水資源生態足跡時空變化特征及驅動因素分析

馮佳寧,吳少霖,李曉英,柏 同

(1.河海大學 水利水電學院,南京 210098;2.中交上海航道局有限公司,上海 200002;3.河海大學 環境學院,南京 210098)

0 引 言

水資源生態安全狀態與經濟社會的發展密切相關[1],諸多地區面臨一系列水污染和水資源短缺等問題[2]。隨著五大發展理念和16字“治水方針”的提出,綠色發展逐漸受到重視[3]。鑒于此,合理規劃水資源已成為地區綠色發展的前提[4]。

生態足跡模型可用于評價人類對資源的需求以及地區綠色發展的程度[5-6],而模型中僅包括六大類生產土地,縮小了水資源用途的范圍[7]。為此,范曉秋等[8]將水資源賬戶引入生態足跡模型,確定3個關鍵參數。黃林楠等[9]構建了水資源生態足跡模型,將其劃分為生產、生活和生態用水。傳統水資源評價大多是基于水文學的原理而進行計算,僅考慮某個地區的水文變化規律,而引入生態足跡模型則可將自然界的水資源與人類活動聯系起來,使得評價結果更全面。隨著生態足跡模型的深入研究,基于生態足跡的水資源可持續評價體系也廣泛應用于水資源評價領域。已有的基于水資源生態足跡模型的評價多集中在我國南方地區[10-14],針對西北地區水資源現狀的分析較少。

本文結合陜西省2006-2020年相關統計數據,以水資源生態足跡模型為基礎,分析陜西省水資源生態壓力狀況、開發利用效率和生態經濟協調性,通過LMDI模型對水資源生態足跡變化的影響因素進行分析,以期為陜西省因地制宜制定區域水資源管理政策提供參考,提高生態環境安全,實現綠色發展。

1 研究區概況

陜西省位于我國西北部,全省縱跨長江、黃河兩大流域。其地勢南北高、中部低,自北向南大致可劃分為陜北高原、關中平原和秦巴山區。研究區處于北溫帶和亞熱帶,整體上為大陸季風性氣候。年平均氣溫7℃～16℃,其中陜北地區7℃～12℃,關中地區12℃～14℃;陜南是全省最溫暖的地區,主要在14℃～16℃。年降水量400～900mm,由于地形,降雨分布特征為南部多、北部少,夏季多、冬季少。陜西省地表水多年平均徑流量425.8×108m3,人均擁有水資源量1 280 m3(2021年),徑流呈明顯分帶性規律,南部大于北部,徑流年內分配也不均,河流含沙量高,水土流失嚴重。隨著社會的高速發展,全省綜合經濟實力居西北榜首,主要經濟產業處于領先地位,經濟總量規模在西北五省(區)中常年保持第一的位置,具有重要的戰略地位。

2 研究方法與數據來源

2.1 水資源生態足跡

水資源生態足跡是在一定人口和經濟狀況下,為維持人類生活生產和自然環境自身發展消耗的單位面積水資源量[10]。全部用水可分為生產用水、生活用水和生態環境用水,即“三生用水”[9]。生產用水又分為農業用水、工業用水和城鎮公共用水。各類水資源生態足跡公式[15]為:

(1)

EFwi=N·efwi=N×γw×(Wwi/pw)

(2)

式中:EFw為地區總水資源生態足跡,hm2;EFwi為第i類水資源生態足跡,hm2;N為地區人口數,人;efwi為人均水資源生態足跡,hm2/人;γw為全球水資源均衡因子[9],取值為5.19;Wwi為第i類人均用水總量,m3/人;pw為全球水資源平均生產能力,m3/hm2,取3 140m3/hm2[16]。

2.2 水資源生態承載力

水資源承載力具有自然屬性、社會屬性及空間屬性,為某一區域在某一歷史階段和科技、文化、管理水平下,水資源對生態系統和經濟系統良性發展的支撐能力[9]。水資源承載力至少要扣除60%用于維持生態系統平衡[17],故在計算中乘以系數0.4。其計算公式為:

ECw=N·ecw=0.4×γw×φ×(W/pw)

(3)

式中:ECw為地區水資源承載力,hm2;ecw為人均水資源生態承載力,hm2/人;φ為水資源產量因子,是研究區水資源生產能力與全國平均水資源生產能力的比值,根據《陜西省水資源公報》數據,可算得2006-2020年陜西省以及各地市(州)的水資源產量因子;W為水資源總量,m3;N、γw、pw含義同式(2)。

2.3 水資源生態盈虧指數

水資源生態盈虧指數為水資源生態承載力與生態足跡兩者的差值[18]。其公式為:

EDw=ECw-EFw

(4)

式中:EDw為生態盈虧指數,hm2。

當EDw>0時,為水資源生態盈余,即呈可持續利用;當EDw<0時,為生態赤字,即過度開發。

2.4 水資源生態足跡強度

以水資源生態足跡強度來衡量地區水資源利用效率,值越小,表示水資源利用效率越高;反之,越低[19]。其公式為:

ESw=EFw/GDP

(5)

式中:ESw為水資源生態足跡強度。

2.5 水資源生態經濟協調程度

生態經濟協調指數(ECI)反映經濟社會和生態環境兩者間的協調程度,其公式為[20]:

(6)

式中:ECI取值范圍為[1,1.414]。

當ECI=1.414時,生態經濟協調性較好,生態安全得到保障;當ECI取值越接近1,生態經濟協調性越差,生態安全性低。

2.6 對數平均迪氏指數分解法

為深入探究陜西省水資源生態足跡變化,評估其潛在影響因素是必要的。因素分解法可定量分析不同因素對事物變化的影響程度[10],對數平均迪氏指數分解法(LMDI法)可有效解決分解時出現的“0”值和殘余項問題[21]。采用LMDI法進行水資源生態足跡驅動因素分析,具體為:

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2.7 數據來源

數據來自2006-2020年的《陜西省水資源公報》和《陜西省統計年鑒》。

3 結果與分析

3.1 水資源生態壓力狀況分析

3.1.1 水資源生態足跡

由式(1)-式(2)計算陜西省2006-2020年生產、生活和生態環境用水水資源生態足跡,見表1。在各用水賬戶產生的水資源生態足跡中,農業、工業、城鎮公共、生活和生態環境用水的占比分別從2006年的70%、16%、3%、11%、1%變為2020年的62%、11%、15%、6%、6%。

表1 2006-2020年陜西省各用水賬戶人均水資源生態足跡

近15年,陜西省人均水資源生態足跡呈小幅增長的態勢,具體年均變化率見表1。水資源生態足跡的變化側面反映出用水結構的變化。農業用水生態足跡在2006-2020年呈緩慢下降趨勢,與省內耗水作物種植面積的減少和灌溉節水技術的推廣有關,根據《陜西省統計年鑒》資料統計,省內糧食作物種植面積持續減少,由3 453.33×104hm2減少至3 001.05×104hm2,減少13.10%;工業用水生態足跡與農業用水生態足跡趨勢相似,表明工業逐漸轉向高效利用的方式,與陜西省不斷優化產業結構相符。自2018年以來,生活用水生態足跡呈下降趨勢。城鎮公共用水生態足跡不斷上升,2006年城鎮公共用水量為2.15×108m3,2020年增加至12.95×108m3,增加502.33%,反映出第三產業迅速發展。生態環境用水生態足跡在2006-2020年也呈快速上升趨勢,表明陜西省加快生態文明的建設,未來生態環境用水可能仍會增加。

具體到各市來看,以2020年為例(圖1),延安市的首要組成賬戶為工業用水生態足跡,為35%。其余各市農業用水生態足跡占比最高,其中漢中市農業用水生態足跡為87%,渭南市和安康市次之,占比分別為75%和71%。15年中,大多數行政區的首要組成賬戶基本穩定,但延安市的首要用水賬戶由農業變為工業,這可能與近年來經濟的快速增長有關。

圖1 2020年陜西省各市水資源生態足跡各賬戶組成

3.1.2 人均水資源生態承載力

陜西省人均水資源生態承載力的區域差異十分顯著。選取2007、2013和2020年作為代表年,分別代表研究時段初、時段中、時段末,以此表示研究時段的變化趨勢。由式(3)計算人均水資源生態承載力,見圖2。漢中市和安康市的水資源生態承載力較大,其中漢中市水資源生態承載力的平均值為4.46 hm2/人,安康市為3.47 hm2/人。而渭南市、咸陽市和西安市等城市的人均水資源生態承載力較低,最低的是咸陽市,平均值僅為0.02 hm2/人,與漢中市差值高達223倍。近年來,隨著黃河入境流量逐漸減小,降水量成為陜西省水資源的主要來源。在研究期間,漢中市、安康市和商洛市的人均水資源生態承載力明顯高于其他市區,分析發現主要是由于以上3個市位于陜南地區,地區為亞熱帶大陸性季風氣候,降水量充沛,水資源開發利用空間較大,而人均水資源生態承載力最低的咸陽市歷年來降水量最小。

圖2 陜西省各市人均水資源生態承載力變化

全省各地人均水資源生態承載力變化各有不同,在2007-2020年期間,人均水資源生態承載力下降的是西安市、延安市和商洛市,降幅最大的是西安市,下降24.82%。其余7個市的人均水資源生態承載力則呈上升趨勢,寶雞市上升幅度最大,其次為咸陽市,分別上升79.99%、33.97%。造成人均水資源生態承載力區域差異明顯的原因主要與各地區的降水量有直接的關系。分析發現,西安市、延安市和商洛市的降水量在研究時段呈下降趨勢,而其余各市的降水量在研究時段呈增長趨勢。

3.1.3 水資源生態盈虧指數

水資源生態盈虧與生態承載力的變化關系密切。由式(4)可得水資源生態盈虧指數,總體來看,陜西省水資源分布不均,大部分地區處于生態赤字狀態,出現水資源透支情況,見圖3。從空間分布來看,漢中市、安康市、商洛市和寶雞市為水資源盈余狀態,水資源現狀對經濟社會的發展起支撐作用,且未來開發利用的潛能較大,其余6個地區均為生態赤字,水資源與經濟的發展矛盾突出。從時間尺度來看,2007-2020年水資源生態盈余和赤字地區分布基本穩定。2007年安康市水資源生態盈虧指數最高,達3.339hm2/人;漢中市和商洛市次之;低值區為渭南市、咸陽市、榆林市、西安市、延安市和銅川市,除渭南市為-0.369 hm2/人外,其余5個市均小于-0.1 hm2/人。至2020年,水資源生態盈虧指數最高的地區變為漢中市,達4.113 hm2/人;安康市和商洛市次之;渭南市仍為水資源生態盈虧指數最低的地區,為-0.396 hm2/人。西安市水資源盈虧程度有所改善,增幅45.60%;榆林市有明顯降低,降幅54.36%?？偟膩碚f,降水較多的地區呈水資源生態盈余,而降水稀少的地區呈水資源生態赤字。

圖3 2007-2020年陜西省水資源生態盈虧分布

3.2 水資源開發利用效率分析

水資源生態足跡強度由式(5)計算,陜西省各地區生態足跡強度差異較大,但呈縮小趨勢,見圖4。研究時段內,漢中市水資源生態足跡強度最大,延安市最小。2006年兩者差值1.27hm2/萬元, 2020年降至0.14hm2/萬元。以上研究表明,自2006-2020年,水資源生態足跡強度的區域差異逐漸變小。其主要原因是陜西省各地區水資源生態足跡強度普遍大幅下降,其中漢中市降幅最大,為88%;延安市降幅最小,為60%,表明水資源生態足跡強度較大的地區與人均水資源生態足跡較大的地區基本一致,主要分布在陜南地區?？傮w來說,在生態文明的歷史新階段下,最嚴格水資源管理“三條紅線”及“四項制度”實施后,陜西省農業和工業用水效率顯著提升。此外,陜西省產業結構的不斷調整,逐漸優化產業發展[22],也使得水資源利用效率有所提高。

圖4 陜西省各市2006-2020年水資源生態足跡強度變化

3.3 水資源生態經濟協調性分析

生態經濟協調指數表示水資源和生態經濟之間的協調性。根據式(6)計算生態經濟協調指數,陜西省各市2006-2020年的水資源生態經濟協調指數見圖5。水資源生態經濟協調性最佳的地區為寶雞市,平均ECI為1.40,表明寶雞市工農業產業結構不斷調整,使水資源利用效率不斷提高,水資源生態系統與社會經濟系統的協調性相對較穩定。其次是西安市,平均ECI為1.30。咸陽市最差,平均ECI為1.04。分析發現,咸陽市人均水資源量為264.6m3,遠遠低于最低絕對缺水線500m3,屬嚴重缺水地區,供水體系不完善,節水工程嚴重不足,水資源開發利用率低,隨著經濟發展和人民生活水平不斷提高,用水量會持續增加,水資源供需矛盾也會更加突出。其余各市水資源生態經濟協調性處于較低水平,平均ECI在1.14左右。因此,陜西省應注重協調性較差地區的水資源生態安全性,完善水利設施,提高水資源利用率,從而實現水資源和生態經濟之間的協調。

3.4 水資源生態足跡影響因素分析

以2006年為基準年,由式(7)-式(12)對陜西省2006-2020年的水資源生態足跡影響因素進行分析,見圖6。由圖6可知,對水資源生態足跡影響最大的因素分別為經濟效應和技術效應。研究時段內,經濟效應大于“0”,表明促進水資源生態足跡增長;技術效應小于“0”,為抑制作用;結構效應和人口效應趨于“0”,影響較小。①陜西省水資源生態足跡增長的主要因素是經濟效應,2006-2020年經濟持續高速發展,使水資源的需求量日益增多。②技術效應對水資源生態足跡的增長起顯著抑制作用,且抑制作用逐漸增強,表明減少單位GDP用水量對水資源生態足跡的減少有明顯效果。③結構效應即“三生”用水結構,其變化較平穩,對陜西省水資源生態足跡起微弱抑制作用。④人口效應對水資源生態足跡的影響較小。2006-2009年人口因素大于“0”,對水資源的增長起促進作用,此時人口增長率為正;2010-2013年人口因素小于“0”,為抑制作用,相應人口增長率為負;2013年后人口開始回升,人口因素為正。由此可見,人口效應與陜西省人口增長率密切相關。近年來,人口政策的實施使人口數量變化較大,因此引起的生態環境問題應得到重視。

4 結 論

1)2006-2020年,陜西省的水資源生態足跡緩慢增加。其中,對水資源生態足跡貢獻最大的是農業用水賬戶,但其占比逐年減小;生態環境用水的貢獻較小,但呈增長趨勢。經濟效應是陜西省水資源生態足跡增長的主要驅動因素,而發揮抑制作用的因素為技術效應,抑制水資源生態足跡增加的主要方法是減少單位GDP用水量。

2)陜西省水資源生態承載力的區域差異顯著,漢中市和安康市人均水資源生態承載力最大,咸陽市人均水資源生態承載力最低。漢中市、安康市、商洛市和寶雞市處于盈余狀態,其余地區處于赤字狀態。水資源生態盈虧指數與水資源生態承載力的變化基本一致,主要受自然稟賦及水資源消耗量的影響。

3)各市區水資源生態足跡強度逐年下降,主要由于國家頒布的最嚴格水資源管理制度的落實及全省產業結構的轉型使水資源利用效率逐漸提高。陜西省水資源生態經濟協調性較差,平均ECI為1.14,陜西省應采取工程和非工程措施,實現各市區水資源和生態經濟之間協調的目的。

現階段,陜西省水資源分布不均,一方面,可采取有效的科學技術手段,實現水資源均衡分配;另一方面,通過產業結構轉型、節能減排和水資源再利用等措施,促進水資源供需平衡。