區域水資源代謝效率時空變化及驅動因素

孟麗紅，丁之勇，李成陽，莫小麗，田進明

(1.贛南師范大學地理與環境工程學院,江西 贛州 341000； 2.北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；3. 中國科學院西北生態環境資源研究院中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室,甘肅 蘭州 730000； 4. 中國科學院西北生態環境資源研究院，甘肅 蘭州 730013)

水資源是人類生存、生產和發展不可替代的資源要素、生態條件和安全保障[1]。然而，水資源供需矛盾日益突出，嚴重影響了我國社會經濟的可持續發展。水資源時空分布不均勻，水量、水質以及水管理落后導致的缺水問題異常突出。在全國660多個建制城市中，缺水城市400多個，其中嚴重缺水城市約為110個，每年因缺水造成的經濟損失達2 000億元[2]。缺水已經成為我國糧食安全、經濟發展及社會安定的首要制約要素[3]。據統計，京津冀人均水資源僅286 m3，遠低于國際公認的人均500 m3的“極度缺水標準”。如何解決水資源短缺問題，是研究者和決策者正在深入思考的問題[4]。

1999年Hermanowicz等[5]首次提出了水代謝概念，以描述城市或者區域中的水供給、消納與排放過程。到目前為止，國際上關于水資源代謝的研究已取得很大進展，如Behzadian等[6]應用WaterMet2模型對城市水資源代謝系統進行了評估，Serrao-Neumann等[7]從城市水資源代謝的角度，分析了土地和水資源的合理配置問題。另外，其他學者也分別應用水資源代謝理論，對水代謝系統模擬[8]、水資源承載力[9]、能值代謝效率[10]等方面進行了研究。從國內來看，水資源代謝相關的研究尚處于起步階段。丹保憲仁[11]認為，城市水系統的水污染實際上是城市物質代謝失衡的結果。錢家忠等[12]從系統的觀點出發，提出了地球水循環過程中地下水代謝的概念，分析了地下水代謝過程，建立了地下水極限代謝條件方程。一些學者對城市水代謝做了進一步的研究和探索[13-15]。綜合國內外對水資源代謝的研究進展來看，大部分文獻主要集中在實體水探討，僅有少數學者結合實體水和虛擬水從水消費[16]、水資源配置[17]、水流[18]等角度對水資源代謝進行分析，從時空角度并耦合實體水和虛擬水對水資源代謝效率的研究尚未見開展。區域水生態問題實質是水資源代謝問題，水資源代謝效率評價是保證水資源可持續利用的前提。參照黃初龍等[19]對水資源代謝效率概念的界定，文中的區域水資源代謝效率指的是研究區域水資源輸入、轉化、儲存及廢污水排放等代謝過程中水資源消耗或廢污水排放所提供的社會經濟與生態環境服務量。由于提高水資源代謝效率取決于人類行為，而資源水和虛擬水受人類強烈調控，客觀評價水資源代謝效率需要同步考慮資源水與虛擬水。

鑒于此，針對當前區域水資源代謝效率研究的薄弱環節，本文選取我國京津冀和中、西部地區為研究對象，探索異質性資源稟賦下區域資源水-虛擬水耦合代謝效率的分析途徑，揭示了1990—2015年研究區水資源代謝特征及空間演變規律，找出影響區域水資源代謝效率的主要驅動因素，并制定提高水資源代謝效率的優化控制模式和策略，旨在為京津冀和中、西部地區至全國的水資源規劃與合理開發利用提供決策依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

從資源稟賦的差異，本文選取我國京津冀地區(北京、天津、河北)、中部地區(湖北、江西、湖南)和西部地區(新疆、甘肅、青海)9個代表省(市、區)為研究對象。推動京津冀協同發展是重大國家戰略，而區域生態環境是這一戰略面臨的首要問題。在強人類活動干擾及脆弱生態環境約束下，水資源已成為制約京津冀地區經濟社會發展的關鍵要素。京津冀地區，以全國1%的水資源量承載了全國8%的人口和11%的經濟總量[6]。1990—2015年京津冀地區人均水資源量僅為148 m3，平均降水量為511 mm。相關研究測算出的京津冀水資源短缺風險指數為7.5,水資源短缺狀況處于高風險狀態，其中北京市和天津市水資源短缺風險指數均超過10。中部地區相比京津冀地區雖然水資源稟賦條件較好，1990—2015年人均水資源量高達2 905 m3，平均降水量為1 526 mm，但多年來的資源開發，導致了一定程度的資源枯竭，資源承載力不斷下降，環境污染和資源破壞問題比較突出[20-21]。新疆、甘肅、青海屬于干旱少雨的西北地區，1990—2015年平均降水量僅為259 mm，但由于地廣人稀，人均水資源量達到5 336 m3。目前西北干旱區處于我國的江河源區，若上游生態惡化，對我國其他地區的生態環境和經濟發展有著強烈的現實危害和深遠影響[22-23]。本文首次從異質性資源稟賦的角度，探討中國東中西部地區水資源代謝效率的時空分布問題將是一大創新和突破，將為全國不同區域水資源規劃與合理開發利用提供理論參考和策略指導。

1.2 數據來源

研究區1990—2015年的淡水回用率、廢棄虛擬水回用率、系統淡水損失率等13個指標數據(表1和表2)，主要來源于1990—2015年《中國統計年鑒》《中國城市統計年鑒》《中國區域經濟統計年鑒》各省市水資源公報、統計年鑒、各地級市政府網站的相應年份的《國民經濟和社會發展統計公報》、中國環境監測官方網站、國家數據網、國家統計局、中國統計信息網等官方網站等。

表1 京津冀地區1990—2015年過程格局與經濟指標

表2 京津冀地區1990—2015年社會與環境指標

2 研究方法

2.1 資源水與虛擬水耦合代謝路徑

水資源代謝路徑剖析是科學評價水資源代謝效率的前提之一(圖1)，主要包括輸入、過程、輸出3大模塊，其中過程涉及水生產、水消費和水排放等，具體指標包括社會、經濟和環境三大方面，整個耦合代謝過程包含資源水和虛擬水，水資源代謝的驅動因素主要從城鎮化、氣候變化、人口增長、土地利用等方面剖析。代謝路徑剖析有利于明確代謝過程與格局，為水代謝的水資源流分析提供框架，進而為水資源代謝過程與格局方面的水資源代謝效率評價指標的提取提供依據。

圖1 資源水與虛擬水耦合代謝路徑示意圖

2.2 水資源代謝效率評價指標體系構建

影響區域水資源代謝效率的因素有很多，如社會經濟因素、水資源狀況因素以及生態環境因素等，因此水資源代謝效率評價指標的選取非常關鍵。在指標的選取中要遵循全面性、科學性、可操作性、時效性等原則。為了確保指標體系的科學性與可行性以及研究結果的合理性，本文采用物質流分析法提取水資源代謝效率評價指標，在參考現有研究成果[1，24]的基礎上，建立反映水資源代謝的過程與格局、社會效益、經濟效益、環境效益等4個指標群，初步構建評價指標體系(表3)。

表3 資源水與虛擬水耦合代謝效率評價指標體系

2.3 水資源代謝效率評價方法

2.3.1指標值標準化方法

指標數據標準化處理時，先進行指標分類，再采用極差變換法對指標實際值進行標準化處理。

越大越優型指標的標準化值的計算公式為

Si=(x-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

越小越優型指標的標準化值的計算公式為

Si=(Xmax-x)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中：Si為指標標準化值；x為X系列中各指標實際值；Xmax為指標最大參考值；Xmin為指標最小參考值。

2.3.2 指標體系賦權

層次分析法(analytical hierarchy process, AHP)是美國運籌學家Saaty提出的一種定性與定量相結合的決策方法,具有客觀性、準確性和有效性的特點。層次分析法的基本思想是，根據數據資料和評價依據把復雜的問題分解為各個組成元素，將這些元素按支配關系分組構成有序的梯階層次結構，根據一定的比率標定,通過兩兩比較將判斷定量化,形成比較判斷矩陣。最終把系統分析歸結為最低層(如決策方案)相對于最高層(總目標)的相對重要性權值的確定或相對最優次序的排序問題，從而為決策方案的選擇提供依據。一般有5個步驟，分別為指標體系層次建構、構造判斷矩陣、確定權重因子、求解特征值和特征向量、一致性檢驗。

2.3.3 評價模型

為避免個別指標對指標體系整體功能產生影響，采用加權求和法評價水資源代謝效率，評價模型如下：

(3)

(4)

式中：Aj為第j年的水資源代謝效率；wk為第k個領域的權重；Bkj為第j年的第k個領域指數；wki為第k個領域第i個指標的權重；sijk為第j年的第k個領域第i個指標標準化值；n為第k個領域的指標個數。根據以上公式和模型可求得1990—2015年研究區城市水資源代謝效率。

3 區域水資源代謝效率的時空演變規律分析

3.1 區域水資源代謝效率的時間動態變化特征

在建立資源水與虛擬水耦合代謝效率評價指標體系及收集1990—2015年京津冀地區、中部地區和西部地區9個典型區域各項指標數據的基礎上，應用式(3)(4)計算得出1990—2015年研究區水資源代謝效率(圖2)。從圖2可以看出，時間尺度上京津冀地區、中部地區和西部地區1990—1995年期間水資源代謝效率沒有明顯的變化，自2000年以后水

圖2 1990—2015年京津冀和中、西部地區水資源代謝效率時間動態變化

資源代謝效率均總體呈現出明顯提高的趨勢，尤其京津冀地區增長的速度最快，從1990年的0.338增加到2015年的0.589，增長了74.26%，西部地區相對增長速度較慢。

從具體各區域來看，京津冀地區北京、天津、河北水資源代謝效率增長速度快，中部地區除了湖北、湖南省2015年出現急劇下降的趨勢外，其他年份水資源代謝效率表現遞增的特點，西部地區整體增長速度較慢，尤其新疆維吾爾自治區，從1990—2015年水資源代謝效率基本保持不變。整體來看，1990—2015年期間，京津冀和中、西部地區水資源代謝效率均表現出不同程度增加的特征。

3.2 區域水資源代謝效率的空間演變規律分析

從空間分布來看(圖3)，京津冀地區、中部地區和西部地區1990—1995年這5年間水資源代謝效率大小基本一致，空間分布也沒有明顯的變化，各區域均處于0.2～0.3和0.3～0.4這兩級比較低的水平。自1995年以后各區域水資源代謝效率空間分布上開始呈現明顯的區域差異并有逐漸增加的趨勢，如2000年西部地區和中部地區的水資源代謝效率高于京津冀地區的水資源代謝效率，2005年中部地區的水資源代謝效率略高于京津冀地區和西部地區的水資源代謝效率。2005—2015年，京津冀地區水資源代謝效率迅速提高，明顯優于西部地區和中部地區。

圖3 1990—2015年京津冀和中、西部地區水資源代謝效率的空間變化

4 區域水資源代謝效率的驅動因素

基于不同因素和水資源代謝效率之間可能存在關聯性，本文參考兩者之間的相關系數對主要驅動因素進行分析(圖4)。從圖4可以看出，影響京津冀地區水資源代謝效率的主導因素包括淡水回用率、單方用水工業產值、生態用水比例、單位用水社會消費品零售額，這些指標與水資源代謝效率的相關系數達0.9以上。其他指標如單方用水支撐人口數、生產用水比例，與水資源代謝效率的相關系數達0.8以上，可作為水資源代謝優化調控方案的制定依據。

圖4 京津冀地區評價指標與水資源代謝效率的相關性

用同樣的分析方法可以得出影響中部地區水資源代謝效率的主導因素主要是淡水回用率、森林覆蓋率、單位用水社會消費品零售額。西部地區相關系數達到0.8和0.9以上的指標主要是單位用水社會消費品零售額和廢棄虛擬水回用率，上述驅動因素可為制定相應區域水資源代謝優化調控方案提供參考依據。

5 結論與建議

5.1 結論

a.時間尺度上，京津冀、中部地區、西部地區1990—1995年期間水資源代謝效率沒有明顯的變化，自2000年以后總體呈明顯提高的趨勢，尤其京津冀地區增長速度最快，從1990年到2015年增長了74.26%，西部地區增長速度較慢。

b.從空間分布看，在早期階段，京津冀、中部地區、西部地區水資源代謝效率較低，空間分布區域差異不明顯。自1995年以后空間分布上開始呈現明顯的區域差異，如2000年西部地區和中部地區的水資源代謝效率高于京津冀地區的水資源代謝效率。后期階段即2005年以后，京津冀地區和中部地區明顯高于西部地區。

c.綜合京津冀、中部地區、西部地區來看，廢棄虛擬水回用率、單位用水社會消費品零售額、森林覆蓋率以及淡水回用率是影響水資源代謝效率的主要驅動因素。

d.該研究結果可為京津冀、中部地區、西部地區至全國的水資源規劃與合理開發利用提供決策依據，也為區域之間的空間交互作用提供了新方法和新思路。由于本文首次嘗試從資源水-虛擬水耦合的角度探討水資源代謝效率空間分布規律，研究區范圍不夠廣，將在后續研究中選取東中西部典型城市群進一步做水資源代謝效率的空間溢出效應研究。

5.2 建議

a.根據水資源條件合理控制北京、天津兩大核心城市規模，有序引導人口向河北省聚集，實現人水和諧發展。從虛擬水方面來看，京津冀地區虛擬水流動中，河北農業作為重點耗水部門，向京津冀地區各部門輸送了大量虛擬水，為各部門經濟生產活動提供了強大的水資源支撐作用。因此為保障京津冀地區整體的水安全及其可持續發展，河北地區農業部門亟需關注其節水問題。

b.近年來中部地區農業用水效率依然較低，應推廣和發展節水農業、制定科學灌溉制度、促進農業生產結構調整、加強農業水資源管理的重要措施。工業方面，應探索一條科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少、人力資源得到充分發揮的新型工業化道路。

c.西部地區應從資源稟賦和經濟效應兩方面, 建立虛擬水輸入地對輸出地的多元補償辦法。如糧食調入省份將糧食調入量換算為虛擬水量, 同時考慮輸入地區水資源短缺程度與作物產品價格導致的貿易經濟逆差, 制定相應增值貿易稅或交易稅以作為補償。