基于水資源生態足跡的甘肅省水資源利用與經濟增長的脫鉤效應研究

崔 亮，陳吉平，王啟優

(甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

水資源作為人類賴以生存和發展不可缺少的基礎性自然資源，對于區域經濟社會發展的速度和方向具有至關重要的決定作用[1-2]。隨著水資源的不斷開發和利用，水資源短缺逐漸成為制約區域經濟社會可持續發展的重要因素[3-4]。在此背景下，如何科學合理地定量分析區域水資源開發利用現狀和評價水資源利用與經濟社會發展的協調性趨勢規律，提高用水效率，增強區域經濟社會發展的可持續性，緩解區域水資源短缺危機，成為社會研究關注的熱點問題[5-6]。

水資源生態足跡模型是在學者William Rees和Mathis Wackernagel的生態足跡理論研究的基礎上提出和補充下形成的[7]。研究表明，該模型可以從區域經濟發展、社會、人口等角度定量分析區域水資源供求關系，評價水資源消耗與經濟社會發展是否協調，從而反映區域可持續發展的狀況[8-10]。Hoekstra等[11]、Chen等[12]以虛擬水為基礎核算了全球尺度的水生態足跡；張義等[13]、Wang等[14]結合中國水資源利用情況，改進了水資源生態足跡的理論和計算方法；劉昀東等[15]、郭利丹等[16]應用水資源生態足跡理論，評價了區域水資源的可持續利用狀況。脫鉤模型的提出主要用于探求資源消耗與經濟社會發展之間的關系，評價區域發展狀態健康與否[17]。隨著區域生態環境保護和經濟高質量發展的協同發展，脫鉤模型研究在水資源利用方面也日益增多[18-19]。吳丹[20]等利用脫鉤模型研究了我國社會經濟發展和水資源消耗量之間的脫鉤狀態；Zhang等[21]從水資源生態足跡理論方面，研究了我國西北地區經濟發展與水資源利用間的脫鉤狀態；Zhu等[22]、姜明棟等[23]分別研究了經濟增長與農業用水量、工業用水量之間的脫鉤狀態。

甘肅省地處我國西北地區，降水稀少，水資源時空分布不均，且水資源人均占有量僅為我國人均水平的1/3，是世界人均水平的1/8，水資源與區域人口、經濟發展不相符已成為甘肅省主要的水資源問題[24-25]。同時，隨著甘肅省河西地區新能源及裝備制造業基地、蘭白核心經濟區等重點區域項目的建設，進一步加劇了區域水資源的開發利用、水安全及水資源的供需矛盾，這對甘肅省水安全保障提出了新的挑戰[26]。鑒于此，本文以西北地區的甘肅省為研究對象，針對該區域水資源短缺、時空分布不均等問題，基于水資源生態足跡模型定量分析甘肅省2000年～2021年水資源可持續利用狀況，結合脫鉤模型評價水資源利用與經濟增長之間的脫鉤關系，并采用灰色神經網絡模型進行脫鉤預測，以期為甘肅省水資源可持續利用與經濟高質量協調發展提供理論參考依據。

1 研究區概況

甘肅省位于我國西部地區，地處黃河中上游，全省下轄12個地級市、2個自治州，面積42.58萬km2。據統計，截至2022年底，甘肅省人均水資源量956.1 m3，遠低于2022年全國人均水平(2 300 m3)。甘肅省地處黃土高原、青藏高原和內蒙古高原三大高原的交匯地帶，年平均氣溫0～15 ℃，大部分地區氣候干燥，干旱半干旱區占總面積的75%，主要受干旱、暴雨洪澇、冰雹、大風、沙塵暴和霜凍等自然災害影響。全省年降水量在36.6～734.9 mm，從東南向西北遞減，烏鞘嶺以西降水明顯減少，隴南山區和祁連山東段降水偏多；降水多集中在6月～8月份，占全年降水量的50%～70%，年降雨量在40～800 mm。甘肅省水資源主要分屬黃河、長江、內陸河3個流域、9個水系，河流年總徑流量415.8億m3，其中徑流量在1億m3以上的河流有78條，全省水資源豐富，但由于時空分布不均，可利用水資源短缺。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文選取2000年～2021年的相關基礎數據進行研究，甘肅省降水量、水資源總量、用水量等數據來源于《甘肅省國民經濟和社會發展統計公報》《甘肅省水資源公報》和《甘肅省統計年鑒》等資料文獻。

2.2 研究方法

2.2.1 水資源生態足跡模型

水資源生態足跡模型作為一種定量分析水資源利用與經濟社會發展之間關系的有效方法，可以較好地衡量甘肅省一定人口和經濟對水資源的需求能力[7，9]。根據用水結構，水資源生態足跡包括農業用水、工業用水、生活用水、生態環境用水4類，其計算公式如下

EFw=Nefw=Nγw(W/Pw)

(1)

式中，EFw為區域的水資源生態足跡，hm2；N為區域的年末總人口數，人；efw為人均水資源生態足跡，hm2/人；γw為水資源的全球均衡因子，取5.19；W為用水量，m3；Pw為全球的水資源平均生產能力，取3.14×103m3/hm2。

2.2.2 水資源可持續利用評價模型

(1)水資源生態承載力。水資源生態承載力是指水資源能夠維持該區域人口、經濟和生態環境系統良性發展的支撐能力[16]。其計算公式為

ECw=Necw=0.4γwφ(Q/Pw)

(2)

式中，ECw為水資源生態承載力，hm2；ecw為人均水資源生態承載力，hm2/人；φ為水資源產量因子；Q為區域水資源總量，m3。

(2)水資源生態盈虧指數。水資源生態盈虧指數是指區域水資源生態足跡與水資源生態承載力的差值，評價區域水資源可持續利用狀況[16]。其計算公式為

EDw=efw-ecw

(3)

式中，EDw為水資源生態盈虧指數，hm2。當EDw>0時，表示水資源為生態赤字；當EDw<0時，表示水資源為生態盈余；當EDw=0時，表示水資源為生態平衡。

(3)水資源生態壓力指數。水資源生態壓力指數可以反映區域水資源安全受到威脅的程度，其值越小越安全[15]。其計算公式為

EPIw=EFw/ECw

(4)

式中，EPIw為水資源生態壓力指數。當EPIw>1時，表示人類活動對水資源可持續利用構成威脅；當EPIw=1時，表示人類活動與水資源可持續利用處于平衡狀況；當EPIw<1時，表示人類活動對水資源可持續利用的影響較小。

(4)水資源利用效率。萬元GDP水資源生態足跡是指區域水資源生態足跡EF與該地區生產總值Y的比值，其可較好地反映區域水資源的利用效率[15]。計算公式為

EGt=EFt/Yt

(5)

式中，EGt為第t年的水資源利用效率指數，hm2/萬元；EFt為第t年的水資源生態足跡；Yt為第t年的地區生產總值，萬元。

2.2.3 基于Tapio水資源利用與經濟協調發展脫鉤評價模型

(1)模型構建。Tapio提出的脫鉤彈性分析方法可以從不同時間維度來衡量資源環境與經濟發展之間的關系[15]。本文基于Tapio脫鉤彈性分析方法，構建了基于Tapio水資源利用與經濟協調發展的脫鉤評價模型，該模型可有效評價水資源利用與經濟社會發展快慢[18]，其公式為

(6)

式中，e為脫鉤彈性指數；ΔW為區域水資源變化量，億m3；ΔY為經濟增長變化量，億元；Wt、Wt-1分別為第t年和第t-1年的水資源利用量，億m3；Yt、Yt-1分別為第t年和第t-1年的經濟指標，億元。

(2)脫鉤程度評價標準。根據區域水資源變化量、經濟增長變化量和脫鉤彈性指數e，脫鉤程度評價標準見表1所示。

表1 Tapio脫鉤類型劃分標準

3 結果與分析

3.1 區域水資源生態足跡變化特征

甘肅省2000年～2021年的水資源生態足跡變化特征如圖1和表2所示。由圖1和表2可知，甘肅省2000年～2021年水資源生態足跡整體呈逐漸下降的變化趨勢，水資源生態足跡由2000年的2 028.39萬hm2逐漸下降至2021年的1 820.14萬hm2，年下降速率為9.47%。由圖1和表2進一步可知，在區域水資源利用過程中，農業用水足跡的占比最大但呈逐漸下降的變化趨勢，從2000年的1 610.34萬hm2下降至2021年的1 364.94萬hm2，占比從2000年的79.4%下降至2021年的74.0%，尤其是2014年后下降速度顯著加快；工業用水足跡亦呈逐漸下降的變化趨勢，從2000年的292.70萬hm2下降至2021年的107.44萬hm2，占比從2000年的14.4%下降至2021年的5.9%；生活用水足跡整體呈逐漸上升的變化趨勢，從2000年的125.35萬hm2上升至2021年的160.99萬hm2，這主要是由于隨著區域的快速發展和城鎮化的不斷推進，城鎮人口數量不斷增長，生活用水量逐漸增加，是生活用水足跡增加的主要影響因素；生態環境用水足跡及其所占比例亦呈整體上升的變化趨勢，從2000年的0上升至2021年的186.77萬hm2，占比從2000年的0上升至2021年的10.3%，特別是2019年后上升速度明顯加快。這與甘肅省深入踐行全國生態文明建設與“綠水青山就是金山銀山”的理念息息相關，在逐步提高區域內生態環境用水安全的同時，對區域內實施了最嚴格的水資源管理，同時與近年來產業不斷轉型升級和不斷優化調整產業結構的比重等措施有密切關聯，這些措施在一定程度上提高了用水效率，降低了用水量。

圖1 甘肅省2000年～2021年水資源生態足跡變化特征

表2 甘肅省2000年～2021年水資源生態足跡變化特征統計 萬hm2

3.2 區域水資源可持續利用特征分析

3.2.1 區域水資源生態承載力變化特征

甘肅省2000年～2021年的水資源生態承載力ECw變化特征如圖2所示。由圖2可知，研究期內甘肅省水資源生態承載力整體呈波動下降趨勢，年際間變化波動較大，多年平均水資源生態承載力432.15 hm2，水資源產量因子為0.22，均低于全國平均水平。由圖2進一步可知，研究期內甘肅省水資源生態承載力呈3個階段的變化特征，其中2000年～2004年水資源生態承載力呈逐漸下降趨勢，2005年～2019年水資源生態承載力整體呈逐漸上升趨勢，2020年～2021年水資源生態承載力整體呈逐漸下降趨勢，水資源生態承載力與降雨量變化趨勢基本一致。這主要是由于水資源生態承載力年際變化影響因素不僅與區域內人口、水文地質條件等有關，而且與區域內的氣候，尤其是降雨量密切相關，表明降雨量的多少在一定程度上反映了區域內水資源的豐富程度。

圖2 甘肅省2000年～2021年水資源生態承載力變化特征

3.2.2 區域人均水資源生態盈虧指數變化特征

甘肅省2000年～2021年的人均水資源生態盈虧指數EDw變化特征如圖3所示。由圖3可知，研究期內甘肅省水資源利用整體處于生態赤字狀態，但人均水資源生態赤字整體呈波動下降趨勢，且同一時間段內人均水資源生態足跡efw均遠高于人均水資源生態承載力ecw。這表明研究期內甘肅省天然水資源量難以滿足其生態環境與經濟社會的健康發展，水資源可持續開發利用的空間較小，這主要是由于甘肅省地處西北干旱區，水資源短缺是制約該區域可持續發展的主要因素。因此，有必要進一步提高水資源利用效率，提高水資源管理水平，不斷完善管理措施，從而改善區域內水資源生態赤字狀況。

圖3 甘肅省2000年～2021年人均水資源生態盈虧指數變化特征

3.2.3 區域水資源生態壓力指數變化特征

甘肅省2000年～2021年的水資源生態壓力指數EPIw變化特征如圖4所示。由圖4可知，研究期內甘肅省水資源生態壓力指數EPIw整體呈波動上升變化趨勢，且其值均大于1.0，表明甘肅省經濟社會發展對區域內水資源的可持續利用構成了威脅。因此，要加強水資源的利用與管理，提高區域水資源的保障能力。

圖4 甘肅省2000年～2021年水資源生態壓力指數變化特征

3.2.4 區域水資源利用效率變化特征

甘肅省2000年～2021年的萬元GDP水資源生態足跡變化特征如圖5所示。由圖5可知，研究期內甘肅省萬元GDP水資源生態足跡整體呈逐漸降低的變化趨勢，表明該區域內的水資源利用效率逐漸提高。這主要是由于自“十二五”開始，甘肅省為逐漸提高水資源利用效率，把水資源作為最大的剛性約束，對區域內的用水效率、用水量等進行最嚴格的水資源管理。同時，產業結構的不斷優化、高水效農業的不斷發展也逐漸降低了萬元GDP的耗水量，從而顯著提高了區域內的水資源利用效率。因此，在今后區域經濟社會發展過程中，一方面仍要嚴格管控用水總量、用水效率，另一方面要不斷優化產業結構、發展高水效農業，從而不斷提高水資源的保障能力。

圖5 甘肅省2000年～2021年水資源利用效率變化特征

3.3 區域水資源利用與經濟增長的脫鉤效應分析

基于Tapio水資源利用與經濟協調發展脫鉤評價模型評價甘肅省2000年～2021年的水資源利用與經濟增長的脫鉤效應，評價結果如表3所示。由表3可知，研究期內甘肅省水資源總用水量與經濟增長整體上處于脫鉤的協調發展狀態，脫鉤關系正從“強脫鉤—弱脫鉤交替變化”的初級協調發展狀態向“強脫鉤”的健康協調發展狀態演變，二者的協調發展程度在不斷加強，這說明在研究期內隨著不斷優化和調整產業結構、經濟規模和技術水平，水資源利用效率逐步提高，以相對較小的水資源利用量實現了相對良好的經濟增長[25]。

表3 甘肅省2000年～2021年水資源利用與經濟增長的脫鉤效應評價結果

由表3進一步可知，研究期內甘肅省農業用水量與農業增加值的脫鉤協調發展變化特征與整體的基本一致，整體的脫鉤態勢良好。表明隨著甘肅省農業增加值在不斷增長，農業用水量在逐漸降低，這與區域內渠系續建配套與節水改造和高效農田節水灌溉技術的不斷應用與創新有著密切關聯，在一定程度上提高了農業用水效率。同時，研究期內甘肅省工業用水量與工業增加值的整體脫鉤態勢良好(除2015年～2016年和2019年～2020年出現衰退外)，兩者的協調發展程度在不斷加強。這說明隨著工藝生產技術水平、產能結構的不斷優化和調整，以及工業用水監管的不斷加強，工業用水效率也逐步提高。

3.4 區域水資源利用與經濟增長的脫鉤效應預測

本文借鑒王剛毅、魏亞茹等的研究成果[27-28]，基于灰色理論模型與BP人工神經網絡模型構建灰色神經網絡模型，對甘肅省2022年～2030年的水資源利用與經濟增長的脫鉤效應進行預測，預測結果如表4所示。由表4可知，預測的甘肅省2022年～2030年GDP年平均增長率為4.54%，水資源總用水量年平均下降率為1.24%，整體呈“強脫鉤”的健康協調發展態勢。這表明隨著甘肅省不斷進行最嚴格水資源管理、不斷優化產業結構和不斷轉型升級，水資源利用與經濟增長的脫鉤協調發展程度在不斷加強，將有助于甘肅省經濟社會的可持續發展。

表4 甘肅省2022年～2030年水資源利用與經濟增長的脫鉤效應預測結果

4 結 論

本文基于水資源生態足跡模型和脫鉤模型定量分析了甘肅省2000年～2021年水資源可持續利用狀況及其與經濟增長的脫鉤效應，揭示了甘肅省水資源利用與經濟協調發展的狀態，并采用灰色神經網絡模型進行了脫鉤效應預測，主要得出以下結論：

(1)研究期內甘肅省水資源生態足跡整體呈下降變化趨勢，年下降速率為9.47%。在區域水資源利用過程中，農業用水足跡和工業用水足跡呈下降變化趨勢，生活用水足跡和生態環境用水足跡呈整體上升變化趨勢。

(2)研究期內甘肅省水資源利用效率不斷提高，水資源利用整體處于生態赤字狀態，但水資源生態承載力呈下降變化趨勢，年際間變化波動較大，且水資源生態壓力指數呈波動上升變化趨勢。

(3)研究期內甘肅省水資源利用與經濟增長的脫鉤狀態呈“強脫鉤—弱脫鉤交替變化”的初級協調狀態向“強脫鉤”的健康協調狀態演變，整體的脫鉤態勢良好，且農業用水和工業用水的脫鉤協調發展變化特征與整體的基本一致。

(4)通過預測甘肅省2022年～2030年水資源利用與經濟增長的脫鉤效應，其整體呈“強脫鉤”的健康協調發展態勢。這表明隨著不斷實施最嚴格水資源管理、持續優化產業結構和不斷轉型升級，水資源利用與經濟增長的協調發展程度將不斷加強。