山東省水資源生態(tài)足跡與用水效率時空測度

馬曉蕾, 慎瀟雯, 王 婕, 劉 雯, 張 曼

(1.淮陰師范學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院,江蘇 淮安 223300; 2.安陽師范學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院,河南 安陽 455000)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,人類不僅過度開采水資源,而且對水環(huán)境造成的污染也日益嚴(yán)重,使得水資源緊缺,供需矛盾突出.生態(tài)足跡用于衡量人類對自然資本的利用程度,由Rees[1]于1992年提出,并在1996年由Wackernagel等[2]完善.生態(tài)足跡通過測算維持人類自然資源消費量和同化人類產(chǎn)生的廢棄物所需的生態(tài)生產(chǎn)性空間面積,與給定人口區(qū)域的生態(tài)承載力進行比較,衡量區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r[3].水資源生態(tài)足跡作為生態(tài)足跡評價的一部分,是指用于滿足人類社會生產(chǎn)、生活以及維持生態(tài)系統(tǒng)健康所需的全部水資源量的生態(tài)空間面積.近年來,學(xué)者們從水資源生態(tài)足跡角度開展了一系列研究[4-5],如李騰等[6]運用水資源生態(tài)足跡與承載力模型對河北省水資源盈虧情況及可持續(xù)性進行評估;周子琴等[7]對貴州省水資源生態(tài)足跡隨時間演變特征進行了研究;左其亭等[8]研究了黃河沿線省區(qū)水資源生態(tài)足跡的時空特征;路瑞等[9]對黃河流域水資源生態(tài)足跡進行評價;劉家旗等[10]利用生態(tài)足跡方法對黃河流域可持續(xù)發(fā)展進行研究;蘭簡琪等[11]基于生態(tài)足跡理論對青島市水資源可持續(xù)性進行分析;王建事等[12]研究了山東省生態(tài)足跡時空演變以及生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟之間的關(guān)系.

上述學(xué)者雖然采用水資源生態(tài)足跡方法進行了很多深入研究,但對山東省及各地市水資源生態(tài)足跡時空演變,以及從水生態(tài)足跡視角分析用水效率的研究較少,有待進一步完善.本文中,筆者以山東省為例,對水生態(tài)足跡及用水效率時空格局進行研究,以期為沿海地區(qū)水資源承載力和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).

山東省位于中國東部沿海地區(qū),地處黃河下游,省轄17個地級市(萊蕪市2019年被劃為濟南市萊蕪區(qū)),年降水量約550～950 mm,降水年內(nèi)分布很不均勻.山東省總用水量為225.26 億m3,其中農(nóng)田灌溉用水量達119.75億 m3,林牧漁畜用水量18.48億 m3,工業(yè)用水量31.87億 m3,城鎮(zhèn)公共用水量7.99億 m3,居民生活用水量29.30億 m3,生態(tài)環(huán)境用水量17.87億 m3[13].山東省在中國經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位,但水資源時空分布不均衡已成為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn).本研究基于生態(tài)足跡理論與方法,以山東省為研究區(qū),從時間尺度上對全省2000—2018年水資源生態(tài)足跡進行分析,并從空間尺度上對各地級市水資源生態(tài)足跡、生態(tài)承載力、生態(tài)盈虧和用水效率等空間演變進行分析.由于可獲得的山東省地級市水資源利用較為詳細的數(shù)據(jù)最早為2007年,且為了比較各地級市水生態(tài)足跡空間格局分布特征及其演變趨勢,分別選取2007,2010,2015和2018年進行對比分析.研究結(jié)果有助于揭示山東省不同地區(qū)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和存在問題,以及水資源生態(tài)承載能力的空間差異,進而為山東省水資源優(yōu)化利用提供對策建議和決策依據(jù).

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

水資源生態(tài)足跡(water ecological footprint)表示區(qū)域水資源代謝強度,反映水資源的消耗水平.為了解山東省水資源生態(tài)足跡的分布情況,建立農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水4個2級指標(biāo).水資源生態(tài)承載力(water ecological carrying capacity footprint)指區(qū)域在具體發(fā)展時間段內(nèi),水資源最大供給量能夠支持區(qū)域資源、環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展的能力[3],計算公式為[14-16]

Fw=γ(W/Pw),

(1)

Cw=0.4γφ(Q/Pw).

(2)

式中:Fw為水資源生態(tài)足跡,hm2;Cw為水資源生態(tài)承載力,hm2;γ為水資源全球均衡因子;W為用水量,m3;Pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力,m3/hm2;φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子[14,17];Q為水資源總量,m3.γ,Pw值以及山東省水資源產(chǎn)量因子(φ=0.7)參考文獻[3].

Bw=Cw-Fw,

(3)

其中Bw為水資源生態(tài)盈虧指數(shù),hm2.若Bw>0,表明區(qū)域處于水資源生態(tài)盈余狀態(tài),水資源生態(tài)承載力較強;若Bw=0,表明區(qū)域水資源恰好處于生態(tài)平衡狀態(tài);若Bw<0,表明區(qū)域處于水資源生態(tài)虧損狀態(tài),水資源超載.

萬元GDP水資源生態(tài)足跡可反映研究區(qū)水資源生態(tài)足跡與經(jīng)濟發(fā)展水平之間的關(guān)系[18],這里用于反映山東省用水效率,即

Gw=Fw/GGDP.

(4)

式中:Gw為萬元GDP水資源生態(tài)足跡;GGDP表示區(qū)域GDP值.Gw值越大,表明區(qū)域內(nèi)單位產(chǎn)值所消耗的水資源量越多,水資源利用效率越低;反之,水資源利用效率越高.

1.2 數(shù)據(jù)來源

山東省及所轄17個地級市水資源總量、總用水量、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水量指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于2000—2018年《山東省水資源公報》,GDP、第一產(chǎn)業(yè)增加值和第二產(chǎn)業(yè)增加值數(shù)據(jù)來源于《山東省統(tǒng)計年鑒》.

2 結(jié)果分析

2.1 山東省水生態(tài)足跡與用水效率隨時間演變

2.1.1 水生態(tài)足跡與水生態(tài)承載力

2000—2018年,山東省總水生態(tài)足跡呈波動下降趨勢,隨著人口數(shù)量的增加,人均水生態(tài)足跡持續(xù)減小(見圖1a).山東省水生態(tài)承載力總體呈波動起伏變化,年際差異較大(見圖1b).2003年水生態(tài)承載力最高,為0.23億 hm2;2002年最低,僅為0.045億 hm2,年際間相差接近5倍.對2000—2018年山東省水生態(tài)足跡與水生態(tài)承載力進行對比可以發(fā)現(xiàn),歷年水生態(tài)足跡遠高于水生態(tài)承載力,即水生態(tài)常年虧損.過度消耗水資源會造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重惡化,水資源的不可持續(xù)利用制約了社會經(jīng)濟發(fā)展.

圖1 2000—2018年山東省水生態(tài)足跡與水生態(tài)承載力Fig.1 Fw,Cw and per Fw,Cw in Shandong Province from 2000 to 2018

2.1.2 水生態(tài)足跡構(gòu)成

由圖2a可知,山東省農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡最高,2000—2018年呈先升后降趨勢,2002年達到最高,2006—2018年總體呈明顯下降趨勢,表明全省農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉效率不斷提高,節(jié)水力度加強.由圖2b可知,工業(yè)水生態(tài)足跡2000—2005年呈直線下降趨勢,2006—2018年又呈波動上升趨勢,工業(yè)用水量加大.2004年前,工業(yè)水生態(tài)足跡高于生活水生態(tài)足跡;2004年基本持平;隨著人口數(shù)量的增長和人民生活水平的提高,生活用水量隨之增加,2004年后生活水生態(tài)足跡反超工業(yè)水生態(tài)足跡(見圖2c).生態(tài)水生態(tài)足跡呈波動上升趨勢(見圖2d),說明山東省加強了對生態(tài)環(huán)境的保護力度.

a.農(nóng)業(yè); b.工業(yè); c.生活; d.生態(tài).圖2 2000—2018年山東省農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)水生態(tài)足跡變化趨勢Fig.2 Fw Trends of Agriculture,Industry,Living and Ecology in Shandong Province from 2000 to 2018

2007—2018年,除農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡占比下降外,工業(yè)、生活和生態(tài)水生態(tài)足跡占比均逐漸增加.山東省農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡占比最高,由75.07 %下降到62.76 %;其次為生活水生態(tài)足跡,由12.49 %上升到16.95 %;工業(yè)水生態(tài)足跡低于生活,由10.99 %上升到15.30 %;生態(tài)水生態(tài)足跡最低,占比由1.46 %上升到4.99 %(見圖3).

圖3 山東省農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)水生態(tài)足跡占比變化Fig.3 Fw Proportion Changes of Agriculture,Industry,Living and Ecology in Shandong Province

圖4 2000—2018年山東省單位產(chǎn)值水生態(tài)足跡變化Fig.4 Changes in Fw per Unit Output Value in Shandong Province from 2000 to 2018

2.1.3 萬元GDP水生態(tài)足跡

山東省萬元GDP水生態(tài)足跡呈小幅度下降趨勢,之后處于平穩(wěn)狀態(tài).農(nóng)業(yè)萬元生產(chǎn)總值水生態(tài)足跡呈顯著下降趨勢,但仍高于工業(yè)和平均水平,表明山東省農(nóng)業(yè)經(jīng)濟用水效率提高速度最快,但用水效率仍然較低;工業(yè)萬元生產(chǎn)總值水生態(tài)足跡趨于平穩(wěn)且處于較低水平,表明工業(yè)用水效率高.總體上看,山東省用水效率不斷提高,發(fā)展趨勢較好(見圖4).

2.2 山東省水生態(tài)足跡與用水效率空間差異

2.2.1 水生態(tài)足跡

山東省各地市水生態(tài)足跡空間差異大,高值區(qū)大多位于山東省西部地區(qū),距離海洋較遠,尤其是菏澤、濟寧、德州和聊城4市,水生態(tài)足跡較高;低值區(qū)靠近沿海,如威海、日照2市水生態(tài)足跡較低(見圖5,圖中數(shù)值為農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡占比).聊城和濰坊2市水生態(tài)足跡下降明顯,說明2市重視水資源的節(jié)約利用和保護,水資源利用效率有所提高.各地市農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡占比大,工業(yè)與生活水生態(tài)足跡次之,生態(tài)水生態(tài)足跡占比最小.威海、日照、萊蕪、棗莊4市各類用水生態(tài)足跡總體較小;德州、菏澤、聊城、濟寧4市農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡高,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量大,應(yīng)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè),采用滴灌、噴灌等節(jié)水技術(shù)提高用水效率.

圖5 山東省水生態(tài)足跡及其構(gòu)成空間格局演變Fig.5 Spatial Pattern Evolution of Fw and Its Composition in Shandong Province

表1 山東省各地市人均水生態(tài)足跡變化Tab.1 Changes of per Capita Fw in Cities of Shandong Province

2.2.2 人均水生態(tài)足跡

總體上看,山東省各地市2007—2018年人均水生態(tài)足跡變化趨勢大致可以分為3類,分別為下降、基本不變和上升.處于下降趨勢的城市有濟南、青島、淄博、濰坊、濟寧、萊蕪、臨沂、德州和聊城;基本不變的有棗莊、煙臺、泰安、日照、菏澤5個地級市;處于上升趨勢的城市是東營、威海和濱州.2018年,青島市人均水生態(tài)足跡最低,僅為0.19 hm2/人;東營市最高,為0.88 hm2/人.由表1可知,山東省不同地市人均水生態(tài)足跡空間差異大,水資源消耗區(qū)域不均衡,對于人均水生態(tài)足跡較高的地區(qū),應(yīng)進一步加強水資源節(jié)約利用,減少人均水資源消耗.

2.2.3 水生態(tài)承載力

山東省各地市水生態(tài)承載力區(qū)域差異大,具體見圖6.2007年,臨沂、煙臺、青島3市水生態(tài)承載力較高,分別為3.22×106,2.34×106,1.69×106hm2,而東營市水生態(tài)承載力最低,僅為0.26×106hm2.與2007年相比,2010年增幅最大的是聊城市,降幅最大的是臨沂市,高值區(qū)為臨沂、煙臺、菏澤3市,分別為1.72×106,1.63×106,1.33×106hm2.2015年,各地市水生態(tài)承載力均有所下降,水生態(tài)承載最高的為臨沂市,約100萬 hm2.2018年各地市水生態(tài)承載力顯著提升,增幅最大的是濰坊市(增長約4倍),濰坊、臨沂、濟寧3市水生態(tài)承載力較強,分別為2.31×106,1.99×106,1.19×106hm2.萊蕪市水生態(tài)承載力在2010,2015,2018年均是最低,說明萊蕪市水資源較為稀缺,承載能力較弱,今后要特別加強水資源的優(yōu)化利用.

2.2.4 水生態(tài)盈虧

圖7為山東省各地級市2007,2010,2015和2018年水生態(tài)盈虧指數(shù)變化情況.2007年,青島、煙臺、威海、日照和臨沂5市水生態(tài)盈虧指數(shù)大于0;2010年,煙臺、威海2市水生態(tài)盈虧指數(shù)大于0;2018年,濰坊、日照2市水生態(tài)盈虧指數(shù)大于0,處于水生態(tài)盈余狀態(tài);其余不同地市各年份水生態(tài)盈虧指數(shù)均小于0,處于水生態(tài)赤字狀態(tài),其中濟寧、德州和聊城3市水生態(tài)虧損最大,處于嚴(yán)重超載狀態(tài).這種情況表明山東省水生態(tài)資源短缺問題較為嚴(yán)峻,急需采取有效措施加強水資源節(jié)約利用,緩解水資源生態(tài)壓力,促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展.

圖7 山東省各地市水生態(tài)盈虧變化Fig.7 Bw Changes in Cities of Shandong Province

2.2.5 用水效率空間格局

威海、青島、煙臺3市萬元GDP水生態(tài)足跡較低,用水效率高(見圖8).其中,青島市經(jīng)濟較為發(fā)達,地區(qū)生產(chǎn)總值位于全省第1位,煙臺市GDP位于全省第3位,水資源利用效率高;威海市GDP相較于省內(nèi)其他城市屬于中等偏下水平,但其工業(yè)耗水量少,用水效率高,使得整體水資源利用率較高;菏澤、聊城、德州3市萬元GDP水生態(tài)足跡較高,水資源利用效率偏低.

圖8 山東省各地市萬元GDP水生態(tài)足跡空間格局演變Fig.8 Spatial Pattern Evolution of Fw per 10 000 Yuan GDP in Shandong Province

山東省萬元GDP水生態(tài)足跡與農(nóng)業(yè)萬元增加值水生態(tài)足跡的空間格局較為一致,農(nóng)業(yè)作為山東省主要支柱型產(chǎn)業(yè),用水量最大,水資源利用效率相比工業(yè)較低.菏澤、德州、濱州3市農(nóng)業(yè)萬元增加值水生態(tài)足跡較高,使得總體GDP水生態(tài)足跡較高.沿海城市農(nóng)業(yè)萬元增加值水生態(tài)足跡較低,用水效率高(見圖9).工業(yè)方面,各地市整體工業(yè)萬元增加值水生態(tài)足跡處于上升趨勢,2018年,濱州市萬元工業(yè)增加值水生態(tài)足跡最高,為0.33 hm2/萬元;其次為萊蕪市,萊蕪市工業(yè)增加值處于全省最低水平,用水效率也較低,為0.27 hm2/萬元;而濟南、青島、煙臺等工業(yè)增加值較高的地區(qū),用水效率高,萬元工業(yè)增加值的水生態(tài)足跡均小于 0.1 hm2/萬元.

圖9 山東省農(nóng)業(yè)和工業(yè)萬元增加值水生態(tài)足跡空間格局演變Fig.9 Agricultural and Industrial Fw per 10 000 Yuan Added Value in Shandong Province

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

利用水生態(tài)足跡方法,通過萬元GDP水生態(tài)足跡反映山東省用水效率,得出以下主要結(jié)論.

1) 從時間上看,2000—2018年山東省處于水生態(tài)虧損狀態(tài),生態(tài)赤字較大.山東省以農(nóng)業(yè)用水為主,農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡占比高達60 %以上.2004年前工業(yè)水生態(tài)足跡高于生活,2004年后隨著人口的增長以及生活水平的提高,生活用水量不斷增加,致使生活水生態(tài)足跡上升,超過工業(yè);生態(tài)用水量及生態(tài)水生態(tài)足跡均處于增長趨勢,說明山東省近年加大了對生態(tài)環(huán)境的保護力度.全省萬元GDP水生態(tài)足跡變化較小,農(nóng)業(yè)萬元增加值水生態(tài)足跡處于明顯下降趨勢,農(nóng)業(yè)用水效率有所提高,但仍遠低于工業(yè);工業(yè)用水效率較高,且處于較為平穩(wěn)態(tài)勢.

2) 從空間上看,山東省水資源生態(tài)足跡高值區(qū)集中在西部的菏澤、濟寧、德州和聊城4市,萊蕪、威海、日照3市水資源生態(tài)足跡較低.從空間格局演變情況看,山東省大部分地市普遍存在水生態(tài)赤字問題,濟寧市水生態(tài)赤字居于首位,威海、日照、萊蕪3市水生態(tài)赤字較小.

3) 用水效率方面,全省各地市萬元GDP水生態(tài)足跡相差較大,西部地區(qū)較高、北部地區(qū)較低,其中青島、威海、煙臺3市最低,用水效率高.2000—2018年,全省農(nóng)業(yè)萬元增加值水生態(tài)足跡由2.34 hm2/萬元下降到0.94 hm2/萬元,說明農(nóng)業(yè)用水效率有了大幅度提高;工業(yè)萬元增加值水生態(tài)足跡由0.17 hm2/萬元下降到0.12 hm2/萬元,工業(yè)用水效率也有了一定提升.

3.2 建 議

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展,生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境等方面對水資源的需求量將隨之增加,提高用水效率、節(jié)約水資源等成為急需解決的重要問題.山東省水資源總量不足,人均占有量少,水資源地區(qū)分布不均且差異較大,今后應(yīng)重點從以下幾方面著手解決水問題.

1) 農(nóng)業(yè)方面,由于山東省農(nóng)業(yè)用水效率明顯低于工業(yè),因此應(yīng)重點加強農(nóng)業(yè)節(jié)水,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率.菏澤、濱州和德州等地市萬元增加值水生態(tài)足跡高于1.8 hm2/萬元,應(yīng)重點進行改造,如增加節(jié)水灌溉面積、改傳統(tǒng)漫灌為節(jié)水的滴灌和噴灌、加強水利工程建設(shè)等,降低農(nóng)業(yè)用水量,提高農(nóng)業(yè)用水效率[13],減輕山東省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水壓力.青島、威海等地市農(nóng)業(yè)用水效率較高,萬元增加值生態(tài)足跡僅0.2 hm2/萬元左右,其他城市可以借鑒其發(fā)展經(jīng)驗.

2) 工業(yè)方面,濱州市工業(yè)用水效率處于全省最低水平,工業(yè)生產(chǎn)帶來的水生態(tài)足跡高達50萬hm2,居全省第2位,但工業(yè)增加值卻處于全省較低水平.因此,濱州市應(yīng)加強對耗水工業(yè)發(fā)展的監(jiān)督和管理,提高產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力,推動產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展.萊蕪市用水效率較低,工業(yè)增加值處于全省最低水平,應(yīng)大力提高工業(yè)增加值,結(jié)合區(qū)域自身發(fā)展實際加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和加大科技投入,提高工業(yè)生產(chǎn)效率.

3) 生活和生態(tài)方面,政府有關(guān)部門應(yīng)加強宣傳和引導(dǎo),提高全民節(jié)水意識.加強對污水排放的監(jiān)督和管理,推動雨水、污水回收再利用,將處理之后的水資源用于城市景觀綠化,緩解山東省用水壓力,改善用水狀況,實現(xiàn)山東省水資源可持續(xù)發(fā)展,保護水生態(tài)環(huán)境.