干旱区水资源利用与经济发展关系研究----以鄂尔多斯市为例

王 娜，春 喜，周海军，张娅璐，王晓珍

(1.内蒙古自治区湿地环境修复工程实验室，呼和浩特 010022；2.内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特 010022；3.内蒙古自治区蒙古高原环境与全球变化重点实验室，呼和浩特 010022)

水资源作为人类生存和发展的基础性资源，在一定程度上决定经济社会发展的速度和方向[1,2]，如何科学分析水资源利用状况和评价水资源利用与经济发展的关系引起了众多学者的关注。加拿大William Rees 教授于1992年提出了生态足迹理论[3]，之后学者们将其应用于水资源领域，开展了水资源生态足迹理论研究[4]。并且基于水资源生态足迹对水资源利用与经济发展的关系进行诸多研究，首先是动态关系研究，张振龙等基于VAR模型阐明了新疆的经济增长与总用水量、工业用水量和农业用水量之间均存在长期均衡关系[5]。其次是协调关系研究，基于空间计量模型证实了河南省经济发展对用水效率产生显著的正向影响[6]；通过基尼系数反映出长株潭城市群水资源与GDP处于比较匹配状态[7]；李万明等运用不平衡指数法、泰尔指数和加权变异系数法，获得水资源利用与GDP和新增固定资产相对不匹配的结论[1]；潘安娥等构建脱钩模型评价了湖北省GDP增长与水资源消耗协调发展状态呈减弱趋势[8]；采用Tapio弹性指数评价贵阳市水资源利用与经济发展呈强、弱脱钩态势[9]，目前脱钩理论集中运用于国家和省级层面的研究，城市的研究较少。

西部大开发以来鄂尔多斯市的经济高速发展，2017年该市以占内蒙古6.91%的水资源量生产了自治区22.2%的GDP，但同时面临水资源供需矛盾加剧、生态环境恶化、用水结构不合理和水利基础设施薄弱等一系列问题[10]。目前该市的研究集中在水资源生态承载力[10,11]、利用效率[12]及可持续发展[13,14]方面，较少关注水资源利用与经济发展的协同关系。因此，本文利用水资源生态足迹理论与LMDI分解模型分析2001-2017年水资源生态足迹及其影响因素，定量反映水资源利用状况，并结合Tapio脱钩方法评价水资源利用与经济发展之间的脱钩关系，以期为实现水资源的合理利用、产业结构优化以及水资源利用和经济可持续发展等提供科学依据和参考。

1 研究区概况

鄂尔多斯市位于内蒙古自治区[图1(a)]西南部，地处黄河“几字湾”鄂尔多斯高原腹地[图1(b)]，属于典型的干旱-半干旱气候地区，蒸发量大，降水量少，年均降水量293.6 mm且时空分布不均匀。研究期内，该市年均GDP增长率达到了17.44%，而内蒙古则为13.33%，鄂尔多斯市强有力地推动了自治区经济的发展，但是随着经济快速发展，水资源现状不容乐观，例如2017年水资源总量为21.42 亿m3，仅占内蒙古5.41%，人均占有量为1 035 m3，属于中度缺水地区。

图1 鄂尔多斯市区位图

2 数据与方法

2.1 数据来源

数据时间跨度为2001-2017年，所涉数据为人口指标、产值指标和用水量指标，数据来源于《鄂尔多斯市国民经济和社会发展统计公报》和《内蒙古自治区水资源公报》。

2.2 研究方法

2.2.1 水资源生态足迹

水资源生态足迹模型是将用水量转化为相应生产面积，可定量评价人类对资源需求及区域可持续发展程度[15,16]。计算公式如下：

EF=N×ef=N×r×(W/p)

(1)

EC=N×ec=0.4×θ×r×(Q/p)

(2)

ED=N×ed=EC-EF

(3)

EPI=ef/ec

(4)

式中：EF为水资源生态足迹；EC为水资源生态承载力；ED为水资源生态盈余(赤字)；EPI为水资源生态压力指数；ef为人均水资源生态足迹；ec为人均水资源生态承载力；N为人口数；r为全球均衡因子；W为用水量；p为全球平均生产能力；θ为产量因子；Q为水资源总量。

2.2.2 LMDI指数分解模型

指数分解法是将复杂的指标分解成多个子指标，而LMDI分解法有效解决分解过程中出现的残差和“0”值问题[16,17]，分解模型的过程如下：

(5)

Δeft=Δefs+Δefβ+Δefγ+Δefp=

(6)

式中；eft为第t时期水资源生态足迹；yt为第t时期GDP；efit为第t时期第i类水资源生态足迹；pt为第t时期人口数；sit为第t时期第i类用水量占总水资源生态足迹比重，为结构效应；it为第t时期单位GDP水资源生态足迹，为技术效应；γt为第t时期人均GDP，为经济效应；pt为人口效应；ef0为基准年水资源生态足迹。

2.2.3 水资源消耗与经济发展的脱钩评价模型

正常对照组大鼠未见明显症状，模型组大鼠较正常对照组相比，体质量减轻，毛发光泽度下降，并伴有喘息、咳嗽等症状。与模型组相比，杆努尽烟各给药组及阳性药物组的大鼠一般情况均有改善，其中杆努尽烟高剂量组症状明显改善。

脱钩理论研究经济与资源的关系，表示经济增长与资源利用变化速率的规律[17,18]，本文以Tapio弹性模型为基础，建立经济增长与水资源利用脱钩分析模型，计算公式为:

(7)

式中：DI表示脱钩指数；ΔW表示用水量增长率；ΔE表示经济增长率；WCt-WCt-1为第t年和第(t-1)年用水量的差值，GDPt-GDPt-1为第t年和第(t-1)年GDP的差值。水资源消耗与经济发展的脱钩界定如图2所示。

图2 经济发展与水资源消耗的脱钩界定

3 结果与分析

3.1 水资源生态足迹分析

2001-2017年鄂尔多斯市水资源生态足迹以年均0.38 万hm2/a的速率呈下降趋势，波动幅度为0.13%，其中2001-2007年以7.68 万hm2/a的速率上升，之后以3.51 万hm2/a的速率下降[图3(a)]，表明2007年之后经济发展对水资源的需求相对减少，也反映水资源的利用效率提高，但仍处于较低阶段。人均水资源生态足迹2005年达到了最大值2.07 hm2，并于2017年下降到1.23 hm2，而人口数由最初的132.83万增加到206.87万，导致人均水资源生态足迹下降。万元GDP水资源生态足迹以0.08 hm2/a的速率减少，从2001年的1.48 hm2下降到2017年的0.07 hm2，降低了20.8倍，一定程度反映了用水效率逐年提高。历年水资源生态承载力以0.3 万hm2/a的速率上升，并与年降水量呈正相关，相关系数为0.72。年降水量最丰富的2016年水资源生态承载力达到最大值33.59 万hm2，而年降水量低的2005年，水资源总量降低，随之水资源生态承载力也降到最低值，仅为3.27 万hm2，表明水资源生态承载力受到年降水量的影响甚大。

研究期内该市总用水量稳定在16 亿m3，年均用水量占水资源总量的72.38%，用水量从大到小依次为农业、工业、生活、生态用水量[图3(b)]。在水资源生态足迹构成方面，农业水资源生态足迹以3.25 万hm2/a的速率呈下降趋势，占比为79.26%。工业水资源生态足迹比重次之，呈现上升趋势，由2001年的21.82 万hm2上升到2017年的42.15 万hm2，增加了1.9倍，年均增长速率为1.42 万hm2/a，这与第二产业的快速发展有关[图3(c)]。随着人口增长与城镇化发展，生活和生态水资源生态足迹亦呈现上升趋势，分别由5.45、0.17 万hm2上升到11.40、11.74 万hm2，速率分别为0.47、0.91 万hm2/a。

图3 2001-2017年鄂尔多斯市水资源生态足迹

由图3(d)可知，历年水资源生态赤字以4.43 万hm2/a的速率减少，赤字最大值出现在2005年，为282 万hm2；最小值出现在2016年，为-225 万hm2，这与降水量的多寡有关。历年水资源生态压力指数均值达26.66，并以0.56/a的速率下降。其中，2005年达到最大值87.30，而2016年最小值仅为7.71，变化幅度较大，与水资源生态赤字趋势一致，表明水资源可持续开发利用空间小，并且开发利用程度不安全。

3.2 基于LMDI分解法的水资源生态足迹影响因素分析

为了进一步探讨影响鄂尔多斯市水资源生态足迹的因素，以2001年为基准年，采用LMDI模型将驱动因素分解为结构、经济、技术和人口效应。其中经济、人口效应为正效应，而技术、结构效应则是负效应[图4(b)]。

图4 2001-2017年鄂尔多斯市用水及产业比重变化及水资源生态足迹分解效应

技术效应贡献度最大且为负效应，是驱动水资源生态足迹下降的主要因素。在2001-2017年技术效应以53.84 万hm2/a的速率呈下降趋势，抑制作用逐年加大，贡献度为-570.183 万hm2，贡献率为48.67%，表明技术进步对水资源生态足迹的下降起到显著促进作用，原因有传统农牧业逐渐被节水高效的现代农牧业取代，传统工业被清洁能源、现代煤化工和新兴产业取代，传统服务业被物流和文化旅游业为主的现代服务业取代，新动能逐步取代挖煤卖煤和房地产为主的传统动能[19]，经济正由规模速度转向质量效益，抑制了水资源生态足迹的增加。

经济效应贡献度次之且为正效应。在2012年之前经济效应呈直线上升趋势，速率为78.01 万hm2/a，促进作用逐年加大；而2012年之后经济效应以10.81 万hm2/a的速率呈缓慢下降趋势，贡献度为528.60 万hm2，贡献率为45.34%。自2000年国家提出西部大开发战略以来，在资金、政策、基础设施建设和固定资产投资等方面给予支持，成为推动全市经济发展的主要支撑力量[20]。工业产业开始快速发展，从而对水资源的消费和依赖性持续增加[图4(a)]，对水资源生态足迹的增加起到促进作用。

人口效应对水资源生态足迹增长为正效应，并以7.88 万hm2/a的速率上升，贡献度为54.18 万hm2，贡献率为4.37%，但其贡献率不明显。结构效应以0.16 万hm2/a的速率呈上升趋势，对水资源生态足迹变化的贡献度为-12.59 万hm2，贡献率为1.62%，其负效应不明显。受煤炭产量和相关政策的影响，第二产业是驱动当地经济社会发展的主要动力，由于水资源禀赋约束，大量高耗水、高排放的工业生产不利于该地区可持续发展，因此要加大产业调整力度，因地制宜地培育服务业的成长，发挥第三产业对国民经济增长的驱动作用。

3.3 水资源与经济发展脱钩状态分析

将2001-2017年鄂尔多斯市经济增长与总用水量、第一、二产业增加值与农工业用水量数据进行Tapio脱钩弹性模型计算，获得各年的弹性系数值(表1)。从脱钩状态来看，研究期内水资源利用与经济增长处于强脱钩的关系状态，期间弱脱钩与强脱钩交替出现，弱脱钩有7年、强脱钩有8年和弱负脱钩有1年。弱脱钩多出现在2007年前，表现为经济增长的速度快于总用水量的增速，弱脱钩的弹性值都在0.4以下，处于良好的范畴；强脱钩多出现在2007年之后，随着经济增长的同时总用水量减少，这也正是经济发展与用水效率的最优协调发展要求。从脱钩指数的变化来看，经济增长对总用水量的脱钩指数呈现下降趋势，即二者的背离程度不断加大，体现了水资源得到高效利用。从产业结构来看，农业方面经历了强脱钩，弱脱钩和强负脱钩3种状态，其中强、弱脱钩约占94%，强脱钩弹性系数中最低达到了-2.009 6，但在2014-2015年出现强负脱钩状态。工业方面，脱钩关系有6种，弱脱钩有5年、强脱钩有5年、扩张性负脱钩有2年、增长连接有2年、衰退性脱钩有1年和弱负脱钩有1年；扩张性负脱钩的工业用水量增加速率相对大，增长连接的脱钩状态为经济增长速率等于工业用水量增加速率；衰退性脱钩为经济衰退速率小于工业用水量的减少速率，工业弱脱钩弹性系数趋势表现平稳。表明了研究区水资源利用和经济增长的脱钩关系在不断优化和加强，且农业脱钩关系优于工业。

表1 2001-2017年鄂尔多斯市水资源利用与经济发展脱钩状态

4 讨 论

鄂尔多斯市的水资源生态足迹呈下降趋势但变幅较小，水资源生态压力均值高达26.66，供需矛盾仍然突出。中国省域研究结果表明，西部地区水资源生态压力基尼系数长期高于均衡性警戒线[21]，水资源严重短缺。内蒙古水资源评价研究结果也佐证了上述结论，指出鄂尔多斯市水资源压力指数呈下降趋势，但仍大于1[22]。尽管“西部大开发”对于经济发展产生了一定的积极作用，但是内蒙古的中西部地区天然降水量少，水资源储存条件差，经济发展对水资源的依赖性仍然突出。

通过用水量指标和产值指标进行归一化处理，对水资源消耗与经济增长进行回归分析(图5)，对脱钩状况进行验证。结果表明：在2001-2017年鄂尔多斯市总水资源生态足迹以0.38 万hm2/a的速率呈下降趋势，而GDP从171.81 亿元增加到3 579.81 亿元，经济增长的同时用水量以较低的速率减少，二者背离趋势不明显，呈不显著负相关关系，相关系数为0.045 6[图5(a)]，即二者关系符合强脱钩情况。研究期内经济增长对总用水量的脱钩水平逐渐增强，相关研究也表明在我国水资源利用与经济增长脱钩分析中西部地区脱钩态势逐渐由弱变强，协调发展状态呈增强趋势[16]。在2001-2007年该市总水资源生态足迹呈上升趋势，同时随着经济增长用水量也增加，呈正相关关系，并且经济增长的速度远快于水资源消耗的速度[图5(a)]，并且弱脱钩状态占了67%(表2)。在2007年之后，经济仍快速增长而用水量却减少，二者呈负相关关系，在此期间强脱钩占了60%。特别是2008年该市被确定为第三批全国节水型社会建设试点，使现代水利设施进一步增加和完善，节水技术改造和推广以及节水意识增强，用水量稳步减少而效率逐渐提高[23]。

图5 2001-2017年鄂尔多斯市水资源消耗与经济增长回归分析

农业水资源生态足迹以3.25 万hm2/a的速率呈下降趋势，而第一产业增加值增长率趋于上升，农业用水量与第一产业增加值呈显著负相关关系，相关系数为0.757 1，两者背离程度逐渐加强[图5(b)]，而脱钩态势处于弱脱钩与强脱钩的过渡阶段，强脱钩占62.5%，这也佐证了Tapio弹性指数对脱钩态势评价的准确性。全市农作物总播种面积从2001年12.472 万hm2增加到2017年43.81 万hm2，但农业人口数从2001年的44.30万人减少到2017年的29.12万人，生产效率明显提升。由于2004年以来实施现代高效的节水灌溉项目，并且节水灌溉类机械从2006年1 584套增加到2017年5 913套[24]，农业用水效率极大提高，节水灌溉技术的高速发展与广泛应用取得了显著成效，其利用模式更趋于区域可持续发展。工业水资源生态足迹为总体上升趋势，第二产业增加值增长了18.37倍，工业用水量与第二产业增加值呈正相关关系，相关系数为0.424，第二产业增加值增长速度高于工业用水量增加速度[图5(c)]，符合工业用水量与经济发展的弱脱钩状况；在研究时段工业用水量与第二产业增加值的相关性为正-负-正-负，符合脱钩状态类型多样性。

5 结 论

本文基于水资源生态足迹，利用LMDI模型和Tapio脱钩弹性模型方法，以鄂尔多斯市为研究对象，定量分析其水资源利用状况及其与经济发展的关系。

(1)在2001-2017年水资源生态足迹呈波动下降趋势，变化速率为0.38 万hm2/a；在构成方面，农业、工业、生活和生态水资源生态足迹比重由高到低；历年水资源生态承载力呈上升趋势，且受年降水量影响波动明显，相关系数为0.72；水资源生态赤字和生态压力指数均在减小，万元GDP水资源生态足迹下降了20.8倍。尽管鄂尔多斯市经济有长足的进步，三大产业的用水效率呈不同程度地提升，但是由于其独特的地质条件和特殊的干旱环境，水资源尚不能满足当地经济的发展需求，供需矛盾仍然突出。

(2)在水资源生态足迹贡献度中技术效应和结构效应是抑制其增长的关键因素，贡献值分别为-570.183 万hm2和-12.592 7 万hm2。因此，通过技术改造和三大产业的调整，可以提升水资源的利用效率，促进经济社会的健康发展。经济效应和人口效应是加速其增长的因素，贡献值分别为528.60 万hm2和107.01 万hm2。

(3)2001-2017年水资源与经济发展基本呈强、弱脱钩态势 (2015-2016年为弱负脱钩) ，第一产业增加值与农业用水量的背离程度逐渐增大，工业脱钩关系复杂，农业脱钩关系优于工业，脱钩状态得到了回归分析的验证。