黄河流域九省(区)水资源环境承载力动态演变特征研究

2021-12-08卢亚丽徐帅帅司保江沈镭

人民黄河 2021年11期

卢亚丽徐帅帅司保江沈镭

摘要：利用水資源生态足迹模型对黄河流域九省（区）2010—2018年115个市水资源环境承载力进行了研究，并探讨了黄河流域九省（区）水资源时空分布特征，结果表明：黄河流域九省（区）人均水资源生态足迹总体呈现西高东低、北高南低的分布特征，胡焕庸线以西区域的人均水资源生态足迹最大，胡焕庸线上区域次之，胡焕庸线以东区域最小;黄河流域九省（区）仅28.7%的市处于水资源生态盈余状态;黄河流域九省（区）南部水资源承载力较高且胡焕庸线以东区域的水资源承载力与胡焕庸线以西的相当;黄河流域九省（区）各市水资源利用效率逐年提高;黄河流域九省（区）平均水资源压力呈上升趋势;总体来看，黄河流域九省（区）水资源严重短缺，时空分布不均，水资源是限制黄河流域九省（区）高质量发展的重要因素。

关键词：胡焕庸线;水资源;生态足迹;黄河流域九省（区）

中图分类号：TV211.1;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.019

引用格式：卢亚丽，徐帅帅，司保江，等.黄河流域九省（区）水资源环境承载力动态演变特征研究[J].人民黄河，2021，43（11）：103-108.

Study on Dynamic Evolution Characteristics of Water Resources Environmental Carrying

Capacity of Nine Provinces and Regions of the Yellow River Basin

LU Yali1， XU Shuaishuai1， SI Baojiang2， SHEN Lei 4

（1.School of Management and Economics， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China;

2.School of Information Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China;

3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research， CAS， Beijing 100101， China; 4.Key Laboratory of Carrying

Capacity Assessment for Resources and Environment， Ministry of Natural Resources， Beijing 100101， China）

Abstract：The ecological footprint model of water resources was used to study the environmental carrying capacity of water resources in 115 cities in nine provinces and regions of the Yellow River Basin from 2010 to 2018 and the spatial and temporal characteristics of water resources in nine provinces and regions of the Yellow River Basin were discussed. The results show that the per capita ecological footprint of water resources in the nine provinces and regions of the Yellow River Basin is generally higher in the west and lower in the south. Only 28.7% of the cities in nine provinces and regions of the Yellow River Basin are in the state of ecological surplus of water resources. The water resources carrying capacity in the south of nine provinces and regions of the Yellow River Basin is high and the water resources carrying capacity in the east of Hu Huanyong line is similar to that in the west of Hu Huanyong line. The utilization rate of water resources in each city in nine provinces and regions of the Yellow River Basin has been increasing over the years. The average water resources pressure in the nine provinces and regions of the Yellow River Basin is increasing year by year. In general， the serious shortage of water resources and the uneven spatial and temporal distribution of water resources are the important factors restricting the high-quality development of the nine provinces and regions of the Yellow River Basin.

Key words： Hu Huanyong line; water resources; ecological footprint; nine provinces and regions of Yellow River Basin

黄河流域在中国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位[1]，自中华人民共和国成立以来，国家对黄河流域水土流失与黄河水患进行了长期大规模综合治理[2]。2019年9月18日在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上，习近平总书记强调黄河流域生态保护和高质量发展，同京津冀协同发展、长江经济带发展、粤港澳大湾区建设、长三角一体化发展一样，是重大国家战略[3]。然而黄河流域九省（区）水资源时空分布不均，水资源是限制黄河流域生态保护与高质量发展的重要因素。因此，以水而定，量水而行，优先保护黄河流域的生态，合理规划黄河流域人口、城市和产业发展，摸清黄河流域水资源家底尤为重要[4]。

生态足迹是研究可持续消费的重要指标，也是基于土地利用面积核算和计量资源可持续利用的理论模型，可以有效计算各区域水资源匹配状况。利用水资源生态足迹与生态承载力的差值得出区域水资源处于盈余或赤字，进而对区域水资源和经济可持续发展状况进行评价，具有易于理解、操作简单、实用性强等优点[5]。Haberl等[6]对长时段生态足迹计算方法进行了探讨，分别采用恒定世界单产、可变世界单产和可变地方实际单产法计算了奥地利1926—1955年的生态足迹;Wackernagel等[7]采用全球水资源年平均产量和当地实际水资源年平均产量分别计算了菲律宾、韩国、奥地利1961—1999年的生态足迹。黄林楠等[8]建立了水资源生态足迹以及水资源生态承载力计算模型，确定了计算水资源账户生态足迹所需的全球平均水资源产量、全球均衡因子和地区产量因子3个关键参数。一些学者分别对黄河流域、中原城市群等[9-16]不同区域的水资源生态足迹进行了计算、分析，研究表明基于生态足迹进行水资源评价具有良好的普适性。

1935年地理学家胡焕庸提出的从黑龙江瑷珲至云南腾冲的中国人口分布及人口密度规律线[17]，被学者们称为“胡焕庸线”。2013年8月30日，国务院总理李克强就“胡焕庸线”提出了“该不该破？能不能破？如何破？”3个问题，被学者们称之为“总理三问”[18-19]，随之学者们对胡焕庸线展开了讨论。陆大道认为胡焕庸线的稳定性将长期存在;王铮认为胡焕庸线在世界上具有普遍性，可能会被打破[20]。郭华东等[19]在对相关时空数据及空间信息進行综合分析的基础上，结合西部充足的绿色能源和互联网技术发展等因素认为，在实施先进的节水措施下胡焕庸线可以突破。尽管部分学者持胡焕庸线短期内不可突破的观点，但是可以通过优化城市的人口分布格局、经济发展步伐、资源配置效率等逐渐改善胡焕庸线两侧的人口空间分布。对于胡焕庸线的研究，多聚焦于中国整体区域的胡焕庸线两侧人口空间分布[21]、城镇失业率[22]、生态承载力[23-24]、资源环境人口承载力[25]、气候变化[26]等，鲜见胡焕庸线视角下的水资源环境研究。在遵循黄河流域“共同抓好大保护、协同推进大治理”的战略思路下，利用水资源生态足迹模型，将GIS可视化技术和空间自相关法与胡焕庸线的空间地理特征相结合分析黄河流域九省（区）水资源时空特性，以期全面了解黄河流域九省（区）水资源环境特征，为黄河流域九省（区）生态保护和高质量发展提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

利用水生态足迹模型研究黄河流域九省（区）水资源环境承载力的动态演变特征，涉及黄河流域九省（区）115个市的面积、人口、GDP、水资源总量、用水量、降水量等基础数据。研究数据来源于2010—2018年黄河流域九省（区）水资源公报、统计年鉴及《中国水利统计年鉴》《中国统计年鉴》等。

1.2 研究方法

（1）水资源生态足迹模型。基于生态足迹模型建立水资源生态足迹模型，参考用水特征和其内涵以及黄林楠等[8]的研究成果，将水资源生态足迹概括为地区维持其人口生活与生产所消耗的全部水资源量，耗损的水资源量包括生活用水、生产用水和生态环境用水，其计算模型[13]：

EFW=N×efω=N×γω×W/Pω （1）

式中：EFW为水资源总生态足迹，hm2;N为总人口数;efω为人均水资源生态足迹，hm2/人;γω为水资源的全球均衡因子，本文采用世界自然基金会（WWF）2000年计算出的水资源全球均衡因子5.19;W为人均消耗的水资源量，m3;Pω为水资源全球平均生产能力，取值为3 140 m3/hm2 [9]。

（2）水资源生态承载力模型。水资源承载力决定区域经济的可持续发展，水资源承载力的上限受人类社会活动的影响，超出水资源承载力上限的区域水资源环境系统功能和结构将产生质变进而限制人类社会活动。生态理论中的水资源承载力模型为

ECW=N×ecω=0.4×φ×γω×Q/Pω（2）

式中：ECW为水资源承载力，hm2;ecω为人均水资源承载力，hm2/人;φ为区域水资源的产量因子，其值为区域内水资源平均生产能力与水资源全球平均生产能力Pω之比，区域内水资源平均生产能力为区域水资源总量与流域面积之比;Q为水资源总量，m3。

（3）水资源生态盈余/赤字。水资源消耗程度用水资源生态承载力与水资源生态足迹的差值度量，水资源的可持续利用状况和水资源消耗是否超载皆可用此评价，其计算公式：

水资源生态盈余/赤字=ECW-EFW（3）

ECW-EFW>0，表示区域水资源处于盈余状态，可持续利用状况良好;ECW-EFW=0，表示水资源消耗处于平衡状态;ECW-EFW<0，表示区域水资源处于赤字状态，生态和经济发展将受到制约，水资源利用不可持续。

（4）万元GDP水资源生态足迹。区域水资源生态足迹与其GDP（单位：万元）G的比值为万元GDP水资源生态足迹，可以用来衡量区域水资源利用效率。万元GDP水资源生态足迹越大，区域水资源利用效率越低;万元GDP水资源生态足迹越小，区域水资源利用效率越高。其计算公式：

万元GDP水资源生态足迹=EFW/G（4）

（5）水资源负载指数模型。区域水资源开发前景用水资源负载指数评估，水资源负载指数（指数等级划分见表1）可测算区域水资源利用水平和开发难度，其计算模型：

C=KNG/Q（5）

K=1.0（R≤200）

1.0-0.1（R-200）/200（200

0.9-0.2（R-200）/400（400

0.7-0.2（R-200）/800（800

0.5（R>1 600）（6）

式中：C为水资源负载指数;K为降水系数;R为年降水量，mm。

2 结果与分析

2.1 黄河流域九省（区）人均水资源生态足迹时空特征

不同区域可生产的面积、水资源承载力、经济发展水平、水资源负载情况等均不同，总水资源生态足迹不能直接反映维持其人口生活与生产所消耗的水资源情况。人均水资源生态足迹可以反映不同区域维持单个人口生活与生产消耗的平均水资源量，因此可以通过人均水资源生态足迹比较各地区维持单个人口生活与生产消耗的平均水资源量，结合人均水资源承载力可判断人均水资源盈余或赤字情况。利用ArcGIS10.2，采用自然断点法分类功能，根据人均水资源生态足迹大小将其分为5级，见图1。胡焕庸线将黄河流域九省（区）分为胡焕庸线以西区域、胡焕庸线上区域、胡焕庸线以东区域，其中胡焕庸线以西区域的人均水资源生态足迹最大、胡焕庸线上区域次之、胡焕庸线以东区域最小。2010—2018年黄河流域九省（区）胡焕庸线以西区域、线上区域、以东区域人均水资源生态足迹均值分别为1.74、0.48、0.42 hm2。

黄河流域九省（区）人均水资源生态足迹总体呈现西高东低、北高南低的趋势。胡焕庸线以东区域主要为河南省、山西省、陕西省、山东省、四川省及内蒙古自治区的部分市，其中内蒙古通辽市，四川省攀枝花市、凉山彝族自治州、乐山市，陕西省巴中市、汉中市、延安市，山东省滨州市、德州市、聊城市等人均水资源生态足迹较大。胡焕庸线上区域有18个市，其中内蒙古兴安盟、呼伦贝尔市、锡林郭勒盟人均生态足迹较大，其他各市人均生态足迹较小。胡焕庸线以西区域，人均生态足迹较大，2010—2018年海西蒙古族藏族自治州、酒泉市、阿拉善盟、巴彥淖尔市等人均生态足迹较大。从省域视角看，2010—2018年胡焕庸线以西区域人均生态足迹由高到低依次为内蒙古自治区、宁夏回族自治区、甘肃省、青海省，人均生态足迹分别为2.87、1.87、1.48、1.17 hm2。2010—2018年黄河流域九省（区）各市人均水资源生态足迹排在前3位的是阿拉善盟、巴彦淖尔市、酒泉市，分别为7.54、4.86、4.21 hm2，均处于胡焕庸线以西区域;人均水资源生态足迹排在后3位的是固原市、青岛市、商洛市，分别为0.21、0.21、0.20 hm2。采用ArcGIS10.2绘制黄河流域九省（区）2010—2018年水资源生态足迹均值，见图2。

2.2 黄河流域九省（区）人均水资源生态盈余/赤字时空分布特征

2010—2018年黄河流域九省（区）各市人均水资源生态盈余/赤字存在显著空间差异，各市2010年、2013年、2015年、2018年人均水资源生态盈余/赤字见图3。人均水资源生态盈亏具有显著空间差异，2010—2018年115个市人均水资源处于盈余状态的仅有33个市，约占28.7%。呼伦贝尔市除2017年人均水资源为赤字状态外，其余年份均为盈余状态，均值为3.01 hm2。青海省除西宁市和海东市外，其他各市均处于人均水资源生态盈余状态;陕西省除汉中市、安康市、商洛市外，其他各市均处于人均水资源赤字状态;甘肃省除甘南藏族自治州和陇南市外，其他各市人均水资源均处于赤字状态;山东、河南、宁夏、内蒙古、山西等几乎全省（区）处于人均水资源生态赤字状态，黄河流域九省（区）除青海省和四川省外其他各省（区）水资源严重短缺，水资源生态赤字严重。2010—2018年人均水资源生态盈余/赤字依次为1.30、1.51、2.15、1.43、1.60、0.87、0.93、1.47、2.32 hm2，整体变化不大，2018年略有升高。

以2010—2018年各市人均水资源盈余/赤字对115个市进行排名，因篇幅限制，仅展示排在前5位和后5位的市，见表2。人均水资源盈余排名前10的市水资源丰富。例如，四川省甘孜藏族自治州、阿坝藏族羌族自治州2010—2018年人均水资源生态盈余分别为48.59、45.92 hm2，这与其特殊的地理位置有密切的关系，甘孜藏族自治州境内主要河流为金沙江、雅砻江和大渡河，岷江干流及最大支流大渡河纵贯阿坝藏族羌族自治州，丰富的水资源是其水资源生态盈余处于前列的重要原因。青海省的玉树藏族自治州、果洛藏族自治州，2010—2018年人均水资源生态盈余均值分别为30.36、16.81 hm2，这也与其特殊的地理位置有关，玉树藏族自治州有长江、黄河和澜沧江三大水系，总面积为237 960.7 km2;果洛藏族自治州有大小河流36条，黄河是果洛藏族自治州内最大的河流，境内流程长达760 km，水资源丰富。

2.3 黄河流域九省（区）水资源承载力时空特征

2010—2018年各市水资源承载力及人均水资源承载力的分布特性见图4。整体来看，水资源承载力均值、人均水资源承载力较高的地区分布在南部，且黄河流域九省（区）南部、胡焕庸线以东区域的水资源承载力及人均水资源承载力与胡焕庸线以西区域的相当。水资源承载力均值较高的地区主要分布在四川省南部，水资源承载力排名在前10位的市除汉中市属于陕西省外，其他均属于四川省。四川省的水资源量相对于黄河流域九省（区）其他省份较为充足。人均水资源承载力位列前3的是甘孜藏族自治州、阿坝藏族羌族自治州、玉树藏族自治州，人均水资源承载力依次为48.96、46.27、30.62 hm2。

2.4 黄河流域九省（区）各市万元GDP水资源生态足迹时空特征

根据2010—2018年黄河流域九省（区）115个市万元GDP水资源生态足迹，采用ArcGIS10.2，绘制各市万元GDP水资源生态足迹时空分布柱形图，见图5。2010—2018年逐年万元GDP水资源生态足迹依次为0.28、0.25、0.21、0.18、0.18、0.17、0.14、0.15、0.15 hm2，呈减小趋势，说明水资源利用效率逐年提高。从图5可以看出，万元GDP水资源生态足迹较大的市多分布在内蒙古、宁夏、青海，其中张掖市、巴彦淖尔市、吴忠市为万元GDP水资源生态足迹排名前3的市，水资源利用效率较低。河南省、陕西省、山东省万元GDP水资源生态足迹处于较低水平，济南市、果洛藏族自治州、东营市为黄河流域九省（区）万元GDP水资源生态足迹排名后3的市，水资源利用效率较高。

2.5 黄河流域九省（区）水资源负载指数特征

2010—2018年平均水资源负载指数分别为48.48、53.99、57.40、60.37、77.62、77.52、77.14、75.20、51.87，总体呈上升趋势，2018年有所下降，水资源压力呈上升趋势，水资源负载指数均值为64.40，水资源利用程度高，开发潜力小，水资源开发艰巨，需跨区域调水。黄河流域九省（区）115个市中水资源负载指数小于10的仅27个市，可见黄河流域九省（区）水资源压力巨大，严重缺水。从各市水资源负载指数空间分布（见图6）来看，水资源负载指数大于10的区域集中在甘肃省、内蒙古自治区、山西省、陕西省、河南省、山东省，这些区域水资源利用程度高，开发潜力小，水资源开发艰巨，需跨区域调水。甘孜藏族自治州、果洛藏族自治州、阿坝藏族羌族自治州、海北藏族自治州、甘南藏族自治州、海西蒙古族藏族自治州水资源负载指数均小于1，水资源开发程度低，开发潜力大，水资源开发容易，可兴建中小型水利工程。

3 结论

以黄河流域九省（区）为研究对象，系统分析了2010—2018年黄河流域九省（区）115个市的水资源状况，通过建立模型测度水资源生态足迹、水资源生态盈余/赤字、水资源承载力、水资源利用效率、水资源负载情况，并用ArcGIS10.2分析其时空特征，结论如下：

（1）黄河流域九省（区）人均水资源生态足迹总体呈现西高东低、北高南低的分布特征，胡焕庸线以西区域人均水资源生态足迹最大，胡焕庸线上区域次之，胡焕庸线以东区域最小。

（2）黄河流域九省（区）2010—2018年115个市的人均水资源处于盈余状态的仅有33个市，占比约为28.7%。黄河流域九省（区）水资源承载力、人均水资源承载力较高的市分布在南部，且黄河流域九省（区）南部胡焕庸线以东区域的水资源承载力及人均水资源承载力与胡焕庸线以西区域的相当。2010—2018年各市万元GDP水资源生态足迹呈减小趋势，水资源利用效率在提高但存在区域性差异。2010—2018年黄河流域九省（区）平均水资源负载指数总体呈上升趋势，水资源开发艰巨，需跨区域调水。

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