水资源生态足迹时空变化特征及驱动因素分析

冯佳宁,吴少霖,李晓英,柏 同

(1.河海大学 水利水电学院,南京 210098;2.中交上海航道局有限公司,上海 200002;3.河海大学 环境学院,南京 210098)

0 引 言

水资源生态安全状态与经济社会的发展密切相关[1],诸多地区面临一系列水污染和水资源短缺等问题[2]。随着五大发展理念和16字“治水方针”的提出,绿色发展逐渐受到重视[3]。鉴于此,合理规划水资源已成为地区绿色发展的前提[4]。

生态足迹模型可用于评价人类对资源的需求以及地区绿色发展的程度[5-6],而模型中仅包括六大类生产土地,缩小了水资源用途的范围[7]。为此,范晓秋等[8]将水资源账户引入生态足迹模型,确定3个关键参数。黄林楠等[9]构建了水资源生态足迹模型,将其划分为生产、生活和生态用水。传统水资源评价大多是基于水文学的原理而进行计算,仅考虑某个地区的水文变化规律,而引入生态足迹模型则可将自然界的水资源与人类活动联系起来,使得评价结果更全面。随着生态足迹模型的深入研究,基于生态足迹的水资源可持续评价体系也广泛应用于水资源评价领域。已有的基于水资源生态足迹模型的评价多集中在我国南方地区[10-14],针对西北地区水资源现状的分析较少。

本文结合陕西省2006-2020年相关统计数据,以水资源生态足迹模型为基础,分析陕西省水资源生态压力状况、开发利用效率和生态经济协调性,通过LMDI模型对水资源生态足迹变化的影响因素进行分析,以期为陕西省因地制宜制定区域水资源管理政策提供参考,提高生态环境安全,实现绿色发展。

1 研究区概况

陕西省位于我国西北部,全省纵跨长江、黄河两大流域。其地势南北高、中部低,自北向南大致可划分为陕北高原、关中平原和秦巴山区。研究区处于北温带和亚热带,整体上为大陆季风性气候。年平均气温7℃～16℃,其中陕北地区7℃～12℃,关中地区12℃～14℃;陕南是全省最温暖的地区,主要在14℃～16℃。年降水量400～900mm,由于地形,降雨分布特征为南部多、北部少,夏季多、冬季少。陕西省地表水多年平均径流量425.8×108m3,人均拥有水资源量1 280 m3(2021年),径流呈明显分带性规律,南部大于北部,径流年内分配也不均,河流含沙量高,水土流失严重。随着社会的高速发展,全省综合经济实力居西北榜首,主要经济产业处于领先地位,经济总量规模在西北五省(区)中常年保持第一的位置,具有重要的战略地位。

2 研究方法与数据来源

2.1 水资源生态足迹

水资源生态足迹是在一定人口和经济状况下,为维持人类生活生产和自然环境自身发展消耗的单位面积水资源量[10]。全部用水可分为生产用水、生活用水和生态环境用水,即“三生用水”[9]。生产用水又分为农业用水、工业用水和城镇公共用水。各类水资源生态足迹公式[15]为:

(1)

EFwi=N·efwi=N×γw×(Wwi/pw)

(2)

式中:EFw为地区总水资源生态足迹,hm2;EFwi为第i类水资源生态足迹,hm2;N为地区人口数,人;efwi为人均水资源生态足迹,hm2/人;γw为全球水资源均衡因子[9],取值为5.19;Wwi为第i类人均用水总量,m3/人;pw为全球水资源平均生产能力,m3/hm2,取3 140m3/hm2[16]。

2.2 水资源生态承载力

水资源承载力具有自然属性、社会属性及空间属性,为某一区域在某一历史阶段和科技、文化、管理水平下,水资源对生态系统和经济系统良性发展的支撑能力[9]。水资源承载力至少要扣除60%用于维持生态系统平衡[17],故在计算中乘以系数0.4。其计算公式为:

ECw=N·ecw=0.4×γw×φ×(W/pw)

(3)

式中:ECw为地区水资源承载力,hm2;ecw为人均水资源生态承载力,hm2/人;φ为水资源产量因子,是研究区水资源生产能力与全国平均水资源生产能力的比值,根据《陕西省水资源公报》数据,可算得2006-2020年陕西省以及各地市(州)的水资源产量因子;W为水资源总量,m3;N、γw、pw含义同式(2)。

2.3 水资源生态盈亏指数

水资源生态盈亏指数为水资源生态承载力与生态足迹两者的差值[18]。其公式为:

EDw=ECw-EFw

(4)

式中:EDw为生态盈亏指数,hm2。

当EDw>0时,为水资源生态盈余,即呈可持续利用;当EDw<0时,为生态赤字,即过度开发。

2.4 水资源生态足迹强度

以水资源生态足迹强度来衡量地区水资源利用效率,值越小,表示水资源利用效率越高;反之,越低[19]。其公式为:

ESw=EFw/GDP

(5)

式中:ESw为水资源生态足迹强度。

2.5 水资源生态经济协调程度

生态经济协调指数(ECI)反映经济社会和生态环境两者间的协调程度,其公式为[20]:

(6)

式中:ECI取值范围为[1,1.414]。

当ECI=1.414时,生态经济协调性较好,生态安全得到保障;当ECI取值越接近1,生态经济协调性越差,生态安全性低。

2.6 对数平均迪氏指数分解法

为深入探究陕西省水资源生态足迹变化,评估其潜在影响因素是必要的。因素分解法可定量分析不同因素对事物变化的影响程度[10],对数平均迪氏指数分解法(LMDI法)可有效解决分解时出现的“0”值和残余项问题[21]。采用LMDI法进行水资源生态足迹驱动因素分析,具体为:

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2.7 数据来源

数据来自2006-2020年的《陕西省水资源公报》和《陕西省统计年鉴》。

3 结果与分析

3.1 水资源生态压力状况分析

3.1.1 水资源生态足迹

由式(1)-式(2)计算陕西省2006-2020年生产、生活和生态环境用水水资源生态足迹,见表1。在各用水账户产生的水资源生态足迹中,农业、工业、城镇公共、生活和生态环境用水的占比分别从2006年的70%、16%、3%、11%、1%变为2020年的62%、11%、15%、6%、6%。

表1 2006-2020年陕西省各用水账户人均水资源生态足迹

近15年,陕西省人均水资源生态足迹呈小幅增长的态势,具体年均变化率见表1。水资源生态足迹的变化侧面反映出用水结构的变化。农业用水生态足迹在2006-2020年呈缓慢下降趋势,与省内耗水作物种植面积的减少和灌溉节水技术的推广有关,根据《陕西省统计年鉴》资料统计,省内粮食作物种植面积持续减少,由3 453.33×104hm2减少至3 001.05×104hm2,减少13.10%;工业用水生态足迹与农业用水生态足迹趋势相似,表明工业逐渐转向高效利用的方式,与陕西省不断优化产业结构相符。自2018年以来,生活用水生态足迹呈下降趋势。城镇公共用水生态足迹不断上升,2006年城镇公共用水量为2.15×108m3,2020年增加至12.95×108m3,增加502.33%,反映出第三产业迅速发展。生态环境用水生态足迹在2006-2020年也呈快速上升趋势,表明陕西省加快生态文明的建设,未来生态环境用水可能仍会增加。

具体到各市来看,以2020年为例(图1),延安市的首要组成账户为工业用水生态足迹,为35%。其余各市农业用水生态足迹占比最高,其中汉中市农业用水生态足迹为87%,渭南市和安康市次之,占比分别为75%和71%。15年中,大多数行政区的首要组成账户基本稳定,但延安市的首要用水账户由农业变为工业,这可能与近年来经济的快速增长有关。

图1 2020年陕西省各市水资源生态足迹各账户组成

3.1.2 人均水资源生态承载力

陕西省人均水资源生态承载力的区域差异十分显著。选取2007、2013和2020年作为代表年,分别代表研究时段初、时段中、时段末,以此表示研究时段的变化趋势。由式(3)计算人均水资源生态承载力,见图2。汉中市和安康市的水资源生态承载力较大,其中汉中市水资源生态承载力的平均值为4.46 hm2/人,安康市为3.47 hm2/人。而渭南市、咸阳市和西安市等城市的人均水资源生态承载力较低,最低的是咸阳市,平均值仅为0.02 hm2/人,与汉中市差值高达223倍。近年来,随着黄河入境流量逐渐减小,降水量成为陕西省水资源的主要来源。在研究期间,汉中市、安康市和商洛市的人均水资源生态承载力明显高于其他市区,分析发现主要是由于以上3个市位于陕南地区,地区为亚热带大陆性季风气候,降水量充沛,水资源开发利用空间较大,而人均水资源生态承载力最低的咸阳市历年来降水量最小。

图2 陕西省各市人均水资源生态承载力变化

全省各地人均水资源生态承载力变化各有不同,在2007-2020年期间,人均水资源生态承载力下降的是西安市、延安市和商洛市,降幅最大的是西安市,下降24.82%。其余7个市的人均水资源生态承载力则呈上升趋势,宝鸡市上升幅度最大,其次为咸阳市,分别上升79.99%、33.97%。造成人均水资源生态承载力区域差异明显的原因主要与各地区的降水量有直接的关系。分析发现,西安市、延安市和商洛市的降水量在研究时段呈下降趋势,而其余各市的降水量在研究时段呈增长趋势。

3.1.3 水资源生态盈亏指数

水资源生态盈亏与生态承载力的变化关系密切。由式(4)可得水资源生态盈亏指数,总体来看,陕西省水资源分布不均,大部分地区处于生态赤字状态,出现水资源透支情况,见图3。从空间分布来看,汉中市、安康市、商洛市和宝鸡市为水资源盈余状态,水资源现状对经济社会的发展起支撑作用,且未来开发利用的潜能较大,其余6个地区均为生态赤字,水资源与经济的发展矛盾突出。从时间尺度来看,2007-2020年水资源生态盈余和赤字地区分布基本稳定。2007年安康市水资源生态盈亏指数最高,达3.339hm2/人;汉中市和商洛市次之;低值区为渭南市、咸阳市、榆林市、西安市、延安市和铜川市,除渭南市为-0.369 hm2/人外,其余5个市均小于-0.1 hm2/人。至2020年,水资源生态盈亏指数最高的地区变为汉中市,达4.113 hm2/人;安康市和商洛市次之;渭南市仍为水资源生态盈亏指数最低的地区,为-0.396 hm2/人。西安市水资源盈亏程度有所改善,增幅45.60%;榆林市有明显降低,降幅54.36%。总的来说,降水较多的地区呈水资源生态盈余,而降水稀少的地区呈水资源生态赤字。

图3 2007-2020年陕西省水资源生态盈亏分布

3.2 水资源开发利用效率分析

水资源生态足迹强度由式(5)计算,陕西省各地区生态足迹强度差异较大,但呈缩小趋势,见图4。研究时段内,汉中市水资源生态足迹强度最大,延安市最小。2006年两者差值1.27hm2/万元, 2020年降至0.14hm2/万元。以上研究表明,自2006-2020年,水资源生态足迹强度的区域差异逐渐变小。其主要原因是陕西省各地区水资源生态足迹强度普遍大幅下降,其中汉中市降幅最大,为88%;延安市降幅最小,为60%,表明水资源生态足迹强度较大的地区与人均水资源生态足迹较大的地区基本一致,主要分布在陕南地区。总体来说,在生态文明的历史新阶段下,最严格水资源管理“三条红线”及“四项制度”实施后,陕西省农业和工业用水效率显著提升。此外,陕西省产业结构的不断调整,逐渐优化产业发展[22],也使得水资源利用效率有所提高。

图4 陕西省各市2006-2020年水资源生态足迹强度变化

3.3 水资源生态经济协调性分析

生态经济协调指数表示水资源和生态经济之间的协调性。根据式(6)计算生态经济协调指数,陕西省各市2006-2020年的水资源生态经济协调指数见图5。水资源生态经济协调性最佳的地区为宝鸡市,平均ECI为1.40,表明宝鸡市工农业产业结构不断调整,使水资源利用效率不断提高,水资源生态系统与社会经济系统的协调性相对较稳定。其次是西安市,平均ECI为1.30。咸阳市最差,平均ECI为1.04。分析发现,咸阳市人均水资源量为264.6m3,远远低于最低绝对缺水线500m3,属严重缺水地区,供水体系不完善,节水工程严重不足,水资源开发利用率低,随着经济发展和人民生活水平不断提高,用水量会持续增加,水资源供需矛盾也会更加突出。其余各市水资源生态经济协调性处于较低水平,平均ECI在1.14左右。因此,陕西省应注重协调性较差地区的水资源生态安全性,完善水利设施,提高水资源利用率,从而实现水资源和生态经济之间的协调。

3.4 水资源生态足迹影响因素分析

以2006年为基准年,由式(7)-式(12)对陕西省2006-2020年的水资源生态足迹影响因素进行分析,见图6。由图6可知,对水资源生态足迹影响最大的因素分别为经济效应和技术效应。研究时段内,经济效应大于“0”,表明促进水资源生态足迹增长;技术效应小于“0”,为抑制作用;结构效应和人口效应趋于“0”,影响较小。①陕西省水资源生态足迹增长的主要因素是经济效应,2006-2020年经济持续高速发展,使水资源的需求量日益增多。②技术效应对水资源生态足迹的增长起显著抑制作用,且抑制作用逐渐增强,表明减少单位GDP用水量对水资源生态足迹的减少有明显效果。③结构效应即“三生”用水结构,其变化较平稳,对陕西省水资源生态足迹起微弱抑制作用。④人口效应对水资源生态足迹的影响较小。2006-2009年人口因素大于“0”,对水资源的增长起促进作用,此时人口增长率为正;2010-2013年人口因素小于“0”,为抑制作用,相应人口增长率为负;2013年后人口开始回升,人口因素为正。由此可见,人口效应与陕西省人口增长率密切相关。近年来,人口政策的实施使人口数量变化较大,因此引起的生态环境问题应得到重视。

4 结 论

1)2006-2020年,陕西省的水资源生态足迹缓慢增加。其中,对水资源生态足迹贡献最大的是农业用水账户,但其占比逐年减小;生态环境用水的贡献较小,但呈增长趋势。经济效应是陕西省水资源生态足迹增长的主要驱动因素,而发挥抑制作用的因素为技术效应,抑制水资源生态足迹增加的主要方法是减少单位GDP用水量。

2)陕西省水资源生态承载力的区域差异显著,汉中市和安康市人均水资源生态承载力最大,咸阳市人均水资源生态承载力最低。汉中市、安康市、商洛市和宝鸡市处于盈余状态,其余地区处于赤字状态。水资源生态盈亏指数与水资源生态承载力的变化基本一致,主要受自然禀赋及水资源消耗量的影响。

3)各市区水资源生态足迹强度逐年下降,主要由于国家颁布的最严格水资源管理制度的落实及全省产业结构的转型使水资源利用效率逐渐提高。陕西省水资源生态经济协调性较差,平均ECI为1.14,陕西省应采取工程和非工程措施,实现各市区水资源和生态经济之间协调的目的。

现阶段,陕西省水资源分布不均,一方面,可采取有效的科学技术手段,实现水资源均衡分配;另一方面,通过产业结构转型、节能减排和水资源再利用等措施,促进水资源供需平衡。