黄河中游（禹门口—汾河入黄口）区域水资源生态赤字的动态研究

李睿佳，宋厚娟，赵冰清，郝 婧，郭东罡

（1.山西大学环境与资源学院，山西太原030006；2.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京100083）

黄河中游（禹门口—汾河入黄口）区域水资源生态赤字的动态研究

李睿佳1，宋厚娟1，赵冰清2，郝 婧1，郭东罡1

（1.山西大学环境与资源学院，山西太原030006；2.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京100083）

水资源是人类生存的根基，它关系着人类的生存发展以及一切经济活动。黄河中游（禹门口—汾河入黄口）作为黄河三角洲重要的农业生产区与能源供应基地，其区域水资源生态足迹与生态赤字具有十分重要的研究意义。基于生态足迹的相关理论，采用Pearson相关性检验，探究农业产业和生态足迹之间的关系。结果显示，虽然临猗县的生态赤字伴随着其农业用水量的降低而降低，但是由于在其产业比例关系中，农业所占比例非常大，因而在3个研究县市里，其生态赤字情况最为严重；并就如何改善水资源生态赤字进行了讨论，提出建议。

水资源；生态足迹；生态赤字

水资源是人类文明的源泉，与人类的生存、发展和一切经济活动密切相关[1]。随着社会经济的快速发展，水资源问题日渐严重，已成为制约许多地区实现社会经济可持续发展的重要因素。其中，工农业用水量之大导致水资源紧缺及水环境恶化，长此以往，将会对人类自身生存造成威胁。因而，如何科学地解决水资源供需与社会经济发展之间的矛盾，合理利用水资源，实现社会、经济与生态环境的协调发展，是当前面临的重要课题之一[2]。

黄河中游流域地处我国腹心地区，是我国重要的农业生产区和能源供应基地[3]。随着黄河中游地区经济与社会的发展，流域水资源面临的诸多问题也日益严重，例如水资源匮乏、水质恶化、水生态功能退化等[4]。因此，如何优化流域区域经济发展模式，使水资源的经济效益与社会效益等最大化，成为解决水资源可持续发展这一问题的重要途径。

近年来，生态足迹理论的研究开始受到国内外学者的广泛关注，这是一种以可持续发展原则为基础的对资源利用进行分析的方法。该理论最早由加拿大经济学家WILLIAME REES提出，后来由他的博士生WAEKERNAGEL完善[5]。之后，在生态足迹理论的基础上，HOEKSTRA提出了水资源生态足迹的概念[6]。水资源生态足迹既可用来表示生产生活用水的足迹，也可表示水资源的生态功能足迹和水污染足迹[7]。

本试验将从这一概念出发，选取黄河中游流域部分县市，对其水资源生态足迹进行研究，以进一步探究生态赤字与产业模式之间的关系。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

黄河中游流域是指自内蒙古托克托县河口镇至河南郑州桃花峪间的黄河河段，本研究区域选取黄河中游（禹门口—汾河入黄口）河津市、临猗县及永济市的3个重要县市作为研究对象。这3个县市均位于山西省西南部，依次自运城市西北隅至运城市西南隅，地理坐标为110°15′～110°54′E，34°44′～35°17′N，气候均属暖温带大陆性气候，四季变化明显，春季温和，夏季炎热多雨，秋季凉爽，冬季干旱。年平均气温为14℃，年平均降水量为520 mm，霜冻期为10月下旬至次年3月下旬。其中，河津市的产业结构以工业为主，长期致力于建设工业强市；临猗县因其土壤肥沃，水利设备齐全，果业和农业在全国都非常有名，是著名的农业大县；永济市有着悠久的历史文化，其产业模式是工业与农业并重。

这3个研究区域的社会经济生产模式不同，具有良好的代表性以及重要的研究价值。

1.2 数据来源

各县市的工业用水量、农业用水量、城镇公共用水量、水资源总量、生态环境用水量、居民生活用水量等数据均来自2009—2014年《运城市水资源公报》[8]，社会经济数据来自2010—2015年《运城统计年鉴》[9]（表1～3）。

表1 河津市2010—2015年社会经济及用水量

表2 临猗县2010—2015社会经济及用水量

表3 永济市2010—2015社会经济及用水量

2 水资源生态赤字研究方法

20世纪90年代，加拿大经济学家WILLIAME REES提出了生态足迹法，之后其博士生WAEKERNAGEL将其进行了完善[10]。此方法是用来定量分析自然资源的可持续利用程度，一般用生产赤字和水资源生态盈余来衡量。如果某地区的水资源生态承载力足以承载该地区的生态足迹时，那么水资源就呈现盈余的状态，即该地区的水资源可以持续地利用，水资源可以满足这个地区的发展需要[11]。相反，如果某地区的水资源生态承载力不足以承载该地区的生态足迹，则说明这个地区的水资源处于生态赤字状态，即水资源的利用程度不高，不足以满足该地区的各种需要，或者该地区可能正在以破坏生态环境为代价来维持区域经济的发展，这样发展下去可能会影响到生态平衡。

2.1 水资源生态足迹计算

以生态足迹分析法为基础，水资源生态足迹理论是指一定区域内、一定的人口数量和社会经济条件下的水资源消费量，将其按照相应的比例换算成生物生产性面积，对其进行均衡化处理后可以得出全球范围内不同地区可比较的均衡值。水资源生态足迹计算模型[12]如下。

式中，EFw为水资源生态足迹（hm2）；N为人口数量；efw为人均水资源生态足迹（hm2/cap）；γw为水资源全球均衡因子；W为消耗的水资源总量（m3）；Pw为水资源全球平均生产能力（m3/hm2）。

依据用水特性以及水资源生态足迹的含义，将用水总量分为工业用水、农业用水、居民生活用水、城镇公共用水、生态环境用水5个二级账户，便于进行研究与计算。

2.2 水资源生态承载力计算

想要了解一个地区水资源的丰沛程度，可以从该地区的水资源储量来体现。从生态足迹理论中可以看出，水资源的生物生产能力是衡量水资源承载力的一个重要指标。换句话说，就是这个地区水资源能够承载的生物生存面积。水资源生态承载力的计算模型[13]如下。

式中，E Cw为水资源承载力（hm2）；ecw为人均水资源承载力（hm2/cap）；φw为水资源产量因子；Q为水资源总量（m3）。

水资源的合理开发利用率为0.4，这是由于当一个地区的水资源利用率高于40%时，生态环境会受到很大的影响，因此，必须扣除至少60%的水资源承载力，以确保生物多样性和对生态环境的保护[14]。

2.2.1 水资源产量因子 为了得到不同区域的水资源产量因子，先假定世界水资源产量因子为1，则各地区的水资源产量因子为该区水资源平均生产能力与世界水资源平均生产能力的比值，计算公式[15]如下。

式中，P为区域单位面积产水量。

图1和图2表明民乐铜矿区的火山岩类型主要为粗面玄武岩、玄武质粗面安山岩，文玉矿区则主要集中在粗面安山岩区间。总体上民乐地区北部火山岩与文玉矿区相似形成于三叠世中期和晚期；矿区南部的火山岩则富Na贫K。

2.2.2 水资源全球均衡因子 用生物生产面积的平均生态生产能力除以世界各类生物生产面积的平均生态生产能力即可得出某种生物生产面积的均衡因子。通常情况下，为了便于对比，在计算时通常选择世界自然基金会（WWF）2002年确定的水资源均衡因子，其值为5.19[15]。

2.3 水资源生态赤字、生态盈余

人类活动对水资源的消费情况可以通过水资源生态足迹来体现。水体能够为人类活动供应的水资源可以通过水资源生态承载力来体现。在计算时，它们的计量单位是一样的，因此可以直接进行比较，且得到的结果可以很直观地显现出该地区水资源能否承载人类活动对水资源的需求与利用。生态盈余或者赤字的计算模型[16]如下。

式（4）计算的结果如果是正数，则表示水资源呈赤字状态，这对于可持续发展是不利的；若是负数，则表示水资源呈盈余状态，这对于可持续发展是有利的；若为0，则表示水资源的利用刚好处于平衡状态。

2.4 水资源生态压力指数

一个地区或者国家的人均水资源生态足迹和人均水资源生态承载力的比值称为水资源生态压力指数，通常可以用来预测生态压力强度，并以指数形式测量一个区域的水资源安全等级。具体的计算公式[16]如下：

式中，E TIw表示水资源生态压力指数。依据等级划分标准，当ETIw＜0.5时，地区水资源开发在安全范围内；当0.5≤ETIw＜0.8时，地区水资源开发在较为安全的范围内；当0.8≤ETIw≤1.0时，地区水资源开发处于危险和安全的交界处；当ETIw＞1时，地区水资源开发状态极不安全。

2.5 万元GDP水资源生态足迹

万元GDP水资源生态足迹指的是区域水资源足迹和区域GDP的比值，该值能比较客观地衡量水资源的利用效率。具体的计算公式[17]如下。

万元GDP水资源生态足迹＝EFw/GDP （6）

由式（6）计算出的结果越大，则表示水资源利用率越低，反之，利用效率越高。一个地区或者国家的经济增长方式可以用这个指标来表征。

3 区域水资源生态足迹现状诊断

3.1 水资源生态足迹与生态赤字的动态变化

根据上述生态赤字研究方法，以表1，2，3数据为基础可计算出2010—2015年各县市的人均水资源生态足迹与水资源生态承载力（表4）。

表4 2010—2015年研究县市人均水资源生态足迹与承载力计算结果汇总

将3个研究县市的人均水资源生态足迹、人均水资源生态承载力与生态赤字的动态情况进行对比，其结果如图1所示。

由图1可知，河津市的水资源生态足迹在2010—2011年升高幅度较大，在2011—2015年比较稳定，变化幅度较小，在0.38～0.46 hm2/人波动，平均值为0.43 hm2/人；临猗县的水资源生态足迹在2009—2010年降低幅度较大，2010—2011年骤升至最大值（1.12 hm2/人），之后开始下降，平均值为0.81 hm2/人；永济市的水资源生态足迹在2010—2015年变化趋于平稳，在0.42～0.57 hm2/人波动，平均值为0.52 hm2/人。3个研究县市的生态承载力在核算期内的变化趋势大致相同，2010—2012年上升至最高点，2012—2013年骤降至最低点，如果水资源的量随时间分布不均，也就是一个地区的水资源生态承载力被植被、气象、水文、等自然条件所限制的结果。最大差额甚至可以达到0.14 hm2/人，2012年相比其他年份降水量较多，所以该年水资源生态承载力较高，最高达0.19 hm2/人。这3个县市的水资源生态赤字是依据水资源生态承载力和水资源生态足迹计算出来的，其大小分别是临猗＞永济＞河津。

3.2 生态压力指数与万元GDP水资源生态足迹的动态变化

以表4数据为基础，分析研究县市的生态压力指数与万元GDP水资源生态足迹的动态情况，结果如图2所示。

由图2，3可知，临猗县每年水资源生态压力指数整体上均高于其他2个县市，且波动幅度最大，在2012，2013年显著增高，最高达23.439；永济市次之，在2011—2012年波动幅度较大，最高达11.106；河津市的动态变化趋于平稳，在2.2～6.1范围内波动。临猗县每年的万元GDP水资源生态足迹均为最高，且波动幅度最大，最高达0.678 hm2/人；永济市次之，波动幅度较为平稳，在0.182～0.320 hm2/人范围内波动；河津市最低，且波动非常平稳，在0.081～0.099 hm2/人范围内波动。

3.3 水资源生态足迹的账户构成

各账户水资源生态足迹与其用水量呈正比，以表中数据为基础，可得各县市2009—2014年平均水资源生态足迹的账户构成（图4）。

从图4可以看出，农业用水是3个研究县市总水资源生态足迹的主要消耗者，其中，临猗县的农业用水生态足迹占总水资源生态足迹的比例最大，高达92%；永济市次之，所占比例为85%；河津市则相对较少，占55%。临猗县与永济市的农业用水均大大超过工业用水，河津市的工业用水则占据了34%的比例。城镇公共与居民生活的水资源生态足迹总和占总水资源生态足迹的5%～11%。生态用水水资源生态足迹占总水资源生态足迹的比例则趋于0。因此，可假设黄河中游流域的水资源生态赤字主要是由农业用水造成的。

4 讨论

根据中国科学院出版的《2015年中国可持续发展战略报告》，山西省水资源指数排名在全国排名第3位。依据国际标准，现阶段山西省人均水资源占有量小于500 m3。水资源不足，并且还有大于30%的衰减，对发展非常不利。

为了探究水资源生态足迹与各县市产业模式发展的关系，本研究进行了Pearson相关性检验，结果表明，生态足迹确实与农业产业存在稳定的正相关关系。结合相关图表可知，临猗县近几年随着农业用水量的稳步降低，其生态赤字也随着稳步降低，但因其仍在产业比例中占有很大比例，故生态赤字情况在3个研究县市里最为严重。生态压力指数也表明，黄河中游流域各县市的水资源开发价值不大，指数均远大于1，处于极度不安全状态。

按照目前的发展状况，降低生态赤字、实现可持续发展成为黄河中游流域各县市发展过程中的当务之急。生态赤字情况可从以下几方面改善：第一，加大农业节水力度，普及渠道防渗技术、低压管理喷灌技术等农业节水技术，减少水资源损失，发展高效性节水农业体系[18]；第二，进一步减少耕地面积，特别是要减少高耗水农作物种植面积；第三，人口的增长会导致水资源承载力负荷水平的降低，应适当加强人口控制，提高或稳定水资源生态承载力[19]；第四，调整各县市的产业政策，积极发展第三产业，实现产业模式转型发展，降低万元GDP水资源生态足迹，节约用水量。

综上所述，在流域各县市水资源生态承载力范围内，降低水资源生态赤字、缓解生态压力是黄河中游流域发展的必然选择。

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Dynamic Study of Regional Water Resources Ecological Deficit at the Middle Yellow River（from Yumenkou to the Entrance at Fenhe River）

LIRuijia1，SONGHoujuan1，ZHAOBingqing2，HAOJing1，GUODonggang1

（1.College ofEnvironmentand Resource Sciences，ShanxiUniversity，Taiyuan 030006，China；2.College ofLand Science and Technology，China University ofGeosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

Water resources is the foundation of human survival,which is greatly related to the development and all kinds of economics activities.Middle Yellow River（from Yumenkou to the entrance at Fenhe River）plays an important role in agriculture production and energy supply for the Yellow River Delta,so the water resources ecological footprint and ecological deficit of Middle Yellow Riveris worthy to research.This paperis based on some theories aboutecologicalfootprint,adopting the correlation testofPearson to find positive correlation between the agriculture and ecologicalfootprint.According to the research,although the ecological deficitof Linyi county shows a downward trend with decreasing agriculture water consumption,the agriculture accounted for the largest part for Linyi's economics.As a result,Linyineeds to face serious ecologicaldeficit.Moreover,this paper also gives some suggestions for further improvementabouthowto allocate waterresource ecologicaldeficit.

waterresources;ecologicalfootprint;ecologicaldeficit

TV211

：A

：1002-2481（2017）09-1507-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.09.27

2017-03-06

李睿佳（1992-），女，山西运城人，在读硕士，研究方向：环境生态学。郭东罡为通信作者。