水生态文明建设背景下长江经济带水足迹变化研究

朱振亚，潘婷婷，杨梦斐，朱秀迪，李志军，李红清

(1.长江水资源保护科学研究所，武汉 430051； 2.长江水利委员会 湖库水源地面源污染生态调控重点实验室，武汉 430051)

1 研究背景

长江经济带横跨我国东部、中部和西部三大区域，覆盖上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、云南、贵州共11省(市)，面积约205万km2，GDP约占全国45%，具有独特优势和巨大发展潜力。2016年3月25日，中共中央政治局审议通过《长江经济带发展规划纲要》，同年9月正式对外发布。习总书记多次要求“坚持共抓大保护、不搞大开发”，以长江经济带发展推动经济高质量发展。水是生命之源、生产之要、生态之基，水生态文明是生态文明的重要组成和基础保障。近年来，国家将生态文明理念融入到水资源开发、利用、治理、配置、节约、保护各个领域，科学谋划、统筹推进水生态文明建设，着力构建水生态文明建设长效机制。

1993年，学者Allan[1]首次提出虚拟水的概念，指产品和服务在生产过程中所需要水资源的总量。2002年，Hoekstra教授基于“生态足迹”提出了“水足迹”，并将其定义为任何已知人口的区域在一定时间内消耗的所有产品和服务所需要的水资源的数量[2-4]。2003年，水足迹的概念首次引入我国，受到国内学者的关注。水足迹分为内部水足迹和外部水足迹，内部水足迹指地区在生产或服务过程中所消耗的水资源量，即农业、工业、生活和生态用水量扣除出口的虚拟水量；外部水足迹指进口的虚拟水量[5-6]。目前，水足迹成为评价区域水资源利用模式和消费模式的主流方法。我国学者对水足迹的研究集中在水足迹核算、水足迹时空分异、影响因素、水足迹和水资源评价、水资源利用与水资源安全、驱动机制以及适应性对策方案等方面[7-9]。对于长江经济带水足迹研究的时间段选择较为随意，没有结合区域水资源管控的政策背景。

本研究在水生态文明建设背景下，动态调查长江经济带11个省(市)的农业、工业、生活、生态用水量和货物进出口总额，核算区域水足迹总量构成及变化，分析区域水足迹供需结构演变，评价区域水资源压力和用水效率。相关研究能丰富水足迹理论体系，以期能作为最严格水资源管理制度“三条红线”的重要补充，为区域水资源开发利用和保护提供参考。通过对长江经济带水足迹动态变化的研究，为区域水资源安全保障、解决水资源分布不平衡提供新视角和新思路。

2 数据与方法

2.1 数据处理

采用统计资料获取农业用水量、工业用水量、生活用水量、生态用水量数据，以及国内生产总值(GDP)、年末常住人口、土地面积、货物进口贸易额、货物出口贸易额、人民币汇率等数据。其中，生态用水仅包括部分河湖、湿地人工补水和城市环境用水，而不包括降水、径流自然满足的水量。2012年起，生活用水中的牲畜用水调整至农业用水。

统计资料包括2008年、2013年和2018年的《中国统计年鉴》和《中国水资源公报》。另外收集2018年《上海统计年鉴》中上海市生产总值指数，将2007年和2012年的GDP数据换算成2017年价格水平，便于在统一价格水平下比较单位GDP水足迹。

本文将上海、江苏、浙江、安徽三省一市称为长江经济带东部地区，江西、湖北、湖南三省称为中部地区，重庆、四川、云南、贵州四省称为西部地区，地理位置如图1所示。相应省份数据汇总处理后得到3个年份下东中西部的各类用水量和社会经济数据，用于比较东部、中部和西部的各类水足迹。

图1 长江经济带地理位置Fig.1 Location of the Yangtze River economic belt

2007年、2012年和2017年分别为水生态文明建设前、建设中和建设后3个时间节点，2007—2012年、2012—2017年分别代表水生态文明建设前和建设后2个时期。

2.2 研究方法

2.2.1 水足迹的核算

水足迹刻画了一个区域内消费的所有服务与产品的水资源总量，水足迹总量等于区域内部水足迹加外部水足迹[9-10]，其计算公式为

WFP=IWFP+EWFP。

(1)

式中：WFP表示区域水足迹；IWFP表示内部水足迹，指区域内消费的水资源需求总量，等于区域内农业用水、工业用水和生态用水扣除向外出口的虚拟水量；EWFP表示外部水足迹，即从外部区域进口的虚拟水总量，该指标能反映虚拟水贸易情况。

式(1)可改写为

WFP=WUa+WUi+WUd+WUe-WEx+WIm。(2)

式中：WUa为某区域农业用水量；WUi为某区域工业用水量；WUd为某区域生活用水量；WUe为某区域生态环境需水量；WEx为某区域向外出口的虚拟水量；WIm为某区域进口的虚拟水量。单位均为亿m3。

本研究参考相关文献的处理方法，忽略进口产品再出口的虚拟水量，且不区分农业产品与工业产品[11]。则某区域进出口贸易虚拟水量计算公式为：

WEx=VEx×(WUa+WUi)/GDP；

(3)

WIm=VIm×(WUa+WUi)/GDP。

(4)

式中：VEx和VIm分别代表某区域出口贸易额和进口贸易额；GDP为该区域国内生产总值。单位均为亿元。

2.2.2 水足迹供需结构

水足迹供需结构用水资源进口依赖度和自给率表示。或用单位面积水足迹反映水足迹的需求情况，即某区域的水足迹与该区域面积的比值。

水资源的进口依赖度代表某区域外部水足迹与水足迹总量的比值，该指标代表某一区域对非本区域水资源的依赖程度；水资源的自给率代表某区域内部水足迹与水足迹总量的比值[12]。计算公式为：

WRE=IWFP/WFP× 100%；

(5)

WSS=EWFP/WFP×100%。

(6)

式中WRE、WSS分别代表水资源进口依赖度和水资源自给率。

2.2.3 水资源压力和效率

基于水足迹理论提出水资源压力指数(WPI)的概念，用以表征水资源压力状况[13]。计算公式为

WPI=WFP/WA。

(7)

式中：WPI为水资源压力指数；WA为该区域可用水资源量(亿m3)。当WPI>1时，区域水资源系统超载；当WPI=1时，处于承载的临界状态；当WPI<1时，水足迹在水资源承载能力范围内。

另外，可用单位GDP水足迹表征水资源的利用效率，即用某区域的水足迹除以该区域的国内生产总值。单位GDP水足迹数值越小，水资源利用效率越高，可持续性越强；反之，水资源利用效率越低[14-15]。

3 结果和讨论

3.1 长江经济带水足迹总量和构成的动态变化

(1)水足迹总量得到有效控制，中部三省节水成效最显著。长江经济带各省市的人口和GDP变化情况如图2(a)和图2(b)所示。水生态文明建设前后，长江经济带11个省市水足迹总量由2 348.71亿m3增加到2 545.04亿m3，2007—2012年和2012—2017年分别增加了6.56%和1.69%。两个时期区域的GDP分别增加了40.42%和11.40%，年末常住人口数分别增加了2.26%和2.39%，区域GDP增速分别是水足迹增速的6.2和6.7倍，而人口增速分别是水足迹增速的0.34和1.41倍。水生态文明建设后，区域水足迹总量的增速明显低于GDP和人口数量的增速，区域水足迹总量得到了有效控制。

图2 长江经济带人口和GDP变化Fig.2 Changes of population and GDP in the Yangtze River economic belt

区域水足迹与人口和GDP正相关，水足迹存在明显的人口和经济规模效应[16-18]。水生态文明建设前后，区域人口、GDP和水足迹分别增加了4.70%、56.43%和8.36%，其中东部、中部和西部人口数量分别增加了4.89%、5.86%和3.50%，GDP分别增加了41.51%、73.43%和81.27%，而水足迹总量只分别增加了9.03%、4.93%和12.28%。水生态文明建设后，长江经济带各省市保持社会经济较快增长的情况下，水足迹控制在较低增长水平，特别是中部三省水足迹总量减少了160.90亿m3，节水效果最为明显。

(2)农业用水是水足迹的主体，虚拟水贸易效应有所减弱。长江经济带农业用水超过区域水足迹的1/2；其次是工业用水，约占水足迹总量的1/3；再次是生活用水，生态用水相对较少。除上海市和重庆市外，其他省份农业用水均为水足迹的主要组成部分，而生态用水的比重较小。水生态文明建设后，农业用水和生态用水所占比重相对稳定，工业用水的比重由36.03%逐渐减少到32.04%，生活用水的比重则由13.43%增加到15.80%。长江经济带各省市工业用水的节水效应较为明显，而农业用水和生活用水的节水效果需要进一步提高。水足迹组成与相关研究结果类似，水足迹中农业用水消耗量最大[17-20]，随着工艺水平的提高，工业水足迹增长率相对偏低[19]。水生态文明建设前后长江经济带水足迹累积变化如图3所示。

图3 2007—2017年长江经济带水足迹累积变化Fig.3 Cumulative changes of water footprint in the Yangtze River economic belt from 2007 to 2017

虚拟水贸易是区域水足迹的重要组成部分[21]。水生态建设前后，整个区域对外出口水量逐渐降低，虚拟水贸易对水足迹的消减效应逐渐降低。对外贸易是江苏省和浙江省的重要经济组成，虚拟水输出主要集中这两个省；而西部省市的虚拟水出口量较小，中部三省的虚拟水净出口量有增加的趋势。上海市是虚拟水的主要净进口地，在区域虚拟水净出口减少的情况下，虚拟水净进口量仍然增加。长江经济带区域整体为虚拟水净输出区[22]，水生态文明建设前后，东部的虚拟水以进口为主，中部和西部虚拟水向外输出。

3.2 水足迹供需结构的演变

(1)东部水资源进口依赖度较高，水资源自给能力逐渐增强。长江经济带各省市水资源以自给为主，进口依赖度均低于20%，区域经济社会发展与水资源的供给适应性较高。东部省市的水资源进口依赖度明显高于西部和中部省市，西部和中部省市的水资源自给率明显高于东部省市，其中上海市、江苏省和浙江省的水资源进口依赖度排名位于前3位，东部的安徽省与中部、西部的部分省市类似，水资源的自给能力相对较强；中部和西部的江西省、重庆市、四川省和云南省等的水资源自给率均超过了90%。

2007年、2012年和2017年长江经济带水资源进口依赖度和自给率构成如图4所示。

图4 长江经济带水资源进口依赖度和自给率构成Fig.4 Dependency on water import and self-sufficiency in the Yangtze River economic belt

长江经济带各省市水资源自给率提高了9.56%，其中东部、中部和西部较水生态文明建设前分别提高了20.84%、1.69%、0.46%，区域水资源自给能力逐渐增强。东部的江苏省、上海市和浙江省的水资源自给率均有显著提高；东部的安徽省和中部省份的水资源自给率已经处于较高水平，水资源自给率只有小幅度提高；西部的重庆市和四川省的水资源自给率有小幅降低。近10 a来，东部四省市的水资源自给率增加最为显著。长江经济带水资源供给能力强的省份水资源消耗量也较大，农业大省的水足迹较大且水资源自给率也较高[17]。

(2)单位面积和人均水足迹缓升，水资源需求结构相对平稳。长江经济带各省市的土地面积未发生变化，单位面积水足迹变化与水足迹总量变化情况一致。总体上看，区域单位面积水足迹仅增加8.36%，长江经济带东部、中部、西部地区分别增加了9.03%、4.93%、12.28%。除浙江省和重庆市以外，其他省市单位面积水足迹均有所增加，其中四川省和安徽省增加最为明显，分别增加了25.51%和24.04%，大部分省市的单位面积水足迹增幅<10%。长江经济带各省市单位面积水足迹和人均水足迹如图5(a)和图5(b)所示。

图5 长江经济带单位面积水足迹和人均水足迹变化Fig.5 Changes of water footprint per unit area and per capita in the Yangtze River economic belt

人均水足迹的变化则取决于某地水足迹和人口增速变化的相对快慢。区域水足迹的增速比人口增度快，因此区域人均水足迹有小幅增加，其中东部、西部地区人均水足迹增加，中部地区人均水足迹减少。除贵州省外其它省市的人口均有所增加，而同期只有浙江省和重庆市水足迹减少，但大多数省市的人均水足迹增幅较小或为负增加。从单位面积和人均水足迹上看，经济带水资源需求量稳中有升，需求结构相对平稳。长江经济带省际水足迹需求结构存在显著逆向人口规模效应，即人均水足迹越小，水资源的人口承载能力越强[17]。

3.3 水资源压力和效率评价

(1)区域水资源压力合理，中部水资源承载力得到缓解。长江经济带各省市的水资源压力指数为0.19，其中东部、中部和西部省市分别为0.51、0.19和0.09(如图6所示)。长江经济带大部分省市的水资源压力指数在承载力范围之内，水资源供需平衡处于合理状态。上海市作为我国的经济、金融、贸易、航运、科技创新中心，水资源的压力最大，水资源压力指数为3.63，已超出本市水资源的承载范围，水资源供需矛盾相对突出。江苏省水资源压力也较大，压力指数高于水资源承载的临界值。长江经济带平均水资源压力总体较小，水资源高压区主要集中在东部的省市，水资源承压情况自西部向东部逐渐增加。

图6 水生态文明建设前后长江经济带水资源压力指数Fig.6 Water stress index in the Yangtze River economic belt before and after the water ecological civilization construction

水生态文明建设前后，区域水资源压力指数有小幅降低，水资源承载力相对稳定。东部和西部省市的水资源压力指数分别提高了4.9%和0.9%，而中部降低了5.1%。中部三省的水资源压力指数均有所降低，中部水资源压力得到一定的缓解。除东部的浙江省和西部的重庆市外，其它省市的水资源压力有所增加，特别是江苏省和四川省的水源压力指数增加较明显，需要进一步防范化解这两个省的水资源供需矛盾。长江经济带水资源供需结构差异显著，中西部地区水资源承载力较强，而东部地区水资源承载力极弱，单位GDP水足迹与GDP存在一定的反向关系[18]。

(2)经济带的用水效率逐步提升，东部省市水资源利用效率高。区域单位GDP水足迹为8.09 L/元，其中东部、中部和西部省市分别为6.32、11.90、8.63 L/元(如图7所示)。浙江省和上海市的用水效率排名前列，分别为3.35、4.36 L/元，江西省、安徽省、湖南省、云南省、贵州省和湖北省等单位GDP水足迹较高。以江苏省和上海市为代表的东部省市水资源压力较大，用水量较小的第三产业所占比重较高，而中部和西部省市的水资源量较丰富，节水用水技术的推广相对滞后，故东部省市的用水效率最高，中部和西部省市的用水效率有待加强。长江经济带水资源利用效率呈现区域差异化特征，经济规模对水足迹的影响呈现由东向西递减的趋势，东部地区用水效率比较高，西部地区用水效率较低[23]。

图7 水生态文明建设前后单位GDP水足迹变化Fig.7 Change of water footprint per unit of GDP before and after the water ecological civilization construction

水生态文明建设前后，长江经济带单位GDP水足迹从9.90 L/元降低到6.86 L/元，其中东部、中部和西部省市分别降低了1.67、6.19、4.27 L/元。长江经济带各省市单位GDP水足迹均有所降低，其中重庆市和贵州省降低最显著，分别降低了55.6%和53.6%，上海市也降低了12.5%，用水效率最高的浙江省的单位GDP水足迹变化不大。近10 a来，长江经济带各省市用水效率逐步提升，中部和西部省市用水效率改善明显。东部单位GDP水足迹明显低于中西部，上、中游地区城镇化水平低，水资源承载力较高，经济发达的下游地区水资源承载力最差、资源禀赋与经济发展的冲突形势最为严峻[16-18]。

4 结论和建议

4.1 结 论

(1)长江经济带各省市的自然条件、资源禀赋、产业结构和发展阶段不同，水足迹总量和构成、水资源供需结构、水资源压力和效率表现出一定的时空异质性。水生态文明建设前后，长江经济带各省市水足迹改善效果显著。

(2)经济带水足迹增速下降明显，水足迹得到了有效控制，中部三省的节水效果最明显。水足迹存在明显的人口和经济规模效应。农业用水是区域水足迹的主体部分，生态用水所占比重较小。工业用水的节水效应较为明显，而农业和生活用水的节水效率需进一步提高。虚拟水贸易的消减效应逐渐减弱。

(3)经济带水资源以自给为主，东部省市水资源进口依赖度高于西部和中部省市。水生态文明建设前后，区域水资源自给能力逐渐增强，东部的省市的水资源自给率增加最显著。单位面积水足迹和人均水足迹能反映水足迹需求结构，从这两个指标来看，区域水资源需求量稳中有升，需求结构保持相对平稳。

(4)经济带水资源压力总体较小，水资源高压区主要集中在东部省市，水资源承压由西向东逐渐增加。水生态文明建设前后，东部和西部水资源承载压力小幅增加，中部水资源压力得到一定缓解。东部省市的用水效率最高，中部和西部省市的用水效率有待加强。区域用水效率逐步提升，中部和西部省市用水效率明显的改善。

4.2 建 议

新时期下的长江流域水资源开发保护需要具有整体性和系统性的水问题治理目标和模式，其中水环境与水资源开发保护及经济社会发展的相互作用关系是关键科学与技术问题之一[24]。为此，长江经济带发展过程中建议做好以下工作：

(1)落实最严格的水资源管理制度。坚持节水优先，建立科学的节水标准和定额指标体系，以及系统完备的节水评价制度，加强水资源取、用、耗、排的动态监管，严格用水总量和计划用水管理；按照行政单元逐级分解农业、工业、生活、生态用水控制指标，将水足迹作为水资源管理制度“三条红线”补充，发挥水资源作为最大刚性约束的重要作用。

(2)科学确定经济社会结构和规模。坚持空间均衡，结合《纲要》合理确定经济规模、城镇布局和农业、工业等产业结构。在充分节水的前提下，优化用水结构，严格控制发展高耗水产业，促进虚拟水的向流域外的流动，加强水资源的优化配置和科学调度；根据水资源的承载能力，倒逼长江经济带各省份发展规模、产业结构、发展布局的完善和优化。

(3)统筹水资源配置和其他要素关系。坚持系统治理，按照山水林田湖是一个生命共同体，既要大力推进城乡供水一体化、农村供水规模化标准化建设，积极推进灌区现代化改造前期工作，解决经济带部分区域农业用水粗放的问题，又要在水资源开发利用配置调度时统筹考虑其他生态要素的规模和布局，促进流域水资源与生态系统各要素和谐共生。

(4)发挥好政府和市场协同合力作用。坚持两手发力，抓紧制定并出台配套法规和规范性文件，为长江大保护提供系统完备的制度保障；建立长江流域生态补偿机制，推进流域上下游和重点支流的生态补偿试点，完善水生态补偿相关配套制度。发挥市场在生态补偿和水资源配置中的作用，鼓励地区、行业、用水户间开展水权交易等。