基于生態(tài)足跡模型的黃河流域甘肅段水資源利用評(píng)價(jià)

趙玉田，王玉業(yè)，楊庚霞

(1.蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué)工商管理學(xué)院，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué)長(zhǎng)青學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

水資源是人類(lèi)生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的稟賦資源，加強(qiáng)對(duì)水資源的合理開(kāi)發(fā)和利用是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口持續(xù)增長(zhǎng)，水資源利用不合理、水資源盈虧赤字高、水環(huán)境破壞嚴(yán)重等問(wèn)題日益顯著。特別是在降水匱乏的黃河流域甘肅段，區(qū)域發(fā)展用水和區(qū)域水資源供給能力的矛盾愈發(fā)突出。在這種形勢(shì)下，水資源的可持續(xù)利用已經(jīng)成為緩解區(qū)域用水矛盾，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。

生態(tài)足跡理論是加拿大生態(tài)學(xué)家REES[2]在20世紀(jì)90年代提出的，此理論主要用來(lái)定量衡量資源的可持續(xù)利用情況，主要涉及耕地、草地、森林、化石能源用地、建筑用地和水域6種土地賬戶。HOEKST等[3]在生態(tài)足跡理論基礎(chǔ)上提出的水資源生態(tài)足跡是區(qū)別于上述6種賬戶的第7類(lèi)賬戶，即用生產(chǎn)用地面積衡量一個(gè)地區(qū)人口或經(jīng)濟(jì)的水資源消耗及污水吸收水平，由此判斷水資源生態(tài)生產(chǎn)面積是否在該區(qū)域的生態(tài)承載力范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)有大量學(xué)者采用這種方法對(duì)我國(guó)江蘇省[4]、延邊州[5]等部分省市(州)的水資源生態(tài)足跡進(jìn)行計(jì)算分析。黃河流域甘肅段城市群位于黃河流域上游地區(qū)，農(nóng)業(yè)用水占總用水量的70.48%，是典型的以農(nóng)業(yè)用水為主的區(qū)域。該地區(qū)降水稀少，水資源蒸發(fā)量大，再加上頻繁的人類(lèi)活動(dòng)，使得本就脆弱的水生態(tài)環(huán)境面臨的發(fā)展問(wèn)題更加尖銳。因此，基于生態(tài)足跡理論，本研究將黃河流域甘肅段城市群擬定為研究區(qū)，對(duì)2008—2018年間九座城市總體水資源利用水平及其變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，總結(jié)評(píng)價(jià)該地區(qū)水資源的利用情況，以期為該地區(qū)緩解水生態(tài)壓力問(wèn)題提供理論參考。

1 研究區(qū)域概況

黃河流域甘肅段位于黃河流域上游，是我國(guó)黃河流域頗為關(guān)鍵的水源涵養(yǎng)區(qū)。黃河在甘肅省的干流部分處在東經(jīng)101°02′～104°43′、北緯33°20′～37°20′之間，干流長(zhǎng)度為913 km。黃河及其支流共流經(jīng)甘肅省9個(gè)市級(jí)單位，分別為蘭州市、白銀市、天水市、定西市、慶陽(yáng)市、平?jīng)鍪?、武威市、臨夏州、甘南州，九市州面積共計(jì)約1.86×105km2，占全省總面積的41%[6]。區(qū)域降水量較少，年降水量433.42 mm，此外降水在時(shí)空分布上也存在較大差異。區(qū)域地勢(shì)整體呈現(xiàn)西高東低，有多處特殊地勢(shì)，其中甘南高原區(qū)是黃河上游重要的水源補(bǔ)給區(qū)，隴東和隴中黃土高原區(qū)水土流失問(wèn)題嚴(yán)重，每年有大量泥沙混入黃河。甘肅狹長(zhǎng)的地形使得研究區(qū)域包含多種氣候類(lèi)型，自西向東包括溫帶大陸性干旱區(qū)、中溫帶半干旱區(qū)、冷溫帶半濕潤(rùn)區(qū)。由于地形的影響，研究區(qū)域的氣候有較為敏感的特點(diǎn)。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

2.1.1 水資源生態(tài)足跡模型

水資源生態(tài)足跡主要反映人類(lèi)在生產(chǎn)生活過(guò)程中對(duì)水資源的消耗水平。為了解黃河流域甘肅段城市群的水資源生態(tài)足跡分布，本文根據(jù)已有研究，考慮到水戶特性，設(shè)立了生產(chǎn)用水、生活用水以及生態(tài)用水3種二級(jí)水足跡賬戶，二級(jí)賬戶又下設(shè)若干三級(jí)賬戶[7]。水資源生態(tài)足跡的計(jì)算模型如(1)式所示。

F=γ×(W/P),

(1)

其中，F(xiàn)表示水資源生態(tài)足跡的總量(hm2)；γ表示水資源全球均衡因子；W表示水資源消耗量(m3)；P為全球水資源平均生產(chǎn)能力(m3/hm2)。參考相關(guān)研究[8]，將γ賦值5.19，P賦值為3 140 m3/hm2。

2.1.2 水資源生態(tài)承載力模型

水資源生態(tài)承載力是對(duì)某一區(qū)域在一定的歷史發(fā)展階段，其水資源最大供給量滿足該區(qū)域生產(chǎn)、生活和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]。這一指標(biāo)是對(duì)水資源供給情況的反映，計(jì)算模型如(2)式所示。

(2)

其中，C表示水資源生態(tài)承載力(hm2)；Q為區(qū)域水資源總量(m3)；φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子，計(jì)算模型如(3)式所示。

(3)

其中，O為統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)水資源生產(chǎn)值(m3/hm2)；V為統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)區(qū)域的水資源總量(m3)；S為區(qū)域總面積(km2)。研究區(qū)域多年產(chǎn)量因子具體數(shù)值如表1所示。

表1 研究區(qū)域2008—2018年產(chǎn)量因子

2.1.3 水資源生態(tài)盈虧模型

水資源生態(tài)足跡是衡量人類(lèi)活動(dòng)所消耗的水資源水平，水資源生態(tài)承載力則是反映能為人類(lèi)活動(dòng)所需而提供的水資源量。這兩組數(shù)據(jù)具有相同的單位，相減便可得到資源供需狀態(tài)，反映出人類(lèi)對(duì)水資源的利用是否合理[10]，計(jì)算模型如(4)式所示。

D=C-F,

(4)

其中，D>0表示水資源處于盈余狀態(tài)，即研究區(qū)域水資源充足，有利于區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；D<0為水資源出現(xiàn)生態(tài)赤字情況，表示研究區(qū)域的水資源量存在短缺問(wèn)題；D=0意味著水資源利用恰好處于盈虧平衡狀態(tài)。

2.1.4 水資源壓力指數(shù)模型

水資源生態(tài)壓力指數(shù)用來(lái)判定區(qū)域水資源的健康可持續(xù)狀態(tài)，其數(shù)值可以反映區(qū)域經(jīng)濟(jì)模式對(duì)區(qū)域水資源的壓力強(qiáng)度[9]，其計(jì)算模型如(5)式所示。

(5)

其中，R表示區(qū)域水資源生態(tài)壓力指數(shù)。01，說(shuō)明該區(qū)域水資源供給量弱于消費(fèi)量，水資源出現(xiàn)不安全不可持續(xù)狀態(tài)。R值越大，水資源利用就會(huì)存在越高的危險(xiǎn)程度。

2.1.5 水資源可持續(xù)利用指數(shù)模型

水資源可持續(xù)利用指數(shù)用來(lái)表示某一區(qū)域在一定時(shí)期內(nèi)，水資源長(zhǎng)期供給力能夠滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)水資源的需求量[11]。計(jì)算模型如(6)式所示。

(6)

其中，S表示可持續(xù)利用水資源指數(shù)，取0.5為該指數(shù)平衡點(diǎn)。S<0.5表明區(qū)域水資源利用呈現(xiàn)生態(tài)赤字，水資源利用處于危險(xiǎn)、不可持續(xù)狀態(tài)；S>0.5表明該區(qū)域水資源利用出現(xiàn)盈余，水資源利用可保安全、可持續(xù)利用；當(dāng)S=0.5時(shí)，表明該區(qū)域水資源利用恰好處在盈虧平衡狀態(tài)。S值越大，水資源利用就會(huì)有越高的可持續(xù)狀態(tài)。

2.1.6 萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡模型

萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡是衡量區(qū)域淡水資源可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)。其值越大，水資源利用效率越低；其值越小，水資源利用效率越高[12]。計(jì)算模型如(7)式所示。

(7)

其中，E代表萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡(hm2)；N為統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)區(qū)域生產(chǎn)總值(萬(wàn)元)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究所需的水資源相關(guān)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《甘肅省水資源公報(bào)(2008—2018)》及《中國(guó)水資源公報(bào)(2008—2018)》，人口數(shù)量以及GDP數(shù)據(jù)來(lái)源于《甘肅統(tǒng)計(jì)年鑒(2008—2018)》，基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

3 結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)研究區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)及運(yùn)用相關(guān)模型分析得出 2008—2018年甘肅省黃河流域城市群的水資源利用情況。

3.1 水資源生態(tài)足跡分析

研究區(qū)域水資源生態(tài)足跡的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。2008—2018年，區(qū)域的整體水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)出逐步下降趨勢(shì)，年均值為968.37萬(wàn)hm2，最大值為2008年的1 051.39萬(wàn)hm2，最小值為2018年的902.13萬(wàn)hm2，年均降幅達(dá)到1.52%。這說(shuō)明在統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)，該區(qū)域城市整體水資源利用效率顯著提高。在水資源賬戶中，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡的年均值為682.48萬(wàn)hm2，占比高達(dá)70.48%，這表明該區(qū)域農(nóng)用水是水資源生態(tài)足跡的主體部分，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡整體呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢(shì)，這反映了該區(qū)域在節(jié)水灌溉、合理利用雨水等方面取得良好成效；工業(yè)用水足跡多年均值占比為15.20%，開(kāi)始階段呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，自2011年以來(lái)，工業(yè)用水足跡呈現(xiàn)穩(wěn)定下降趨勢(shì)，這是因?yàn)?011年甘肅省政府開(kāi)始推行工業(yè)節(jié)水工作，研究區(qū)域以工業(yè)為主的城市在生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)、淘汰高耗水落后產(chǎn)能、水生態(tài)保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)等方面取得了一定成效，工業(yè)用水量隨之不斷減少；建筑業(yè)與服務(wù)業(yè)用水整體占比較小，多年占比均值為3.47%，但建筑業(yè)與服務(wù)業(yè)賬戶水資源生態(tài)足跡漲勢(shì)明顯，11年間整體漲幅達(dá)74.03%，這與研究區(qū)域加速推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程、積極發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)有密切聯(lián)系；生活用水在水資源生態(tài)足跡中的占比略少，多年占比均值為8.04%，在2013年生活用水出現(xiàn)過(guò)短暫下降，不過(guò)近年來(lái)上升趨勢(shì)明顯，這是城市人口增加和居民生活水平改善所引起的變化；生態(tài)用水足跡均值占比最小，為2.82%，自2013年短暫下降后逐年持續(xù)上升，說(shuō)明研究區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的保護(hù)力度不斷加大。

圖1 研究區(qū)域水資源生態(tài)足跡變化趨勢(shì)

圖2 研究區(qū)域水資源生態(tài)承載力和歷年降水量之間的關(guān)系

3.2 水資源生態(tài)承載力分析

如圖2所示，研究區(qū)域水資源生態(tài)承載力較低，多年均值僅為250.36萬(wàn)hm2，落后于同屬黃河流域的陜西省[13]。研究區(qū)域水資源生態(tài)承載整體呈現(xiàn)波動(dòng)起伏狀況，但在2016年后漲勢(shì)明顯出現(xiàn)較大年際差，2018年漲幅達(dá)到147.44%。由圖2可知，研究區(qū)域水資源生態(tài)承載力與年降水量的變化趨勢(shì)十分接近。經(jīng)過(guò)相關(guān)性分析，研究區(qū)域的水資源歷年生態(tài)承載力與歷年降水量有顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.902，說(shuō)明研究區(qū)域的水資源生態(tài)承載力受年降水量的影響較大。

3.3 水資源生態(tài)盈虧分析

由圖3可知，在研究時(shí)間內(nèi)研究區(qū)域的生態(tài)赤字嚴(yán)重，且持續(xù)波動(dòng)變化，平均赤字高達(dá)718.01萬(wàn)hm2，赤字最大值為2008年的882.41萬(wàn)hm2，最小值為2018年的342.08萬(wàn)hm2。導(dǎo)致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是研究區(qū)域可用水資源總量較少，再加上生產(chǎn)生活等賬戶的正常運(yùn)行需要大量的水資源，供需矛盾加劇。此外，研究區(qū)域以干旱半干旱氣候?yàn)橹?，年降水量較低再加上各項(xiàng)活動(dòng)的不合理消耗利用及水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)也是造成赤字的重要原因。2016年，甘肅省水利廳開(kāi)展節(jié)水管理強(qiáng)化工作。在一系列政策的支持下，同年赤字開(kāi)始下降。經(jīng)過(guò)2016—2018年的持續(xù)節(jié)水管理工作，2018年研究區(qū)域距離水資源生態(tài)盈虧平衡點(diǎn)雖仍有一定差距，但赤字狀態(tài)已得到較大程度的緩解，可知近年來(lái)該區(qū)域在控制水資源消耗、完善水資源利用結(jié)構(gòu)等方面取得了顯著成效。

圖3 研究區(qū)域水資源生態(tài)盈虧變化趨勢(shì)圖4 研究區(qū)域生態(tài)壓力指數(shù)變化趨勢(shì)

3.4 歷年水資源生態(tài)壓力指數(shù)分析

由圖4可知，研究區(qū)域在2008—2018年水資源生態(tài)壓力指數(shù)波動(dòng)較大，且在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)全時(shí)段高過(guò)水資源生態(tài)供需均衡點(diǎn)。生態(tài)壓力指數(shù)最低值為2018年的1.61，最高值為2016年的7.31，歷年平均值為4.71，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平[14]。按照趙先貴等[15]的生態(tài)壓力指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)域的水資源可持續(xù)利用水平已經(jīng)處于極不安全狀態(tài)，這說(shuō)明該地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用安全程度極低，水生態(tài)環(huán)境處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

3.5 水資源可持續(xù)利用分析

由圖5可知，研究區(qū)域在2008—2018年的水資源可持續(xù)利用指數(shù)偏低，整體位于可持續(xù)利用的水資源平衡點(diǎn)基準(zhǔn)線以下。結(jié)合計(jì)算模型可知，在生態(tài)足跡變化相對(duì)穩(wěn)定的情況下，研究區(qū)域生態(tài)承載力的強(qiáng)度對(duì)水資源可持續(xù)利用指數(shù)起到主要的影響作用，根據(jù)圖2和圖5的曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn)兩種指標(biāo)有十分接近的曲線運(yùn)動(dòng)軌跡。參考于航等[16]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)研究區(qū)域2008—2018年的水資源可持續(xù)利用等級(jí)進(jìn)行歸納：2008—2011年、2014—2017年，共計(jì)8個(gè)年度的水資源可持續(xù)利用指數(shù)小于等于0.20，表現(xiàn)為強(qiáng)不可持續(xù)狀態(tài)；2012和2013年的水資源可持續(xù)利用指數(shù)處在0.20～0.34之間，表現(xiàn)為中不可持續(xù)狀態(tài)；2018年的水資源可持續(xù)利用指數(shù)在0.35～0.49之間，表現(xiàn)為弱不可持狀態(tài)。整體來(lái)說(shuō)，研究區(qū)域有較大的生態(tài)壓力指數(shù)，水資源利用情況整體處于不可持續(xù)狀態(tài)。

圖5研究區(qū)域水資源可持續(xù)利用指數(shù)變化趨勢(shì)圖6 研究區(qū)域、甘肅省和全國(guó)萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡變化趨勢(shì)

3.6 萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡分析

如圖6所示，研究區(qū)域在2008—2018年，萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡呈逐年下降趨勢(shì)，年平均降幅達(dá)到11.44%。這說(shuō)明研究區(qū)域水資源利用效率逐漸提高，水資源不合理消耗減少。以全國(guó)萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡為參照(數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)水資源公報(bào)(2008—2018)》)，研究區(qū)域水資源生態(tài)足跡整體略高于全國(guó)平均水平，說(shuō)明研究區(qū)域的水資源利用情況在全國(guó)處于相對(duì)落后狀態(tài)。另外，研究區(qū)域萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡明顯低于甘肅省整體水平，說(shuō)明研究區(qū)域的用水效率和用水結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于省內(nèi)其他地區(qū)；此外，甘肅全省萬(wàn)元GDP水足跡也在持續(xù)下降，這得益于甘肅省政府對(duì)節(jié)水工作的重視和對(duì)節(jié)水辦法監(jiān)督力度，但甘肅省萬(wàn)元GDP水足跡與全國(guó)相比仍顯落后，這與部分城市生產(chǎn)賬戶用水量大且用水效率低下有直接關(guān)系。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黃河流域甘肅段核心城市區(qū)水資源利用情況的分析，得出如下結(jié)論。

(1)2008—2018年，研究區(qū)域水資源的需求大于供給，生態(tài)足跡常年高于水資源生態(tài)承載力，該區(qū)域水資源呈現(xiàn)生態(tài)赤字，使得研究區(qū)域水資源出現(xiàn)不可持續(xù)的狀態(tài)。雖然研究區(qū)域水資源呈現(xiàn)生態(tài)赤字的狀態(tài)，但隨著時(shí)間的推移，生態(tài)赤字逐年穩(wěn)定下降，這說(shuō)明水資源可持續(xù)利用程度整體得到提高。

(2)水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。究其原因主要為甘肅省節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣、農(nóng)業(yè)用水體系的不斷完善以及增強(qiáng)工業(yè)用水清潔循環(huán)等措施的實(shí)施，這些措施使生產(chǎn)賬戶的水資源利用效率得到提高，不合理用水量不斷減少。所以要提高研究區(qū)域水資源的有效利用，必須在合理增加水資源投入量的同時(shí)改善污水治理系統(tǒng)。

(3)通過(guò)總結(jié)三級(jí)水賬戶用水信息，可知研究區(qū)域水資源利用中農(nóng)業(yè)用水是占比最高的三級(jí)賬戶，工業(yè)用水的比重緊隨其后，兩者共計(jì)達(dá)到總用水足跡的85.68%，這種高額用水狀況是造成水資源生態(tài)赤字、高水資源生態(tài)壓力指數(shù)以及低水資源可持續(xù)利用指數(shù)的重要原因。因此，相關(guān)部門(mén)需要對(duì)產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，減少由于水浪費(fèi)現(xiàn)象而造成高額水足跡的個(gè)別用水賬戶，最終提高水資源的利用效率。

(4)研究區(qū)域萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，接近于全國(guó)平均水平。這說(shuō)明研究區(qū)域在改善用水結(jié)構(gòu)和提升用水效率方面取得了一定成效，但考慮到研究區(qū)域水資源總量較少，且水資源可持續(xù)利用指數(shù)一直低于平衡點(diǎn)，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，仍然需要加強(qiáng)節(jié)水強(qiáng)化工作，建立科學(xué)完善的水資源利用體系。

綜上所述，黃河流域甘肅段城市水環(huán)境安全狀態(tài)比較差，但隨著甘肅省水資源系列利用措施的實(shí)施，使得近年來(lái)水資源利用的各項(xiàng)指標(biāo)顯著改變。為了促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)水資源利用效率的持續(xù)提高和水生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善依舊是研究區(qū)域需要重視的問(wèn)題，這需要政府和企業(yè)加大技術(shù)資金投入，憑借科技的進(jìn)步解決研究區(qū)域水資源可持續(xù)利用問(wèn)題。