呼包鄂榆城市群水资源生态足迹的时空变化及可持续利用评价

朱 彤，付桂军

（1.内蒙古师范大学 经济管理学院，内蒙古 呼和浩特010022；2.内蒙古师范大学 马克思主义学院，内蒙古 呼和浩特010022）

2019 年习近平总书记提出了黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略［1］，明确了推进黄河流域水资源集约利用。黄河流域当前仍面临脆弱的生态环境和严峻的水资源保障形式问题，诸多问题表象在黄河，根源在流域。呼包鄂榆城市群是黄河中上游流域最重要的城市群，同时具备生态环境脆弱区和黄河水土流失重点防护区的典型特征，其水资源的问题和黄河流域水资源保护与治理息息相关，因此研究呼包鄂榆城市群水资源的可持续利用对推进黄河流域高质量发展有重要意义。生态足迹模型作为有效度量水资源消费的可持续发展指标，自1992 年由加拿大生态经济学家William［2］提出后得到广泛运用。1996 年经Wackernagel［3］完善，用以衡量人类对自然资源利用程度以及自然界为人类提供的生命支持服务功能。传统的生态足迹模型包括耕地、草场、林地、建筑用地、化石能源用地和水域6 类生产性土地，2001 年徐中民［4］引入水资源账户视为第七账户并纳入生态足迹核算。国内外研究主要集中于水资源生态承载力［5－6］、水资源生态足迹变化［7－8］、水环境生态安全评价［9－10］、水资源的可持续利用评价［11－12］、水资源生态补偿［13］、生态足迹的公平性和平衡性［14］以及水资源与经济协调发展［15］等方面，广泛应用于国内省域［8］、市域［9］、流域［5］的水资源利用分析。但当前对于水资源生态足迹的分析多是基于中小尺度的个案研究，缺乏从整体角度分析的城市群层面研究。

呼包鄂榆城市群土地广阔，位于华北西部的黄河沿岸，农牧业发达、耗水量大。2019 年农业生产用水量占生产用水量的73.92%，占用水总量的61.27%。但由于独特的地形地貌和气候特征，呼包鄂榆城市群作为典型的资源型缺水地区，以脆弱的水系维持着当地的产业发展和居民生存。本文基于生态足迹模型分析2001—2019 年呼包鄂榆城市群水资源生态足迹的时空变动和影响因素，为城市群水资源可持续利用提供参考依据。

1 材料与研究方法

1.1 研究区状况

呼包鄂榆城市群包括呼和浩特市、包头市、鄂尔多斯市和榆林市。其中呼、包、鄂作为内蒙古自治区的“金三角”，位于内蒙古自治区中西部的核心区，与榆林市以三角形状排列沿黄河呈条带状分布。在呼包鄂榆城市群构建的“一轴一带多区”空间格局中，呼和浩特市起区域中心城市作用，而包头市、鄂尔多斯市、榆林市具有区域重要节点城市地位。2019 年呼包鄂榆城市群以内蒙古自治区和陕西省12.58% 的面积集聚了18% 的人口，消耗了16.88% 的水资源量，创造了30.8% 的地区生产总值①数据来源：根据各地市2019 年统计年鉴计算所得。。呼包鄂榆城市群生态环境脆弱，开发不当易加剧水土流失和沙尘暴，蒸发量大但降水量少的问题制约着区域地表径流量，独特的气候特征及地貌格局造成了呼包鄂榆城市群突出的水资源供需矛盾。19 年间呼包鄂榆城市群人均水资源占有量为609.97 m3，处于极度缺水线（＜500 m3）和严重缺水线之间（＜1 000 m3）［16－17］，而近年来人口扩张和城市化进程增加了水资源的需求，水资源短缺问题威胁着城市群经济发展和居民生活安全。

1.2 数据来源

数据来源于2001—2019 年内蒙古自治区、陕西省《水资源公报》以及呼、包、鄂、榆各市的统计年鉴。

1.3 研究方法

1.3.1 水资源生态足迹模型 水资源生态足迹指将消耗的水资源量转化为相应账户的生产面积，均衡化后得到各区域可以比较的均衡值，用以衡量区域人口经济对水资源的需求能力。根据用水的分类，将水资源账户划分为生产用水账户PEF、生活用水账户LEF以及生态用水账户EEF［18］。其中生产用水包括农业用水（含农林牧畜渔用水）、工业用水。通过计算水资源生态足迹来核算水资源的生产性消费，为水资源的可持续利用提供重要依据。水资源生态足迹可通过与水资源生态承载力进行比较来合理衡量区域可持续发展状况，其计算公式为

其中：WEF表示水资源生态足迹（hm2）；N为区域人数（人）；Wef为人均水资源生态足迹（hm2/人）；γW为水资源全球均衡因子；w为区域人均用水量（m3）；PW为水资源全球平均生产能力（m3/hm2）。参考已有研究［19］，γW取5.19，PW取3 140 m3/hm2。

1.3.2 水资源生态承载力模型 水资源生态承载力度量区域水资源所能承载的生物生存面积，衡量区域水资源能够容纳人口经济的最大限度，表示水资源对区域经济社会发展的支撑能力。其中，水资源的可开发利用能力至少扣除60% 用以维护生物多样性和生态平衡［20］。水资源生态承载力计算公式为

其中：WEC为水资源生态承载力（hm2）；Wec为人均水资源生态承载力（hm2/人）；φ为水资源产量因子，其计算公式为

式中：P为区域水资源平均生产能力（m3/hm2）；V为区域水资源总量（m3），S为区域面积（hm2）。根据计算，2001—2019 年呼包鄂榆城市群的平均产量因子φ如表1。

表1 呼包鄂榆城市群水资源生态足迹参数Tab.1 The parameters of water resources ecological footprint in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration

1.3.3 水资源生态盈亏 水资源生态盈亏（WED）可度量地区水资源开发利用程度与储量间关系［21］，其计算公式为

式中：WED＞0 为水资源生态盈余，表明该地区水资源能够满足人口与经济发展需求，处于可持续发展状态；WED＜0 为水资源生态赤字，表明地区水资源匮乏，不能满足与人口、经济的均衡发展，处于不可持续利用的状态。

1.3.4 水资源生态足迹强度 水资源生态足迹强度（WES）通过计算单位GDP 的水资源生态足迹来衡量水资源的利用效率［22］，其计算公式为

式中：每万元GDP 需要的生态足迹越多，表明水资源可持续利用水平越低。

1.3.5 水资源生态压力指数 水资源生态压力指数（IWEP）能较好地衡量人口社会对水资源压力强度的大小，表征城市水资源供给满足需求的可持续程度［23］，其计算公式为

式中：当IWEP＞1，水资源消耗量大于供给量，水资源不可持续利用；IWEP＜1，水资源供给量大于消耗量，水资源可持续利用。

1.3.6 水资源负载指数模型 水资源负载指数（c）是基于人口规模、地区生产总值和水资源总量以及降水量等指标对水资源利用程度进行衡量的评价指标，其计算公式为［22］

式中：k为降雨系数；P为人口数量（万人）；G为地区GDP（亿元）；V为水资源总量（亿m3）。

式中R为降雨量（mm）。水资源负载指数分级见表2。

表2 水资源负载指数分级Tab.2 Classification of load index of water resources

2 结果分析

2.1 呼包鄂榆城市群水资源生态足迹可持续利用分析

呼包鄂榆城市群由于特殊的地理位置，生态环境脆弱，沙漠化现象较为突出。如何解决经济发展和水资源高效利用之间的矛盾，在享受资源红利的同时实现水资源可持续利用，是呼包鄂榆城市群发展过程中亟待解决的问题。

2001—2019 年，呼包鄂榆城市群水资源生态足迹平均值为700.03 hm2（图1A），总体较为稳定。2001—2007 年受降水量影响，波动较大；由于常住人口规模扩大，人均水资源生态足迹由2006 年的最大值0.73 hm2/人下降到2019 年的0.65 hm2/人；生态承载力不稳定，波动较大；生态足迹强度以年均13.57% 的速率降低，呼包鄂榆城市群水资源的产出效率逐年提高，然而水资源生态足迹和生态承载力之间的缺口逐年拉大，水资源难以支撑呼包鄂榆城市群人口、经济的可持续发展，水资源仍然面临不可持续利用的问题；在各类人均水资源生态足迹账户中，生产用水生态足迹占比达到95.59%（图1B），其中农业用水生态足迹与水资源生态足迹在存量和趋势上最接近，这与城市群内草原农业、工业在经济中产出贡献能力相似。近年来由于产业结构调整和用水效率的提升，生产用水生态足迹由2006 年的人均0.69 hm2降低到2019 年的人均0.54 hm2，但仍然远远领先于生活账户和生态账户。工业用水、农业用水存在节水潜力，提高工业用水效率和灌溉农业用水效率可以显著降低城市群的水资源生态足迹。生活账户和生态账户生态足迹随着生产账户占比大幅的下降有不同程度的增加，尤其是生态账户，占比由2001 年的1.49% 增加到2019 年的5.64%，城市群对生态环境的重视程度逐渐提高。

2001—2019 年呼包鄂榆城市群的人均水资源生态赤字虽然呈下降趋势（图1C），但生态压力指数始终高于9，水资源利用已超出了安全状态范围，且水资源负载指数（图1D）除了2003 年为Ⅲ级，其余年份水资源继续开发均存在困难。2004 年以后，水资源负载指数平均为22.99，需要跨流域调水以维持正常经济发展和人民生活，水资源开发利用达到较高水平，可继续开发的潜力相对较小。社会发展与水资源利用的矛盾加剧了水资源压力，水资源总量不足以满足呼包鄂榆城市群的农业、工业生产以及人民的生活，难以实现地区人口、经济的均衡发展，处于不可持续利用的状态。

图1 2001—2019 年呼包鄂榆城市群水资源生态足迹Fig.1 Ecological footprint of water resources in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration from 2001 to 2019

2.2 呼包鄂榆城市群各地市水资源生态足迹的时空差异

2001—2019 年，呼包鄂榆城市群内部水资源生态足迹存在较大差异（表3）。从时间维度上看，19 年间榆林市水资源生态足迹、水资源盈亏起伏最大，生态承载力、生态压力指数为鄂尔多斯市变化最大；从空间维度上看，水资源生态压力指数区域差异最大，生态足迹和生态盈亏区域差异逐渐减小，但生态承载力空间变异系数在0.45～0.77 之间，差异的年际变化较大。

表3 2001—2019 年呼包鄂榆城市群水资源生态足迹变异系数Tab.3 Coefficient variation of water resources of ecological footprint in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration from 2001 to 2019

2001—2019 年呼包鄂榆城市群四市人均生态足迹波动不大（图2），呼和浩特市仅在2001—2003 年超过包头市，其余年份水资源生态足迹由大到小基本排列为鄂尔多斯市＞包头市＞呼和浩特市＞榆林市。鄂尔多斯市占地面积大，耗水量多，但常住人口数仅为榆林市的53%，因此人均水资源生态足迹远远高于其他三市，呈现逐年递减趋势，2003 年降速达到10.05%，其后下降速度虽有所减缓，2019 年仍然分别是三市的2 倍以上。榆林市由于占地面积小、人口规模大，故人均水资源生态足迹较低。19 年间呼鄂榆三市生态承载力差异不大，变动趋势相近，而包头市变动稳定，始终低于其他三市，平均值比呼鄂榆低69%～75%。生态足迹强度自2001 年起逐年降低，鄂尔多斯市虽明显高于其他三市，但降幅最大，达到95.29%。城市群四市的用水效率均在提升，其中鄂尔多斯市最为明显。

图2 2001—2019 年呼包鄂榆城市群人均水资源生态足迹、生态承载力、生态足迹强度Fig.2 Water resources ecological footprint per capita，ecological carrying capacity per capita and ecological footprint intensity in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration from 2001 to 2019

2001—2019 年，呼包鄂榆城市群四市水资源均存在生态赤字，其变动趋势和幅度与人均水资源生态足迹非常相似（图3），水资源处于不可持续利用的状态。鄂尔多斯市的用水总量及生态足迹最大，虽然人均生态赤字在不断减小，2019 年仍为－1.20 hm2/人，远高于呼和浩特市的－0.49 hm2/人、包头市的－0.57 hm2/人、榆林市的－0.36 hm2/人。四市中仅榆林市的水资源生态赤字保持上升趋势，水资源压力仍不断增加。

图3 2001—2019 年呼包鄂榆城市群人均水资源生态足迹、生态赤字空间分布Fig.3 Spatial patterns of water resources ecological footprint per capita and water ecological deficit in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration from 2001 to 2019

2.3 影响因素检验

为了进一步探讨影响呼包鄂榆城市群水资源生态足迹的因素，利用Stata 进行相关性检验。人均水资源生态足迹的相关性分析结果见表4。人口规模因素与水资源生态足迹相关性分析中，“人口数量”与呼和浩特市、鄂尔多斯市的水资源生态足迹呈显著负相关（相关系数为－0.785**、－0.974**），“城镇化”与鄂尔多斯市有显著负相关关系（相关系数为－0.927**），而与榆林市呈显著正相关（相关系数为0.930**）。除包头市外，经济发展对各市都产生显著影响；包头市和鄂尔多斯市的农田灌溉用水量、呼和浩特市和榆林市的林牧渔业用水量、榆林市的工业用水量和生活用水量均对其水资源生态足迹产生较大影响。

表4 呼包鄂榆城市群人均水资源生态足迹相关性分析Tab.4 Correlation analysis of ecological footprint of per capita water resource in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration

人均水资源生态承载力的相关性分析结果见表5。呼和浩特市人均水资源生态承载力与“人口数量”显著负相关（相关系数为－0.780**）。水资源储量尤其是地表水资源量与呼和浩特市、包头市、榆林市的水资源生态承载力显著相关，相关系数分别为0.760**、0.750**、0.847**，有效的水污染治理对提升包头市人均水资源生态承载力有极显著影响。

表5 呼包鄂榆城市群人均水资源生态承载力相关性分析Tab.5 Correlation analysis of per capita water resource ecological carrying capacity in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration

3 结论与讨论

黄河中上游流域是黄河的重要产水区，其水量和水质影响着下游城市经济、社会发展，呼包鄂榆城市群作为黄河中上游最重要的城市群，水资源短缺问题日渐加剧，有限的水资源承载力和水资源供需矛盾不仅成为制约呼包鄂榆城市群经济社会发展和人民生活水平的瓶颈，也给地区脆弱的生态环境带来一系列的问题。研究呼包鄂榆城市群水资源生态足迹的时空变化，有助于分析水资源利用存在的问题，了解各盟市的水资源承载能力，对改进水资源利用方式、推进黄河流域水资源集约利用有一定的参考价值。

（1）呼包鄂榆城市群人均水资源生态足迹整体呈逐年递减的趋势，其中农业用水账户所占的比例极大。人均水资源生态承载力波动较大，变化较不稳定；呼包鄂榆城市群存在较大的水资源生态赤字，水资源供给与需求严重不平衡，水资源处于不可持续发展状态；水资源生态足迹强度呈逐年下降的趋势，但水生态压力指数较大，水资源利用处于极不安全状态。

（2）四市中，包头市、鄂尔多斯市水资源形势相对严峻，而榆林市水资源生态赤字仍在连年升高。

（3）伴随着呼包鄂榆城市群城镇化进程出现的人口规模扩大、建设用地扩张等现象加速了水资源的消耗，城市水生态系统的巨大压力压迫了水资源的生态承载力，污染治理则有助于重工业化的包头市水资源承载力的提升。

呼包鄂榆城市群应强化工农业节水改造，提高水资源的利用率，促进节水型产业发展；构建多水源互济的水资源供给保障体系，加快跨区水权交易平台建设，建立阶梯水价制度；落实河湖长治，兴修水利工程，做好水土保持工作，推行退耕还林还草，合理进行生态补偿；鼓励水资源保护和水污染治理，确保经济发展与水环境承载能力相适应。

本文对呼包鄂榆城市群水资源生态足迹的研究未涉及水质生态足迹的核算，因此生态足迹计算值偏小。对于呼包鄂榆城市群水质生态足迹的核算尚需进一步研究。