云南省水资源生态足迹的时空演化特征分析

韩丽红，潘玉君，马佳伸，杨冬琪，杨晓霖，刘 化

(云南师范大学地理学部，云南 昆明 650500)

水是万物存在之源，是人类经济社会发展不可或缺的重要资源，水资源的永续利用对于区域的持续健康发展具有重大的现实意义。伴随工业化快速推进和人口数量的增长，水资源的需求在增加、污染在加重，水资源自身的净化能力和动态平衡逐渐被打破，进一步阻碍和制约区域健康发展[1]。因此，只有了解和掌握水资源的动态发展状况的基础上，才能为水资源的发展和保护提供决策参考。

基于生态足迹模型对水资源的发展演变进行分析是当前学术界聚焦的热点之一。生态足迹这一理论最早由学者Wackernagel等[2]提出，由于该方法具有通俗易懂、简单易行的特点，得到了许多国家和地区的认可，应用范围逐步扩大并延伸至水资源研究领域。但传统的生态足迹理论在水资源研究中仅描述了水域对水产品的供给能力，忽略了水资源生产能力对社会和自然的贡献[3]。水资源生态足迹模型弥补了传统生态足迹模型的不足，克服了人均水资源量、人均用水量等常用的水资源评价分析指标的不全面性，综合考虑到社会和自然2个方面，将水资源账户分为农业、工业、生活和生态等二级用水账户，可以更好、更全面的测度区域的可持续发展状况。目前，国内外学者运用水资源生态足迹模型对相关区域进行研究已经取得了丰硕成果。在国外，Hubacek等[4]通过生态水足迹模型研究了中国城市化与生活方式变迁的环境影响；Lee[5]通过计算水足迹等，探究城市生态足迹的增长是否阻碍了城市的经济发展；Muratoglu[6]对2008—2019年迪亚巴克尔省农业、畜牧业、工业生产和生活用水的蓝绿水足迹进行了分析研究。在国内，我国学者对水生态足迹的研究成果颇丰。在研究尺度上，多集中在对国家[7-8]、城市群[9-10]、经济带[11-12]、省域[13-14]、市域[15-16]及其他微观区域[17]的研究；在研究内容上，侧重对水资源可持续利用研究[15]、水资源生态承载力[17]、水资源利用与经济发展关系[19]等方面研究；在研究方法上，研究者多选用水资源生态足迹[15-16]、灰色GM(1,1)[20]和DPSIR模型[21]、LMDI指数分解法[13]等模型对所选取的研究对象的水资源发展和利用状况进行分析探究。

云南省是长江上游地区天然的绿色屏障，加强水资源生态环境保护对于整个长江流域的发展影响深远。本文在学习前人研究成果的基础上，以云南省为解析尺度，运用水资源生态足迹模型从时间视角对2008—2018年省域范围进行探究；从空间视角选取2008、2013、2018年3个截面对市州进行探究，旨在分析水资源的时空演变和利用状况，为区域水源的可持续发展提供重要参考。

1 研究区概况

云南省地处中国西南边疆，位于北纬21°8′～29°15′，东经97°31′～106°11′，总面积39.41×105km2。省内地形地貌状况复杂，高原山地占土地总面积的93.29%，耕地、人口等经济活动主要集中在地势缓和的坝子区，其面积也仅占6.71%；省内共有北热带、南亚热带、中亚热带、北亚热带、暖温带、温带和寒温带7个气候带，总体属于亚热带和热带季风气候，西北部为高原山地气候，年平均降水量1 337.75 mm，水资源总量大；同时，全省处在长江、珠江、元江、澜沧江、怒江、大盈江6大水系的上游，河川纵横，高原湖泊众多[22]。由于省内地势呈现出“西北高、东南低”的分布格局及受气候因素的影响，水资源在空间上的分布不均衡。在经济发展过程中，水资源的匮乏逐步成为限制区域发展的主要因素。

2 研究方法与数据来源

2.1 水资源生态足迹

水资源生态足迹主要指某一区域人口和经济在一定规模状况下，维系水资源消耗和自然生态环境演化需要的水资源用地面积，能够反映人类对水资源的占有程度[3]。

本文在学习水资源生态足迹内涵的基础上，鉴于水资源利用类型存在差异，将水资源用水分为农业、工业、生活和生态4类用水并进行运算。计算过程如下[23]：

EFw=N·efw=N·γ·(W·Pw)

(1)

EFa=N·efa=γ·Wa/Pw

(2)

EFb=N·efb=γ·Wb/Pw

(3)

EFc=N·efc=γ·Wc/Pw

(4)

EFd=N·efd=γ·Wd/Pw

(5)

式中 EFw——水资源总生态足迹，hm2；N——人口数，人；efw——人均水资源生态足迹，hm2；γ——水资源全球均衡因子；W——人均水资源消费量，m3；Pw——全球多年平均产水模型，m3/hm2；EFa、EFb、EFc、EFd——农业、工业、生活和生态4种用水的生态足迹；efa、efb、efc、efd——人均农业、工业、生活和生态用水足迹，hm2/人；Wa、Wb、Wc、Wd——4种类用水消耗量，m3。

2.2 水资源生态承载力

水资源承载力是在研究过程选定的时间和空间尺度内，一地区所拥有的能够最大程度支撑区域发展所需要的水资源总量。计算公式为：

ECw=N·ecw=0.4·φ·λ·Q/Pw

(6)

式中 ECw——水资源承载力，hm2；ecw——人均水资源承载力，hm2/人；φ——水资源产量因子；Q——水资源总量，m3。

地区水资源产量因子是研究区域的平均产水模量同全球多年平均产水模型的数值之比[24]，计算公式为：

φ=K/Pw

(7)

式中K——研究区平均产水模型；Pw——全球多年平均产水模型。

根据云南省2008—2018年产水模数基础数据计算得到全省平均产水模数为4 918 m3/hm2，最终得出云南省φ值为1.20。

2.3 水资源生态盈余(短缺)

水资源盈余(短缺)计算结果可以客观反映研究区发展所需水资源的贫富状况。计算公式为：

EDw=ECw-EFw

(8)

其中 EDw——水资源盈余(短缺)。

当ECw>EFw时，EDw的值大于0，则水资源生态盈余；当ECw=EFw时，EDw的值为0，则水资源生态均衡；当ECw

2.4 水资源生态压力指数

水资源的生态压力数值的大小变化可以在一定程度上衡量特定研究区水源在使用过程中对生态环境所造成压力的大小。计算公式为：

EP=ECw/EFw

(9)

式中 EP——水资源生态压力指数。

本文对EP等级的划分借鉴学者任志远[25]的研究分为4种，见表1。

表1 水资源生态压力指数等级

2.5 万元GDP水资源生态足迹

万元GDP水资源生态足迹的变化可以衡量研究区在发展过程中对水资源的使用状况，其数值变化与水源利用效率呈现负向关系。

EFI=EFw/GDP

(10)

2.6 数据来源及部分参数说明

文中采用的年降水量、水资源总量及4类水资源用水(农业、工业、生活、生态)量等水文数据来源于2008—2018年《云南省水资源公报》；人口数、人均GDP、GDP等统计数据来自《云南省统计年鉴》(2009—2019)。

研究过程涉及参数γ和Pw的值均源自学者黄林楠等[3]的研究成果，采用WWWF2000的测算结果，取γ的值为5.19，Pw的值为3 140 m3/hm2。

3 结果与分析

3.1 云南省2008—2018年水资源生态足迹变化状况

2008—2018年云南省水资源生态足迹整体上呈现出“W”型的波动变化轨迹。根据水资源生态足迹的历年波动轨迹，将其划分为下降(2008—2011年)—上升(2011—2012年)—下降(2012—2013年)—波动趋缓(2013—2016年)—上升波动(2016—2018年)5个变化阶段(图1)。其中，云南省水资源生态足迹的最大值出现在2017年，最小值出现在2011年，分别为25.87×107、24.26×107hm2，二者相差1.61×107hm2。

图1 云南省2008—2018年总水资源生态足迹

在4类水资源用水账户中(图2)，农业用水生态足迹最高，占总生态足迹的69.31%，总体呈现“先降后升”的变化趋势，表明农业发展对水资源的耗损仍在持续增长。其中，2008年出现最大值18.18×107hm2，该年份全省降水充沛，水资源总量在研究时间段为最高值2 315×108m3，导致单位面积农业用地的水资源量增加；2010年为最小值16.61×107hm2，受到太平洋厄尔尼诺现象的影响，海洋季风携带的水汽无法到达陆地形成降水，导致该时间全省降水稀少，出现极端旱情，水资源总量为历年最低。工业用水生态足迹占16.09%，变化轨迹呈“先升后降”的趋势，最低值由2008年的3.81×107hm2逐年增加到2012年的最高值4.82×107hm2，此后历年波动下降，表明全省工业结构逐步优化，水资源利用效率提高。2012年云南省政府印发了《关于推动工业跨越发展的决定》及2013年《关于建设旅游政府强省的意见》等一系列政策的出台和实施，推动了产业结构转型，水源浪费和污染减少，工业用水效率提高。生活用水生态足迹在2008—2018年间逐年上升，说明随人口数量的增多、供水设施的完善和生活质量的提高，人们对日常生活用水的需求不断增大，最终导致其数值逐年增大。生态用水的生态足迹占比最小，为1.68%，数值变化区间为0.17×107～0.65×107hm2，最小值出现在2013年，最大值出现在2018年，总体上也呈现“先降后升”的趋势。

图2 云南省水资源账户用水生态足迹

计算得出云南省2008—2018年水资源承载力、水资源生态盈余及生态压力指数，并结合年降水量变化作图进行分析(图3)。比较2008—2018年全省水资源承载力、水资源生态盈余与年降水量之间的变化轨迹得出，三者之间的数值变化呈正向关系：水资源承载力、水资源生态盈余伴随着年降水量的增加而上升，减少而降低。研究年份中，全省水资源生态盈余的数值均大于0，说明云南省水资源总量丰富，供给大于需求，能够很好的满足区域经济发展需要。云南省的年降水量最高值出现在2008年，其水资源承载力、水资源生态盈余均达到了最大值，分别为1.26×107、0.71×107hm2；此后的3年(2009—2011)全省持续干旱，降水量下降，最低值出现在2011年，导致水资源承载力、水资源生态盈余降到了最小值，仅为0.80×107、0.27×107hm2；2012年之后，伴随着降水量的逐年增加，水资源承载力也跟着呈现逐步增长的趋势。由此可见，干旱等气象灾害不仅会影响年降水量，也会引起水资源承载力的年际变化，水资源承载力的变化相应也会导致水资源生态盈余的变化。2008—2018年全省水资源的生态压力指数为0.44～0.66，其中2008、2016、2017和2018年4年的数值均小于0.5，表明云南省的水资源利用状况安全；其余年份水资源的生态压力指数处于0.5～0.8之间，表明这些年份全省的水资源利用处于较安全状况。通过比较其数值发展轨迹发现：当水资源生态压力指数达到最低值时，其他三者的数值均达到最大；当其数值在达到最高时，其他三者的数值均会降到最小，呈现出负向关系。2009、2011年2个时间点云南省水资源的生态压力指数最高，这种状况的出现主要也是受到2009—2011年三年大旱的影响。

图3 云南省2008—2018年水资源可持续利用发展变化

云南省2008—2018年万元GDP水资源生态足迹呈现逐年减小的趋势(图4)，最高值由2008年的0.44 hm2/万元下降到2018年的最低值0.14 hm2/万元，10年间整体降低了0.30 hm2/万元，年平均降幅达到21.43%。表明全省在经济发展过程中，随着产业结构的优化升级，节水节能设施的不断改进，旅游等第三产业的蓬勃发展，降低了对水资源的损耗和浪费，水资源得到了充分利用，利用效率逐年提高。

图4 云南省2008—2018年万元GDP水资源生态足迹

3.2 云南省16市州水资源生态足迹发展分析

从空间视角出发，选取2008、2013、2018年3个时间点16个市州的截面数据进行计算，利用ArcGIS10.2制图软件进行空间的可视化展示，对比分析水资源生态足迹的空间变化。

16个市州人均的水资源生态足迹(图5)在2008、2013、2018年的空间变化显著，区域发展不均衡。2008年，人均的水资源生态足迹数值在(0.9，1.2]区间的只有德宏、西双版纳2个州；数值在(0.6，0.9]区间的市州由保山、临沧、普洱、丽江、楚雄、玉溪、红河7个增加到2018年的保山、德宏、西双版纳、普洱、丽江、楚雄、玉溪和迪庆8个市州，主要分布在滇西北、滇中、滇南和滇西地区；数值在(0.3，0.6]区间的市州由怒江、迪庆、大理、昆明、曲靖和文山6个转变为2018年的怒江、大理、临沧、昆明、曲靖、红河和文山7个市州；昭通是唯一数值处于(0，0.3]的市州，且长期保持不变，该市处在云贵高原的中部，地形相对起伏大，植被的覆盖面积和覆盖率低，因此其对雨水的储蓄能力较弱，同时受到经济发展、人口因素等影响，导致人均水资源生态足迹低。

图5 云南省16个市州人均水资源生态足迹

16个市州人均水资源生态盈余的空间分布格局明显(图6)。2008年，怒江州人均水资源生态盈余，其余市州均出现不同程度短缺，德宏和西双版纳2个州最为严重。2013年，16个市州人均水资源生态盈余均为负值，用水需求大于供给，主要与经济发展用水需求量增加及该时间段云南旱灾有关，丽江市、德宏州和西双版纳州短缺最为严重。2018年，整体上16个市州的人均水资源亏损状况有所降低，表明水资源利用状况正在逐步改善。怒江是唯一人均水资源生态盈余的州，该州受地形因素的影响，地广人稀，人口密度小，同时境内河流众多，水资源丰富，用于经济发展的水资源有限，所以出现人均水资源盈余；迪庆、怒江、大理和丽江位于滇西北的石灰岩分布带，土质保水性较差，同时受到人口和经济影响，水资源比较短缺；滇中区域的昆明、楚雄、玉溪和曲靖，是全省经济活动最活跃和发达以及人口、农业和工业最集中的地区，对水资源的需求和消耗量大，人均水资源出现短缺；滇东北的昭通市，是典型的喀斯特地貌，地下溶洞众多，再加上降水相对较少，地表又难以留住降水，在经济发展驱动下水资源不足；滇南的普洱、保山、红河、文山等市州，降水总量较丰富，但该地区以农业为主，耕地资源多，水源需求量大，同时农田水利工程建设不完善，水资源无法得到充分利用，出现工程性缺水，人均水资源呈现负增长；滇南的西双版纳人均水资源盈余也为负值，该州处在北回归线以南，雨量充沛，温度高，蒸发量较大，州内河流众多，水系发达，受地势因素影响，出国境的总水量大，随着采矿业和旅游业不断发展，人口不断增多，用水需求越来越大，逐渐超出了水资源的负载能力，出现人均水资源短缺。

图6 云南省16个市州人均水资源生态盈余

16个市州万元GDP水资源生态足迹(图7)空间变化差距大，整体上均呈现下降趋势。其中，最大值均出现在2008年，最小值出现在2018年，说明在经济发展过程中对水资源的消耗量和使用率不断提高。昆明、曲靖和玉溪的数值较低且下降幅度小，这3市位于云南经济最为发达的滇中地区，产业结构不断优化，因而水资源的利用效率高；保山、丽江、普洱、临沧、德宏等市州的数值变化幅度最大，主要与这些区域产业结构的转型发展有关；滇南的保山、普洱、临沧、西双版纳和德宏5个市州，降水资源丰富，随着第三产业的不断发展，一些落后的污染性企业逐渐淘汰，水资源的污染逐渐减弱，利用效率逐步提高。

图7 云南省16市州万元GDP水资源生态足迹

4 结论

a)2008—2018年，云南省水资源生态足迹整体呈现“W”型波动变化轨迹。农业用水生态足迹数值在4类水资源用水账户中最高，占69.31%，在今后的发展中，全省要注重走农业现代化道路，改变过去粗放的灌溉方式，借助技术手段发展节水农业，提高农业用水效率；水资源承载力、水资源生态盈余和年降水量之间的数值变化呈现正向关系，三者同水资源生态压力指数呈负向关系；全省万元GDP水资源生态足迹整体呈现逐年下降趋势，由2008年的最高值0.44 hm2/万元下降到2018年最低值0.14 hm2/万元，年平均降幅达21.43%，表明水资源利用效率在不断提高。由于水资源承载力与水资源生态盈余受降水量变化影响较大，今后全省要加强水利设施建设，做好水源的储备工程，以应对极端气候的发生。

b)16个市州人均水资源生态足迹在2008、2013、2018年的空间变化显著，发展不均衡；人均水资源生态盈余基本均呈现短缺状况。2018年，短缺的最大值出现在滇南和滇西等区域，怒江是唯一水资源盈余的州。万元GDP水资源生态足迹的空间发展变化差距大，整体均呈现下降趋势，表明各市州的水资源利用效率不断提升。今后发展中，滇中的昆明、楚雄、玉溪和曲靖等市州，一方面加强节水宣传教育，培养人们的珍惜水资源的意识，也要在产业结构优化升级的过程中，淘汰高耗能、高耗水工业，加强污水的处理能力，提高水资源利用效率；受地质因素影响的迪庆、怒江、大理和昭通等市州，要加强水利建设，使水资源得到充分利用；滇南的普洱、保山、红河、文山等市州农业用水需求大，今后发展中要兴修水利设施，满足农业用水需求，发展节水型农业，走农业集约化发展之路。最后，各个市州都要根据实际发展需求和发展优势，选择适合自身的发展产业，不断优化升级，协调好水资源与社会经济、人口、生态之间的关系。

c)本文运用水资源生态足迹方法能够为云南水资源可持续发展提供一定的参考，但基于省域和市州尺度的研究结论相对宽泛。期望今后研究者能对县域范围进行解析，使研究成果能够更好、更具体地反映区域水资源可持续发展状况。