水资源能值生态足迹计算中涉及的北京市水资源总量、用水量数据均来自北京市水务局《北京市水资源公报》,北京市分区及分产业用水量来自《节水基础数据统计汇编》。地区生产总值(GDP)、年末常住人口数等统计数据来自北京市统计局官网上的《北京市统计年鉴》和《北京区域统计年鉴》。地图数据为北京市1:100万分区划矢量图。北京市人口、降水量、GDP1 km格网空间分布数据均来自中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn/)。

北京市WEEF从2005年0.41 hm²/人下降至2018年0.29 hm²/人,降幅为29.27%。变化趋势呈现周期波动,2005—2010年逐年下降,至0.32 hm²/人,2011年增长显著,环比增长29.03%而后逐年下降至0.29 hm²/人(表3)。2005—2018年,北京市农业用水、工业用水、生活用水、生态用水、污染账户等足迹分别占总能值生态足迹的4.32%～12.94%,5.39%～12.10%,30.69%～49.95%,1.55%～19.80%,19.74%～49.52%。生活用水对总能值生态足迹的贡献最大,其次是污染账户、农业用水、工业用水,最小的是生态用水。

各类用水账户的变化规律表明,污染账户的变化可能是导致总能值生态足迹周期性变化的原因。用水账户总体呈现小幅下降趋势,其中生活用水足迹基本没有变化,农业用水和工业用水足迹逐年降低,而生态用水足迹正逐年上升(图2)。

表3 北京市水资源能值生态足迹

图2 北京市水资源能值生态足迹结构

2005—2018年,北京市WEEC为0.02～0.05 hm²/人。其中地表水是水资源能值生态承载力的主要贡献者,其次是地下水,雨水势能的生态承载力最小(表4)。WEEC呈现周期性上下波动,主要受地表水的影响,若某年份地表水能值大,则该年的生态承载力也高。2012年北京市水资源生态承载力最高,为0.05 hm²/人,2014年最低,为0.02 hm²/人(图3)。

2005—2018年,北京市WED总体呈逐年下降趋势,从2005年的-0.35 hm²/人下降至2018年的-0.22 hm²/人,降幅为37.14%。WEFI呈现上下波动的形势,2014年最高,为11.55,2018年最低,为4.72。该值受WEEC变化的影响较大,WEEC在2014年最小导致该年的生态压力激增。研究结果表明,北京市常年处于水资源生态赤字状态,南水北调等外调水的输入以及北京市发布的节水减排等一系列举措稍减轻了赤字程度,但由于起始生态赤字程度高,现阶段也仍处于较大的赤字状态。水资源生态压力多年平均值为7.37,常年处于亚安全状态(图4)。

图3 北京市水资源能值生态承载力趋势变化

图4 北京市水资源生态压力与生态赤字

2005—2018年,北京市水资源生态系统与其社会经济系统之间的协调性较差,WEECI为1.08～1.19,均接近于1(图5)。2014—2018年WEECI有上升趋势,2018年最高,为1.19,表明水资源生态与社会经济的关系正不断改善。很可能是由于北京市积极调整产业结构,扩张水资源利用效率高的第三产业,同时注重节水科技的提升,减少在运输和利用时的水资源消耗,使水资源利用效率不断提高。

北京每1 km² WEEF最大值为13 447 hm²,最小值为17.706 hm²。总体上呈由中心向四周逐渐变小的形势,其中海淀区东部地区WEEF最高,延庆区、平谷区等周边城区WEEF较小。各行政区内WEEF亦呈中心高四周低的形势,区内均存在WEEF较高的小型聚集区(图6)。

图5 北京市水资源生态经济协调指数

每1 km² WEEC最大值为2 708 hm²,最小值为2 hm²。平谷区、大兴区拥有较高的WEEC,中心城区WEEC相对较低。WEEC在行政区内分布变化较大的是大兴区和平谷区,其中大兴区从北到南WEC逐渐增大,平谷区从北到南WEC逐渐减小。

表4 北京市水资源能值生态承载力

WED和WEFI总体上也呈现中心高四周低的形势,其中仅平谷区的WED大于0,呈现水资源生态盈余,水资源供需状况协调。其他行政区WED均小于0,中心城区城六区生态赤字最大,说明其水资源供需严重不平衡。各区内的WEFI变化不明显,只有平谷区WEFI小于1呈安全状态,西城区、东城区、朝阳区和海淀区WEFI均超过30,为极度不安全状态,通州区为轻度不安全状态,其余行政区均为亚安全状态。

WEECI总体上在中心城区城六区和通州区的值较小,均靠近1,水资源生态经济协调性最低,而平谷区水资源生态与经济发展的协调性最高。

水资源能值生态足迹与传统水资源生态足迹的变化趋势大体相似,但前者数值略低于后者。主要原因有二(图7)。其一,传统计算方法中缺少对各类用水足迹贡献差异的考虑,认为各种类型用水消耗的单位淡水资源所占用的生物生产性土地面积是相同的。事实上,各类用水中水资源的最终流向有差异就会导致占用能力不同,例如农业用水的最终去向是农作物和土壤,土壤中水分会通过渗透作用汇入地下水,农作物中的水分也会被人类所用,因此农业用水的占用能力应相对较低。其二,能值水污染足迹计算结果总体上大于传统水污染足迹计算结果。这可能由于传统水污染足迹选取参数为全球性的,即消纳COD/氨氮全球平均生产能力,该参数忽略了地区差异,而能值水污染足迹在计算水的单位能值时考虑到北京市实际降水情况及水资源储量,计算得到的能值污染足迹更大。水资源能值生态足迹对各类用水实际占用能力的差异以及地区差异均有衡量,因此更能真实反映区域水资源利用状况。

水资源生态承载力计算结果的比较,表明传统水生态足迹中水资源生态承载力大于能值方法的结果,这与能值生态足迹的相关研究结果相反(图8)。对于整个生态系统而言,能值生态承载力的计算以能量流为基础进行转换,能考虑到被传统生态承载力忽视的其他类型土地所提供的承载力,例如湿地等,所以其值比传统生态承载力高^[22-24]。而在水资源生态系统中,只有雨水和地表地下水资源提供生态承载力,因此导致计算结果比传统方法低的原因可能在于传统方法中均衡因子的选取是世界性的,忽略了地区之间的差异,而能值方法中选取区域能值密度,能真实反映区域实际承载能力。

将能值理论与水资源生态足迹模型结合,既能考虑到污染账户,也能避免均衡因子和产量因子计算时的不稳定性,对于景观异质性高的地区,可利用该方法能够更为真实的计算区域水资源生态足迹与生态承载力。

WEEF呈现周期性变化,主要受污染足迹变化的影响,其中2011年和2016年是两个重要的转折点。2011年污染足迹迅速增大,是由于COD排放量的迅速增大。2016年污染足迹迅速减少,这可能与北京市在2015年底发布的《北京市水污染防治工作方案》有关,该方案的颁布加强了水污染的管控力度,严格限制了不达标污水的排放。从用水账户来看,农业用水和工业用水的生态足迹一直降低,这与农业灌溉技术提高和工厂等工业设施转移关系密切。先进的农业灌溉设施提高了用水效率,节省了农业用水。生态用水足迹不断增加,说明北京市对生态环境保护的重视程度日益增大。生活用水的生态足迹最高且呈现平稳态势,说明人们日常生活中水资源消耗对水资源利用影响较大,限制人口、加强节约用水宣传力度、建立节约用水奖励制度、发展科技提高节水效率是必要举措。WEEC常年保持较低水平且呈现波动变化形势,其变化主要受降水影响,2008年、2012年是降水丰年,地区的水资源储量增加,WEEC上升; 2014年曾因厄尔尼诺现象导致全国大部分地区降水量锐减,水资源储量显著降低,WEEC随之下降。南水北调的外来水也能增加WEEC,本文中将其均归纳到地表水。但是南水北调外来水水量都比较固定,且由于地理环境的原因,水质与本地水可能会有不同,相互之间不相容导致水质变差甚至不可用^[27],因此适量增加南水北调外来水水量,并提高水质改良技术,使其与本地水质相容,以人工方式增加区域水资源生态承载力。

图6 2015年北京市水资源生态足迹空间特征

图7 水资源能值生态足迹与传统水资源生态足迹

图8 水资源能值生态承载力与传统水资源生态承载力

从空间特征上看,WEEF,WED,WEFI均呈现四周低、中心高的形势,WEECI呈现四周高、中心低的形势,WEEC无固定规律。限制人口是北京市整体控制水资源生态压力的有效举措,明确城市发展方向,调整产业结构,将第二产业适当向周边城市转移,继续发展第三产业并将其适当转移至周边行政区,产业疏解带动人口疏解^[28],从而将中心城区人口转移至周边行政区,平衡全市水资源生态压力。此外,与以往研究中行政区域尺度相比,将研究尺度降低到1 km格网尺度,可清楚了解行政区内部的水资源利用空间分布特征以及尺度之间的关联特征,可为行政区域间和区域内的水资源配置提供参考。