水资源可持续利用及其与经济发展的脱钩分析——以长春市为例

(吉林大学 新能源与环境学院，吉林 长春 130012)

1 研究背景

生态足迹由William于1992年提出，是一种通过引入生物生产类土地来衡量资源可持续利用的模型[1]。将水资源纳入生态足迹模型中，以此来评价区域水资源的可持续利用状况，是近年来诸多学者普遍使用的方法。李允洁等利用水资源生态足迹模型，对浙江省水资源可持续发展状况进行了评估[2]；王荣森等对安徽省和江苏省的水资源生态足迹和承载力进行了比较研究，分析了两省产业结构变动对水资源生态足迹的影响[3]；李赫龙等对福建省水资源生态足迹的时空差异及演变特征进行了研究[4]；杨倩等对湖北省水资源生态承压能力和社会发展的空间关联性进行了探讨[5]；李兴正等对中国水资源生态承载力的供需平衡进行了研究，根据研究结果，认为应当从总体上来考虑水资源的宏观调控和分配[6]。

脱钩理论是探求经济发展与资源消耗之间耦合与脱钩关系的一种理论。耦合指资源消耗随着经济的增长而增长；而脱钩又可分为绝对脱钩和相对脱钩，绝对脱钩又称为强脱钩，是指资源消耗随着经济的增长而减少，相对脱钩又称弱脱钩，指资源消耗随着经济的增长而以较低的比率增长，或者说资源消耗增长率小于经济的增长率[7-9]。经济合作与发展组织(OECD)将脱钩定义为：经济增长与环境资源耦合关系的瓦解[10]。刘贺贺等对东北地区城镇化与生态环境的脱钩关系进行了探讨并对其发生变化的影响因素进行了分析[11]；黄展利用Tapio模型，分析了湖北省经济增长与碳排放之间的脱钩关系，并说明了其变化的原因[12]；洪思扬等利用脱钩理论，探究了能源生产与用水之间的关系，以期实现水与能源的可持续发展[13]；谢文宝等对新疆农业面源污染与农业经济增长进行了脱钩分析，并提出了污染防治的对策及措施[14]。

在以往的研究中，众多学者利用水资源生态足迹和承载力的差值来表示水资源生态的盈余/赤字，利用二者间的比值来判定区域水资源的可持续利用状况，模型略显繁琐且没有对水资源可持续(或不可持续)的利用程度进行分析。本文利用单一的水资源可持续利用指数模型，既可以定性判断区域水资源生态的盈余/赤字，又可以定量分析区域水资源的可持续利用状况；既简化了模型，又细化了水资源可持续(或不可持续)的利用程度。

本文以长春市为研究对象，利用水资源可持续利用指数模型，从整体上对长春市2007～2016年10 a间的水资源的可持续利用状况展开分析。同时，将水资源引入脱钩理论中，从整体上对长春市10 a间的经济发展与水资源消耗的协调关系进行了分析研究。本文计算结果可为长春市水资源的可持续利用及经济与水资源的协调发展评估提供数据支持和决策参考。

2 研究方法

2.1 水资源生态足迹模型

水资源生态足迹模型是将某一区域的耗水量转化为水资源用地面积，通过均衡化处理，即可得到用于不同地区间相互比较的均衡值[15]。计算公式如下：

EF=N×ef=N×r×(W/p)

(1)

式中，EF为水资源生态足迹，hm2；N为人口数，人；ef为人均水资源生态足迹，hm2/人；r为水资源全球均衡因子，该因子相当于一个权重因子，是用于对水资源土地面积与其他生物生产类土地面积进行转化和比较[16]；W为人均耗水量，m3/人；p为水资源全球平均生产能力，m3/hm2，即水资源全球平均产水模数，是指单位面积的生物生产类土地的产水能力。

2.2 水资源承载力模型

水资源承载力是指某一区域特定时间节点上的水资源最大供给量可供支持该区域的社会、资源和环境可持续发展的能力[17]。根据杨志峰等的研究成果，某一区域水资源承载力中，应至少扣除水资源总量的60%用来维持生态环境[18]。因此，水资源承载力计算公式为

EC=N×ec=0.4×θ×r×(Q/p)

(2)

式中，EC为水资源承载力，hm2；ec为人均水资源承载力,hm2/人；θ为水资源产量因子，是指研究区域的水资源平均生产能力与全水资源平均生产能力的比值；Q为水资源总量,m3；N,r,p含义与前文一致。

2.3 水资源可持续利用评价模型

水资源可持续利用评价指标主要有水资源生态盈余/赤字、水资源生态安全判定及水资源可持续利用指数。如前文所述，在以往的评价模型中，利用水资源生态足迹和承载力的差值来表示水资源生态盈余/赤字，若差值小于0，说明区域的水资源生态盈余，反之体现为水资源生态赤字[19]；利用水资源生态足迹和承载力的比值来判定水资源生态的安全性，若比值小于1，说明区域的水资源利用处于安全状态，反之则说明水资源利用处于危险状态，且比值越大越危险[20]。本文利用水资源可持续利用指数模型，既可以定性判断区域水资源生态盈余/赤字和水资源生态的安全性，又可以定量分析区域水资源的可持续利用程度。水资源可持续利用指数是指某一区域在特定时间节点上可持续供给的水资源量满足该区域一切生产、生活对水资源的需求程度。其计算公式为

(3)

式中，μ为水资源可持续利用指数，若μ<0.5，说明EF>EC，即区域水资源表现为生态赤字，水资源利用处于危险状态，水资源利用不可持续；若μ>0.5，说明EF

表1 水资源可持续利用程度划分Tab.1 Classification of sustainable utilization of water resources

2.4 经济发展与水资源消耗的脱钩评价模型

将水资源纳入脱钩理论中，衡量经济发展与水资源消耗的关系。如前文所述，当水资源消耗量随着经济的增长而减少(或不变)时，称为经济发展与水资源利用处于绝对脱钩(强脱钩)状态；当水资源消耗量随着经济的增长而以较低比率增长，即水资源消耗量的增长率小于经济增长率时，称为经济发展与水资源消耗处于相对脱钩(弱脱钩)状态。由此可见，绝对脱钩(强脱钩)是经济与水资源协调发展的最理想情形。结合Vehmast的脱钩指数模型[22]，构建经济发展与水资源消耗的脱钩指数模型如下：

DI=WCGR/EGR

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中，DI为脱钩指数(Decoupling Index)，WCGR为耗水量增长率(Water Consumption Growth Rate)，EGR为经济增长率(Economic Growth Rate)；WCt，WCt-1为研究区域第t年和第(t-1)年的耗水量，GDPt，GDPt-1为研究区域第t年和第(t-1)年的GDP值。在贾莉等[23]的研究基础上，考虑到临界状态下(即WCGR=0或EGR=0)的脱钩界定情况，因此完善后的经济发展与水资源消耗的脱钩界定如表2所示。

表2 经济发展与水资源消耗的脱钩界定Tab.2 Definition of decoupling between economic development and water consumption

3 研究区概况

长春市位于东经124°18′～127°05′，北纬43°05′～45°15′，地处中国的东北部，总面积为20 565 km2，下辖7区3县(市)，是我国重要的工业基地。长春市地势平坦，气候为温带大陆性半湿润季风气候，年平均气温4.6℃，多年平均降水量在600～700 mm之间；境内水系主要有第二松花江和拉林河两大水系，主要河流有伊通河、雾开河、新凯河等。长春市拥有新立城、太平池和石头口门3座大型水库，苏家岗、高城子、双阳等16座中型水库以及177座小型水库。长春市是典型的缺水城市，多年人均水资源占有量为355 m3，是全省人均水资源占有量的1/4，全国人均水资源占有量的1/6[24]。

自2000年以来，为了解决城乡供水问题，长春市先后实施了“引松入长”、石头口门水库增容等一系列工程。作为长吉图开发开放先导区的核心区域，长春市近年来产业结构不断升级，地区生产总值持续增长，三次产业产值均呈现为逐年增加的趋势。随着经济社会的持续快速发展，长春市对水的需求量不断增加，水资源的供需矛盾成为长春市发展进程中一大显著问题。

4 数据收集与相关参数确定

4.1 基础数据收集与整理

本研究需要的基础数据中，水资源总量、降水量、耗水量等数据来源于长春市2007～2016年水资源公报；GDP、人口数等方面的数据来源于长春市2007～2016年国民经济和社会发展统计公报。整理后的数据如表3所示。

4.2 模型参数确定

表3 数据及相关参数汇总Tab.3 Summary of data and related parameters

5 计算结果与分析

根据上述计算模型及收集整理的数据，即可得到如表4和表5所示的相关计算结果。

表4 长春市2007～2016年水资源相关计算结果Tab.4 Calculation results of water resources in Changchun city from 2007 to 2016

5.1 长春市水资源生态足迹与承载力计算结果分析

根据计算结果，绘制出了长春市水资源生态足迹与承载力变化趋势，如图1所示。由表4和图1可以看出：

图1 长春市2007～2016年水资源生态足迹及水资源承载力变化情况Fig.1 Change of water resources ecological footprint and water resources carrying capacity in Changchun city from 2007 to 2016

表5 长春市2007～2016年经济发展与水资源消耗脱钩界定结果Tab.5 Definition results of decoupling between economic development and water consumption in Changchun city from 2007 to 2016

(1) 长春市2007～2016年的水资源生态足迹比较平稳，平均值为2.07×106hm2(0.27 hm2/人)，最大值为2010年的2.35×106hm2(0.31 hm2/人)，最小值为2008年的1.77×106hm2(0.24 hm2/人)；

(2) 长春市2007～2016年的水资源承载力起伏较大，平均值为2.32×106hm2(0.31 hm2/人)，其中，较大的是2013年的4.67×106hm2(0.62 hm2/人)和2016年的4.60×106hm2(0.61 hm2/人)，较小的是2007年的4.92×105hm2(0.07 hm2/人)和2009年的6.89×105hm2(0.09 hm2/人)。

对于长春市水资源生态足迹和水资源承载力变化趋势形成的原因，归纳起来主要有以下几点：

(1) 根据公式(1)可以看出，水资源生态足迹与人口数和耗水量呈正相关，而长春市2007～2016年的人口数变化不大，基本上稳定在750万人左右，耗水量也比较平稳，保持在10.74亿～14.23亿m3之间(见表3及图2)。因此，水资源生态足迹各年份之间变化不明显。

(2) 根据公式(2)可以看出，水资源承载力与水资源总量有关，而影响水资源总量的一大关键因素是降水量。长春市水资源公报显示，长春市2007～2016年的降水量波动较大，丰水年、枯水年交替出现(见表3及图2)。因此，长春市的水资源承载力与降水量呈明显的正相关，降水量的起伏变化直接决定着水资源承载力的变化。

图2 长春市2007～2016年降水量、耗水量及人口数量变化曲线Fig.2 Change of precipitation, water consumption and population in Changchun city from 2007 to 2016

5.2 长春市水资源可持续利用状况计算结果分析

根据表4中的计算结果，可以得到长春市2007～2016年水资源可持续利用指数，如图3所示。正如前文所提到的，当水资源可持续利用指数μ<0.50时，说明区域水资源表现为生态赤字，水资源利用处于危险状态，水资源利用不可持续；当μ>0.50时，说明区域水资源表现为生态盈余，水资源利用处于安全状态，水资源利用可持续。

从图3可以看出，长春市10 a间的水资源利用随着年份的不同而交替地呈现出可持续或不可持续状态。其中，共有5个年份(2008，2010，2012，2013年和2016年)的水资源利用表现为可持续状态；结合公式(3)，在长春市水资源生态足迹基本保持平稳的情况下，水资源可持续利用指数只与水资源承载力有关，且与水资源承载力的变化趋势完全相同，图1与图3证实了这种变化关系。

根据水资源可持续利用程度划分标准(见表1)，可以得到长春市2007～2016年各年份的水资源可持续利用程度，如表6所示。

从表6可以看出，长春市2007～2016年的水资源利用体现为不可持续的5个年份中，2007年的水资源为强不可持续，2015年水资源为弱不可持续，另外3个年份的水资源体现为中不可持续；而水资源体现为可持续的5个年份中，有3个年份为中可持续，2个年份为弱可持续，无强可持续的年份。综合来看，长春市的水资源利用处于不可持续的状态，显然，水资源生态压力较大。

图3 长春市2007～2016年水资源可持续利用指数Fig.3 Index of water resources sustainable utilization in Changchun city from 2007 to 2016

表6 长春市2007～2016年水资源可持续利用程度Tab.6 Degree of water resources sustainable utilization in Changchun city from 2007 to 2016

5.3 长春市经济发展与水资源消耗脱钩分析

根据表5的计算结果可以看出，长春市2007～2016年间的经济发展与水资源消耗经历了强脱钩—弱脱钩—扩张性负脱钩—强脱钩—弱脱钩的过程。其中，仅2009～2010年出现了扩张性负脱钩这一不利情况，其他年份均为脱钩状态，且强脱钩年份占半数，这说明长春市的经济发展没有过度依赖于水资源的消耗，经济发展与水资源利用处于一种较协调的状态。

作为吉林省省会城市，近年来长春市的经济飞速发展，2016年的GDP总量为5 928.5亿元，是2007年的2.84倍，而水资源消耗量从2007年的12.79亿m3增加到了2016年的13.18亿m3，仅仅增加了3%，这与长春市近年来产业结构的不断调整密切相关。根据长春市国民经济和社会发展统计公报，2007～2016年长春市三次产业结构的状况如表7所示。从表7中可以看出，长春市10 a间三次产业产值均呈现出逐年增加的趋势，而作为耗水最为严重的第一产业(农林牧渔业)，尽管产值在逐年增加，但其占总产值的比重却在逐年减少(见图4)。这是由于近年来长春市充分发挥工业基础雄厚的优势，汽车、轨道客车等工业发展迅速；同时，文化、旅游、金融、科技等一系列低耗水的服务业和高新技术产业在长春市得到了迅猛发展，大大拉动了区域经济。因此，长春市的经济发展没有过分依赖于第一产业，长春市的经济发展与水资源利用处于较协调的状态。

表7 长春市2007～2016年三次产业结构情况Tab.7 Situation of three industrial structures in Changchun city from 2007 to 2016

图4 长春市2007～2016年第一产业产值占总产值的比重Fig.4 The proportion of the first industry output value to the total output value in Changchun city from 2007 to 2016

6 结论与建议

6.1 结 论

借助于水资源生态足迹模型和水资源承载力模型，对长春市2007～2016年的水资源生态足迹和水资源承载力进行了计算分析。计算分析结果表明，长春市10 a间的水资源生态足迹比较平稳，平均值为0.27 hm2/人，而水资源承载力起伏较大，最大的为0.62 hm2/人，最小的为0.07 hm2/人。主要原因是长春市10 a间人口数量和耗水量变化不大，而水资源总量每年差异很大(主要与降水差异有关)，因此，水资源生态足迹变化不明显，而水资源承载力变化幅度较大。

通过对长春市水资源可持续利用状况分析可知，长春市2007～2016年间，共有5个年份(2007，2009，2011，2014年和2015年)的水资源利用处于不可持续状态；而水资源利用体现为可持续的5个年份中，有3个年份为中可持续，2个年份为弱可持续，无强可持续的年份。因此总体来看，长春市的水资源生态压力较大，水资源利用处于不可持续状态。

基于脱钩理论，构建了经济发展与水资源消耗的脱钩评价模型，并利用该模型，分析了长春市2007～2016年的经济发展与水资源利用的协调关系。分析结果表明，长春市的经济发展与水资源利用总体上处于脱钩状态，经济发展没有过于依赖水资源的大量消耗，二者间处于一种较协调状态。这主要与长春市近年来产业结构的调整、第一产业(高耗水产业)产值的占比逐年降低有关。

6.2 建 议

为了改变长春市水资源不可持续的现状，从以下两个方面入手提出相应的措施和建议。

(1) 降低水资源生态足迹。在长春市人口数量基本保持平稳的前提下，减少水资源的消耗是当务之急。长春市2007～2016年的水资源公报显示，长春市每年的农业耗水量占当年总耗水量的比例均维持在60%～70%之间，因此，减少农业耗水，比如建立健全节水型农业体系，大力发展节水灌溉型农业等是降低水资源生态足迹的有效举措。

(2) 提高水资源承载力。尽管降水量是影响水资源总量的一个主要因素，但是由于降水与气候等人为不可控的因素有关，因此需要在其他方面，比如加大水利工程建设等来增加水资源总量，进而提高水资源的承载力。

尽管长春市的经济发展与水资源利用处于一种较协调的状态，但是经济增长与水资源消耗并未达到绝对脱钩。因此，长春市在逐步完善现代化农业体系的同时，还应注重科学用水，比如对第二产业中工业用水的循环使用等；同时需要继续推动产业结构调整，大力推进基础设施建设，为低耗水的第三产业发展营造良好的环境。