張 淑 蘭，張 海 軍，張 盉 儆，安 彬，黃 志 貴

(1.安康學院 陜南生態(tài)經(jīng)濟研究中心，陜西 安康 7250001； 2.安康學院 旅游與資源環(huán)境學院，陜西 安康 725000)

1 研究背景

水資源生態(tài)足跡模型是描述水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的一種生態(tài)學統(tǒng)計方法[1]。該模型在理論框架下可以創(chuàng)建地表水、地下水兩個二級賬戶，或者生產(chǎn)用水、生活用水、生態(tài)用水 3 個二級賬戶[2]。近些年來，越來越多的學者用該模型對不同地區(qū)或流域進行了有關(guān)水資源生態(tài)承載力、生態(tài)足跡和可持續(xù)利用分析、評價及預(yù)測。比如王文國[3]、郭曉娜[4]、張倩[5]等先后基于該模型，對重慶市水資源的生態(tài)承載力、生態(tài)足跡和可持續(xù)利用進行了分析、評價和預(yù)測；在貴州，吳全志等[6]、周子琴等[7]利用該模型對貴州省的水資源開發(fā)和利用狀態(tài)及其演化進行了研究。也有學者從時空格局角度，分析了各省或市域(比如浙江省、四川省、成都市等)的水資源生態(tài)足跡[8-11]；同時，也有從流域尺度，對水資源生態(tài)承載力及生態(tài)足跡進行了評價[12-13]。除此之外，學者們還對模型進行了擴充，使模型更能反映社會用水對于當前水資源量的真實消耗情況，比如水生態(tài)足跡廣度、深度的提出[14]，水域生態(tài)承載力新的算法等[15]。 因此，利用水資源生態(tài)足跡模型來分析水資源可持續(xù)利用情況，能夠為區(qū)域或流域水資源規(guī)劃和管理提供理論依據(jù)與指導。

人類社會經(jīng)濟的發(fā)展總是與水資源的開發(fā)利用息息相關(guān)，而當今氣候變化和人類活動使不同地區(qū)的水資源可持續(xù)利用總是面臨著不同程度的壓力，特別是在我國近20 a來城市化發(fā)展的進程中，各地區(qū)對水資源的開發(fā)和利用程度每年都在增長，很多城市或省份的水資源生態(tài)出現(xiàn)了虧缺或水資源利用程度已經(jīng)達到很高的狀態(tài)[16-20]，甚至出現(xiàn)從外流域調(diào)水的需求[21-22]。陜西省位于我國中西部地區(qū)，該省的人口、資源和經(jīng)濟相對于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)并不突出，而且一直存在經(jīng)濟發(fā)展與水資源利用之間的矛盾[23-24]。為此，本文利用2000～2017年的陜西省水資源、人口和經(jīng)濟等方面的數(shù)據(jù)，深入分析了該省的水資源生態(tài)足跡及可持續(xù)利用情況，以便為今后社會經(jīng)濟的健康發(fā)展和水資源的開發(fā)和可持續(xù)利用提供參考。

2 研究區(qū)概況

陜西省(105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N)位于中國的西北地區(qū)，全省總面積為 20.56萬 km2，以北山和秦嶺為界，全省共下轄10個市，分為秦巴山地、關(guān)中平原和陜北高原三大地貌區(qū)。陜西省地處內(nèi)陸中緯度地帶，遠離水汽源地的地理位置，屬于大陸性季風氣候區(qū)，但氣候差異很大，由南向北依次跨越北亞熱帶、暖溫帶和溫帶。全省年平均氣溫為11.6 ℃，平均降水量為653 mm，主要集中于夏季的7～9月，冬季是枯水期，年均蒸發(fā)量為1 608 mm。以秦嶺為界，分屬于黃河、長江兩大流域，擁有渭河、涇河和漢江較大河流，水資源總量為445 億m3，時空分布嚴重不均，外流水系約占全省面積的 97.7%，而內(nèi)流水系僅占全省總面積的2.3%，且主要分布在陜北高原風沙草灘區(qū)；林地、耕地、草地所占比例較大，生態(tài)環(huán)境較好。2016年，陜西省地方生產(chǎn)總值為19 399.59億元，比2015年增長12.1%。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 資料來源

本文收集整理了陜西省人口、GDP、耕地面積以及水資源等方面的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)均來源于2000～2017年《陜西省統(tǒng)計年鑒》和《陜西省水資源公報》。

3.2 研究方法

3.2.1水資源生態(tài)足跡模型

水資源生態(tài)足跡即利用水資源用地面積來表示地區(qū)消耗水資源量的情況，以便于統(tǒng)計水資源利用的各子賬戶，其計算模型如下[2]：

EFw=γw×(W/pw)

式中：EFw為水資源生態(tài)足跡，hm2；γw為水資源的全球均衡因子，γw=5.19；W為利用的水資源量，m3；pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2，其值為31.4×104m3/km2[2]。

3.2.2水資源生態(tài)承載力模型

水資源承載力是維持地區(qū)水資源開發(fā)利用的最大供給量，其模型的構(gòu)建是基于水資源生態(tài)足跡[2，25]：

ECw=0.4×ψ×γw×Q/pw

式中：ECw為水資源承載力，hm2；γw為全球均衡因子；ψ為區(qū)域水資源的產(chǎn)量因子；Q為研究區(qū)水資源總量，m3；pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力，m3/hm2；ψ為水資源產(chǎn)量因子，是區(qū)域水資源平均生產(chǎn)能力與世界水資源平均生產(chǎn)能力的比值。計算公式為

ψ=V/Vg

式中：V為區(qū)域單位面積產(chǎn)水量；Vg為全國單位面積產(chǎn)水量，其值為2.94×105m3/km[2]。

3.2.3水資源可持續(xù)利用評價指標

采用水資源生態(tài)盈虧、萬元GDP水資源生態(tài)足跡和水資源負載指數(shù)3種指標進行水資源可持續(xù)利用評價。評價的具體內(nèi)容如下。

(1) 水資源生態(tài)盈虧?；谒Y源生態(tài)足跡及其生態(tài)承載力獲得水資源生態(tài)的盈虧情況，進而衡量地區(qū)水資源可持續(xù)利用的程度[20-21]，其計算模型為

EPL=ECw-EFw

式中：EPL為水資源生態(tài)盈虧，hm2；當EPL>0時，則表示水資源生態(tài)為盈余；當EPL=0時，則表示水資源生態(tài)狀況為平衡；當EPL<0時，即為水資源生態(tài)虧缺。

(2) 萬元GDP水資源生態(tài)足跡。萬元GDP水資源生態(tài)足跡是考慮經(jīng)濟發(fā)展情況對水資源利用效率的重要指標[20-21]，是地區(qū)水資源生態(tài)足跡與國民生產(chǎn)總值(GDP)之間的比值。其值越大，說明水資源利用效率越高，反之，水資源利用效率越低。

(3) 水資源負載指數(shù)。水資源負載指數(shù)(C)是指一個地區(qū)人口數(shù)量、經(jīng)濟發(fā)展以及區(qū)域或流域降水對水資源開發(fā)利用的影響程度。其計算公式如下：

式中：k為與降水有關(guān)的系數(shù)。其計算公式如下：

水資源負載指數(shù)(C)一般分為5級(見表1)，不同級別的指數(shù)可以反映區(qū)域或流域水資源開發(fā)利用的現(xiàn)狀、開發(fā)潛力以及對水資源需求的程度。

表1 水資源負載指數(shù)的分級與評價Tab.1 Classification and evaluation of water resources load index

4 結(jié)果與分析

4.1 陜西省水資源生態(tài)足跡

2000～2017年，陜西省人均水資源生態(tài)足跡呈緩慢上升的趨勢(見圖1)，其平均值為0.372 hm2/人。其中，2003年的人均水資源生態(tài)足跡最小，為0.335 hm2/人，到2017年增加到了0.401 hm2/人；盡管個別年份的水資源生態(tài)足跡略降低，但其平均每年的增加率為1.37%。從不同區(qū)域來看，人均水資源生態(tài)足跡從大到小的排序是陜南地區(qū)(0.493 hm2/人)>關(guān)中地區(qū)(0.349 hm2/人)>陜北地區(qū)(0.276 hm2/人)。

圖1 2000～2017年間陜西省人均水資源生態(tài)足跡的變化曲線Fig.1 Changes of water resources per capita ecological footprint in Shaanxi Province from 2000 to 2017

由表2可以看出：各區(qū)域水資源生態(tài)足跡各賬戶中所占比重最大的均是耕地用水生態(tài)足跡，其他用水賬戶在不同區(qū)域所占比重明顯不同，比如，陜南地區(qū)的工業(yè)用水生態(tài)足跡要低于生活用水生態(tài)足跡，而陜北地區(qū)和關(guān)中地區(qū)的工業(yè)用水生態(tài)足跡要高于耕地以外的用水賬戶的水生態(tài)足跡；在3個區(qū)域中，人均城鎮(zhèn)公共與生態(tài)環(huán)境用水的生態(tài)足跡均占最低比重。2000～2017年間，3個地區(qū)人均耕地用水生態(tài)足跡均呈降低的趨勢，其他用水賬戶的生態(tài)足跡基本呈穩(wěn)定增加的趨勢；其中，陜南地區(qū)的林牧漁業(yè)用水生態(tài)足跡增加明顯，陜北地區(qū)的工業(yè)用水生態(tài)足跡增加較多，關(guān)中地區(qū)在城鎮(zhèn)公共和生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡方面增加顯著。

4.2 陜西省水資源生態(tài)承載力

2000～2017年間，陜西省人均水資源生態(tài)承載力平均值為0.457 hm2/人，年際之間的波動狀態(tài)較大，最高值在2011年為1.068 hm2/人，最低值在2001年為0.176 hm2/人。從不同區(qū)域來看，陜南地區(qū)(3.163 hm2/人)>關(guān)中地區(qū)(0.349 hm2/人)>陜北地區(qū)(0.059 hm2/人)。其中，陜南地區(qū)的人均水資源生態(tài)承載力波動較大，這與全省的變化具有一致性；而其他2個區(qū)域幾乎無波動，18 a間水資源生態(tài)承載力變化不大(見圖2)。

表2 2000～2017年陜西省不同地區(qū)水資源生態(tài)足跡各子賬戶變化情況Tab.2 Changes of sub-accounts of the ecological footprint of water resources in different regions of Shaanxi from 2000 to 2017

圖2 2000～2017年間陜西省人均水資源 生態(tài)承載力的變化曲線Fig.2 Changes of water resources per capita ecological carring capacity in Shaanxi Province from 2000 to 2017

4.3 陜西省水資源可持續(xù)利用評價

4.3.1水資源生態(tài)盈虧

陜西省人均水資源生態(tài)盈虧情況如圖3所示。由圖3可以看出：2000～2017年間，陜南地區(qū)一直處于水資源生態(tài)盈余狀態(tài)，而且具有明顯的波動變化，其平均值為2.670 hm2/人；相反，陜北和關(guān)中2個地區(qū)的水資源一直處于生態(tài)虧缺狀態(tài)，平均值分別為-0.217 hm2/人和-0.253 hm2/人。在2000～2017年的18 a間，全省水資源生態(tài)虧缺最大的年份發(fā)生在2016年，為-0.182 hm2/人；水資源生態(tài)盈余最多的年份發(fā)生在2011年，為0.680萬hm2/人。結(jié)合圖2可以看出，陜西省水資源的人均生態(tài)盈虧與生態(tài)承載力的年際變化具有一致性。

圖3 2000～2017年陜西省水資源生態(tài)盈虧情況Fig.3 Ecological profit and loss of water resources in Shaanxi Province from 2000 to 2017

4.3.2萬元GDP水資源生態(tài)足跡

借助于萬元GDP水資源生態(tài)足跡指標，可以較好地評價經(jīng)濟發(fā)展對水資源利用效率的影響。由圖4可以看出：2000～2017年間，陜西省萬元GDP水資源生態(tài)足跡均以指數(shù)形式的趨勢減少，由2000年的0.72 hm2/萬元減少到2017年的0.07 hm2/萬元，水資源利用率提高了10倍。從不同區(qū)域來看，18 a間，萬元GDP水資源生態(tài)足跡一直表現(xiàn)為陜南地區(qū)>關(guān)中地區(qū)>陜北地區(qū)。其中，陜南地區(qū)的萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈銳減的趨勢，由2000年的1.546 hm2/萬元減少到了2017年0.146 hm2/萬元，而關(guān)中和陜北2個地區(qū)的減少趨勢相對較為緩和，關(guān)中地區(qū)由0.623 hm2/萬元減少到了0.234 hm2/萬元，陜北地區(qū)則由0.509 hm2/萬元減少到了0.152 hm2/萬元。這說明陜西省在不斷提高人民生活水平和加快社會經(jīng)濟發(fā)展的過程中，水資源越來越得到了合理充分的使用，減少了水資源的浪費，從而有利于生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展。

圖4 2000～2017年陜西省萬元GDP水資源 生態(tài)足跡的變化曲線Fig.4 Changes of water resource ecological footprint per ten thousand yuan GDP in Shaanxi Province from 2000 to 2017

4.3.3水資源負載指數(shù)的變化

由圖5可以看出：陜西省水資源負載指數(shù)隨著時間的變化具有不斷增長的趨勢；18 a來，關(guān)中和陜北2個地區(qū)的水資源負載指數(shù)均大于10.0，平均值分別為28.9和47.9，要明顯高于全省(11.7)和陜南地區(qū)(2.9)；特別是自2012年以后，各地區(qū)的水資源負載指數(shù)迅速增長，2017年與2000年相比，關(guān)中地區(qū)的水資源負載指數(shù)增長最多，為21.2；其次是陜北地區(qū)，為17.9；第三是陜南地區(qū)，為1.6。說明隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口數(shù)量的不斷增長，陜西省水資源開發(fā)利用程度也在不斷提高。

圖5 2000～2017年陜西省水資源負載指數(shù)的變化Fig.5 Changes of water resource load index in Shaanxi Province from 2000 to 2017

5 討 論

5.1 降水量對陜西省水資源利用的影響

從陜西省所處的地理位置來看，黃河流經(jīng)陜西，但是近幾十年來黃河的入境水量在逐年減少，因此，陜西省的水資源主要來自于降水，而且水資源生態(tài)承載力與年降水量之間具有顯著的線性關(guān)系(見圖6)。從不同區(qū)域來看，水資源生態(tài)承載力大小依次為：陜南地區(qū)>關(guān)中地區(qū)>陜北地區(qū)，這明顯與各地區(qū)降水量的大小有關(guān)，而且二者之間的相關(guān)程度表現(xiàn)為：陜南地區(qū)>關(guān)中地區(qū)>陜北地區(qū)。陜南地區(qū)的降水量較大，水資源生態(tài)承載力也較大，而且水資源一直處于生態(tài)盈余狀態(tài)，因此該地區(qū)的水資源開發(fā)利用具有較大的空間。而在降水較少的陜北和關(guān)中2個地區(qū)，水資源一直處于生態(tài)虧缺狀態(tài)，面臨著嚴重的水資源壓力，特別是陜北地區(qū)，該地區(qū)的水資源生態(tài)承載力與年降水量的相關(guān)程度明顯減弱，說明陜北地區(qū)的水資源開發(fā)利用受到了降水量的限制，因此可能越來越需調(diào)用其他水源。

圖6 水資源生態(tài)承載力與年降水量的關(guān)系Fig.6 Relationship between water resources ecological carrying capacity and annual precipitation

5.2 耕地用水生態(tài)足跡賬戶有所降低，而其他子賬戶則緩慢增加

陜西省人均耕地用水生態(tài)足跡平均為0.218 hm2/人，是占比最大的賬戶(58.8%)，因此陜西省的人均耕地對水資源利用具有較大的影響。由表3可以看出：關(guān)中地區(qū)的耕地面積幾乎占到全省的一半左右，而且近10 a來耕地面積在不斷大量減少，這是造成耕地用水生態(tài)足跡減少的重要方面；但是從陜南和陜北2個地區(qū)來看，耕地面積均有所增加而耕地用水生態(tài)足跡卻在減少，這說明影響耕地用水生態(tài)足跡的因素除了耕地面積的變化以外，可能與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、節(jié)水灌溉以及管理等方面有所改善有關(guān)。比如陜南地區(qū)以前以種植水稻為主，現(xiàn)在很多水田都被改為了旱田，陜北地區(qū)則采用了地膜覆蓋、節(jié)水灌溉措施等，因此，耕地用水生態(tài)足跡降低可能是地區(qū)水資源利用高效的重要表現(xiàn)。其他用水賬戶的生態(tài)足跡增長與陜西省20 a來的經(jīng)濟迅速發(fā)展、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、城鎮(zhèn)化和人口增長均有很大關(guān)系，比如2000～2017年間，陜西省GDP從1804.0億元增加到了21 898.8億元，人口數(shù)量截至2017年底則增加了191萬人，退耕還林以及畜牧漁業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模均得到了不斷擴大。

表3 2009～2017年陜西省3個地區(qū)的耕地面積變化Tab.3 Changes of cultivated land area in three regions of Shaanxi Province from 2009 to 2017 萬hm2

5.3 不同區(qū)域水資源利用及開發(fā)明顯不同

陜西省3個區(qū)域在自然、地理、氣候、經(jīng)濟以及人口等方面具有明顯的差異，這也是不同區(qū)域在水資源利用和開發(fā)方面存在明顯不同的重要原因。 陜南地區(qū)地處秦巴山地，屬于北亞熱帶氣候，具有較豐沛的降水量，因此水資源較為豐富，這也使得該地區(qū)的水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力要明顯高于地處干旱、半干旱地區(qū)的陜北地區(qū)和關(guān)中地區(qū)，而且水資源生態(tài)足跡中農(nóng)田用水占比要顯著高于陜北和關(guān)中2個地區(qū)。從人口和經(jīng)濟發(fā)展情況來看，3個地區(qū)中，以關(guān)中地區(qū)的人口最多，而且經(jīng)濟增長較快，其次是陜北地區(qū)，第三是陜南地區(qū)。因此，最為明顯的體現(xiàn)就是陜南地區(qū)的工業(yè)用水生態(tài)足跡明顯要小于關(guān)中和陜北2個地區(qū)。

從水資源生態(tài)足跡來看，陜南地區(qū)的水資源生態(tài)足跡與貴州省、四川省、重慶市等西南省份(市)的情況相似[3，6，8]，呈現(xiàn)穩(wěn)定緩慢增長的趨勢，而且水資源均為生態(tài)盈余狀態(tài)；陜北地區(qū)和關(guān)中地區(qū)與新疆、山西等西部地區(qū)省份更為相似[18，22]，水資源一直處于生態(tài)赤字狀態(tài)。除農(nóng)田用水以外，其他各賬戶用水的大幅增加使得整個陜西省的水資源生態(tài)足跡呈增長的狀態(tài)，這也說明盡管陜西省的經(jīng)濟發(fā)展較我國東部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展緩慢，但是從水資源生態(tài)足跡來看，陜西省的人民生活質(zhì)量得到了不斷改善，社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境建設(shè)并重發(fā)展。

從陜西省水資源可持續(xù)利用的評價指標來看：

(1) 水資源生態(tài)盈虧主要受水資源生態(tài)承載力的主導，而從上文的討論可知水資源生態(tài)承載力主要受年降水量的影響比較顯著。因此，陜西省水資源生態(tài)盈虧與其氣候特征和變化直接相關(guān)，干旱少雨的年份均為水資源生態(tài)虧缺年，與西南地區(qū)(比如貴州省、四川省和重慶市)相比顯得水資源生態(tài)承載力明顯不足[5，7-8]，特別是陜北地區(qū)和關(guān)中地區(qū)的水資源生態(tài)虧缺較大[24]。

(2) 陜西省3個地區(qū)的萬元GDP水資源生態(tài)足跡自2000～2017年均呈指數(shù)降低，說明該省在快速的經(jīng)濟發(fā)展過程中水資源得到了高效利用(特別是陜南地區(qū)變化更為明顯)。但是與浙江省等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)相比，還有一定的差距[10]，比如2017年，陜西省的萬元GDP水資源生態(tài)足跡(0.07hm2/萬元)僅相當于浙江省2006年的水平。

(3) 水資源負載指數(shù)表明，陜南地區(qū)的水資源具有較大的開發(fā)潛力且較容易被利用，而陜北地區(qū)和關(guān)中地區(qū)的水資源一直處于從外區(qū)域調(diào)水的程度，且這些年來陜西省引漢濟渭工程的實施也是為了解決這一水資源問題。

綜上所述，要充分認識陜西省的水資源分布情況，以期能夠更高效地調(diào)度、利用水資源，從而為陜西省的社會經(jīng)濟發(fā)展提供可持續(xù)的水資源。

6 結(jié) 論

(1) 受自然地理條件的影響，陜西省3個研究區(qū)域的水資源分布差異較大，水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力均是陜南地區(qū)>關(guān)中地區(qū)>陜北地區(qū)。

(2) 降水是陜西省水資源的主要來源，但降水量的分布與區(qū)域的人口、經(jīng)濟并不對應(yīng)，經(jīng)濟落后的陜南地區(qū)存在較大的生態(tài)盈余，而經(jīng)濟較發(fā)達的關(guān)中地區(qū)和陜北地區(qū)一直存在著一定的生態(tài)虧缺。

(3) 近些年來，人均農(nóng)田用水生態(tài)足跡有所降低，而工業(yè)、生活、林牧漁業(yè)和城鎮(zhèn)公共與生態(tài)環(huán)境的人均用水生態(tài)足跡均成穩(wěn)定增加的趨勢，陜西省各區(qū)域的水資源利用程度均達到了較高程度，陜北地區(qū)和關(guān)中地區(qū)一直處于需要從外區(qū)域調(diào)水的程度。