湖北省水資源利用和經濟發展的關系研究

朱 豪,尹明財,胡圓昭,麻家寧,張濟世

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070)

隨著社會經濟的不斷發展發展,人們生產生活對水資源需求量的日益增加和生態環境保護用水的提高,水資源面臨的壓力日益上升。定量分析水資源的發展情況、水資源的利用效率和水資源生態承載能力的內在規律對區域經濟發展和可持續發展尤為重要[1-2]。因此,探究湖北省水資源的利用和經濟發展之間的關系,有助于綠色經濟的可持續發展,可以合理配置和保護水資源以達到水資源利用和經濟發展的平衡點。李寧等[3]利用脫鉤模型對長江中游的經濟進行脫鉤分析,表明長江中游水資源的利用和經濟增長處于初級協調狀態 ;焦士興等[4]運用脫鉤模型對河南省水資源利用與經濟進行經濟脫鉤分析,表明河南省水資源利用與經濟增長處于協調狀態,并且呈現波動變化趨勢。孫才志等[5]對中國31省市的水生態足跡進行分析,表明省際水生態足跡存在明顯的空間集聚現象;余灝哲等[6]從DPSIR視角對山東省及17地級市水資源可持續利用時空分析,表明山東省水資源利用程度趨于加強,水資源利用效率仍可提升。湖北省作為首批全國資源節約型環境友好型社會建設綜合配套改革試驗區之一,已經進入經濟快速發展期,但其生產生活用水需求與水生態保護的矛盾也日益突出[7]。

基于上述分析,以消費者的水足跡角度,計算湖北省水足跡和水足跡強度,以了解水足跡和水足跡強度的動態變化,通過構建湖北省經濟脫鉤模型,對湖北省的水資源利用和經濟協調發展的關系研究,再采用湖北省的基尼系數和錫尓指數分析水足跡強度的變化趨勢,側面反映水資源利用和經濟發展之間的關系,最后結合Moran’s I 指數對湖北省的水足跡強度空間分析,探求湖北省的水資源的利用效率的空間分布,為湖北省水資源的可持續利用,增強區域經濟發展和水資源環境的協調程度提供理論支持。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

湖北省位于華中地區的東經108°21′42″～116°07′50″、北緯29°01′53″～33°6′47″,見圖1。其地勢高低相差懸殊,三面環山,中間低平,向南敞開,地形復雜多樣,具有“華中屋脊”之稱。湖北省處于亞熱帶季風性濕潤氣候,境內主要河流有長江干流、淮河和華陽河水系。全省全年平均降水800～1 600 mm,降水量變化較大。2020年底,全省常住人口5 775.3萬人,水資源總量1 754.71億m3,地表水資源量1 734.96億m3,地下水資源總量381.67億m3,人均水資源量3 038 m3。

1.2 數據來源

選取湖北省2009—2020年時序,水資源總量、工業生產用水、居民生活用水、生態用水、地表水資源總量和地下水水資源總量等均來自《湖北省水資源公報》,其常住人口、地區生產總值、出口貿易值和進口貿易值均來自《湖北省統計年鑒》以及湖北省各地級市《統計年鑒》。研究范圍包括湖北省16地級市(不包含神農架林區)。所有的圖表數據均采用百度地圖poi數據查詢工具、GeoDa、ArcMap和office等軟件處理;其中行政區域的shp文件是通過百度地圖poi數據查詢工具中的行政邊界查詢的范圍選擇器輸入相應的目標文件所獲取的,而后面對應的LISA圖是由ArcMap制作所需要的參數的shp文件,然后導入GeoDa軟件設置空間權重管理,最后選擇相應的空間分析函數獲取的。

2 研究方法

2.1 水足跡計算模型

“水足跡”指1個國家或地區在一定時間內消費所有產品和服務所需要的水資源數量,其中不僅包含了經濟發展消耗的實體水資源,而且包含產品相關服務中的虛擬水資源,可以系統地反映該地區的水資源消耗情況[8]。研究的地區水足跡中不考慮第三產業,水足跡計算公式[9]為:

WF=WFi+WFe

(1)

WFi+WFes+WFip+WFwp+WFde-WFc

(2)

WFe=WFh-WFj

(3)

式中 WF——國家或者地區總水足跡;WFi——內部水足跡;WFe——外部水足跡;WFes——農業水足跡;WFip——工業水足跡;WFwp——居民生活水足跡;WFde——生態水足跡;WFc——本國生產而由其他地區消費的產品或服務的虛擬水資源量;WFh——進口的虛擬水資源量;WFj——進口后復出口的水資源量。

2.2 水足跡評價指標計算

a)人均水足跡。指區域水足跡與該地區總人口的比例[10],反映地區的人均水足跡擁有量。

(4)

b)水資源自給率。區域內部水足跡與總體水足跡的比例[11],反映地區對內部水資源的依賴程度,對內部水資源的依賴程度越高值越大。

(5)

c)水資源匱乏指數。該地區水足跡與可利用水資源量的比值,研究以可利用水資源量來表示各地區水資源現狀[12],可利用水資源量按照水資源總量的40.34%計算[13],反映區域水資源的短缺情況,比例越大,區域的水資源短缺程度越嚴重。

(6)

d)水資源利用效率。區域生產總值與該區域的水足跡之比[14],反映該地區水足跡產生的經濟效益。

(7)

2.3 水足跡強度錫尓指數和基尼指數

水足跡強度是水足跡與國內生產總值的比值,指標反映各地區的水資源利用效率水平[7]。通過錫尓指數和基尼指數的大小來衡量水足跡強度的空間差異性和變化趨勢,錫尓指數的計算公式[15]:

(8)

(9)

式中T——錫爾指數;vi——i城市水足跡量占全省水足跡總量比例;di——i城市GDP占全省GDP比例;G——基尼系數;yi——i城市的水足跡強度;yj——j城市的水足跡強度;μ——水足跡強度平均值。

聯合國相關組織將基尼系數作為居民收入分配均衡程度的指標,并作出詳細的分類,見表1。

表1 基尼系數劃分標準

2.4 水足跡強度Moran’s I 指數

2.4.1水足跡強度全局空間相關指數

全局空間自相關性可以衡量區域之間整體上的空間關聯和空間差異程度,全局莫蘭指數是用來衡量空間自相關的全局指標,反映空間鄰近的區域單元的相似程度[16],定義如下:

(10)

式中n——地區的數目;xi——地區i的觀測值;xj——地區j的觀測值。

2.4.2水足跡強度局部空間相關指數

區域要素的空間異質性非常普遍,局域自相關就是通過對各子區域中的屬性信息進行分析,探查整個區域屬性信息的變化是否平滑,揭示空間自相關的異質性可用LISA來表示[17]。局部莫蘭I指數計算方法如下:

(11)

指數是正值表示同樣類型屬性值的要素相鄰近,負值表示不同類型屬性值相鄰近,該指數值的絕對值越大鄰近程度越大。

2.5 水足跡LMDI脫鉤模型構建

脫鉤模型廣泛用于資源環境與經濟發展之間不再互相依賴的程度和方向。因此,選擇Tapio 脫鉤彈性指數構建水資源利用與經濟增長的脫鉤模型,脫鉤經濟模型為[18]:

(12)

(13)

WF=∑iWF=∑iIi×Si×Inc×P

(14)

式中e——水資源利用脫鉤系數;ΔWF——水足跡變化率;ΔGDP——該地區的國內生產總值變化率;WFt——該地區后1 a水足跡總量;WF0——該地區前1 a水足跡總量;GDPt——地區后1 a國內生產總值;GDP0——地區前1 a國內生產總值;WFi——第i行業水足跡總量;GDPi——第i行業生產總值;P——湖北省常住人口;Ii——第i行業用水強度;Si——第i行業生產產值在湖北省生產總值占有比重;Inc——湖北省人均生產總值。

參考以往學者的文獻將經濟脫鉤分為8種情形,見表2。

表2 經濟脫鉤詳細情況

為更好地進一步探索湖北省水資源和經濟發展脫鉤關系的研究,在利用Tapio脫鉤彈性方法對水資源利用與經濟發展脫鉤情況進行定量分析的基礎上,參考孫付華等[18]的研究,從技術改進、產業結構、規模經濟、常住人口四方面進行擴展研究,其擴展模型[12]為:

ΔWF=ΔWFI+ΔWFS+ΔWFInc+ΔWFP

(15)

(16)

式中,分解因素 WFI、WFS、WFlnc、WFP分別反映技術改進、產業結構、規模經濟、常住人口的 4 個效應,并基于以上推導公式分解脫鉤模型,見式(17)[19]:

eI+eS+eInc+ep

(17)

式中eI——技術效應引起的脫鉤因子變化;es——產業結構效應引起的脫鉤因子變化;eInc——規模經濟效應引起的脫鉤因子變化;ep——常住人口引起的脫鉤因子變化。

3 結果分析

3.1 水足跡時序特征分析

表3可知,2009—2020年湖北省水足跡中農業水足跡位列首位,工業水足跡較多,生態水足跡最少。湖北省水足跡、農業水足跡、居民生活水足跡和生態水足跡呈現波動上升趨勢,變化幅度分別為24.2%、26.6%、76.7%和4 800.5%;隨著“十一五”“十二五”“十三五”計劃的提出、農業生產條件優越和水資源豐富以及國家對農業發展的重視,使得農業水足跡體量大;湖北省生態保護用水主要由宜昌市、襄陽市和孝感市的生態用水量大幅增加,導致湖北省2020年的生態保護用水增加,隨著人民生活質量的提高和生態保護意識的增強也增加了生態環境用水量。

表3 湖北省水足跡及水資源經濟指標

工業水足跡總體呈現下降趨勢,變化幅度為23.0%。出口虛擬水質量和進口虛擬水質量分別呈現上升和下降的趨勢,出口是進口虛擬水足跡1～2倍,分別增長6.2%和下降24.2%,湖北省對外貿易形成順差;湖北省人均水足跡12年變化幅度不大,但總量很大。2009—2020年湖北省的平均人均水足跡1 985.4 m3/(人·a),高于全球平均人均水足跡1 243 m3/(人·a)[20],也側面說明湖北省經濟發展水平較高。湖北省水資源匱乏指數為0～2,湖北省的水資源壓力輕,但水資源匱乏指數絕大多數大于1,水資源總量離滿足生產生活還有一定的距離;水資源自給率達到99%以上,完全可以實現自給自足,并且對于外部水資源的依賴程度不斷降低;2009—2020年湖北省水資源利用效率呈現上升趨勢,增長186.6%,由此說明湖北省的水資源利用效率較高。綜合以上水資源相關指標,湖北省的水資源利用效率不斷提高,對于外部水資源的依賴程度不斷降低,人們生產生活的水資源具有一定的壓力,但壓力不大。

3.2 總水足跡LMDI模型驅動因素分析

為更好對湖北省總水足跡影響因素進行驅動分析,以2008為基準年,分別從人數效應、結構效應、技術效應和經濟效應4個方面進行驅動分析。表4分析可知,通過LMDI模型對水足跡總量的驅動分析,各因素的總效應呈現下降趨勢;其中人數效應和經濟效應對水足跡數量變化的影響程度為正值,表明人數效應和經濟效應對水足跡數量的表現為增量效應;結構效應和技術效應對水足跡數量變化的影響程度為負值,表現對水足跡數量的變化具有抑制效應。人數效應和經濟效應呈現波動上升趨勢,2009年的 1.5×108、131.8×108m3至2020年的11.7×108、1 374.8×108m3,增長了7.6倍和10.4倍。人口數量的增加和經濟增長,促使水足跡數量的直線增加,勢必會增加農業和工業的生物資源消耗,導致當地水資源壓力的增加,還需適當的增加貿易進口來減少水資源的壓力。

表4 LMDI模型對湖北省總水足跡的驅動分析 單位:108 m3

結構效應和技術效應呈現波動下降趨勢,尤其技術效應最為突出,在此期間數量上增長了3.5倍和15.7倍。研究結果表明水足跡的結構效應和技術效應對水足跡的增長具有抑制效果,為更好減輕水資源壓力的影響,后續還要繼續加強結構效應和技術效應對水足跡增長的重視。

3.3 水足跡經濟脫鉤分析

3.3.1水資源利用與經濟增長脫鉤分析

表5可知,根據水足跡LMDI因子分解方法并結合Tapio脫鉤劃分標準,確定2009—2020年湖北省的水足跡經濟脫鉤情況表。

表5 水足跡脫鉤分析情況

表5分析可知,湖北省整體的經濟脫鉤指數相對平穩,水資源利用的速度低于或者小于經濟發展的速度,處于脫鉤狀態。只有2016、2019年出現強脫鉤的經濟狀態,2020年出現弱負脫鉤,其他均為弱脫鉤狀態,說明湖北省的水資源利用和經濟發展較為穩定,符合湖北省經濟發展和水資源利用的基本現狀;其中唯有2020年出現衰退脫鉤的情況,經濟受到嚴重影響,ΔGDP也是唯一出現負值的,因此2020年數據不具有代表性。2019年湖北省發布《湖北省節水行動實施方案》 ,實施用水總量強度雙控,提高節約農業用水效率,加強產業結構的優化,各個行業用水效率得以提高。

2009—2020年湖北省的GDP變化率和水足跡增長率呈現下降趨勢(圖2),說明湖北省的經濟增長速度減緩,產業結構優化顯著,用水量效率提高;湖北省絕大多數的經濟增長速度高于總用水量的速度,湖北省經濟處于弱脫鉤狀態。2016、2019年出現2次強脫鉤,強脫鉤是經濟狀態最為理想的狀態,經濟的增長不會依賴用水量的增加而增長,期間的水資源的利用效率增加;2020年出現1次弱負脫鉤,弱負脫鉤是不理想的經濟狀態,經濟發展沒有因為水資源的用量增加而增長并出現了經濟衰退;2009—2020年出現9次弱脫鉤經濟狀態,弱脫鉤經濟狀態是一種較為理想的經濟狀態,經濟增長速度大于水資源用水量的速度,是經濟發展和水資源利用協調較好的發展方式。

圖2 水足跡和GDP變化率

2009—2020年農業產值的增長率處于先上升后下降,整體呈現波動上升的趨勢,而農業水足跡變化率呈現波動下降的趨勢,并且農業產值增長速度絕大多數高于農業水足跡增長速度(圖3)。2014、2015年出現2次擴張連接,擴張連接是粗放經濟向可持續發展經濟過渡的一種經濟發展狀態,需要消耗大量的水資源來維持經濟的增長,是一般理想的經濟發展狀態;2009年出現1次擴張負脫鉤,處于不理想的經濟狀態。2009—2020年出現3次強脫鉤和6次弱脫鉤。從圖3不難發現出湖北省的農業增長處于一個較為穩定的區間范圍,而水資源用水量變化率呈現下降的趨勢,2015年以后的水資源用水量的減少尤為突出,主要是與國家的節水措施和湖北省省政府的政策導向有關。

圖3 農業水足跡和GDP變化率

2009—2020年湖北省工業水足跡變化率和工業產值變化率整體呈現波動下降的趨勢,工業水足跡變化值絕大部分低于工業產值,形成弱脫鉤的經濟形態,見圖4、表5。期間6次弱脫鉤趨勢和5次強脫鉤趨勢以及1次衰退經濟脫鉤趨勢。2009—2020年湖北省的經濟發展狀況主要以弱脫鉤和強脫鉤,說明湖北省的工業經濟的發展不以依賴水資源用水量的大量消耗來增長經濟,經濟增長和水資源的利用處于協調可持續發展方式并存。

圖4 工業水足跡和GDP變化率

3.3.2脫鉤驅動因素及效應分析

以Tapio經濟脫鉤彈性模型為基礎,結合Kaya恒等式和LMDI模型從經濟效應脫鉤因子、人數效應經濟脫鉤因子、結構效應經濟脫鉤因子和技術效應經濟脫鉤因子4個方面進行因素驅動分解(表6)。

表6 經濟脫鉤效應因子分析

2009—2020年,湖北省水資源利用效率與經濟發展脫鉤因子以經濟效應脫鉤因子、人口效應脫鉤因子和技術效應脫鉤因子為正向驅動,結構效應脫鉤因子為負向驅動。其中結構效應脫鉤因子為負向驅動,對水資源利用效率具有促進作用,呈現波動下降的趨勢,貢獻值為-0.34,呈現這樣的情況源于湖北省產業結構的優化升級,節水措施的落實,有效節約了大量的水資源。經濟效應脫鉤因子的正向驅動作用,是主要的經濟抑制因子,該因子整體呈現上升的趨勢,貢獻值均值為1.28。技術效應脫鉤因子作為湖北省經濟脫鉤趨勢的次要因子,其均值貢獻值為0.06。人口效應脫鉤因子對湖北省的經濟脫鉤趨勢的影響較小,其貢獻均值為0.002,對湖北省的經濟脫鉤的抑制作用不明顯。

3.4 水足跡強度空間分析

2009—2020年湖北省各地級市水足跡強度呈現下降的趨勢,各地區下降幅度均超過70%,仍有部分區域的水足跡強度相對較高,總體上說明湖北省及各地級市的節水措施和導向政策極大促進各地區的水資源利用效率(圖5)。其中武漢市、黃石市、十堰市和宜昌市的水足跡強度處于較低水平,說明該地級市的水資源效率很高,并位于湖北省前列;荊州市、黃岡市、恩施州、仙桃市和天門市出現了較高的水足跡強度,說明該地級市的水資源利用效率較低,污廢水的處理可能面臨較大的壓力。湖北省的水足跡強度的大小可以反映出各地級市的水資源利用情況,水足跡強的差異性也表明水足跡強度和地區的經濟發展存在著必然的聯系,發達地區的水資源利用效率較高,經濟發展較慢的地方的水資源利用效率較低。

圖5 2009—2020年湖北省水足跡強度

3.4.1水足跡強度空間差異分析

2008—2020年湖北省水足跡強度的錫尓指數呈現先下降后上升的趨勢,整體呈現上升的趨勢(圖6)。2008—2013年錫尓指數呈現下降趨勢,由0.257 6下降到0.212 0,降低了17.7%,說明該期間內湖北省各地級市的水足跡強度的差異性較小;2014—2020年,錫尓指數呈現上升趨勢,增長了23%。2008—2020年水足跡強度的基尼系數呈現波動上升的趨勢,由0.168 2至0.241 4,并處于“高度平均”和“相對平均”的水平。湖北省的基尼系數和錫尓指數2008—2020年整體呈現上升的趨勢,表明湖北省內水足跡強度的差異性在逐步增加,但是從基尼系數指標來看,湖北省的水足跡強度處于“高度平均”和“相對平均”的水平,說明湖北省內的水足跡強度的差異雖然逐年增加,但是在水足跡強度差異合理地范圍之內。

圖6 湖北省水足跡強度的基尼系數和錫尓指數

3.4.2全局Moran’s I空間自相關檢驗

2009—2020年湖北省全局Moran’s I指數呈現波動上升的趨勢,2009—2017年為負相關性,湖北省地級市的水足跡強度呈現負相關的空間聚集現象;2018—2020年為正相關性,地級市的水足跡強度呈現正相關的空間聚集現象(表7)。說明湖北省地級市之間從聯系不緊密到后期聯系緊密而逐漸靠攏,水足跡強度集聚的程度與空間相關性均在逐步增強。

表7 湖北省水足跡強全局Moran’s I指數

3.4.3局部Moran’s I空間自相關檢驗

2009—2010年,低-低聚集的城市是十堰市,高-低聚集的城市是恩施州和襄陽市(圖7)。2011—2017年,低-低聚集的城市是十堰市和襄陽市,高-低聚集的城市是恩施州。2018—2019年,低-低聚集的城市有十堰市和襄陽市,高-低聚集的城市有恩施州,高-高聚集的城市有荊門市。2020年,低-低聚集的城市有十堰市和襄陽市,高-低聚集的城市有恩施州,高-高聚集的城市有荊門市,其他城市均為不顯著聚集。

a)2009年

b)2011年

c)2018年

d)2020年

2009—2020年不同時期低-低聚集的城市有十堰市和襄陽市,主要是以十堰市為中心形成1個水足跡強度低的空間集聚區域,并且有明顯向周邊擴散的趨勢,這也體現出了該區域的水資源利用效率高,這也與水足跡強度趨勢分析說明十堰市水足跡強度低的結論相一致;而襄陽市2011—2019年是1個水足跡強度低的空間聚集區域并向高-高聚集區的荊門市擴散;其中恩施州處于高-低的空間集聚區域,12 a來并未發生向周邊擴散的趨勢。2018—2020年,高-高集聚的城市是荊門市,形成1個水足跡強度高的空間聚集區域,這一區域在空間上的范圍保持穩定,并且有明顯的下降趨勢,逐漸縮小與其他地級市的水足跡強度的差異。荊門市水足跡強度高的原因是農業的種植業和畜牧業發達,大力發展制造業(裝備制造、新能源新材料、再生資源利用與環保等),需要消耗大量的水資源,致使荊門市的水足跡強度下降緩慢。

4 結論與建議

4.1 結論

從消費者的角度對湖北省2009—2020年進行水足跡的計算,總體水足跡和農業水足跡呈現上升趨勢,工業水足跡呈現下降趨勢,其變化幅度分別為24.2%、26.6%和23.0%。通過對水足跡LMDI模型因素驅動分解,人數效應和經濟效應對水足跡的數量具有增量效應,而結構效應和對水足跡的數量具有抑制效果。

湖北省水資源利用與經濟增長呈現弱脫鉤趨勢,農業生產用水效率與經濟增長處于較弱的狀態,而工業生產用水量和經濟增長呈現穩定的趨勢,總體來看湖北省的水資源利用和經濟發展較為穩定。通過湖北省經濟脫鉤分析,其結構效應脫鉤因子對水資源利用效率具有促進作用;人口效應脫鉤因子對水資源利用效率和經濟增長的脫鉤趨勢的作用微乎其微,而技術效應脫鉤因子和經濟效應脫鉤因子對湖北省的脫鉤趨勢具有正向驅動效應,并且整體呈現上升趨勢,對水資源利用效率和經濟增長的趨勢抑制作用明顯。

湖北省各城市的水足跡強度明顯呈現下降趨勢,減少幅度均超過70%。2009—2020年湖北省水足跡強度的錫尓指數呈現先下降后上升,整體上升的趨勢,表明水足跡強度的差異逐年增加,但是從基尼系數的趨勢來看,水足跡強度雖然存在差異,但又處于合理的空間范圍內,差異并沒有兩極分化。水足跡強度存在著顯著的空間效應,并集聚的程度與空間相關性均在逐步增強;低-低和高-低是主要的空間聚類方式,具有明顯向周邊擴散的趨勢。由此看來,湖北省的水資源利用效率和經濟增長向好趨勢發展,并且水資源效率有明顯的提高,雖然城市之間有一定的差異,但是在可控范圍之內。

4.2 建議

通過水足跡的LMDI因素驅動和經濟脫鉤分析以及水足跡強度的空間相關性分析,針對湖北省水資源利用與經濟發展的關系提出以下改進建議。

a)加強節水技術改造,提高水資源利用效率。通過水足跡相關公式計算,農業生產用水和工業生產用水占水資源的比重最大。農業方面,積極探索適合湖北省的低能耗、低耗水、高產、全自動化的農作物規模種植,推動農田灌溉設施完善。對于大中型灌區,需要采用高效、智能的節水灌溉監測技術。工業方面,推廣綠色節水模式,以先進的智能技術為基礎,嚴格控制恩施州、荊州市、荊門市等工業高聚集城市的污水排放總量,加大節水力度,推動轉變水資源使用模式,提高水資源的利用效率。

b)加強供給側改革,促進產業結構優化。湖北省作為制造業大省,需要加強產業結構現代化,優化產業結構,推進制造業轉型升級,建立內部經濟循環,合理配置水資源,持續關注發展水資源利用效率與規模經濟的關系,完善水資源利用效率評價機制。

c)加強科技人才合作交流,提高全民節約用水能力。從節約用水法律條例、市場體制等方面引導節水生產和生活方式,促使節水意識深入人心,提高水資源利用效率。

d)堅持綠色經濟發展思想,健全生態保護補償制度。劃分灌溉農業區、生產聚集區與自然保護地,以確立“可持續發展”的生態補償觀念。同時貫徹綠色生態的基本思想,用好各類市場化生態補償制度,以避免生態開發和水資源保護之間的相互沖突,更有效地推動我國生態文明發展和保障廣大人民群眾的安全利益。