張 羽，左其亭，曹宏斌，白西杰，楊振龍

(1.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省豫北水利工程管理局，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.河南水投小浪底北岸灌區(qū)工程有限公司，河南 鄭州 450004)

1 研究背景

國(guó)家發(fā)展改革委2019年發(fā)布的《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》中指出，我國(guó)大多數(shù)城市和地區(qū)面臨著不同程度的缺水，并且造成了大量經(jīng)濟(jì)損失。在黃河流域等一些水資源供需矛盾突出的地區(qū)，水資源短缺問(wèn)題已經(jīng)成為阻礙地區(qū)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的主要問(wèn)題之一。沁蟒河流域自然資源豐富、能源產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)、高耗水行業(yè)集中，是黃河流域水資源供需矛盾突出的典型地區(qū)。因此，對(duì)沁蟒河流域水資源可持續(xù)利用狀況進(jìn)行評(píng)估，能夠?yàn)辄S河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施提供范例。

生態(tài)足跡理論最早由加拿大生態(tài)學(xué)家Rees于1992年提出，而后Wackernagel等[1]對(duì)該理論進(jìn)行了完善，因其具有較強(qiáng)的可操作性且僅需較少資料就能對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)估而被廣泛應(yīng)用。水資源生態(tài)足跡模型常被應(yīng)用于評(píng)估區(qū)域水資源可持續(xù)利用狀況或水資源承載力。如門寶輝等[2]基于生態(tài)足跡理論對(duì)北京市水資源承載力進(jìn)行了評(píng)估，并利用GRNN模型對(duì)ARIMA模型進(jìn)行改進(jìn)，提高了預(yù)測(cè)生態(tài)足跡的準(zhǔn)確性；張義敏等[3]基于生態(tài)足跡理論，將水資源生態(tài)足跡分為生產(chǎn)、生活、生態(tài)3個(gè)方面，對(duì)廣東省及珠三角9市水資源可持續(xù)利用狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估；Chen等[4]基于水-碳-生態(tài)足跡構(gòu)建了區(qū)域資源環(huán)境壓力評(píng)價(jià)方法，相較于構(gòu)建指標(biāo)體系的資源環(huán)境壓力評(píng)價(jià)方法，其受主觀因素的影響較?。稽S佳等[5]在水資源生態(tài)足跡模型的基礎(chǔ)上引入了水資源負(fù)載指數(shù)，能夠更加直觀地反映區(qū)域水資源的利用狀況；焦士興等[6]在分析水資源生態(tài)足跡的基礎(chǔ)上，結(jié)合Kaya恒等式與LMDI分解模型，對(duì)中原城市群水資源生態(tài)足跡驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了深入分析。

推進(jìn)實(shí)施黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略，必須貫徹落實(shí)“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路。所謂“空間均衡”是指在空間上的一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)[7]。長(zhǎng)期以來(lái)，由于不同地區(qū)自然氣候條件、地理區(qū)域位置、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模存在差異，我國(guó)水資源空間不均衡問(wèn)題一直存在。因此，為了使水資源利用與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模相適應(yīng)，亟須對(duì)水資源空間不均衡問(wèn)題進(jìn)行深入研究。如左其亭等[8]對(duì)黃河沿線9省區(qū)水資源生態(tài)足跡進(jìn)行了公平性分析；陳義忠等[9]基于基尼系數(shù)對(duì)長(zhǎng)江中游城市群水-碳-生態(tài)足跡變化進(jìn)行了均衡性分析；楊一旸等[10]利用基尼系數(shù)對(duì)長(zhǎng)江中游城市群三維生態(tài)足跡進(jìn)行了平衡性分析；楊屹等[11]采用基尼系數(shù)、經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)系數(shù)與生態(tài)承載系數(shù)相結(jié)合的方法分析了絲綢之路沿線省份水資源生態(tài)足跡的公平性。由上述內(nèi)容可知，目前關(guān)于水資源生態(tài)足跡及均衡性的研究已經(jīng)十分深入，但對(duì)于全面分析水資源生態(tài)足跡的均衡性以及影響均衡性的組內(nèi)差異與組間差異的相關(guān)研究較少。

基于上述背景，本文利用水資源生態(tài)足跡模型計(jì)算2010-2019年沁蟒河流域涉及的5個(gè)地級(jí)行政區(qū)的水資源生態(tài)足跡，采用泰爾指數(shù)分析研究區(qū)域水資源生態(tài)足跡與糧食作物播種面積、第二產(chǎn)業(yè)增加值、常住人口之間的均衡性，并計(jì)算了影響水資源生態(tài)足跡均衡性的組內(nèi)差異與組間差異，為沁蟒河流域?qū)崿F(xiàn)水資源可持續(xù)利用及制定高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略提供了依據(jù)與建議。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

沁蟒河流域位于山西省南部與河南省西北部，流域面積為14 735 km2，其中山西省境內(nèi)12 304 km2，占全流域面積的83.5%，河南省境內(nèi)2 431 km2，占全流域面積的16.5%。該流域涉及的地級(jí)行政區(qū)主要有長(zhǎng)治市、臨汾市、晉城市、焦作市和濟(jì)源市(圖1)。沁蟒河流域地處副熱帶季風(fēng)區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候顯著，四季分明。受季風(fēng)環(huán)流影響，流域降雨年內(nèi)分布極不均勻，主要集中在7-8月。2019年沁蟒河流域涉及的地級(jí)行政區(qū)總?cè)丝跒? 484萬(wàn)人，人均GDP為6.15萬(wàn)元，低于全國(guó)平均水平(7.09萬(wàn)元)。流域自然資源十分豐富，煤炭業(yè)較為發(fā)達(dá)，素有“煤鐵之鄉(xiāng)”之稱，是全國(guó)重要的能源基地和化工原料基地之一，但由于高耗水型行業(yè)集中，又面臨著嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題，屬于典型的資源型缺水。

圖1 沁蟒河流域概況圖

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文水資源總量、用水總量等數(shù)據(jù)來(lái)自2010-2019年山西省及河南省的《水資源公報(bào)》；糧食作物播種面積、第二產(chǎn)業(yè)增加值、常住人口等數(shù)據(jù)來(lái)源于2010-2019年《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》及《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3 研究方法

3.1 水資源生態(tài)足跡模型

水資源生態(tài)足跡是指人類生產(chǎn)生活及自然環(huán)境維持自身進(jìn)化所消耗的水資源[8]。在計(jì)算時(shí)，根據(jù)用水特性和用水消費(fèi)群體的不同，將水資源劃分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鄉(xiāng)生活環(huán)境3個(gè)子賬戶，水資源生態(tài)足跡(water resources ecological footprint,WEF)計(jì)算式[12]如下：

(1)

式中：WEF為區(qū)域水資源生態(tài)足跡總量，hm2；WEFk為區(qū)域各子賬戶水資源生態(tài)足跡，hm2；N為區(qū)域常住人口數(shù)；wefk為區(qū)域各子賬戶人均水資源生態(tài)足跡，hm2；γ為水資源全球均衡因子；Qk為區(qū)域各子賬戶用水總量，m3；P為水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2。

萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡用以評(píng)估區(qū)域水資源的利用效率，其計(jì)算式[13]如下：

EGt=EFt/Gt

(2)

式中：EGt為第t年萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡，hm2；EFt為第t年水資源生態(tài)足跡，hm2；Gt為第t年地區(qū)生產(chǎn)總值，104元。

水資源生態(tài)承載力(water resources ecological carrying capacity,WEC)用來(lái)反映區(qū)域水資源對(duì)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)及生態(tài)環(huán)境的支撐能力，其計(jì)算式[14]如下：

WEC=N·wec=(1-β)·φ·γ·(W/P)

(3)

式中：WEC為區(qū)域水資源生態(tài)承載力，hm2；N為區(qū)域常住人口數(shù)；wec為區(qū)域人均水資源生態(tài)承載力，hm2；W為區(qū)域水資源總量，m3；φ為水資源產(chǎn)量因子；區(qū)域水資源利用需要預(yù)留60%的水量用于維持生態(tài)環(huán)境，故取β為0.4[15]。

水資源生態(tài)盈虧指數(shù)(water resources ecological profit and loss index,WEB)用來(lái)衡量區(qū)域水資源供需平衡狀況，為水資源生態(tài)承載力與水資源生態(tài)足跡的差值，具體計(jì)算式[16]如下：

WEB=WEC-WEF

(4)

根據(jù)水資源生態(tài)盈虧指數(shù)值，將區(qū)域水資源供需平衡劃分為3種狀態(tài)：當(dāng)WEB>0時(shí)為“生態(tài)盈余”狀態(tài)；當(dāng)WEB=0時(shí)為“生態(tài)平衡”狀態(tài)；當(dāng)WEB<0時(shí)為“生態(tài)赤字”狀態(tài)。

3.2 水資源生態(tài)足跡相關(guān)參數(shù)的確定

水資源生態(tài)足跡模型中所需參數(shù)主要有水資源全球均衡因子γ、水資源全球平均生產(chǎn)能力P以及水資源產(chǎn)量因子φ。根據(jù)黃林楠等[17]的研究，選取γ=5.19、P=3 140 m3/hm2，φ根據(jù)沁蟒河流域所涉及的5個(gè)地級(jí)行政區(qū)2010-2019年的相關(guān)數(shù)據(jù)，按公式(5)計(jì)算：

(5)

3.3 計(jì)算指標(biāo)選取

為分析沁蟒河流域不同子賬戶水資源生態(tài)足跡的均衡性，應(yīng)根據(jù)不同水資源子賬戶類型，分別選取能表征農(nóng)業(yè)方面、工業(yè)方面、城鄉(xiāng)生活環(huán)境方面的指標(biāo)進(jìn)行均衡性分析，根據(jù)水資源利用與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的相互作用關(guān)系，反映出水資源生態(tài)足跡均衡性計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性及合理性。農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡子賬戶方面，糧食作物播種面積可以表征農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，亦能夠表現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)所提供的自然資源；工業(yè)生態(tài)足跡子賬戶方面，第二產(chǎn)業(yè)增加值能夠直接反映出工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益；城鄉(xiāng)生活環(huán)境生態(tài)足跡子賬戶方面，常住人口直接影響著生活用水量，且與生態(tài)環(huán)境用水量存在間接關(guān)系。基于此，選取糧食作物播種面積、第二產(chǎn)業(yè)增加值、常住人口分別作為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鄉(xiāng)生活環(huán)境生態(tài)足跡子賬戶均衡性計(jì)算的對(duì)應(yīng)指標(biāo)。

3.4 泰爾指數(shù)

泰爾指數(shù)(Theil index)最初是由泰爾計(jì)算收入平等性而得名[18]。泰爾指數(shù)不僅可計(jì)算不同組的組間差異，亦可計(jì)算組內(nèi)不同群體的差異，能夠更全面地反映區(qū)域之間的不均衡性，因此被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[19-21]。基于此，利用泰爾指數(shù)對(duì)沁蟒河流域水資源生態(tài)足跡進(jìn)行均衡性分析。泰爾指數(shù)值越小，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)資源配置越均衡。將沁蟒河流域分為山西省沁蟒河流域和河南省沁蟒河流域，以方便計(jì)算其組間差異。山西省沁蟒河流域包括長(zhǎng)治市、臨汾市、晉城市3個(gè)地級(jí)行政區(qū)；河南省沁蟒河流域包括焦作市、濟(jì)源市2個(gè)地級(jí)行政區(qū)，分別計(jì)算其組內(nèi)差異。具體計(jì)算式[22]如下：

Tα=GS·ln(GS/RS)+GH·ln(GH/RH)

(6)

(7)

T=Tα+Tβ

(8)

式中：Tα和Tβ分別為組間差異和組內(nèi)差異；T為泰爾指數(shù)；GS和GH分別為山西省和河南省沁蟒河流域占沁蟒河流域水資源生態(tài)足跡總量的比重；NS和NH分別為山西省和河南省沁蟒河流域的地級(jí)行政區(qū)數(shù)量；Gi為地級(jí)行政區(qū)i占沁蟒河流域水資源生態(tài)足跡總量的比重；RS和RH分別為山西省和河南省沁蟒河流域某項(xiàng)指標(biāo)占沁蟒河流域該指標(biāo)的比重；Ri為地級(jí)行政區(qū)i某項(xiàng)指標(biāo)占沁蟒河流域該指標(biāo)的比重。

4 結(jié)果與分析

4.1 沁蟒河流域水資源生態(tài)足跡

4.1.1 人均水資源生態(tài)足跡 根據(jù)公式(1)計(jì)算2010-2019年沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)人均水資源生態(tài)足跡及其多年平均變化率和2010-2019年沁蟒河流域各子賬戶人均水資源生態(tài)足跡，結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 2010-2019年沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)人均水資源生態(tài)足跡及其多年平均變化率

由圖2可以看出，沁蟒河流域各地級(jí)行政區(qū)人均水資源生態(tài)足跡之間存在較大差異。其中山西省的長(zhǎng)治市、臨汾市、晉城市人均水資源生態(tài)足跡相對(duì)較低，2010-2019年各年份人均水資源生態(tài)足跡在0.2～0.4 hm2之間；河南省的焦作市和濟(jì)源市人均水資源生態(tài)足跡相對(duì)較高，總體在0.5～0.7 hm2之間。2010-2019年，長(zhǎng)治市、臨汾市、晉城市人均水資源生態(tài)足跡變化過(guò)程大體相同，均呈先增大、后減小、再趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，多年平均變化率分別為1.9%、1.63%、0.38%；焦作市人均水資源生態(tài)足跡呈減小趨勢(shì)，2010-2019年減小了0.033 hm2，多年平均變化率為-0.43%，說(shuō)明近年來(lái)國(guó)家節(jié)水行動(dòng)取得了一定成效，節(jié)水意識(shí)不斷增強(qiáng)，水資源利用水平得到提高；濟(jì)源市人均水資源生態(tài)足跡變化相對(duì)較大，多年平均變化率達(dá)到2.4%，總體呈波動(dòng)變化，人均水資源生態(tài)足跡在2011年達(dá)到最低，僅為0.497 hm2，在2013年達(dá)到最高，為0.694 hm2，雖在2016年再減小至0.498 hm2，但隨后呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，主要原因是相對(duì)于沁蟒河流域涉及的其他地級(jí)行政區(qū)而言，濟(jì)源市的城市規(guī)模較小，受行業(yè)波動(dòng)和政策影響較大，因此人均水資源生態(tài)足跡年際變化較大。

由圖3可以看出，沁蟒河流域人均農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡在人均水資源生態(tài)足跡中所占比重較大，各年份占比均高達(dá)50%以上。2010-2019年人均農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡基本保持穩(wěn)定，總體在0.20～0.25 hm2之間。人均工業(yè)生態(tài)足跡呈減小趨勢(shì)，從2012年的最高值0.13 hm2減小至2019年的0.10 hm2，所占比重從2010年的29%降低至2019年的23%。近年來(lái)，沁蟒河流域扎實(shí)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，各地級(jí)行政區(qū)能源、化工等支柱產(chǎn)業(yè)逐漸減少，因此人均工業(yè)生態(tài)足跡所占比重降低，隨著光能、核能等新型清潔能源所占比例的上升，預(yù)計(jì)沁蟒河流域人均工業(yè)生態(tài)足跡所占比重將會(huì)進(jìn)一步降低。人均城鄉(xiāng)生活環(huán)境生態(tài)足跡在2010-2019年間呈增大趨勢(shì)，從2010年的0.06 hm2增大至2019年的0.11 hm2，所占比重從2010年的16%上升至2015年的18%，再到2019年的22%，主要是因?yàn)閲?guó)家大力提倡環(huán)境保護(hù)，加快了綠色城市的建設(shè)，如焦作等市由資源型城市積極向綠色城市轉(zhuǎn)型[23]，因此人均城鄉(xiāng)生活環(huán)境所占比重逐漸增大。隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展國(guó)家重大戰(zhàn)略的實(shí)施，預(yù)計(jì)未來(lái)沁蟒河流域人均水資源生態(tài)足跡的構(gòu)成會(huì)更加合理。

圖3 2010-2019年沁蟒河流域各子賬戶人均水資源生態(tài)足跡

4.1.2 萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡 根據(jù)公式(2)計(jì)算的沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)2010-2019年萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡如圖4所示。

圖4 2010-2019年沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡

由圖4可見(jiàn)，2010-2019年沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡均呈減小趨勢(shì)。近年來(lái)，由于流域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)以及新型節(jié)水技術(shù)與企業(yè)節(jié)水管理體制的實(shí)施，促進(jìn)了用水效益與水資源利用率不斷提高，但與國(guó)內(nèi)發(fā)達(dá)地區(qū)相比仍有一定差距[24]。沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡差異較小，2010-2019年萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡均值按降序依次為焦作市(0.123 hm2)、臨汾市(0.104 hm2)、濟(jì)源市(0.084 hm2)、長(zhǎng)治市(0.071 hm2)、晉城市(0.070 hm2)，其中焦作市萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡相對(duì)較大，2010年達(dá)到0.174 hm2，隨后呈現(xiàn)逐步減小趨勢(shì)，2018年減小至0.088 hm2；長(zhǎng)治市、晉城市萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡相對(duì)較小，說(shuō)明該兩市水資源利用效率與用水效益相對(duì)較好?？傮w來(lái)看，2010-2019年沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡逐步減小，其中焦作市、濟(jì)源市萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡減小幅度最大，分別減小了0.051、0.050 hm2,主要是因?yàn)榍唑恿饔虼罅ν苿?dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，用水方式由粗放式增長(zhǎng)向高效節(jié)約轉(zhuǎn)變，用水效率逐步提高[25]。

4.1.3 水資源生態(tài)承載力 根據(jù)公式(3)計(jì)算的2010-2019年沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)人均水資源生態(tài)承載力見(jiàn)圖5。

圖5 2010-2019年沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)人均水資源生態(tài)承載力

如圖5所示，2010-2019年沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)人均水資源生態(tài)承載力存在一定差異。臨汾市人均水資源生態(tài)承載力較小，且年際變化不大，總體呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。濟(jì)源市、晉城市人均水資源生態(tài)承載力相對(duì)較高，但波動(dòng)較大，濟(jì)源市2011年達(dá)到最大值，為0.205 hm2；晉城市2016年增大至0.191 hm2，但在2019年又減小至0.091 hm2。水資源生態(tài)承載力主要由當(dāng)?shù)厮Y源量確定，受降雨、蒸發(fā)等氣象要素影響較大，因此，在面積較大的地級(jí)行政區(qū)，人均水資源生態(tài)承載力年際變化相對(duì)較小，反之，年際變化相對(duì)較大。

4.1.4 水資源生態(tài)盈虧狀況 由公式(4)可計(jì)算出2010-2019年沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)的水資源生態(tài)盈虧狀態(tài)，其中2010、2015及2019年各地級(jí)行政區(qū)的人均水資源生態(tài)盈虧指數(shù)見(jiàn)圖6。2010-2019年，沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)的生態(tài)盈虧指數(shù)均小于0，即均處于“生態(tài)赤字”狀態(tài)，并且“生態(tài)赤字”狀態(tài)呈逐步加重的趨勢(shì)。說(shuō)明隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，沁蟒河流域雖然在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和節(jié)水意識(shí)方面有所好轉(zhuǎn)，但亟需調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模、加強(qiáng)節(jié)水技術(shù)的普及，堅(jiān)持“四水四定”原則，以期達(dá)到流域水資源生態(tài)平衡及生態(tài)盈余狀態(tài)。

圖6 2010、2015及2019年沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)人均水資源生態(tài)盈虧指數(shù)

由圖6可以看出，沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)的水資源生態(tài)盈虧狀況差異較大，河南省焦作市和濟(jì)源市的生態(tài)赤字狀況相對(duì)嚴(yán)重，2010、2015年焦作市生態(tài)赤字狀況最嚴(yán)重，人均生態(tài)赤字分別達(dá)到0.527、0.529 hm2；2019年濟(jì)源市生態(tài)赤字狀況最嚴(yán)重，人均生態(tài)赤字達(dá)到0.536 hm2，水資源狀態(tài)處于較不可承載狀態(tài)。主要是因?yàn)?017年濟(jì)源市被確定為國(guó)家產(chǎn)城融合示范區(qū)，工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，工業(yè)用水量上升，造成生態(tài)赤字狀況比較嚴(yán)重。山西省沁蟒河流域3市的人均水資源生態(tài)盈虧指數(shù)均在-0.1～-0.3 hm2之間，其中長(zhǎng)治市與晉城市的生態(tài)盈虧狀態(tài)較為相似，生態(tài)盈虧狀況相對(duì)較好。

4.2 沁蟒河流域水資源生態(tài)足跡均衡性分析

4.2.1 不同子賬戶泰爾指數(shù) 表2為根據(jù)公式(6)～(8)計(jì)算的2010-2019年沁蟒河流域不同子賬戶泰爾指數(shù)。

表2 2010-2019年沁蟒河流域各子賬戶泰爾指數(shù)

由表2可知，2010-2019年沁蟒河流域泰爾指數(shù)呈現(xiàn)先減小后平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，各子賬戶泰爾指數(shù)之和從2010年的0.273減小至2014年的0.178，2015年小幅度提升至0.188，隨后基本保持穩(wěn)定。在各子賬戶中，代表農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的糧食作物播種面積的泰爾指數(shù)較大，說(shuō)明沁蟒河流域農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡不均衡性相對(duì)較大，但其不均衡性呈現(xiàn)緩和趨勢(shì)，泰爾指數(shù)從2010年的0.167減小至2019年的0.113；代表工業(yè)生態(tài)足跡的第二產(chǎn)業(yè)增加值的泰爾指數(shù)較小，年際間呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，從2010年的0.041減小至2014年的0.018，隨后又增大至2019年的0.037；代表城鄉(xiāng)生活環(huán)境生態(tài)足跡的常住人口的泰爾指數(shù)亦呈先減小后增大的趨勢(shì)，從2010年的0.064減小至2015年的0.028，隨后穩(wěn)步增大，2019年時(shí)增大至0.052。首先，在臨汾市和晉城市等糧食作物播種面積較大的城市，新型節(jié)水灌溉技術(shù)未能全面普及，造成沁蟒河流域農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡均衡性較差，隨著節(jié)水灌溉技術(shù)普及率的提高，預(yù)計(jì)沁蟒河流域農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡均衡性將會(huì)進(jìn)一步提升；其次，沁蟒河流域各地級(jí)行政區(qū)工業(yè)產(chǎn)業(yè)雖然均以能源、化工產(chǎn)業(yè)為主，但發(fā)展水平存在一定差異，且2011年國(guó)家實(shí)施水價(jià)改革[26]，如焦作市等高耗水型產(chǎn)業(yè)密集城市工業(yè)用水量減少，促進(jìn)了工業(yè)生態(tài)足跡的均衡性。

4.2.2 組間差異與組內(nèi)差異 表3為根據(jù)公式(6)～(8)計(jì)算的2010-2019年沁蟒河流域水資源生態(tài)足跡泰爾指數(shù)的組間差異和組內(nèi)差異及兩者的貢獻(xiàn)率。

由表3可知，2010-2019年間，沁蟒河流域組間差異和組內(nèi)差異貢獻(xiàn)率發(fā)生了顯著變化。2010-2014年組間差異占據(jù)主要地位，其貢獻(xiàn)率在53.62%～79.06%之間波動(dòng)變化；2015-2019年組內(nèi)差異貢獻(xiàn)率超過(guò)組間差異貢獻(xiàn)率?？傮w來(lái)看，組間差異貢獻(xiàn)率從2010年的69.69%降低至2019年的43.49%，組內(nèi)差異貢獻(xiàn)率從2010年的30.31%上升至2019年的56.51%。主要有兩方面原因，一是近年來(lái)山西省積極進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型取得了一定成效，使組間差異逐漸減小；二是濟(jì)源市加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展高新產(chǎn)業(yè)，加大了河南省沁蟒河流域的組內(nèi)差異，從而使沁蟒河流域泰爾指數(shù)組內(nèi)差異貢獻(xiàn)率增加。

表3 2010-2019年沁蟒河流域水資源生態(tài)足跡泰爾指數(shù)的組間差異和組內(nèi)差異及兩者的貢獻(xiàn)率

5 討 論

雖然沁蟒河流域正在積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、加快能源節(jié)約型城市建設(shè)，但其水資源生態(tài)足跡仍呈緩慢上升趨勢(shì)，水資源生態(tài)赤字狀況日趨嚴(yán)重，這與左其亭等[8]、賈陳忠等[27]對(duì)于山西省與河南省的水資源生態(tài)足跡的研究結(jié)果總體上相符合。說(shuō)明沁蟒河流域仍存在整體節(jié)水意識(shí)不強(qiáng)、水資源利用與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模不相協(xié)調(diào)等問(wèn)題。因此，沁蟒河流域各地級(jí)行政區(qū)應(yīng)做好節(jié)水管理，嘗試?yán)盟畠r(jià)的杠桿作用，合理確定用水定額，采用水資源稅改革等方式，倒逼節(jié)水意識(shí)的提升，充分協(xié)調(diào)水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模之間的關(guān)系。2010-2015年，沁蟒河流域泰爾指數(shù)呈波動(dòng)變化的趨勢(shì)，2016-2019年，泰爾指數(shù)穩(wěn)定在0.356～0.397之間，其變化趨勢(shì)與組內(nèi)差異的變化趨勢(shì)存在一定程度的一致性，說(shuō)明組內(nèi)差異變化是導(dǎo)致泰爾指數(shù)發(fā)生變化的主要因素。因此，為了使沁蟒河流域的水資源達(dá)到空間均衡狀態(tài)，山西與河南兩省的沁蟒河流域應(yīng)落實(shí)“四水四定”原則，根據(jù)所涉及的省內(nèi)不同城市發(fā)展情況與產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的同時(shí)，加快科技創(chuàng)新、發(fā)展高新特色產(chǎn)業(yè)。

以往研究大多采用基尼系數(shù)評(píng)估區(qū)域水資源生態(tài)足跡的均衡性，側(cè)重于從整體上探究水資源生態(tài)足跡與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展特征指標(biāo)之間的關(guān)系。相較于基尼系數(shù)方法，本文采用泰爾指數(shù)計(jì)算水資源生態(tài)足跡的空間均衡性，通過(guò)計(jì)算組間差異與組內(nèi)差異，明晰了二者貢獻(xiàn)率變化的原因，較為全面地分析了造成區(qū)域水資源生態(tài)足跡不均衡的原因。但泰爾指數(shù)方法目前缺少準(zhǔn)確的狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)，不能直接反映出區(qū)域所處的均衡狀態(tài)。故對(duì)泰爾指數(shù)劃定準(zhǔn)確的閾值范圍以判定研究區(qū)域的均衡狀態(tài)，能夠有效提升泰爾指數(shù)的適用性，便于為實(shí)現(xiàn)水資源空間均衡提出更加科學(xué)的決策依據(jù)與建議。

6 結(jié) 論

本文利用水資源生態(tài)足跡模型計(jì)算2010-2019年沁蟒河流域5個(gè)地級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)足跡，并利用泰爾指數(shù)對(duì)沁蟒河流域各地級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)足跡的均衡性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)沁蟒河流域各地級(jí)行政區(qū)人均水資源生態(tài)足跡存在一定差異，其中焦作市、濟(jì)源市人均水資源生態(tài)足跡較高；長(zhǎng)治市、臨汾市、晉城市人均水資源生態(tài)足跡相對(duì)較低。濟(jì)源市、晉城市的水資源生態(tài)承載力相對(duì)較高，臨汾市水資源承載力相對(duì)較低且2010-2019年均處于較低水平。2010-2019年沁蟒河流域各地級(jí)行政區(qū)均處于生態(tài)赤字狀態(tài)，其中濟(jì)源市的生態(tài)赤字狀況最為嚴(yán)重。

(2)農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的不均衡性較大，但呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。組間差異貢獻(xiàn)率逐步降低，且組內(nèi)差異貢獻(xiàn)率逐漸超過(guò)組間差異貢獻(xiàn)率，組內(nèi)差異的變化是影響沁蟒河流域水資源均衡性的主要因素。

(3)沁蟒河流域各地級(jí)行政區(qū)的水資源可持續(xù)利用狀況近年來(lái)雖然有所改善，但水資源仍處于較不可承載狀態(tài)。為了能夠更好地推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施，推動(dòng)中原城市群建設(shè)，必須盡快調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)用水管理，提高節(jié)水意識(shí)，使沁蟒河流域各地級(jí)行政區(qū)能夠盡快實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，并及時(shí)制定地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略。