黃河流域九省(區(qū))水資源環(huán)境承載力動態(tài)演變特征研究

盧亞麗 徐帥帥 司保江 沈鐳

摘 要：利用水資源生態(tài)足跡模型對黃河流域九省（區(qū)）2010—2018年115個市水資源環(huán)境承載力進行了研究，并探討了黃河流域九?。▍^(qū)）水資源時空分布特征，結(jié)果表明：黃河流域九?。▍^(qū)）人均水資源生態(tài)足跡總體呈現(xiàn)西高東低、北高南低的分布特征，胡煥庸線以西區(qū)域的人均水資源生態(tài)足跡最大，胡煥庸線上區(qū)域次之，胡煥庸線以東區(qū)域最小;黃河流域九?。▍^(qū)）僅28.7%的市處于水資源生態(tài)盈余狀態(tài);黃河流域九省（區(qū)）南部水資源承載力較高且胡煥庸線以東區(qū)域的水資源承載力與胡煥庸線以西的相當;黃河流域九?。▍^(qū)）各市水資源利用效率逐年提高;黃河流域九?。▍^(qū)）平均水資源壓力呈上升趨勢;總體來看，黃河流域九省（區(qū)）水資源嚴重短缺，時空分布不均，水資源是限制黃河流域九?。▍^(qū)）高質(zhì)量發(fā)展的重要因素。

關(guān)鍵詞：胡煥庸線;水資源;生態(tài)足跡;黃河流域九?。▍^(qū)）

中圖分類號：TV211.1;TV882.1?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.019

引用格式：盧亞麗，徐帥帥，司保江，等.黃河流域九?。▍^(qū)）水資源環(huán)境承載力動態(tài)演變特征研究[J].人民黃河，2021，43（11）：103-108.

Study on Dynamic Evolution Characteristics of Water Resources Environmental Carrying

Capacity of Nine Provinces and Regions of the Yellow River Basin

LU Yali1， XU Shuaishuai1， SI Baojiang2， SHEN Lei 4

（1.School of Management and Economics， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China;

2.School of Information Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China;

3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research， CAS， Beijing 100101， China; 4.Key Laboratory of Carrying

Capacity Assessment for Resources and Environment， Ministry of Natural Resources， Beijing 100101， China）

Abstract：The ecological footprint model of water resources was used to study the environmental carrying capacity of water resources in 115 cities in nine provinces and regions of the Yellow River Basin from 2010 to 2018 and the spatial and temporal characteristics of water resources in nine provinces and regions of the Yellow River Basin were discussed. The results show that the per capita ecological footprint of water resources in the nine provinces and regions of the Yellow River Basin is generally higher in the west and lower in the south. Only 28.7% of the cities in nine provinces and regions of the Yellow River Basin are in the state of ecological surplus of water resources. The water resources carrying capacity in the south of nine provinces and regions of the Yellow River Basin is high and the water resources carrying capacity in the east of Hu Huanyong line is similar to that in the west of Hu Huanyong line. The utilization rate of water resources in each city in nine provinces and regions of the Yellow River Basin has been increasing over the years. The average water resources pressure in the nine provinces and regions of the Yellow River Basin is increasing year by year. In general， the serious shortage of water resources and the uneven spatial and temporal distribution of water resources are the important factors restricting the high-quality development of the nine provinces and regions of the Yellow River Basin.

Key words： Hu Huanyong line; water resources; ecological footprint; nine provinces and regions of Yellow River Basin

黃河流域在中國經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位[1]，自中華人民共和國成立以來，國家對黃河流域水土流失與黃河水患進行了長期大規(guī)模綜合治理[2]。2019年9月18日在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會上，習近平總書記強調(diào)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展，同京津冀協(xié)同發(fā)展、長江經(jīng)濟帶發(fā)展、粵港澳大灣區(qū)建設(shè)、長三角一體化發(fā)展一樣，是重大國家戰(zhàn)略[3]。然而黃河流域九?。▍^(qū)）水資源時空分布不均，水資源是限制黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展的重要因素。因此，以水而定，量水而行，優(yōu)先保護黃河流域的生態(tài)，合理規(guī)劃黃河流域人口、城市和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，摸清黃河流域水資源家底尤為重要[4]。

生態(tài)足跡是研究可持續(xù)消費的重要指標，也是基于土地利用面積核算和計量資源可持續(xù)利用的理論模型，可以有效計算各區(qū)域水資源匹配狀況。利用水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的差值得出區(qū)域水資源處于盈余或赤字，進而對區(qū)域水資源和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展狀況進行評價，具有易于理解、操作簡單、實用性強等優(yōu)點[5]。Haberl等[6]對長時段生態(tài)足跡計算方法進行了探討，分別采用恒定世界單產(chǎn)、可變世界單產(chǎn)和可變地方實際單產(chǎn)法計算了奧地利1926—1955年的生態(tài)足跡;Wackernagel等[7]采用全球水資源年平均產(chǎn)量和當?shù)貙嶋H水資源年平均產(chǎn)量分別計算了菲律賓、韓國、奧地利1961—1999年的生態(tài)足跡。黃林楠等[8]建立了水資源生態(tài)足跡以及水資源生態(tài)承載力計算模型，確定了計算水資源賬戶生態(tài)足跡所需的全球平均水資源產(chǎn)量、全球均衡因子和地區(qū)產(chǎn)量因子3個關(guān)鍵參數(shù)。一些學者分別對黃河流域、中原城市群等[9-16]不同區(qū)域的水資源生態(tài)足跡進行了計算、分析，研究表明基于生態(tài)足跡進行水資源評價具有良好的普適性。

1935年地理學家胡煥庸提出的從黑龍江璦琿至云南騰沖的中國人口分布及人口密度規(guī)律線[17]，被學者們稱為“胡煥庸線”。2013年8月30日，國務(wù)院總理李克強就“胡煥庸線”提出了“該不該破？能不能破？如何破？”3個問題，被學者們稱之為“總理三問”[18-19]，隨之學者們對胡煥庸線展開了討論。陸大道認為胡煥庸線的穩(wěn)定性將長期存在;王錚認為胡煥庸線在世界上具有普遍性，可能會被打破[20]。郭華東等[19]在對相關(guān)時空數(shù)據(jù)及空間信息進行綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合西部充足的綠色能源和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展等因素認為，在實施先進的節(jié)水措施下胡煥庸線可以突破。盡管部分學者持胡煥庸線短期內(nèi)不可突破的觀點，但是可以通過優(yōu)化城市的人口分布格局、經(jīng)濟發(fā)展步伐、資源配置效率等逐漸改善胡煥庸線兩側(cè)的人口空間分布。對于胡煥庸線的研究，多聚焦于中國整體區(qū)域的胡煥庸線兩側(cè)人口空間分布[21]、城鎮(zhèn)失業(yè)率[22]、生態(tài)承載力[23-24]、資源環(huán)境人口承載力[25]、氣候變化[26]等，鮮見胡煥庸線視角下的水資源環(huán)境研究。在遵循黃河流域“共同抓好大保護、協(xié)同推進大治理”的戰(zhàn)略思路下，利用水資源生態(tài)足跡模型，將GIS可視化技術(shù)和空間自相關(guān)法與胡煥庸線的空間地理特征相結(jié)合分析黃河流域九?。▍^(qū)）水資源時空特性，以期全面了解黃河流域九?。▍^(qū)）水資源環(huán)境特征，為黃河流域九?。▍^(qū)）生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

利用水生態(tài)足跡模型研究黃河流域九省（區(qū)）水資源環(huán)境承載力的動態(tài)演變特征，涉及黃河流域九?。▍^(qū)）115個市的面積、人口、GDP、水資源總量、用水量、降水量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究數(shù)據(jù)來源于2010—2018年黃河流域九?。▍^(qū)）水資源公報、統(tǒng)計年鑒及《中國水利統(tǒng)計年鑒》《中國統(tǒng)計年鑒》等。

1.2 研究方法

（1）水資源生態(tài)足跡模型?；谏鷳B(tài)足跡模型建立水資源生態(tài)足跡模型，參考用水特征和其內(nèi)涵以及黃林楠等[8]的研究成果，將水資源生態(tài)足跡概括為地區(qū)維持其人口生活與生產(chǎn)所消耗的全部水資源量，耗損的水資源量包括生活用水、生產(chǎn)用水和生態(tài)環(huán)境用水，其計算模型[13]：

EFW=N×efω=N×γω×W/Pω （1）

式中：EFW為水資源總生態(tài)足跡，hm2;N為總?cè)丝跀?shù);efω為人均水資源生態(tài)足跡，hm2/人;γω為水資源的全球均衡因子，本文采用世界自然基金會（WWF）2000年計算出的水資源全球均衡因子5.19;W為人均消耗的水資源量，m3;Pω為水資源全球平均生產(chǎn)能力，取值為3 140 m3/hm2 [9]。

（2）水資源生態(tài)承載力模型。水資源承載力決定區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，水資源承載力的上限受人類社會活動的影響，超出水資源承載力上限的區(qū)域水資源環(huán)境系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生質(zhì)變進而限制人類社會活動。生態(tài)理論中的水資源承載力模型為

ECW=N×ecω=0.4×φ×γω×Q/Pω（2）

式中：ECW為水資源承載力，hm2;ecω為人均水資源承載力，hm2/人;φ為區(qū)域水資源的產(chǎn)量因子，其值為區(qū)域內(nèi)水資源平均生產(chǎn)能力與水資源全球平均生產(chǎn)能力Pω之比，區(qū)域內(nèi)水資源平均生產(chǎn)能力為區(qū)域水資源總量與流域面積之比;Q為水資源總量，m3。

（3）水資源生態(tài)盈余/赤字。水資源消耗程度用水資源生態(tài)承載力與水資源生態(tài)足跡的差值度量，水資源的可持續(xù)利用狀況和水資源消耗是否超載皆可用此評價，其計算公式：

水資源生態(tài)盈余/赤字=ECW-EFW（3）

ECW-EFW>0，表示區(qū)域水資源處于盈余狀態(tài)，可持續(xù)利用狀況良好;ECW-EFW=0，表示水資源消耗處于平衡狀態(tài);ECW-EFW<0，表示區(qū)域水資源處于赤字狀態(tài)，生態(tài)和經(jīng)濟發(fā)展將受到制約，水資源利用不可持續(xù)。

（4）萬元GDP水資源生態(tài)足跡。區(qū)域水資源生態(tài)足跡與其GDP（單位：萬元）G的比值為萬元GDP水資源生態(tài)足跡，可以用來衡量區(qū)域水資源利用效率。萬元GDP水資源生態(tài)足跡越大，區(qū)域水資源利用效率越低;萬元GDP水資源生態(tài)足跡越小，區(qū)域水資源利用效率越高。其計算公式：

萬元GDP水資源生態(tài)足跡=EFW/G（4）

（5）水資源負載指數(shù)模型。區(qū)域水資源開發(fā)前景用水資源負載指數(shù)評估，水資源負載指數(shù)（指數(shù)等級劃分見表1）可測算區(qū)域水資源利用水平和開發(fā)難度，其計算模型：

C=KNG/Q（5）

K=1.0（R≤200）

1.0-0.1（R-200）/200（200

0.9-0.2（R-200）/400（400

0.7-0.2（R-200）/800（800

0.5（R>1 600） （6）

式中：C為水資源負載指數(shù);K為降水系數(shù);R為年降水量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河流域九?。▍^(qū)）人均水資源生態(tài)足跡時空特征

不同區(qū)域可生產(chǎn)的面積、水資源承載力、經(jīng)濟發(fā)展水平、水資源負載情況等均不同，總水資源生態(tài)足跡不能直接反映維持其人口生活與生產(chǎn)所消耗的水資源情況。人均水資源生態(tài)足跡可以反映不同區(qū)域維持單個人口生活與生產(chǎn)消耗的平均水資源量，因此可以通過人均水資源生態(tài)足跡比較各地區(qū)維持單個人口生活與生產(chǎn)消耗的平均水資源量，結(jié)合人均水資源承載力可判斷人均水資源盈余或赤字情況。利用ArcGIS10.2，采用自然斷點法分類功能，根據(jù)人均水資源生態(tài)足跡大小將其分為5級，見圖1。胡煥庸線將黃河流域九?。▍^(qū)）分為胡煥庸線以西區(qū)域、胡煥庸線上區(qū)域、胡煥庸線以東區(qū)域，其中胡煥庸線以西區(qū)域的人均水資源生態(tài)足跡最大、胡煥庸線上區(qū)域次之、胡煥庸線以東區(qū)域最小。2010—2018年黃河流域九?。▍^(qū)）胡煥庸線以西區(qū)域、線上區(qū)域、以東區(qū)域人均水資源生態(tài)足跡均值分別為1.74、0.48、0.42 hm2。

黃河流域九?。▍^(qū)）人均水資源生態(tài)足跡總體呈現(xiàn)西高東低、北高南低的趨勢。胡煥庸線以東區(qū)域主要為河南省、山西省、陜西省、山東省、四川省及內(nèi)蒙古自治區(qū)的部分市，其中內(nèi)蒙古通遼市，四川省攀枝花市、涼山彝族自治州、樂山市，陜西省巴中市、漢中市、延安市，山東省濱州市、德州市、聊城市等人均水資源生態(tài)足跡較大。胡煥庸線上區(qū)域有18個市，其中內(nèi)蒙古興安盟、呼倫貝爾市、錫林郭勒盟人均生態(tài)足跡較大，其他各市人均生態(tài)足跡較小。胡煥庸線以西區(qū)域，人均生態(tài)足跡較大，2010—2018年海西蒙古族藏族自治州、酒泉市、阿拉善盟、巴彥淖爾市等人均生態(tài)足跡較大。從省域視角看，2010—2018年胡煥庸線以西區(qū)域人均生態(tài)足跡由高到低依次為內(nèi)蒙古自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)、甘肅省、青海省，人均生態(tài)足跡分別為2.87、1.87、1.48、1.17 hm2。2010—2018年黃河流域九?。▍^(qū)）各市人均水資源生態(tài)足跡排在前3位的是阿拉善盟、巴彥淖爾市、酒泉市，分別為7.54、4.86、4.21 hm2，均處于胡煥庸線以西區(qū)域;人均水資源生態(tài)足跡排在后3位的是固原市、青島市、商洛市，分別為0.21、0.21、0.20 hm2。采用ArcGIS10.2繪制黃河流域九省（區(qū)）2010—2018年水資源生態(tài)足跡均值，見圖2。

2.2 黃河流域九?。▍^(qū)）人均水資源生態(tài)盈余/赤字時空分布特征

2010—2018年黃河流域九?。▍^(qū)）各市人均水資源生態(tài)盈余/赤字存在顯著空間差異，各市2010年、2013年、2015年、2018年人均水資源生態(tài)盈余/赤字見圖3。人均水資源生態(tài)盈虧具有顯著空間差異，2010—2018年115個市人均水資源處于盈余狀態(tài)的僅有33個市，約占28.7%。呼倫貝爾市除2017年人均水資源為赤字狀態(tài)外，其余年份均為盈余狀態(tài)，均值為3.01 hm2。青海省除西寧市和海東市外，其他各市均處于人均水資源生態(tài)盈余狀態(tài);陜西省除漢中市、安康市、商洛市外，其他各市均處于人均水資源赤字狀態(tài);甘肅省除甘南藏族自治州和隴南市外，其他各市人均水資源均處于赤字狀態(tài);山東、河南、寧夏、內(nèi)蒙古、山西等幾乎全?。▍^(qū)）處于人均水資源生態(tài)赤字狀態(tài)，黃河流域九?。▍^(qū)）除青海省和四川省外其他各省（區(qū)）水資源嚴重短缺，水資源生態(tài)赤字嚴重。2010—2018年人均水資源生態(tài)盈余/赤字依次為1.30、1.51、2.15、1.43、1.60、0.87、0.93、1.47、2.32 hm2，整體變化不大，2018年略有升高。

以2010—2018年各市人均水資源盈余/赤字對115個市進行排名，因篇幅限制，僅展示排在前5位和后5位的市，見表2。人均水資源盈余排名前10的市水資源豐富。例如，四川省甘孜藏族自治州、阿壩藏族羌族自治州2010—2018年人均水資源生態(tài)盈余分別為48.59、45.92 hm2，這與其特殊的地理位置有密切的關(guān)系，甘孜藏族自治州境內(nèi)主要河流為金沙江、雅礱江和大渡河，岷江干流及最大支流大渡河縱貫阿壩藏族羌族自治州，豐富的水資源是其水資源生態(tài)盈余處于前列的重要原因。青海省的玉樹藏族自治州、果洛藏族自治州，2010—2018年人均水資源生態(tài)盈余均值分別為30.36、16.81 hm2，這也與其特殊的地理位置有關(guān)，玉樹藏族自治州有長江、黃河和瀾滄江三大水系，總面積為237 960.7 km2;果洛藏族自治州有大小河流36條，黃河是果洛藏族自治州內(nèi)最大的河流，境內(nèi)流程長達760 km，水資源豐富。

2.3 黃河流域九?。▍^(qū)）水資源承載力時空特征

2010—2018年各市水資源承載力及人均水資源承載力的分布特性見圖4。整體來看，水資源承載力均值、人均水資源承載力較高的地區(qū)分布在南部，且黃河流域九?。▍^(qū)）南部、胡煥庸線以東區(qū)域的水資源承載力及人均水資源承載力與胡煥庸線以西區(qū)域的相當。水資源承載力均值較高的地區(qū)主要分布在四川省南部，水資源承載力排名在前10位的市除漢中市屬于陜西省外，其他均屬于四川省。四川省的水資源量相對于黃河流域九?。▍^(qū)）其他省份較為充足。人均水資源承載力位列前3的是甘孜藏族自治州、阿壩藏族羌族自治州、玉樹藏族自治州，人均水資源承載力依次為48.96、46.27、30.62 hm2。

2.4 黃河流域九省（區(qū)）各市萬元GDP水資源生態(tài)足跡時空特征

根據(jù)2010—2018年黃河流域九?。▍^(qū)）115個市萬元GDP水資源生態(tài)足跡，采用ArcGIS10.2，繪制各市萬元GDP水資源生態(tài)足跡時空分布柱形圖，見圖5。2010—2018年逐年萬元GDP水資源生態(tài)足跡依次為0.28、0.25、0.21、0.18、0.18、0.17、0.14、0.15、0.15 hm2，呈減小趨勢，說明水資源利用效率逐年提高。從圖5可以看出，萬元GDP水資源生態(tài)足跡較大的市多分布在內(nèi)蒙古、寧夏、青海，其中張掖市、巴彥淖爾市、吳忠市為萬元GDP水資源生態(tài)足跡排名前3的市，水資源利用效率較低。河南省、陜西省、山東省萬元GDP水資源生態(tài)足跡處于較低水平，濟南市、果洛藏族自治州、東營市為黃河流域九?。▍^(qū)）萬元GDP水資源生態(tài)足跡排名后3的市，水資源利用效率較高。

2.5 黃河流域九?。▍^(qū)）水資源負載指數(shù)特征

2010—2018年平均水資源負載指數(shù)分別為48.48、53.99、57.40、60.37、77.62、77.52、77.14、75.20、51.87，總體呈上升趨勢，2018年有所下降，水資源壓力呈上升趨勢，水資源負載指數(shù)均值為64.40，水資源利用程度高，開發(fā)潛力小，水資源開發(fā)艱巨，需跨區(qū)域調(diào)水。黃河流域九?。▍^(qū)）115個市中水資源負載指數(shù)小于10的僅27個市，可見黃河流域九?。▍^(qū)）水資源壓力巨大，嚴重缺水。從各市水資源負載指數(shù)空間分布（見圖6）來看，水資源負載指數(shù)大于10的區(qū)域集中在甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、山西省、陜西省、河南省、山東省，這些區(qū)域水資源利用程度高，開發(fā)潛力小，水資源開發(fā)艱巨，需跨區(qū)域調(diào)水。甘孜藏族自治州、果洛藏族自治州、阿壩藏族羌族自治州、海北藏族自治州、甘南藏族自治州、海西蒙古族藏族自治州水資源負載指數(shù)均小于1，水資源開發(fā)程度低，開發(fā)潛力大，水資源開發(fā)容易，可興建中小型水利工程。

3 結(jié) 論

以黃河流域九?。▍^(qū)）為研究對象，系統(tǒng)分析了2010—2018年黃河流域九?。▍^(qū)）115個市的水資源狀況，通過建立模型測度水資源生態(tài)足跡、水資源生態(tài)盈余/赤字、水資源承載力、水資源利用效率、水資源負載情況，并用ArcGIS10.2分析其時空特征，結(jié)論如下：

（1）黃河流域九省（區(qū)）人均水資源生態(tài)足跡總體呈現(xiàn)西高東低、北高南低的分布特征，胡煥庸線以西區(qū)域人均水資源生態(tài)足跡最大，胡煥庸線上區(qū)域次之，胡煥庸線以東區(qū)域最小。

（2）黃河流域九省（區(qū)）2010—2018年115個市的人均水資源處于盈余狀態(tài)的僅有33個市，占比約為28.7%。黃河流域九?。▍^(qū)）水資源承載力、人均水資源承載力較高的市分布在南部，且黃河流域九?。▍^(qū)）南部胡煥庸線以東區(qū)域的水資源承載力及人均水資源承載力與胡煥庸線以西區(qū)域的相當。2010—2018年各市萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈減小趨勢，水資源利用效率在提高但存在區(qū)域性差異。2010—2018年黃河流域九?。▍^(qū)）平均水資源負載指數(shù)總體呈上升趨勢，水資源開發(fā)艱巨，需跨區(qū)域調(diào)水。

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【責任編輯 呂艷梅】