秦欢欢 黄丽想
摘要：
为了定量评价江西省水资源生态安全的状况，采用水资源生态足迹模型、系统动力学法和情景分析法，通过构建江西省水资源利用系统动力学模型，设计了保持现状（JS1）、经济增长（JS2）、节约用水（JS3）、综合发展（JS4）4种发展情景，对现状（1999～2021年）和未来（2022～2050年）江西省水资源生态足迹进行评价与预测。结果表明：现状年份江西省水资源生态足迹和生态承载力均呈缓慢平稳上升趋势，水资源生态协调性较好，处于较安全的合理利用水平；
未来年份4种发展情景下江西省水资源生态足迹呈增长趋势、水资源生态盈余呈下降趋势，除情景JS3外的其余情景均出现了水资源利用不安全的情况。经过比较，情景JS4具有较适中的水资源可持续利用评价指标，能够兼顾经济的发展和水资源的保护，是满足江西省水资源可持续利用的最佳情景。江西省在未来应采取节约用水、提高用水效率、合理调整产业结构等措施保证社会经济和水资源的可持续发展与利用。研究成果可为区域水资源可持续发展提供科学依据。
关 键 词：
水资源生态足迹；
水资源生态承载力；
水资源可持续利用；
系统动力学模型；
江西省
中图法分类号：
TV213.4
文献标志码：
A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.015
0 引 言
生态足迹（Ecological Footprint，EF）这一概念起源于Wiilian Rees在1992年提出的一种非货币度量方法［1-3］，指的是能够满足区域人口需求且具备生物生产力的土地和水域的面积［4-7］。生态承载力（Ecological Carrying Capacity，ECC）是指在特定环境条件下，某种个体存在数量的最高极限。这两个概念自出现以来就在国内外得到了广泛的使用和发展，诸多学者都对其进行了深入的研究，也使得生态足迹与生态承载力成为生态环境领域研究的热点之一［2-7］。相比较来说，水资源生态足迹与生态承载力相当于水资源利用系统中的用水模块与供水模块，通过它们的对比可以获得区域水资源盈余或赤字的状况，进而据此制定相对应的水资源管理政策。现有研究表明，水资源生态足迹和生态承载力是水资源研究中的主要方法之一［8-12］，陆续有学者对中国上海市［4］、阿拉善地区［3］、西南地区［5］、甘肃省［7］、鄱阳湖流域［8］、长江流域［9］、中原城市群［11］以及全国［2，10］等不同尺度研究区域的水资源生态足迹和生态承载力进行了研究与评价。这些研究大多数是针对研究区现状水资源利用情况下的生态足迹与生态承载力进行计算与评价，少数研究还采用系统动力学法、BP神经网络法等方法对研究区未来的状况进行了预测［2，12］。随着区域水资源供需矛盾的不断加剧和水环境污染问题的日益突出［13］，生态文明已经成为区域社会经济与资源环境可持续发展的重要组成部分，通过众多学者的研究与探索，水资源生态足迹与生态承载力也越来越受到重视，在水资源领域也得到了长足的发展和广泛的应用。
地处长江中下游南岸的江西省是水资源量较丰富的南方省份，多年平均降水量和水资源量分别为1 638.4 mm 和1 570亿m3［14］。然而，随着社会经济的快速发展，江西省在用水过程中出现了水资源量时空分配不均、水资源利用率低、污染加剧、洪涝灾害频发等涉水问题，由此导致江西省仍然存在水资源供需矛盾。目前，已有一些针对江西省水资源的研究，主要集中在用水结构与用水效率分析［15-17］、需水量预测［18］、水资源承载力评价［19-20］、水资源安全评价［21］等方面，在生态足迹和生态承载力方面的研究较少［14，22-23］，且缺少对江西省未来水资源生态足迹和生态承载力的预测研究。如孟丽红［14］、谷文林［22］、殷茵［23］等分别针对江西省2007～2011年、2010～2018年和2004～2013年水资源生态足迹和生态承载力进行了研究和分析。为了掌握江西省水资源利用及盈余情况的现状，科学预测江西省未来水资源可持续利用的状况，十分有必要对江西省水资源生态足迹和生态承载力进行分析与预测。
对水资源生态足迹和生态承载力进行科学合理的预测，能够为区域水资源可持续利用提供有科学依据的前瞻性建议与意见［12］。目前，采用的预测方法有灰色预测模型［24］、整合移动平均自回归（Autoregressive Integrated Moving Average，ARIMA）模型［25］、广义回归神经网络（General Regression Neural Network，GRNN）模型［26］、反向传播（Back Propagation，BP）神经网络模型［12］、系统动力学（System Dynamics，SD）模型［2］等。相对而言，SD模型能够考虑需水量计算中的诸多社会、经济、工程和技术等因素，可对区域需水量进行较准确的预测［27］，而需水量预测是水资源生态足迹和生态承载力预测的基础。因此，本次研究选择SD模型对水资源生态足迹和生态承载力进行预测。
本次研究采用SD模型对江西省1999～2021年的水资源生态足迹和生态承载力进行计算，选取水资源生态盈余、水资源生态压力指数和水资源生态经济协调指数等3个指标对现状情况下江西省水资源可持续利用状况进行分析，在此基础上设定4种不同的发展情景，根据SD模型的模拟结果对江西省2022～2050年的水资源生态足迹和生态承载力进行预测。通过对江西省现状和未来长期水资源生态足迹和生态承载力的分析与预测，不仅能够选出社会经济发展与水资源保护并重的水资源利用情景，作为江西省未来满足可持续发展政策的最佳情景，而且可以为江西省现状及未来水资源的可持续利用提供科学的依据和建议。
1 研究区与研究方法
1.1 研究區概况
江西省（东经113°34′36″～118°28′58″、北纬24°29′14″～30°04′41″）位于长江中下游南岸，南北和东西跨度分别为620 km和490 km，四周与浙江省、福建省、广东省、湖南省、湖北省和安徽省相连，地势南高北低，从南到北主要地形分别为山地、丘陵和平原，总面积16.69万km2。江西省地处中亚热带湿润季风区，气候温和，雨量丰沛，光照充足［18］。2021年江西省常住人口4 517.4万人，GDP 为29 619.7亿元，降水量1 524.8 mm。2020年江西省地表水、地下水和总水资源量分别为1 666.72亿m3、385.99亿m3和1 658.56亿m3，全省供水量244.12亿m3，占全年水资源总量的14.5%。
1.2 水资源生态足迹和生态承载力
水资源生态足迹WEF衡量的是区域各用水部门的水资源消耗量转换成相对应的生态生产性水域面积［8］，其计算公式如下［28］：
WEF=4i=1WEFi=4i=1μw×QiPw（1）
式中：WEF表示区域水资源生态足迹，hm2；
WEFi表示第i个用水部门的水资源生态足迹，hm2，本文将江西省划分为生活用水、工业用水、农业用水和生态用水等4个用水部门；
μw表示全球水资源均衡因子，取值为5.19［2，4］；
Qi表示区域水资源消耗量，m3；
Pw表示全球水资源平均生产能力，一般取值为3 140 m3/hm2 ［2，8，29-30］。
水资源生态承载力WECC是基于水资源生态足迹模型而定义的，它指的是某一时期内区域最大的水资源量供给能够为该区域内的社会经济与资源环境等方面提供的满足可持续发展的能力［31］，可由以下公式计算［32］：
WECC=0.4 μwξQCPw=0.4 μwξQS+QG+QRPw（2）
式中：WECC表示区域水资源生态承载力，hm2；
ξ是水资源产量因子，江西省的水资源产量因子取值为2.71［28］；
QC、QS、QG和QR分别表示水资源总量、地表水资源量、地下水资源量和灌溉回归水量，m3；
0.4表示在水资源生态承载力的计算中需要扣除用于生态和生物多样性补偿面积后可用水资源的比例，取世界環境和发展委员会建议值［33］。
1.3 水资源可持续利用评价指标
水资源利用过程中的供给与需求不匹配导致的供需矛盾是水资源可持续利用的根源问题［34］，与此相关的各种水资源可持续利用模型均与水资源的供给和需求关系息息相关，而水资源生态足迹和生态承载力则是最关键、最重要的两个参数。有鉴于此，本次研究选取水资源生态盈余、水资源生态压力指数和水资源生态经济协调指数等3个参数作为评价水资源可持续利用的指标，其计算方式如下所示：
SW=WECC－WEF（3）
PIE=WEFWECC（4）
ECIE=WEF+WECCWEF2+WECC2（5）
式中：SW表示水资源生态盈余，hm2，正值表示区域水资源存在生态盈余，可以继续利用；
负值表示区域水资源存在生态赤字，存在过度利用，不能继续进行开发。PIE表示衡量区域水资源生态压力的水资源生态压力指数，其数值大于1表示水资源使用量大于水资源总量，区域水资源利用处于不安全状态；
PIE数值在（0，1）区间则表示水资源使用量小于水资源总量，区域水资源利用处于安全状态；
PIE数值越大，区域水资源利用越不安全。ECIE表示水资源生态经济协调指数，其取值范围为1≤ECIE≤1.414，用于衡量区域社会经济与生态环境之间的协调程度［35］，值越大（小），区域水资源生态协调性和安全性越好（差）。
1.4 江西省水资源利用SD模型
系统动力学是1956年创立的系统仿真方法，是一门分析研究信息反馈系统的学科，也是一门认识系统问题和解决系统问题的交叉综合学科，是结构方法、功能方法和历史方法的统一［36］。随着系统动力学理论和方法的不断发展与完善，以及计算机技术的改进，该方法已经在很多领域得到应用，如城市规划、生态环境规划、生态承载力、需水量预测、污水再生回用、铁路运价制定等，尤其在处理高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈问题方面具有显著优势。
张诗倩等［18］采用VENSIM Professional版软件构建了江西省水资源利用SD模型，图1是模型的流图，展示了系统中主要变量之间的定量关系。利用历史数据对模型进行了校准，生活需水量、工业需水量、农业需水量和总需水量的相对误差均在±5%以内，说明模型校准是成功的。本次研究在此基础上采用SD模型的结果进行水资源生态足迹和生态承载力的计算和预测。模型模拟周期为1999～2050年，时间步长为1 a，其中1999～2021年为现状年份，2022～2050年为预测年份。
在模型校准的基础上，根据江西省现状情况下水资源利用和社会经济发展状况，综合考虑未来不同情况下江西省水资源利用的着重点，设计了4种不同的发展情景，分别是保持现状型情景（JS1）、经济增长型情景（JS2）、节约用水型情景（JS3）和综合发展型情景（JS4），表1列出了这4种情景的具体内容。
1.5 模型中数据的来源
模型的参数有常数类、表函数和初始值等3类，本次研究中使用到的现状年份的参数数据来自于江西省的相关统计数据，包括《江西省统计年鉴》［37］中的社会经济数据和各类增长率数据，以及《江西省水资源公报》［38］中的水资源数据和用水定额数据。根据江西省不同用水部门的特点和对水资源可持续发展的需求，参考国内外相似研究区域的相关参数，依据江西省人口增长情况、经济发展水平、科技应用状况、水资源利用程度、工农业节水工艺和技术等因素的变化，综合评价并确定这3类参数的数值。
2 结果与分析
2.1 江西省水资源生态承载力现状分析
图2是现状情况下江西省水资源生态足迹与生态承载力及水资源可持续利用评价指标曲线图。从图2（a）可以看出，江西省1999～2021年的水资源生态足迹和生态承载力均呈缓慢平稳上升的趋势，每年水资源生态足迹和生态承载力分别上升0.461 9×106 hm2和0.432 8×106 hm2。江西省水资源生态承载力在1999～2021年期间始终大于水资源生态足迹，说明随着社会经济的发展，现状年份江西省水资源开发利用程度均在水资源的生态承载能力范围内，存在生态盈余（见图2（b）），水资源生态盈余范围为7.832×106～ 12.661×106 hm2，平均生态盈余为10.463×106 hm2，江西省的水资源利用整体处于合理的水平。从图2（b）还可以看出，1999～2021年期间，江西省水资源生态压力指数（范围0.771～0.813，平均值0.786，小于1）和水资源生态经济协调指数（范围1.403～1.407，平均值1.404，接近1.414）均处于比较平稳的状态，表明这一时期江西省水资源的生态协调性较好，水资源利用处于较安全的水平。
表2是现状情况下江西省历年不同用水部门的水资源生态足迹及贡献比例。从表2可以看出，1999～2021年江西省农业用水部门的水资源生态足迹远大于生活、工业和生态等用水部门的水资源生态足迹，排第二的是工业用水部门的水资源生态足迹。1999～2021年平均来看，农业、工业、生活和生态等用水部门的水资源生态足迹分别为25.202×106，9.211×106，3.853×106 hm2和0.303×106 hm2，占总水资源生态足迹（38.568×106 hm2）的比例分别为65.41%，23.90%，9.93%和0.76%。农业用水部门的水资源生态足迹主要由灌溉用水来决定，其水资源生态足迹（23.139×106 hm2）占农业水资源生态足迹的 91.81%。城镇生活用水的生态足迹（2.507×106 hm2）与农村生活用水的生态足迹（1.346×106 hm2）的贡献之比大致为3∶2。随着江西省社会经济的不断发展，各用水部门消耗的水资源量也处于稳步上升的状态，由此导致各用水部门的水资源生态足迹随时间呈稳步上升的水平。相比于1999年，2021年江西省农业、工业和生活等用水部门的水资源生态足迹分别增长了0.22%，46.40%和44.42%，生态用水的生态足迹则从0增长到0.411×106 hm2，总用水的生态足迹则增长了14.57%。这是因为江西省社会经济的快速发展导致工业和生活用水的生态足迹增长迅速，而农业用水的生态足迹则由于基数大、占比高而呈现较缓慢的增长。生态用水的生态足迹从无到有的增长体现了江西省对于生态环境问题的重视。
随著社会经济的发展，江西省的人口也在不断增长，由此导致江西省人均水资源生态足迹和生态承载力动态变化（见图3）。1999～2021年江西省人均水资源生态足迹和生态承载力的范围分别为0.666～0.969 hm2/人和0.850～1.241 hm2/人，平均值分别为0.863 hm2/人和1.097 hm2/人；
相对应的人均水资源生态盈余的范围为0.184～0.278 hm2/人，平均值为0.235 hm2/人。无论是从总体的角度还是人均的角度，江西省水资源的利用都是处于安全的水平。
2.2 江西省水资源生态承载力情景预测
根据设定的4种发展情景，运行校准后的SD模型对江西省2022～2050年水资源利用情况进行模拟，利用得到的模拟结果对江西省未来的水资源生态足迹和生态承载力进行预测。图4是预测期内不同发展情景下江西省水资源生态足迹、水资源生态承载力、水资源生态盈余、水资源生态压力指数及水资源生态经济协调指数曲线图。从图4（a）可以看出，4种情景下江西省未来的水资源生态足迹均呈增长的趋势，其中经济增长情景JS2增长的速度最快（从42.315×106 hm2增长至150.338×106 hm2，年均增长9.12%），节约用水情景JS3增长的速度最慢（从37.444×106 hm2增长至46.607×106 hm2，年均增长0.87%），保持现状情景JS1（从41.609×106 hm2增长至60.530×106 hm2，年均增长1.62%）和综合发展情景JS4（从37.762×106 hm2增长至73.727×106 hm2，年均增长3.40%）则居中。与此同时，4种情景下江西省水资源生态承载力则呈现较平稳的水平（见图4（b）），由此导致4种情景下水资源生态盈余均出现下降的趋势（见图4（c））。除节约用水情景JS3外，其余情景在预测后期甚至出现了连续的水资源生态赤字。经济增长情景JS2中水资源生态盈余下降速度最快（从8.569×106 hm2下降为-99.704×106 hm2，出现了19 a的水资源生态赤字），节约用水情景JS3中水资源生态盈余下降速度最慢（从12.580×106 hm2下降为1.912×106 hm2，
未出现水资源生态赤字），保持现状情景JS1（从9.275×106 hm2下降为-9.897×106 hm2，出现了10 a的水资源生态赤字）和综合发展情景JS4（从12.262×106 hm2下降为-25.208×106 hm2，出现了9 a的水资源生态赤字）则居中。4种情景下江西省水资源生态压力指数均呈增长的趋势（见图4（d）），经济增长情景JS2下该指数从0.832快速增长至2.969，增速最快；
节约用水情景JS3下该指数从0.749增长至0.961，增速最慢；
保持现状情景JS1（该指数从0.818增长至1.195）和综合发展情景JS4（该指数从0.755增长至1.520）的增速则居中。除了节约用水情景JS3外，其余3种情景均出现了连续的水资源生态压力指数大于1的水资源利用不安全的情况，其中经济增长情景JS2出现了19 a，保持现状情景JS1出现了10 a，而综合发展情景JS3则出现了9 a。对于水资源生态经济协调指数（见图4（e）），经济增长情景JS2下该指数出现了较大幅度的下降，从1.408下降至1.267；
节约用水情景JS3下该指数则保持在1.414附近波动的较平稳状态，从1.400变动至1.414；
保持现状情景JS1下该指数呈现浅倒U形变动的趋势，从1.407上升至1.414再下降至1.409；
综合发展情景JS4中该指数呈现和情景JS3类似的变动趋势，从1.401上升至1.414再下降至1.385。
表3列出了预测期4种不同情景下江西省不同用水部门的多年平均水资源生态足迹及贡献比例。从表3可以看出，预测期内平均来看，4种情景下总水资源生态足迹分别为48.485×106 hm2，73.867×106 hm2，37.577×106 hm2和45.383×106 hm2。保持现状情景JS1、节约用水情景JS3和综合发展情景JS4下江西省农业用水的生态足迹（分别为28.265×106 hm2，22.425×106 hm2和22.413×106 hm2，贡献占比分别为58.30%，59.68%和49.39%）最大，而经济发展情景JS2下则是工业用水的生态足迹（40.482×106 hm2，贡献占比54.80%）最大。相比于现状的情况，4种情景下水资源生态足迹最大的用水部门贡献占比均显著下降了。同时，不同用水部门的水资源生态足迹的贡献占比差别在变小，即趋向于均衡化。灌溉用水生态足迹在农业用水部门的贡献占比在4种情景下均超过了70%（分别为76.77%，76.85%，70.63%和70.66%），故而灌溉用水决定了农业用水的生态足迹。与现状情况类似，预测期内城镇生活用水的生态足迹（4种情景下分别为3.364×106 hm2，3.475×106 hm2，2.459×106 hm2和2.538×106 hm2）与农村生活用水的生态足迹（4种情景下分别为1.105×106 hm2，1.139×106 hm2，1.105×106 hm2和1.139×106 hm2）的贡献之比大致为3∶1。
图5是预测期内各情景下江西省人均水资源生态足迹、人均水资源生态承载力及人均水资源生态盈余柱状图。从图5（a）可以看出，经济增长情景JS2是所有情景中人均水资源生态足迹最大的情景，其范围为0.886～2.529 hm2/人，平均值为1.363 hm2/人；
节约用水情景JS3是人均水资源生态足迹最小的情景，其范围为0.643～0.848 hm2/人，平均值为0.731 hm2/人；
而保持现状情景JS1（人均水资源生态足迹范围为0.865～1.102 hm2/人，平均值为0.943 hm2/人）和综合发展情景JS4（人均水资源生态足迹范围为0.670～1.238 hm2/人，平均值为0.846 hm2/人）则居中。从图5（b）可以看出，4种情景下江西省人均水资源生态承载力相差不大，平均值分别为0.990，0.960，0.952，0.923 hm2/人。由此导致4种情景下人均水资源生态盈余变化各不相同（见图5（c））：节约用水情景JS3在整个预测期均存在生态盈余，而其余3种情景下均出现了连续的生态赤字（情景JS1、JS2和JS4分别在预测后期出现10 a、19 a和9 a的生态赤字）。对于出现水资源生态赤字的3种情景，其最大的水资源生态赤字分别为-0.180，-1.677，-0.423 hm2/人。
2.3 情景比较与分析
表4是4种情景下江西省水资源可持续利用指标及相关情况的对比。从预测期内平均的角度来看，如果江西省选择优先发展经济（情景JS2），那么该情景下的水资源生态足迹（73.867×106 hm2）、水资源生态压力指数（1.459）、人均水资源生态足迹（1.363 hm2/人）以及出现水资源生态赤字和水资源利用不安全的年数（19 a）都是所有情景中最大的，而水资源生态盈余（-23.226×106 hm2）、人均水资源生态盈余（-0.403 hm2/人）和水资源生态经济协调指数（1.380）是所有情景中最小的。如果江西省将节约用水当作重点（情景JS3），那么该情景拥有最小的水资源生态足迹（37.577×106 hm2）、水资源生态压力指数（0.771）、人均水资源生态足迹（0.731 hm2/人）和出现水资源生态赤字和水资源利用不安全的年数（0）以及最大的水资源生态盈余（11.158×106 hm2）和人均水资源生态盈余（0.221 hm2/人）。这两种情景是两种极端情形，无论是优先发展经济而不顾水资源保护，还是着重保护水资源而牺牲经济的发展，对于经济相对落后的革命老区江西省来说都是不可接受的。与其他情景相比，综合发展情景JS4在评价水资源可持续利用的相关指标方面都具有较适中的数值，水资源生态足迹（45.383×106 hm2）、水资源生态压力指数（0.932）和人均水资源生态足迹（0.846 hm2/人）仅比情景JS3高，水资源生态盈余（3.351×106 hm2）、人均水资源生态盈余（0.077 hm2/人）和出现水资源生态赤字和水资源利用不安全的年数（9 a） 仅比情景JS3低。由此可见，综合发展情景JS4能够兼顾经济的发展和水资源的保护，是可以满足江西省水资源可持续利用的最佳情景。
3 结 论
（1） 对于现状年份（1999～2021年），江西省水资源生态足迹和生态承载力均呈缓慢平稳上升趋势，水资源开发利用程度在水资源生态承载能力范围内，处于合理的水平；
水资源生态压力指数和水资源生态经济协调指数处于比较平稳状态，水资源生态协调性较好，水资源利用处于较安全的水平。
（2） 对于预测年份（2022～2050年），4種情景下江西省水资源生态足迹呈增长趋势、水资源生态承载力保持平稳水平，而水资源生态盈余均呈下降趋势、水资源生态压力指数均呈增长趋势。除了节约用水情景JS3外，其余3种情景均出现了水资源不安全利用的情况。
（3） 综合发展情景JS4具有较适中的评价指标数值，水资源生态足迹、水资源生态压力指数和人均水资源生态足迹仅比情景JS3高，水资源生态盈余、人均水资源生态盈余和出现水资源生态赤字和水资源利用不安全的年数仅比情景JS3低。情景JS4能够兼顾经济发展和水资源保护，是可以满足江西省水资源可持续利用的最佳情景。
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（編辑：谢玲娴）
Evaluation and prediction of water resources ecological footprint in Jiangxi Province
QIN Huanhuan1，2 ，HUANG Lixiang2
（1.State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment，East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China；
2.School of Water Resources and Environmental Engineering，East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China）
Abstract：
In order to quantitatively evaluate the situation of water resources ecological security in Jiangxi Province，this paper adopted the water resources ecological footprint model，system dynamics method and scenario analysis to construct a system dynamics model of water resources utilization in Jiangxi Province，and designed four scenarios as status quo（JS1），economic growth（JS2），water conservation（JS3） and comprehensive development（JS4）.The present（1999～2021） and future（2022-2050） ecological footprint of water resources in Jiangxi Province were evaluated and predicted.The results showed that the ecological footprint and carrying capacity of water resources in Jiangxi Province in the current year were rising slowly and steadily，and the ecological coordination of water resources was good and at a safe and reasonable utilization level.The water resources ecological footprint under the four scenarios in the future years in Jiangxi Province showed an increasing trend，and the water resources ecological surplus showed a decreasing trend.Except for scenario JS3，unsafe water resources utilization occurred in other scenarios.Scenario JS4 had a relatively moderate evaluation index for water resources sustainable utilization，which could give consideration to both economic development and water resources protection and was the best scenario for water resources sustainable utilization in Jiangxi Province.In the future，Jiangxi Province should take measures including saving water，improving water use efficiency，reasonably adjusting industrial structure，etc.，to ensure the sustainable development and utilization of social economy and water resources.The research results can provide a scientific basis for the sustainable development of regional water resources.
Key words：
water resources ecological footprint；
water resources ecological carrying capacity；
water resources sustainable utilization；
system dynamics model；
Jiangxi Province