基于灰水足跡理論的河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境脫鉤關(guān)系研究

焦士興　王安周　陳林芳　張建偉　張馨歆　趙榮欽　張崇崇

摘 要：近年來(lái)，河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有了很大提高，與此同時(shí)，水環(huán)境問題逐步顯現(xiàn)出來(lái)。利用灰水足跡和脫鉤指數(shù)模型，對(duì)2005—2015年河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境的脫鉤關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：①河南省灰水足跡年均減少0.85%且部門之間存在差異，農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)約占總量的61.8%、23.1%、15.1%。②河南省剩余灰水足跡整體上為負(fù)值（不包括2012年、2013年），水資源量能夠完全稀釋污染物，尤其是水環(huán)境的治理力度增大，確保了較好的水環(huán)境質(zhì)量。③河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境從初步協(xié)調(diào)狀態(tài)（2006年）發(fā)展到優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)狀態(tài)（2007—2015年），反映出經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較高，但對(duì)水環(huán)境的破壞程度相對(duì)較低的情況。④農(nóng)業(yè)部門對(duì)河南省水環(huán)境的破壞程度最大，工業(yè)最小，生活居中，且均呈現(xiàn)逐漸減弱趨勢(shì)，年均遞減率分別為5.4%、8.7%和7.8%。優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高科技含量；改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)；加大技術(shù)和資金投入，合理保護(hù)水環(huán)境等多措并舉才能實(shí)現(xiàn)河南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水資源動(dòng)態(tài)；灰水足跡；脫鉤指數(shù)；產(chǎn)業(yè)原因；河南省

中圖分類號(hào)：X24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0037（2018）6-32-5

DOI：10.19345/j.cxkj.1671-0037.2018.06.007

Abstract： In recent years， the economic development of Henan Province has been greatly improved， while the problem of water environment is gradually obvious. The decoupling relationship between economic development and water environment in Henan Province from 2005 to 2015 was studied by the grey water footprint and decoupling index model. The results showed： ① The average annual decrease of grey water footprint in Henan Province was 0.85%， and there were differences among departments， with agriculture， life and industry accounting for 61.8%， 23.1% and 15.1% of the total amount respectively. ② The overall residual grey water footprint in Henan Province （not including 2012， 2013） was negative； water resources amount can fully dilute pollutants； especially the increase of water environment regulation ensured a good water environment quality. ③ The relationship between economic development and water environment in Henan Province had developed from the preliminary coordination state （2006） to high-quality coordination status （2007—2015）， reflecting relatively high economic development level， while relatively low degree of damage to the water environment. ④ The agricultural sector had the greatest degree of damage to the water environment in Henan Province， the industrial sector had the lowest damage， and the living sector had the medium damage， they all showed a declining tendency， and the average annual decline rates are 5.4%， 8.7% and 7.8% respectively. Only by optimizing the industrial structure and improving the scientific and technological content； improving agriculture production mode and developing water-saving agriculture； increasing investment in technology and capital and protecting the water environment rationally could we achieve the sustainable economic and social development in Henan Province.

Key words： water resources dynamics； grey water footprint； decoupling index； industrial reasons； Henan Province

水是生命之源泉，是人類生存和發(fā)展基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著人口不斷增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水環(huán)境問題日益凸顯。基于此，荷蘭學(xué)者Hoekstrc和Chapagain于2008年首次提出了灰水足跡概念 ，后經(jīng)一系列的完善，定義為以現(xiàn)有的水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，吸收一定的污染物負(fù)荷所需的淡水水量[1]，主要用于定量評(píng)價(jià)區(qū)域生產(chǎn)生活所造成的水污染。灰水足跡研究涵蓋全球[2]、國(guó)家[3]、流域[4-5]等空間尺度。國(guó)際上，Mekonnen和Hoekstra較早采用高空間分辨率評(píng)價(jià)了全球100多種作物的灰水足跡[1]；國(guó)內(nèi)研究主要集中于糧食安全[6-7]、電子紡織[8-9]、水資源評(píng)價(jià)[10]等領(lǐng)域。具體而言，歐陽(yáng)佚亭等研究了我國(guó)淡水池塘養(yǎng)殖魚類排污的灰水足跡和污染負(fù)荷[3]；王丹陽(yáng)等改進(jìn)灰水足跡計(jì)算方法，將污染物分解到不同水體，計(jì)算各種水體灰水足跡[11]。

針對(duì)河南省水資源短缺和水污染的狀況，基于灰水足跡理論和水環(huán)境脫鉤指數(shù)定量分析了河南省水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間關(guān)系，明確了水資源退化趨勢(shì)，以期為河南省水環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)利用提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》（2006—2016年）、《河南省水資源公報(bào)》（2005—2015年）和《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2006—2016年）?；宜阚E計(jì)算參數(shù)既包括糧食生長(zhǎng)的氣象數(shù)據(jù)、產(chǎn)量數(shù)據(jù)，也包括不同作物化肥使用量及淋失率等信息，結(jié)合河南省實(shí)際情況及數(shù)據(jù)可獲得性，選取工業(yè)和生活部門氨氮與COD排放量、氮肥施用量、區(qū)域生產(chǎn)總值和水資源總量為研究指標(biāo)。

1.2 研究方法

1.2.1 農(nóng)業(yè)面源污染灰水足跡。農(nóng)業(yè)面源污染是由于化肥和農(nóng)藥過量施用所造成的水環(huán)境污染，前提是假定一部分面源污染物最終會(huì)到達(dá)地表水或地下水，進(jìn)入水體污染物與使用量為一個(gè)固定比例。計(jì)算公式為[13]：

[WFagr-grey=Lcmax-cnat=?×Applcmax-cnat] （1）

其中：[WFagr-grey]為農(nóng)業(yè)面源污染灰水足跡；[L]為排污量；[?]為進(jìn)入水體某物質(zhì)引起污染量占該物質(zhì)施用量比例；[Appl]為施用化學(xué)物質(zhì)量；[cmax]為達(dá)到環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)情況下污染物最高濃度；[cnat]為受納水體自然本底濃度。

1.2.2 工業(yè)點(diǎn)源污染灰水足跡和生活部門灰水足跡。工業(yè)點(diǎn)源污染灰水足跡是以現(xiàn)有水環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，將污染負(fù)荷消納、稀釋至特定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之上所需淡水體積。計(jì)算公式為[3]：

[WFigrey=Lcmax-cnat] （2）

其中：[WFigrey]為污染物[i]造成灰水足跡；[L]為排污量；[cmax]為達(dá)到環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)情況下污染物最高濃度；[cant]為受納水體自然本底濃度。

生活部門灰水中的污染物主要以氨氮和化學(xué)需氧量為主，與工業(yè)類似，可以利用工業(yè)灰水足跡方法進(jìn)行計(jì)算[13]。

1.2.3 區(qū)域總灰水足跡和剩余灰水足跡。區(qū)域總灰水足跡為農(nóng)業(yè)部門、工業(yè)部門和生活部門的灰水足跡之和[12]。污水中通常含有多種污染物，灰水足跡總量符合“短板原理”，即由引起灰水足跡的各項(xiàng)污染物最大灰水足跡決定，據(jù)此可得出各部門灰水足跡[13]。

剩余灰水足跡為灰水足跡與水資源量的差值。在水污染比較嚴(yán)重的情況下，有限的水資源無(wú)法將污染物稀釋至無(wú)害水平，致使污染物不斷累積，水環(huán)境狀態(tài)持續(xù)變差[1]。

1.2.4 灰水足跡參數(shù)選取。以《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值》（GB 3838—2002）為標(biāo)準(zhǔn)，確定污染物在環(huán)境中的標(biāo)準(zhǔn)（[cmax]）。其中，水體中COD和氨氮的排放達(dá)標(biāo)濃度分別為60mg/L、15mg/L；農(nóng)田氮肥淋失主要以硝態(tài)氮為主，氮肥采用硝酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)濃度，取值10mg/L。氮肥施入農(nóng)田后并沒有被農(nóng)作物完全吸收，少量殘留在土壤中，大部分以徑流或下滲等形式散失，確定氮肥淋失率為7%[14]。

1.2.5 水環(huán)境脫鉤指數(shù)。脫鉤指數(shù)用于刻畫脫鉤程度和方向，是指某個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)或多個(gè)變量之間的響應(yīng)關(guān)系。水環(huán)境脫鉤指數(shù)是將灰水足跡和GDP分別當(dāng)作解釋變量和驅(qū)動(dòng)變量[15]。計(jì)算思路為：一定時(shí)期內(nèi)GDP變化率與灰水足跡變化率的差值，其結(jié)果可以衡量經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水環(huán)境協(xié)調(diào)程度。依據(jù)脫鉤指數(shù)、GDP變化率和灰水足跡變化率，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境的關(guān)系分為優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)、初步協(xié)調(diào)和不協(xié)調(diào)狀態(tài)[13]。

2 計(jì)算與分析

2.1 河南省灰水足跡與水資源分析

根據(jù)灰水足跡計(jì)算公式（公式1～2），對(duì)河南省灰水足跡進(jìn)行計(jì)算（圖1）。

圖1表明：2005—2015年河南省灰水足跡呈整體下降趨勢(shì)。2005年灰水足跡為279.15×108m3，2015年灰水足跡為255.19×108m3，年均減少0.85%，剩余灰水足跡基本上為負(fù)值，說(shuō)明河南省水環(huán)境質(zhì)量良好。

但是，不同產(chǎn)業(yè)部門灰水足跡存在明顯差異。農(nóng)業(yè)部門灰水足跡最大，年均184.71×108m3，約占總量61.8%，原因在于河南省為農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用化肥和農(nóng)藥，使得農(nóng)業(yè)對(duì)水資源的依賴性和破壞性較大；生活部門次之，年均69.23m3，約占總量23.1%，主要由于河南省是人口大省，居民用水總量較大；工業(yè)部門灰水足跡最小，約占總量15.1%，原因在于河南省工業(yè)對(duì)水資源造成的污染較小。

不同產(chǎn)業(yè)部門灰水足跡發(fā)展趨勢(shì)存在差異。農(nóng)業(yè)灰水足跡呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明河南省農(nóng)業(yè)發(fā)展不合理；生活灰水足跡整體趨于穩(wěn)定，但2011年卻有明顯上升趨勢(shì)，說(shuō)明人均用水量變幅較小且用水規(guī)模基本穩(wěn)定；工業(yè)灰水足跡呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明河南省工業(yè)發(fā)展方式得到改善并趨于合理。

河南省剩余灰水足跡整體為負(fù)值，水環(huán)境的質(zhì)量較好。2004—2012年呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)趨勢(shì)，其中僅有2012年為正值，達(dá)到3.35×108m3，其余年份均為負(fù)值，較大負(fù)值為-279.41×108m3；2013—2015年呈現(xiàn)逐年降低趨勢(shì)，從49.51×108m3下降至-31.98×108m3，表明水資源量可以將污染物完全稀釋至通用的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，從而不會(huì)導(dǎo)致剩余灰水足跡逐年累積，尤其是水環(huán)境治理的投資力度有所增大，確保了水環(huán)境質(zhì)量較好。

2.2 河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境的脫鉤關(guān)系

河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與水環(huán)境總體上處于優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)狀態(tài)，表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較高而對(duì)水環(huán)境的破壞相對(duì)較低。依據(jù)水環(huán)境脫鉤指數(shù)計(jì)算模型[13]，得到2006—2015年河南省水環(huán)境脫鉤指數(shù)并繪制成圖（圖2）。2006年河南省脫鉤指數(shù)、灰水足跡和GDP變化率為正值，表明河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與其對(duì)水環(huán)境的破壞程度處于初步協(xié)調(diào)狀態(tài)；2007—2015年（2010年除外）河南省脫鉤指數(shù)和GDP變化率為正值，灰水足跡為負(fù)值，表明近年來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，對(duì)水環(huán)境破壞程度較低，二者處于優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)狀態(tài)。

2.3 各部門單位GDP灰水足跡

農(nóng)業(yè)部門對(duì)河南省水環(huán)境的破壞程度最大，工業(yè)最小、生活居中，且均呈現(xiàn)逐漸減弱趨勢(shì)。由圖3可知，河南省各部門單位GDP灰水足跡排序：農(nóng)業(yè)>生活>工業(yè)，表明農(nóng)業(yè)部門對(duì)水資源破壞程度最大，在綜合考慮水環(huán)境成本時(shí)，發(fā)展農(nóng)業(yè)性價(jià)比最低而工業(yè)性價(jià)比最高。河南省各部門單位GDP灰水足跡呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)，且農(nóng)業(yè)部門單位GDP灰水足跡從0.09m3/元降至0.04m3/元，年均下降5.4%；工業(yè)部門下降速度最快，年均下降8.7%；生活部門年均下降為7.8%。表明河南省農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活三大部門對(duì)水環(huán)境的破壞程度不斷減弱，水環(huán)境發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。

3 結(jié)論與討論

基于灰水足跡理論，對(duì)河南省2005—2015年經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

①河南省灰水足跡呈下降趨勢(shì)且部門之間存在明顯差異。河南省灰水足跡從2005年的279.15×108m3下降到2015年的255.19×108m3，年均減少0.85%，農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)約占總量的61.8%、23.1%、15.1%。

②河南省剩余灰水足跡整體上為負(fù)值（不包括2012年、2013年），水資源量能夠?qū)⑽廴疚锿耆♂?，同時(shí)水環(huán)境的治理力度增大，確保了較好的水環(huán)境質(zhì)量。

③河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與水環(huán)境從初步協(xié)調(diào)狀態(tài)（2006年）發(fā)展到優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)狀態(tài)（2007—2015年），反映出經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較高但對(duì)水環(huán)境的破壞相對(duì)較低。

④農(nóng)業(yè)部門對(duì)河南省水環(huán)境的破壞程度最大，工業(yè)最小，生活居中，且均呈現(xiàn)逐漸減弱趨勢(shì)，年均遞減率分別為5.4%、8.7%和7.8%。

⑤河南省地區(qū)灰水足跡相對(duì)于同類成果偏小。主要在于計(jì)算農(nóng)業(yè)灰水足跡時(shí)，忽略了養(yǎng)殖業(yè)對(duì)水環(huán)境造成的污染。

多措并舉是實(shí)現(xiàn)河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境良性發(fā)展的重要途徑。首先要不斷調(diào)整三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)，同時(shí)提高生產(chǎn)過程中的科技含量；其次改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，高效利用水肥資源；再次加大技術(shù)和資金投入，合理保護(hù)水環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)河南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

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