基于水足跡理論的甘肅省水資源利用與經(jīng)濟增長脫鉤分析研究

劉 獻，袁 旦，韓軼菲，3，唐驕宇，3，盧 洋

(1.黃河水利委員會三門峽庫區(qū)水文水資源局，河南 三門峽 472000；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072 ；3.長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710064)

水資源是制約經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生活品質(zhì)提升的重要因素[1]，是基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，合理利用水資源，提高水資源利用效率，是新時期區(qū)域高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的必要手段。

目前，國家及地區(qū)城市都在實施國民經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略，其中，實現(xiàn)水資源的合理利用是推動國民經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的一個重要內(nèi)容。定量分析水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系對區(qū)域可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展特別重要，以往主要關(guān)注實體水研究，然而從長期可持續(xù)發(fā)展水資源利用和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的角度考慮，虛擬水也是非常重要的。Tony Allen[2]提出虛擬水的概念，是指生產(chǎn)每種農(nóng)業(yè)產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品所需的淡水量。隨后Hoekstra[3]提出的水足跡理論為區(qū)域水資源評價提供了全新的視角。水足跡指生產(chǎn)一定人群消費的產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量，它表征的是維持人類產(chǎn)品和服務(wù)消費所需要的真實水資源數(shù)量，包括實體水和虛擬水，可用于分析區(qū)域水資源的承載能力以及對外依存程度，有助于更科學(xué)、更全面地認識水資源利用狀況[4]。自從提出水足跡理論以來，便受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，國內(nèi)多涉及水足跡時空分析[5]、農(nóng)業(yè)水足跡與水資源利用[6]和生態(tài)補償[7-8]等方面研究。而關(guān)于脫鉤理論研究，最早由Vehmas等[9]提出了基于變化量的脫鉤研究方法；Tapio[10]提出了脫鉤模型，并在碳排放、資源利用等領(lǐng)域進行了應(yīng)用。利用水足跡理論和脫鉤理論，在水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展協(xié)調(diào)性方面的研究有了一定的進展，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)從不同的尺度、區(qū)域空間進行了研究。潘忠文等[11]、劉明勝等[12]、李寧等[13]、焦士興等[14]分別從國家、省域、城市群、地市等不同層面定量分析了水資源利用狀況與經(jīng)濟增長的協(xié)調(diào)關(guān)系。

研究甘肅省水資源和經(jīng)濟發(fā)展脫鉤關(guān)系及演變趨勢，對于促進水資源利用和經(jīng)濟協(xié)調(diào)高質(zhì)量發(fā)展和實現(xiàn)西部崛起具有重要意義?；谒阚E理論核算方法對甘肅省水足跡的構(gòu)成及趨勢進行分析，并采用脫鉤模型研究水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系，以期為促進二者的協(xié)同發(fā)展提供參考，為進一步實現(xiàn)甘肅水資源的合理利用提供建議。

1 研究區(qū)概況

甘肅省位于“一帶一路”沿線，是中國缺水最嚴(yán)重的省份之一，全域水系由黃河流域、長江流域和內(nèi)陸河流域組成，其中重要的河流有渭河、涇河、大夏河、洮河、北大河、葫蘆河、黑河、清水河、石羊河、疏勒河等。2019年甘肅省的水資源總量325.9億m3，人均水資源量為1 231.21 m3/人，占全國人均水資源量的59%，接近于國際公認的人均1 000 m3的“重度缺水標(biāo)準(zhǔn)”，為典型的水資源短缺地區(qū)。近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的持續(xù)增長以及對生態(tài)文明建設(shè)的重視，對水資源的需求不斷增加，加之用水結(jié)構(gòu)的不合理，使甘肅省的水資源供需矛盾不斷加大，對生態(tài)文明經(jīng)濟發(fā)展的制約越來越明顯。

2 研究模型與方法

2.1 水足跡計算模型

目前國內(nèi)學(xué)者研究水足跡主要從兩方面考慮：①人類社會發(fā)展所消耗的實體水資源；②在產(chǎn)品及服務(wù)中的隱藏水資源，稱為虛擬水。把實體水資源和隱藏的水資源(虛擬水)結(jié)合研究區(qū)域水資源利用情況[15]。目前，研究水足跡的核算方法有3種[16-17]，分別為自上而下核算法、自下而上核算法和投入產(chǎn)出模型法。本文采用自下而上核算法計算甘肅省的總體水足跡，建立6個水足跡賬戶，即農(nóng)業(yè)水足跡、生活水足跡、工業(yè)水足跡、生態(tài)水足跡、進口虛擬水足跡和出口虛擬水足跡。水足跡的計算公式為：

WF=WFi+WFe

(1)

式中 WF——總體水足跡，指研究區(qū)域所消耗的水資源總量；WFi——內(nèi)部水足跡；WFe——外部水足跡。

WFi=WFap+WFip+WFrp+WFep-WFc

(2)

WFe=WFh-WFre-export

(3)

式中 WFap——農(nóng)業(yè)水足跡； WFrp——生活水足跡；WFip——工業(yè)水足跡；WFep——生態(tài)水足跡；WFc——出口虛擬水足跡；WFh——從其他區(qū)域進口的虛擬水足跡；WFre-export——從其他區(qū)域進口再出口的虛擬水足跡。

2.2 水資源利用評價指標(biāo)[18-19]

2.2.1水足跡進口依賴度

水足跡進口依賴度等于研究區(qū)域的外部水足跡與本區(qū)域總水足跡的比值，反映研究區(qū)域?qū)ν獠克Y源的依賴程度，計算公式為：

(4)

2.2.2水資源自給率

水資源自給率等于內(nèi)部水足跡與總水足跡的比值，反映研究區(qū)域?qū)Ρ镜厮Y源的利用程度，計算公式為：

(5)

2.2.3水資源經(jīng)濟效益

水資源經(jīng)濟效益等于區(qū)域生產(chǎn)總值與總水足跡的比值，反映研究區(qū)域單位水足跡消耗產(chǎn)生的經(jīng)濟價值，用來研究區(qū)域水資源的利用效率，計算公式為：

(6)

2.2.4水資源壓力指數(shù)

水資源壓力指數(shù)是研究水資源是否處于安全狀態(tài)的指標(biāo)，用內(nèi)部水足跡與出口虛擬水之和比可用水資源量計算。當(dāng)值大于1 時，說明水資源無法滿足區(qū)域發(fā)展要求，水資源利用已處于不可持續(xù)的赤字狀態(tài)；當(dāng)值不大于1時，說明水資源流量資本能夠滿足區(qū)域發(fā)展需求，水資源利用處于安全狀態(tài)。水資源壓力指數(shù)越大，反映區(qū)域水資源利用狀況越不安全，未來的水資源利用風(fēng)險越大，計算公式為：

(7)

式中，WA為區(qū)域水資源總量。

2.3 脫鉤分析模型及其評價

脫鉤分析最早應(yīng)用于物理學(xué)領(lǐng)域研究，指具有響應(yīng)關(guān)系的2個或多個物理量之間的響應(yīng)關(guān)系不存在[20]。脫鉤理論認為資源環(huán)境的利用和經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系存在著2種關(guān)系：一是資源與環(huán)境的消耗壓力隨著經(jīng)濟的增長而增長，這種情況稱之為耦合；二是資源與環(huán)境的消耗壓力隨著經(jīng)濟的增長反而減少的情況稱之為脫鉤[21]。脫鉤也可以分為2種情況來分析：一種是相對脫鉤，是指經(jīng)濟增長時，資源與環(huán)境的消耗壓力以相對較低的比率增長；另一種是絕對脫鉤，是指經(jīng)濟增長的同時，資源與環(huán)境的消耗壓力的增長率反而降低[22]。

在研究中，比較常見的2種脫鉤算法分別是差值法和比值法[23-24]。本文利用Tapio模型比值法計算甘肅省水足跡脫鉤指數(shù)，選取GDP作為衡量經(jīng)濟發(fā)展的指標(biāo)，研究區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與水足跡的脫鉤關(guān)系，Tapio脫鉤彈性計算公式為：

(8)

式中Et——脫鉤指數(shù)，指第t-1年到第t年的水足跡與GDP的增量比值；ΔTW、ΔTE——水足跡與GDP的變化速率；TWt、TEt——第t年的水足跡和GDP值。

脫鉤指數(shù)用于描述變量之間相分離的程度和方向。為能夠充分地反映GDP與水足跡之間的變化關(guān)系，本文在選定區(qū)域GDP與水足跡2個指標(biāo)的基礎(chǔ)上，又增加了本地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值與農(nóng)業(yè)用水足跡2個指標(biāo)。有研究學(xué)者已經(jīng)對脫鉤指數(shù)的8種取值狀態(tài)進行了定義(表1)，根據(jù)定義，本文新增一項評價效果，用于描述人類的接受狀態(tài)，分為5個級別，分別為：最為理想、較為理想、一般理想、不理想、極不理想。

表1 脫鉤模型評價

2.4 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)來自2008—2020年《甘肅省統(tǒng)計年鑒》《甘肅省水資源公報》等資料。農(nóng)業(yè)水足跡采用自下而上核算法，通過農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量乘單位產(chǎn)品虛擬水含量來計算(農(nóng)產(chǎn)品包括農(nóng)作物產(chǎn)品和動物產(chǎn)品)，農(nóng)作物產(chǎn)品和動物產(chǎn)品的虛擬水含量參考文獻[25-27](表2)，忽略了地域差異性。基于甘肅省可查數(shù)據(jù)，農(nóng)作物產(chǎn)品主要有小麥、玉米、棉花、油料、豆類、薯類、煙葉、蔬菜、水果，動物產(chǎn)品有牛肉、羊肉、豬肉、禽肉、禽蛋、奶類、水產(chǎn)品等。目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于進出口虛擬水足跡的研究，由研究區(qū)進出口總額乘本地區(qū)萬元GDP用水量計算得出，考慮到數(shù)據(jù)缺失，忽略了本地區(qū)從其他地區(qū)進口的產(chǎn)品或服務(wù)再出口的虛擬用水量WFre-export。在脫鉤分析中，統(tǒng)計年鑒查到的GDP為名義GDP，為了消除價格對經(jīng)濟增長的影響，以2008年為基準(zhǔn)期，對名義GDP通過GDP指數(shù)換算成可比較的實際GDP，計算實際經(jīng)濟增長數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水足跡分析

從圖1和表3中可以看出，水足跡從2008年開始呈現(xiàn)出小幅度上漲，到2015年有一個下跌，然后有一個不穩(wěn)定的波動上漲趨勢。2008年水足跡152.77億m3，是整個研究區(qū)間的最小值。通過對表4甘肅省2008—2019年年降水量的分析，甘肅省作為干旱缺水地區(qū)，由于2008、2009、2015年降水的不足，水資源直接影響到當(dāng)年的水足跡。

表2 農(nóng)作物產(chǎn)品和動物產(chǎn)品的單位餐品虛擬水含量 單位：m3/kg

從水足跡的組成分析，農(nóng)業(yè)水足跡占水足跡的最大比重，整個研究期間都超過了水足跡的80%，從2013年之后，占比接近90%?？梢姡诟珊祬^(qū)，農(nóng)業(yè)用水依然比較嚴(yán)峻。工業(yè)用水足跡在2009—2012年保持增長，但是從2012—2019年，平穩(wěn)下降，是由于甘肅省在國家政策的調(diào)控下，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及用水的優(yōu)化使整體工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境有所改善。生態(tài)水足跡在2013—2019年處于上升趨勢，這是由于2012年十八大提出生態(tài)文明建設(shè)之后，甘肅省作為西北地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū)，提高了生態(tài)優(yōu)先意識，保證了生態(tài)環(huán)境的需水量，著重加強生態(tài)建設(shè)與經(jīng)濟發(fā)展之間的協(xié)調(diào)。

同時，從表3中可以看出進出口虛擬水足跡，僅在2014、2015、2016年，出口虛擬水足跡大于進口虛擬水足跡，其余年份，出口虛擬水足跡均小于進口虛擬水足跡，通過進口虛擬水含量較多的商品，可以在一定程度上緩解了甘肅省水資源短缺狀況。

從圖1進一步對人均水足跡分析，人均水足跡變化趨勢與總體水足跡變化趨勢一致，先有一個小幅度波動上漲，再下跌，然后再波動上漲，幾乎和總體水足跡的變化處于一個平行狀態(tài)，說明研究期間每年人均占有的水足跡數(shù)量分布均等。但是甘肅省的人均水足跡的均值小于國家整體人均水足跡[4]，說明甘肅省水資源人均消耗水平低于全國人均消耗水平。

圖1 甘肅省2008—2019年水足跡及人均水足跡變化

表3 2008—2019年甘肅省水足跡構(gòu)成 單位：億m3

表4 甘肅省2008—2019年水資源量、年降水量、用(供)水總量數(shù)據(jù)

續(xù)表4 甘肅省2008—2019年水資源量、年降水量、用(供)水總量數(shù)據(jù)

3.2 水資源利用評價

從表5可以看出，2008—2019年甘肅省水資源進口依賴程度較小，依賴程度最大是在2008年達到了8.17%，總體上，進口依賴程度呈下降的趨勢。從水資源自給率分析，甘肅省近12年來水資源自給率都在90%以上，最高98.69%，最低91.83%，說明存在2個問題：一是本地區(qū)對外交流方面還需進一步加強，可以通過廣泛交易進口獲取更多外部虛擬水；二是使用內(nèi)部水能保證本地區(qū)經(jīng)濟社會的生產(chǎn)。

從水資源經(jīng)濟效益價值分析，甘肅省水資源經(jīng)濟效益每年都在增加，從2008年的20.11元/ m3提高到2019年的43.35元/ m3，年均增長率為6.6%，這是由于經(jīng)濟的發(fā)展和科技水平的提高，讓水資源的利用效率得到提高。隨著人口增加、城市擴張，水資源需求量不斷增大，水資源供需矛盾凸顯，水資源利用效率的提高對于解決水資源問題的作用有限。從水資源壓力指數(shù)分析，整個研究期間水資源壓力指數(shù)均小于1，其中僅在2014—2017年水資源壓力指數(shù)超過0.7，水資源利用存在風(fēng)險，經(jīng)過調(diào)整，2018、2019年水資源壓力指數(shù)有所降低。在整個研究期間說明甘肅省水資源狀況目前還處于安全狀態(tài)，在未來的生活中要保障水安全，就要控制水資源壓力指數(shù)上漲。

表5 2008—2019年甘肅省水資源評價指標(biāo)

3.3 水資源利用與經(jīng)濟增長脫鉤分析

經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)處理后，由式(8)可以計算得到甘肅省2009—2019年GDP變化率、水足跡變化率、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值變化率和農(nóng)業(yè)水足跡變化率，以及GDP-水足跡變化趨勢(圖2)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值-農(nóng)業(yè)水足跡變化趨勢(圖3)和各年末的彈性系數(shù)值(表6)。

甘肅省在2009—2019年整個期間GDP的增長率有下降趨勢，說明經(jīng)濟增長速度在放慢，但均高于同期水足跡的增長率(圖2)，經(jīng)濟增長與水資源利用整體上處于弱脫鉤的關(guān)系狀態(tài)。弱脫鉤狀態(tài)就是總體用水量和經(jīng)濟增長都在增加的同時，經(jīng)濟增長的增速要高于總用水量的增速。期間在2011年出現(xiàn)1次增長連接，增長連接體現(xiàn)的是用水增速基本與經(jīng)濟增速持平，呈現(xiàn)一般理想的關(guān)系狀態(tài)，在可接受的范圍內(nèi)；出現(xiàn)了2次強脫鉤和8次弱脫鉤，強脫鉤狀態(tài)是最好的一種狀態(tài)，經(jīng)濟增長的同時用水量減少，這也正是經(jīng)濟發(fā)展與水資源利用的最優(yōu)協(xié)調(diào)發(fā)展要求。

圖2 2009—2019年甘肅省GDP-水足跡變化

圖3 2009—2019年甘肅省農(nóng)業(yè)產(chǎn)值-農(nóng)業(yè)水足跡變化

表6 2009—2019年甘肅省經(jīng)濟增長與水資源利用脫鉤彈性系數(shù)

通過圖3可以看出，在2009—2019年整個期間農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的增長率一直處于0.04～0.06，相對比較穩(wěn)定，而農(nóng)業(yè)水足跡的增長率在-0.08～0.13，出現(xiàn)小范圍的波動。整個期間農(nóng)業(yè)脫鉤中出現(xiàn)5次弱脫鉤、3次擴張性負脫鉤、2次強脫鉤和1次增長連接，其中3次擴張性負脫鉤出現(xiàn)在研究區(qū)間的最初年份2009、2011、2012年，擴張性負脫鉤是指農(nóng)業(yè)產(chǎn)值與農(nóng)業(yè)用水量都在增加，而農(nóng)業(yè)用水量增長速率大于農(nóng)業(yè)產(chǎn)值增長速率，是一種過度消費水資源的表現(xiàn)，也是一種非常不理想的關(guān)系狀態(tài)，造成這一現(xiàn)象的原因，與傳統(tǒng)的粗放式大水漫灌農(nóng)作物相關(guān)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟增長的同時也造成了水資源的浪費。從2014—2019年出現(xiàn)4次弱脫鉤和2次強脫鉤，說明農(nóng)業(yè)用水量與農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的協(xié)調(diào)狀態(tài)有所好轉(zhuǎn)，處于較理想的弱脫鉤和最理想的強脫鉤狀態(tài)。這是由于近幾年，針對干旱地區(qū)，甘肅省大力推廣旱作節(jié)水技術(shù)，在全省蔬菜、果樹及中藥材等農(nóng)作物上，推廣水肥一體化技術(shù)；在河西、沿黃灌區(qū)馬鈴薯、棉花、玉米等作物上，推廣應(yīng)用以壟膜溝灌技術(shù)為支撐的農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)和以膜下滴灌、低壓管灌為主的高效節(jié)水技術(shù)。其中1次增長連接出現(xiàn)在2013年，不難看出，2013年是從不理想狀態(tài)向理想狀態(tài)的過渡年份，這與國家政策導(dǎo)向相關(guān)。2012年3月，習(xí)近平總書記在中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第五次會議上提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，強調(diào)節(jié)水意義重大，在甘肅省農(nóng)業(yè)灌溉用水達到總用水量的80%左右，所以農(nóng)業(yè)節(jié)水是重中之重。從表4也可以看出從2012年開始，用(供)水量逐年降低，農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)措施起到很大作用。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過對甘肅省2008—2019年的水足跡進行核算分析，以及水資源評價和脫鉤分析，得出以下結(jié)論。

a)甘肅省水足跡及人均水足跡均呈波動上升趨勢，其中農(nóng)業(yè)水足跡占水足跡的86.78%，是水足跡的重要組成部分，生態(tài)水足跡處于上升趨勢。

b)水資源利用評價分析表明，水資源自給率近12年來都在90%以上；水資源的經(jīng)濟效益在逐年顯著提高，由2008年的20.11元/ m3增長到2019年的43.35元/ m3，水資源利用效率的提升有很大空間；水資源壓力指數(shù)雖有波動，但近5年有降低趨勢，處于安全狀態(tài)。

c)最后通過脫鉤關(guān)系分析表明，甘肅省近11年水足跡與經(jīng)濟增長之間的關(guān)系正在逐步從較理想的弱脫鉤向最理想的強脫鉤轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值與農(nóng)業(yè)水足跡之間的關(guān)系由最初的不理想擴張型負脫鉤向最理想強脫鉤轉(zhuǎn)變，水資源的利用效率雖然在不斷提高，但甘肅省作為西北干旱區(qū)仍面臨著水資源不足的困境以及水環(huán)境壓力增加的挑戰(zhàn)。

4.2 建議

基于結(jié)論，為推進甘肅省水資源利用與經(jīng)濟增長協(xié)調(diào)高質(zhì)量發(fā)展，提以下建議。

a)在農(nóng)業(yè)方面，要推進高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，有利于高效節(jié)水灌溉；針對干旱區(qū)，推廣應(yīng)用并研發(fā)旱作節(jié)水技術(shù)，改進灌溉方式，構(gòu)建農(nóng)田高效節(jié)水技術(shù)體系；針對山地丘陵地區(qū)，可以改變農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，推行高效生態(tài)循環(huán)種養(yǎng)模式，加強養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)有效對接，增加水資源在農(nóng)業(yè)利用的附加值，提高水資源利用率。

b)在對外貿(mào)易方面，甘肅省要充分利用“一帶一路”戰(zhàn)略國家政策優(yōu)勢，結(jié)合虛擬水的理論，進一步優(yōu)化進出口商品類型，改變貿(mào)易虛擬水結(jié)構(gòu)，引進虛擬水含量相對較高的農(nóng)作物產(chǎn)品，緩解和應(yīng)對水資源的壓力。

c)在生態(tài)方面，繼續(xù)保持對生態(tài)需水的投入，保證滿足當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)需水，推進構(gòu)建西部生態(tài)安全屏障，提升黃河上游生態(tài)安全以及內(nèi)陸河生態(tài)安全屏障，進而保障生態(tài)文明建設(shè)的順利進行。