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标题 基于GRACE反演水量和生态服务价值的鄱阳湖区水资源承载力评价
范文 刘晓 范琳琳 王红瑞 刘虹利 来文立



摘要：为了揭示水资源、经济和人口之间的关系，合理开发利用水资源，促进社会经济的可持续发展，选取鄱阳湖区11个县市为研究区域，利用GRACE卫星数据反演水量，采用生态服务评估方法计算了各县市水资源承载水平与水资源承载力，并对鄱阳湖区2010年水资源承载情况进行了评价。研究表明：鄱阳县、南昌县和进贤县水资源承载力较高，而德安县、星子县和湖口县较低；九江市市区水资源承载水平最高，南昌县、新建县、进贤县次之，德安县、星子县及其他县水资源承载水平较低；综合经济水平、文化水平、生态服务支撑功能与生态服务同化功能这四种因素，九江市市区、南昌县、星子县和湖口县单位水资源承载水平居高；新建县和九江市市区生态系统对经济发展产生污染的同化功能较差，其他9个县的同化功能均达标。
关键词：水资源承载力；鄱阳湖；GRACE数据；生态服务价值；水量反演
中图分类号：X826 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0012-06
1 基本思想
水资源承载力研究是可持续发展和水资源安全战略研究中的基础性课题之一，也是当前水资源科学中研究的重点和热点[1-3]。考虑到水资源是人类文明的源泉，是实现可持续发展的战略性经济资源[4-7]与人类的生存、发展和一切生活、经济活动密切相关[8-11]，本文在前人对水资源承载力研究的基础上提出水资源承载力新理论，认为水资源承载水平是在一定的技术和管理水平下，区域水资源系统承载的人类发展水平，而水资源承载力是水资源承载水平的稳定最大值，即一定的技术和管理水平下，区域水资源系统能稳定承载的人类最大发展水平，两者之间的区别在于水资源承载力是一个具有一定条件限定下的最值。而人类发展水平则应包括经济、文化、生态的全方面发展，因此对水资源承载水平及水资源承载力的量化可由式（1）、式（2）实现[12]。
式中：WRCL表示水资源承载水平；WRCC表示水资源承载力；EC、CU、EL分别表示经济水平、文化水平及生态服务功能水平；T、M、E分别表示技术、管理及环境；T0、M0、E0表示评价时间与区域内的技术水平、管理水平及客观环境水平；max[TX-]表示水资源承载水平的稳定最大值。
在上述水资源承载力新理论的基础上，本文以鄱阳湖区11个县市为例，利用GRACE数据反演水量及生态服务评估方法，计算2010年水资源承载水平与水资源承载力，以此探讨湖区11个县的水资源承载情况。
2 研究区概况
鄱阳湖位于江西省北部的长江中游，是与赣江、抚河、信江、饶河、修水等五大河流（即“五河”）尾闾相接的似盆状天然凹地，受长江和五河水位约束水量吞吐平衡而形成的连河湖，是我国最大的淡水湖泊[3-14]。鄱阳湖汛期与枯水期洪枯水位面积相差10多倍。
鄱阳湖的水域、湖滩洲地，分别隶属于沿湖11个县市：永修、南昌、德安、新建、都昌、进贤、湖口、余干、星子、鄱阳，及九江市的市区（图1）。区域交通运输、旱涝灾害、水文、气候等受鄱阳湖水体的影响较为直接，具有自然资源和自然状况及社会经济状况的相似性。因此，鄱阳湖区为此11个县市行政疆域的总称，总面积19 761.5 km2[15]。地理坐标东经115°31′-117°06′、北纬28°11′-29°51′。鄱阳湖区人口密度高于流域人口密度，而人口增长过快、人口绝对数量剧增等问题给鄱阳湖生态系统带来巨大的压力。
3 数据来源与研究方法
3.1 数据来源
本研究数据来源于2003年和2010年江西省统计年鉴、2010年中国统计年鉴，以及GRACE卫星反演数据，来源于Helmholtz Center实时更新的GRACE卫星数据（http：//isdc.gfz-potsdam.de/）。
3.2 生态服务功能评估
对于生态服务功能的评估，Costanza[16]等的研究从科学意义上明确了生态系统服务价值（Ecosystem Service Value，ESV）估算的原理方法[5]，并对全球生态系统服务功能进行了分类和评估。全球生态系统服务功能可归纳为17类，以货币形式按16类生物群系核算价值，依据各种生态系统服务功能单价和面积计算总价值，这是一种“存量”估算方法，即估算整个生态系统提供的总价值量。但Costanza的研究中针对的是全球平均情况，对具体的地区某些计算存在着较大偏差。谢高地等[6]在Costanza研究成果的基础上，参考中国实情制定了中国陆地生态系统单位面积生态服务价值。其中，生态服务支撑功能（SU）包括食物生产和原材料，生态服务同化功能（AS）包括废物处理、气体调节、气候调节、水源涵养和土壤形成与保护，水对文化水平（CU）的贡献可通过水生态系统的娱乐文化和生物多样性保护两项来表征。本文采用谢高地的生态服务价表及Costanza的ESV计算公式（式3）来计算生态服务价值。
式中：ESVf为单项（CU、SU、AS）生态服务功能价值（元/a）；Ak为研究区第k种土地利用类型的面积（hm2）；VCfk为单项生态服务功能价值系数（元/（hm2·a））。
3.3 水资源承载力量化
式中：k1、k2、k3、k4是系数，其值根据人类社会的发展对经济水平、文化水平、生态服务支撑功能与生态服务同化功能的需求比例确定，且k1+k2+k3+k4=4。在技术、管理和环境一定的情况下，k1、k2、k3、k4是固定的常数，各项平均单位用水量所产生的价值Eec、Ecu、Esu、Eas亦是固定的常数。经济用水（包括生活用水）Qec和生态环境用水Qel之和等于水资源量，即Q=Qec+Qel。在水资源承载力式中，Qec=Qnew，Qnew为水资源天然可更新量。
水资源承载力的值按式（6）计算。
在技术、管理和环境一定的情况下，Eec、Ecu、Esu、Eas比较容易求得，而根据人类社会的需要确定最佳的k1、k2、k3、k4是关键。Q量纲为m3，E量纲为元/m3，因此，WRCC和WRCL量纲均为元。
4 结果计算与讨论
4.1 相关参数计算
4.1.1 EC、CU、AU、AS的计算
利用2010年江西省土地利用类型数据，计算得到鄱阳湖区各县市的三项生态服务价值，其中经济水平用GDP量化，计算结果见表1。
4.1.2 k1、k2、k3、k4的估算
k1、k2、k3、k4的比例是根据人类社会的发展对经济水平、文化水平、生态服务支撑功能与生态服务同化功能的需求比例而确定的。
社会经济需求与生态服务同化功能需求之间的关系可通过社会经济用水与需要生态服务同化的废水的关系确定，因此，k1/k4=用水总量/废污水排放量。
社会经济需求与文化娱乐需要的比例根据工作日与休息日的比例确定：k1/k2=5/2=2.5。
生态服务支撑功能需求与社会经济生活需求的关系可根据社会经济生活中提供原材料的与水有关的生态服务支撑功能的产业增加值占GDP的比重来确定。根据江西省统计年鉴分类，这些产业包括第一产业及农副食品加工业、食品制造业、饮料制造业、烟草制品业、纺织业、纺织服装、鞋、帽制造业、皮革、毛皮、羽毛（绒）及其制品业、木材加工及木竹藤棕草制品业、家具制造业、造纸机纸制品业和水的生产和供应业。经计算得江西省k3/k1=0.16。
由k1+k2+k3+k4=4求得鄱阳湖区各区县的值（表2）。
4.2 水资源承载力与水资源承载水平计算
4.2.1 水资源量计算
采用GRACE卫星数据反演水量，计算2010年相对于2003年水资源量的年均变化（单位m）及相对于2003年的年[CM（25*2/3]均水资源，计算2010年水资源量最高与最低时的水位差。[CM）]
由于GRACE数据的精度在20 km以上，本文计算了整个长江中下游地区的水资源量，用ACRGIS进行插值求得各县区的水资源水位平均高度，将水位乘以面积获得其2010年水资源量与2010年年水资源更新量。根据GRACE数据反演得到的水资源量及水资源更新量见表3。
结果显示：九江市市区用水总量大于其水资源总量，其他县用水总量均远小于其水资源总量；鄱阳县用水总量基本等于年可更新水资源量；永修、德安、星子、都昌四县用水总量超过年可更新水资源量的值相对其他县较小（见图2）。九江市市区的异常数据表明其抢占周边县区的水资源量的可能性大。
4.2.2 水资源承载水平与水资源承载力计算
九江市市区用水总量大于其水资源总量，可知九江市市区的用水总量从鄱阳湖或长江引水获得，因此将九江市市区水资源总量全部算作生态需水，计算其生态服务价值。即九江市市区经济水平用水为11.230 5亿m3，生态服务功能水平用水为5.433 6亿m3，其他各县市生态服务功能水平用水为水资源总量扣除用水总量。根据经济用水（包括生活用水）和生态环境用水与经济水平、文化水平、生态服务支撑功能与生态服务同化功能四项总价值计算各项的单位用水量产生价值Eec、Ecu、Esu、Eas。根据公式（4）、公式（6）计算得到鄱阳湖区水资源承载水平及水资源承载力（见表4）。
4.3 结果分析
4.3.1 水资源承载水平与水资源承载力的关系
从表4可以看出，鄱阳湖区水资源承载力较高的县市有鄱阳县、南昌县和进贤县，较低的有德安县、星子县和湖口县；九江市市区水资源承载水平最高，南昌县、新建县和进贤县水资源承载水平较高，德安县和星子县及其他县水资源承载水平较低。水资源承载水平高出水资源承载力的差距相对较小的县有永修、德安、星子、都昌四县，与用水总量超过年可更新水资源量的趋势一致；水资源承载水平等于水资源承载力的为鄱阳县，与其用水总量基本等于年可更新水资源量的趋势一致（见图3）。因此，水资源承载水平与水资源承载力的关系能反映用水总量与年水资源更新量的关系。
4.3.2 人均水资源承载水平
人均水资源承载水平是该区域居民平均每人所享有的由水资源承载的人类发展水平。人均水资源承载水平较高的县市有永修县、德安县和星子县；较低的有九江市市区、都昌县和余干县；其他县居中（见图4），这是由于人均水资源年更新量的优势差距造成的。
九江市市区人均水资源承载水平最高；都昌县、余干县、鄱阳县人均水资源承载水平较低；其他县居中；由于人均用水总量多少的差距为九江市市区最多，都昌县、余干县、鄱阳县最少，其他县居中（见图4）。
虽然鄱阳县水资源承载水平高，但人均水资源承载水平不高，说明鄱阳县水资源可承载的综合发展水平高是由于其土地面积大，水资源可更新量大引起的，人均所有的可更新水资源量低。相反，德安县和星子县水资源承载水平低，人均水资源承载水平高，这是因为其总可更新的水资源量尽管不大，但人均水平较高。九江市市区水资源承载水平和人均水资源承载水平都很高，说明九江市市区通过历年储水或抢占临县区的水资源，实际承载的人均贡献发展水平和总量均高。
永修、德安、星子和湖口四县的人均水资源承载水平和人均水资源承载力在整个鄱阳湖区的位置相对其水资源承载水平总量和水资源承载力总量的位置偏高，说明其水资源可承载的与实际承载的人均贡献发展水平高。图3、图4反映了该地区单位劳动者在同样的水资源条件下，能够且已经获得更高的人类综合发展水平，即因为这四县的技术、管理和环境因子比其他县市好。这种不同地区水资源承载水平与人均水资源承载水平的不一致，反映了地区之间技术和管理因子及环境因子的差距。
4.3.3 单位水资源承载水平
单位水资源承载水平是单位水资源，即每立方米水资源所承载的人类发展水平。鄱阳湖区单位水资源承载经济水平情况，以九江市市区比较突出，南昌、新建、进贤基本一致，略微高于剩余的7个基本一致的县；对于单位水资源承载文化水平，九江市区、星子县、湖口县和南昌县最高，德安、鄱阳县最低；对于单位水资源承载生态服务支撑功能情况，德安和湖口高于其他9个基本一致的区县；对于单位水资源承载生态服务同化功能，除新建县最低，其他的趋势同单位水资源承载生态服务支撑功能一致（见图5）。综合经济水平、文化水平、生态服务支撑功能与生态服务同化功能四种因素，鄱阳湖区11个县市中九江市市区、南昌县、星子县和湖口县的单位水资源承载水平高于其他县，其中九江市市区单位水资源承载水平最高。反映了九江市市区、南昌县、星子县和湖口县，在同样的水资源条件下，能够获得更高的人类综合发展水平（见图6）。
综上，在相同的水资源条件下，星子和湖口总体和人均综合发展水平高；永修和德安人均高，总体不高；九江市市区和南昌县总体高，人均不高。其中人均综合发展水平与图7一致。
对于鄱阳湖区人均单位水资源承载经济水平和生态服务支撑功能情况，九江市市区、永修、德安、星子和湖口较高；对于人均单位水资源承载文化水平和生态服务同化功能情况，星子和湖口最高，九江市市区、永修、德安、南昌县次之（见图7）。
4.3.4 总超负荷分析
采用自然分类法，对各县市的总超负荷进行分类，总超负荷各县市从大到小为：九江市、南昌县、湖口县、新建县、进贤县、都昌县、星子县、永修县、余干县、德安县、鄱阳县（见图8）。
利用同样的方法，对各县市的人均超负荷进行分类，人均超负荷各县市从大到小为：九江市、湖口县、南昌县、德安县、星子县、永修县、新建县、进贤县、都昌县、余干县、鄱阳县（见图9）。
4.3.5 水资源承载水平均衡分析
为了对鄱阳湖区各县市水资源承载水平里的经济水平、文化水平、生态服务支撑功能与生态服务同化功能各部分的均衡情况进行研究，本文对比分析了EC/CU与k1/k2、EC/SU与k1/k3、EC/AS与k1/k4的关系（表5）。由于社会经济生活中，原材料来自与水有关的生态服务支撑功能的产业增加值也包括了与水无关的价值，如造纸机纸制品业和纺织业中涉及钢铁器材、化学合成物质等，所以EC/SU相对于k1/k3必然偏大。因此，本文不比较EC/SU的均衡度。
从表5可以看出，经济功能偏强、文化功能偏弱的（即EC/CU>k1/k2）的县市有南昌县、新建县、进贤县、九江市区、德安县、湖口县，娱乐文化生态功能不足，但城市到郊区旅游娱乐很平常，因此生态文化功能的地域不均衡性是允许的；经济功能偏弱，文化功能偏强的有永修县、星子县、都昌县、余干县和鄱阳县；经济功能偏强，生态同化功能偏弱的（即经济水平/生态服务同化功能>k1/k4）的县市有新建县、九江市区；经济功能偏弱、生态同化功能偏强的有南昌县、永修县、进贤县、德安县、湖口县、星子县、都昌县、余干县和鄱阳县，而新建和九江市市区生态系统对污染的同化功能差。
5 结论
（1）由于年可更新水资源量的优势不同，各县市的水资源承载力存在明显差异，鄱阳县、南昌县和进贤县较高，德安县、星子县和湖口县较低；关于人均水资源承载水平，永修县、德安县和星子县较高，九江市市区、都昌县和余干县较低。
（2）因为用水总量的差距，九江市市区水资源承载水平最高，南昌县、新建县和进贤县也较高，德安县和星子县及其他县较低；而对于人均水资源承载水平，九江市市区最高，都昌县、余干县、鄱阳县较低。
（3）永修、德安、星子和湖口四县人均水资源承载水平和人均水资源承载力在整个鄱阳湖区的位置相对其水资源承载水平总量和水资源承载力总量的位置偏高，与其一致的是四县人均单位水资源承载经济水平、文化水平、生态服务支撑功能与生态服务同化功能，在鄱阳湖区11个县市中均偏高，即该地区单位劳动者，在同样的水资源条件下能够且已经获得更高的人类综合发展水平。
（4）综合经济水平、文化水平、生态服务支撑功能与生态服务同化功能四种因素，鄱阳湖区11个县市中九江市市区、南昌县、星子县和湖口县的单位水资源承载水平高于其他县，其中九江市市区单位水资源承载水平最高。
（5）鄱阳湖区各县市的总超负荷由大到小为：九江市市区>南昌县、湖口县>新建县、进贤县>都昌县、星子县、永修县、余干县>德安县、鄱阳县；鄱阳湖区各县市的人均超负荷由大到小为：九江市市区>湖口县、南昌县>德安县、星子县、永修县、新建县、进贤县>都昌县、余干县>鄱阳县。
（6）根据研究结果，新建县和九江市市区需加强生态系统对经济发展产生污染的同化功能；南昌县、新建县、进贤县、九江市区、德安县、湖口县等6个县市可加强生态文化娱乐功能。鄱阳县水资源承载的人类发展水平较好，而永修、德安、星子、都昌四个县需加强经济发展与生态服务功能的均衡。
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