基于水資源生態(tài)足跡的甘肅省水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長的脫鉤效應(yīng)研究

崔 亮，陳吉平，王啟優(yōu)

(甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

水資源作為人類賴以生存和發(fā)展不可缺少的基礎(chǔ)性自然資源，對于區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的速度和方向具有至關(guān)重要的決定作用[1-2]。隨著水資源的不斷開發(fā)和利用，水資源短缺逐漸成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素[3-4]。在此背景下，如何科學(xué)合理地定量分析區(qū)域水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和評價水資源利用與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的協(xié)調(diào)性趨勢規(guī)律，提高用水效率，增強(qiáng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的可持續(xù)性，緩解區(qū)域水資源短缺危機(jī)，成為社會研究關(guān)注的熱點(diǎn)問題[5-6]。

水資源生態(tài)足跡模型是在學(xué)者William Rees和Mathis Wackernagel的生態(tài)足跡理論研究的基礎(chǔ)上提出和補(bǔ)充下形成的[7]。研究表明，該模型可以從區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會、人口等角度定量分析區(qū)域水資源供求關(guān)系，評價水資源消耗與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展是否協(xié)調(diào)，從而反映區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的狀況[8-10]。Hoekstra等[11]、Chen等[12]以虛擬水為基礎(chǔ)核算了全球尺度的水生態(tài)足跡；張義等[13]、Wang等[14]結(jié)合中國水資源利用情況，改進(jìn)了水資源生態(tài)足跡的理論和計算方法；劉昀東等[15]、郭利丹等[16]應(yīng)用水資源生態(tài)足跡理論，評價了區(qū)域水資源的可持續(xù)利用狀況。脫鉤模型的提出主要用于探求資源消耗與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展之間的關(guān)系，評價區(qū)域發(fā)展?fàn)顟B(tài)健康與否[17]。隨著區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的協(xié)同發(fā)展，脫鉤模型研究在水資源利用方面也日益增多[18-19]。吳丹[20]等利用脫鉤模型研究了我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源消耗量之間的脫鉤狀態(tài)；Zhang等[21]從水資源生態(tài)足跡理論方面，研究了我國西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用間的脫鉤狀態(tài)；Zhu等[22]、姜明棟等[23]分別研究了經(jīng)濟(jì)增長與農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量之間的脫鉤狀態(tài)。

甘肅省地處我國西北地區(qū)，降水稀少，水資源時空分布不均，且水資源人均占有量僅為我國人均水平的1/3，是世界人均水平的1/8，水資源與區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展不相符已成為甘肅省主要的水資源問題[24-25]。同時，隨著甘肅省河西地區(qū)新能源及裝備制造業(yè)基地、蘭白核心經(jīng)濟(jì)區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域項(xiàng)目的建設(shè)，進(jìn)一步加劇了區(qū)域水資源的開發(fā)利用、水安全及水資源的供需矛盾，這對甘肅省水安全保障提出了新的挑戰(zhàn)[26]。鑒于此，本文以西北地區(qū)的甘肅省為研究對象，針對該區(qū)域水資源短缺、時空分布不均等問題，基于水資源生態(tài)足跡模型定量分析甘肅省2000年～2021年水資源可持續(xù)利用狀況，結(jié)合脫鉤模型評價水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長之間的脫鉤關(guān)系，并采用灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行脫鉤預(yù)測，以期為甘肅省水資源可持續(xù)利用與經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

甘肅省位于我國西部地區(qū)，地處黃河中上游，全省下轄12個地級市、2個自治州，面積42.58萬km2。據(jù)統(tǒng)計，截至2022年底，甘肅省人均水資源量956.1 m3，遠(yuǎn)低于2022年全國人均水平(2 300 m3)。甘肅省地處黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原三大高原的交匯地帶，年平均氣溫0～15 ℃，大部分地區(qū)氣候干燥，干旱半干旱區(qū)占總面積的75%，主要受干旱、暴雨洪澇、冰雹、大風(fēng)、沙塵暴和霜凍等自然災(zāi)害影響。全省年降水量在36.6～734.9 mm，從東南向西北遞減，烏鞘嶺以西降水明顯減少，隴南山區(qū)和祁連山東段降水偏多；降水多集中在6月～8月份，占全年降水量的50%～70%，年降雨量在40～800 mm。甘肅省水資源主要分屬黃河、長江、內(nèi)陸河3個流域、9個水系，河流年總徑流量415.8億m3，其中徑流量在1億m3以上的河流有78條，全省水資源豐富，但由于時空分布不均，可利用水資源短缺。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取2000年～2021年的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，甘肅省降水量、水資源總量、用水量等數(shù)據(jù)來源于《甘肅省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》《甘肅省水資源公報》和《甘肅省統(tǒng)計年鑒》等資料文獻(xiàn)。

2.2 研究方法

2.2.1 水資源生態(tài)足跡模型

水資源生態(tài)足跡模型作為一種定量分析水資源利用與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展之間關(guān)系的有效方法，可以較好地衡量甘肅省一定人口和經(jīng)濟(jì)對水資源的需求能力[7，9]。根據(jù)用水結(jié)構(gòu)，水資源生態(tài)足跡包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)環(huán)境用水4類，其計算公式如下

EFw=Nefw=Nγw(W/Pw)

(1)

式中，EFw為區(qū)域的水資源生態(tài)足跡，hm2；N為區(qū)域的年末總?cè)丝跀?shù)，人；efw為人均水資源生態(tài)足跡，hm2/人；γw為水資源的全球均衡因子，取5.19；W為用水量，m3；Pw為全球的水資源平均生產(chǎn)能力，取3.14×103m3/hm2。

2.2.2 水資源可持續(xù)利用評價模型

(1)水資源生態(tài)承載力。水資源生態(tài)承載力是指水資源能夠維持該區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)良性發(fā)展的支撐能力[16]。其計算公式為

ECw=Necw=0.4γwφ(Q/Pw)

(2)

式中，ECw為水資源生態(tài)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；Q為區(qū)域水資源總量，m3。

(2)水資源生態(tài)盈虧指數(shù)。水資源生態(tài)盈虧指數(shù)是指區(qū)域水資源生態(tài)足跡與水資源生態(tài)承載力的差值，評價區(qū)域水資源可持續(xù)利用狀況[16]。其計算公式為

EDw=efw-ecw

(3)

式中，EDw為水資源生態(tài)盈虧指數(shù)，hm2。當(dāng)EDw>0時，表示水資源為生態(tài)赤字；當(dāng)EDw<0時，表示水資源為生態(tài)盈余；當(dāng)EDw=0時，表示水資源為生態(tài)平衡。

(3)水資源生態(tài)壓力指數(shù)。水資源生態(tài)壓力指數(shù)可以反映區(qū)域水資源安全受到威脅的程度，其值越小越安全[15]。其計算公式為

EPIw=EFw/ECw

(4)

式中，EPIw為水資源生態(tài)壓力指數(shù)。當(dāng)EPIw>1時，表示人類活動對水資源可持續(xù)利用構(gòu)成威脅；當(dāng)EPIw=1時，表示人類活動與水資源可持續(xù)利用處于平衡狀況；當(dāng)EPIw<1時，表示人類活動對水資源可持續(xù)利用的影響較小。

(4)水資源利用效率。萬元GDP水資源生態(tài)足跡是指區(qū)域水資源生態(tài)足跡EF與該地區(qū)生產(chǎn)總值Y的比值，其可較好地反映區(qū)域水資源的利用效率[15]。計算公式為

EGt=EFt/Yt

(5)

式中，EGt為第t年的水資源利用效率指數(shù)，hm2/萬元；EFt為第t年的水資源生態(tài)足跡；Yt為第t年的地區(qū)生產(chǎn)總值，萬元。

2.2.3 基于Tapio水資源利用與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展脫鉤評價模型

(1)模型構(gòu)建。Tapio提出的脫鉤彈性分析方法可以從不同時間維度來衡量資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系[15]。本文基于Tapio脫鉤彈性分析方法，構(gòu)建了基于Tapio水資源利用與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的脫鉤評價模型，該模型可有效評價水資源利用與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展快慢[18]，其公式為

(6)

式中，e為脫鉤彈性指數(shù)；ΔW為區(qū)域水資源變化量，億m3；ΔY為經(jīng)濟(jì)增長變化量，億元；Wt、Wt-1分別為第t年和第t-1年的水資源利用量，億m3；Yt、Yt-1分別為第t年和第t-1年的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，億元。

(2)脫鉤程度評價標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)區(qū)域水資源變化量、經(jīng)濟(jì)增長變化量和脫鉤彈性指數(shù)e，脫鉤程度評價標(biāo)準(zhǔn)見表1所示。

表1 Tapio脫鉤類型劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域水資源生態(tài)足跡變化特征

甘肅省2000年～2021年的水資源生態(tài)足跡變化特征如圖1和表2所示。由圖1和表2可知，甘肅省2000年～2021年水資源生態(tài)足跡整體呈逐漸下降的變化趨勢，水資源生態(tài)足跡由2000年的2 028.39萬hm2逐漸下降至2021年的1 820.14萬hm2，年下降速率為9.47%。由圖1和表2進(jìn)一步可知，在區(qū)域水資源利用過程中，農(nóng)業(yè)用水足跡的占比最大但呈逐漸下降的變化趨勢，從2000年的1 610.34萬hm2下降至2021年的1 364.94萬hm2，占比從2000年的79.4%下降至2021年的74.0%，尤其是2014年后下降速度顯著加快；工業(yè)用水足跡亦呈逐漸下降的變化趨勢，從2000年的292.70萬hm2下降至2021年的107.44萬hm2，占比從2000年的14.4%下降至2021年的5.9%；生活用水足跡整體呈逐漸上升的變化趨勢，從2000年的125.35萬hm2上升至2021年的160.99萬hm2，這主要是由于隨著區(qū)域的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，城鎮(zhèn)人口數(shù)量不斷增長，生活用水量逐漸增加，是生活用水足跡增加的主要影響因素；生態(tài)環(huán)境用水足跡及其所占比例亦呈整體上升的變化趨勢，從2000年的0上升至2021年的186.77萬hm2，占比從2000年的0上升至2021年的10.3%，特別是2019年后上升速度明顯加快。這與甘肅省深入踐行全國生態(tài)文明建設(shè)與“綠水青山就是金山銀山”的理念息息相關(guān)，在逐步提高區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水安全的同時，對區(qū)域內(nèi)實(shí)施了最嚴(yán)格的水資源管理，同時與近年來產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級和不斷優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的比重等措施有密切關(guān)聯(lián)，這些措施在一定程度上提高了用水效率，降低了用水量。

圖1 甘肅省2000年～2021年水資源生態(tài)足跡變化特征

表2 甘肅省2000年～2021年水資源生態(tài)足跡變化特征統(tǒng)計 萬hm2

3.2 區(qū)域水資源可持續(xù)利用特征分析

3.2.1 區(qū)域水資源生態(tài)承載力變化特征

甘肅省2000年～2021年的水資源生態(tài)承載力ECw變化特征如圖2所示。由圖2可知，研究期內(nèi)甘肅省水資源生態(tài)承載力整體呈波動下降趨勢，年際間變化波動較大，多年平均水資源生態(tài)承載力432.15 hm2，水資源產(chǎn)量因子為0.22，均低于全國平均水平。由圖2進(jìn)一步可知，研究期內(nèi)甘肅省水資源生態(tài)承載力呈3個階段的變化特征，其中2000年～2004年水資源生態(tài)承載力呈逐漸下降趨勢，2005年～2019年水資源生態(tài)承載力整體呈逐漸上升趨勢，2020年～2021年水資源生態(tài)承載力整體呈逐漸下降趨勢，水資源生態(tài)承載力與降雨量變化趨勢基本一致。這主要是由于水資源生態(tài)承載力年際變化影響因素不僅與區(qū)域內(nèi)人口、水文地質(zhì)條件等有關(guān)，而且與區(qū)域內(nèi)的氣候，尤其是降雨量密切相關(guān)，表明降雨量的多少在一定程度上反映了區(qū)域內(nèi)水資源的豐富程度。

圖2 甘肅省2000年～2021年水資源生態(tài)承載力變化特征

3.2.2 區(qū)域人均水資源生態(tài)盈虧指數(shù)變化特征

甘肅省2000年～2021年的人均水資源生態(tài)盈虧指數(shù)EDw變化特征如圖3所示。由圖3可知，研究期內(nèi)甘肅省水資源利用整體處于生態(tài)赤字狀態(tài)，但人均水資源生態(tài)赤字整體呈波動下降趨勢，且同一時間段內(nèi)人均水資源生態(tài)足跡efw均遠(yuǎn)高于人均水資源生態(tài)承載力ecw。這表明研究期內(nèi)甘肅省天然水資源量難以滿足其生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會的健康發(fā)展，水資源可持續(xù)開發(fā)利用的空間較小，這主要是由于甘肅省地處西北干旱區(qū)，水資源短缺是制約該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的主要因素。因此，有必要進(jìn)一步提高水資源利用效率，提高水資源管理水平，不斷完善管理措施，從而改善區(qū)域內(nèi)水資源生態(tài)赤字狀況。

圖3 甘肅省2000年～2021年人均水資源生態(tài)盈虧指數(shù)變化特征

3.2.3 區(qū)域水資源生態(tài)壓力指數(shù)變化特征

甘肅省2000年～2021年的水資源生態(tài)壓力指數(shù)EPIw變化特征如圖4所示。由圖4可知，研究期內(nèi)甘肅省水資源生態(tài)壓力指數(shù)EPIw整體呈波動上升變化趨勢，且其值均大于1.0，表明甘肅省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對區(qū)域內(nèi)水資源的可持續(xù)利用構(gòu)成了威脅。因此，要加強(qiáng)水資源的利用與管理，提高區(qū)域水資源的保障能力。

圖4 甘肅省2000年～2021年水資源生態(tài)壓力指數(shù)變化特征

3.2.4 區(qū)域水資源利用效率變化特征

甘肅省2000年～2021年的萬元GDP水資源生態(tài)足跡變化特征如圖5所示。由圖5可知，研究期內(nèi)甘肅省萬元GDP水資源生態(tài)足跡整體呈逐漸降低的變化趨勢，表明該區(qū)域內(nèi)的水資源利用效率逐漸提高。這主要是由于自“十二五”開始，甘肅省為逐漸提高水資源利用效率，把水資源作為最大的剛性約束，對區(qū)域內(nèi)的用水效率、用水量等進(jìn)行最嚴(yán)格的水資源管理。同時，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化、高水效農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展也逐漸降低了萬元GDP的耗水量，從而顯著提高了區(qū)域內(nèi)的水資源利用效率。因此，在今后區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展過程中，一方面仍要嚴(yán)格管控用水總量、用水效率，另一方面要不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展高水效農(nóng)業(yè)，從而不斷提高水資源的保障能力。

圖5 甘肅省2000年～2021年水資源利用效率變化特征

3.3 區(qū)域水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長的脫鉤效應(yīng)分析

基于Tapio水資源利用與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展脫鉤評價模型評價甘肅省2000年～2021年的水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長的脫鉤效應(yīng)，評價結(jié)果如表3所示。由表3可知，研究期內(nèi)甘肅省水資源總用水量與經(jīng)濟(jì)增長整體上處于脫鉤的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，脫鉤關(guān)系正從“強(qiáng)脫鉤—弱脫鉤交替變化”的初級協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)向“強(qiáng)脫鉤”的健康協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)演變，二者的協(xié)調(diào)發(fā)展程度在不斷加強(qiáng)，這說明在研究期內(nèi)隨著不斷優(yōu)化和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)規(guī)模和技術(shù)水平，水資源利用效率逐步提高，以相對較小的水資源利用量實(shí)現(xiàn)了相對良好的經(jīng)濟(jì)增長[25]。

表3 甘肅省2000年～2021年水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長的脫鉤效應(yīng)評價結(jié)果

由表3進(jìn)一步可知，研究期內(nèi)甘肅省農(nóng)業(yè)用水量與農(nóng)業(yè)增加值的脫鉤協(xié)調(diào)發(fā)展變化特征與整體的基本一致，整體的脫鉤態(tài)勢良好。表明隨著甘肅省農(nóng)業(yè)增加值在不斷增長，農(nóng)業(yè)用水量在逐漸降低，這與區(qū)域內(nèi)渠系續(xù)建配套與節(jié)水改造和高效農(nóng)田節(jié)水灌溉技術(shù)的不斷應(yīng)用與創(chuàng)新有著密切關(guān)聯(lián)，在一定程度上提高了農(nóng)業(yè)用水效率。同時，研究期內(nèi)甘肅省工業(yè)用水量與工業(yè)增加值的整體脫鉤態(tài)勢良好(除2015年～2016年和2019年～2020年出現(xiàn)衰退外)，兩者的協(xié)調(diào)發(fā)展程度在不斷加強(qiáng)。這說明隨著工藝生產(chǎn)技術(shù)水平、產(chǎn)能結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化和調(diào)整，以及工業(yè)用水監(jiān)管的不斷加強(qiáng)，工業(yè)用水效率也逐步提高。

3.4 區(qū)域水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長的脫鉤效應(yīng)預(yù)測

本文借鑒王剛毅、魏亞茹等的研究成果[27-28]，基于灰色理論模型與BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對甘肅省2022年～2030年的水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長的脫鉤效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表4所示。由表4可知，預(yù)測的甘肅省2022年～2030年GDP年平均增長率為4.54%，水資源總用水量年平均下降率為1.24%，整體呈“強(qiáng)脫鉤”的健康協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢。這表明隨著甘肅省不斷進(jìn)行最嚴(yán)格水資源管理、不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和不斷轉(zhuǎn)型升級，水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長的脫鉤協(xié)調(diào)發(fā)展程度在不斷加強(qiáng)，將有助于甘肅省經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

表4 甘肅省2022年～2030年水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長的脫鉤效應(yīng)預(yù)測結(jié)果

4 結(jié) 論

本文基于水資源生態(tài)足跡模型和脫鉤模型定量分析了甘肅省2000年～2021年水資源可持續(xù)利用狀況及其與經(jīng)濟(jì)增長的脫鉤效應(yīng)，揭示了甘肅省水資源利用與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的狀態(tài)，并采用灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了脫鉤效應(yīng)預(yù)測，主要得出以下結(jié)論：

(1)研究期內(nèi)甘肅省水資源生態(tài)足跡整體呈下降變化趨勢，年下降速率為9.47%。在區(qū)域水資源利用過程中，農(nóng)業(yè)用水足跡和工業(yè)用水足跡呈下降變化趨勢，生活用水足跡和生態(tài)環(huán)境用水足跡呈整體上升變化趨勢。

(2)研究期內(nèi)甘肅省水資源利用效率不斷提高，水資源利用整體處于生態(tài)赤字狀態(tài)，但水資源生態(tài)承載力呈下降變化趨勢，年際間變化波動較大，且水資源生態(tài)壓力指數(shù)呈波動上升變化趨勢。

(3)研究期內(nèi)甘肅省水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長的脫鉤狀態(tài)呈“強(qiáng)脫鉤—弱脫鉤交替變化”的初級協(xié)調(diào)狀態(tài)向“強(qiáng)脫鉤”的健康協(xié)調(diào)狀態(tài)演變，整體的脫鉤態(tài)勢良好，且農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水的脫鉤協(xié)調(diào)發(fā)展變化特征與整體的基本一致。

(4)通過預(yù)測甘肅省2022年～2030年水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長的脫鉤效應(yīng)，其整體呈“強(qiáng)脫鉤”的健康協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢。這表明隨著不斷實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理、持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和不斷轉(zhuǎn)型升級，水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長的協(xié)調(diào)發(fā)展程度將不斷加強(qiáng)。