沁蟒河流域水资源生态足迹时空变化特征及均衡性分析

张 羽，左其亭，曹宏斌，白西杰，杨振龙

(1.郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；2.河南省豫北水利工程管理局，河南 新乡 453002；3.河南水投小浪底北岸灌区工程有限公司，河南 郑州 450004)

1 研究背景

国家发展改革委2019年发布的《国家节水行动方案》中指出，我国大多数城市和地区面临着不同程度的缺水，并且造成了大量经济损失。在黄河流域等一些水资源供需矛盾突出的地区，水资源短缺问题已经成为阻碍地区实现高质量发展的主要问题之一。沁蟒河流域自然资源丰富、能源产业发达、高耗水行业集中，是黄河流域水资源供需矛盾突出的典型地区。因此，对沁蟒河流域水资源可持续利用状况进行评估，能够为黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施提供范例。

生态足迹理论最早由加拿大生态学家Rees于1992年提出，而后Wackernagel等[1]对该理论进行了完善，因其具有较强的可操作性且仅需较少资料就能对区域生态环境状况进行评估而被广泛应用。水资源生态足迹模型常被应用于评估区域水资源可持续利用状况或水资源承载力。如门宝辉等[2]基于生态足迹理论对北京市水资源承载力进行了评估，并利用GRNN模型对ARIMA模型进行改进，提高了预测生态足迹的准确性；张义敏等[3]基于生态足迹理论，将水资源生态足迹分为生产、生活、生态3个方面，对广东省及珠三角9市水资源可持续利用状态进行了评估；Chen等[4]基于水-碳-生态足迹构建了区域资源环境压力评价方法，相较于构建指标体系的资源环境压力评价方法，其受主观因素的影响较小；黄佳等[5]在水资源生态足迹模型的基础上引入了水资源负载指数，能够更加直观地反映区域水资源的利用状况；焦士兴等[6]在分析水资源生态足迹的基础上，结合Kaya恒等式与LMDI分解模型，对中原城市群水资源生态足迹驱动因素进行了深入分析。

推进实施黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略，必须贯彻落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路。所谓“空间均衡”是指在空间上的一种相对稳定的平衡状态[7]。长期以来，由于不同地区自然气候条件、地理区域位置、经济发展规模存在差异，我国水资源空间不均衡问题一直存在。因此，为了使水资源利用与经济社会发展规模相适应，亟须对水资源空间不均衡问题进行深入研究。如左其亭等[8]对黄河沿线9省区水资源生态足迹进行了公平性分析；陈义忠等[9]基于基尼系数对长江中游城市群水-碳-生态足迹变化进行了均衡性分析；杨一旸等[10]利用基尼系数对长江中游城市群三维生态足迹进行了平衡性分析；杨屹等[11]采用基尼系数、经济贡献系数与生态承载系数相结合的方法分析了丝绸之路沿线省份水资源生态足迹的公平性。由上述内容可知，目前关于水资源生态足迹及均衡性的研究已经十分深入，但对于全面分析水资源生态足迹的均衡性以及影响均衡性的组内差异与组间差异的相关研究较少。

基于上述背景，本文利用水资源生态足迹模型计算2010-2019年沁蟒河流域涉及的5个地级行政区的水资源生态足迹，采用泰尔指数分析研究区域水资源生态足迹与粮食作物播种面积、第二产业增加值、常住人口之间的均衡性，并计算了影响水资源生态足迹均衡性的组内差异与组间差异，为沁蟒河流域实现水资源可持续利用及制定高质量发展战略提供了依据与建议。

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区概况

沁蟒河流域位于山西省南部与河南省西北部，流域面积为14 735 km2，其中山西省境内12 304 km2，占全流域面积的83.5%，河南省境内2 431 km2，占全流域面积的16.5%。该流域涉及的地级行政区主要有长治市、临汾市、晋城市、焦作市和济源市(图1)。沁蟒河流域地处副热带季风区，大陆性季风气候显著，四季分明。受季风环流影响，流域降雨年内分布极不均匀，主要集中在7-8月。2019年沁蟒河流域涉及的地级行政区总人口为1 484万人，人均GDP为6.15万元，低于全国平均水平(7.09万元)。流域自然资源十分丰富，煤炭业较为发达，素有“煤铁之乡”之称，是全国重要的能源基地和化工原料基地之一，但由于高耗水型行业集中，又面临着严重的水资源短缺问题，属于典型的资源型缺水。

图1 沁蟒河流域概况图

2.2 数据来源

本文水资源总量、用水总量等数据来自2010-2019年山西省及河南省的《水资源公报》；粮食作物播种面积、第二产业增加值、常住人口等数据来源于2010-2019年《山西省统计年鉴》及《河南省统计年鉴》。

3 研究方法

3.1 水资源生态足迹模型

水资源生态足迹是指人类生产生活及自然环境维持自身进化所消耗的水资源[8]。在计算时，根据用水特性和用水消费群体的不同，将水资源划分为农业、工业、城乡生活环境3个子账户，水资源生态足迹(water resources ecological footprint,WEF)计算式[12]如下：

(1)

式中：WEF为区域水资源生态足迹总量，hm2；WEFk为区域各子账户水资源生态足迹，hm2；N为区域常住人口数；wefk为区域各子账户人均水资源生态足迹，hm2；γ为水资源全球均衡因子；Qk为区域各子账户用水总量，m3；P为水资源全球平均生产能力，m3/hm2。

万元GDP水资源生态足迹用以评估区域水资源的利用效率，其计算式[13]如下：

EGt=EFt/Gt

(2)

式中：EGt为第t年万元GDP水资源生态足迹，hm2；EFt为第t年水资源生态足迹，hm2；Gt为第t年地区生产总值，104元。

水资源生态承载力(water resources ecological carrying capacity,WEC)用来反映区域水资源对于区域经济社会及生态环境的支撑能力，其计算式[14]如下：

WEC=N·wec=(1-β)·φ·γ·(W/P)

(3)

式中：WEC为区域水资源生态承载力，hm2；N为区域常住人口数；wec为区域人均水资源生态承载力，hm2；W为区域水资源总量，m3；φ为水资源产量因子；区域水资源利用需要预留60%的水量用于维持生态环境，故取β为0.4[15]。

水资源生态盈亏指数(water resources ecological profit and loss index,WEB)用来衡量区域水资源供需平衡状况，为水资源生态承载力与水资源生态足迹的差值，具体计算式[16]如下：

WEB=WEC-WEF

(4)

根据水资源生态盈亏指数值，将区域水资源供需平衡划分为3种状态：当WEB>0时为“生态盈余”状态；当WEB=0时为“生态平衡”状态；当WEB<0时为“生态赤字”状态。

3.2 水资源生态足迹相关参数的确定

水资源生态足迹模型中所需参数主要有水资源全球均衡因子γ、水资源全球平均生产能力P以及水资源产量因子φ。根据黄林楠等[17]的研究，选取γ=5.19、P=3 140 m3/hm2，φ根据沁蟒河流域所涉及的5个地级行政区2010-2019年的相关数据，按公式(5)计算：

(5)

3.3 计算指标选取

为分析沁蟒河流域不同子账户水资源生态足迹的均衡性，应根据不同水资源子账户类型，分别选取能表征农业方面、工业方面、城乡生活环境方面的指标进行均衡性分析，根据水资源利用与经济社会发展的相互作用关系，反映出水资源生态足迹均衡性计算结果的真实性及合理性。农业生态足迹子账户方面，粮食作物播种面积可以表征农业生产经济效益，亦能够表现出生态系统所提供的自然资源；工业生态足迹子账户方面，第二产业增加值能够直接反映出工业生产经济效益；城乡生活环境生态足迹子账户方面，常住人口直接影响着生活用水量，且与生态环境用水量存在间接关系。基于此，选取粮食作物播种面积、第二产业增加值、常住人口分别作为农业、工业、城乡生活环境生态足迹子账户均衡性计算的对应指标。

3.4 泰尔指数

泰尔指数(Theil index)最初是由泰尔计算收入平等性而得名[18]。泰尔指数不仅可计算不同组的组间差异，亦可计算组内不同群体的差异，能够更全面地反映区域之间的不均衡性，因此被广泛应用于各个领域[19-21]。基于此，利用泰尔指数对沁蟒河流域水资源生态足迹进行均衡性分析。泰尔指数值越小，说明区域内资源配置越均衡。将沁蟒河流域分为山西省沁蟒河流域和河南省沁蟒河流域，以方便计算其组间差异。山西省沁蟒河流域包括长治市、临汾市、晋城市3个地级行政区；河南省沁蟒河流域包括焦作市、济源市2个地级行政区，分别计算其组内差异。具体计算式[22]如下：

Tα=GS·ln(GS/RS)+GH·ln(GH/RH)

(6)

(7)

T=Tα+Tβ

(8)

式中：Tα和Tβ分别为组间差异和组内差异；T为泰尔指数；GS和GH分别为山西省和河南省沁蟒河流域占沁蟒河流域水资源生态足迹总量的比重；NS和NH分别为山西省和河南省沁蟒河流域的地级行政区数量；Gi为地级行政区i占沁蟒河流域水资源生态足迹总量的比重；RS和RH分别为山西省和河南省沁蟒河流域某项指标占沁蟒河流域该指标的比重；Ri为地级行政区i某项指标占沁蟒河流域该指标的比重。

4 结果与分析

4.1 沁蟒河流域水资源生态足迹

4.1.1 人均水资源生态足迹 根据公式(1)计算2010-2019年沁蟒河流域5个地级行政区人均水资源生态足迹及其多年平均变化率和2010-2019年沁蟒河流域各子账户人均水资源生态足迹，结果如图2、3所示。

图2 2010-2019年沁蟒河流域5个地级行政区人均水资源生态足迹及其多年平均变化率

由图2可以看出，沁蟒河流域各地级行政区人均水资源生态足迹之间存在较大差异。其中山西省的长治市、临汾市、晋城市人均水资源生态足迹相对较低，2010-2019年各年份人均水资源生态足迹在0.2～0.4 hm2之间；河南省的焦作市和济源市人均水资源生态足迹相对较高，总体在0.5～0.7 hm2之间。2010-2019年，长治市、临汾市、晋城市人均水资源生态足迹变化过程大体相同，均呈先增大、后减小、再趋于平稳的趋势，多年平均变化率分别为1.9%、1.63%、0.38%；焦作市人均水资源生态足迹呈减小趋势，2010-2019年减小了0.033 hm2，多年平均变化率为-0.43%，说明近年来国家节水行动取得了一定成效，节水意识不断增强，水资源利用水平得到提高；济源市人均水资源生态足迹变化相对较大，多年平均变化率达到2.4%，总体呈波动变化，人均水资源生态足迹在2011年达到最低，仅为0.497 hm2，在2013年达到最高，为0.694 hm2，虽在2016年再减小至0.498 hm2，但随后呈现逐年增长的趋势，主要原因是相对于沁蟒河流域涉及的其他地级行政区而言，济源市的城市规模较小，受行业波动和政策影响较大，因此人均水资源生态足迹年际变化较大。

由图3可以看出，沁蟒河流域人均农业生态足迹在人均水资源生态足迹中所占比重较大，各年份占比均高达50%以上。2010-2019年人均农业生态足迹基本保持稳定，总体在0.20～0.25 hm2之间。人均工业生态足迹呈减小趋势，从2012年的最高值0.13 hm2减小至2019年的0.10 hm2，所占比重从2010年的29%降低至2019年的23%。近年来，沁蟒河流域扎实推进产业转型，各地级行政区能源、化工等支柱产业逐渐减少，因此人均工业生态足迹所占比重降低，随着光能、核能等新型清洁能源所占比例的上升，预计沁蟒河流域人均工业生态足迹所占比重将会进一步降低。人均城乡生活环境生态足迹在2010-2019年间呈增大趋势，从2010年的0.06 hm2增大至2019年的0.11 hm2，所占比重从2010年的16%上升至2015年的18%，再到2019年的22%，主要是因为国家大力提倡环境保护，加快了绿色城市的建设，如焦作等市由资源型城市积极向绿色城市转型[23]，因此人均城乡生活环境所占比重逐渐增大。随着黄河流域生态保护与高质量发展国家重大战略的实施，预计未来沁蟒河流域人均水资源生态足迹的构成会更加合理。

图3 2010-2019年沁蟒河流域各子账户人均水资源生态足迹

4.1.2 万元GDP水资源生态足迹 根据公式(2)计算的沁蟒河流域5个地级行政区2010-2019年万元GDP水资源生态足迹如图4所示。

图4 2010-2019年沁蟒河流域5个地级行政区万元GDP水资源生态足迹

由图4可见，2010-2019年沁蟒河流域5个地级行政区万元GDP水资源生态足迹均呈减小趋势。近年来，由于流域内产业结构转型升级以及新型节水技术与企业节水管理体制的实施，促进了用水效益与水资源利用率不断提高，但与国内发达地区相比仍有一定差距[24]。沁蟒河流域5个地级行政区万元GDP水资源生态足迹差异较小，2010-2019年万元GDP水资源生态足迹均值按降序依次为焦作市(0.123 hm2)、临汾市(0.104 hm2)、济源市(0.084 hm2)、长治市(0.071 hm2)、晋城市(0.070 hm2)，其中焦作市万元GDP水资源生态足迹相对较大，2010年达到0.174 hm2，随后呈现逐步减小趋势，2018年减小至0.088 hm2；长治市、晋城市万元GDP水资源生态足迹相对较小，说明该两市水资源利用效率与用水效益相对较好。总体来看，2010-2019年沁蟒河流域5个地级行政区万元GDP水资源生态足迹逐步减小，其中焦作市、济源市万元GDP水资源生态足迹减小幅度最大，分别减小了0.051、0.050 hm2,主要是因为沁蟒河流域大力推动产业转型，用水方式由粗放式增长向高效节约转变，用水效率逐步提高[25]。

4.1.3 水资源生态承载力 根据公式(3)计算的2010-2019年沁蟒河流域5个地级行政区人均水资源生态承载力见图5。

图5 2010-2019年沁蟒河流域5个地级行政区人均水资源生态承载力

如图5所示，2010-2019年沁蟒河流域5个地级行政区人均水资源生态承载力存在一定差异。临汾市人均水资源生态承载力较小，且年际变化不大，总体呈现稳定趋势。济源市、晋城市人均水资源生态承载力相对较高，但波动较大，济源市2011年达到最大值，为0.205 hm2；晋城市2016年增大至0.191 hm2，但在2019年又减小至0.091 hm2。水资源生态承载力主要由当地水资源量确定，受降雨、蒸发等气象要素影响较大，因此，在面积较大的地级行政区，人均水资源生态承载力年际变化相对较小，反之，年际变化相对较大。

4.1.4 水资源生态盈亏状况 由公式(4)可计算出2010-2019年沁蟒河流域5个地级行政区的水资源生态盈亏状态，其中2010、2015及2019年各地级行政区的人均水资源生态盈亏指数见图6。2010-2019年，沁蟒河流域5个地级行政区的生态盈亏指数均小于0，即均处于“生态赤字”状态，并且“生态赤字”状态呈逐步加重的趋势。说明随着经济社会的发展，沁蟒河流域虽然在产业转型和节水意识方面有所好转，但亟需调整经济发展规模、加强节水技术的普及，坚持“四水四定”原则，以期达到流域水资源生态平衡及生态盈余状态。

图6 2010、2015及2019年沁蟒河流域5个地级行政区人均水资源生态盈亏指数

由图6可以看出，沁蟒河流域5个地级行政区的水资源生态盈亏状况差异较大，河南省焦作市和济源市的生态赤字状况相对严重，2010、2015年焦作市生态赤字状况最严重，人均生态赤字分别达到0.527、0.529 hm2；2019年济源市生态赤字状况最严重，人均生态赤字达到0.536 hm2，水资源状态处于较不可承载状态。主要是因为2017年济源市被确定为国家产城融合示范区，工业经济发展迅速，工业用水量上升，造成生态赤字状况比较严重。山西省沁蟒河流域3市的人均水资源生态盈亏指数均在-0.1～-0.3 hm2之间，其中长治市与晋城市的生态盈亏状态较为相似，生态盈亏状况相对较好。

4.2 沁蟒河流域水资源生态足迹均衡性分析

4.2.1 不同子账户泰尔指数 表2为根据公式(6)～(8)计算的2010-2019年沁蟒河流域不同子账户泰尔指数。

表2 2010-2019年沁蟒河流域各子账户泰尔指数

由表2可知，2010-2019年沁蟒河流域泰尔指数呈现先减小后平稳的变化趋势，各子账户泰尔指数之和从2010年的0.273减小至2014年的0.178，2015年小幅度提升至0.188，随后基本保持稳定。在各子账户中，代表农业生态足迹的粮食作物播种面积的泰尔指数较大，说明沁蟒河流域农业生态足迹不均衡性相对较大，但其不均衡性呈现缓和趋势，泰尔指数从2010年的0.167减小至2019年的0.113；代表工业生态足迹的第二产业增加值的泰尔指数较小，年际间呈现先减小后增大的趋势，从2010年的0.041减小至2014年的0.018，随后又增大至2019年的0.037；代表城乡生活环境生态足迹的常住人口的泰尔指数亦呈先减小后增大的趋势，从2010年的0.064减小至2015年的0.028，随后稳步增大，2019年时增大至0.052。首先，在临汾市和晋城市等粮食作物播种面积较大的城市，新型节水灌溉技术未能全面普及，造成沁蟒河流域农业生态足迹均衡性较差，随着节水灌溉技术普及率的提高，预计沁蟒河流域农业生态足迹均衡性将会进一步提升；其次，沁蟒河流域各地级行政区工业产业虽然均以能源、化工产业为主，但发展水平存在一定差异，且2011年国家实施水价改革[26]，如焦作市等高耗水型产业密集城市工业用水量减少，促进了工业生态足迹的均衡性。

4.2.2 组间差异与组内差异 表3为根据公式(6)～(8)计算的2010-2019年沁蟒河流域水资源生态足迹泰尔指数的组间差异和组内差异及两者的贡献率。

由表3可知，2010-2019年间，沁蟒河流域组间差异和组内差异贡献率发生了显著变化。2010-2014年组间差异占据主要地位，其贡献率在53.62%～79.06%之间波动变化；2015-2019年组内差异贡献率超过组间差异贡献率。总体来看，组间差异贡献率从2010年的69.69%降低至2019年的43.49%，组内差异贡献率从2010年的30.31%上升至2019年的56.51%。主要有两方面原因，一是近年来山西省积极进行产业转型取得了一定成效，使组间差异逐渐减小；二是济源市加快产业转型，大力发展高新产业，加大了河南省沁蟒河流域的组内差异，从而使沁蟒河流域泰尔指数组内差异贡献率增加。

表3 2010-2019年沁蟒河流域水资源生态足迹泰尔指数的组间差异和组内差异及两者的贡献率

5 讨 论

虽然沁蟒河流域正在积极推动产业结构调整、加快能源节约型城市建设，但其水资源生态足迹仍呈缓慢上升趋势，水资源生态赤字状况日趋严重，这与左其亭等[8]、贾陈忠等[27]对于山西省与河南省的水资源生态足迹的研究结果总体上相符合。说明沁蟒河流域仍存在整体节水意识不强、水资源利用与经济社会发展规模不相协调等问题。因此，沁蟒河流域各地级行政区应做好节水管理，尝试利用水价的杠杆作用，合理确定用水定额，采用水资源税改革等方式，倒逼节水意识的提升，充分协调水资源利用与经济发展规模之间的关系。2010-2015年，沁蟒河流域泰尔指数呈波动变化的趋势，2016-2019年，泰尔指数稳定在0.356～0.397之间，其变化趋势与组内差异的变化趋势存在一定程度的一致性，说明组内差异变化是导致泰尔指数发生变化的主要因素。因此，为了使沁蟒河流域的水资源达到空间均衡状态，山西与河南两省的沁蟒河流域应落实“四水四定”原则，根据所涉及的省内不同城市发展情况与产业基础，在推进产业转型的同时，加快科技创新、发展高新特色产业。

以往研究大多采用基尼系数评估区域水资源生态足迹的均衡性，侧重于从整体上探究水资源生态足迹与经济社会发展特征指标之间的关系。相较于基尼系数方法，本文采用泰尔指数计算水资源生态足迹的空间均衡性，通过计算组间差异与组内差异，明晰了二者贡献率变化的原因，较为全面地分析了造成区域水资源生态足迹不均衡的原因。但泰尔指数方法目前缺少准确的状态判别标准，不能直接反映出区域所处的均衡状态。故对泰尔指数划定准确的阈值范围以判定研究区域的均衡状态，能够有效提升泰尔指数的适用性，便于为实现水资源空间均衡提出更加科学的决策依据与建议。

6 结 论

本文利用水资源生态足迹模型计算2010-2019年沁蟒河流域5个地级行政区水资源生态足迹，并利用泰尔指数对沁蟒河流域各地级行政区水资源生态足迹的均衡性进行分析，得出以下结论：

(1)沁蟒河流域各地级行政区人均水资源生态足迹存在一定差异，其中焦作市、济源市人均水资源生态足迹较高；长治市、临汾市、晋城市人均水资源生态足迹相对较低。济源市、晋城市的水资源生态承载力相对较高，临汾市水资源承载力相对较低且2010-2019年均处于较低水平。2010-2019年沁蟒河流域各地级行政区均处于生态赤字状态，其中济源市的生态赤字状况最为严重。

(2)农业生态足迹的不均衡性较大，但呈现逐渐下降的趋势。组间差异贡献率逐步降低，且组内差异贡献率逐渐超过组间差异贡献率，组内差异的变化是影响沁蟒河流域水资源均衡性的主要因素。

(3)沁蟒河流域各地级行政区的水资源可持续利用状况近年来虽然有所改善，但水资源仍处于较不可承载状态。为了能够更好地推进黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施，推动中原城市群建设，必须尽快调整产业结构，加强用水管理，提高节水意识，使沁蟒河流域各地级行政区能够尽快实现水资源可持续利用，并及时制定地区高质量发展战略。