多維視角下區域淡水資源可持續利用研究
——以中部四省為例

胡綿好, 袁菊紅, 陳 拉

(1.江西財經大學 生態文明研究院, 江西 南昌 330013; 2.江西財經大學 藝術學院, 江西 南昌 330013)

水資源是生態環境的基本要素，是一個國家或地區經濟建設和社會發展的基礎性自然資源和戰略性經濟資源。近年來隨著經濟的快速發展，工業化的不斷西推，中部地區污水排放量和污染物含量迅速增加，江河流域面臨嚴重的生態破壞、水環境污染和水土流失等問題[1]；然而要實現中部地區早日快速崛起，必須合理開發利用和有效保護水資源，以促進整個經濟社會的可持續發展，因此加強對中部地區水資源的可持續利用分析顯得尤為重要。

目前有關水資源可持續利用的研究頗多，一是利用BP神經網絡與集對分析[2]、模糊綜合評價[3]、物元分析[4]、突變級數[5]、投影尋蹤綜合評價[6]、模糊對向傳播神經網絡[7]和模糊集對分析[8]等方法評價水資源可持續利用，各評價方法特點各異，且存在一定的主觀臆斷性，加之各地區由于選取指標等差異，無法進行區域間比較。二是利用生態足跡理論(包括水足跡和水資源生態足跡)對水資源可持續利用進行定量測度[9-11]，其中水資源生態足跡是將人類生產生活過程和自然生態發展維持中消耗的水量轉化為相應賬戶的水資源用地面積，再通過相關計算對區域水資源利用的可持續性進行評價的一種方法[12-13]，由于其具有概念形象、內涵豐富、可操作性和普適性強等特點，已成為目前應用范圍最廣、關注程度最高的可持續發展評價方法之一。如利用水生態足跡模型對流域[14]、各省份[15-17]、直轄市[18]、地級市[19-21]等水資源可持續利用測度方面做了大量的研究，然而基于水生態足跡理論從多維視角下開展區域水資源可持續利用的比較研究相對偏少。因此，本文在水生態足跡理論及借鑒水資源生態足跡的相關研究基礎上，通過構建淡水資源生態足跡模型與淡水資源生態承載力模型，在多維指標視角下探討了2010年—2018年中部四省淡水資源的可持續利用狀況，并對結果加以比較，以期為中部地區及同類區域水資源科學管理和有效利用、區域水資源可持續發展評估提供參考。

1 研究區概況

中部地區位于中國內陸腹地，東接沿海，西接內陸，自北向南、自東向西包括山西、河南、安徽、湖北、江西及湖南6個省份，其依靠全國約10.7%的土地，承載全國約26.6%的人口，創造全國約21.69%的生產總值。2016年12月，國務院常務會議審議通過了《促進中部地區崛起規劃(2016年—2025年)》，進一步說明了中部地區具有重要戰略地位。截止2018年底，中部地區國土面積約103萬km2，常駐人口約3.71億人，生產總值約19.2萬億元。中部地區氣候屬典型亞熱帶濕潤季風氣候，降水豐沛；主要水系流域包括長江中下游流域、黃河中游流域、淮河流域、巢湖流域、洞庭湖流域和鄱陽湖流域；中部地區水資源豐富，河湖眾多，但多年來的資源開發，導致了一定程度的資源枯竭，水資源支撐力下降，環境污染和資源破壞等問題比較突出。因此基于數據可獲取及其完整性，本文選取了中部地區安徽、湖南、湖北、江西四省為研究對象(見圖1)，分析中部地區淡水資源的可持續利用情況。

圖1 研究區域分布示意圖

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 水生態足跡計算模型

根據用水特性，用水可分為生產用水、生活用水和生態環境用水三大類，其中生產用水包括農林畜牧業用水、魚塘補水和農村牲畜用水、工業用水和建筑業用水、商飲業用水和服務業用水；生活用水包括城鎮居民生活用水和農村居民生活用水；生態環境用水主要包括河道內用水(改善江河湖泊水環境進行的調配水量等用水)和河道外用水(如城市環境用水 、濕地補水等)[13]。根據上述用水分類及結合中部四省地域特點、經濟社會和生態環境用水等情況，將中部四省淡水資源分為生產用水生態足跡、生活用水生態足跡和生態環境用水生態足跡3個二級帳戶。

(1) 生產用水生態足跡計算模型為：

EFs=N×efs=N×φw×(Wcap/Pw)=φw×(Qs/Pw)

(1)

式中：EFs為生產用水生態足跡，hm2；N為區域總人口數，萬人；efs為人均生產用水生態足跡，hm2/cap；φw為水資源全球均衡因子；Wcap為人均消耗水資源量，m3/cap；Pw為水資源全球平均生產能力，m3/hm2；Qs為總的生產用水量，m3。

(2) 生活用水生態足跡計算模型為：

EFd=N×efd=N×φw×(Wcap/Pw)=φw×(Qd/Pw)

(2)

式中：EFd為生活用水生態足跡,hm2；efd為人均生活用水生態足跡,hm2/cap；Qd為總的生活用水量,m3。

(3) 生態環境用水生態足跡計算模型為：

EFe=N×efe=N×φw×(Wcap/Pw)=φw×(Qe/Pw)

(3)

式中：EFe為生態環境用水生態足跡,hm2；efe為人均生態環境用水生態足跡,hm2/cap；Qe為總的生態環境用水量,m3。

(4) 區域總淡水生態足跡計算模型為：

EFTot=N×EFTot=N×φw×(Wcap/Pw)=φw×(QTot/Pw)=EFs+EFd+EFe

(4)

式中：EFTot為總淡水生態足跡,hm2；efTot為人均淡水生態足跡,hm2/cap；QTot為總淡水用水量,m3。

2.1.2 基尼系數計算方法

洛倫茲曲線和基尼系數是經濟領域中用來描述收入分配均衡程度的一種客觀指標。自然界水資源在地域空間分布具有非均衡性，其內涵的數學規律和人口收入分配的均衡性問題極其相似。因此，本文按照基尼系數的內涵，采用梯形面積法[22]來計算水生態足跡-水資源量的基尼系數(δgini)，計算公式[23]為:

(5)

式中：Xi為總用水生態足跡等指標的累計百分比,%；Yi為淡水資源總量的累計百分比,%；i為分配對象，當i=1時，(Xi-1，Yi-1)視為(0，0)。δgini介于[0～1]范圍，δgini越大，表示不平等程度越高[24]。國際上通常把0.4作為收入分配貧富差距的“警戒線”，當δgini≤0.2表示社會收入分配“高度平均”或“絕對平均”；當0.2<δgini≤0.3表示相對平均；0.3<δgini≤0.4表示比較合理；0.4<δgini≤0.5表示差距過大；δgini>0.5則為高度不平均[23]。

2.1.3 水資源生態承載力計算模型

根據生態足跡模型的水資源承載力兼有自然、社會及空間屬性的特點，水生態承載力指一定時期內某區域水資源開發利用可支持該區域資源、環境和社會經濟可持續發展的能力，計算公式[13]為：

ECw=N×ecw=0.4×ε×φw×(Qw/Pw)

(6)

式中：EFw為區域淡水資源生態承載力，hm2；ecw為區域人均淡水資源生態承載力，hm2/cap；0.4為扣除60%維持生態環境和生物多樣性的淡水資源量；ε為區域淡水資源產量因子，由區域產水模數與中國單位面積產水量(2 946 m3/hm2)的比值，再除以中國的水資源產量因子(0.94)所得[13]；Qw為區域淡水資源總量，m3。

2.1.4 水資源可持續利用評價指標

(1) 水資源生態盈余(赤字)。通常采用水資源生態盈余(赤字)來衡量區域淡水生態可持續狀況。將區域產生的淡水生態足跡同本區域所擁有的淡水生態承載力進行比較，就會產生淡水資源生態盈余(赤字)，計算公式[24]為：

Esd=ECw-EFTot

(7)

式中：Esd為區域淡水資源生態盈余(赤字)，hm2。當Esd>0，則該區域為水資源生態盈余狀態，淡水生態發展模式具有相對可持續性；當Esd<0，則該區域為水資源生態赤字狀態，淡水生態發展模式處于相對不可持續狀態。

(2) 萬元GDP水資源生態足跡。萬元GDP水資源生態足跡是衡量區域淡水資源可持續發展重要指標，其值越大則淡水資源利用效率越低，其值越小則淡水資源利用效率越高，計算公式[25]為：

萬元GDP水資源生態足跡=EFTot/GDP

(8)

(3) 人均水資源生態壓力指數。水資源生態壓力指數是一種理想的淡水資源可持續利用情況的測度方法，可衡量社會經濟系統對淡水資源壓力強度的相對大小[26]，計算公式[27]為：

EPIw=aEFTot/aECw

(9)

式中：EPIw為區域人均淡水資源生態壓力指數；aEFTot為區域人均總淡水生態足跡,hm2/cap；aECw表示區域人均淡水資源生態承載力,hm2/cap。當01，說明該區域水資源供給量小于消費量，水資源為不可持續利用狀態；EPIw越大，水資源利用越不可持續[25]。

(4) 水資源可持續利用指數。水資源可持續利用指數是指一定時期某區域可持續供給的水資源總量滿足該區域人類經濟社會活動對水資源的需要程度，以此來衡量區域水資源可持續發展利用程度[28]，計算公式為：

Wsui=ECw/(ECw+EFTot)

(10)

式中：Wsui為區域淡水資源可持續利用指數，其值越大，說明區域淡水資源的可持續利用程度越高。當Wsui≤0.2時，則區域淡水資源可持續利用程度為強不可持續；當0.20.8時，則為強可持續；其中0.5 為水資源可持續利用與不可持續利用的臨界點[28]。

(5) 水資源負載指數。水資源負載指數是水資源基礎情況研究和水資源開發潛力評價的重要指標，已在區域水資源可持續性、水資源承載力與合理開發評價等方面被廣泛應用[29]，計算公式為：

(11)

式中：Wli為區域淡水資源負載指數；GDP為區域生產總值,萬元；Qw為區域內淡水資源總量,m3；k為與降水有關的系數。

根據Wli值大小可以把不同地區水資源開發利用潛力劃分為六級，其分級結果及物理意義[29]見表1。

表1 水資源負載指數分級

2.2 數據來源與參數取值

各類用水量、水資源總量、降水量和土地面積等數據均來自于2010年—2018年中部四省(湖南、湖北、江西和安徽)的水資源公報；人口和國內生產總值(GDP)數據來自于2010年—2018年中部四省(湖南、湖北、江西和安徽)的統計年鑒。水資源全球平均生產能力(Pw)和水資源全球均衡因子(φw)分別取3 140 m3/hm2和5.19[25]。

3 結果與分析

3.1 中部四省淡水生態足跡及其基尼系數分析

由圖2可知，2010年—2018年湖南省和湖北省的生產用水生態足跡均呈波動上升趨勢，江西省和安徽省基本呈波動下降趨勢；中部四省生活用水生態足跡呈上升趨勢(見圖2(b))；湖北省和安徽省的生態環境用水生態足跡總體呈上升趨勢，而湖南省和江西省則呈波動上升趨勢。

由圖2還可知，2010年—2018年湖南省的生產、生活、生態環境用水生態足跡在中部四省位居首位，江西省的最小；但中部四省的生產用水生態足跡所占比重較大，生態環境用水生態足跡所占比重較小，這說明生產用水是中部四省水資源利用的主要部分，對水資源生態環境產生的影響較大。2010年—2018年湖南省、湖北省和江西省的人均用水生態足跡總體呈現波動上升趨勢但除江西省外，上升幅度均低于2010年值；安徽省總體呈下降趨勢；中部四省的年人均用水生態足跡大小順序依次為江西省、湖北省、湖南省和安徽省。

圖2 2010年—2018年中部四省水資源生態足跡變化

依據人均淡水資源量由低到高對中部四省的總用水生態足跡和淡水資源總量進行排序，計算出各指標的累計百分比，繪制各省總用水生態足跡與淡水資源總量的洛倫茲曲線(見圖3)。由圖3可看出，各省的曲線彎曲程度較小，表明中部四省整體淡水資源和總用水生態足跡匹配程度良好。根據公式(5)計算出湖南省總用水生態足跡與淡水資源總量的基尼系數δgini=0.1005、湖北省的δgini=0.1379、江西省的δgini=0.1586、安徽省的δgini=0.1262，均小于0.2，利用聯合國基尼系數對照表可發現中部四省淡水資源總量與總用水生態足跡積均衡匹配程度比較好。

圖3 中部四省總用水生態足跡-淡水資源總量的洛倫茲曲線

3.2 中部四省淡水資源生態承載力分析

水資源生態承載力直接反映區域水資源擁有量的多少，但受降水量的影響較大[30]。由圖4可知，2010年—2018年中部四省的人均淡水生態承載力波動較大，其大小順序依次為江西省、湖南省、湖北省和安徽省。研究期間湖南省年人均淡水生態承載力為5.305 1 hm2/cap，其中2011年陡降為2.170 3 hm2/cap，而2016年劇升至7.974 4 hm2/cap；湖北省為2.415 7 hm2/cap，其中2011年陡降為1.279 9 hm2/cap，而2016年劇升至4.897 1 hm2/cap；江西省為10.031 1 hm2/cap，其中2010年高達16.594 2 hm2/cap，2011年陡降為3.432 1 hm2/cap；安徽省為1.982 8 hm2/cap，其中2013年陡降為0.973 4 hm2/cap，2016年劇升至4.283 3 hm2/cap，說明中部四省各地區淡水資源能承載較多人口但承載水平不太穩定，因此在人口增長的拖動下中部四省各區域水資源生態承載力提升效果可能不太顯著[31]。采用線性擬合對中部四省各區域人均淡水資源承載力及其降水量進行擬合發現，2010年—2018年湖南、湖北、江西和安徽四省的人均淡水資源生態承載力與其降水量呈顯著正相關，相關系數分別達0.855 2、0.962 8、0.918 5和0.909 9，這表明中部四省的淡水資源生態承載力受降水自然因素影響顯著，該結果與李允潔等[32]的研究結果一致。

圖4 2010年—2018年中部四省人均水資源生態承載力變化

3.3 中部四省淡水資源可持續利用分析

3.3.1 人均水資源生態赤字、萬元 GDP 水資源生態足跡及人均水資源生態壓力指數分析

由圖5(a)可知，2010年—2018年由于淡水資源生態承載力遠超過總淡水資源生態足跡，故中部四省的淡水資源生態盈余較多，湖南、湖北、江西和安徽四省的淡水資源生態盈余平均值分別為4.495 8 hm2/cap、1.583 6 hm2/cap、9.118 9 hm2/cap和1.200 5 hm2/cap，且走勢與區域淡水資源生態承載力一致，說明湖南、湖北、江西和安徽四省的淡水資源可持續開發利用空間較大但受淡水資源承載力影響極大(其相關關系數分別高達1.000 0、0.999 8、1.000 0和0.999 3)。

2010年—2018年中部四省萬元GDP水資源生態足跡呈明顯下降趨勢，其中湖南省年均降幅為2.43%，湖北省為2.1%，江西省為3.12%和安徽省為2.73%(見圖5(b))，說明近年來中部四省的水資源利用效率有了顯著提高。這一方面可能歸功于區域產業結構得到了大力的轉型調整和升級；另一方面可能歸功于區域行業技術水平提高明顯，從而減少了水資源的消耗及提高了行業的水資源利用效率。然而仍落后于我國的平均水平[33]，表明中部四省的水資源利用效率仍有較大的提升空間。

圖5 2010年—2018年中部四省水資源利用情況

2010年—2018年湖南、湖北和江西省人均水資源生態壓力指數總體呈現波動上升趨勢，而安徽省為波動下降趨勢，其平均值分別為0.179 1、0.424 8、0.123 4和0.478 2，且數值均在(0，1)范圍內(見圖5(c))，說明中部四省各區域的水資源利用處于可持續利用狀態，開發利用安全程度較高。然而，隨著經濟社會發展，中部四省各產業及城鄉生活對水資源需求的日益增加和水資源污染的急劇消耗，將加大中部四省對水資源的開發利用程度，致使其水資源安全度降低。

3.3.2 水資源可持續指數動態分析

根據標準，水資源可持續指數≥0.5時，水資源為可持續利用，其數值越大，水資源利用效率越高，可持續利用越強。由圖6可知，2010年—2018年中部四省的淡水資源可持續指數在0.5以上，表明中部四省近9年來淡水資源利用均為可持續利用狀態。研究期內，湖南省的淡水資源可持續指數最低值出現在2011年為0.726 3，2016年達最高值為0.908 8，平均值為0.852 1，表明該省的淡水資源利用處于強可持續狀態；湖北省的淡水資源可持續指數最低值出現在2011年為0.600 4，2016年達最高值為0.860 8，平均值為0.712 5，表明該省的淡水資源利用處于中可持續狀態；江西省的淡水資源可持續指數最低值出現在2011年為0.780 0，2010年達最高值為0.949 2，平均值為0.894 0，表明該省的淡水資源利用處于強可持續狀態；安徽省的淡水資源可持續指數最低值出現在2013年為0.545 4，2016年達最高值為0.846 7，平均值為0.688 8，表明該省的淡水資源利用處于中可持續狀態(見圖6)。2010年—2018年湖南省、湖北省和江西省的淡水資源可持續指數總體出現波動下降趨勢，而安徽省出現波動上升趨勢，其按大小順序依次為江西省、湖南省、湖北省和安徽省(見圖6)。

圖6 2010年—2018年中部四省水資源可持續指數變化

3.3.3 水資源負載指數動態分析

由圖7可知，2010年—2018年除安徽省外，其他三省的淡水資源負載指數呈現上升-下降-上升的發展趨勢，中部四省的淡水資源負載指數均小于1，屬于Ⅴ級水平，表明中部四省的淡水資源開發利用低，開發潛力很大，今后水資源進一步開發利用容易。中部四省的淡水資源負載指數大小依次為：安徽省、湖北省、湖南省、江西省。

圖7 2010年—2018年中部四省水資源負載指數變化

4 結 論

(1) 2010年—2018年中部四省的生產用水生態足跡所占比重較大，生態環境用水生態足跡所占比重較小；江西省的生產、生活、生態環境用水生態足跡在中部四省處于最小值，但其人均用水生態足跡最大。通過洛倫茲曲線和基尼系數發現，研究期間中部四省淡水資源和總用水生態足跡的匹配程度良好。

(2) 2010年—2018年中部四省人均淡水資源承載力波動較大、承載水平不穩定，其中江西省的人均淡水資源承載力波動最大；中部四省的淡水資源生態承載力受區域降水自然因素影響較大。

(3) 2010年—2018年中部四省淡水資源生態盈余較多，水資源利用效率提高顯著；研究期內水資源利用雖處于可持續利用狀態，開發潛力較大但開發利用安全度降低。