基于生态足迹模型的黄河流域甘肃段水资源利用评价
2022-03-16赵玉田王玉业杨庚霞
赵玉田，王玉业，杨庚霞
(1.兰州财经大学工商管理学院，甘肃 兰州 730020；2.兰州财经大学长青学院，甘肃 兰州 730020)
水资源是人类生存和经济发展不可或缺的禀赋资源，加强对水资源的合理开发和利用是区域可持续发展的重要保障。随着经济的高速发展和人口持续增长，水资源利用不合理、水资源盈亏赤字高、水环境破坏严重等问题日益显著。特别是在降水匮乏的黄河流域甘肃段，区域发展用水和区域水资源供给能力的矛盾愈发突出。在这种形势下，水资源的可持续利用已经成为缓解区域用水矛盾，促进区域经济、社会、环境协调发展的关键环节[1]。
生态足迹理论是加拿大生态学家REES[2]在20世纪90年代提出的，此理论主要用来定量衡量资源的可持续利用情况，主要涉及耕地、草地、森林、化石能源用地、建筑用地和水域6种土地账户。HOEKST等[3]在生态足迹理论基础上提出的水资源生态足迹是区别于上述6种账户的第7类账户，即用生产用地面积衡量一个地区人口或经济的水资源消耗及污水吸收水平，由此判断水资源生态生产面积是否在该区域的生态承载力范围内。国内有大量学者采用这种方法对我国江苏省[4]、延边州[5]等部分省市(州)的水资源生态足迹进行计算分析。黄河流域甘肃段城市群位于黄河流域上游地区，农业用水占总用水量的70.48%，是典型的以农业用水为主的区域。该地区降水稀少，水资源蒸发量大，再加上频繁的人类活动，使得本就脆弱的水生态环境面临的发展问题更加尖锐。因此，基于生态足迹理论，本研究将黄河流域甘肃段城市群拟定为研究区，对2008—2018年间九座城市总体水资源利用水平及其变化趋势进行分析，总结评价该地区水资源的利用情况，以期为该地区缓解水生态压力问题提供理论参考。
1 研究区域概况
黄河流域甘肃段位于黄河流域上游，是我国黄河流域颇为关键的水源涵养区。黄河在甘肃省的干流部分处在东经101°02′～104°43′、北纬33°20′～37°20′之间，干流长度为913 km。黄河及其支流共流经甘肃省9个市级单位，分别为兰州市、白银市、天水市、定西市、庆阳市、平凉市、武威市、临夏州、甘南州，九市州面积共计约1.86×105km2，占全省总面积的41%[6]。区域降水量较少，年降水量433.42 mm，此外降水在时空分布上也存在较大差异。区域地势整体呈现西高东低，有多处特殊地势，其中甘南高原区是黄河上游重要的水源补给区，陇东和陇中黄土高原区水土流失问题严重，每年有大量泥沙混入黄河。甘肃狭长的地形使得研究区域包含多种气候类型，自西向东包括温带大陆性干旱区、中温带半干旱区、冷温带半湿润区。由于地形的影响，研究区域的气候有较为敏感的特点。
2 研究方法和数据来源
2.1 研究方法
2.1.1 水资源生态足迹模型
水资源生态足迹主要反映人类在生产生活过程中对水资源的消耗水平。为了解黄河流域甘肃段城市群的水资源生态足迹分布，本文根据已有研究，考虑到水户特性，设立了生产用水、生活用水以及生态用水3种二级水足迹账户，二级账户又下设若干三级账户[7]。水资源生态足迹的计算模型如(1)式所示。
F=γ×(W/P),
(1)
其中，F表示水资源生态足迹的总量(hm2)；γ表示水资源全球均衡因子；W表示水资源消耗量(m3)；P为全球水资源平均生产能力(m3/hm2)。参考相关研究[8]，将γ赋值5.19，P赋值为3 140 m3/hm2。
2.1.2 水资源生态承载力模型
水资源生态承载力是对某一区域在一定的历史发展阶段，其水资源最大供给量满足该区域生产、生活和生态可持续发展能力的评价指标[9]。这一指标是对水资源供给情况的反映，计算模型如(2)式所示。
(2)
其中，C表示水资源生态承载力(hm2)；Q为区域水资源总量(m3)；φ为区域水资源产量因子，计算模型如(3)式所示。
(3)
其中，O为统计时间内水资源生产值(m3/hm2)；V为统计时间内区域的水资源总量(m3)；S为区域总面积(km2)。研究区域多年产量因子具体数值如表1所示。
表1 研究区域2008—2018年产量因子
2.1.3 水资源生态盈亏模型
水资源生态足迹是衡量人类活动所消耗的水资源水平，水资源生态承载力则是反映能为人类活动所需而提供的水资源量。这两组数据具有相同的单位，相减便可得到资源供需状态，反映出人类对水资源的利用是否合理[10]，计算模型如(4)式所示。
D=C-F,
(4)
其中，D>0表示水资源处于盈余状态，即研究区域水资源充足，有利于区域经济的发展；D<0为水资源出现生态赤字情况，表示研究区域的水资源量存在短缺问题；D=0意味着水资源利用恰好处于盈亏平衡状态。
2.1.4 水资源压力指数模型
水资源生态压力指数用来判定区域水资源的健康可持续状态，其数值可以反映区域经济模式对区域水资源的压力强度[9]，其计算模型如(5)式所示。
(5)
其中，R表示区域水资源生态压力指数。0
2.1.5 水资源可持续利用指数模型
水资源可持续利用指数用来表示某一区域在一定时期内，水资源长期供给力能够满足区域经济运转对水资源的需求量[11]。计算模型如(6)式所示。
(6)
其中，S表示可持续利用水资源指数，取0.5为该指数平衡点。S<0.5表明区域水资源利用呈现生态赤字，水资源利用处于危险、不可持续状态；S>0.5表明该区域水资源利用出现盈余，水资源利用可保安全、可持续利用；当S=0.5时，表明该区域水资源利用恰好处在盈亏平衡状态。S值越大，水资源利用就会有越高的可持续状态。
2.1.6 万元GDP水资源生态足迹模型
万元GDP水资源生态足迹是衡量区域淡水资源可持续发展的重要指标。其值越大，水资源利用效率越低；其值越小，水资源利用效率越高[12]。计算模型如(7)式所示。
(7)
其中，E代表万元GDP水资源生态足迹(hm2)；N为统计时间内区域生产总值(万元)。
2.2 数据来源
本文研究所需的水资源相关数据主要来源于《甘肃省水资源公报(2008—2018)》及《中国水资源公报(2008—2018)》，人口数量以及GDP数据来源于《甘肃统计年鉴(2008—2018)》，基本数据见表2。
3 结果与分析
通过对研究区域相关数据及运用相关模型分析得出 2008—2018年甘肃省黄河流域城市群的水资源利用情况。
3.1 水资源生态足迹分析
研究区域水资源生态足迹的变化趋势见图1。2008—2018年，区域的整体水资源生态足迹呈现出逐步下降趋势，年均值为968.37万hm2，最大值为2008年的1 051.39万hm2，最小值为2018年的902.13万hm2，年均降幅达到1.52%。这说明在统计时间段内，该区域城市整体水资源利用效率显著提高。在水资源账户中，农业用水生态足迹的年均值为682.48万hm2，占比高达70.48%，这表明该区域农用水是水资源生态足迹的主体部分，农业用水生态足迹整体呈现平稳下降趋势，这反映了该区域在节水灌溉、合理利用雨水等方面取得良好成效；工业用水足迹多年均值占比为15.20%，开始阶段呈现上涨趋势，自2011年以来，工业用水足迹呈现稳定下降趋势，这是因为2011年甘肃省政府开始推行工业节水工作，研究区域以工业为主的城市在生产技术改进、淘汰高耗水落后产能、水生态保护意识增强等方面取得了一定成效，工业用水量随之不断减少；建筑业与服务业用水整体占比较小，多年占比均值为3.47%，但建筑业与服务业账户水资源生态足迹涨势明显，11年间整体涨幅达74.03%，这与研究区域加速推进城镇化进程、积极发展第三产业有密切联系；生活用水在水资源生态足迹中的占比略少，多年占比均值为8.04%，在2013年生活用水出现过短暂下降，不过近年来上升趋势明显，这是城市人口增加和居民生活水平改善所引起的变化；生态用水足迹均值占比最小，为2.82%，自2013年短暂下降后逐年持续上升，说明研究区域对生态环境的保护力度不断加大。
图1 研究区域水资源生态足迹变化趋势
图2 研究区域水资源生态承载力和历年降水量之间的关系
3.2 水资源生态承载力分析
如图2所示，研究区域水资源生态承载力较低，多年均值仅为250.36万hm2，落后于同属黄河流域的陕西省[13]。研究区域水资源生态承载整体呈现波动起伏状况，但在2016年后涨势明显出现较大年际差，2018年涨幅达到147.44%。由图2可知，研究区域水资源生态承载力与年降水量的变化趋势十分接近。经过相关性分析，研究区域的水资源历年生态承载力与历年降水量有显著正相关关系，相关系数达到0.902，说明研究区域的水资源生态承载力受年降水量的影响较大。
3.3 水资源生态盈亏分析
由图3可知，在研究时间内研究区域的生态赤字严重，且持续波动变化，平均赤字高达718.01万hm2，赤字最大值为2008年的882.41万hm2，最小值为2018年的342.08万hm2。导致这一现象出现的原因是研究区域可用水资源总量较少，再加上生产生活等账户的正常运行需要大量的水资源，供需矛盾加剧。此外，研究区域以干旱半干旱气候为主，年降水量较低再加上各项活动的不合理消耗利用及水资源的严重浪费也是造成赤字的重要原因。2016年，甘肃省水利厅开展节水管理强化工作。在一系列政策的支持下，同年赤字开始下降。经过2016—2018年的持续节水管理工作，2018年研究区域距离水资源生态盈亏平衡点虽仍有一定差距，但赤字状态已得到较大程度的缓解，可知近年来该区域在控制水资源消耗、完善水资源利用结构等方面取得了显著成效。
图3 研究区域水资源生态盈亏变化趋势图4 研究区域生态压力指数变化趋势
3.4 历年水资源生态压力指数分析
由图4可知，研究区域在2008—2018年水资源生态压力指数波动较大，且在统计时间内全时段高过水资源生态供需均衡点。生态压力指数最低值为2018年的1.61，最高值为2016年的7.31，历年平均值为4.71，远远高于全国平均水平[14]。按照赵先贵等[15]的生态压力指数划分标准，研究区域的水资源可持续利用水平已经处于极不安全状态，这说明该地区水资源开发利用安全程度极低，水生态环境处于危险状态。
3.5 水资源可持续利用分析
由图5可知，研究区域在2008—2018年的水资源可持续利用指数偏低，整体位于可持续利用的水资源平衡点基准线以下。结合计算模型可知，在生态足迹变化相对稳定的情况下，研究区域生态承载力的强度对水资源可持续利用指数起到主要的影响作用，根据图2和图5的曲线运动规律，不难发现两种指标有十分接近的曲线运动轨迹。参考于航等[16]的划分标准，对研究区域2008—2018年的水资源可持续利用等级进行归纳：2008—2011年、2014—2017年，共计8个年度的水资源可持续利用指数小于等于0.20，表现为强不可持续状态；2012和2013年的水资源可持续利用指数处在0.20～0.34之间，表现为中不可持续状态；2018年的水资源可持续利用指数在0.35～0.49之间，表现为弱不可持状态。整体来说，研究区域有较大的生态压力指数，水资源利用情况整体处于不可持续状态。
图5研究区域水资源可持续利用指数变化趋势图6 研究区域、甘肃省和全国万元GDP水资源生态足迹变化趋势
3.6 万元GDP水资源生态足迹分析
如图6所示，研究区域在2008—2018年，万元GDP水资源生态足迹呈逐年下降趋势，年平均降幅达到11.44%。这说明研究区域水资源利用效率逐渐提高，水资源不合理消耗减少。以全国万元GDP水资源生态足迹为参照(数据来源于《中国水资源公报(2008—2018)》)，研究区域水资源生态足迹整体略高于全国平均水平，说明研究区域的水资源利用情况在全国处于相对落后状态。另外，研究区域万元GDP水资源生态足迹明显低于甘肃省整体水平，说明研究区域的用水效率和用水结构明显优于省内其他地区；此外，甘肃全省万元GDP水足迹也在持续下降，这得益于甘肃省政府对节水工作的重视和对节水办法监督力度，但甘肃省万元GDP水足迹与全国相比仍显落后，这与部分城市生产账户用水量大且用水效率低下有直接关系。
4 结论
通过对黄河流域甘肃段核心城市区水资源利用情况的分析，得出如下结论。
(1)2008—2018年，研究区域水资源的需求大于供给，生态足迹常年高于水资源生态承载力，该区域水资源呈现生态赤字，使得研究区域水资源出现不可持续的状态。虽然研究区域水资源呈现生态赤字的状态，但随着时间的推移，生态赤字逐年稳定下降，这说明水资源可持续利用程度整体得到提高。
(2)水资源生态足迹呈现逐年下降趋势。究其原因主要为甘肃省节水灌溉技术的推广、农业用水体系的不断完善以及增强工业用水清洁循环等措施的实施，这些措施使生产账户的水资源利用效率得到提高，不合理用水量不断减少。所以要提高研究区域水资源的有效利用，必须在合理增加水资源投入量的同时改善污水治理系统。
(3)通过总结三级水账户用水信息，可知研究区域水资源利用中农业用水是占比最高的三级账户，工业用水的比重紧随其后，两者共计达到总用水足迹的85.68%，这种高额用水状况是造成水资源生态赤字、高水资源生态压力指数以及低水资源可持续利用指数的重要原因。因此，相关部门需要对产业用水结构进行优化调整，减少由于水浪费现象而造成高额水足迹的个别用水账户，最终提高水资源的利用效率。
(4)研究区域万元GDP水资源生态足迹呈现下降趋势，接近于全国平均水平。这说明研究区域在改善用水结构和提升用水效率方面取得了一定成效，但考虑到研究区域水资源总量较少，且水资源可持续利用指数一直低于平衡点，为了进一步实现研究区域可持续发展目标，仍然需要加强节水强化工作，建立科学完善的水资源利用体系。
综上所述，黄河流域甘肃段城市水环境安全状态比较差，但随着甘肃省水资源系列利用措施的实施，使得近年来水资源利用的各项指标显著改变。为了促进区域经济的可持续发展，对水资源利用效率的持续提高和水生态环境的持续改善依旧是研究区域需要重视的问题，这需要政府和企业加大技术资金投入，凭借科技的进步解决研究区域水资源可持续利用问题。
