李睿佳，宋厚娟，趙冰清，郝 婧，郭東罡

（1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100083）

黃河中游（禹門(mén)口—汾河入黃口）區(qū)域水資源生態(tài)赤字的動(dòng)態(tài)研究

李睿佳1，宋厚娟1，趙冰清2，郝 婧1，郭東罡1

（1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100083）

水資源是人類生存的根基，它關(guān)系著人類的生存發(fā)展以及一切經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。黃河中游（禹門(mén)口—汾河入黃口）作為黃河三角洲重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)與能源供應(yīng)基地，其區(qū)域水資源生態(tài)足跡與生態(tài)赤字具有十分重要的研究意義?；谏鷳B(tài)足跡的相關(guān)理論，采用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)，探究農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和生態(tài)足跡之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，雖然臨猗縣的生態(tài)赤字伴隨著其農(nóng)業(yè)用水量的降低而降低，但是由于在其產(chǎn)業(yè)比例關(guān)系中，農(nóng)業(yè)所占比例非常大，因而在3個(gè)研究縣市里，其生態(tài)赤字情況最為嚴(yán)重；并就如何改善水資源生態(tài)赤字進(jìn)行了討論，提出建議。

水資源；生態(tài)足跡；生態(tài)赤字

水資源是人類文明的源泉，與人類的生存、發(fā)展和一切經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源問(wèn)題日漸嚴(yán)重，已成為制約許多地區(qū)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。其中，工農(nóng)業(yè)用水量之大導(dǎo)致水資源緊缺及水環(huán)境惡化，長(zhǎng)此以往，將會(huì)對(duì)人類自身生存造成威脅。因而，如何科學(xué)地解決水資源供需與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾，合理利用水資源，實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，是當(dāng)前面臨的重要課題之一[2]。

黃河中游流域地處我國(guó)腹心地區(qū)，是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)和能源供應(yīng)基地[3]。隨著黃河中游地區(qū)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，流域水資源面臨的諸多問(wèn)題也日益嚴(yán)重，例如水資源匱乏、水質(zhì)惡化、水生態(tài)功能退化等[4]。因此，如何優(yōu)化流域區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，使水資源的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益等最大化，成為解決水資源可持續(xù)發(fā)展這一問(wèn)題的重要途徑。

近年來(lái)，生態(tài)足跡理論的研究開(kāi)始受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，這是一種以可持續(xù)發(fā)展原則為基礎(chǔ)的對(duì)資源利用進(jìn)行分析的方法。該理論最早由加拿大經(jīng)濟(jì)學(xué)家WILLIAME REES提出，后來(lái)由他的博士生WAEKERNAGEL完善[5]。之后，在生態(tài)足跡理論的基礎(chǔ)上，HOEKSTRA提出了水資源生態(tài)足跡的概念[6]。水資源生態(tài)足跡既可用來(lái)表示生產(chǎn)生活用水的足跡，也可表示水資源的生態(tài)功能足跡和水污染足跡[7]。

本試驗(yàn)將從這一概念出發(fā)，選取黃河中游流域部分縣市，對(duì)其水資源生態(tài)足跡進(jìn)行研究，以進(jìn)一步探究生態(tài)赤字與產(chǎn)業(yè)模式之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

黃河中游流域是指自內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)至河南鄭州桃花峪間的黃河河段，本研究區(qū)域選取黃河中游（禹門(mén)口—汾河入黃口）河津市、臨猗縣及永濟(jì)市的3個(gè)重要縣市作為研究對(duì)象。這3個(gè)縣市均位于山西省西南部，依次自運(yùn)城市西北隅至運(yùn)城市西南隅，地理坐標(biāo)為110°15′～110°54′E，34°44′～35°17′N(xiāo)，氣候均屬暖溫帶大陸性氣候，四季變化明顯，春季溫和，夏季炎熱多雨，秋季涼爽，冬季干旱。年平均氣溫為14℃，年平均降水量為520 mm，霜凍期為10月下旬至次年3月下旬。其中，河津市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以工業(yè)為主，長(zhǎng)期致力于建設(shè)工業(yè)強(qiáng)市；臨猗縣因其土壤肥沃，水利設(shè)備齊全，果業(yè)和農(nóng)業(yè)在全國(guó)都非常有名，是著名的農(nóng)業(yè)大縣；永濟(jì)市有著悠久的歷史文化，其產(chǎn)業(yè)模式是工業(yè)與農(nóng)業(yè)并重。

這3個(gè)研究區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)模式不同，具有良好的代表性以及重要的研究?jī)r(jià)值。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

各縣市的工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水量、城鎮(zhèn)公共用水量、水資源總量、生態(tài)環(huán)境用水量、居民生活用水量等數(shù)據(jù)均來(lái)自2009—2014年《運(yùn)城市水資源公報(bào)》[8]，社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自2010—2015年《運(yùn)城統(tǒng)計(jì)年鑒》[9]（表1～3）。

表1 河津市2010—2015年社會(huì)經(jīng)濟(jì)及用水量

表2 臨猗縣2010—2015社會(huì)經(jīng)濟(jì)及用水量

表3 永濟(jì)市2010—2015社會(huì)經(jīng)濟(jì)及用水量

2 水資源生態(tài)赤字研究方法

20世紀(jì)90年代，加拿大經(jīng)濟(jì)學(xué)家WILLIAME REES提出了生態(tài)足跡法，之后其博士生WAEKERNAGEL將其進(jìn)行了完善[10]。此方法是用來(lái)定量分析自然資源的可持續(xù)利用程度，一般用生產(chǎn)赤字和水資源生態(tài)盈余來(lái)衡量。如果某地區(qū)的水資源生態(tài)承載力足以承載該地區(qū)的生態(tài)足跡時(shí)，那么水資源就呈現(xiàn)盈余的狀態(tài)，即該地區(qū)的水資源可以持續(xù)地利用，水資源可以滿足這個(gè)地區(qū)的發(fā)展需要[11]。相反，如果某地區(qū)的水資源生態(tài)承載力不足以承載該地區(qū)的生態(tài)足跡，則說(shuō)明這個(gè)地區(qū)的水資源處于生態(tài)赤字狀態(tài)，即水資源的利用程度不高，不足以滿足該地區(qū)的各種需要，或者該地區(qū)可能正在以破壞生態(tài)環(huán)境為代價(jià)來(lái)維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這樣發(fā)展下去可能會(huì)影響到生態(tài)平衡。

2.1 水資源生態(tài)足跡計(jì)算

以生態(tài)足跡分析法為基礎(chǔ)，水資源生態(tài)足跡理論是指一定區(qū)域內(nèi)、一定的人口數(shù)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件下的水資源消費(fèi)量，將其按照相應(yīng)的比例換算成生物生產(chǎn)性面積，對(duì)其進(jìn)行均衡化處理后可以得出全球范圍內(nèi)不同地區(qū)可比較的均衡值。水資源生態(tài)足跡計(jì)算模型[12]如下。

式中，EFw為水資源生態(tài)足跡（hm2）；N為人口數(shù)量；efw為人均水資源生態(tài)足跡（hm2/cap）；γw為水資源全球均衡因子；W為消耗的水資源總量（m3）；Pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力（m3/hm2）。

依據(jù)用水特性以及水資源生態(tài)足跡的含義，將用水總量分為工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、居民生活用水、城鎮(zhèn)公共用水、生態(tài)環(huán)境用水5個(gè)二級(jí)賬戶，便于進(jìn)行研究與計(jì)算。

2.2 水資源生態(tài)承載力計(jì)算

想要了解一個(gè)地區(qū)水資源的豐沛程度，可以從該地區(qū)的水資源儲(chǔ)量來(lái)體現(xiàn)。從生態(tài)足跡理論中可以看出，水資源的生物生產(chǎn)能力是衡量水資源承載力的一個(gè)重要指標(biāo)。換句話說(shuō)，就是這個(gè)地區(qū)水資源能夠承載的生物生存面積。水資源生態(tài)承載力的計(jì)算模型[13]如下。

清潔機(jī)器人沿所鋪設(shè)的履帶節(jié)向前滑動(dòng)時(shí)需要克服兩者之間的摩擦阻力以及重力沿工作平面的分量?？朔@個(gè)摩擦阻力的驅(qū)動(dòng)力由履帶節(jié)對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的反向作用力提供[5]，通過(guò)對(duì)清潔機(jī)器人的受力分析可知：

式中，E Cw為水資源承載力（hm2）；ecw為人均水資源承載力（hm2/cap）；φw為水資源產(chǎn)量因子；Q為水資源總量（m3）。

水資源的合理開(kāi)發(fā)利用率為0.4，這是由于當(dāng)一個(gè)地區(qū)的水資源利用率高于40%時(shí)，生態(tài)環(huán)境會(huì)受到很大的影響，因此，必須扣除至少60%的水資源承載力，以確保生物多樣性和對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)[14]。

2.2.1 水資源產(chǎn)量因子 為了得到不同區(qū)域的水資源產(chǎn)量因子，先假定世界水資源產(chǎn)量因子為1，則各地區(qū)的水資源產(chǎn)量因子為該區(qū)水資源平均生產(chǎn)能力與世界水資源平均生產(chǎn)能力的比值，計(jì)算公式[15]如下。

式中，P為區(qū)域單位面積產(chǎn)水量。

2.2.2 水資源全球均衡因子 用生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)能力除以世界各類生物生產(chǎn)面積的平均生態(tài)生產(chǎn)能力即可得出某種生物生產(chǎn)面積的均衡因子。通常情況下，為了便于對(duì)比，在計(jì)算時(shí)通常選擇世界自然基金會(huì)（WWF）2002年確定的水資源均衡因子，其值為5.19[15]。

2.3 水資源生態(tài)赤字、生態(tài)盈余

人類活動(dòng)對(duì)水資源的消費(fèi)情況可以通過(guò)水資源生態(tài)足跡來(lái)體現(xiàn)。水體能夠?yàn)槿祟惢顒?dòng)供應(yīng)的水資源可以通過(guò)水資源生態(tài)承載力來(lái)體現(xiàn)。在計(jì)算時(shí)，它們的計(jì)量單位是一樣的，因此可以直接進(jìn)行比較，且得到的結(jié)果可以很直觀地顯現(xiàn)出該地區(qū)水資源能否承載人類活動(dòng)對(duì)水資源的需求與利用。生態(tài)盈余或者赤字的計(jì)算模型[16]如下。

式（4）計(jì)算的結(jié)果如果是正數(shù)，則表示水資源呈赤字狀態(tài)，這對(duì)于可持續(xù)發(fā)展是不利的；若是負(fù)數(shù)，則表示水資源呈盈余狀態(tài)，這對(duì)于可持續(xù)發(fā)展是有利的；若為0，則表示水資源的利用剛好處于平衡狀態(tài)。

2.4 水資源生態(tài)壓力指數(shù)

式中，E TIw表示水資源生態(tài)壓力指數(shù)。依據(jù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)ETIw＜0.5時(shí)，地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)在安全范圍內(nèi)；當(dāng)0.5≤ETIw＜0.8時(shí)，地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)在較為安全的范圍內(nèi)；當(dāng)0.8≤ETIw≤1.0時(shí)，地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)處于危險(xiǎn)和安全的交界處；當(dāng)ETIw＞1時(shí)，地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)狀態(tài)極不安全。

2.5 萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡

萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡指的是區(qū)域水資源足跡和區(qū)域GDP的比值，該值能比較客觀地衡量水資源的利用效率。具體的計(jì)算公式[17]如下。

萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡＝EFw/GDP （6）

由式（6）計(jì)算出的結(jié)果越大，則表示水資源利用率越低，反之，利用效率越高。一個(gè)地區(qū)或者國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式可以用這個(gè)指標(biāo)來(lái)表征。

3 區(qū)域水資源生態(tài)足跡現(xiàn)狀診斷

3.1 水資源生態(tài)足跡與生態(tài)赤字的動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)上述生態(tài)赤字研究方法，以表1，2，3數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)可計(jì)算出2010—2015年各縣市的人均水資源生態(tài)足跡與水資源生態(tài)承載力（表4）。

表4 2010—2015年研究縣市人均水資源生態(tài)足跡與承載力計(jì)算結(jié)果匯總

將3個(gè)研究縣市的人均水資源生態(tài)足跡、人均水資源生態(tài)承載力與生態(tài)赤字的動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，河津市的水資源生態(tài)足跡在2010—2011年升高幅度較大，在2011—2015年比較穩(wěn)定，變化幅度較小，在0.38～0.46 hm2/人波動(dòng)，平均值為0.43 hm2/人；臨猗縣的水資源生態(tài)足跡在2009—2010年降低幅度較大，2010—2011年驟升至最大值（1.12 hm2/人），之后開(kāi)始下降，平均值為0.81 hm2/人；永濟(jì)市的水資源生態(tài)足跡在2010—2015年變化趨于平穩(wěn)，在0.42～0.57 hm2/人波動(dòng)，平均值為0.52 hm2/人。3個(gè)研究縣市的生態(tài)承載力在核算期內(nèi)的變化趨勢(shì)大致相同，2010—2012年上升至最高點(diǎn)，2012—2013年驟降至最低點(diǎn)，如果水資源的量隨時(shí)間分布不均，也就是一個(gè)地區(qū)的水資源生態(tài)承載力被植被、氣象、水文、等自然條件所限制的結(jié)果。最大差額甚至可以達(dá)到0.14 hm2/人，2012年相比其他年份降水量較多，所以該年水資源生態(tài)承載力較高，最高達(dá)0.19 hm2/人。這3個(gè)縣市的水資源生態(tài)赤字是依據(jù)水資源生態(tài)承載力和水資源生態(tài)足跡計(jì)算出來(lái)的，其大小分別是臨猗＞永濟(jì)＞河津。

3.2 生態(tài)壓力指數(shù)與萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡的動(dòng)態(tài)變化

以表4數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析研究縣市的生態(tài)壓力指數(shù)與萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡的動(dòng)態(tài)情況，結(jié)果如圖2所示。

由圖2，3可知，臨猗縣每年水資源生態(tài)壓力指數(shù)整體上均高于其他2個(gè)縣市，且波動(dòng)幅度最大，在2012，2013年顯著增高，最高達(dá)23.439；永濟(jì)市次之，在2011—2012年波動(dòng)幅度較大，最高達(dá)11.106；河津市的動(dòng)態(tài)變化趨于平穩(wěn)，在2.2～6.1范圍內(nèi)波動(dòng)。臨猗縣每年的萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡均為最高，且波動(dòng)幅度最大，最高達(dá)0.678 hm2/人；永濟(jì)市次之，波動(dòng)幅度較為平穩(wěn)，在0.182～0.320 hm2/人范圍內(nèi)波動(dòng)；河津市最低，且波動(dòng)非常平穩(wěn)，在0.081～0.099 hm2/人范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.3 水資源生態(tài)足跡的賬戶構(gòu)成

各賬戶水資源生態(tài)足跡與其用水量呈正比，以表中數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可得各縣市2009—2014年平均水資源生態(tài)足跡的賬戶構(gòu)成（圖4）。

從圖4可以看出，農(nóng)業(yè)用水是3個(gè)研究縣市總水資源生態(tài)足跡的主要消耗者，其中，臨猗縣的農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占總水資源生態(tài)足跡的比例最大，高達(dá)92%；永濟(jì)市次之，所占比例為85%；河津市則相對(duì)較少，占55%。臨猗縣與永濟(jì)市的農(nóng)業(yè)用水均大大超過(guò)工業(yè)用水，河津市的工業(yè)用水則占據(jù)了34%的比例。城鎮(zhèn)公共與居民生活的水資源生態(tài)足跡總和占總水資源生態(tài)足跡的5%～11%。生態(tài)用水水資源生態(tài)足跡占總水資源生態(tài)足跡的比例則趨于0。因此，可假設(shè)黃河中游流域的水資源生態(tài)赤字主要是由農(nóng)業(yè)用水造成的。

4 討論

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院出版的《2015年中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告》，山西省水資源指數(shù)排名在全國(guó)排名第3位。依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)階段山西省人均水資源占有量小于500 m3。水資源不足，并且還有大于30%的衰減，對(duì)發(fā)展非常不利。

為了探究水資源生態(tài)足跡與各縣市產(chǎn)業(yè)模式發(fā)展的關(guān)系，本研究進(jìn)行了Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，生態(tài)足跡確實(shí)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)存在穩(wěn)定的正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合相關(guān)圖表可知，臨猗縣近幾年隨著農(nóng)業(yè)用水量的穩(wěn)步降低，其生態(tài)赤字也隨著穩(wěn)步降低，但因其仍在產(chǎn)業(yè)比例中占有很大比例，故生態(tài)赤字情況在3個(gè)研究縣市里最為嚴(yán)重。生態(tài)壓力指數(shù)也表明，黃河中游流域各縣市的水資源開(kāi)發(fā)價(jià)值不大，指數(shù)均遠(yuǎn)大于1，處于極度不安全狀態(tài)。

按照目前的發(fā)展?fàn)顩r，降低生態(tài)赤字、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展成為黃河中游流域各縣市發(fā)展過(guò)程中的當(dāng)務(wù)之急。生態(tài)赤字情況可從以下幾方面改善：第一，加大農(nóng)業(yè)節(jié)水力度，普及渠道防滲技術(shù)、低壓管理噴灌技術(shù)等農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，減少水資源損失，發(fā)展高效性節(jié)水農(nóng)業(yè)體系[18]；第二，進(jìn)一步減少耕地面積，特別是要減少高耗水農(nóng)作物種植面積；第三，人口的增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致水資源承載力負(fù)荷水平的降低，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)人口控制，提高或穩(wěn)定水資源生態(tài)承載力[19]；第四，調(diào)整各縣市的產(chǎn)業(yè)政策，積極發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)模式轉(zhuǎn)型發(fā)展，降低萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡，節(jié)約用水量。

綜上所述，在流域各縣市水資源生態(tài)承載力范圍內(nèi)，降低水資源生態(tài)赤字、緩解生態(tài)壓力是黃河中游流域發(fā)展的必然選擇。

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Dynamic Study of Regional Water Resources Ecological Deficit at the Middle Yellow River（from Yumenkou to the Entrance at Fenhe River）

LIRuijia1，SONGHoujuan1，ZHAOBingqing2，HAOJing1，GUODonggang1

（1.College ofEnvironmentand Resource Sciences，ShanxiUniversity，Taiyuan 030006，China；2.College ofLand Science and Technology，China University ofGeosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

Water resources is the foundation of human survival,which is greatly related to the development and all kinds of economics activities.Middle Yellow River（from Yumenkou to the entrance at Fenhe River）plays an important role in agriculture production and energy supply for the Yellow River Delta,so the water resources ecological footprint and ecological deficit of Middle Yellow Riveris worthy to research.This paperis based on some theories aboutecologicalfootprint,adopting the correlation testofPearson to find positive correlation between the agriculture and ecologicalfootprint.According to the research,although the ecological deficitof Linyi county shows a downward trend with decreasing agriculture water consumption,the agriculture accounted for the largest part for Linyi's economics.As a result,Linyineeds to face serious ecologicaldeficit.Moreover,this paper also gives some suggestions for further improvementabouthowto allocate waterresource ecologicaldeficit.

waterresources;ecologicalfootprint;ecologicaldeficit

TV211

：A

：1002-2481（2017）09-1507-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.09.27

2017-03-06

李睿佳（1992-），女，山西運(yùn)城人，在讀碩士，研究方向：環(huán)境生態(tài)學(xué)。郭東罡為通信作者。