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（禹門口—汾河入黃口）區(qū)域水資源生態(tài)赤字的動態(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)濟活動。黃河中游（禹門口—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。基于生態(tài)足跡的相關(guān)理論，采用Pearson相關(guān)性檢驗，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)濟活動密切相關(guān)[1]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源問題日漸嚴(yán)重，已成為制約許多地區(qū)實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(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，長此以往，將會對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經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾，合理利用水資源，實現(xiàn)社會、經(jīng)濟與生態(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腹心地區(qū)，是我國重要的農(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)濟與社會的發(fā)展，流域水資源面臨的諸多問題也日益嚴(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)濟發(fā)展模式，使水資源的經(jīng)濟效益與社會效益等最大化，成為解決水資源可持續(xù)發(fā)展這一問題的重要途徑。

近年來，生態(tài)足跡理論的研究開始受到國內(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)的對資源利用進行分析的方法。該理論最早由加拿大經(jīng)濟學(xué)家WILLIAME REES提出，后來由他的博士生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]。

本試驗將從這一概念出發(fā)，選取黃河中游流域部分縣市，對其水資源生態(tài)足跡進行研究，以進一步探究生態(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（禹門口—汾河入黃口）河津市、臨猗縣及永濟市的3個重要縣市作為研究對象。這3個縣市均位于山西省西南部，依次自運城市西北隅至運城市西南隅，地理坐標(biāo)為110°15′～110°54′E，34°44′～35°17′N，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，長期致力于建設(shè)工業(yè)強市；臨猗縣因其土壤肥沃，水利設(shè)備齊全，果業(yè)和農(nóng)業(yè)在全國都非常有名，是著名的農(nóng)業(yè)大縣；永濟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個研究區(qū)域的社會經(jīng)濟生產(chǎn)模式不同，具有良好的代表性以及重要的研究價值。

1.2 數(shù)據(jù)來源

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)均來自2009—2014年《運城市水資源公報》[8]，社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自2010—2015年《運城統(tǒng)計年鑒》[9]（表1～3）。

表1 河津市2010—2015年社會經(jīng)濟及用水量

表2 臨猗縣2010—2015社會經(jīng)濟及用水量

表3 永濟市2010—2015社會經(jīng)濟及用水量

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)濟學(xué)家WILLIAME REES提出了生態(tài)足跡法，之后其博士生WAEKERNAGEL將其進行了完善[10]。此方法是用來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，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，則說明這個地區(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)境為代價來維持區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，這樣發(fā)展下去可能會影響到生態(tài)平衡。

2.1 水資源生態(tài)足跡計算

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)量和社會經(jīng)濟條件下的水資源消費量，將其按照相應(yīng)的比例換算成生物生產(chǎn)性面積，對其進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個二級賬戶，便于進行研究與計算。

2.2 水資源生態(tài)承載力計算

想要了解一個地區(qū)水資源的豐沛程度，可以從該地區(qū)的水資源儲量來體現(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重要指標(biāo)。換句話說，就是這個地區(qū)水資源能夠承載的生物生存面積。水資源生態(tài)承載力的計算模型[13]如下。

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）。

水資源的合理開發(fā)利用率為0.4，這是由于當(dāng)一個地區(qū)的水資源利用率高于40%時，生態(tài)環(huán)境會受到很大的影響，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生態(tài)環(huán)境的保護[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，計算公式[15]如下。

式中，P為區(qū)域單位面積產(chǎn)水量。

圖1和圖2表明民樂銅礦區(qū)的火山巖類型主要為粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗面安山巖，文玉礦區(qū)則主要集中在粗面安山巖區(qū)間?？傮w上民樂地區(qū)北部火山巖與文玉礦區(qū)相似形成于三疊世中期和晚期；礦區(qū)南部的火山巖則富Na貧K。

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，為了便于對比，在計算時通常選擇世界自然基金會（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

人類活動對水資源的消費情況可以通過水資源生態(tài)足跡來體現(xiàn)。水體能夠為人類活動供應(yīng)的水資源可以通過水資源生態(tài)承載力來體現(xiàn)。在計算時，它們的計量單位是一樣的，因此可以直接進行比較，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對水資源的需求與利用。生態(tài)盈余或者赤字的計算模型[16]如下。

式（4）計算的結(jié)果如果是正數(shù)，則表示水資源呈赤字狀態(tài)，這對于可持續(xù)發(fā)展是不利的；若是負數(shù)，則表示水資源呈盈余狀態(tài)，這對于可持續(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)

一個地區(qū)或者國家的人均水資源生態(tài)足跡和人均水資源生態(tài)承載力的比值稱為水資源生態(tài)壓力指數(shù)，通常可以用來預(yù)測生態(tài)壓力強度，并以指數(shù)形式測量一個區(qū)域的水資源安全等級。具體的計算公式[16]如下：

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

2.5 萬元GDP水資源生態(tài)足跡

萬元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。具體的計算公式[17]如下。

萬元GDP水資源生態(tài)足跡＝EFw/GDP （6）

由式（6）計算出的結(jié)果越大，則表示水資源利用率越低，反之，利用效率越高。一個地區(qū)或者國家的經(jīng)濟增長方式可以用這個指標(biāo)來表征。

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)足跡與承載力計算結(jié)果匯總

將3個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)赤字的動態(tài)情況進行對比，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，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），之后開始下降，平均值為0.81 hm2/人；永濟市的水資源生態(tài)足跡在2010—2015年變化趨于平穩(wěn)，在0.42～0.57 hm2/人波動，平均值為0.52 hm2/人。3個研究縣市的生態(tài)承載力在核算期內(nèi)的變化趨勢大致相同，2010—2012年上升至最高點，2012—2013年驟降至最低點，如果水資源的量隨時間分布不均，也就是一個地區(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0.19 hm2/人。這3個縣市的水資源生態(tài)赤字是依據(jù)水資源生態(tài)承載力和水資源生態(tài)足跡計算出來的，其大小分別是臨猗＞永濟＞河津。

3.2 生態(tài)壓力指數(shù)與萬元GDP水資源生態(tài)足跡的動態(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)與萬元GDP水資源生態(tài)足跡的動態(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個縣市，且波動幅度最大，在2012，2013年顯著增高，最高達23.439；永濟市次之，在2011—2012年波動幅度較大，最高達11.106；河津市的動態(tài)變化趨于平穩(wěn)，在2.2～6.1范圍內(nèi)波動。臨猗縣每年的萬元GDP水資源生態(tài)足跡均為最高，且波動幅度最大，最高達0.678 hm2/人；永濟市次之，波動幅度較為平穩(wěn)，在0.182～0.320 hm2/人范圍內(nèi)波動；河津市最低，且波動非常平穩(wěn)，在0.081～0.099 hm2/人范圍內(nèi)波動。

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92%；永濟市次之，所占比例為85%；河津市則相對較少，占55%。臨猗縣與永濟市的農(nóng)業(yè)用水均大大超過工業(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)中國科學(xué)院出版的《2015年中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略報告》，山西省水資源指數(shù)排名在全國排名第3位。依據(jù)國際標(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，本研究進行了Pearson相關(guān)性檢驗，結(jié)果表明，生態(tài)足跡確實與農(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發(fā)價值不大，指數(shù)均遠大于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、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展成為黃河中游流域各縣市發(fā)展過程中的當(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，人口的增長會導(dǎo)致水資源承載力負荷水平的降低，應(yīng)適當(dāng)加強人口控制，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)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)模式轉(zhuǎn)型發(fā)展，降低萬元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。