區(qū)域水資源代謝效率時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因素

孟麗紅，丁之勇，李成陽，莫小麗，田進(jìn)明

(1.贛南師范大學(xué)地理與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000； 2.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3. 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院中國(guó)科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000； 4. 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730013)

水資源是人類生存、生產(chǎn)和發(fā)展不可替代的資源要素、生態(tài)條件和安全保障[1]。然而，水資源供需矛盾日益突出，嚴(yán)重影響了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。水資源時(shí)空分布不均勻，水量、水質(zhì)以及水管理落后導(dǎo)致的缺水問題異常突出。在全國(guó)660多個(gè)建制城市中，缺水城市400多個(gè)，其中嚴(yán)重缺水城市約為110個(gè)，每年因缺水造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2 000億元[2]。缺水已經(jīng)成為我國(guó)糧食安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會(huì)安定的首要制約要素[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，京津冀人均水資源僅286 m3，遠(yuǎn)低于國(guó)際公認(rèn)的人均500 m3的“極度缺水標(biāo)準(zhǔn)”。如何解決水資源短缺問題，是研究者和決策者正在深入思考的問題[4]。

1999年Hermanowicz等[5]首次提出了水代謝概念，以描述城市或者區(qū)域中的水供給、消納與排放過程。到目前為止，國(guó)際上關(guān)于水資源代謝的研究已取得很大進(jìn)展，如Behzadian等[6]應(yīng)用WaterMet2模型對(duì)城市水資源代謝系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估，Serrao-Neumann等[7]從城市水資源代謝的角度，分析了土地和水資源的合理配置問題。另外，其他學(xué)者也分別應(yīng)用水資源代謝理論，對(duì)水代謝系統(tǒng)模擬[8]、水資源承載力[9]、能值代謝效率[10]等方面進(jìn)行了研究。從國(guó)內(nèi)來看，水資源代謝相關(guān)的研究尚處于起步階段。丹保憲仁[11]認(rèn)為，城市水系統(tǒng)的水污染實(shí)際上是城市物質(zhì)代謝失衡的結(jié)果。錢家忠等[12]從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，提出了地球水循環(huán)過程中地下水代謝的概念，分析了地下水代謝過程，建立了地下水極限代謝條件方程。一些學(xué)者對(duì)城市水代謝做了進(jìn)一步的研究和探索[13-15]。綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)水資源代謝的研究進(jìn)展來看，大部分文獻(xiàn)主要集中在實(shí)體水探討，僅有少數(shù)學(xué)者結(jié)合實(shí)體水和虛擬水從水消費(fèi)[16]、水資源配置[17]、水流[18]等角度對(duì)水資源代謝進(jìn)行分析，從時(shí)空角度并耦合實(shí)體水和虛擬水對(duì)水資源代謝效率的研究尚未見開展。區(qū)域水生態(tài)問題實(shí)質(zhì)是水資源代謝問題，水資源代謝效率評(píng)價(jià)是保證水資源可持續(xù)利用的前提。參照黃初龍等[19]對(duì)水資源代謝效率概念的界定，文中的區(qū)域水資源代謝效率指的是研究區(qū)域水資源輸入、轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存及廢污水排放等代謝過程中水資源消耗或廢污水排放所提供的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境服務(wù)量。由于提高水資源代謝效率取決于人類行為，而資源水和虛擬水受人類強(qiáng)烈調(diào)控，客觀評(píng)價(jià)水資源代謝效率需要同步考慮資源水與虛擬水。

鑒于此，針對(duì)當(dāng)前區(qū)域水資源代謝效率研究的薄弱環(huán)節(jié)，本文選取我國(guó)京津冀和中、西部地區(qū)為研究對(duì)象，探索異質(zhì)性資源稟賦下區(qū)域資源水-虛擬水耦合代謝效率的分析途徑，揭示了1990—2015年研究區(qū)水資源代謝特征及空間演變規(guī)律，找出影響區(qū)域水資源代謝效率的主要驅(qū)動(dòng)因素，并制定提高水資源代謝效率的優(yōu)化控制模式和策略，旨在為京津冀和中、西部地區(qū)至全國(guó)的水資源規(guī)劃與合理開發(fā)利用提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

從資源稟賦的差異，本文選取我國(guó)京津冀地區(qū)(北京、天津、河北)、中部地區(qū)(湖北、江西、湖南)和西部地區(qū)(新疆、甘肅、青海)9個(gè)代表省(市、區(qū))為研究對(duì)象。推動(dòng)京津冀協(xié)同發(fā)展是重大國(guó)家戰(zhàn)略，而區(qū)域生態(tài)環(huán)境是這一戰(zhàn)略面臨的首要問題。在強(qiáng)人類活動(dòng)干擾及脆弱生態(tài)環(huán)境約束下，水資源已成為制約京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵要素。京津冀地區(qū)，以全國(guó)1%的水資源量承載了全國(guó)8%的人口和11%的經(jīng)濟(jì)總量[6]。1990—2015年京津冀地區(qū)人均水資源量?jī)H為148 m3，平均降水量為511 mm。相關(guān)研究測(cè)算出的京津冀水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為7.5,水資源短缺狀況處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，其中北京市和天津市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均超過10。中部地區(qū)相比京津冀地區(qū)雖然水資源稟賦條件較好，1990—2015年人均水資源量高達(dá)2 905 m3，平均降水量為1 526 mm，但多年來的資源開發(fā)，導(dǎo)致了一定程度的資源枯竭，資源承載力不斷下降，環(huán)境污染和資源破壞問題比較突出[20-21]。新疆、甘肅、青海屬于干旱少雨的西北地區(qū)，1990—2015年平均降水量?jī)H為259 mm，但由于地廣人稀，人均水資源量達(dá)到5 336 m3。目前西北干旱區(qū)處于我國(guó)的江河源區(qū)，若上游生態(tài)惡化，對(duì)我國(guó)其他地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)危害和深遠(yuǎn)影響[22-23]。本文首次從異質(zhì)性資源稟賦的角度，探討中國(guó)東中西部地區(qū)水資源代謝效率的時(shí)空分布問題將是一大創(chuàng)新和突破，將為全國(guó)不同區(qū)域水資源規(guī)劃與合理開發(fā)利用提供理論參考和策略指導(dǎo)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)1990—2015年的淡水回用率、廢棄虛擬水回用率、系統(tǒng)淡水損失率等13個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)(表1和表2)，主要來源于1990—2015年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》各省市水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒、各地級(jí)市政府網(wǎng)站的相應(yīng)年份的《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)官方網(wǎng)站、國(guó)家數(shù)據(jù)網(wǎng)、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、中國(guó)統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)等官方網(wǎng)站等。

表1 京津冀地區(qū)1990—2015年過程格局與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表2 京津冀地區(qū)1990—2015年社會(huì)與環(huán)境指標(biāo)

2 研究方法

2.1 資源水與虛擬水耦合代謝路徑

水資源代謝路徑剖析是科學(xué)評(píng)價(jià)水資源代謝效率的前提之一(圖1)，主要包括輸入、過程、輸出3大模塊，其中過程涉及水生產(chǎn)、水消費(fèi)和水排放等，具體指標(biāo)包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境三大方面，整個(gè)耦合代謝過程包含資源水和虛擬水，水資源代謝的驅(qū)動(dòng)因素主要從城鎮(zhèn)化、氣候變化、人口增長(zhǎng)、土地利用等方面剖析。代謝路徑剖析有利于明確代謝過程與格局，為水代謝的水資源流分析提供框架，進(jìn)而為水資源代謝過程與格局方面的水資源代謝效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的提取提供依據(jù)。

圖1 資源水與虛擬水耦合代謝路徑示意圖

2.2 水資源代謝效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

影響區(qū)域水資源代謝效率的因素有很多，如社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、水資源狀況因素以及生態(tài)環(huán)境因素等，因此水資源代謝效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取非常關(guān)鍵。在指標(biāo)的選取中要遵循全面性、科學(xué)性、可操作性、時(shí)效性等原則。為了確保指標(biāo)體系的科學(xué)性與可行性以及研究結(jié)果的合理性，本文采用物質(zhì)流分析法提取水資源代謝效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，在參考現(xiàn)有研究成果[1，24]的基礎(chǔ)上，建立反映水資源代謝的過程與格局、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益等4個(gè)指標(biāo)群，初步構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表3)。

表3 資源水與虛擬水耦合代謝效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 水資源代謝效率評(píng)價(jià)方法

2.3.1指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化方法

指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理時(shí)，先進(jìn)行指標(biāo)分類，再采用極差變換法對(duì)指標(biāo)實(shí)際值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

越大越優(yōu)型指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值的計(jì)算公式為

Si=(x-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

越小越優(yōu)型指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值的計(jì)算公式為

Si=(Xmax-x)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中：Si為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；x為X系列中各指標(biāo)實(shí)際值；Xmax為指標(biāo)最大參考值；Xmin為指標(biāo)最小參考值。

2.3.2 指標(biāo)體系賦權(quán)

層次分析法(analytical hierarchy process, AHP)是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty提出的一種定性與定量相結(jié)合的決策方法,具有客觀性、準(zhǔn)確性和有效性的特點(diǎn)。層次分析法的基本思想是，根據(jù)數(shù)據(jù)資料和評(píng)價(jià)依據(jù)把復(fù)雜的問題分解為各個(gè)組成元素，將這些元素按支配關(guān)系分組構(gòu)成有序的梯階層次結(jié)構(gòu)，根據(jù)一定的比率標(biāo)定,通過兩兩比較將判斷定量化,形成比較判斷矩陣。最終把系統(tǒng)分析歸結(jié)為最低層(如決策方案)相對(duì)于最高層(總目標(biāo))的相對(duì)重要性權(quán)值的確定或相對(duì)最優(yōu)次序的排序問題，從而為決策方案的選擇提供依據(jù)。一般有5個(gè)步驟，分別為指標(biāo)體系層次建構(gòu)、構(gòu)造判斷矩陣、確定權(quán)重因子、求解特征值和特征向量、一致性檢驗(yàn)。

2.3.3 評(píng)價(jià)模型

為避免個(gè)別指標(biāo)對(duì)指標(biāo)體系整體功能產(chǎn)生影響，采用加權(quán)求和法評(píng)價(jià)水資源代謝效率，評(píng)價(jià)模型如下：

(3)

(4)

式中：Aj為第j年的水資源代謝效率；wk為第k個(gè)領(lǐng)域的權(quán)重；Bkj為第j年的第k個(gè)領(lǐng)域指數(shù)；wki為第k個(gè)領(lǐng)域第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；sijk為第j年的第k個(gè)領(lǐng)域第i個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；n為第k個(gè)領(lǐng)域的指標(biāo)個(gè)數(shù)。根據(jù)以上公式和模型可求得1990—2015年研究區(qū)城市水資源代謝效率。

3 區(qū)域水資源代謝效率的時(shí)空演變規(guī)律分析

3.1 區(qū)域水資源代謝效率的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化特征

在建立資源水與虛擬水耦合代謝效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及收集1990—2015年京津冀地區(qū)、中部地區(qū)和西部地區(qū)9個(gè)典型區(qū)域各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用式(3)(4)計(jì)算得出1990—2015年研究區(qū)水資源代謝效率(圖2)。從圖2可以看出，時(shí)間尺度上京津冀地區(qū)、中部地區(qū)和西部地區(qū)1990—1995年期間水資源代謝效率沒有明顯的變化，自2000年以后水

圖2 1990—2015年京津冀和中、西部地區(qū)水資源代謝效率時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

資源代謝效率均總體呈現(xiàn)出明顯提高的趨勢(shì)，尤其京津冀地區(qū)增長(zhǎng)的速度最快，從1990年的0.338增加到2015年的0.589，增長(zhǎng)了74.26%，西部地區(qū)相對(duì)增長(zhǎng)速度較慢。

從具體各區(qū)域來看，京津冀地區(qū)北京、天津、河北水資源代謝效率增長(zhǎng)速度快，中部地區(qū)除了湖北、湖南省2015年出現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)外，其他年份水資源代謝效率表現(xiàn)遞增的特點(diǎn)，西部地區(qū)整體增長(zhǎng)速度較慢，尤其新疆維吾爾自治區(qū)，從1990—2015年水資源代謝效率基本保持不變。整體來看，1990—2015年期間，京津冀和中、西部地區(qū)水資源代謝效率均表現(xiàn)出不同程度增加的特征。

3.2 區(qū)域水資源代謝效率的空間演變規(guī)律分析

從空間分布來看(圖3)，京津冀地區(qū)、中部地區(qū)和西部地區(qū)1990—1995年這5年間水資源代謝效率大小基本一致，空間分布也沒有明顯的變化，各區(qū)域均處于0.2～0.3和0.3～0.4這兩級(jí)比較低的水平。自1995年以后各區(qū)域水資源代謝效率空間分布上開始呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異并有逐漸增加的趨勢(shì)，如2000年西部地區(qū)和中部地區(qū)的水資源代謝效率高于京津冀地區(qū)的水資源代謝效率，2005年中部地區(qū)的水資源代謝效率略高于京津冀地區(qū)和西部地區(qū)的水資源代謝效率。2005—2015年，京津冀地區(qū)水資源代謝效率迅速提高，明顯優(yōu)于西部地區(qū)和中部地區(qū)。

圖3 1990—2015年京津冀和中、西部地區(qū)水資源代謝效率的空間變化

4 區(qū)域水資源代謝效率的驅(qū)動(dòng)因素

基于不同因素和水資源代謝效率之間可能存在關(guān)聯(lián)性，本文參考兩者之間的相關(guān)系數(shù)對(duì)主要驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析(圖4)。從圖4可以看出，影響京津冀地區(qū)水資源代謝效率的主導(dǎo)因素包括淡水回用率、單方用水工業(yè)產(chǎn)值、生態(tài)用水比例、單位用水社會(huì)消費(fèi)品零售額，這些指標(biāo)與水資源代謝效率的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9以上。其他指標(biāo)如單方用水支撐人口數(shù)、生產(chǎn)用水比例，與水資源代謝效率的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.8以上，可作為水資源代謝優(yōu)化調(diào)控方案的制定依據(jù)。

圖4 京津冀地區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)與水資源代謝效率的相關(guān)性

用同樣的分析方法可以得出影響中部地區(qū)水資源代謝效率的主導(dǎo)因素主要是淡水回用率、森林覆蓋率、單位用水社會(huì)消費(fèi)品零售額。西部地區(qū)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8和0.9以上的指標(biāo)主要是單位用水社會(huì)消費(fèi)品零售額和廢棄虛擬水回用率，上述驅(qū)動(dòng)因素可為制定相應(yīng)區(qū)域水資源代謝優(yōu)化調(diào)控方案提供參考依據(jù)。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

a.時(shí)間尺度上，京津冀、中部地區(qū)、西部地區(qū)1990—1995年期間水資源代謝效率沒有明顯的變化，自2000年以后總體呈明顯提高的趨勢(shì)，尤其京津冀地區(qū)增長(zhǎng)速度最快，從1990年到2015年增長(zhǎng)了74.26%，西部地區(qū)增長(zhǎng)速度較慢。

b.從空間分布看，在早期階段，京津冀、中部地區(qū)、西部地區(qū)水資源代謝效率較低，空間分布區(qū)域差異不明顯。自1995年以后空間分布上開始呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異，如2000年西部地區(qū)和中部地區(qū)的水資源代謝效率高于京津冀地區(qū)的水資源代謝效率。后期階段即2005年以后，京津冀地區(qū)和中部地區(qū)明顯高于西部地區(qū)。

c.綜合京津冀、中部地區(qū)、西部地區(qū)來看，廢棄虛擬水回用率、單位用水社會(huì)消費(fèi)品零售額、森林覆蓋率以及淡水回用率是影響水資源代謝效率的主要驅(qū)動(dòng)因素。

d.該研究結(jié)果可為京津冀、中部地區(qū)、西部地區(qū)至全國(guó)的水資源規(guī)劃與合理開發(fā)利用提供決策依據(jù)，也為區(qū)域之間的空間交互作用提供了新方法和新思路。由于本文首次嘗試從資源水-虛擬水耦合的角度探討水資源代謝效率空間分布規(guī)律，研究區(qū)范圍不夠廣，將在后續(xù)研究中選取東中西部典型城市群進(jìn)一步做水資源代謝效率的空間溢出效應(yīng)研究。

5.2 建議

a.根據(jù)水資源條件合理控制北京、天津兩大核心城市規(guī)模，有序引導(dǎo)人口向河北省聚集，實(shí)現(xiàn)人水和諧發(fā)展。從虛擬水方面來看，京津冀地區(qū)虛擬水流動(dòng)中，河北農(nóng)業(yè)作為重點(diǎn)耗水部門，向京津冀地區(qū)各部門輸送了大量虛擬水，為各部門經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)提供了強(qiáng)大的水資源支撐作用。因此為保障京津冀地區(qū)整體的水安全及其可持續(xù)發(fā)展，河北地區(qū)農(nóng)業(yè)部門亟需關(guān)注其節(jié)水問題。

b.近年來中部地區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率依然較低，應(yīng)推廣和發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、制定科學(xué)灌溉制度、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整、加強(qiáng)農(nóng)業(yè)水資源管理的重要措施。工業(yè)方面，應(yīng)探索一條科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化道路。

c.西部地區(qū)應(yīng)從資源稟賦和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)兩方面, 建立虛擬水輸入地對(duì)輸出地的多元補(bǔ)償辦法。如糧食調(diào)入省份將糧食調(diào)入量換算為虛擬水量, 同時(shí)考慮輸入地區(qū)水資源短缺程度與作物產(chǎn)品價(jià)格導(dǎo)致的貿(mào)易經(jīng)濟(jì)逆差, 制定相應(yīng)增值貿(mào)易稅或交易稅以作為補(bǔ)償。