基于水足迹理论的甘肃省水资源利用与经济增长脱钩分析研究

刘 献，袁 旦，韩轶菲，3，唐骄宇，3，卢 洋

(1.黄河水利委员会三门峡库区水文水资源局，河南 三门峡 472000；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072 ；3.长安大学水利与环境学院，陕西 西安 710064)

水资源是制约经济社会发展和人民生活品质提升的重要因素[1]，是基础性自然资源和战略性经济资源，合理利用水资源，提高水资源利用效率，是新时期区域高质量可持续发展的必要手段。

目前，国家及地区城市都在实施国民经济高质量发展战略，其中，实现水资源的合理利用是推动国民经济高质量发展的一个重要内容。定量分析水资源利用与经济发展的关系对区域可持续高质量发展特别重要，以往主要关注实体水研究，然而从长期可持续发展水资源利用和区域经济发展的角度考虑，虚拟水也是非常重要的。Tony Allen[2]提出虚拟水的概念，是指生产每种农业产品和工业产品所需的淡水量。随后Hoekstra[3]提出的水足迹理论为区域水资源评价提供了全新的视角。水足迹指生产一定人群消费的产品和服务所需要的水资源数量，它表征的是维持人类产品和服务消费所需要的真实水资源数量，包括实体水和虚拟水，可用于分析区域水资源的承载能力以及对外依存程度，有助于更科学、更全面地认识水资源利用状况[4]。自从提出水足迹理论以来，便受到国内外众多学者的关注，国内多涉及水足迹时空分析[5]、农业水足迹与水资源利用[6]和生态补偿[7-8]等方面研究。而关于脱钩理论研究，最早由Vehmas等[9]提出了基于变化量的脱钩研究方法；Tapio[10]提出了脱钩模型，并在碳排放、资源利用等领域进行了应用。利用水足迹理论和脱钩理论，在水资源利用与经济发展协调性方面的研究有了一定的进展，国内学者已经从不同的尺度、区域空间进行了研究。潘忠文等[11]、刘明胜等[12]、李宁等[13]、焦士兴等[14]分别从国家、省域、城市群、地市等不同层面定量分析了水资源利用状况与经济增长的协调关系。

研究甘肃省水资源和经济发展脱钩关系及演变趋势，对于促进水资源利用和经济协调高质量发展和实现西部崛起具有重要意义。基于水足迹理论核算方法对甘肃省水足迹的构成及趋势进行分析，并采用脱钩模型研究水资源利用与经济发展的协调关系，以期为促进二者的协同发展提供参考，为进一步实现甘肃水资源的合理利用提供建议。

1 研究区概况

甘肃省位于“一带一路”沿线，是中国缺水最严重的省份之一，全域水系由黄河流域、长江流域和内陆河流域组成，其中重要的河流有渭河、泾河、大夏河、洮河、北大河、葫芦河、黑河、清水河、石羊河、疏勒河等。2019年甘肃省的水资源总量325.9亿m3，人均水资源量为1 231.21 m3/人，占全国人均水资源量的59%，接近于国际公认的人均1 000 m3的“重度缺水标准”，为典型的水资源短缺地区。近年来，随着经济的发展和人口的持续增长以及对生态文明建设的重视，对水资源的需求不断增加，加之用水结构的不合理，使甘肃省的水资源供需矛盾不断加大，对生态文明经济发展的制约越来越明显。

2 研究模型与方法

2.1 水足迹计算模型

目前国内学者研究水足迹主要从两方面考虑：①人类社会发展所消耗的实体水资源；②在产品及服务中的隐藏水资源，称为虚拟水。把实体水资源和隐藏的水资源(虚拟水)结合研究区域水资源利用情况[15]。目前，研究水足迹的核算方法有3种[16-17]，分别为自上而下核算法、自下而上核算法和投入产出模型法。本文采用自下而上核算法计算甘肃省的总体水足迹，建立6个水足迹账户，即农业水足迹、生活水足迹、工业水足迹、生态水足迹、进口虚拟水足迹和出口虚拟水足迹。水足迹的计算公式为：

WF=WFi+WFe

(1)

式中 WF——总体水足迹，指研究区域所消耗的水资源总量；WFi——内部水足迹；WFe——外部水足迹。

WFi=WFap+WFip+WFrp+WFep-WFc

(2)

WFe=WFh-WFre-export

(3)

式中 WFap——农业水足迹； WFrp——生活水足迹；WFip——工业水足迹；WFep——生态水足迹；WFc——出口虚拟水足迹；WFh——从其他区域进口的虚拟水足迹；WFre-export——从其他区域进口再出口的虚拟水足迹。

2.2 水资源利用评价指标[18-19]

2.2.1水足迹进口依赖度

水足迹进口依赖度等于研究区域的外部水足迹与本区域总水足迹的比值，反映研究区域对外部水资源的依赖程度，计算公式为：

(4)

2.2.2水资源自给率

水资源自给率等于内部水足迹与总水足迹的比值，反映研究区域对本地水资源的利用程度，计算公式为：

(5)

2.2.3水资源经济效益

水资源经济效益等于区域生产总值与总水足迹的比值，反映研究区域单位水足迹消耗产生的经济价值，用来研究区域水资源的利用效率，计算公式为：

(6)

2.2.4水资源压力指数

水资源压力指数是研究水资源是否处于安全状态的指标，用内部水足迹与出口虚拟水之和比可用水资源量计算。当值大于1 时，说明水资源无法满足区域发展要求，水资源利用已处于不可持续的赤字状态；当值不大于1时，说明水资源流量资本能够满足区域发展需求，水资源利用处于安全状态。水资源压力指数越大，反映区域水资源利用状况越不安全，未来的水资源利用风险越大，计算公式为：

(7)

式中，WA为区域水资源总量。

2.3 脱钩分析模型及其评价

脱钩分析最早应用于物理学领域研究，指具有响应关系的2个或多个物理量之间的响应关系不存在[20]。脱钩理论认为资源环境的利用和经济发展之间的关系存在着2种关系：一是资源与环境的消耗压力随着经济的增长而增长，这种情况称之为耦合；二是资源与环境的消耗压力随着经济的增长反而减少的情况称之为脱钩[21]。脱钩也可以分为2种情况来分析：一种是相对脱钩，是指经济增长时，资源与环境的消耗压力以相对较低的比率增长；另一种是绝对脱钩，是指经济增长的同时，资源与环境的消耗压力的增长率反而降低[22]。

在研究中，比较常见的2种脱钩算法分别是差值法和比值法[23-24]。本文利用Tapio模型比值法计算甘肃省水足迹脱钩指数，选取GDP作为衡量经济发展的指标，研究区域经济发展与水足迹的脱钩关系，Tapio脱钩弹性计算公式为：

(8)

式中Et——脱钩指数，指第t-1年到第t年的水足迹与GDP的增量比值；ΔTW、ΔTE——水足迹与GDP的变化速率；TWt、TEt——第t年的水足迹和GDP值。

脱钩指数用于描述变量之间相分离的程度和方向。为能够充分地反映GDP与水足迹之间的变化关系，本文在选定区域GDP与水足迹2个指标的基础上，又增加了本地区农业产值与农业用水足迹2个指标。有研究学者已经对脱钩指数的8种取值状态进行了定义(表1)，根据定义，本文新增一项评价效果，用于描述人类的接受状态，分为5个级别，分别为：最为理想、较为理想、一般理想、不理想、极不理想。

表1 脱钩模型评价

2.4 数据来源与处理

研究数据来自2008—2020年《甘肃省统计年鉴》《甘肃省水资源公报》等资料。农业水足迹采用自下而上核算法，通过农产品产量乘单位产品虚拟水含量来计算(农产品包括农作物产品和动物产品)，农作物产品和动物产品的虚拟水含量参考文献[25-27](表2)，忽略了地域差异性。基于甘肃省可查数据，农作物产品主要有小麦、玉米、棉花、油料、豆类、薯类、烟叶、蔬菜、水果，动物产品有牛肉、羊肉、猪肉、禽肉、禽蛋、奶类、水产品等。目前国内外学者关于进出口虚拟水足迹的研究，由研究区进出口总额乘本地区万元GDP用水量计算得出，考虑到数据缺失，忽略了本地区从其他地区进口的产品或服务再出口的虚拟用水量WFre-export。在脱钩分析中，统计年鉴查到的GDP为名义GDP，为了消除价格对经济增长的影响，以2008年为基准期，对名义GDP通过GDP指数换算成可比较的实际GDP，计算实际经济增长数据。

3 结果与分析

3.1 水足迹分析

从图1和表3中可以看出，水足迹从2008年开始呈现出小幅度上涨，到2015年有一个下跌，然后有一个不稳定的波动上涨趋势。2008年水足迹152.77亿m3，是整个研究区间的最小值。通过对表4甘肃省2008—2019年年降水量的分析，甘肃省作为干旱缺水地区，由于2008、2009、2015年降水的不足，水资源直接影响到当年的水足迹。

表2 农作物产品和动物产品的单位餐品虚拟水含量 单位：m3/kg

从水足迹的组成分析，农业水足迹占水足迹的最大比重，整个研究期间都超过了水足迹的80%，从2013年之后，占比接近90%。可见，在干旱区，农业用水依然比较严峻。工业用水足迹在2009—2012年保持增长，但是从2012—2019年，平稳下降，是由于甘肃省在国家政策的调控下，产业结构的调整以及用水的优化使整体工业生产环境有所改善。生态水足迹在2013—2019年处于上升趋势，这是由于2012年十八大提出生态文明建设之后，甘肃省作为西北地区生态文明建设示范区，提高了生态优先意识，保证了生态环境的需水量，着重加强生态建设与经济发展之间的协调。

同时，从表3中可以看出进出口虚拟水足迹，仅在2014、2015、2016年，出口虚拟水足迹大于进口虚拟水足迹，其余年份，出口虚拟水足迹均小于进口虚拟水足迹，通过进口虚拟水含量较多的商品，可以在一定程度上缓解了甘肃省水资源短缺状况。

从图1进一步对人均水足迹分析，人均水足迹变化趋势与总体水足迹变化趋势一致，先有一个小幅度波动上涨，再下跌，然后再波动上涨，几乎和总体水足迹的变化处于一个平行状态，说明研究期间每年人均占有的水足迹数量分布均等。但是甘肃省的人均水足迹的均值小于国家整体人均水足迹[4]，说明甘肃省水资源人均消耗水平低于全国人均消耗水平。

图1 甘肃省2008—2019年水足迹及人均水足迹变化

表3 2008—2019年甘肃省水足迹构成 单位：亿m3

表4 甘肃省2008—2019年水资源量、年降水量、用(供)水总量数据

续表4 甘肃省2008—2019年水资源量、年降水量、用(供)水总量数据

3.2 水资源利用评价

从表5可以看出，2008—2019年甘肃省水资源进口依赖程度较小，依赖程度最大是在2008年达到了8.17%，总体上，进口依赖程度呈下降的趋势。从水资源自给率分析，甘肃省近12年来水资源自给率都在90%以上，最高98.69%，最低91.83%，说明存在2个问题：一是本地区对外交流方面还需进一步加强，可以通过广泛交易进口获取更多外部虚拟水；二是使用内部水能保证本地区经济社会的生产。

从水资源经济效益价值分析，甘肃省水资源经济效益每年都在增加，从2008年的20.11元/ m3提高到2019年的43.35元/ m3，年均增长率为6.6%，这是由于经济的发展和科技水平的提高，让水资源的利用效率得到提高。随着人口增加、城市扩张，水资源需求量不断增大，水资源供需矛盾凸显，水资源利用效率的提高对于解决水资源问题的作用有限。从水资源压力指数分析，整个研究期间水资源压力指数均小于1，其中仅在2014—2017年水资源压力指数超过0.7，水资源利用存在风险，经过调整，2018、2019年水资源压力指数有所降低。在整个研究期间说明甘肃省水资源状况目前还处于安全状态，在未来的生活中要保障水安全，就要控制水资源压力指数上涨。

表5 2008—2019年甘肃省水资源评价指标

3.3 水资源利用与经济增长脱钩分析

经过相关数据处理后，由式(8)可以计算得到甘肃省2009—2019年GDP变化率、水足迹变化率、农业产值变化率和农业水足迹变化率，以及GDP-水足迹变化趋势(图2)、农业产值-农业水足迹变化趋势(图3)和各年末的弹性系数值(表6)。

甘肃省在2009—2019年整个期间GDP的增长率有下降趋势，说明经济增长速度在放慢，但均高于同期水足迹的增长率(图2)，经济增长与水资源利用整体上处于弱脱钩的关系状态。弱脱钩状态就是总体用水量和经济增长都在增加的同时，经济增长的增速要高于总用水量的增速。期间在2011年出现1次增长连接，增长连接体现的是用水增速基本与经济增速持平，呈现一般理想的关系状态，在可接受的范围内；出现了2次强脱钩和8次弱脱钩，强脱钩状态是最好的一种状态，经济增长的同时用水量减少，这也正是经济发展与水资源利用的最优协调发展要求。

图2 2009—2019年甘肃省GDP-水足迹变化

图3 2009—2019年甘肃省农业产值-农业水足迹变化

表6 2009—2019年甘肃省经济增长与水资源利用脱钩弹性系数

通过图3可以看出，在2009—2019年整个期间农业产值的增长率一直处于0.04～0.06，相对比较稳定，而农业水足迹的增长率在-0.08～0.13，出现小范围的波动。整个期间农业脱钩中出现5次弱脱钩、3次扩张性负脱钩、2次强脱钩和1次增长连接，其中3次扩张性负脱钩出现在研究区间的最初年份2009、2011、2012年，扩张性负脱钩是指农业产值与农业用水量都在增加，而农业用水量增长速率大于农业产值增长速率，是一种过度消费水资源的表现，也是一种非常不理想的关系状态，造成这一现象的原因，与传统的粗放式大水漫灌农作物相关，农业经济增长的同时也造成了水资源的浪费。从2014—2019年出现4次弱脱钩和2次强脱钩，说明农业用水量与农业产值的协调状态有所好转，处于较理想的弱脱钩和最理想的强脱钩状态。这是由于近几年，针对干旱地区，甘肃省大力推广旱作节水技术，在全省蔬菜、果树及中药材等农作物上，推广水肥一体化技术；在河西、沿黄灌区马铃薯、棉花、玉米等作物上，推广应用以垄膜沟灌技术为支撑的农艺节水技术和以膜下滴灌、低压管灌为主的高效节水技术。其中1次增长连接出现在2013年，不难看出，2013年是从不理想状态向理想状态的过渡年份，这与国家政策导向相关。2012年3月，习近平总书记在中央财经领导小组第五次会议上提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，强调节水意义重大，在甘肃省农业灌溉用水达到总用水量的80%左右，所以农业节水是重中之重。从表4也可以看出从2012年开始，用(供)水量逐年降低，农业节水技术措施起到很大作用。

4 结论与建议

4.1 结论

通过对甘肃省2008—2019年的水足迹进行核算分析，以及水资源评价和脱钩分析，得出以下结论。

a)甘肃省水足迹及人均水足迹均呈波动上升趋势，其中农业水足迹占水足迹的86.78%，是水足迹的重要组成部分，生态水足迹处于上升趋势。

b)水资源利用评价分析表明，水资源自给率近12年来都在90%以上；水资源的经济效益在逐年显著提高，由2008年的20.11元/ m3增长到2019年的43.35元/ m3，水资源利用效率的提升有很大空间；水资源压力指数虽有波动，但近5年有降低趋势，处于安全状态。

c)最后通过脱钩关系分析表明，甘肃省近11年水足迹与经济增长之间的关系正在逐步从较理想的弱脱钩向最理想的强脱钩转变，农业产值与农业水足迹之间的关系由最初的不理想扩张型负脱钩向最理想强脱钩转变，水资源的利用效率虽然在不断提高，但甘肃省作为西北干旱区仍面临着水资源不足的困境以及水环境压力增加的挑战。

4.2 建议

基于结论，为推进甘肃省水资源利用与经济增长协调高质量发展，提以下建议。

a)在农业方面，要推进高标准农田建设，有利于高效节水灌溉；针对干旱区，推广应用并研发旱作节水技术，改进灌溉方式，构建农田高效节水技术体系；针对山地丘陵地区，可以改变农作物种植结构，推行高效生态循环种养模式，加强养殖业与种植业有效对接，增加水资源在农业利用的附加值，提高水资源利用率。

b)在对外贸易方面，甘肃省要充分利用“一带一路”战略国家政策优势，结合虚拟水的理论，进一步优化进出口商品类型，改变贸易虚拟水结构，引进虚拟水含量相对较高的农作物产品，缓解和应对水资源的压力。

c)在生态方面，继续保持对生态需水的投入，保证满足当地生态系统需水，推进构建西部生态安全屏障，提升黄河上游生态安全以及内陆河生态安全屏障，进而保障生态文明建设的顺利进行。