续发展给出参考及建议.

1. 研究区域概况

成都市纬度在30°05′N-31°26′N，经度是102°54′E-104°54′E，处四川省中部、四川盆地西部，市内海拔最高处位于大邑县，为5 364 m，海拔最低387 m，处东南部金堂区.成都市总面积12 121 km²，辖9区6县4市(县级市).成都市地形区包括龙泉山低山深丘区和金堂区沱江以东丘陵区、成都平原、龙门山和邛崃山山区，地势走向西北高东南低.成都属亚热带湿润季风气候区，雨热同期，季节变化明显，年均温15.2 ℃~16.6 ℃，年降水873~1 265 mm，多年平均降水量为118.76×10⁸ m³.境内河流较多，西南是岷江水系，沱江水系处东南，全市河流超过40条，水域面积700 km²有余^[13].

2. 研究方法

2.1. 水资源生态足迹模型

基于生态足迹模型建立的水资源生态足迹模型，依凭用水特征和内涵，参考黄林楠等^[14]研究成果，将其概括为：地区维持其人口生活与生产所消耗的全部水资源量，其中耗损的水资源量基本包括生活用水、生产用水和生态环境用水.计算模型如下：

式中：EF_W为水资源总生态足迹(hm²)；N为年末户籍总人口数；ef_w为人均水资源生态足迹(hm²/人)；γ_w为水资源的全球均衡因子；W为人均消耗的水资源量(m³)；P_w为水资源全球平均生产能力(m³/hm²).

2.2. 水资源生态承载力模型

建立水资源生态承载力模型的目的是为区域发展提供支撑，当前学术界普遍认同的为：在保证人类生产生活以及生态环境质量要求的基础上，地域内水资源可以支持其人口和经济发展的作用力^[15].水资源承载力是有限度的，此限度是受到人类行为活动的影响，超出限度后，整个水资源环境系统中的结构和功能将会产生质变，从而对人类生产生活产生影响并加以限制.当前使用频率较多的水资源承载力计算研究方法包含：向量模法、系统动力仿真模型、模糊综合评价法、多目标决策分析法、基于生态理论的区域水资源承载法等^[16].本文选用基于生态理论的水资源承载法作为研究水资源承载力的模型方法.其计算模型为

式中：EC_W为水资源承载力(hm²)；N为年末户籍总人口数；ec_w为人均水资源承载力(hm²/人)；ψ为区域水资源的产量因子；γ_w为水资源的全球均衡因子；Q为水资源总量(m³)；P_w为水资源全球平均生产能力(m³/hm²).根据相关研究结果^[17]，发现有60%的水资源用于维持生态环境，所以，无论是何种空间尺度上的水资源承载力计算中，要求乘以0.4.

2.3. 水资源生态盈余/赤字

生态盈余是水资源生态承载力与水资源生态足迹的差值，是对区域内水资源消耗是否在承载范围内的衡量，可用于评判区域内水资源的可持续利用状况^[18].其计算公式如下：

式中：若EC_W＞EF_W时，代表地区内水资源充足，为水资源生态盈余状态，水资源可持续利用状况良好；EC_W=EF_W时，为水资源平衡状态；EC_W＜EF_W时，表明区域水资源亏欠，不足以支持耗损需求，其水资源出现生态赤字，生态和经济发展将受到制约，水资源不可持续.

2.4. 万元GDP水资源生态足迹

万元GDP是水资源生态足迹与GDP值(G_GDP)的比值，可依据其大小权衡区域内水资源的利用效率，若值越小，则区域水资源的利用效率越高，反之利用率低^[18].其计算公式如下：

2.5. 模型中参数的确定

研究中涉及的参数确定主要有：全球均衡因子γ_w、水资源全球平均生产能力P_w、区域水资源产量因子ψ.其中全球均衡因子是为了将不同土地类型的单位生态生产能力转化成一个可比较的标准^[19]，本文采用基于世界自然基金会(WWF)2000年合算的均衡因子计算出的水资源的全球均衡因子5.19.参考相关研究成果^[20-22]，水资源全球平均生产能力被定义为全球多年平均产水模数，取值3 140 m³/hm².区域水资源产量因子是地区内水资源平均生产能力与全球的水资源平均生产能力之比，而地区内水资源平均生产能力，即区域单位面积产水模数^[23].计算公式如下：

因此，根据计算，成都市水资源多年平均生产能力为6 239.75万m³/km²，求得成都市的水资源产量因子约为1.99，各区县产量因子也同理可得出：2013年约为2.42，2014年约为1.93，2015年约为1.61.

2.6. 数据来源

成都市年末户籍总人口数(N)、成都市GDP数据来源于《2000-2015年四川省统计年鉴》与《中国统计年鉴》；人均消耗水资源量(W)、水资源总量(Q)、流域面积、水资源生产账户等数据来源于《2000-2015年成都市水资源公报》；成都市各区县人口数与GDP数据等来源于《2013-2015年成都市统计年鉴》.

4. 结论与讨论

基于生态足迹模型对成都市2000-2015年水资源生态足迹与生态承载力进行了研究，结果表明：

1) 成都市总生态足迹在2000-2012年处于上升趋势，2013年有回落并逐渐稳定，人均生态足迹同总生态足迹涨落同步，平均水平达0.73×10⁸ hm²/人.成都市作为中国西南地区规划发展战略的中心城市，随着经济发展力度的强化，人均水资源生态足迹在2012年起比以往年份上升，2013年后成都市调整经济发展结构，加快建设水生态文明城市，对水资源消耗略有减少，从而逐渐趋于稳定.人口数增长与城市化进程的不断加快，使生活用水比例增加，产业用水比例相对减少，生态环境用水比例较稳定且比例最低.三次产业人均水资源生态足迹中，一、二产业处于下滑趋向，特别是在2012年和2013年之间的下降幅度最大. 2013年成都市被列为全国水生态文明城市建设试点城市，且受到“7·9”特大暴雨洪涝灾害影响，产业用水效率提升，消耗量减少.成都市万元GDP生态足迹历年来一直处于下降趋势，水资源利用率在16年间提升了6.8倍，综合开发能力提高.

2) 成都市历年人均生态承载力达0.9×10⁸ hm²/人，与其他地区相比相对较高，水资源生态承载力与区域降水量之间呈正相关关系，相关系数达0.952，水资源生态承载力在旱情较严重的年度降低.成都市2006年与2009年的旱情使水资源生态承载力降低，从而出现生态赤字，其他年份均是正值，但生态盈余值历年来逐渐减少，成都市的水资源生态环境不安全性加大.

3) 成都市各区县2013-2015年人均生态足迹空间分布不均且变化明显，高值出现在成都市规划发展的工业城市中，低值在中心城区和龙泉驿区，区县间的产业结构影响水资源消耗，从而导致人均水资源生态足迹空间分布的差异，高耗水工业和农业提高了生态足迹值，生态盈余相应减少.人均生态盈亏体现了各区县的水资源可持续利用安全状况，总体来说，成都市各区县都是生态盈余，水资源还能维持生产生活需求，但是整体人均生态盈余值下降，成都市东部和南部区县已处于生态盈余边缘.各区县人均水资源万元GDP都是下降趋势，水资源利用率不断提高，第三产业水资源利用率最高.

加强水利设施的建设，提高蓄、提、引水能力，增强对旱情的管理应对能力是缓解成都市水资源生态赤字的重要措施.成都市各区县应推进建设节水型农业和低耗水工业，调整产业结构，结合区域发展优势推进区域产业转型，提高水资源利用效率，促进水生态环境建设.

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