基于三維水生態足跡的云南水資源可持續利用研究

0 引言

水是人類生存發展的基礎資源，水資源可持續利用對于經濟社會發展、生態環境保護至關重要[1]。然而，在氣候變化和人類活動的疊加影響下，極端降水、干旱、城市洪澇、水環境污染等情況頻發，嚴重制約了水資源的可持續利用[2]。如何有效評價水資源可持續利用能力已引起了專家學者和行業管理部門的廣泛關注，開展水資源可持續利用研究對于深入認識水資源短缺問題，進一步改善人與水資源的關系具有重要意義[3] O

20 世紀90年代Rees首先提出“生態足跡理論”，目的是揭示自然消耗與生態系統承載力之間的關系[4]。生態足跡理論在自然資源評價中得到了廣泛應用，然而傳統的生態足跡模型忽視了水資源在維護生態穩定和促進經濟社會發展中的作用[5]。2008 年黃林楠等通過在傳統的生態足跡模型中加入水資源土地賬戶來彌補這一不足[6]。雖然經典的二維水生態足跡模型能夠辨識自然資本在可持續發展中的重要作用，但沒有表示恒定自然資本存量在生態系統平衡中的作用。2009年Niccolucci等提出生態足跡廣度和寬度兩個指標，構建了三維生態足跡模型，可以更好地表征資源的真正枯竭[7]。方愷介紹了生態足跡三維模型的研究成果，分析了中國生態足跡的深度廣度[8]三維水生態足跡模型可以較好地表征區域水資源資本的消耗情況，提供了一個評價水資源可持續利用水平的方法[9]。現有文獻顯示，基于三維水生態足跡模型的水資源可持續利用研究對象主要為國家、流域尺度，缺乏在省域尺度上的時空異質性分析。

云南省地處中國西南邊陲，水資源十分豐富，但時空分布的差異性特征十分顯著，并隨著經濟社會的快速發展，水資源供需矛盾日益突出[10]。本文采用三維水生態足跡模型對云南省16個州（市）進行水資源可持續發展研究，解析區域水資源生態足跡及其廣度與深度的時空分布特征，使用Tapio脫鉤彈性指數法衡量水資源利用與經濟因素之間的脫鉤關系，運用對數均值迪氏指數（logarithmicmeandivisiaindex，LMDI）分解方法，從經濟發展、產業結構、技術效應、人口規模等方面分析水資源利用的驅動因素，評估其水資源可持續狀態。研究結果可為改善云南地區的人水關系、促進區域水資源開發利用與經濟社會協調高質量發展提供一定的參考。

1 研究區域概況

云南省位于中國的西南地區，由16個州（市）構成，地形復雜，高差顯著，呈現亞熱帶高原季風氣候。全省年平均氣溫為 15～16°C ，年溫差較小，但日溫差大，干濕季節分明。年降水量超過 1000mm ，但時空分布極不均衡，雨季降水量占全年降水量的 85% ，早季僅占 15% ，造成季節性缺水問題[11]。截至2023 年，云南省國內生產總值（GDP）達到了30021億元，全省人口超過4600萬人，經濟社會發展迅速，但水資源面臨嚴峻挑戰。2023年云南省的用水量為162.3億 m³ ，全省用水消耗量101.7億 m³ ，水資源的開發利用率較低，目前僅為 7.4% ，遠低于全國平均水平。全省河流水系眾多，如金沙江、瀾滄江、紅河等，水資源總量豐富。然而，由于地形復雜和高程差異，水資源時空分布不均勻，開發利用難度較大，工程性缺水問題突出[12]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

水資源利用數據來自 2007～2022 年《云南省水資源公報》，人口與GDP數據參考 2007～2022 年《云南統計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 三維水生態足跡模型

經典的二維生態模型只是承認了自然資本在可持續發展過程中的作用，但是并沒有對存量和流量作實質性的區分，不能體現資本存量恒定對全球生態系統平衡起到的重要作用[13]。三維水生態足跡模型新增加了水生態足跡的廣度和深度，水生態足跡廣度用來表示人類對水資源資本存量的消耗程度，水生態足跡深度用來表示人類對水資源資本流量的占用程度（圖1）。

水生態足跡是指在一定人口和經濟規模的條件下，維持人類生活生產消耗以及自然環境穩定需要的水資源量，是將水資源的消耗量轉化為相應的產水面積[14]。水生態承載力是指在某一地區的特定歷史發展階段，區域水資源對社會經濟發展和生態環境的承受能力[13]。水生態足跡和水生態承載力構成了經典的二維水生態足跡模型，分別反映區域水資源消耗和區域水資源供給[15]。水生態盈虧用水生態承載力與水生態足跡的差值來表示，表征水資源可持續利用能力[16-17]。本文應用三維水生態足跡模型，全面展示了水資源開發利用的三維過程，計算公式如下[18]：

EC_w=0.4×γ×φ×（Q/P_w）

EF_w=EF_size×EF_depth

EF_size=min[EF_s，EC_s]

式中： EF_w 為總水生態足跡， hm²;EF_wi 為第 i 個賬戶的生態水足跡， hm²;W_i 為 χ_i 賬戶的用水量， m³，i=1，2 ，3，4分別代表農業用水、工業用水、生活用水和生態用水； γ 為全球水資源均衡因子，參照孫才志等的研究取值為 5. 19^[19];P_w 為全球水資源平均生產能力，為3140m³/hm^2[19] ： EC_w 為水生態承載能力， hm²：φ 為水資源產量因子，本文取值為 1.68^[19] ： Q 為水資源總量， m³;EB_w 為水生態盈虧， hm²，EB_wgt;0 表明研究區域處于水生態盈余狀態，可以進一步開發利用， 0表明此區域處于水生態赤字狀態，水生態承載能力比較弱， EB_w=0 表明此區域處于水生態平衡狀態；EF_size 為水生態足跡廣度， hm² ，其值越高表明對于水資源流量資本的消耗越大； EF_depth 為水生態足跡深度，

EF_depth=1 時，表明消耗水資源流量資本即可達到需求， EF_depthgt;1 時，表明需要消耗水資源資本存量，才可以滿足發展要求。

2.2.2 LMDI因素分解模型

為了量化各因素對水生態足跡變化的驅動影響，綜合考慮資源屬性和經濟屬性，運用LMDI法構建水生態足跡指數分解模型，具體公式如下[20]：

式中： EF_wt 為第 χ_t 年的水生態足跡， hm² EF_wit 為第 χ_t 年第 χ_i 個賬戶的水生態足跡， hm²;y_t 為該區域第 Ψ_t 年的GDP，元； p_t 為人口數量，表示水生態足跡的人口效應；s_it=EF_wit/EF_wt 代表水生態足跡的結構效應； r_t=EF_wt/ y_t 表示水生態足跡的技術效應； e_t=y_t/p_t 表示水生態足跡的經濟效應。

利用LMDI分解方法對公式（7）進行分解：ΔEF_wt=EF_wt-EF_w0=ΔEF_ws+ΔEF_wr+ΔEF_we+ΔEF_wp

式中： ΔEF_wt 為水生態足跡的變化量， hm²：EF_w0 為基準年水生態足跡， 分別表示因結構效應、技術效應、經濟效應和人口效應導致的水生態足跡的變化量，計算結果小于0，表示對水生態足跡有抑制作用，計算結果大于0，表示對水生態足跡有促進作用。

2.2.3 脫鉤評價模型

基于Tapio脫鉤彈性模型，構建經濟發展與水資源利用的評價模型，公式如下[21]：

式中： ε 為經濟增長對水資源利用的脫鉤彈性指數，劃分為8個不同的子類，結果見圖2。

3 結果與討論

3.1 云南省水生態足跡時間演變分析

由公式（1）～（3）計算云南省水生態足跡、水生態承載能力和水生態盈虧狀態（表1）， 2007～2022 年云南省水生態足跡多年平均值為 25.4×10⁶hm² ，年際間總體呈現波動上升趨勢，由2007年的 24.8×10⁶hm² ，上升到2022年的 27.0×10⁶hm² ，增幅約為 9% 。

從水生態足跡構成來看，農業處于絕對主導地位，多年平均占比約為 69% ，表明農業生產用水是云南省水生態足跡的重要組成部分，其次是工業和生活水生態足跡，分別占 15% 和 13% ，生態水生態足跡占比較低，僅為 3% 。

從 2007～2022 年云南省各行業水生態足跡的變化過程來看，農業水生態足跡呈“U”形變化，2010年出現極低值 16.6×10⁶hm² ；工業水生態足跡呈現先增長后下降的變化特點，2012年達到最高值！ （4.8×10⁶ hm² ），表明云南省在優化產業結構、實施產業轉型上取得了成效，并提高了水資源利用效率；生活水生態足跡呈波動增長變化特征，增幅達 76% ，居民生活用水量明顯上升；生態水生態足跡也呈波動增長態勢，由2007年的 0.3×10⁶hm² 增長到2022年的 1.6×10⁶ hm² ，生態水生態足跡增加表明云南省逐漸加強了生態環境的保護和修復力度，預計未來的生態水生態足跡仍會持續增加。

3.2 云南省水生態足跡時空分布格局

2007～2022 年云南省各州（市）水生態足跡（圖3）均值為158.7萬 hm² ，其中有7個市的水生態足跡均值高于全省均值，分別是：昆明市（326.6萬 hm² ）、紅河哈尼族彝族自治州（262.8萬 hm² ）、曲靖市（230.6萬 hm² ）、大理白族自治州（211.7萬 hm² ）普洱市（194.1萬 hm² ）保山市（178.7萬 hm² ）、楚雄彝族自治州（163.1萬 hm² ）。低于全省均值的有9個市，分別是：昭通市（153.6萬 hm² ）、臨滄市（150.8萬hm² ）、文山壯族苗族自治州（147.6萬 hm² ）、玉溪市（141.3萬 hm² ）、德宏傣族景頗族自治州（120.6萬hm² ）、西雙版納傣族自治州（102.1萬 hm² ）、麗江市（99.8萬 hm² ）、怒江傈傈族自治州（30.5萬 hm² ）迪慶藏族自治州（24.7萬 hm² ）。昆明市多年水生態足跡均值為省內最高，迪慶州為最低，兩者相差達13.2倍。云南省內各行政區水生態足跡差異較大，整體上呈現東部高、西部低的空間分布格局，表明云南省用水空間分布不均衡，東部地區經濟發展快，對于水資源的消耗利用需求量較大，農業、工業、生活、生態水資源消耗均較大，導致水生態足跡較高。

2007～2022 年云南省各州（市）水生態足跡時空變化過程（圖3）表明：2007年，云南省各州（市）的農業水生態足跡占比最高，其中西雙版納州農業水生態足跡占比為 88% ，怒江州為 86% ；工業水生態足跡占較高的城市為昆明市（ 38% ）、玉溪市（ 31% ）；生活水生態足跡占比較高的城市為邵通市（ 16% ）、昆明市（ 15% ）；生態水足跡占比最高的為昆明市（ 5% ）。2022年，云南省各州（市）農業水生態足跡占比均下降，其中昭通市降幅最高為 22% ；有6個行政區工業水生態足跡占比略有增加，其他10個的工業水生態足跡占比均降低，降幅最高的是昆明市（降幅達 27% ）；生活水生態足跡和生態水生態足跡占比較小，但均呈升高態勢，表明生態環境保護意識逐漸增強，生態環境用水量逐漸增高，對生態環境的保護日益重視。

3.3 水生態承載力與盈虧分析

2007～2022 年期間云南省各行政區水生態承載力變化（圖4（a））結果表明：云南省水生態承載力年際變化較大，水生態承載力總體呈波動下降趨勢，且年際波動變化較大，其中2008年最大（ 257. 1×10⁶ hm² ），2011年最小（ （164.4×10⁶hm²） 。從行政區差異來看，2007年普洱市和紅河州水生態承載力較大，分別為3962.8萬，2358.0萬 hm² ；而2011年昆明市和玉溪市水生態承載力較低，分別為253.9萬，240.3萬hm² 。云南省各行政區多年水生態承載力均值為1290.9萬 hm² ，其中紅河州、普洱市、保山市、臨滄市、德宏州、文山州、怒江州多年水生態承載力均高于全省平均值，其余州（市）低于全省均值。其中，普洱市最大為2951.8萬 hm² ，昆明市最小為571.6萬 hm² ，表明云南省水生態承載力呈現明顯的區域差異。

2007～2022 年期間云南省水生態盈虧分析結果（圖4（b））表明：僅2011年昆明市水生態足跡為虧損狀況47.2萬 hm² ，其余各州（市）水生態足跡都為盈余狀態，其中普洱市和怒江州是云南省水資源較為富足的地區，多年水生態盈余均值分別為2557.8萬 hm² 和2103.8萬 hm² ，水資源開發潛力較大；昆明市、玉溪市和楚雄州多年水生態盈余均值分別為244.9萬，252.9萬，344.9萬 hm² ，表明水資源生態狀況相對較差，尤其是昆明市出現過水資源供不應求的情況，水資源開發潛力較小。水生態盈虧與水生態承載力變化趨勢相同，在水生態足跡變化不大的情況下，水生態承載力是決定區域水生態盈虧的主要因素。

水生態盈虧與水生態承載力變化對比分析結果表明，云南省水資源空間分布不均衡，限制了水資源利用效率，不利于水資源可持續發展。如昆明市、曲靖市、玉溪市等水生態足跡較高的市，其水生態承載能力較低，水資源矛盾較為突出。這些區域可以通過工程手段科學調整水資源的空間分布格局，提高水資源利用效率，以實現區域水資源的可持續發展。

3.4 水生態足跡廣度與深度分析

根據公式（4）～（6）計算得到云南省水生態足跡廣度與深度，結果表明水生態足跡廣度變化不大，但是空間分布不均衡（圖5）。如研究期內全省水生態足跡廣度由 2007年的 24.8×10⁶hm² 增長到2022年的26.9×10⁶hm² ，增幅僅為 8% 。水生態足跡廣度變化較小，表明對于資本流量消耗處于一個相對穩定的狀態，但空間差異顯著，如水生態足跡廣度最大的昆明市為323.7萬 hm² ，最小的是迪慶州為24.7萬 hm² ，相差13倍。研究期間云南省水生態足跡深度都為1，表明總體上沒有出現消耗自然資源存量的情況；從行政分區來看，只有2011年昆明市水生態足跡深度為1.19，出現了消耗自然資源存量的情況。綜合分析得出，廣度表示對于流量的消耗情況，深度表示對于存量的消耗情況，云南省對于流量的消耗基本穩定，存量基本無消耗，處于水資源可持續發展的狀態。

3.5 水資源利用與經濟發展的脫鉤分析

根據公式（13）計算得到水資源利用與經濟發展的脫鉤彈性指數（圖6），結果顯示近年來云南省水資源利用與經濟發展脫鉤狀態呈現階段性變化特征。整體來看，云南省各地區水資源利用主要呈現強脫鉤和弱脫鉤兩種狀態，并在 2008～2018 年由弱脫鉤狀態向強脫鉤狀態逐步轉化。具體而言，2008年脫鉤彈性指數為0.11，表現為弱脫鉤狀態;2018年脫鉤彈性指數為-0.42，表現為強脫鉤狀態。這表明在此期間，云南省水資源利用效率顯著提升，經濟發展對水資源的依賴程度逐步減小，水資源利用與經濟發展的協調性明顯增強。自2020年以來，脫鉤指數出現波動回升的現象，分別為2020年0.12、2021年0.26和2022年0.29，重新回歸弱脫鉤狀態。這種變化表明，盡管云南省在長期趨勢上表現出較好的脫鉤狀態，但在最近幾年中，脫鉤狀態出現一定波動。無論是強脫鉤還是弱脫鉤狀態，均表明水資源利用與經濟發展之間的脫鉤狀況較好，反映出在經濟增長過程中，水資源的利用效率得以提升，經濟發展對水資源的依賴減小。這表明云南省水資源利用與經濟發展在總體上實現了較為良性的協調關系。

3.6 水生態足跡影響因素分析

以2007年為基準年，根據公式（7）～（12）對2007＼～2022年云南省水生態足跡影響因素進行分析（圖7）。由圖7可知，經濟效應和技術效應對云南省水生態足跡的影響最大，人口效應和結構效應對云南省水生態足跡的影響不明顯。具體來說，經濟效應大于0，促進水生態足跡的增長，呈現先升高后降低的趨勢；技術效應小于0，抑制水生態足跡的增長，呈現先降低后升高的趨勢；結構效應對于水生態足跡呈現波動式影響，起到微弱的促進或者抑制作用，其中對于水生態足跡的促進作用占比較大；人口效應對于水生態足跡的影響較小。

經濟高速發展對水資源的需求量增加，但是隨著各行業節水技術的提升與應用，經濟效益對于水生態足跡的影響逐漸減小。鑒于此，繼續大力推廣節水產業和技術，加強水資源利用與經濟發展的脫鉤是實現水資源可持續發展的必由之路。

A 結論和建議

4.1 結論

（1） 2007～2022 年，云南省水生態足跡呈現波動增加的趨勢，在水生態足跡構成中，農業水生態足跡處于絕對主導，生活、生態水生態足跡占比呈現增長趨勢，工業水生態足跡占比呈現先升高后下降的趨勢，這表明云南省在優化產業結構和推動產業轉型上取得了一定成效。

（2）云南省水生態足跡區域差異顯著，整體上呈現“東部高、西部低”的空間分布格局，這表明全省的用水空間分布不均衡。同時，水生態承載力存在明顯的區域差異，并且年際變化較大，總體上呈現波動下降趨勢。

（3）云南省水資源足跡廣度變化不大，空間分布不均衡性特征突出。在時間維度上，云南省對于水資源量的消耗處于一個相對穩定狀態；在空間維度上，水生態足跡廣度較高的地區主要集中在中東部地區，空間分布不均衡。整體上水生態足跡深度為1，表明云南省水資源處于可持續發展狀態。

（4）云南省水資源利用呈現強脫鉤和弱脫鉤兩種狀態，表明水資源利用與經濟發展之間脫鉤現象較為顯著，兩者的協調性逐步增強。經濟效應和技術效應對于云南省水生態足跡的影響最為顯著：經濟效應推動了水生態足跡的增長，而技術效應則抑制了水生態足跡的增長。相比之下，人口效應和結構效應對水生態足跡的影響較為微弱。鑒于此，建議通過調整產業結構、優化產業布局，推動高科技、低能耗的新型產業轉型升級，從而確保水資源的可持續利用。

4.2 建議

本研究通過對云南省水資源可持續利用狀況的系統分析，提出以下幾點建議，以促進云南地區水資源與經濟社會的協調、高質量發展。

（1）提高農業水資源利用效率。由于農業用水量巨大，農業水生態足跡貢獻了絕大部分水生態足跡。因此，應加強節水灌溉技術的推廣力度，尤其是在干旱和水資源緊張的地區實施噴灌、滴灌等高效灌溉方式，結合水肥一體化技術減少浪費。同時，制定激勵政策，鼓勵農戶采納節水型農業技術，實現農業用水的高效、精準管理，降低農業用水的壓力。

（2）優化水資源的空間分布。云南省水資源空間分布不均，限制了整體水資源利用效率。建議通過區域間水資源調配、建設小型蓄水設施以及生態補水工程，科學調整水資源的分布格局。在水資源豐沛地區修建小型蓄水池、攔水壩等設施，以供干旱季節使用，緩解農業、工業和生活用水壓力，并向生態脆弱區進行適量補水，支持區域生態健康發展。

（3）增強水利設施建設與水資源儲備。為提升云南省水資源的綜合利用效率，建議加強現有水利設施的維護和升級，減少資源損耗。同時，推動跨流域調水和區域統籌管理，保障各類用水需求；設立水權交易市場，以規范水資源分配并靈活調配；引入虛擬水交易機制，通過商品和生產轉移間接實現水資源的跨區域合理配置，有效緩解水資源分布不均的壓力。

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（編輯：郭甜甜）

Research on sustainable utilization of water resources in Yunnan Province based on three - dimensional water ecological footprint model

ZHANG Xu1，MA Wei1 ，YANG Yan2，HAN Lingxin'，WANG Junliang'，JIN Chao1 （1.Instituteof WaterEcologicalEironment，ChnaInstituteofWaterResoursand HydropoerResearch，Beijingo38，hna; 2.Chengjiang Water Resources Bureau of Yunnan Province，Yuxi 6525oo，China）

Abstract：Yunnan Provinceisacrucialgreeecologicalbarrerintheupperreachesof theYangtzeRiver.Accuratelyssessing thsustainabiltyof waterresourceutilizationinYunnan Provinceisofgreatsignificanceforthescientific managementandlongtermdevelopmentofitswaterecosystem.Thisstudyemployedathree-dimensional waterecologicalfotprintmodeltomeasure the waterecologicalfootprintof Yunnan Province from 20o7 to2O22.Adecoupling modelwasused toevaluate thedecoupling efect between waterresourceutilizationand economic growth，whiletheLogarithmic Mean Divisia Index（（LMDI）methodwasappliedto identifythe driving forces behind recent changes inthe water ecological footprint.Theresults indicated that： ① The water ecologicalfotprintinYunnanProvinceexhibitedafluctuatingupwardtrendfrom2O07to2O22，withagricultureasthedomiant contributoraccounting forapproximately 69% ： ② The water ecological footprint showed a spatial distribution pattern of high in the east and low in the west; ③ Water ecological carrying capacity was closely linked to the ecological surplus or deficit，with many regions showing a water ecological surplus; ④ The breadth of the water ecological footprint remained relatively stable，indicating steady water consumption and a generally sustainable pattern of water resource use; ⑤ The decoupling between water resource utilization and economic development was favorable，showing both strong and weak decoupling states; ⑥ Economic effects played a positivedriving rolein waterresourceconsumption，whiletechnological efects playedanegative drivingrolein waterresource consumption.Thesefindingscanprovidevaluableinsights forimprovingthehuman-waterrelationshipin YunnanProvince，and supporting thecoordinated，high-qualitydevelopmentof regional water resourceutilizationand socioeconomicgrowth.

Keywords：sustainableuseofwaterresources；three-dimensionalwaterecologicalfotprint model;decoupling model;Logarithmic Mean Divisia Index method; spatial and temporal distribution； Yunnan Province