水資源生態(tài)足跡時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)因素分析

馮佳寧,吳少霖,李曉英,柏 同

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,南京 210098;2.中交上海航道局有限公司,上海 200002;3.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,南京 210098)

0 引 言

水資源生態(tài)安全狀態(tài)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展密切相關(guān)[1],諸多地區(qū)面臨一系列水污染和水資源短缺等問題[2]。隨著五大發(fā)展理念和16字“治水方針”的提出,綠色發(fā)展逐漸受到重視[3]。鑒于此,合理規(guī)劃水資源已成為地區(qū)綠色發(fā)展的前提[4]。

生態(tài)足跡模型可用于評價(jià)人類對資源的需求以及地區(qū)綠色發(fā)展的程度[5-6],而模型中僅包括六大類生產(chǎn)土地,縮小了水資源用途的范圍[7]。為此,范曉秋等[8]將水資源賬戶引入生態(tài)足跡模型,確定3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。黃林楠等[9]構(gòu)建了水資源生態(tài)足跡模型,將其劃分為生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水。傳統(tǒng)水資源評價(jià)大多是基于水文學(xué)的原理而進(jìn)行計(jì)算,僅考慮某個(gè)地區(qū)的水文變化規(guī)律,而引入生態(tài)足跡模型則可將自然界的水資源與人類活動(dòng)聯(lián)系起來,使得評價(jià)結(jié)果更全面。隨著生態(tài)足跡模型的深入研究,基于生態(tài)足跡的水資源可持續(xù)評價(jià)體系也廣泛應(yīng)用于水資源評價(jià)領(lǐng)域。已有的基于水資源生態(tài)足跡模型的評價(jià)多集中在我國南方地區(qū)[10-14],針對西北地區(qū)水資源現(xiàn)狀的分析較少。

本文結(jié)合陜西省2006-2020年相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以水資源生態(tài)足跡模型為基礎(chǔ),分析陜西省水資源生態(tài)壓力狀況、開發(fā)利用效率和生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性,通過LMDI模型對水資源生態(tài)足跡變化的影響因素進(jìn)行分析,以期為陜西省因地制宜制定區(qū)域水資源管理政策提供參考,提高生態(tài)環(huán)境安全,實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

陜西省位于我國西北部,全省縱跨長江、黃河兩大流域。其地勢南北高、中部低,自北向南大致可劃分為陜北高原、關(guān)中平原和秦巴山區(qū)。研究區(qū)處于北溫帶和亞熱帶,整體上為大陸季風(fēng)性氣候。年平均氣溫7℃～16℃,其中陜北地區(qū)7℃～12℃,關(guān)中地區(qū)12℃～14℃;陜南是全省最溫暖的地區(qū),主要在14℃～16℃。年降水量400～900mm,由于地形,降雨分布特征為南部多、北部少,夏季多、冬季少。陜西省地表水多年平均徑流量425.8×108m3,人均擁有水資源量1 280 m3(2021年),徑流呈明顯分帶性規(guī)律,南部大于北部,徑流年內(nèi)分配也不均,河流含沙量高,水土流失嚴(yán)重。隨著社會(huì)的高速發(fā)展,全省綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力居西北榜首,主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)處于領(lǐng)先地位,經(jīng)濟(jì)總量規(guī)模在西北五省(區(qū))中常年保持第一的位置,具有重要的戰(zhàn)略地位。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 水資源生態(tài)足跡

水資源生態(tài)足跡是在一定人口和經(jīng)濟(jì)狀況下,為維持人類生活生產(chǎn)和自然環(huán)境自身發(fā)展消耗的單位面積水資源量[10]。全部用水可分為生產(chǎn)用水、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水,即“三生用水”[9]。生產(chǎn)用水又分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和城鎮(zhèn)公共用水。各類水資源生態(tài)足跡公式[15]為:

(1)

EFwi=N·efwi=N×γw×(Wwi/pw)

(2)

式中:EFw為地區(qū)總水資源生態(tài)足跡,hm2;EFwi為第i類水資源生態(tài)足跡,hm2;N為地區(qū)人口數(shù),人;efwi為人均水資源生態(tài)足跡,hm2/人;γw為全球水資源均衡因子[9],取值為5.19;Wwi為第i類人均用水總量,m3/人;pw為全球水資源平均生產(chǎn)能力,m3/hm2,取3 140m3/hm2[16]。

2.2 水資源生態(tài)承載力

水資源承載力具有自然屬性、社會(huì)屬性及空間屬性,為某一區(qū)域在某一歷史階段和科技、文化、管理水平下,水資源對生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)良性發(fā)展的支撐能力[9]。水資源承載力至少要扣除60%用于維持生態(tài)系統(tǒng)平衡[17],故在計(jì)算中乘以系數(shù)0.4。其計(jì)算公式為:

ECw=N·ecw=0.4×γw×φ×(W/pw)

(3)

式中:ECw為地區(qū)水資源承載力,hm2;ecw為人均水資源生態(tài)承載力,hm2/人;φ為水資源產(chǎn)量因子,是研究區(qū)水資源生產(chǎn)能力與全國平均水資源生產(chǎn)能力的比值,根據(jù)《陜西省水資源公報(bào)》數(shù)據(jù),可算得2006-2020年陜西省以及各地市(州)的水資源產(chǎn)量因子;W為水資源總量,m3;N、γw、pw含義同式(2)。

2.3 水資源生態(tài)盈虧指數(shù)

水資源生態(tài)盈虧指數(shù)為水資源生態(tài)承載力與生態(tài)足跡兩者的差值[18]。其公式為:

EDw=ECw-EFw

(4)

式中:EDw為生態(tài)盈虧指數(shù),hm2。

當(dāng)EDw>0時(shí),為水資源生態(tài)盈余,即呈可持續(xù)利用;當(dāng)EDw<0時(shí),為生態(tài)赤字,即過度開發(fā)。

2.4 水資源生態(tài)足跡強(qiáng)度

以水資源生態(tài)足跡強(qiáng)度來衡量地區(qū)水資源利用效率,值越小,表示水資源利用效率越高;反之,越低[19]。其公式為:

ESw=EFw/GDP

(5)

式中:ESw為水資源生態(tài)足跡強(qiáng)度。

2.5 水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)程度

生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)(ECI)反映經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境兩者間的協(xié)調(diào)程度,其公式為[20]:

(6)

式中:ECI取值范圍為[1,1.414]。

當(dāng)ECI=1.414時(shí),生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性較好,生態(tài)安全得到保障;當(dāng)ECI取值越接近1,生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性越差,生態(tài)安全性低。

2.6 對數(shù)平均迪氏指數(shù)分解法

為深入探究陜西省水資源生態(tài)足跡變化,評估其潛在影響因素是必要的。因素分解法可定量分析不同因素對事物變化的影響程度[10],對數(shù)平均迪氏指數(shù)分解法(LMDI法)可有效解決分解時(shí)出現(xiàn)的“0”值和殘余項(xiàng)問題[21]。采用LMDI法進(jìn)行水資源生態(tài)足跡驅(qū)動(dòng)因素分析,具體為:

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2.7 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來自2006-2020年的《陜西省水資源公報(bào)》和《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源生態(tài)壓力狀況分析

3.1.1 水資源生態(tài)足跡

由式(1)-式(2)計(jì)算陜西省2006-2020年生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境用水水資源生態(tài)足跡,見表1。在各用水賬戶產(chǎn)生的水資源生態(tài)足跡中,農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、生活和生態(tài)環(huán)境用水的占比分別從2006年的70%、16%、3%、11%、1%變?yōu)?020年的62%、11%、15%、6%、6%。

表1 2006-2020年陜西省各用水賬戶人均水資源生態(tài)足跡

近15年,陜西省人均水資源生態(tài)足跡呈小幅增長的態(tài)勢,具體年均變化率見表1。水資源生態(tài)足跡的變化側(cè)面反映出用水結(jié)構(gòu)的變化。農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡在2006-2020年呈緩慢下降趨勢,與省內(nèi)耗水作物種植面積的減少和灌溉節(jié)水技術(shù)的推廣有關(guān),根據(jù)《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》資料統(tǒng)計(jì),省內(nèi)糧食作物種植面積持續(xù)減少,由3 453.33×104hm2減少至3 001.05×104hm2,減少13.10%;工業(yè)用水生態(tài)足跡與農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡趨勢相似,表明工業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向高效利用的方式,與陜西省不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相符。自2018年以來,生活用水生態(tài)足跡呈下降趨勢。城鎮(zhèn)公共用水生態(tài)足跡不斷上升,2006年城鎮(zhèn)公共用水量為2.15×108m3,2020年增加至12.95×108m3,增加502.33%,反映出第三產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡在2006-2020年也呈快速上升趨勢,表明陜西省加快生態(tài)文明的建設(shè),未來生態(tài)環(huán)境用水可能仍會(huì)增加。

具體到各市來看,以2020年為例(圖1),延安市的首要組成賬戶為工業(yè)用水生態(tài)足跡,為35%。其余各市農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占比最高,其中漢中市農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡為87%,渭南市和安康市次之,占比分別為75%和71%。15年中,大多數(shù)行政區(qū)的首要組成賬戶基本穩(wěn)定,但延安市的首要用水賬戶由農(nóng)業(yè)變?yōu)楣I(yè),這可能與近年來經(jīng)濟(jì)的快速增長有關(guān)。

圖1 2020年陜西省各市水資源生態(tài)足跡各賬戶組成

3.1.2 人均水資源生態(tài)承載力

陜西省人均水資源生態(tài)承載力的區(qū)域差異十分顯著。選取2007、2013和2020年作為代表年,分別代表研究時(shí)段初、時(shí)段中、時(shí)段末,以此表示研究時(shí)段的變化趨勢。由式(3)計(jì)算人均水資源生態(tài)承載力,見圖2。漢中市和安康市的水資源生態(tài)承載力較大,其中漢中市水資源生態(tài)承載力的平均值為4.46 hm2/人,安康市為3.47 hm2/人。而渭南市、咸陽市和西安市等城市的人均水資源生態(tài)承載力較低,最低的是咸陽市,平均值僅為0.02 hm2/人,與漢中市差值高達(dá)223倍。近年來,隨著黃河入境流量逐漸減小,降水量成為陜西省水資源的主要來源。在研究期間,漢中市、安康市和商洛市的人均水資源生態(tài)承載力明顯高于其他市區(qū),分析發(fā)現(xiàn)主要是由于以上3個(gè)市位于陜南地區(qū),地區(qū)為亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候,降水量充沛,水資源開發(fā)利用空間較大,而人均水資源生態(tài)承載力最低的咸陽市歷年來降水量最小。

圖2 陜西省各市人均水資源生態(tài)承載力變化

全省各地人均水資源生態(tài)承載力變化各有不同,在2007-2020年期間,人均水資源生態(tài)承載力下降的是西安市、延安市和商洛市,降幅最大的是西安市,下降24.82%。其余7個(gè)市的人均水資源生態(tài)承載力則呈上升趨勢,寶雞市上升幅度最大,其次為咸陽市,分別上升79.99%、33.97%。造成人均水資源生態(tài)承載力區(qū)域差異明顯的原因主要與各地區(qū)的降水量有直接的關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn),西安市、延安市和商洛市的降水量在研究時(shí)段呈下降趨勢,而其余各市的降水量在研究時(shí)段呈增長趨勢。

3.1.3 水資源生態(tài)盈虧指數(shù)

水資源生態(tài)盈虧與生態(tài)承載力的變化關(guān)系密切。由式(4)可得水資源生態(tài)盈虧指數(shù),總體來看,陜西省水資源分布不均,大部分地區(qū)處于生態(tài)赤字狀態(tài),出現(xiàn)水資源透支情況,見圖3。從空間分布來看,漢中市、安康市、商洛市和寶雞市為水資源盈余狀態(tài),水資源現(xiàn)狀對經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展起支撐作用,且未來開發(fā)利用的潛能較大,其余6個(gè)地區(qū)均為生態(tài)赤字,水資源與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展矛盾突出。從時(shí)間尺度來看,2007-2020年水資源生態(tài)盈余和赤字地區(qū)分布基本穩(wěn)定。2007年安康市水資源生態(tài)盈虧指數(shù)最高,達(dá)3.339hm2/人;漢中市和商洛市次之;低值區(qū)為渭南市、咸陽市、榆林市、西安市、延安市和銅川市,除渭南市為-0.369 hm2/人外,其余5個(gè)市均小于-0.1 hm2/人。至2020年,水資源生態(tài)盈虧指數(shù)最高的地區(qū)變?yōu)闈h中市,達(dá)4.113 hm2/人;安康市和商洛市次之;渭南市仍為水資源生態(tài)盈虧指數(shù)最低的地區(qū),為-0.396 hm2/人。西安市水資源盈虧程度有所改善,增幅45.60%;榆林市有明顯降低,降幅54.36%?？偟膩碚f,降水較多的地區(qū)呈水資源生態(tài)盈余,而降水稀少的地區(qū)呈水資源生態(tài)赤字。

圖3 2007-2020年陜西省水資源生態(tài)盈虧分布

3.2 水資源開發(fā)利用效率分析

水資源生態(tài)足跡強(qiáng)度由式(5)計(jì)算,陜西省各地區(qū)生態(tài)足跡強(qiáng)度差異較大,但呈縮小趨勢,見圖4。研究時(shí)段內(nèi),漢中市水資源生態(tài)足跡強(qiáng)度最大,延安市最小。2006年兩者差值1.27hm2/萬元, 2020年降至0.14hm2/萬元。以上研究表明,自2006-2020年,水資源生態(tài)足跡強(qiáng)度的區(qū)域差異逐漸變小。其主要原因是陜西省各地區(qū)水資源生態(tài)足跡強(qiáng)度普遍大幅下降,其中漢中市降幅最大,為88%;延安市降幅最小,為60%,表明水資源生態(tài)足跡強(qiáng)度較大的地區(qū)與人均水資源生態(tài)足跡較大的地區(qū)基本一致,主要分布在陜南地區(qū)?？傮w來說,在生態(tài)文明的歷史新階段下,最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”及“四項(xiàng)制度”實(shí)施后,陜西省農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水效率顯著提升。此外,陜西省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整,逐漸優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展[22],也使得水資源利用效率有所提高。

圖4 陜西省各市2006-2020年水資源生態(tài)足跡強(qiáng)度變化

3.3 水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性分析

生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)表示水資源和生態(tài)經(jīng)濟(jì)之間的協(xié)調(diào)性。根據(jù)式(6)計(jì)算生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù),陜西省各市2006-2020年的水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)見圖5。水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性最佳的地區(qū)為寶雞市,平均ECI為1.40,表明寶雞市工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整,使水資源利用效率不斷提高,水資源生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性相對較穩(wěn)定。其次是西安市,平均ECI為1.30。咸陽市最差,平均ECI為1.04。分析發(fā)現(xiàn),咸陽市人均水資源量為264.6m3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最低絕對缺水線500m3,屬嚴(yán)重缺水地區(qū),供水體系不完善,節(jié)水工程嚴(yán)重不足,水資源開發(fā)利用率低,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平不斷提高,用水量會(huì)持續(xù)增加,水資源供需矛盾也會(huì)更加突出。其余各市水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性處于較低水平,平均ECI在1.14左右。因此,陜西省應(yīng)注重協(xié)調(diào)性較差地區(qū)的水資源生態(tài)安全性,完善水利設(shè)施,提高水資源利用率,從而實(shí)現(xiàn)水資源和生態(tài)經(jīng)濟(jì)之間的協(xié)調(diào)。

3.4 水資源生態(tài)足跡影響因素分析

以2006年為基準(zhǔn)年,由式(7)-式(12)對陜西省2006-2020年的水資源生態(tài)足跡影響因素進(jìn)行分析,見圖6。由圖6可知,對水資源生態(tài)足跡影響最大的因素分別為經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和技術(shù)效應(yīng)。研究時(shí)段內(nèi),經(jīng)濟(jì)效應(yīng)大于“0”,表明促進(jìn)水資源生態(tài)足跡增長;技術(shù)效應(yīng)小于“0”,為抑制作用;結(jié)構(gòu)效應(yīng)和人口效應(yīng)趨于“0”,影響較小。①陜西省水資源生態(tài)足跡增長的主要因素是經(jīng)濟(jì)效應(yīng),2006-2020年經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展,使水資源的需求量日益增多。②技術(shù)效應(yīng)對水資源生態(tài)足跡的增長起顯著抑制作用,且抑制作用逐漸增強(qiáng),表明減少單位GDP用水量對水資源生態(tài)足跡的減少有明顯效果。③結(jié)構(gòu)效應(yīng)即“三生”用水結(jié)構(gòu),其變化較平穩(wěn),對陜西省水資源生態(tài)足跡起微弱抑制作用。④人口效應(yīng)對水資源生態(tài)足跡的影響較小。2006-2009年人口因素大于“0”,對水資源的增長起促進(jìn)作用,此時(shí)人口增長率為正;2010-2013年人口因素小于“0”,為抑制作用,相應(yīng)人口增長率為負(fù);2013年后人口開始回升,人口因素為正。由此可見,人口效應(yīng)與陜西省人口增長率密切相關(guān)。近年來,人口政策的實(shí)施使人口數(shù)量變化較大,因此引起的生態(tài)環(huán)境問題應(yīng)得到重視。

4 結(jié) 論

1)2006-2020年,陜西省的水資源生態(tài)足跡緩慢增加。其中,對水資源生態(tài)足跡貢獻(xiàn)最大的是農(nóng)業(yè)用水賬戶,但其占比逐年減小;生態(tài)環(huán)境用水的貢獻(xiàn)較小,但呈增長趨勢。經(jīng)濟(jì)效應(yīng)是陜西省水資源生態(tài)足跡增長的主要驅(qū)動(dòng)因素,而發(fā)揮抑制作用的因素為技術(shù)效應(yīng),抑制水資源生態(tài)足跡增加的主要方法是減少單位GDP用水量。

2)陜西省水資源生態(tài)承載力的區(qū)域差異顯著,漢中市和安康市人均水資源生態(tài)承載力最大,咸陽市人均水資源生態(tài)承載力最低。漢中市、安康市、商洛市和寶雞市處于盈余狀態(tài),其余地區(qū)處于赤字狀態(tài)。水資源生態(tài)盈虧指數(shù)與水資源生態(tài)承載力的變化基本一致,主要受自然稟賦及水資源消耗量的影響。

3)各市區(qū)水資源生態(tài)足跡強(qiáng)度逐年下降,主要由于國家頒布的最嚴(yán)格水資源管理制度的落實(shí)及全省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型使水資源利用效率逐漸提高。陜西省水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性較差,平均ECI為1.14,陜西省應(yīng)采取工程和非工程措施,實(shí)現(xiàn)各市區(qū)水資源和生態(tài)經(jīng)濟(jì)之間協(xié)調(diào)的目的。

現(xiàn)階段,陜西省水資源分布不均,一方面,可采取有效的科學(xué)技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)水資源均衡分配;另一方面,通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排和水資源再利用等措施,促進(jìn)水資源供需平衡。