(吉林大學(xué) 新能源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130012)

1 研究背景

生態(tài)足跡由William于1992年提出，是一種通過引入生物生產(chǎn)類土地來衡量資源可持續(xù)利用的模型[1]。將水資源納入生態(tài)足跡模型中，以此來評價(jià)區(qū)域水資源的可持續(xù)利用狀況，是近年來諸多學(xué)者普遍使用的方法。李允潔等利用水資源生態(tài)足跡模型，對浙江省水資源可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了評估[2]；王榮森等對安徽省和江蘇省的水資源生態(tài)足跡和承載力進(jìn)行了比較研究，分析了兩省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動(dòng)對水資源生態(tài)足跡的影響[3]；李赫龍等對福建省水資源生態(tài)足跡的時(shí)空差異及演變特征進(jìn)行了研究[4]；楊倩等對湖北省水資源生態(tài)承壓能力和社會發(fā)展的空間關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了探討[5]；李興正等對中國水資源生態(tài)承載力的供需平衡進(jìn)行了研究，根據(jù)研究結(jié)果，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)從總體上來考慮水資源的宏觀調(diào)控和分配[6]。

脫鉤理論是探求經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源消耗之間耦合與脫鉤關(guān)系的一種理論。耦合指資源消耗隨著經(jīng)濟(jì)的增長而增長；而脫鉤又可分為絕對脫鉤和相對脫鉤，絕對脫鉤又稱為強(qiáng)脫鉤，是指資源消耗隨著經(jīng)濟(jì)的增長而減少，相對脫鉤又稱弱脫鉤，指資源消耗隨著經(jīng)濟(jì)的增長而以較低的比率增長，或者說資源消耗增長率小于經(jīng)濟(jì)的增長率[7-9]。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)將脫鉤定義為：經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境資源耦合關(guān)系的瓦解[10]。劉賀賀等對東北地區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的脫鉤關(guān)系進(jìn)行了探討并對其發(fā)生變化的影響因素進(jìn)行了分析[11]；黃展利用Tapio模型，分析了湖北省經(jīng)濟(jì)增長與碳排放之間的脫鉤關(guān)系，并說明了其變化的原因[12]；洪思揚(yáng)等利用脫鉤理論，探究了能源生產(chǎn)與用水之間的關(guān)系，以期實(shí)現(xiàn)水與能源的可持續(xù)發(fā)展[13]；謝文寶等對新疆農(nóng)業(yè)面源污染與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長進(jìn)行了脫鉤分析，并提出了污染防治的對策及措施[14]。

在以往的研究中，眾多學(xué)者利用水資源生態(tài)足跡和承載力的差值來表示水資源生態(tài)的盈余/赤字，利用二者間的比值來判定區(qū)域水資源的可持續(xù)利用狀況，模型略顯繁瑣且沒有對水資源可持續(xù)(或不可持續(xù))的利用程度進(jìn)行分析。本文利用單一的水資源可持續(xù)利用指數(shù)模型，既可以定性判斷區(qū)域水資源生態(tài)的盈余/赤字，又可以定量分析區(qū)域水資源的可持續(xù)利用狀況；既簡化了模型，又細(xì)化了水資源可持續(xù)(或不可持續(xù))的利用程度。

本文以長春市為研究對象，利用水資源可持續(xù)利用指數(shù)模型，從整體上對長春市2007～2016年10 a間的水資源的可持續(xù)利用狀況展開分析。同時(shí)，將水資源引入脫鉤理論中，從整體上對長春市10 a間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源消耗的協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行了分析研究。本文計(jì)算結(jié)果可為長春市水資源的可持續(xù)利用及經(jīng)濟(jì)與水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展評估提供數(shù)據(jù)支持和決策參考。

2 研究方法

2.1 水資源生態(tài)足跡模型

水資源生態(tài)足跡模型是將某一區(qū)域的耗水量轉(zhuǎn)化為水資源用地面積，通過均衡化處理，即可得到用于不同地區(qū)間相互比較的均衡值[15]。計(jì)算公式如下：

EF=N×ef=N×r×(W/p)

(1)

式中，EF為水資源生態(tài)足跡，hm2；N為人口數(shù)，人；ef為人均水資源生態(tài)足跡，hm2/人；r為水資源全球均衡因子，該因子相當(dāng)于一個(gè)權(quán)重因子，是用于對水資源土地面積與其他生物生產(chǎn)類土地面積進(jìn)行轉(zhuǎn)化和比較[16]；W為人均耗水量，m3/人；p為水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2，即水資源全球平均產(chǎn)水模數(shù)，是指單位面積的生物生產(chǎn)類土地的產(chǎn)水能力。

2.2 水資源承載力模型

水資源承載力是指某一區(qū)域特定時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的水資源最大供給量可供支持該區(qū)域的社會、資源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的能力[17]。根據(jù)楊志峰等的研究成果，某一區(qū)域水資源承載力中，應(yīng)至少扣除水資源總量的60%用來維持生態(tài)環(huán)境[18]。因此，水資源承載力計(jì)算公式為

EC=N×ec=0.4×θ×r×(Q/p)

(2)

式中，EC為水資源承載力，hm2；ec為人均水資源承載力,hm2/人；θ為水資源產(chǎn)量因子，是指研究區(qū)域的水資源平均生產(chǎn)能力與全水資源平均生產(chǎn)能力的比值；Q為水資源總量,m3；N,r,p含義與前文一致。

2.3 水資源可持續(xù)利用評價(jià)模型

水資源可持續(xù)利用評價(jià)指標(biāo)主要有水資源生態(tài)盈余/赤字、水資源生態(tài)安全判定及水資源可持續(xù)利用指數(shù)。如前文所述，在以往的評價(jià)模型中，利用水資源生態(tài)足跡和承載力的差值來表示水資源生態(tài)盈余/赤字，若差值小于0，說明區(qū)域的水資源生態(tài)盈余，反之體現(xiàn)為水資源生態(tài)赤字[19]；利用水資源生態(tài)足跡和承載力的比值來判定水資源生態(tài)的安全性，若比值小于1，說明區(qū)域的水資源利用處于安全狀態(tài)，反之則說明水資源利用處于危險(xiǎn)狀態(tài)，且比值越大越危險(xiǎn)[20]。本文利用水資源可持續(xù)利用指數(shù)模型，既可以定性判斷區(qū)域水資源生態(tài)盈余/赤字和水資源生態(tài)的安全性，又可以定量分析區(qū)域水資源的可持續(xù)利用程度。水資源可持續(xù)利用指數(shù)是指某一區(qū)域在特定時(shí)間節(jié)點(diǎn)上可持續(xù)供給的水資源量滿足該區(qū)域一切生產(chǎn)、生活對水資源的需求程度。其計(jì)算公式為

(3)

式中，μ為水資源可持續(xù)利用指數(shù)，若μ<0.5，說明EF>EC，即區(qū)域水資源表現(xiàn)為生態(tài)赤字，水資源利用處于危險(xiǎn)狀態(tài)，水資源利用不可持續(xù)；若μ>0.5，說明EF

表1 水資源可持續(xù)利用程度劃分Tab.1 Classification of sustainable utilization of water resources

2.4 經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源消耗的脫鉤評價(jià)模型

將水資源納入脫鉤理論中，衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源消耗的關(guān)系。如前文所述，當(dāng)水資源消耗量隨著經(jīng)濟(jì)的增長而減少(或不變)時(shí)，稱為經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用處于絕對脫鉤(強(qiáng)脫鉤)狀態(tài)；當(dāng)水資源消耗量隨著經(jīng)濟(jì)的增長而以較低比率增長，即水資源消耗量的增長率小于經(jīng)濟(jì)增長率時(shí)，稱為經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源消耗處于相對脫鉤(弱脫鉤)狀態(tài)。由此可見，絕對脫鉤(強(qiáng)脫鉤)是經(jīng)濟(jì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展的最理想情形。結(jié)合Vehmast的脫鉤指數(shù)模型[22]，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源消耗的脫鉤指數(shù)模型如下：

DI=WCGR/EGR

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中，DI為脫鉤指數(shù)(Decoupling Index)，WCGR為耗水量增長率(Water Consumption Growth Rate)，EGR為經(jīng)濟(jì)增長率(Economic Growth Rate)；WCt，WCt-1為研究區(qū)域第t年和第(t-1)年的耗水量，GDPt，GDPt-1為研究區(qū)域第t年和第(t-1)年的GDP值。在賈莉等[23]的研究基礎(chǔ)上，考慮到臨界狀態(tài)下(即WCGR=0或EGR=0)的脫鉤界定情況，因此完善后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源消耗的脫鉤界定如表2所示。

表2 經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源消耗的脫鉤界定Tab.2 Definition of decoupling between economic development and water consumption

3 研究區(qū)概況

長春市位于東經(jīng)124°18′～127°05′，北緯43°05′～45°15′，地處中國的東北部，總面積為20 565 km2，下轄7區(qū)3縣(市)，是我國重要的工業(yè)基地。長春市地勢平坦，氣候?yàn)闇貛Т箨懶园霛駶櫦撅L(fēng)氣候，年平均氣溫4.6℃，多年平均降水量在600～700 mm之間；境內(nèi)水系主要有第二松花江和拉林河兩大水系，主要河流有伊通河、霧開河、新凱河等。長春市擁有新立城、太平池和石頭口門3座大型水庫，蘇家崗、高城子、雙陽等16座中型水庫以及177座小型水庫。長春市是典型的缺水城市，多年人均水資源占有量為355 m3，是全省人均水資源占有量的1/4，全國人均水資源占有量的1/6[24]。

自2000年以來，為了解決城鄉(xiāng)供水問題，長春市先后實(shí)施了“引松入長”、石頭口門水庫增容等一系列工程。作為長吉圖開發(fā)開放先導(dǎo)區(qū)的核心區(qū)域，長春市近年來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷升級，地區(qū)生產(chǎn)總值持續(xù)增長，三次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值均呈現(xiàn)為逐年增加的趨勢。隨著經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)快速發(fā)展，長春市對水的需求量不斷增加，水資源的供需矛盾成為長春市發(fā)展進(jìn)程中一大顯著問題。

4 數(shù)據(jù)收集與相關(guān)參數(shù)確定

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集與整理

本研究需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中，水資源總量、降水量、耗水量等數(shù)據(jù)來源于長春市2007～2016年水資源公報(bào)；GDP、人口數(shù)等方面的數(shù)據(jù)來源于長春市2007～2016年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)。整理后的數(shù)據(jù)如表3所示。

4.2 模型參數(shù)確定

表3 數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)匯總Tab.3 Summary of data and related parameters

5 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)上述計(jì)算模型及收集整理的數(shù)據(jù)，即可得到如表4和表5所示的相關(guān)計(jì)算結(jié)果。

表4 長春市2007～2016年水資源相關(guān)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of water resources in Changchun city from 2007 to 2016

5.1 長春市水資源生態(tài)足跡與承載力計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出了長春市水資源生態(tài)足跡與承載力變化趨勢，如圖1所示。由表4和圖1可以看出：

圖1 長春市2007～2016年水資源生態(tài)足跡及水資源承載力變化情況Fig.1 Change of water resources ecological footprint and water resources carrying capacity in Changchun city from 2007 to 2016

表5 長春市2007～2016年經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源消耗脫鉤界定結(jié)果Tab.5 Definition results of decoupling between economic development and water consumption in Changchun city from 2007 to 2016

(1) 長春市2007～2016年的水資源生態(tài)足跡比較平穩(wěn)，平均值為2.07×106hm2(0.27 hm2/人)，最大值為2010年的2.35×106hm2(0.31 hm2/人)，最小值為2008年的1.77×106hm2(0.24 hm2/人)；

(2) 長春市2007～2016年的水資源承載力起伏較大，平均值為2.32×106hm2(0.31 hm2/人)，其中，較大的是2013年的4.67×106hm2(0.62 hm2/人)和2016年的4.60×106hm2(0.61 hm2/人)，較小的是2007年的4.92×105hm2(0.07 hm2/人)和2009年的6.89×105hm2(0.09 hm2/人)。

對于長春市水資源生態(tài)足跡和水資源承載力變化趨勢形成的原因，歸納起來主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 根據(jù)公式(1)可以看出，水資源生態(tài)足跡與人口數(shù)和耗水量呈正相關(guān)，而長春市2007～2016年的人口數(shù)變化不大，基本上穩(wěn)定在750萬人左右，耗水量也比較平穩(wěn)，保持在10.74億～14.23億m3之間(見表3及圖2)。因此，水資源生態(tài)足跡各年份之間變化不明顯。

(2) 根據(jù)公式(2)可以看出，水資源承載力與水資源總量有關(guān)，而影響水資源總量的一大關(guān)鍵因素是降水量。長春市水資源公報(bào)顯示，長春市2007～2016年的降水量波動(dòng)較大，豐水年、枯水年交替出現(xiàn)(見表3及圖2)。因此，長春市的水資源承載力與降水量呈明顯的正相關(guān)，降水量的起伏變化直接決定著水資源承載力的變化。

圖2 長春市2007～2016年降水量、耗水量及人口數(shù)量變化曲線Fig.2 Change of precipitation, water consumption and population in Changchun city from 2007 to 2016

5.2 長春市水資源可持續(xù)利用狀況計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)表4中的計(jì)算結(jié)果，可以得到長春市2007～2016年水資源可持續(xù)利用指數(shù)，如圖3所示。正如前文所提到的，當(dāng)水資源可持續(xù)利用指數(shù)μ<0.50時(shí)，說明區(qū)域水資源表現(xiàn)為生態(tài)赤字，水資源利用處于危險(xiǎn)狀態(tài)，水資源利用不可持續(xù)；當(dāng)μ>0.50時(shí)，說明區(qū)域水資源表現(xiàn)為生態(tài)盈余，水資源利用處于安全狀態(tài)，水資源利用可持續(xù)。

從圖3可以看出，長春市10 a間的水資源利用隨著年份的不同而交替地呈現(xiàn)出可持續(xù)或不可持續(xù)狀態(tài)。其中，共有5個(gè)年份(2008，2010，2012，2013年和2016年)的水資源利用表現(xiàn)為可持續(xù)狀態(tài)；結(jié)合公式(3)，在長春市水資源生態(tài)足跡基本保持平穩(wěn)的情況下，水資源可持續(xù)利用指數(shù)只與水資源承載力有關(guān)，且與水資源承載力的變化趨勢完全相同，圖1與圖3證實(shí)了這種變化關(guān)系。

根據(jù)水資源可持續(xù)利用程度劃分標(biāo)準(zhǔn)(見表1)，可以得到長春市2007～2016年各年份的水資源可持續(xù)利用程度，如表6所示。

從表6可以看出，長春市2007～2016年的水資源利用體現(xiàn)為不可持續(xù)的5個(gè)年份中，2007年的水資源為強(qiáng)不可持續(xù)，2015年水資源為弱不可持續(xù)，另外3個(gè)年份的水資源體現(xiàn)為中不可持續(xù)；而水資源體現(xiàn)為可持續(xù)的5個(gè)年份中，有3個(gè)年份為中可持續(xù)，2個(gè)年份為弱可持續(xù)，無強(qiáng)可持續(xù)的年份。綜合來看，長春市的水資源利用處于不可持續(xù)的狀態(tài)，顯然，水資源生態(tài)壓力較大。

圖3 長春市2007～2016年水資源可持續(xù)利用指數(shù)Fig.3 Index of water resources sustainable utilization in Changchun city from 2007 to 2016

表6 長春市2007～2016年水資源可持續(xù)利用程度Tab.6 Degree of water resources sustainable utilization in Changchun city from 2007 to 2016

5.3 長春市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源消耗脫鉤分析

根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果可以看出，長春市2007～2016年間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源消耗經(jīng)歷了強(qiáng)脫鉤—弱脫鉤—擴(kuò)張性負(fù)脫鉤—強(qiáng)脫鉤—弱脫鉤的過程。其中，僅2009～2010年出現(xiàn)了擴(kuò)張性負(fù)脫鉤這一不利情況，其他年份均為脫鉤狀態(tài)，且強(qiáng)脫鉤年份占半數(shù)，這說明長春市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展沒有過度依賴于水資源的消耗，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用處于一種較協(xié)調(diào)的狀態(tài)。

作為吉林省省會城市，近年來長春市的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，2016年的GDP總量為5 928.5億元，是2007年的2.84倍，而水資源消耗量從2007年的12.79億m3增加到了2016年的13.18億m3，僅僅增加了3%，這與長春市近年來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整密切相關(guān)。根據(jù)長春市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，2007～2016年長春市三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的狀況如表7所示。從表7中可以看出，長春市10 a間三次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值均呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，而作為耗水最為嚴(yán)重的第一產(chǎn)業(yè)(農(nóng)林牧漁業(yè))，盡管產(chǎn)值在逐年增加，但其占總產(chǎn)值的比重卻在逐年減少(見圖4)。這是由于近年來長春市充分發(fā)揮工業(yè)基礎(chǔ)雄厚的優(yōu)勢，汽車、軌道客車等工業(yè)發(fā)展迅速；同時(shí)，文化、旅游、金融、科技等一系列低耗水的服務(wù)業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)在長春市得到了迅猛發(fā)展，大大拉動(dòng)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)。因此，長春市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展沒有過分依賴于第一產(chǎn)業(yè)，長春市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用處于較協(xié)調(diào)的狀態(tài)。

表7 長春市2007～2016年三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)情況Tab.7 Situation of three industrial structures in Changchun city from 2007 to 2016

圖4 長春市2007～2016年第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占總產(chǎn)值的比重Fig.4 The proportion of the first industry output value to the total output value in Changchun city from 2007 to 2016

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié) 論

借助于水資源生態(tài)足跡模型和水資源承載力模型，對長春市2007～2016年的水資源生態(tài)足跡和水資源承載力進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算分析結(jié)果表明，長春市10 a間的水資源生態(tài)足跡比較平穩(wěn)，平均值為0.27 hm2/人，而水資源承載力起伏較大，最大的為0.62 hm2/人，最小的為0.07 hm2/人。主要原因是長春市10 a間人口數(shù)量和耗水量變化不大，而水資源總量每年差異很大(主要與降水差異有關(guān))，因此，水資源生態(tài)足跡變化不明顯，而水資源承載力變化幅度較大。

通過對長春市水資源可持續(xù)利用狀況分析可知，長春市2007～2016年間，共有5個(gè)年份(2007，2009，2011，2014年和2015年)的水資源利用處于不可持續(xù)狀態(tài)；而水資源利用體現(xiàn)為可持續(xù)的5個(gè)年份中，有3個(gè)年份為中可持續(xù)，2個(gè)年份為弱可持續(xù)，無強(qiáng)可持續(xù)的年份。因此總體來看，長春市的水資源生態(tài)壓力較大，水資源利用處于不可持續(xù)狀態(tài)。

基于脫鉤理論，構(gòu)建了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源消耗的脫鉤評價(jià)模型，并利用該模型，分析了長春市2007～2016年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用的協(xié)調(diào)關(guān)系。分析結(jié)果表明，長春市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用總體上處于脫鉤狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展沒有過于依賴水資源的大量消耗，二者間處于一種較協(xié)調(diào)狀態(tài)。這主要與長春市近年來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、第一產(chǎn)業(yè)(高耗水產(chǎn)業(yè))產(chǎn)值的占比逐年降低有關(guān)。

6.2 建 議

為了改變長春市水資源不可持續(xù)的現(xiàn)狀，從以下兩個(gè)方面入手提出相應(yīng)的措施和建議。

(1) 降低水資源生態(tài)足跡。在長春市人口數(shù)量基本保持平穩(wěn)的前提下，減少水資源的消耗是當(dāng)務(wù)之急。長春市2007～2016年的水資源公報(bào)顯示，長春市每年的農(nóng)業(yè)耗水量占當(dāng)年總耗水量的比例均維持在60%～70%之間，因此，減少農(nóng)業(yè)耗水，比如建立健全節(jié)水型農(nóng)業(yè)體系，大力發(fā)展節(jié)水灌溉型農(nóng)業(yè)等是降低水資源生態(tài)足跡的有效舉措。

(2) 提高水資源承載力。盡管降水量是影響水資源總量的一個(gè)主要因素，但是由于降水與氣候等人為不可控的因素有關(guān)，因此需要在其他方面，比如加大水利工程建設(shè)等來增加水資源總量，進(jìn)而提高水資源的承載力。

盡管長春市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用處于一種較協(xié)調(diào)的狀態(tài)，但是經(jīng)濟(jì)增長與水資源消耗并未達(dá)到絕對脫鉤。因此，長春市在逐步完善現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)體系的同時(shí)，還應(yīng)注重科學(xué)用水，比如對第二產(chǎn)業(yè)中工業(yè)用水的循環(huán)使用等；同時(shí)需要繼續(xù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為低耗水的第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)I造良好的環(huán)境。