基于水资源生态足迹的甘肃省水资源利用与经济增长的脱钩效应研究

崔 亮，陈吉平，王启优

(甘肃省水文站，甘肃 兰州 730000)

0 引 言

水资源作为人类赖以生存和发展不可缺少的基础性自然资源，对于区域经济社会发展的速度和方向具有至关重要的决定作用[1-2]。随着水资源的不断开发和利用，水资源短缺逐渐成为制约区域经济社会可持续发展的重要因素[3-4]。在此背景下，如何科学合理地定量分析区域水资源开发利用现状和评价水资源利用与经济社会发展的协调性趋势规律，提高用水效率，增强区域经济社会发展的可持续性，缓解区域水资源短缺危机，成为社会研究关注的热点问题[5-6]。

水资源生态足迹模型是在学者William Rees和Mathis Wackernagel的生态足迹理论研究的基础上提出和补充下形成的[7]。研究表明，该模型可以从区域经济发展、社会、人口等角度定量分析区域水资源供求关系，评价水资源消耗与经济社会发展是否协调，从而反映区域可持续发展的状况[8-10]。Hoekstra等[11]、Chen等[12]以虚拟水为基础核算了全球尺度的水生态足迹；张义等[13]、Wang等[14]结合中国水资源利用情况，改进了水资源生态足迹的理论和计算方法；刘昀东等[15]、郭利丹等[16]应用水资源生态足迹理论，评价了区域水资源的可持续利用状况。脱钩模型的提出主要用于探求资源消耗与经济社会发展之间的关系，评价区域发展状态健康与否[17]。随着区域生态环境保护和经济高质量发展的协同发展，脱钩模型研究在水资源利用方面也日益增多[18-19]。吴丹[20]等利用脱钩模型研究了我国社会经济发展和水资源消耗量之间的脱钩状态；Zhang等[21]从水资源生态足迹理论方面，研究了我国西北地区经济发展与水资源利用间的脱钩状态；Zhu等[22]、姜明栋等[23]分别研究了经济增长与农业用水量、工业用水量之间的脱钩状态。

甘肃省地处我国西北地区，降水稀少，水资源时空分布不均，且水资源人均占有量仅为我国人均水平的1/3，是世界人均水平的1/8，水资源与区域人口、经济发展不相符已成为甘肃省主要的水资源问题[24-25]。同时，随着甘肃省河西地区新能源及装备制造业基地、兰白核心经济区等重点区域项目的建设，进一步加剧了区域水资源的开发利用、水安全及水资源的供需矛盾，这对甘肃省水安全保障提出了新的挑战[26]。鉴于此，本文以西北地区的甘肃省为研究对象，针对该区域水资源短缺、时空分布不均等问题，基于水资源生态足迹模型定量分析甘肃省2000年～2021年水资源可持续利用状况，结合脱钩模型评价水资源利用与经济增长之间的脱钩关系，并采用灰色神经网络模型进行脱钩预测，以期为甘肃省水资源可持续利用与经济高质量协调发展提供理论参考依据。

1 研究区概况

甘肃省位于我国西部地区，地处黄河中上游，全省下辖12个地级市、2个自治州，面积42.58万km2。据统计，截至2022年底，甘肃省人均水资源量956.1 m3，远低于2022年全国人均水平(2 300 m3)。甘肃省地处黄土高原、青藏高原和内蒙古高原三大高原的交汇地带，年平均气温0～15 ℃，大部分地区气候干燥，干旱半干旱区占总面积的75%，主要受干旱、暴雨洪涝、冰雹、大风、沙尘暴和霜冻等自然灾害影响。全省年降水量在36.6～734.9 mm，从东南向西北递减，乌鞘岭以西降水明显减少，陇南山区和祁连山东段降水偏多；降水多集中在6月～8月份，占全年降水量的50%～70%，年降雨量在40～800 mm。甘肃省水资源主要分属黄河、长江、内陆河3个流域、9个水系，河流年总径流量415.8亿m3，其中径流量在1亿m3以上的河流有78条，全省水资源丰富，但由于时空分布不均，可利用水资源短缺。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文选取2000年～2021年的相关基础数据进行研究，甘肃省降水量、水资源总量、用水量等数据来源于《甘肃省国民经济和社会发展统计公报》《甘肃省水资源公报》和《甘肃省统计年鉴》等资料文献。

2.2 研究方法

2.2.1 水资源生态足迹模型

水资源生态足迹模型作为一种定量分析水资源利用与经济社会发展之间关系的有效方法，可以较好地衡量甘肃省一定人口和经济对水资源的需求能力[7，9]。根据用水结构，水资源生态足迹包括农业用水、工业用水、生活用水、生态环境用水4类，其计算公式如下

EFw=Nefw=Nγw(W/Pw)

(1)

式中，EFw为区域的水资源生态足迹，hm2；N为区域的年末总人口数，人；efw为人均水资源生态足迹，hm2/人；γw为水资源的全球均衡因子，取5.19；W为用水量，m3；Pw为全球的水资源平均生产能力，取3.14×103m3/hm2。

2.2.2 水资源可持续利用评价模型

(1)水资源生态承载力。水资源生态承载力是指水资源能够维持该区域人口、经济和生态环境系统良性发展的支撑能力[16]。其计算公式为

ECw=Necw=0.4γwφ(Q/Pw)

(2)

式中，ECw为水资源生态承载力，hm2；ecw为人均水资源生态承载力，hm2/人；φ为水资源产量因子；Q为区域水资源总量，m3。

(2)水资源生态盈亏指数。水资源生态盈亏指数是指区域水资源生态足迹与水资源生态承载力的差值，评价区域水资源可持续利用状况[16]。其计算公式为

EDw=efw-ecw

(3)

式中，EDw为水资源生态盈亏指数，hm2。当EDw>0时，表示水资源为生态赤字；当EDw<0时，表示水资源为生态盈余；当EDw=0时，表示水资源为生态平衡。

(3)水资源生态压力指数。水资源生态压力指数可以反映区域水资源安全受到威胁的程度，其值越小越安全[15]。其计算公式为

EPIw=EFw/ECw

(4)

式中，EPIw为水资源生态压力指数。当EPIw>1时，表示人类活动对水资源可持续利用构成威胁；当EPIw=1时，表示人类活动与水资源可持续利用处于平衡状况；当EPIw<1时，表示人类活动对水资源可持续利用的影响较小。

(4)水资源利用效率。万元GDP水资源生态足迹是指区域水资源生态足迹EF与该地区生产总值Y的比值，其可较好地反映区域水资源的利用效率[15]。计算公式为

EGt=EFt/Yt

(5)

式中，EGt为第t年的水资源利用效率指数，hm2/万元；EFt为第t年的水资源生态足迹；Yt为第t年的地区生产总值，万元。

2.2.3 基于Tapio水资源利用与经济协调发展脱钩评价模型

(1)模型构建。Tapio提出的脱钩弹性分析方法可以从不同时间维度来衡量资源环境与经济发展之间的关系[15]。本文基于Tapio脱钩弹性分析方法，构建了基于Tapio水资源利用与经济协调发展的脱钩评价模型，该模型可有效评价水资源利用与经济社会发展快慢[18]，其公式为

(6)

式中，e为脱钩弹性指数；ΔW为区域水资源变化量，亿m3；ΔY为经济增长变化量，亿元；Wt、Wt-1分别为第t年和第t-1年的水资源利用量，亿m3；Yt、Yt-1分别为第t年和第t-1年的经济指标，亿元。

(2)脱钩程度评价标准。根据区域水资源变化量、经济增长变化量和脱钩弹性指数e，脱钩程度评价标准见表1所示。

表1 Tapio脱钩类型划分标准

3 结果与分析

3.1 区域水资源生态足迹变化特征

甘肃省2000年～2021年的水资源生态足迹变化特征如图1和表2所示。由图1和表2可知，甘肃省2000年～2021年水资源生态足迹整体呈逐渐下降的变化趋势，水资源生态足迹由2000年的2 028.39万hm2逐渐下降至2021年的1 820.14万hm2，年下降速率为9.47%。由图1和表2进一步可知，在区域水资源利用过程中，农业用水足迹的占比最大但呈逐渐下降的变化趋势，从2000年的1 610.34万hm2下降至2021年的1 364.94万hm2，占比从2000年的79.4%下降至2021年的74.0%，尤其是2014年后下降速度显著加快；工业用水足迹亦呈逐渐下降的变化趋势，从2000年的292.70万hm2下降至2021年的107.44万hm2，占比从2000年的14.4%下降至2021年的5.9%；生活用水足迹整体呈逐渐上升的变化趋势，从2000年的125.35万hm2上升至2021年的160.99万hm2，这主要是由于随着区域的快速发展和城镇化的不断推进，城镇人口数量不断增长，生活用水量逐渐增加，是生活用水足迹增加的主要影响因素；生态环境用水足迹及其所占比例亦呈整体上升的变化趋势，从2000年的0上升至2021年的186.77万hm2，占比从2000年的0上升至2021年的10.3%，特别是2019年后上升速度明显加快。这与甘肃省深入践行全国生态文明建设与“绿水青山就是金山银山”的理念息息相关，在逐步提高区域内生态环境用水安全的同时，对区域内实施了最严格的水资源管理，同时与近年来产业不断转型升级和不断优化调整产业结构的比重等措施有密切关联，这些措施在一定程度上提高了用水效率，降低了用水量。

图1 甘肃省2000年～2021年水资源生态足迹变化特征

表2 甘肃省2000年～2021年水资源生态足迹变化特征统计 万hm2

3.2 区域水资源可持续利用特征分析

3.2.1 区域水资源生态承载力变化特征

甘肃省2000年～2021年的水资源生态承载力ECw变化特征如图2所示。由图2可知，研究期内甘肃省水资源生态承载力整体呈波动下降趋势，年际间变化波动较大，多年平均水资源生态承载力432.15 hm2，水资源产量因子为0.22，均低于全国平均水平。由图2进一步可知，研究期内甘肃省水资源生态承载力呈3个阶段的变化特征，其中2000年～2004年水资源生态承载力呈逐渐下降趋势，2005年～2019年水资源生态承载力整体呈逐渐上升趋势，2020年～2021年水资源生态承载力整体呈逐渐下降趋势，水资源生态承载力与降雨量变化趋势基本一致。这主要是由于水资源生态承载力年际变化影响因素不仅与区域内人口、水文地质条件等有关，而且与区域内的气候，尤其是降雨量密切相关，表明降雨量的多少在一定程度上反映了区域内水资源的丰富程度。

图2 甘肃省2000年～2021年水资源生态承载力变化特征

3.2.2 区域人均水资源生态盈亏指数变化特征

甘肃省2000年～2021年的人均水资源生态盈亏指数EDw变化特征如图3所示。由图3可知，研究期内甘肃省水资源利用整体处于生态赤字状态，但人均水资源生态赤字整体呈波动下降趋势，且同一时间段内人均水资源生态足迹efw均远高于人均水资源生态承载力ecw。这表明研究期内甘肃省天然水资源量难以满足其生态环境与经济社会的健康发展，水资源可持续开发利用的空间较小，这主要是由于甘肃省地处西北干旱区，水资源短缺是制约该区域可持续发展的主要因素。因此，有必要进一步提高水资源利用效率，提高水资源管理水平，不断完善管理措施，从而改善区域内水资源生态赤字状况。

图3 甘肃省2000年～2021年人均水资源生态盈亏指数变化特征

3.2.3 区域水资源生态压力指数变化特征

甘肃省2000年～2021年的水资源生态压力指数EPIw变化特征如图4所示。由图4可知，研究期内甘肃省水资源生态压力指数EPIw整体呈波动上升变化趋势，且其值均大于1.0，表明甘肃省经济社会发展对区域内水资源的可持续利用构成了威胁。因此，要加强水资源的利用与管理，提高区域水资源的保障能力。

图4 甘肃省2000年～2021年水资源生态压力指数变化特征

3.2.4 区域水资源利用效率变化特征

甘肃省2000年～2021年的万元GDP水资源生态足迹变化特征如图5所示。由图5可知，研究期内甘肃省万元GDP水资源生态足迹整体呈逐渐降低的变化趋势，表明该区域内的水资源利用效率逐渐提高。这主要是由于自“十二五”开始，甘肃省为逐渐提高水资源利用效率，把水资源作为最大的刚性约束，对区域内的用水效率、用水量等进行最严格的水资源管理。同时，产业结构的不断优化、高水效农业的不断发展也逐渐降低了万元GDP的耗水量，从而显著提高了区域内的水资源利用效率。因此，在今后区域经济社会发展过程中，一方面仍要严格管控用水总量、用水效率，另一方面要不断优化产业结构、发展高水效农业，从而不断提高水资源的保障能力。

图5 甘肃省2000年～2021年水资源利用效率变化特征

3.3 区域水资源利用与经济增长的脱钩效应分析

基于Tapio水资源利用与经济协调发展脱钩评价模型评价甘肃省2000年～2021年的水资源利用与经济增长的脱钩效应，评价结果如表3所示。由表3可知，研究期内甘肃省水资源总用水量与经济增长整体上处于脱钩的协调发展状态，脱钩关系正从“强脱钩—弱脱钩交替变化”的初级协调发展状态向“强脱钩”的健康协调发展状态演变，二者的协调发展程度在不断加强，这说明在研究期内随着不断优化和调整产业结构、经济规模和技术水平，水资源利用效率逐步提高，以相对较小的水资源利用量实现了相对良好的经济增长[25]。

表3 甘肃省2000年～2021年水资源利用与经济增长的脱钩效应评价结果

由表3进一步可知，研究期内甘肃省农业用水量与农业增加值的脱钩协调发展变化特征与整体的基本一致，整体的脱钩态势良好。表明随着甘肃省农业增加值在不断增长，农业用水量在逐渐降低，这与区域内渠系续建配套与节水改造和高效农田节水灌溉技术的不断应用与创新有着密切关联，在一定程度上提高了农业用水效率。同时，研究期内甘肃省工业用水量与工业增加值的整体脱钩态势良好(除2015年～2016年和2019年～2020年出现衰退外)，两者的协调发展程度在不断加强。这说明随着工艺生产技术水平、产能结构的不断优化和调整，以及工业用水监管的不断加强，工业用水效率也逐步提高。

3.4 区域水资源利用与经济增长的脱钩效应预测

本文借鉴王刚毅、魏亚茹等的研究成果[27-28]，基于灰色理论模型与BP人工神经网络模型构建灰色神经网络模型，对甘肃省2022年～2030年的水资源利用与经济增长的脱钩效应进行预测，预测结果如表4所示。由表4可知，预测的甘肃省2022年～2030年GDP年平均增长率为4.54%，水资源总用水量年平均下降率为1.24%，整体呈“强脱钩”的健康协调发展态势。这表明随着甘肃省不断进行最严格水资源管理、不断优化产业结构和不断转型升级，水资源利用与经济增长的脱钩协调发展程度在不断加强，将有助于甘肃省经济社会的可持续发展。

表4 甘肃省2022年～2030年水资源利用与经济增长的脱钩效应预测结果

4 结 论

本文基于水资源生态足迹模型和脱钩模型定量分析了甘肃省2000年～2021年水资源可持续利用状况及其与经济增长的脱钩效应，揭示了甘肃省水资源利用与经济协调发展的状态，并采用灰色神经网络模型进行了脱钩效应预测，主要得出以下结论：

(1)研究期内甘肃省水资源生态足迹整体呈下降变化趋势，年下降速率为9.47%。在区域水资源利用过程中，农业用水足迹和工业用水足迹呈下降变化趋势，生活用水足迹和生态环境用水足迹呈整体上升变化趋势。

(2)研究期内甘肃省水资源利用效率不断提高，水资源利用整体处于生态赤字状态，但水资源生态承载力呈下降变化趋势，年际间变化波动较大，且水资源生态压力指数呈波动上升变化趋势。

(3)研究期内甘肃省水资源利用与经济增长的脱钩状态呈“强脱钩—弱脱钩交替变化”的初级协调状态向“强脱钩”的健康协调状态演变，整体的脱钩态势良好，且农业用水和工业用水的脱钩协调发展变化特征与整体的基本一致。

(4)通过预测甘肃省2022年～2030年水资源利用与经济增长的脱钩效应，其整体呈“强脱钩”的健康协调发展态势。这表明随着不断实施最严格水资源管理、持续优化产业结构和不断转型升级，水资源利用与经济增长的协调发展程度将不断加强。