基于水足迹理论的山西省水资源利用与经济发展脱钩状况分析
2019-12-27乔扬源贾陈忠
乔扬源,贾陈忠
(山西师范大学地理科学学院,山西 临汾 041004)
水是人类生存与发展过程中不可或缺的重要自然资源。当前,中国乃至全球很多地区都存在着水资源短缺的问题。随着水资源短缺问题的不断加深,水资源的科学评价和合理开发利用受到越来越多的关注。山西省地处中纬度内陆地带,位于我国华北地区西部。长期以来存在着水资源总量不足、分布不均等问题,大大影响到其社会经济的发展。因此,充分掌握山西省水资源配置状况,明确其水资源利用过程中存在问题,对山西省水资源的合理开发利用和可持续发展尤为重要。
目前,区域水资源评价多以实体水为基础进行分析,忽略了虚拟水的消耗,不能全面真实的反映区域水资源的消耗状况。虚拟水的概念是1993年由英国科学家Allan[1]首先提出的,是指凝结在人类所生产的产品或服务中的水资源总量。在此基础上,Hoekstra教授于2002年提出了水足迹的概念。水足迹是指一个国家、一个地区或一个人,在一定时间内消费的所有产品和服务所需要的水资源的总量[2]。这里的水资源总量不仅包含了对实体水的消耗,还包含了凝结在消费产品及服务中的虚拟水消耗。采用这一理论可以更加充分的反映研究区水资源的消费情况,这对全面科学的开展区域水资源评价工作具有重要意义。水足迹理论自提出以来,便受到国内外众多学者的关注,并得到了快速发展。
我国学者对水足迹理论的研究主要集中在农产品水足迹和区域水足迹的核算方面,以及以此为基础的水资源评价工作。在区域水足迹的核算方面,以全国及省域等尺度的研究居多,全国范围水足迹研究如:吴兆丹[3]研究了中国2007年水足迹的空间差异及成因,王新华[4]对中国2000年的水足迹进行了计算及结构分析,孙才志[5]在对全国1997-2007年水足迹进行计算的基础上分析了其空间变化规律及成因,马静[6]计算了1999年的全国水足迹及主要农产品虚拟水含量,并分析了虚拟水流量状况。区域水足迹的研究如:王新华[7]对甘肃省2003年水足迹及评价指标进行了计算和分析,郭斌[8]对2003年陕西省水足迹进行了计算分析,黄登迎[9]对新疆2016年畜牧业水足迹进行了计算分析。余灏哲[10]计算了山东省2005-2014年的水足迹并进行了时空变化分析,戚国强[11]运用水足迹理论计算了黑龙江2003-2012年的水足迹,并对产业水资源利用和经济可持续发展状况惊醒了评价。在这些研究中,对水足迹及其评价指标的计算以及时空分析的方法是区域水资源研究和评价的一个重要方向,也是了解区域水资源实际状况的一个有效途径。对于山西省水足迹的研究,王云飞[12]对山西省2006-2015年的农业水足迹进行了计算分析,冯变变[13]对山西省主要粮食作物的水足迹进行了计算分析,但对山西省整体水足迹核算和评价的研究却未见报道。脱钩理论认为,经济增长与资源环境压力之间存在两种关系:一是资源利用与环境压力随着经济增长而增长,称为耦合;二是资源利用与环境压力并没有随着经济增长而增加,反而减少,称为脱钩。脱钩又可分为相对脱钩和绝对脱钩,前者是指经济增长时,资源环境压力以较低比率增长;后者是指经济增长的同时,资源环境压力的增长率减小[14]。国内部分学者将这一理论与水足迹理论相结合用于水资源利用与经济发展的相关性研究[15-18]。
为了解山西省水足迹现状及变化趋势,为今后的水资源管理及政策的制定提供可靠的理论基础。本文采用自上而下法对山西省全省及11个行政区2007-2016年间的水足迹进行了计算,分析了水足迹的时空变化特征,结合水足迹评价指标对区域水资源开发利用情况进行了评价分析。同时,运用经济脱钩分析理论,讨论了山西省水资源利用与经济增长之间的协调关系。
1 研究方法与数据来源
1.1 水足迹计算方法
区域水足迹核算方法主要有自下而上法和自上而下法。其中,自下而上法是从产品消费的角度进行区域水足迹的核算,自上而下法则是从产品生产的角度进行区域水足迹的计算。考虑到用于消费的产品和服务有很大的流动性,其水资源消耗可能来自于其他地区。而产品生产消耗的水资源多为当地水资源,用自上而下法进行计算能更好地反映当地水资源的消耗。因此,本文采用自上而下法进行计算,即根据一个国家或地区的实际用水量等于生产该国家或地区居民所消费的所有产品和服务的本地水资源需求总量与该国家或地区的进口虚拟水总量的和[19]:
WFP=IWFP+VWI
(1)
式中:WFP为区域水足迹;IWFP为内部水足迹;VWI为虚拟水进口量。
IWFP=WFPa+WFPi+WFPd+WFPe-VWE
(2)
式中:WFPa为农业生产用水量;WFPi为工业生产用水量;WFPd为居民生活用水量;WFPe为生态环境用水量;VWE为虚拟水出口量。
1.1.1 农业生产用水量
农业生产用水量包括种植作物产品生产用水量和畜牧产品生产用水量。本文选取了山西省11种主要的种植作物产品(油料、棉花、蔬菜、水果、稻谷、小麦、玉米、谷子、高粱、大豆、马铃薯)和7种主要的畜牧产品(猪肉、羊肉、牛肉、禽肉、鲜奶、禽蛋、水产)。采用单位产品虚拟水含量乘以产量的方法计算不同产品的生产用水量。根据国内水足迹研究文献[5,7,19-25],同时考虑到数据的完整性和通用性,种植产品单位虚拟水含量采用Chapagain和Hoekstra[19]2006年研究成果中关于中国部分的数据,畜牧业产品单位虚拟水含量采用Mekonnen[20]2010年研究成果中关于中国部分的数据;同时参考2016年刘宁[25]的研究成果对油料、棉花、水产产品单位虚拟水含量进行补充。具体结果见表1。
表1 主要产品单位虚拟水含量及来源
结合山西省农作物的实际产量情况,豆类产品以大豆为主,因此豆类产品单位虚拟水含量按大豆计算。同理,薯类按照马铃薯计算,水果按照苹果进行计算。
由于山西省各行政区的统计数据中,缺少稻谷、小麦、玉米、谷子、高粱、豆类和薯类等品种各自的年产量数据,仅有综合的粮食产量数据。同样的,缺少牛肉、羊肉、猪肉和禽肉的年产量数据,仅有肉类的综合产量数据。本文根据山西省不同粮食作物的年产量,进行加权平均,计算粮食和肉类的单位虚拟水年含量值。
1.1.2 工业生产、居民生活、生态环境用水量
工业用水数据引用《山西省统计年鉴》中的工业用水数据。居民生活、生态环境用水以实体水消耗为主,引用《水资源公报》中的数据。由于《山西省统计年鉴》中2010年之前的未对居民生活用水和生态环境用水进行拆分,因此2007-2010年将两项合并为生活、生态用水进行计算。
1.1.3 虚拟水贸易量
虚拟水贸易量包括虚拟水进口量和虚拟水出口量两部分,由于进出口商品品类繁多,无法准确计算其虚拟水含量。参考已有研究成果[10,26],以单位GDP耗水乘以进出口贸易量进行估算,计算公式如下:
VWI=进口贸易值/GDP×总生产耗水
(3)
VWE=出口贸易值/GDP×总生产耗水
(4)
1.2 水资源利用状况评价指标
根据戚瑞[27]构建的区域水资源利用评价指标体系,结合研究区域的实际情况,选取水资源自给率、水足迹经济效益值、水资源匮乏指数等作为评价指标,对山西省水足迹的结构、效益和生态安全进行综合评价。
1.2.1 水资源自给率
水资源自给率等于内部水足迹与水足迹的比值。反映研究区域对本地水资源的使用程度,计算方法如下:
水资源自给率=IWFP/WFP×100%
(5)
1.2.2 水足迹经济效益
水足迹经济效益等于当地生产总值与水足迹的比值,代表研究区域单位水足迹消耗产生的经济效益值,反映区域水资源的利用效率,计算方法如下:
经济效益值=GDP/WFP
(6)
1.2.3 水资源压力指数
指内部水足迹、虚拟水出口量之和与可用水资源量的比值,能够反映地区水资源利用的安全程度。其值≤1时,说明区域水资源流量资本能够满足发展需求,水资源利用处于安全状态。其值>1时,说明区域水资源不能满足发展要求,区域水资源利用已处于不可持续的赤字状态,水资源利用不安全,并且可能已经占用水资源存量资本。水资源压力指数越大,反映区域水资源利用状况越不安全,未来的水资源利用风险越大。计算方法如下:
水资源压力指数=(IWFP+VEW)/WA×100%
(7)
式中:WA为区域水资源总量。
1.3 脱钩指数计算
根据潘安娥等[28]运用脱钩理论构建的脱钩指数计算模型,第t期末的脱钩指数Df为:
(8)
1.4 数据来源
本文中的农业产量数据、进出口贸易额、地区生产总值、人口、实际用水量和水资源量等数据均来自于2017-2008年的《山西省统计年鉴》。对于《统计年鉴》数据不详细和缺失数据,参考2011-2016年的《山西省水资源公报》和2007 -2016年山西省及各行政区的《国民经济与社会发展统计公报》进行补充。
2 结果分析与讨论
2.1 山西省水足迹变化特征
2.1.1 水足迹时空变化特征
2007-2016年山西省各行政区水足迹值见表2。由表2可以看出,2007-2016年间山西省水足迹呈上升趋势, 2014年最高,达到302.91 亿m3,2007年最低点,为203.8 亿m3。其中,2007-2013年间上升较快,平均为14.95 亿m3/a。2013-2016年间上升幅度明显放缓,平均为2.13 亿m3/a。说明近年来山西省的水资源管理政策和产业结构调整政策促进了区域水资源的合理利用,有效遏制了水资源消耗的上升。
在11个行政区中,运城市的历年水足迹值明显高于其他区域,阳泉市又明显低于其他区域,原因在于二者不同的产业结构。农业是一种高耗水的产业,同时也是水足迹核算的主要部分,运城市以农业为主要产业,农产品产量远高于其他行政区,因此运城市水足迹值较高。阳泉市则不同,阳泉市拥有丰富的煤矿等自然资源,资源开采和化工工业等是其产业发展重点,因此地区水足迹值表现偏小。其中2016年运城市水足迹为98.12 亿m3,同期阳泉市水足迹为5.83 亿m3,说明山西省各行政区水资源消耗状况差距悬殊。另外,根据10年间水足迹值的变化趋势,山西省各行政区大致可以分为两类。其中,太原市、阳泉市10年间水足迹变化幅度很小,基本呈平稳发展态势,这与两市的自然地理环境和产业发展结构有关。其余9个行政区均表现为逐步上升趋势,其中以运城市、临汾市表现最为明显。
表2 2007-2016年山西省各行政区水足迹值
2.1.2 人均水足迹时空变化特征
图1表示2007-2016年山西省各行政区人均水足迹值。2007-2016年间,山西省人均水足迹平均值为731.22 m3/人,其中最高值出现在2014年为830.35 m3/人,最低值出现在2007年为600.72 m3/人,整体上呈现逐步上升的趋势。10年间人均水足迹平均值高于全省平均值的行政区有六个,依次为:运城市1 475.81 m3/人,朔州市1 232.62 m3/人,晋中市1 175.98 m3/人,晋城市858.29 m3/人,临汾市822.49 m3/人,忻州市737.47 m3/人。低于全省平均值的5个行政区依次为:长治市724.16 m3/人,大同市635.6 m3/人,吕梁市622.52 m3/人,太原市393.69 m3/人,阳泉市388.78 m3/人。其中最高的运城市和最低的吕梁市之间相差3.8倍,表明山西省水资源利用的地域差异显著。在变化趋势上,除太原市人均水足迹有小幅下降外,其余10个行政区均表现出不同程度的上升趋势。
图1 2007-2016年山西省各行政区人均水足迹值
2.1.3 水足迹结构变化特征
由图2可以看出,在不考虑虚拟水贸易的情况下,山西省10年间水足迹结构变化很小,水足迹的增长主要来自于农业用水量的增加。农业水足迹占比一直维持在本地水足迹的90%左右。工业用水由2007年的7%下降到2016年的4%,而生活、生态用水则从2007年3%上升至2016年的6%。这说明山西省在近年来产业转变政策落实过程中,工业用水量得到很好的控制,工业用水效率进一步提高。同时由于人口增长等方面带来的社会压力,生活、生态用水量有所上升。而山西省近年来的水足迹上升主要原因还在于种植业和畜牧业生产用水的提高。
图2 2007-2016年山西省水足迹组成结构
2.2 山西省水资源利用状况评价
2.2.1 水资源自给率
2007年至2016年间,山西省水资源自给率水平非常高,平均值为98.97%。其中最低值为2007年的97.82%,最高值为2009年的99.45%,见表3。11个行政区中,除太原市外,10年间水资源自给率均保持在97%以上。太原市水资源自给率一直处于省内各行政区中最低水平,2007年为80.73%到2016年发展为90.6%,这主要与太原市作为省会城市的特殊性及其自然地理环境和产业结构特征有关。10年间山西省水资源自给率保持在一个较高水平且变化程度不大的情况,说明山西省作为一个内陆省份,一直存在虚拟水进出口贸易欠发达的情况,水资源消耗需求绝大多数来自于本地水资源的供给。因此,大力发展虚拟水贸易,提升虚拟水进口量,是缓解山西省水资源短缺问题的有效措施。
2.2.2 水足迹经济效益
山西省水足迹经济效益见图3。研究期内,经济效益由28.13 元/m3上升到43.23 元/m3。其中,2007-2011年属于快速上升期,表明山西省水资源利用效率在此期间得到明显提高; 2011-2016年则变化不明显,水资源利用效率平稳。11个行政区2016年的水足迹经济效益值由高到低分别为:太原183.28 元/m3、阳泉106.9 元/m3、晋城46.19 元/m3、长治45.08 元/m3、大同39.77 元/m3、吕梁38.22 元/m3、朔州37.54 元/m3、临汾27.06元/m3、忻州25.92元/m3、晋中24.14 元/m3、运城12.46 元/m3。各行政区10年间水足迹经济效益值均有不同程度的提高,其中增幅最大的是太原市,增加了102.33 元/m3。其中,2011年是各行政区水足迹经济效益变化的一个关键转折点,根据变化趋势的不同,可以将行政区划分为4类:①太原市,10年间其水足迹经济效益值一直稳定快速增长。②大同市、阳泉市、晋城市、忻州市等四个地区2007年至2011年水足迹经济效益值呈不断增长趋势,2011年至2016年增长趋势明显减小,变化平稳。③吕梁市、临汾市、晋中市、朔州市、长治市等五个地区在2011年前为上升趋势,在2011年后均有不同程度下降。④运城市水足迹经济效益值一直处于一个较低水平,且10年间表现平稳,没有明显的变化。
表3 2007-2016年山西省各行政区水资源自给率 %
图3 山西省2007年、2016年各行政区水资源压力指数
表4 山西省水足迹经济效益元/m3
2.2.3 水资源压力指数
山西省10年间各行政区的水资源压力指数均大于1,说明山西省各行政区的水资源利用长期处于不可持续状态,水资源流量资本不能满足发展需求,各地区已不同程度的占用了水资源存量资本。山西省整体水资源压力指数由2007年的1.96上升到2016年的2.24。以全省水资源压力指数平均值为标准,太原市、大同市、朔州市、晋中市、运城市、临汾市6个行政区水资源压力指数均值高于全省平均;阳泉市、长治市、晋城市、忻州市、吕梁市5个行政区水资源压力指数均值低于全省平均值。根据计算结果,结合ArcGIS空间分析法,绘制山西省2007年、2016年水资源压力指数分布图。如图3所示,11个行政区中,大同市、长治市、朔州市、运城市、忻州市、临汾市水资源压力指数相比10年前都有不同程度的增加,表明这些地区的用水环境还在不断恶化。太原市、阳泉市、晋城市、晋中市水资源压力指数10年间均有所下降,说明水资源利用压力有所缓解。吕梁市则基本保持不变。整体上,山西省水资源压力仍不断增大,水资源短缺问题不断加深。但部分地区压力上升趋势已得到控制,并出现下降趋势,说明这些地区的水资源管理工作取得了一定的成效,但山西的水资源短缺和地区差异问题仍然表现得非常显著。
2.3 经济增长与水资源利用协调关系
如表5所示,山西省10年间经济增长与水资源利用协调关系评价结果中,仅2013年和2014年处于未脱钩,不协调状态,其余年份评价结果均为脱钩,协调状态,其中2007年、2009年和2015年为绝对脱钩,优质协调。10年间,山西省水足迹变化率和经济增长率变化幅度均趋于平缓,由此导致的脱钩指数变化也相应减小。这主要与山西省产业结构调整和转型发展政策以及水资源利用效率的不断提高有关。一方面,经济发展速度放缓,进入平稳增长期,GDP增长率在经过了一段时间的下降期后表现为稳定且有缓慢上升的态势。另一方面,随着水资源利用效率的提高,以及受到产业转型发展政策的影响,水足迹变化率由前期的高变化率状态转变为一个相对稳定的低水平波动状态。山西省经济增长与水资源利用之间总体上处于协调状态,但由于经济增长率和水足迹变化率前期变化幅度较大,表现为较大的波动性。现阶段表现为平稳、协调的发展趋势。见图4。
表5 山西省经济增长与水资源利用协调关系
图4 山西省经济增长与水资源利用协调关系图
3 结论与建议
(1)山西省水足迹总体上呈现上升趋势,各行政区中,运城市水足迹值最高,阳泉市水足迹值最低。2007年至2016年山西省人均水足迹平均值为731.22 m3/人,同样呈现出逐步上升的趋势。各行政区之间差异显著,运城市和吕梁市之间相差3.8 倍,说明山西省水资源利用的地域差异显著。在变化趋势上,除太原市人均水足迹有小幅下降外,其余10个行政区均表现为上升趋势。山西省水足迹结构在研究时限内基本稳定。农业水足迹占比一直保持在90%左右。工业用水由2007年的7%下降到2016年的4%,生活、生态用水从2007年3%上升至2016年的6%。建议制定、落实合理的农业节水措施,推广农业节水技术,促进农业生产用水效率的提高,进一步降低水资源消耗。
(2)山西省水资源自给率水平非常高,平均值为98.97%。其中最低值为2007年的97.82%,最高值为2009年的99.45%。11个行政区中,除太原市外,10年间水资源自给率均保持在97%以上。太原市水资源自给率也由2007年的80.73%上升到2016年的90.6%。说明山西省虚拟水进口不足,存在很大的发展潜力,结合山西省水资源短缺和水资源消耗压力大的实际情况,建议加大虚拟水进口来缓解山西省的水资源短缺问题。
(3)山西省水足迹经济效益由2007年的28.13 元/m3上升到2016年的43.23 元/m3,说明山西省水资源利用效率在不断提高。各行政区10年间水足迹经济效益均有不同程度的提高,其中增幅最大的是太原市,增加了102.33 元/m3。2011年是各行政区水足迹经济效益发展趋势变化的一个关键转折点,据此可将行政区划分为四种类型。
(4)山西省10年间各行政区的水资源压力指数均大于1,说明山西省各行政区的水资源利用长期处于不安全状态,各地区水资源存量资本被不同程度占用。整体水资源压力指数由2007年的1.96上升到2016年的2.24。山西省水资源压力问题不断恶化,地区间差异明显,部分行政区水资源压力指数有所下降,但仍大于1,处于不可持续利用状态。为缓解水资源供需不平衡的问题,应积极寻求政策和技术支持,大力开展节水治水工作,在降低水资源使用量的同时,提高水资源的利用效率。
(5)除2013年、2014年外,山西省10年间经济增长与水资源利用关系均为脱钩,协调状态,其中2007年、2009年和2015年为绝对脱钩,优质协调。经济增长率和水足迹变化率前期表现为变化幅度较大,现处于平稳、协调的发展趋势中。为确保资源与经济处于协调状态,继续向优质协调关系方向发展。一方面应积极推进经济转型发展战略,在稳步经过转型阵痛期后,大力发展地区经济,提高积极增长率。另一方面,应运用政策管理和技术手段,提高水资源利用效率,控制和减少水资源的消耗。