運城市水資源生態(tài)足跡時空變化及其驅動因素分析

車婭麗

(運城市水文水資源勘測站,山西 運城 044000)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,水資源需求量與日俱增,水資源短缺問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計,全球人均淡水供給量在過去20年間減少了20%以上[1]。如何運用有限的水資源滿足人們對美好生活的向往,是迫切需要解決的問題。因此,要明晰水資源的消費現(xiàn)狀、識別水資源環(huán)境變化的主要驅動規(guī)律,為提高水資源綜合管理水平和技術提供數(shù)據(jù)支撐。

目前,基于水資源生態(tài)足跡模型的水資源可持續(xù)性研究應用廣泛,但很多對市、縣這種小尺度上水資源生態(tài)足跡的研究仍然基于“全球公頃”或“國家公頃”,采用靜態(tài)統(tǒng)一的均衡因子和產(chǎn)量因子,忽略了研究區(qū)的地域特征和動態(tài)變化特征[2],降低了研究結果的精度。因此本文構建基于“市公頃”的水資源生態(tài)足跡計算模型,采用動態(tài)的均衡因子和產(chǎn)量因子,結合三維生態(tài)足跡理論,同時在空間尺度和時間尺度上對運城市及其各行政區(qū)的水資源生態(tài)足跡進行研究。在此基礎上運用擴展后的可拓展的隨機性的環(huán)境影響評估模型(Stochastic Impacts by Regression Population,Affluence,and Technology,STIRPAT)對研究區(qū)水資源生態(tài)足跡的人文驅動因素進行分析,為區(qū)域水資源的可持續(xù)利用和保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

運城市是山西省下轄的地級市,坐落于山西省南端,總面積14182km2,下轄13個縣級行政區(qū)。屬于溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫13.3℃,多年平均年降水量525mm。屬于黃河流域,過境河流有黃河和汾河,境內水系主要為涑水河和姚暹渠。多年平均水資源量為133362萬m3,人均水資源量僅為全國水平的1/7,世界水平的1/28,屬于嚴重缺水地區(qū)。2020年末,常住人口477萬,地區(qū)生產(chǎn)總值1644億元,全市水資源總量為140736萬m3,總用水量為162300萬m3,其中農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和其他用水占比分別為78.0%、7.79%、8.82%和5.39%。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 基于“市公頃”的水資源生態(tài)足跡模型

2.1.1 均衡因子和產(chǎn)量因子的計算

“市公頃”基礎上的均衡因子等于市域某一類生物生產(chǎn)性土地的平均生產(chǎn)力與所有類型生物生產(chǎn)性土地的平均生產(chǎn)力之比[3]。具體引入單位熱值進行計算,計算公式為

(1)

“市公頃”下的水資源生態(tài)足跡產(chǎn)量因子等于區(qū)域水資源平均生產(chǎn)力與所屬市域水資源平均生產(chǎn)力之比。其計算公式為

(2)

式中:R為區(qū)域水資源平均生產(chǎn)力,m3/hm2;Rw為市域水資源平均生產(chǎn)力,m3/hm2;Yk為區(qū)域水資源總量,萬m3;Sk為區(qū)域面積,hm2;Y為市域的水資源總量,萬m3;S為市域的面積,hm2。

2.1.2 水資源生態(tài)足跡及生態(tài)承載力的計算

水資源生態(tài)足跡是指生產(chǎn)某研究區(qū)域所有人口生產(chǎn)生活所需要的水資源總量,其計算公式為[4,5]

EFw=Nefw=qwAw/Rw

(3)

式中:EFw為區(qū)域水資源生態(tài)足跡,hm2;efw為區(qū)域人均水資源生態(tài)足跡,hm2/人;N為區(qū)域總人口;Aw為區(qū)域水資源總消費量,m3。

水資源承載力指研究區(qū)域在一定的社會經(jīng)濟水平和技術條件下,水資源維持區(qū)域生態(tài)及社會經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的支撐能力,其計算公式為[6]

ECw=NeCw=0.4qwywQw/Pw

(4)

式中:ECw為區(qū)域水資源生態(tài)承載力,hm2;eCw為區(qū)域人均水資源承載力,hm2/人;0.4為扣除維持生態(tài)環(huán)境和生物多樣性的水資源量后的系數(shù);Qw為區(qū)域水資源總量,m3。

2.1.3 水資源生態(tài)盈虧的計算

水資源生態(tài)盈虧是衡量研究區(qū)域水資源可持續(xù)利用的主要參考指標,可綜合判定區(qū)域水資源消費需求是否處于水資源可承載的范圍內,計算公式為

Erd=ECw-EFw

(5)

式中:Erd>0時,表示水資源生態(tài)盈余,區(qū)域水資源利用可持續(xù);Erd<0時,表示水資源生態(tài)赤字,區(qū)域水資源利用不可持續(xù)。

2.1.4 三維水資源生態(tài)足跡的計算

水資源生態(tài)足跡廣度和深度共同組成了三維水資源生態(tài)足跡模型。足跡廣度指人們對水資源流量及其生態(tài)服務的年際需求,可從橫向層面表征人類活動對區(qū)域水資源流量的消耗程度;足跡深度則指在人們現(xiàn)有的水資源消費需求下生產(chǎn)一年水資源消費量所需的時間,可從縱向層面表征人類活動對區(qū)域水資源存量的透支程度[7-9]。計算公式為

EFb=min[EFw,ECw]

(6)

(7)

式中:EFb為水資源足跡廣度,hm2;EFd為水資源足跡深度,EFd=1時為自然深度,表示流量資本就可滿足人類對水資源的消費需求,EFd>1時開始消耗存量資本。

2.2 基于擴展的STIRPAT模型

STIRPAT模型是對經(jīng)典IPAT模型的修正和改進,具有假設檢驗、隨機回歸、度量彈性且可擴展的優(yōu)勢[10]。STIRPAT模型的通用表達式為[11]

I=aPbAcTde

式中:I為環(huán)境影響;P、A、T分別為人口、財富和技術水平;a為常數(shù)項;b、c、d為指數(shù)項;e為誤差項。模型中變量T在實際應用中允許分解和擴展,以提高其實用性及準確性。

水資源生態(tài)足跡主要來源于人們對水資源的消耗,其變化受到眾多人文因素的影響[12]。根據(jù)研究區(qū)實際情況,本文對STIRPAT模型進行擴展,將模型的因變量設置為水資源生態(tài)足跡(EFw),自變量設置為常住人口(P)、人均GDP(A)、水資源消費強度(T)、產(chǎn)業(yè)結構(Sp)和城市化水平(U),具體描述見表1。擴展后的表達式為

表1 變量描述

(8)

為便于回歸,對等式兩邊取自然對數(shù),得到

lnEFw=lna+blnP+clnA+dlnT+elnSp+flnU+lnβ

(9)

式中:a為常數(shù)項;b、c、d、e、f分別為對應因素的彈性系數(shù);β為誤差項。各彈性系數(shù)表示對應因素在其余因素不變的情況下,變化1%引起的水資源生態(tài)足跡的變化大小(%)。

2.3 數(shù)據(jù)來源

本研究中采用的數(shù)據(jù)主要來源于《山西省統(tǒng)計年鑒(2011—2020年)》和《運城市水資源公報(2011—2020年)》。市域內不同土地類型面積來源于第二次全國土地調查公布的數(shù)據(jù),各生物產(chǎn)品的單位熱值來源于《農(nóng)業(yè)技術經(jīng)濟手冊(修訂版)》。

3 結果與分析

3.1 運城市均衡因子和產(chǎn)量因子

收集運城市不同生物產(chǎn)品歷年生產(chǎn)資料,分別劃分至耕地、林地、草地和水域土地類型中,由式(1)可得歷年水域均衡因子,見表2?？梢?運城市水域均衡因子與全球水域均衡因子5.190差異很大,這與運城市本身水域面積少、水產(chǎn)業(yè)不發(fā)達等區(qū)域特點有關。

收集運城市及各行政區(qū)歷年水資源量,由式(2)可得水域產(chǎn)量因子,見表3。受降水量、植被覆蓋率、區(qū)域面積不同等影響,產(chǎn)量因子呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異和年際變化,例如2020年新絳縣產(chǎn)量因子是臨猗縣的2.5倍,芮城縣2015年的產(chǎn)量因子是2013年的1.8倍。

表3 運城市各行政區(qū)2011—2020年水域產(chǎn)量因子

3.2 運城市水資源生態(tài)足跡分析

3.2.1 水資源生態(tài)足跡

運城市2011—2020年水資源生態(tài)足跡及相關指標見表4。從結果來看,運城市水資源生態(tài)足跡整體先升后降,2012年最大,相對2011年增幅達195%,2018年之后開始下降。2011年和2014年波動較大,這是由于2011年和2014年運城市降水量明顯高于往年,水資源生產(chǎn)力隨之大幅增加,水資源生態(tài)足跡則顯著減少。各足跡賬戶中,平均貢獻率由大到小依次為農(nóng)業(yè)用水81.00%、生活用水7.86%、工業(yè)用水7.74%、城鎮(zhèn)公共用水2.45%和生態(tài)環(huán)境用水0.83%。運城市2011—2020年各足跡賬戶歷年變化見圖1,農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和城鎮(zhèn)公共用水足跡整體均為先升后降,且以2018年為拐點,其中城鎮(zhèn)公共用水足跡2018年后下降率最大,為41.0%;生態(tài)環(huán)境用水足跡則逐年上升,2020年已達2011年的20.5倍。

圖1 運城市2011—2020年各足跡賬戶變化

表4 運城市2011—2020年水資源生態(tài)足跡及相關指標

2011—2020年運城全市人均水資源生態(tài)足跡變化范圍為0.0051～0.0155hm2,平均0.0132hm2。各行政區(qū)人均水資源生態(tài)足跡變化趨勢與全市基本一致,見圖2,整體上先升后降。從人均水資源生態(tài)足跡的平均值來看,臨猗縣、芮城縣和永濟市相對較高,平均值分別為0.0249hm2、0.0171hm2和0.0150hm2,垣曲縣、夏縣和聞喜縣相對較低,平均值分別為0.0072hm2、0.0087hm2和0.0097hm2。從各足跡賬戶來看,人均農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、城鎮(zhèn)公共和生態(tài)環(huán)境用水足跡最高的區(qū)域依次為臨猗縣、河津市、鹽湖區(qū)、河津市和聞喜縣。

圖2 運城市及各行政區(qū)2011—2020年人均水資源生態(tài)足跡變化

3.2.2 水資源生態(tài)承載力

運城市2011—2020年水資源生態(tài)承載力變化相對平穩(wěn),整體呈增加的趨勢,以2011年為基準,歷年最大增幅為43.2%,2017年之后略微下降,2020年相對2017年下降10.7%。運城市及各行政區(qū)2011—2020年人均水資源生態(tài)承載力變化見圖3,受人口、經(jīng)濟發(fā)展及地理環(huán)境等因素的影響,區(qū)域之間差異較大,垣曲縣、絳縣、夏縣和平陸縣顯著高于全市水平,鹽湖區(qū)、河津市、臨猗縣則明顯低于全市水平,其余區(qū)域與全市水平相近,其中人均水資源生態(tài)承載力平均值最高的垣曲縣(0.0130 hm2)是最低的鹽湖區(qū)(0.0017 hm2)的7.6倍。

圖3 運城市及各行政區(qū)2011—2020年人均水資源生態(tài)承載力變化

3.2.3 水資源生態(tài)盈虧

由表4可知,運城市歷年均存在較大的水資源生態(tài)赤字,呈現(xiàn)不可持續(xù)的狀態(tài),其中2012年赤字最大,2018年開始有所下降,變化趨勢與水資源生態(tài)足跡一致。從各行政區(qū)看,垣曲縣歷年和聞喜縣、夏縣、絳縣、平陸縣的個別年份水資源處于盈余狀態(tài),其余區(qū)域及年份均處于赤字狀態(tài)。運城市及各行政區(qū)人均水資源生態(tài)盈虧歷年平均值見圖4,其中臨猗縣、芮城縣、永濟市、河津市赤字水平大于全市,鹽湖區(qū)、萬榮縣、新絳縣、稷山縣、聞喜縣、平陸縣、夏縣、絳縣赤字水平小于全市。

3.2.4 水資源生態(tài)足跡廣度與深度

由表4可知,運城市水資源生態(tài)足跡廣度等于生態(tài)承載力,水資源流量資本被完全消耗。2011—2020年運城市水資源生態(tài)足跡深度為1.57～4.41,1年的水資源消費量需要1.5～4.5年時間才可再生,水資源存量資本被不斷占用,這在一定程度上透支了后代的水資源享用權。

各行政區(qū)中,聞喜縣、夏縣、絳縣、平陸縣和垣曲縣多年平均水資源生態(tài)足跡廣度小于其生態(tài)承載力,其余區(qū)域均等于生態(tài)承載力。運城市各行政區(qū)2011—2020年水資源生態(tài)足跡深度變化見圖5,垣曲縣歷年來保持自然深度1.00,水資源流量資本完全可以滿足當?shù)氐南M需求。其余區(qū)域足跡深度均大于1.00,臨猗縣波動最大,平均足跡深度為12.49,水資源存量資本被重度透支;鹽湖區(qū)、河津市、永濟市、芮城縣和萬榮縣平均足跡深度為4.10～6.56,水資源存量資本透支程度略高;聞喜縣、稷山縣、新絳縣、平陸縣、夏縣和絳縣平均足跡深度為1.22～2.55,水資源存量資本透支程度相對較低。

3.3 水資源生態(tài)足跡驅動因素分析

3.3.1 運城市水資源生態(tài)足跡驅動因素

采用擴展后的STIRPAT模型,對運城市2011—2020年水資源生態(tài)足跡變化的驅動因素的時間序列進行分析。因各變量存在嚴重共線性問題,采用嶺回歸法對其進行多元回歸分析。經(jīng)分析,當嶺回歸系數(shù)K≥0.15時,各自變量的標準化回歸系數(shù)趨于穩(wěn)定,因此取K=0.15,回歸擬合結果見表5。

表5 運城市STIRPAT模型嶺回歸擬合結果

從表5看,人口對水資源生態(tài)足跡不再起推動作用,也從一定程度上反映出,對于運城這樣的中小城市,近年來人口紅利的持續(xù)降低雖抑制了水資源的消費,但同時也可能降低了城市經(jīng)濟發(fā)展的活力。人均GDP與水資源生態(tài)足跡呈正向作用,說明經(jīng)濟的增長帶動了更多的生產(chǎn)與生活行為,使水資源消費增多。水資源消費強度的驅動力最大,在其他因素不變的情況下,水資源消費強度每增加1%,水資源生態(tài)足跡就會增加0.819%,說明提高水資源利用效率、降低萬元GDP所消耗的水資源對減輕運城市水資源環(huán)境壓力仍是一個行之有效的手段。產(chǎn)業(yè)結構的驅動力相對較小,但在產(chǎn)業(yè)結構的調整過程中仍要關注相應技術水平的提高、研發(fā)的支出以及對高耗水產(chǎn)業(yè)的改革。城市化水平的提高會增加水資源生態(tài)足跡,在現(xiàn)代化進程中必須同步進行節(jié)水型社會建設,才能緩解日益增加的水資源消費需求帶來的水資源壓力。

3.3.2 各行政區(qū)水資源生態(tài)足跡驅動因素

水資源生態(tài)足跡驅動因素整體回歸結果說明,運城市水資源環(huán)境壓力不再以人口和經(jīng)濟的增長為主要驅動力,而主要受水資源消費強度的驅動影響。為進一步探究各行政區(qū)是否存在不同于整體效應的異質性特征,對各行政區(qū)水資源生態(tài)足跡驅動因素進行同樣的回歸分析,結果見表6。

表6 運城市各行政區(qū)水資源生態(tài)足跡驅動因素彈性系數(shù)回歸結果

可以看出,與整體效應有所不同,除水資源消費強度外,城市化水平也是其水資源生態(tài)足跡的主要驅動因素。人口因素僅對鹽湖區(qū)和永濟市水資源生態(tài)足跡為正向作用,且對鹽湖區(qū)影響顯著,各行政區(qū)中也僅有鹽湖區(qū)歷年來人口保持增長。人均GDP對永濟市、絳縣和鹽湖區(qū)的水資源生態(tài)足跡的促進作用較明顯(彈性系數(shù)大于0.5)。水資源消費強度在各驅動因素中占主導地位,在大部分區(qū)域彈性系數(shù)都超過0.8。產(chǎn)業(yè)結構因素僅在鹽湖區(qū)、河津市、夏縣和垣曲縣起正向作用,彈性系數(shù)在0.2左右。城市化水平是水資源生態(tài)足跡的第二大驅動力,驅動力大小在各區(qū)域差異明顯,在鹽湖區(qū)、新絳縣、聞喜縣和絳縣表現(xiàn)顯著(彈性系數(shù)大于1.0),在萬榮縣、新絳縣和平陸縣表現(xiàn)微弱(彈性系數(shù)小于0.5),在其余區(qū)域表現(xiàn)相對顯著。

4 結 論

本文研究結果顯示,“市公頃”下運城市水域均衡因子和產(chǎn)量因子的計算結果呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域特征及年際變化,以此為基礎的水資源生態(tài)足跡及生態(tài)承載力的核算結果更能反映出區(qū)域真實的水資源生態(tài)生產(chǎn)能力;傳統(tǒng)水資源生態(tài)足跡模型與三維生態(tài)足跡理論的結合,在空間尺度和時間尺度上增加了對運城市水資源利用現(xiàn)狀的解釋能力;擴展后的STIRPAT模型能夠較好地擬合水資源生態(tài)足跡與各驅動因素之間的關系。主要得到以下結論:

a.2011—2020年運城市水資源生態(tài)足跡波動較大,整體為先升后降的變化趨勢,水資源生態(tài)承載力波動較小,整體為上升趨勢,水資源一直處于不可持續(xù)的赤字狀態(tài),流量資本被完全消耗,水資源消費需求超過了承載能力,平均足跡深度為3.09,水資源存量資本透支較大。

b.2011—2020年運城市各行政區(qū)中,僅垣曲縣為水資源生態(tài)盈余狀態(tài),其余區(qū)域均表現(xiàn)為水資源利用不可持續(xù);臨猗縣水資源赤字水平最高,水資源存量資本被嚴重透支;鹽湖區(qū)、河津市、永濟市、芮城縣和萬榮縣赤字水平較高,水資源存量資本透支程度略高;聞喜縣、稷山縣、新絳縣、平陸縣、夏縣和絳縣赤字水平相對較低,水資源存量資本透支程度較小。

c.運城市水資源生態(tài)足跡驅動因素分析結果與以往大多研究結果不同,隨著人口紅利的持續(xù)降低,人口不再對水資源環(huán)境壓力起推動作用,水資源消費強度成為主要驅動因素,人均GDP、產(chǎn)業(yè)結構和城市化水平的影響因素相對較小。各行政區(qū)水資源生態(tài)足跡的主要驅動力除水資源消費強度外,還包括城市化水平。