水生態(tài)文明建設背景下長江經濟帶水足跡變化研究

朱振亞，潘婷婷，楊夢斐，朱秀迪，李志軍，李紅清

(1.長江水資源保護科學研究所，武漢 430051； 2.長江水利委員會 湖庫水源地面源污染生態(tài)調控重點實驗室，武漢 430051)

1 研究背景

長江經濟帶橫跨我國東部、中部和西部三大區(qū)域，覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州共11省(市)，面積約205萬km2，GDP約占全國45%，具有獨特優(yōu)勢和巨大發(fā)展?jié)摿Α?016年3月25日，中共中央政治局審議通過《長江經濟帶發(fā)展規(guī)劃綱要》，同年9月正式對外發(fā)布。習總書記多次要求“堅持共抓大保護、不搞大開發(fā)”，以長江經濟帶發(fā)展推動經濟高質量發(fā)展。水是生命之源、生產之要、生態(tài)之基，水生態(tài)文明是生態(tài)文明的重要組成和基礎保障。近年來，國家將生態(tài)文明理念融入到水資源開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約、保護各個領域，科學謀劃、統(tǒng)籌推進水生態(tài)文明建設，著力構建水生態(tài)文明建設長效機制。

1993年，學者Allan[1]首次提出虛擬水的概念，指產品和服務在生產過程中所需要水資源的總量。2002年，Hoekstra教授基于“生態(tài)足跡”提出了“水足跡”，并將其定義為任何已知人口的區(qū)域在一定時間內消耗的所有產品和服務所需要的水資源的數量[2-4]。2003年，水足跡的概念首次引入我國，受到國內學者的關注。水足跡分為內部水足跡和外部水足跡，內部水足跡指地區(qū)在生產或服務過程中所消耗的水資源量，即農業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水量扣除出口的虛擬水量；外部水足跡指進口的虛擬水量[5-6]。目前，水足跡成為評價區(qū)域水資源利用模式和消費模式的主流方法。我國學者對水足跡的研究集中在水足跡核算、水足跡時空分異、影響因素、水足跡和水資源評價、水資源利用與水資源安全、驅動機制以及適應性對策方案等方面[7-9]。對于長江經濟帶水足跡研究的時間段選擇較為隨意，沒有結合區(qū)域水資源管控的政策背景。

本研究在水生態(tài)文明建設背景下，動態(tài)調查長江經濟帶11個省(市)的農業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水量和貨物進出口總額，核算區(qū)域水足跡總量構成及變化，分析區(qū)域水足跡供需結構演變，評價區(qū)域水資源壓力和用水效率。相關研究能豐富水足跡理論體系，以期能作為最嚴格水資源管理制度“三條紅線”的重要補充，為區(qū)域水資源開發(fā)利用和保護提供參考。通過對長江經濟帶水足跡動態(tài)變化的研究，為區(qū)域水資源安全保障、解決水資源分布不平衡提供新視角和新思路。

2 數據與方法

2.1 數據處理

采用統(tǒng)計資料獲取農業(yè)用水量、工業(yè)用水量、生活用水量、生態(tài)用水量數據，以及國內生產總值(GDP)、年末常住人口、土地面積、貨物進口貿易額、貨物出口貿易額、人民幣匯率等數據。其中，生態(tài)用水僅包括部分河湖、濕地人工補水和城市環(huán)境用水，而不包括降水、徑流自然滿足的水量。2012年起，生活用水中的牲畜用水調整至農業(yè)用水。

統(tǒng)計資料包括2008年、2013年和2018年的《中國統(tǒng)計年鑒》和《中國水資源公報》。另外收集2018年《上海統(tǒng)計年鑒》中上海市生產總值指數，將2007年和2012年的GDP數據換算成2017年價格水平，便于在統(tǒng)一價格水平下比較單位GDP水足跡。

本文將上海、江蘇、浙江、安徽三省一市稱為長江經濟帶東部地區(qū)，江西、湖北、湖南三省稱為中部地區(qū)，重慶、四川、云南、貴州四省稱為西部地區(qū)，地理位置如圖1所示。相應省份數據匯總處理后得到3個年份下東中西部的各類用水量和社會經濟數據，用于比較東部、中部和西部的各類水足跡。

圖1 長江經濟帶地理位置Fig.1 Location of the Yangtze River economic belt

2007年、2012年和2017年分別為水生態(tài)文明建設前、建設中和建設后3個時間節(jié)點，2007—2012年、2012—2017年分別代表水生態(tài)文明建設前和建設后2個時期。

2.2 研究方法

2.2.1 水足跡的核算

水足跡刻畫了一個區(qū)域內消費的所有服務與產品的水資源總量，水足跡總量等于區(qū)域內部水足跡加外部水足跡[9-10]，其計算公式為

WFP=IWFP+EWFP。

(1)

式中：WFP表示區(qū)域水足跡；IWFP表示內部水足跡，指區(qū)域內消費的水資源需求總量，等于區(qū)域內農業(yè)用水、工業(yè)用水和生態(tài)用水扣除向外出口的虛擬水量；EWFP表示外部水足跡，即從外部區(qū)域進口的虛擬水總量，該指標能反映虛擬水貿易情況。

式(1)可改寫為

WFP=WUa+WUi+WUd+WUe-WEx+WIm。(2)

式中：WUa為某區(qū)域農業(yè)用水量；WUi為某區(qū)域工業(yè)用水量；WUd為某區(qū)域生活用水量；WUe為某區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水量；WEx為某區(qū)域向外出口的虛擬水量；WIm為某區(qū)域進口的虛擬水量。單位均為億m3。

本研究參考相關文獻的處理方法，忽略進口產品再出口的虛擬水量，且不區(qū)分農業(yè)產品與工業(yè)產品[11]。則某區(qū)域進出口貿易虛擬水量計算公式為：

WEx=VEx×(WUa+WUi)/GDP；

(3)

WIm=VIm×(WUa+WUi)/GDP。

(4)

式中：VEx和VIm分別代表某區(qū)域出口貿易額和進口貿易額；GDP為該區(qū)域國內生產總值。單位均為億元。

2.2.2 水足跡供需結構

水足跡供需結構用水資源進口依賴度和自給率表示?；蛴脝挝幻娣e水足跡反映水足跡的需求情況，即某區(qū)域的水足跡與該區(qū)域面積的比值。

水資源的進口依賴度代表某區(qū)域外部水足跡與水足跡總量的比值，該指標代表某一區(qū)域對非本區(qū)域水資源的依賴程度；水資源的自給率代表某區(qū)域內部水足跡與水足跡總量的比值[12]。計算公式為：

WRE=IWFP/WFP× 100%；

(5)

WSS=EWFP/WFP×100%。

(6)

式中WRE、WSS分別代表水資源進口依賴度和水資源自給率。

2.2.3 水資源壓力和效率

基于水足跡理論提出水資源壓力指數(WPI)的概念，用以表征水資源壓力狀況[13]。計算公式為

WPI=WFP/WA。

(7)

式中：WPI為水資源壓力指數；WA為該區(qū)域可用水資源量(億m3)。當WPI>1時，區(qū)域水資源系統(tǒng)超載；當WPI=1時，處于承載的臨界狀態(tài)；當WPI<1時，水足跡在水資源承載能力范圍內。

另外，可用單位GDP水足跡表征水資源的利用效率，即用某區(qū)域的水足跡除以該區(qū)域的國內生產總值。單位GDP水足跡數值越小，水資源利用效率越高，可持續(xù)性越強；反之，水資源利用效率越低[14-15]。

3 結果和討論

3.1 長江經濟帶水足跡總量和構成的動態(tài)變化

(1)水足跡總量得到有效控制，中部三省節(jié)水成效最顯著。長江經濟帶各省市的人口和GDP變化情況如圖2(a)和圖2(b)所示。水生態(tài)文明建設前后，長江經濟帶11個省市水足跡總量由2 348.71億m3增加到2 545.04億m3，2007—2012年和2012—2017年分別增加了6.56%和1.69%。兩個時期區(qū)域的GDP分別增加了40.42%和11.40%，年末常住人口數分別增加了2.26%和2.39%，區(qū)域GDP增速分別是水足跡增速的6.2和6.7倍，而人口增速分別是水足跡增速的0.34和1.41倍。水生態(tài)文明建設后，區(qū)域水足跡總量的增速明顯低于GDP和人口數量的增速，區(qū)域水足跡總量得到了有效控制。

圖2 長江經濟帶人口和GDP變化Fig.2 Changes of population and GDP in the Yangtze River economic belt

區(qū)域水足跡與人口和GDP正相關，水足跡存在明顯的人口和經濟規(guī)模效應[16-18]。水生態(tài)文明建設前后，區(qū)域人口、GDP和水足跡分別增加了4.70%、56.43%和8.36%，其中東部、中部和西部人口數量分別增加了4.89%、5.86%和3.50%，GDP分別增加了41.51%、73.43%和81.27%，而水足跡總量只分別增加了9.03%、4.93%和12.28%。水生態(tài)文明建設后，長江經濟帶各省市保持社會經濟較快增長的情況下，水足跡控制在較低增長水平，特別是中部三省水足跡總量減少了160.90億m3，節(jié)水效果最為明顯。

(2)農業(yè)用水是水足跡的主體，虛擬水貿易效應有所減弱。長江經濟帶農業(yè)用水超過區(qū)域水足跡的1/2；其次是工業(yè)用水，約占水足跡總量的1/3；再次是生活用水，生態(tài)用水相對較少。除上海市和重慶市外，其他省份農業(yè)用水均為水足跡的主要組成部分，而生態(tài)用水的比重較小。水生態(tài)文明建設后，農業(yè)用水和生態(tài)用水所占比重相對穩(wěn)定，工業(yè)用水的比重由36.03%逐漸減少到32.04%，生活用水的比重則由13.43%增加到15.80%。長江經濟帶各省市工業(yè)用水的節(jié)水效應較為明顯，而農業(yè)用水和生活用水的節(jié)水效果需要進一步提高。水足跡組成與相關研究結果類似，水足跡中農業(yè)用水消耗量最大[17-20]，隨著工藝水平的提高，工業(yè)水足跡增長率相對偏低[19]。水生態(tài)文明建設前后長江經濟帶水足跡累積變化如圖3所示。

圖3 2007—2017年長江經濟帶水足跡累積變化Fig.3 Cumulative changes of water footprint in the Yangtze River economic belt from 2007 to 2017

虛擬水貿易是區(qū)域水足跡的重要組成部分[21]。水生態(tài)建設前后，整個區(qū)域對外出口水量逐漸降低，虛擬水貿易對水足跡的消減效應逐漸降低。對外貿易是江蘇省和浙江省的重要經濟組成，虛擬水輸出主要集中這兩個??；而西部省市的虛擬水出口量較小，中部三省的虛擬水凈出口量有增加的趨勢。上海市是虛擬水的主要凈進口地，在區(qū)域虛擬水凈出口減少的情況下，虛擬水凈進口量仍然增加。長江經濟帶區(qū)域整體為虛擬水凈輸出區(qū)[22]，水生態(tài)文明建設前后，東部的虛擬水以進口為主，中部和西部虛擬水向外輸出。

3.2 水足跡供需結構的演變

(1)東部水資源進口依賴度較高，水資源自給能力逐漸增強。長江經濟帶各省市水資源以自給為主，進口依賴度均低于20%，區(qū)域經濟社會發(fā)展與水資源的供給適應性較高。東部省市的水資源進口依賴度明顯高于西部和中部省市，西部和中部省市的水資源自給率明顯高于東部省市，其中上海市、江蘇省和浙江省的水資源進口依賴度排名位于前3位，東部的安徽省與中部、西部的部分省市類似，水資源的自給能力相對較強；中部和西部的江西省、重慶市、四川省和云南省等的水資源自給率均超過了90%。

2007年、2012年和2017年長江經濟帶水資源進口依賴度和自給率構成如圖4所示。

圖4 長江經濟帶水資源進口依賴度和自給率構成Fig.4 Dependency on water import and self-sufficiency in the Yangtze River economic belt

長江經濟帶各省市水資源自給率提高了9.56%，其中東部、中部和西部較水生態(tài)文明建設前分別提高了20.84%、1.69%、0.46%，區(qū)域水資源自給能力逐漸增強。東部的江蘇省、上海市和浙江省的水資源自給率均有顯著提高；東部的安徽省和中部省份的水資源自給率已經處于較高水平，水資源自給率只有小幅度提高；西部的重慶市和四川省的水資源自給率有小幅降低。近10 a來，東部四省市的水資源自給率增加最為顯著。長江經濟帶水資源供給能力強的省份水資源消耗量也較大，農業(yè)大省的水足跡較大且水資源自給率也較高[17]。

(2)單位面積和人均水足跡緩升，水資源需求結構相對平穩(wěn)。長江經濟帶各省市的土地面積未發(fā)生變化，單位面積水足跡變化與水足跡總量變化情況一致?？傮w上看，區(qū)域單位面積水足跡僅增加8.36%，長江經濟帶東部、中部、西部地區(qū)分別增加了9.03%、4.93%、12.28%。除浙江省和重慶市以外，其他省市單位面積水足跡均有所增加，其中四川省和安徽省增加最為明顯，分別增加了25.51%和24.04%，大部分省市的單位面積水足跡增幅<10%。長江經濟帶各省市單位面積水足跡和人均水足跡如圖5(a)和圖5(b)所示。

圖5 長江經濟帶單位面積水足跡和人均水足跡變化Fig.5 Changes of water footprint per unit area and per capita in the Yangtze River economic belt

人均水足跡的變化則取決于某地水足跡和人口增速變化的相對快慢。區(qū)域水足跡的增速比人口增度快，因此區(qū)域人均水足跡有小幅增加，其中東部、西部地區(qū)人均水足跡增加，中部地區(qū)人均水足跡減少。除貴州省外其它省市的人口均有所增加，而同期只有浙江省和重慶市水足跡減少，但大多數省市的人均水足跡增幅較小或為負增加。從單位面積和人均水足跡上看，經濟帶水資源需求量穩(wěn)中有升，需求結構相對平穩(wěn)。長江經濟帶省際水足跡需求結構存在顯著逆向人口規(guī)模效應，即人均水足跡越小，水資源的人口承載能力越強[17]。

3.3 水資源壓力和效率評價

(1)區(qū)域水資源壓力合理，中部水資源承載力得到緩解。長江經濟帶各省市的水資源壓力指數為0.19，其中東部、中部和西部省市分別為0.51、0.19和0.09(如圖6所示)。長江經濟帶大部分省市的水資源壓力指數在承載力范圍之內，水資源供需平衡處于合理狀態(tài)。上海市作為我國的經濟、金融、貿易、航運、科技創(chuàng)新中心，水資源的壓力最大，水資源壓力指數為3.63，已超出本市水資源的承載范圍，水資源供需矛盾相對突出。江蘇省水資源壓力也較大，壓力指數高于水資源承載的臨界值。長江經濟帶平均水資源壓力總體較小，水資源高壓區(qū)主要集中在東部的省市，水資源承壓情況自西部向東部逐漸增加。

圖6 水生態(tài)文明建設前后長江經濟帶水資源壓力指數Fig.6 Water stress index in the Yangtze River economic belt before and after the water ecological civilization construction

水生態(tài)文明建設前后，區(qū)域水資源壓力指數有小幅降低，水資源承載力相對穩(wěn)定。東部和西部省市的水資源壓力指數分別提高了4.9%和0.9%，而中部降低了5.1%。中部三省的水資源壓力指數均有所降低，中部水資源壓力得到一定的緩解。除東部的浙江省和西部的重慶市外，其它省市的水資源壓力有所增加，特別是江蘇省和四川省的水源壓力指數增加較明顯，需要進一步防范化解這兩個省的水資源供需矛盾。長江經濟帶水資源供需結構差異顯著，中西部地區(qū)水資源承載力較強，而東部地區(qū)水資源承載力極弱，單位GDP水足跡與GDP存在一定的反向關系[18]。

(2)經濟帶的用水效率逐步提升，東部省市水資源利用效率高。區(qū)域單位GDP水足跡為8.09 L/元，其中東部、中部和西部省市分別為6.32、11.90、8.63 L/元(如圖7所示)。浙江省和上海市的用水效率排名前列，分別為3.35、4.36 L/元，江西省、安徽省、湖南省、云南省、貴州省和湖北省等單位GDP水足跡較高。以江蘇省和上海市為代表的東部省市水資源壓力較大，用水量較小的第三產業(yè)所占比重較高，而中部和西部省市的水資源量較豐富，節(jié)水用水技術的推廣相對滯后，故東部省市的用水效率最高，中部和西部省市的用水效率有待加強。長江經濟帶水資源利用效率呈現(xiàn)區(qū)域差異化特征，經濟規(guī)模對水足跡的影響呈現(xiàn)由東向西遞減的趨勢，東部地區(qū)用水效率比較高，西部地區(qū)用水效率較低[23]。

圖7 水生態(tài)文明建設前后單位GDP水足跡變化Fig.7 Change of water footprint per unit of GDP before and after the water ecological civilization construction

水生態(tài)文明建設前后，長江經濟帶單位GDP水足跡從9.90 L/元降低到6.86 L/元，其中東部、中部和西部省市分別降低了1.67、6.19、4.27 L/元。長江經濟帶各省市單位GDP水足跡均有所降低，其中重慶市和貴州省降低最顯著，分別降低了55.6%和53.6%，上海市也降低了12.5%，用水效率最高的浙江省的單位GDP水足跡變化不大。近10 a來，長江經濟帶各省市用水效率逐步提升，中部和西部省市用水效率改善明顯。東部單位GDP水足跡明顯低于中西部，上、中游地區(qū)城鎮(zhèn)化水平低，水資源承載力較高，經濟發(fā)達的下游地區(qū)水資源承載力最差、資源稟賦與經濟發(fā)展的沖突形勢最為嚴峻[16-18]。

4 結論和建議

4.1 結 論

(1)長江經濟帶各省市的自然條件、資源稟賦、產業(yè)結構和發(fā)展階段不同，水足跡總量和構成、水資源供需結構、水資源壓力和效率表現(xiàn)出一定的時空異質性。水生態(tài)文明建設前后，長江經濟帶各省市水足跡改善效果顯著。

(2)經濟帶水足跡增速下降明顯，水足跡得到了有效控制，中部三省的節(jié)水效果最明顯。水足跡存在明顯的人口和經濟規(guī)模效應。農業(yè)用水是區(qū)域水足跡的主體部分，生態(tài)用水所占比重較小。工業(yè)用水的節(jié)水效應較為明顯，而農業(yè)和生活用水的節(jié)水效率需進一步提高。虛擬水貿易的消減效應逐漸減弱。

(3)經濟帶水資源以自給為主，東部省市水資源進口依賴度高于西部和中部省市。水生態(tài)文明建設前后，區(qū)域水資源自給能力逐漸增強，東部的省市的水資源自給率增加最顯著。單位面積水足跡和人均水足跡能反映水足跡需求結構，從這兩個指標來看，區(qū)域水資源需求量穩(wěn)中有升，需求結構保持相對平穩(wěn)。

(4)經濟帶水資源壓力總體較小，水資源高壓區(qū)主要集中在東部省市，水資源承壓由西向東逐漸增加。水生態(tài)文明建設前后，東部和西部水資源承載壓力小幅增加，中部水資源壓力得到一定緩解。東部省市的用水效率最高，中部和西部省市的用水效率有待加強。區(qū)域用水效率逐步提升，中部和西部省市用水效率明顯的改善。

4.2 建 議

新時期下的長江流域水資源開發(fā)保護需要具有整體性和系統(tǒng)性的水問題治理目標和模式，其中水環(huán)境與水資源開發(fā)保護及經濟社會發(fā)展的相互作用關系是關鍵科學與技術問題之一[24]。為此，長江經濟帶發(fā)展過程中建議做好以下工作：

(1)落實最嚴格的水資源管理制度。堅持節(jié)水優(yōu)先，建立科學的節(jié)水標準和定額指標體系，以及系統(tǒng)完備的節(jié)水評價制度，加強水資源取、用、耗、排的動態(tài)監(jiān)管，嚴格用水總量和計劃用水管理；按照行政單元逐級分解農業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水控制指標，將水足跡作為水資源管理制度“三條紅線”補充，發(fā)揮水資源作為最大剛性約束的重要作用。

(2)科學確定經濟社會結構和規(guī)模。堅持空間均衡，結合《綱要》合理確定經濟規(guī)模、城鎮(zhèn)布局和農業(yè)、工業(yè)等產業(yè)結構。在充分節(jié)水的前提下，優(yōu)化用水結構，嚴格控制發(fā)展高耗水產業(yè)，促進虛擬水的向流域外的流動，加強水資源的優(yōu)化配置和科學調度；根據水資源的承載能力，倒逼長江經濟帶各省份發(fā)展規(guī)模、產業(yè)結構、發(fā)展布局的完善和優(yōu)化。

(3)統(tǒng)籌水資源配置和其他要素關系。堅持系統(tǒng)治理，按照山水林田湖是一個生命共同體，既要大力推進城鄉(xiāng)供水一體化、農村供水規(guī)模化標準化建設，積極推進灌區(qū)現(xiàn)代化改造前期工作，解決經濟帶部分區(qū)域農業(yè)用水粗放的問題，又要在水資源開發(fā)利用配置調度時統(tǒng)籌考慮其他生態(tài)要素的規(guī)模和布局，促進流域水資源與生態(tài)系統(tǒng)各要素和諧共生。

(4)發(fā)揮好政府和市場協(xié)同合力作用。堅持兩手發(fā)力，抓緊制定并出臺配套法規(guī)和規(guī)范性文件，為長江大保護提供系統(tǒng)完備的制度保障；建立長江流域生態(tài)補償機制，推進流域上下游和重點支流的生態(tài)補償試點，完善水生態(tài)補償相關配套制度。發(fā)揮市場在生態(tài)補償和水資源配置中的作用，鼓勵地區(qū)、行業(yè)、用水戶間開展水權交易等。