山西省水资源生态足迹时空变化特征及驱动因素

贾陈忠, 乔扬源, 关格格, 赵凯丽

(山西师范大学 地理科学学院, 山西 临汾 041004)

水资源危机是21世纪影响人类社会生存和发展的严重问题之一。当前，全球有1/3的人口存在饮水困难。我国是严重干旱缺水的国家，淡水资源占全球水资源的6%，但人均水资源量仅占世界平均水平的1/4。山西是我国缺水最严重的省份之一，水资源总量少，地区分布差别较大；随着水资源供需矛盾的加剧，地下水的过度开采，节水意识薄弱，水污染和水生态环境恶化，严重威胁到人们的用水安全。因此必须科学管理与规划水资源利用，加大居民节水意识，加强水污染治理，提高水资源利用效率，实现水资源的可持续利用。

目前，利用生态足迹模型评价水资源可持续利用和发展状况已成为水资源研究领域的热点[1-3]，但其中对影响水资源生态足迹因素的研究还较少[4]。因素分解法是分析能源、资源利用变动机制的一种有效工具[5]，自20世纪80年代以来，因素分解分析理论不断发展。其中的指数分解法被广泛用于能源需求变化和污染排放变化的影响因素分析中，该方法在理论和实践中得到了不断的发展与完善[6-11]，也被应用于水资源领域。通过指数分解法分析水资源利用变化的驱动因素和驱动量、调控措施和调控量间的定量关系具有重要现实意义[12]。该法主要包括拉斯拜尔指数分解法与迪氏指数分解法(LMDI)，并且各自包括若干种分解方法[13]。LMDI方法的基本思想是将一个目标变量分解为不同影响因素的组合，然后根据其计算公式，计算出各种影响因素的贡献量及贡献率，从而找出其中对目标变量影响较大的因素，并区分出各因素对目标变量的不同影响[14-15]。与拉斯拜尔指数分解法相比，迪氏指数分解法可以将残差均匀地分配到各部门中，分解结果不包含残差项，更符合实际要求[16]。2010年，李艳娟[17]利用STIRPAT模型分析了人口、经济、技术等人文因素变化对水资源生态足迹的影响。2015年，方伟成等[18]利用LMDI分解模型对影响东莞市水资源生态足迹变化的因素进行分析。2016年，马剑锋等[19]利用LMDI分解框架分析了干旱区水资源生态足迹变动及影响因素。洪思洋等[20]运用LMDI分解法对辽宁省水资源生态足迹变化进行了因素分解。

根据实际用水特征，本文将水资源生态足迹账户划分为农业用水足迹、工业用水足迹、城镇公共用水足迹、居民生活用水足迹和生态环境用水足迹5个子账户，对山西省2005—2015年水资源利用的时空变化进行分析；在此基础上，结合LMDI模型，对影响山西省水资源生态足迹变化的驱动因素，包括技术效应、经济效应、人口效应和结构效应等进行分析，并对未来5年水资源利用状况进行预测，以期对山西省水资源的科学开发与利用提供重要参考。

1 研究区概况

山西省位于我国黄河中游的黄土高原生态脆弱区，总面积为15.63万km2，地理坐标为北纬34°34′—40°44′，东经110°14′—114°33′。山西省属于典型温带大陆性气候，年平均降水量为400～650 mm，降水主要集中在夏季，且多暴雨，降水趋势是由于水文下垫面条件的差异从东南向西北递减。省内大小河流有1 000多条，分属于海河水系和黄河水系。流域面积海河水系为59 133 km2，主要有桑干河，滹沱河和漳河等。黄河水系为97 138 km2，主要有汾河、沁河、流水河、三川河、昕水河等。山西省水资源总量为142亿m3，2013年山西省常住人口为3 629万，人均年水资源量约391 m3，是全国平均水平的1/5，世界水平的1/25，属于典型内陆缺水省份。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本研究中的人口数、国内生产总值、水资源总量及各账户用水明细来源于《2005—2015年山西省统计年鉴》和《2005—2015年山西省水资源公报》。根据世界自然基金会(WWF)2002年核算的6类土地均衡因子，取水资源均衡因子Rw为5.19，将水资源全球平均产水模数Pw定为3 140 m3/hm2[21]。为了消除价格波动的影响，计算过程中采用以2005年为基期的不变价格的国民生产总值。

2.2 水资源生态足迹

水资源生态足迹是指在特定人口和经济状况下，为了维持人们正常的生产生活过程，水资源消费以及消纳水污染所必须的生态生产性面积[22]。其计算模型可表示为[23]：

EFw=N×efw=N×Rw×(W/Pw)

(1)

式中：EFw为水资源总生态足迹(hm2)；N为人口数；efw为人均水资源生态足迹(hm2)；Rw为水资源的全球均衡因子；W为人均消耗的水资源量(m3)；Pw为水资源全球平均生产能力(m3/hm2)。

2.3 基于LMDI的水资源生态足迹

本文采用迪氏指数分解法(LMDI)对水资源生态足迹变化的驱动因素进行分解，具体模型如下[18]：

(2)

式中：EFw为水资源总生态足迹(hm2)；i为水资源生态足迹账户类型；EFwi为第i类账户用水生态足迹(hm2)；T为国内生产总值；P为人口数；Si为第i类账户用水生态足迹占总用水资源生态足迹的比重；I为单位国内生产总值的水资源生态足迹，代表水资源生态足迹的用水强度；G为人均国内生产总值，代表经济发展水平。

根据式中：设基准年与第t年的用水生态足迹分别为EFwi0和EFwit，从基准年到第t年的用水生态足迹的变化值ΔEFwi为[24]：

ΔEFwi=EFwit-EFwi0=ΔSi+ΔI+ΔG+ΔP

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：ΔSi为结构效应；ΔI为技术效应；ΔG为经济效应；ΔP为人口效应；qi为加权因子。如果计算得出因素分解效应值为正数，说明该因素效应对用水生态足迹变化值具有拉动作用，将加剧水资源的消耗；反之则说明该因素效应对用水生态足迹变化值具有抑制作用，对水资源的可持续利用具有积极意义。

2.4 水资源生态承载力

水资源生态承载力(ECw)是指在一定区域和具体时间内，水资源能够满足该区域供给的最高水资源量[25]。一般在ECw的研究中要扣除60%来维持本地区生态环境和物种多样性，保持生态平衡[26]。其计算模型为：

ECw=(1-60%)Rw×Ψ×Q/Pw

(9)

式中：ECw为水资源承载力(hm2)；Rw为水资源全球均衡因子；Ψ为区域水资源产量因子；Q为区域内水资源总量(m3)；Pw为世界水资源平均生产能力(m3/hm2)。

2.5 水资源生态赤字或盈余

生态赤字或盈余(EDw)可以客观反映资源的供需状况，一般EDw可以表示为水生态足迹与水资源承载力的差值。其计算公式为：

EDw=EFw-ECw

(10)

式中：EDw为水资源生态赤字和生态盈余；EFw为水生态足迹(hm2)；ECw为水资源承载力(hm2)。当EDw>0时，为水资源生态赤字，表明该区域水资源供给不能满足当地生产，生活和生态用水需求，处于不可持续发展状态；当EDw=0时，为水资源生态平衡，说明该区域用水安全处于临界状态，一旦用水需求加大，就可能出现用水危机；当EDw<0时，为水资源生态盈余，表明水资源生态足迹大于承载力，说明该区域水资源有一定开发利用空间。

3 结果与分析

3.1 2005-2015年山西省水资源生态足迹的时空变化分析

3.1.1 山西省水资源生态足迹变化 山西省水资源生态足迹2009年之前呈下降趋势，下降幅度为0.006亿hm2。2009—2011年呈上升趋势，上升幅度为0.030亿hm2。2011年后变化幅度趋于平稳。11个行政区的水资源生态足迹的变化趋势主要有4类(图1)：(1) 显著上升型。包括晋城市，由2005年的0.161亿hm2，上升到2015年的0.457亿hm2，上升幅度为0.296亿hm2，年均上升率为10.99%；(2) 显著下降型。主要是太原市，由2005年的0.364亿hm2，下降到2015年的0.286亿hm2，下降幅度为0.078亿hm2，年均下降率为2.39%；(3) “V”型即先下降后上升型。包括朔州市、阳泉市、长治市、运城市；(4) 基本稳定型。包括大同市、忻州市、吕梁市、晋中市、临汾市。

2005—2015年山西省人均水资源生态足迹为0.308 hm2/人，其中高于全省水资源生态足迹平均值的行政区域有4个，依次为：运城市0.418 hm2/人，朔州市0.406 hm2/人，晋中市0.349 hm2/人，太原市0.316 hm2/人；低于平均值的有7个依次为：忻州市0.289 hm2/人，大同市0.288 hm2/人，晋城市0.287 hm2/人，临汾市0.271 hm2/人，长治市0.253 hm2/人，吕梁市0.238 hm2/人，阳泉市0.237 hm2/人。年均水资源生态足迹最高的运城市和最低的阳泉市，两者相差1.76倍，人均用水生态足迹的增长与地理位置和经济发展有一定的关系，社会经济发展迅速的河谷地区，人均用水生态足迹较大，山地丘陵地区的人均用水生态足迹较小。

3.1.2 山西省人均水资源生态承载力变化 2005—2015年山西省人均水资源生态承载力年际变化波动大，总体呈上升趋势，2013年到最大值为0.059 hm2/人，最小值出现在2011年，为0.021 hm2/人，二者相差0.038 hm2/人。11个行政区的人均水资源生态足迹的变化趋势主要有4类(图2)：(1) 稳定型。包括太原市、大同市、朔州市；(2) 上升型。包括阳泉市、吕梁市；(3) “V”型。包括长治市、晋城市、晋中市、临汾市；(4) 波浪形。包括忻州市、运城市。

2005—2015年山西省人均水资源生态承载力为0.036 hm2/人，其中高于全省水资源生态承载力平均值的行政区域有6个，依次为：晋城市0.090 hm2/人，长治市0.069 hm2/人，忻州市0.064 hm2/人，运城市0.044 hm2/人，晋中市0.052 hm2/人，阳泉市0.040 hm2/人；低于平均值的行政区域有5个，依次为：太原市0.014 hm2/人，大同市0.020 hm2/人，临汾市0.028 hm2/人，吕梁市0.032 hm2/人，朔州市0.034 hm2/人。其中人均水资源生态承载力最大的晋城市和最小的太原市，二者相差0.076 hm2。可以看出，水资源生态承载力和当地水文状况，人口状况和经济发展状况密切相关。

图1 2005-2015年山西省各行政区人均水资源生态足迹

图2 2005-2015年山西各行政区域人均水资源生态承载力

3.1.3 人均水资源生态赤字变化 2005—2015年山西省人均水资源生态赤字整体呈上升趋势，2011年达到最大值为0.336 hm2/人，最小值出现在2009年为0.241 hm2/人，二者相差0.095 hm2/人，年均水资源生态赤字为0.274 hm2/人。图3为山西省各行政区域年均水资源生态赤字，由图3可以得出，11个行政区中高于年均值的有4个，依次为：朔州市0.372 hm2/人，运城市0.366 hm2/人，晋中市0.345 hm2/人，太原市0.302 hm2/人；低于年均值的有7个，依次为：长治市0.184 hm2/人，晋城市0.194 hm2/人，阳泉市0.197 hm2/人，吕梁市0.206 hm2/人，忻州市0.224 hm2/人，临汾市0.243 hm2/人，大同市0.268 hm2/人。年均水资源生态赤字最高的朔州市和长治市，两者相差2.02倍，而水资源供给量反向相差2.10倍，年均人口密度反向相差2.03倍，年均GDP反向相差1.42倍。可见，人均水资源生态赤字在一定程度上与水资源总量、人口密度和经济发展情况有关。总体上看，人口密度大，经济发展快的水资源贫乏区，水资源供给矛盾突出，水资源生态赤字显著，不利于该区水资源可持续利用与发展；反之人口密度小，水资源相对丰富的地区，生态赤字小，对于该区水资源可持续开发与利用的影响较低。

3.2 水资源各用水账户组成变化

图4为2015年11个行政区及山西省水资源生态足迹各账户的组成。2015年山西省各账户用水生态足迹占总用水生态足迹的比例由高到低依次为：农业(61.39%)、工业(18.68%)、居民生活(13.65%)、生态环境(3.19%)、城镇公共(3.08%)。2005—2015年的11年间，工业、城镇公共用水生态足迹占比下降，其中工业用水下降幅度显著。农业、居民生活、生态环境用水生态足迹的占比小幅上升，说明山西省产业经济体系发生明显转变。

图3 山西省各行政区域年均水资源生态赤字

2015年，8个行政区的总用水生态足迹中的首要组成账户为农业用水生态足迹，占比由高到低依次为：运城市(91.98%)、朔州市(75.70%)、忻州市(70.84%)、晋中市(67.36%)、临汾市(67.07%)、吕梁市(60.69%)、大同市(58.77%)、长治市(49.39%)；其余3个行政区的首要组成账户为工业用水生态足迹，占比由高到低依次为：晋城市(39.62%)、阳泉市(39.16%)、太原市(36.15%)。11年中，大多数行政区用水账户组成较为稳定，但是太原市主要账户由农业转变为工业，太原市这一变化可能与近年来加大经济发展速度有关。总用水生态足迹中的首要组成账户为农业和工业用水生态足迹，各行政区的城镇公共用水占总用水生态足迹的比例较为稳定，居民生活用水和生态环境用水占总用水生态足迹的比例有小幅提升。

图4 2015年山西省各行政区水资源生态足迹各账户组成

3.3 水资源生态足迹变化的驱动因素

图5为山西省水资源生态足迹因素分解值，由图5可以看出，结构效应、经济效应和人口效应的分解值都为正数，对山西用水生态足迹的增长起到拉动作用，加剧山西省水资源的消耗，不利于山西水资源可持续利用与发展。技术效应的分解值为负数，对山西省用水生态足迹的增长起到抑制作用，降低水资源消耗的速度，对山西水资源的可持续利用与发展起到积极作用。可见，技术效应是抑制山西用水生态足迹过快增长的关键因素。2005—2015年山西水资源生态足迹累计减少0.698亿hm2，贡献度为-52.38%，技术效应分解值整体呈下降趋势，对水资源生态足迹过快增长的抑制作用明显。反映了山西省加大污水治理和提高水资源重复回收利用等方面的技术投入。

结构效应是导致山西省水资源生态足迹增长的主要因素，2005—2015年水资源生态足迹累计增长1.222亿hm2，贡献度高达91.80%。结构效应整体呈现上升趋势，2007—2011年上升趋势显著，2011—2014年上升速度平缓，2014年以后出现下降趋势，说明山西政府发展绿色经济，合理布局和优化产业结构，加强节能减排的节水计划与措施取得了很好的成绩。

图5 山西省水资源生态足迹因素分解效应

经济效应是促进山西省水资源生态足迹增长的第二因素。山西省经济效应整体呈上升趋势，水资源生态足迹累计增长0.743亿hm2，贡献度为56.56%，人口效应整体变化趋势不明显，水资源生态足迹累计增长0.054亿hm2，贡献度为4.02%。由此可见，经济快速发展会加剧水资源消耗的速度，加剧水资源供求矛盾，拉动水资源生态足迹的增长，在一定程度上不利于水资源的可持续利用与发展。人口效应也会拉动水资源生态足迹的增长，但效果不明显。

3.4 水资源生态足迹的预测

SPSS软件中的自回归积分滑动平均(ARIMA)模型，是一种常见的时间序列预测模型。该模型用于对平稳的时间序列进行预测，对不平稳的时间序列需进行若干次差分后，转变为平稳序列。之后根据自相关、偏相关图趋势进行模型选择(AR，MA，ARMA)，在综合考虑R2等因素后，确定模型及(p，d，q)参数的设置，对数据进行预测[27-28]。

根据山西省水生态足迹实际值观察，其序列图表现为非平稳时间序列，在经过二次差分后，可转变为平稳序列，因此模型中d值取2。对进行过2次差分的时间序列做自相关和偏相关图进行分析。其图像均表现出拖尾现象，因此选用ARMA模型进行预测。经多次尝试，当参数设置为(2，2，3)时R2(0.732)值最大，也最符合要求。因此选用ARIMA(2，2，3)模型进行预测。

根据模型参数和模型一般表达式φ(B)(1-B)dYt=θ(B)et[29]，得出ARIMA(2，2，3)具体模型：

(1-1.078B+0.942B2)(1-B)2Yt=
(1-2.245B+2.018B2-0.705B3)et

(11)

表1为在SPSS软件中运用模型ARIMA(2，2，3)对2005—2020年山西省水资源生态足迹进行预测的预测值。山西省2016—2020年平均用水生态足迹为0.149亿hm2，整体上呈现上升趋势，比2005—2015年的平均水资源生态足迹高0.405亿hm2，水资源生态足迹由2016年的0.133亿hm2，上升到2020年的0.154亿hm2，上升幅度为0.022亿hm2。预测值在2019年达到最高为0.156亿hm2,2020年略有下降。表明山西2016—2020年用水生态足迹仍将有所上升，但上升趋势将有所减缓，在2019年后开始缓慢下降。这主要是因为山西省发展过程中用水量的加大以及人口增长等原因。同时由于山西省大力开展节水型生活、节水型农业和节水型工业，长期看来水生态足迹上升趋势将趋于平缓，并有望开始下降。

表1 2005-2015年山西省水资源生态足迹的预测值

4 结 论

(1) 山西省2005—2015年人均水资源生态足迹一直大于水资源生态承载力，水资源利用状况一直处于供求不平衡的状态，人均水资源生态赤字整体呈上升趋势，2011年达到最大值为0.336 hm2/人，最小值出现在2009年为0.241 hm2/人，年均水资源生态赤字为0.274 hm2/人。年均水资源生态赤字最高的朔州市和长治市，两者相差2.02倍，而水资源供给量反向相差2.10倍，人口密度方向相差2.03倍，GDP反向相差1.42倍。因此，水资源生态赤字在一定程度上与水资源总量，人口密度和经济发展情况有关。

(2) 2005年和2015年各账户用水生态足迹占总用水生态足迹的比例排名没有变化，工业和城镇公共用水所占比例小幅下降，农业、居民生活、生态环境用水所占比例小幅上升。2015年大多数行政区总用水生态足迹中的首要组成账户为农业用水生态足迹，但是太原市由农业转变为工业。11年中，各行政区的城镇公共用水占总用水生态足迹的比例较为稳定；居民生活用水和生态环境用水占总用水生态足迹的比例有小幅提升。

(3) 2005—2015年山西水资源生态足迹的分解效应中，结构效应、经济效应和人口效应的分解值都为正数，对山西用水生态足迹的增长起到拉动作用，加剧山西省水资源的消耗，不利于山西水资源可持续利用与发展。技术效应的分解值为负数，对山西省用水生态足迹的增长起到抑制作用，降低水资源消耗的速度，对山西水资源的可持续利用与发展起到积极作用。

(4) 在SPSS软件中选用ARIMA(2，2，3)模型对山西省水资源生态足迹进行预测，结果显示未来5年山西省水生态足迹仍将继续上升，但上升趋势有所减缓，在2019年后开始缓慢下降。