基于水資源生態足跡的陜西省水資源利用與經濟增長的脫鉤分析

張杏梅，翟琴琴

（山西師范大學地理科學學院，山西臨汾041004）

0 引 言

水是生命之源，生態之基和生產之要，具有生態和經濟雙重價值屬性，是社會經濟發展必備的戰略資源和經濟資源，在人類的生產發展過程中起著不可替代的作用。隨著經濟發展、人口激增以及城市化水平的提高，水資源短缺、水環境惡化等一系列問題相繼出現，如何促進水資源的合理開發與利用已經引起了廣泛關注。

水資源生態足跡是在Willam Ree 和Wackermagel 的生態足跡理論基礎上提出來的［1］，該理論不僅彌補了生態足跡理論中對地表水和地下水資源的忽視，而且能從各產業用水、土地面積、人口和降水量等角度綜合分析，評價較為全面。脫鉤一詞在被經濟合作與發展組織（OECD）引入資源環境領域后，被用來形容資源消耗或環境污染與經濟增長之間耦合聯系斷裂的理論，即二者的背離運動程度［2］。目前學者對于水資源與經濟增長關系的評價較為片面，多趨向于水資源量或水污染單一視角的分析，由于水資源生態足跡能夠定量分析區域水資源利用的現狀，彌補單一角度的不足［3］，脫鉤分析不僅能分析環境與經濟增長之間的關系，還能判斷二者之間是否平衡，將兩種理論相結合能夠較全面的分析區域水資源發展狀況，且已有一定的研究成果：如王娜等利用水資源生態足跡、LMDI 分解模型以及脫鉤模型評價鄂爾多斯市水資源與經濟發展的關系，表明研究區水資源利用與經濟增長的脫鉤程度在不斷優化，且農業優于工業［4］；楊志遠等運用匹配度、水資源生態足跡和“P-E-R”區域匹配模型，分析典型喀斯特城市銅川市的水資源利用與經濟發展的關系，結果表明銅川市當前經濟水平下水資源利用狀況仍不能滿足人口增長的需要［5］；李寧等利用水足跡方法定量分析長江中游城市群近16年來的水資源利用狀況，并結合脫鉤模型對水資源利用與經濟增長協調關系進行評價［6］。

陜西省地處我國西北內陸腹地，降水時空分布不均，水資源利用率低，水污染嚴重，且多年水資源量達不到聯合國統一承認的嚴重缺水線1 000 m3/人，水資源與人口、經濟發展不匹配，水資源短缺和水污染已經成為陜西省的主要水資源問題。基于此，本文運用水資源生態足跡和脫鉤評價模型探討2004-2018年陜西省水資源利用與經濟增長的協調關系，并運用灰色神經網絡模型對其進行脫鉤預測，為其水資源與經濟增長的協調發展提供決策參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 水資源生態足跡模型

根據蓋東海、吳志峰、洪輝等人的研究可知［7-9］，水資源生態足跡是指特定人口和經濟狀況下，為維持人們正常的生產生活、水資源消費以及消納水污染所必需的生態生產性面積，包括水產品生態足跡、水量生態足跡和水質生態足跡三部分［7］。結合陜西省的地理位置及居民飲食習慣，本文主要對水量生態足跡和水質生態足跡進行分析，其中水量生態足跡指的是人類生活中直接用水和社會經濟活動對水資源造成的消耗所必需的生態生產性面積，水質生態足跡是指消納城市生產和生活產生的水體污染物所需要的水資源用地面積［10］。

1.1.1 水量生態足跡

在黃林楠等人研究成果的基礎上，根據我國水資源數據類型的劃分標準以及用水對象的不同［11］，本文從農業、工業、生活和生態環境入手對陜西省水資源進行分析和評價［12］，構成水資源生態足跡的四賬戶，使用公式如下：

式中：EFw和efw為區域水量資源生態足跡和人均水量資源生態足跡，hm2和hm2/人；N為區域常住人口數，人；Rw為水資源全球均衡因子，W為區域人均用水量，m3/人；Pw為水資源全球平均生產能力，m3/hm2。參考相關研究成果［13，14］，本文水資源全球均衡因子選取WWF-2002年核算的Rw=5.19，水資源全球平均生產能力選取Pw=31.4×102m3/hm2。

1.1.2 水質生態足跡

據我國《地表水環境質量表》可知，水質標準只有達到三類及以上，才能基本維持水生態環境的功能，否則水環境將被認為嚴重惡化，無法繼續滿足生產生活需求［15］。查閱近幾年陜西省地表水及地下水污染狀況，本文選取化學需氧量（COD）和氨氮排放量（NH3-N）作為評價指標，將二者中對水污染影響的較大值作為水質生態足跡值［16］，使用公式如下：

式中：EFwp為水質生態足跡，hm2；EFCODP和EFNP分別為COD 生態足跡和NH3-N 生態足跡，hm2；CCOD和CN為COD 和NH3-N 排放量，t；PCOD和PN為區域水吸納COD 和NH3-N 的能力，t/hm2。根據我國三類水質標準中的規定可計算出我國水域消納COD 和NH3-N的能力［16］，分別為0.062 893和0.003 145 t/hm2。

1.2 水資源生態足跡與經濟增長的脫鉤模型

脫鉤一般被用來描述經濟增長與資源環境之間相互影響、相互變化的態勢［17］，本文在賈莉、楊天通和王寶強等人研究基礎上［18-20］，將水資源生態足跡引入脫鉤理論中，確定了脫鉤狀態評價標準，見表1。其中強脫鉤指的是經濟增長的同時水量或水質生態足跡趨于減小的狀態，二者相背運動，說明此時經濟增長對水資源的依賴減少，強脫鉤是水資源利用與經濟增長的理想狀態，使用公式如下：

表1 Tapio彈性指數脫鉤程度判定標準Tab.1 Judgment criteria of Tapio elasticity index decoupling degree

式中：Ei為脫鉤指數，EF和ΔEF為水資源生態足跡和其增長率，G和ΔG為GDP和其增長率；EFt，EFt-1為第t年和（t-1）年研究區的水資源生態足跡值，Gt、Gt-1為第t年和（t-1）年GDP值。

2 水資源生態足跡動態分析

2.1 水量生態足跡

陜西省水量資源生態足跡從2004年的0.125 億hm2增長到2018年的0.155 億hm2，增長了1.24倍，整體上緩慢上升，增長較為穩定，人均水量生態足跡由0.339 億hm2/人增加為0.401 億hm2/人，增長了1.18倍，二者的持續增長表明陜西省的用水總量一直在增加，見表2。隨著陜西省人口數量以及經濟總量的持續增長，對水資源的需求將繼續增加，根據公式（1）可知，短時間內水量生態足跡與人均水量生態足跡也會有所上升。

表2 陜西省水量生態足跡匯總表Tab.2 Summary of ecological footprint of water in Shaanxi Province

陜西省水量生態足跡各賬戶所占比重差異較大，見圖1。2004-2018年陜西省農業用水生態足跡由0.082 億hm2上升為0.094 億hm2，年均增長率為1.03%，雖然所占比重在逐漸減少，但多年占比達到65.766%，仍占據主導地位，這與陜西省農業為主的發展方式有很大關系；工業用水生態足跡以2009年為拐點，2009年前波動下降，2009年后迅速上升，這是因為經濟危機后陜西省為拉動經濟發展，暫時放緩了對用水量的限制，但整體上工業用水生態足跡所占比重略有下降，多年平均占比為15.25%；2018年生活用水生態足跡占18.566%，與2004年相比提高了1.88%，略高于工業用水生態足跡所占比重，位居第二；生態環境用水生態足跡占比由0.967%增長為5.079%，增長了5.3 倍，增長速度最快，但其所占份額與其他賬戶相比還有一定差距。

圖1 2004-2018年陜西省各賬戶生態足跡占比變化Fig.1 Changes in the ecological footprint of each account in Shaanxi Province from 2004 to 2018

2.2 水質生態足跡

根據2004-2018年陜西省COD 和NH3-N 排放量數據以及公式（2）～（4），可以計算出COD 生態足跡、NH3-N 生態足跡、水質生態足跡以及人均水質生態足跡，見圖2。

圖2 陜西省2004-2018年水質生態足跡Fig.2 Shaanxi Province 2004-2018 water quality ecological footprint

2004-2018年，陜西省水質生態足跡值與NH3-N 生態足跡值保持一致，NH3-N 生態足跡是水質生態足跡的主要影響因素［21］，二者雖呈現不規律的變化態勢，但整體上緩慢上升，由0.08 萬hm2增長為0.122 萬hm2，上升幅度為0.042 萬hm2，上升率為52.47%，年平均增長率達到4.05%；人均水質生態足跡與其變化趨勢大體一致，但由于受人口因素影響，二者走勢略有不同，整體上由0.218 hm2下降為0.212 hm2，下降幅度為0.006 hm2，下降率為2.596%，說明近年來陜西省污水處理率有所提高，減排取得重大突破。

綜合對比2004-2018年陜西省人均水量和水質生態足跡，人均水量生態足跡由2004年的0.339 hm2/人上升為0.401 hm2/人，上升幅度為0.062 hm2，上升率為18.22%，雖上升率較高，但其波動趨勢較人均水質水生態足跡穩定。2004-2010年，陜西省人均水量生態足跡大于人均水質生態足跡，該時期主要是水量型缺水，2011-2015年則為水質型缺水，2016年后又出現水量型缺水，說明陜西省水量型缺水與水質型缺水一直交替出現，因此要實現陜西省水資源的可持續性發展，水量和水質兩個問題必須同時得到解決。

3 水資源生態足跡與經濟增長的脫鉤分析及預測

3.1 水資源生態足跡與經濟增長的脫鉤分析

3.1.1 水量生態足跡與經濟增長

2004-2018年，陜西省GDP由3 175.58億元增長到15 344.22億元，增長了4.83 倍，第一產業GDP 和 第二產業GDP 與其發展趨勢一致，增長率均大于0，根據脫鉤模型計算方法可知，陜西省水量生態足跡與經濟增長之間的脫鉤狀態主要取決于水量生態足跡及各賬戶的變化特征［22］，見表3。

表3 陜西省水資源生態足跡與經濟增長的脫鉤評價Tab.3 Decoupling evaluation of water resources ecological footprint and economic development in Shaanxi Province

2005-2018年，陜西省水量生態足跡與經濟增長的關系主要包括強脫鉤和弱脫鉤兩種狀態。從整體來看，2005-2018年GDP年均增長率為11.95%，遠大于水量生態足跡的年均增長率1.59%，可以判斷出水量生態足跡與經濟增長整體上處于弱脫鉤狀態，經濟增長對水資源消耗的依賴性較小，二者處于一種較協調的狀態。具體來看，2007、2009、2010 和2016年水量生態足跡相對于上年有所降低，其增長率均為負值，根據脫鉤狀態分類可知，這4年水量生態足跡與經濟增長的關系處于強脫鉤狀態，其余10年為弱脫鉤狀態，弱脫鉤占到71.43%，陜西省呈現出以弱脫鉤狀態為主，強弱脫鉤交替出現的局勢，即陜西省用水量雖然在增加，但其增長幅度小于經濟增長幅度，經濟增長與水資源利用關系處于一種較為良好的狀態。

2005-2018年，陜西省農業用水生態足跡與第一產業經濟增長的脫鉤狀態主要包括強脫鉤、弱脫鉤與擴張性耦合，分別占到50%、42.86%和7.14%，其中有92.86%的年份實現了脫鉤，說明陜西省農業生態足跡與第一產業經濟增長整體上處于脫鉤狀態，二者關系較為協調。從整體上來看，農業用水生態足跡與第一產業經濟增長的平均脫鉤指數為0.108，處于弱脫鉤狀態，表明陜西省農業用水量增加幅度小于第一產業產值增加幅度，二者未達到完全協調發展的狀態。其中，2006年脫鉤狀態最差，農業用水生態足跡增速略大于第一產業經濟增長，二者處于擴張性耦合狀態，表明第一產業產值的增長對農業用水量的依賴性仍然較大。

2005-2018年陜西省工業用水生態足跡與第二產業經濟增長的脫鉤狀態有強脫鉤和弱脫鉤兩種。2005-2018年工業用水生態足跡與第二產業的年均增長率均>0，分別為1.27%和13.11%，且第二產業經濟增長增加率遠大于工業用水生態足跡，二者處于較為協調的狀態。從時間上來看，除2007、2009和2016年為強脫鉤狀態外，其他11年均處于弱脫鉤狀態，弱脫鉤占全部年份的78.57%，居于主要地位，陜西省工業用水生態足跡與第二產業經濟增長呈現出強弱脫鉤交替出現的狀態，說明陜西省第二產業的經濟增長率大于工業用水生態足跡的增長率，但依附性較小。

3.1.2 水質生態足跡與經濟增長

由上文可知，2004-2018年陜西省GDP持續增長，增長率大于0，根據脫鉤模型計算方法可知，水質生態足跡與經濟增長的脫鉤關系取決于水質生態足跡的變化特征［22］，見表3和圖3。

圖3 2004-2018年陜西省水質生態足跡與GDP增長率變化Fig.3 Changes in water quality ecological footprint and GDP growth rate in Shaanxi Province from 2004 to 2018

2005-2018年，陜西省水質生態足跡與經濟增長之間的脫鉤狀態主要包括強脫鉤、弱脫鉤和擴張性負脫鉤，分別占到全部年份的50%、35.71%和14.29%，強脫鉤狀態占到一半，居于主要地位；從時間上來看，2005-2011年陜西省水質生態足跡處于緩慢上升的趨勢，其中2008 和2011年的水質生態足跡增長率高于經濟增長的幅度，處于擴張性負脫鉤狀態，其余年份水質生態足跡增長率均低于經濟增長率，其脫鉤狀態主要為弱脫鉤；2012-2018年，水質生態足跡趨于下降，其脫鉤狀態以強脫鉤為主，表明該時期陜西省的COD和NH3-N排放量減少而經濟快速增長，減排成效顯著。2005-2018年陜西省由前期的弱脫鉤和擴張性負脫鉤逐漸向后期的強脫鉤狀態優化，說明近幾年陜西省政府加強了對水環境的重視和管理，污染水處理能力大大提升，水資源治理取得一定成效。

3.1.3 綜合視角下水資源生態足跡與經濟增長

2004-2018年，陜西省GDP持續穩定增長，因此綜合視角下水資源利用與經濟增長的脫鉤關系由水量生態足跡和水質生態足跡的變化特征共同決定，基于“短板效應”，本文選取其中脫鉤狀態較差的一方作為最終脫鉤結果，見表3。

整體來看，14年來陜西省有85.71%的年份都達到了脫鉤，其中強脫鉤和弱脫鉤狀態分別占14.29%和71.43%，未實現脫鉤的年份僅占14.28%。綜合來看，陜西省水資源與經濟增長的關系以弱脫鉤為主，二者發展較為協調，其中2007年和2016年分別表現為水質型強脫鉤和水量型強脫鉤，水資源與經濟增長的關系極為協調；2008 和2011年均處于水質型擴張性負脫鉤狀態，表明該時期水質生態足跡的增幅大于經濟增速，二者關系十分不合理；剩余10年均為弱脫鉤狀態，其中水量型弱脫鉤占70%，水質型弱脫鉤占30%，該時間段內水資源生態足跡的增速較經濟增速小，二者關系相對和諧。從脫鉤指數來看，2005-2018年陜西省水量生態足跡和水質生態足跡的年均脫鉤指數分別為0.132 和0.025，均處于弱脫鉤狀態，由于0.132>0.025，前者的脫鉤程度較小，根據脫鉤分類標準可知，陜西省處于水量型弱脫鉤狀態，水量型問題較水質型問題嚴峻，水資源匱乏是陜西省一大困擾。陜西省水資源總量不足，年降水量少，人均水資源總量少，水資源短缺問題是陜西省水環境的根本性問題。

3.2 水資源生態足跡與經濟增長的脫鉤預測

本文借鑒張義、范中洲等的研究成果，將灰色GM（1，1）模型與人工神經網絡模型相組合形成灰色神經網絡模型［10，23］，運用MATLAB 對2019-2025年陜西省脫鉤指標進行預測，首先運用GM（1，1）模型對原始數據進行擬合，進而運用BP 神經網絡模型修正殘差［24］，得到水資源生態足跡與經濟增長的脫鉤預測結果。由預測值可知，2019-2025年陜西省GDP 由15 344.22億元增長到26 103.25 億元，呈持續增長趨勢，根據脫鉤模型計算方法可知，未來7年陜西省水資源生態足跡與經濟發展的脫鉤狀態取決于水資源生態足跡的變化特征，為減小未來人口數量增加的影響，本文中的預測值均使用其人均預測值來代替，見表4。

表4 2019-2025年陜西省水資源生態足跡與經濟增長的脫鉤預測Tab.4 Decoupling forecast of the ecological footprint of water resources and economic growth in Shaanxi Province from 2019 to 2025

2019-2025年，陜西省GDP 的年均增長率為7.89%，水量生態足跡年均增長率為0.845%，由于7.89%>0.845%，可判斷得出陜西省該時期處于弱脫鉤狀態，但其脫鉤指數小于2004-2018年的弱脫鉤指數，說明陜西省水量生態足跡與經濟增長的關系有由弱脫鉤走向強脫鉤的趨勢，水量生態足跡與經濟增長的關系進一步協調；水質生態足跡與經濟增長的脫鉤關系主要有強脫鉤、擴張性耦合、弱脫鉤3 種，其中強脫鉤占14.29%，主要出現在前期；擴張性耦合占42.86%，主要在中期，該時期水質生態足跡與經濟同步增長；弱脫鉤狀態占42.86%，主要出現在后期，該時期水質生態足跡的增速小于經濟增速，關系較為協調。與2004-2018年相比，未來7年的脫鉤強度在降低，說明隨著人口的增長、城市化進程的加快，水資源環境壓力會加大。

從綜合視角來看，與2004-2018年陜西省以水量型弱脫鉤為主的狀態有所不同，2019-2025年陜西省呈現出水量型弱脫鉤、水質型弱脫鉤、水質型擴張性耦合三種脫鉤狀態，其中水質型問題占到85.71%，陜西省水資源與經濟增長的主要矛盾將從水資源短缺轉變為水環境污染。水質型弱脫鉤狀態和水質型擴張性耦合狀態均說明污染水排放量隨著經濟的增長而增長，甚至出現與經濟同步增長的狀態，經濟增長對水環境的破壞較大，再加上陜西省以能源為主的產業結構轉型較慢，未來幾年仍將持續加大對水環境的壓力，因此陜西省必須提高對水環境的重視，加大污水治理力度。

4 結論與建議

4.1 結 論

本文基于水資源生態足跡與脫鉤理論對陜西省的水資源利用與經濟增長之間的脫鉤關系進行了研究，結果表明。

（1）2005-2018年，陜西省水量生態足跡與經濟增長的關系以弱脫鉤為主，尚未達到完全脫鉤的理想狀態；水質生態足跡與經濟增長的脫鉤關系由擴張性負脫鉤和弱脫鉤向強脫鉤優化；綜合視角下陜西省處于水量型弱脫鉤狀態，說明該時期水資源短缺問題較水環境問題嚴峻。

（2）2019-2025年，通過預測發現陜西省水量生態足跡與經濟增長的脫鉤關系由弱脫鉤走向強脫鉤，而水質生態足跡與經濟增長的脫鉤強度在降低，綜合視角下，未來7年水資源利用與經濟增長的脫鉤關系由水量型矛盾轉化為水質型矛盾，經濟增長對水環境的破壞較大，陜西省必須提高水資源利用率，加大污水治理力度。

4.2 建 議

為進一步改善陜西省水資源利用與經濟增長脫鉤關系，針對上述結論本文提出了幾點政策建議。

（1）針對水資源短缺問題，陜西省應該從兩方面著手：一是全面推行水資源生態文明建設，加強農業用水節水灌溉技術的推廣，減少煤炭、能源、重化工業等高耗水行業的數量，促進產業結構的優化升級；二是嚴格按照不同對象、范圍和標準分類收費，對農業灌溉和農民生活用水進行總量控制和定額管理［25］，對居民生活用水則按量定價，實行階梯式水價制度，工業和服務業的水價要高于居民生活用水，從而促使其轉變用水方式，促進節水技術的更新。

（2）針對水污染問題：陜西省應該以工業和農業水污染為重點，控制污染源頭，加強對農藥和化肥的監管，對煤炭、鋼鐵等高耗水產業采取定額取水、提高準入門檻的方案；陜西省還應該引進先進污染水處理技術，鼓勵水污染嚴重的企業進行產業轉型或者使用再生水替代地表水和地下水，提高水資源利用率。

（3）針對水資源與經濟增長的協調發展關系：陜西省應利用地理位置和科教優勢，加快產業結構轉型，利用旅游、一帶一路等機遇開發區域新的經濟增長點，促進產業協同發展，推動經濟增長與水資源利用的關系向強脫鉤狀態轉變。 □