安豐平，苗 紅，王 帥，陳 凱，金昊峰

(寧夏大學 地理科學與規(guī)劃學院，寧夏 銀川 750021)

1 引言

水資源是人類賴以生存的基礎，是支撐國家與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性資源[1]。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，水資源需求日益增長，水環(huán)境不斷惡化，水資源問題逐漸嚴重[2]。英國學者Allan[3]于1993年提出“虛擬水”概念，認為“虛擬水”是凝結在人類所生產(chǎn)的產(chǎn)品或服務中的水資源總量。荷蘭學者Hoekstrati[4]于2002年基于虛擬水理論提出“水足跡”概念，旨在探究公眾消費及服務過程中總水量[5]，反映水資源真實用量，突出水資源在經(jīng)濟社會發(fā)展中的動態(tài)性與流動性[6]。

近年來，基于水足跡理論的水資源可持續(xù)利用與管理評價研究已成為學術熱點。戚瑞[7]等基于水足跡理論，從水足跡結構、效益、生態(tài)安全及穩(wěn)定性4方面構建了水資源利用評價指標體系，驗證其對水資源利用評價具有可行性與合理性。國內(nèi)外學者研究尺度多為流域[8]、省[9，10]等大空間尺度、單一年份的短時間尺度，研究對象主要集中于區(qū)域水足跡核算及評價。其中，余灝哲[9]等結合水足跡理論，構建了基于DPSIR模型的水資源可持續(xù)利用評價指標體系，分析了山東省的水資源可持續(xù)利用強度；商慶凱等[10]基于水足跡模型，選取人均水足跡、水資源負載指數(shù)等7個指標，計算青海省2015年各類水足跡指標，表明青海省水資源利用程度較低，開發(fā)潛力大。上述研究逐步完善了基于虛擬水理論的水資源利用評價方法。

寧夏地處干旱半干旱地區(qū)，水資源短缺。國內(nèi)學術界基于水足跡理論對寧夏水資源可持續(xù)利用的研究較少，目前已有研究主要集中于寧夏全域[11]和寧夏中部、南部的地級市[12，13]，側重于農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡和水資源安全評價。雖取得了較大成果，但缺少綜合考慮農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活等對水資源利用的影響且多數(shù)研究只進行研究單一年份，基于市域尺度及長時間序列的水足跡研究不足且尚未分析其驅(qū)動因子。

銀川市是西北干旱區(qū)沿黃城市帶的重要城市，生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源短缺。本文基于水足跡理論，綜合考慮農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活等對水資源利用的影響，構建銀川市水資源利用評價指標體系，分析銀川市2010～2019年水足跡，定量分析其水資源利用的可持續(xù)性及時間演化規(guī)律，應用LMDI模型分析銀川市水足跡變化的經(jīng)濟效應、技術效應和人口效應等不同驅(qū)動力因素對水足跡的影響強度。旨在為銀川市水資源合理利用管理及優(yōu)化配置方案提供數(shù)據(jù)參考和決策依據(jù)，為實現(xiàn)銀川市可持續(xù)的水資源利用提供理論基礎。

2 研究區(qū)概況

銀川市(38°08′ N～38°53′ N，105°49′ E～106°35′ E)地處西北干旱區(qū)沿黃城市帶核心(圖1)，屬典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，降水多集中于7、8月份。截至2019年，銀川市土地面積8874.61 km2，常住人口229.31萬人，城鎮(zhèn)化率79.05%；全年水資源總量為1.126×108m3，用水總量為21.636×108m3；全市糧食總產(chǎn)量66.29×104t，肉類生產(chǎn)6.20×104t。

現(xiàn)如今作為沿黃城市帶核心城市，其城市規(guī)模與人口規(guī)模進一步擴大，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)及生活用水矛盾日益激烈，水資源已成為銀川市可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素。

3 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要來源于：國內(nèi)外寧夏虛擬水研究的相關成果[14，15]，2010～2020年《寧夏統(tǒng)計年鑒》及《寧夏水資源公報》；其中2009～2016年統(tǒng)計年鑒中“進口貿(mào)易值、出口貿(mào)易值”單位為“萬美元”，為統(tǒng)一單位，參考對應年份的《中國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》中“全年人民幣平均匯率”將其換算；本文中采用“可用水量”表征“水資源總量”，“城鎮(zhèn)居民用水量”與“農(nóng)村人畜用水量”之和表征“居民生活用水量”；“生態(tài)環(huán)境用水量”(2009-2016年)采用“比例法”估算；“虛擬水進、出口量”分別采用“單位GDP耗水量”乘“進、出口貿(mào)易值”估算。

4 研究方法

4.1 水足跡計算方法

水足跡可分為內(nèi)部水足跡(WI)與外部水足跡WE。其計算公式為：WT=WI+WE

(1)

其中，內(nèi)部水足跡包括生活用水量(D)、工業(yè)用水消費量(I)、農(nóng)業(yè)消費量(A)、生態(tài)用水量(E)、虛擬水出口量(VE)五部分，其計算公式為：WI=A+I+D+E-WE

(2)

其中，農(nóng)業(yè)消費量(A)根據(jù)農(nóng)作物用水量表征。根據(jù)銀川市農(nóng)作物結構，本文選取14種農(nóng)-畜產(chǎn)品，采用單位產(chǎn)品虛擬含水量乘各農(nóng)-畜產(chǎn)品產(chǎn)量估算。根據(jù)已有研究結論[14,15]，單位產(chǎn)品虛擬含水量可見表1。

表1 銀川市主要農(nóng)-畜產(chǎn)業(yè)單位產(chǎn)品虛擬水含量

外部水足跡指虛擬進口水量(VI)，故水足跡計算公式為：WT=WI+WE=A+I+D+E+VI-WE

(3)

4.2 基于LMDI模型的水足跡驅(qū)動力因素分析

LMDI模型是一種將研究對象劃分為若干影響因子的對數(shù)分解法[16]，不產(chǎn)生無法分解的殘差，適用范圍較廣，用于測度不同因子對研究對象的影響及其驅(qū)動力分析[17]。

本文基于LMDI模型將銀川市水足跡變化的驅(qū)動因素分解為人口效應(Pe)、經(jīng)濟效應(Ae)和技術效應(Te)三方面，其表達式為：

(4)

ΔWt=WTt-WT0=Pt+At+Te

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，WTt指第t年的水足跡；Pt指第t年的人口數(shù)；Gt指第t年的GDP；△Wt指基準年到t年的水足跡變化量；Pe指人口效應強度；Ae指經(jīng)濟效應強度；Te指技術效應強度。

4.3 水足跡利用狀況評價指標體系

本文參照相關研究成果[4,8,18]，基于水足跡理論及銀川市實際情況，從水足跡結構、可持續(xù)性和效益三方面，選取了11個指標構建銀川市水資源利用評價指標體系。各指標及其計算方法、含義可見表2。

5 結果分析

5.1 水足跡時序變化分析

5.1.1 農(nóng)業(yè)水足跡時序變化

本文將主要農(nóng)作物產(chǎn)品劃分為糧食(稻谷、小麥、玉米、豆類)、油料、藥材、果蔬(蔬菜、瓜果類)4大類8種；將主要畜產(chǎn)品劃分為肉類 (牛肉、豬肉、羊肉)、蛋奶 (牛奶、禽蛋類)、水產(chǎn)品3大類6種，其水足跡時序變化結果見圖1。

圖1 2010～2019年銀川市主要農(nóng)產(chǎn)品水足跡時序變化

表2 銀川市水足跡利用評價體系

在農(nóng)業(yè)水足跡中，糧食作為人類賴以生存的必需品，其水足跡持續(xù)位列首位，但總體呈下降趨勢，這與銀川市水稻灌水緊張、成本高，小麥畝產(chǎn)低、價格低，農(nóng)民種植積極性不高，糧食種植面積逐年下降、種植結構調(diào)整息息相關。果蔬類水足跡較高，總體變化平穩(wěn)，近兩年呈下降趨勢；油料及藥材虛擬水含量相對較低，又由于播種面積與產(chǎn)量不高，其水足跡常年較低?？傮w來說，農(nóng)業(yè)種植水足跡受銀川市節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展推廣而逐年減少。

在畜產(chǎn)品水足跡中，蛋奶類水足跡最多且逐年增加，2019年超過糧食水足跡，位列第一，肉類水足跡相應較高，總體變化幅度不大，這主要由于銀川市位于引黃灌區(qū)，聚焦優(yōu)質(zhì)奶牛繁育基地和優(yōu)質(zhì)奶源生產(chǎn)基地建設，且不斷優(yōu)化產(chǎn)區(qū)布局。水產(chǎn)品水足跡小幅上升，主要由于銀川市水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)高耗水且發(fā)達。

5.1.2 總水足跡時序變化

根據(jù)銀川市2010～2019年水資源利用現(xiàn)狀，計算得出銀川市總水足跡量，其核算結果可見表3。

由表3可知，農(nóng)業(yè)水足跡對總體水足跡起主導作用，農(nóng)業(yè)水足跡整體呈上升趨勢， 2017年達到最大值，為26.09億m3。2012年，在自治區(qū)政府發(fā)布的《寧夏農(nóng)業(yè)特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2008～2012年)》及興工強市戰(zhàn)略的引領下，農(nóng)業(yè)和工業(yè)不斷發(fā)展。之后兩年略有下降但屬于正常波動范圍之內(nèi)，而后又逐漸穩(wěn)步上升，到2017、2018年有明顯提高，主要由于銀川市政府推動淘汰落后產(chǎn)能企業(yè)，積極實施工業(yè)扶持政策，促進工業(yè)進一步良好發(fā)展，造成工業(yè)水足跡成倍增長。而2019年由于政府加快處理僵尸企業(yè)和推進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，工業(yè)水足跡大幅減少。

隨著人口逐年增加，銀川市生活水足跡整體呈上升趨勢。近年來，生態(tài)保護問題愈發(fā)重要，與之對應的生態(tài)水足跡也相應提高，到2019年達到最大值1.19億m3。由于銀川市出口貿(mào)易額顯著大于進口貿(mào)易額，因此出口虛擬水量大于進口虛擬水量。

銀川市總水足跡在2010～2019年期間總體呈上升趨勢，多年平均上升率為1.52%，2018年達到最大值29.8×108m3， 2010年為最小值23.94×108m3，總水足跡在2010年之后上升幅度較大，多年平均上升率為1.52%，表明近10年銀川市水足跡結構不斷改善。

表3 銀川市 2010～2019 年水足跡結構

5.2 水足跡結構分析

基于水資源自給率和水資源進口依賴度指標分析銀川市水足跡結構，探究銀川市對外部水源與內(nèi)部水源的依賴程度，結果可見表4。

表4 銀川市2010～2019年水足跡結構

由表4可知，銀川市2010～2019年內(nèi)部水足跡總體呈平穩(wěn)上升趨勢，于2018年達到最大值29.33×108m3；外部水足跡總體呈波動下降趨勢，于2016年達到最小值23.01×108m。銀川水資源自給率總體呈波動上升趨勢，且常年高于95.0%，最大值于2016年達98.79%，水資源近乎達到自給自足狀態(tài)，這與銀川市位于引黃灌區(qū)有密切關系，同時過高的水資源自給率加大了銀川市生態(tài)環(huán)境壓力；相應的其水資源進口依賴度總體呈輕微波動下降趨勢。這表明銀川市近年來合理優(yōu)化配置進、出口產(chǎn)品結構。為創(chuàng)造經(jīng)濟效益，應充分發(fā)揮銀川水資源優(yōu)勢，堅持不違反水資源使用及分配基本原則，進一步優(yōu)化內(nèi)部水資源消耗，高效利用本地水資源。

5.3 水足跡可持續(xù)性分析

本文基于水足跡增長指數(shù)、可用水資源增長指數(shù)和水資源可持續(xù)利用3個指標對銀川市水資源可持續(xù)狀態(tài)及能力進行判定，其判定流程如圖2所示，結果如表5所示。

表5 銀川市2010～2019年水資源可持續(xù)狀態(tài)

由表5可知，銀川市水足跡增長指數(shù)正值居多，僅 2013和2019年為負值，最小值在2019年為-0.09；可利用水資源增長指數(shù)正負值各半，最大值在2012年為0.53，最小值在2013和2019年為-0.39；水資源狀態(tài)總體表現(xiàn)為不穩(wěn)定，2010～2013年受經(jīng)濟發(fā)展、人口增長等影響，水資源利用狀態(tài)較不穩(wěn)定。在各項引水工程建設、水資源管理制度及節(jié)水行動的實施下，2014～2016年水資源利用效率不斷提高且人口增長趨于穩(wěn)定，水資源處于可持續(xù)狀態(tài)。結果表明，在城市化進程中，即使受各項有關水政策制度推動，提高了銀川市水資源利用效率，但水資源可持續(xù)發(fā)展依舊受到制約。

銀川市應緊緊圍繞“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的新時期治水方針，加快實現(xiàn)生態(tài)節(jié)水目標，致力全市節(jié)水型社會和水文明建設。轉(zhuǎn)變水資源消費理念、消費結構及開發(fā)利用方式，從而降低水資源消耗，不斷提高水資源利用率，保證水資源的可持續(xù)利用。

5.4 水足跡效益分析

為綜合評價銀川市水足跡效益，將水足跡效益分為內(nèi)部效益和外部效益兩部分。其中內(nèi)部效益包含人均水足跡、水足跡經(jīng)濟效益與水足跡土地密度3個指標，用于衡量銀川市水資源消耗產(chǎn)生的效益；外部水足跡基于水足跡凈貿(mào)易值、水資源貢獻率與水足跡價值兌換率3個指標，用于衡量銀川市水資源對外效益，反映其在虛擬水貿(mào)易中的地位及其影響力(表6)。

由表6可知，2010～2019年人均水足跡總體呈波動變化，2017年最大值為1327.66 m3，2014年最小值為1180.48 m3，多年平均下降率為0.21%，一定程度表明銀川市水資源利用效率有待進一步提高；水足跡經(jīng)濟效益持續(xù)增長，2019年最大值為 69.87元/m3，多年平均增長率為11.1%，表明銀川市產(chǎn)業(yè)升級及用水產(chǎn)業(yè)工作機器的改進提升，使水資源消耗產(chǎn)生的經(jīng)濟價值逐漸增高。雖然銀川市節(jié)水效果顯著，水足跡經(jīng)濟效益增長較快，但開發(fā)難度逐步增加。水足跡土地密度受城市發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)布局等因素影響而逐年增長。

表6 銀川市2010～2019年水足跡效益

水足跡凈貿(mào)易值2010～2014年處于逐漸增長階段，2015～2019年處于波動階段；水資源貢獻率2010～2019年總體呈波動變化，且波動幅度大。2010～2019年水足跡凈貿(mào)易量為正，水足跡價值兌換率<1，表明在該時期虛擬水貿(mào)易中銀川市為水資源輸出地。

5.5 基于LMDI模型的水足跡變化驅(qū)動因子分析

本文基于LMDI模型對銀川市水足跡驅(qū)動因子進一步探討，以2009年為基準年，計算2010～2019年水足跡分解效應，結果如表7所示。

表7 銀川市2010～2019 年水足跡分解效應

由表7可知，銀川市人口效應總體占比較小，貢獻率最小，平均占比12.30%；經(jīng)濟效應和技術效應兩者總體占比較大且貢兩者相差不多，其中技術效應貢獻率最大，平均占比45.53%。

從人口效應方面分析，銀川市人口數(shù)量呈增長趨勢，人口效應在2010～2019年10年間逐年穩(wěn)定增長，從2010年的3.78增長至2019年的7.35，其平均增長率為6.4%，且平均人口效應值大于0，說明其促進了水足跡增長，即人口因素對水足跡變化起正向驅(qū)動作用。

從經(jīng)濟效應方面分析，僅2010年經(jīng)濟效應值為負值，其余各年經(jīng)濟效應值均為正值，2010～2019年經(jīng)濟效應值總體呈增長趨勢，2010～2013年增長迅速，2013～2018年增速放緩，多年平均增長率為19.9%；由于銀川市經(jīng)濟快速發(fā)展促使各項產(chǎn)業(yè)用水不斷增加，對水足跡貢獻率較大，且平均經(jīng)濟效應值大于0，因此經(jīng)濟效應對于水足跡變化起正向驅(qū)動作用。

從技術效應方面分析，技術效應值從2010～2019年逐年降低，2010～2013年下降迅速，2013～2018年減速放緩，從2010年的-2.08下降至2019年的-31.14，多年平均減少率為21.3%。近年來，由于銀川市不斷提升改進節(jié)水技術，發(fā)展新型節(jié)水設備，各行業(yè)水資源利用效率大幅提升，單位產(chǎn)品耗水量不斷減少，因此技術效應抑制了水足跡增長，即技術效應對于水足跡變化起負向驅(qū)動作用。

綜上，技術效應顯著影響銀川市水足跡變化，其次是經(jīng)濟效應及人口效應。

6 討論與結論

6.1 討論

同處在濕潤區(qū)的山東省[9]對比，農(nóng)作物水足跡不到其1/10。其中，糧食水足跡均位列第一，但山東省為上升趨勢，寧夏為下降趨勢，這與兩地糧食生產(chǎn)情況相關，山東糧食產(chǎn)量逐年上升，寧夏糧食產(chǎn)量呈下降趨勢。寧夏蛋奶產(chǎn)量高于肉類，且上升趨勢明顯；山東蛋奶產(chǎn)量低于肉類，且相對平穩(wěn)。表明寧夏畜牧業(yè)中傾向乳業(yè)發(fā)展，居民生活水平逐漸提高，山東則更傾向于肉制品生產(chǎn)，這與主要的牲畜品種有關。山東和寧夏內(nèi)部水足跡呈上升趨勢，表明兩地都重視當?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展。

與同處在干旱區(qū)的青海省[10]對比，兩地均為農(nóng)業(yè)產(chǎn)品水足跡影響最大，其次是生活水足跡，工業(yè)水足跡呈下降趨勢，生態(tài)環(huán)境水足跡呈增長趨勢。寧夏人均水足跡平穩(wěn)波動，青海逐年上升，且低于寧夏。同時期青?？偹阚E高于寧夏，且青?？偹阚E不斷上升，寧夏相對平穩(wěn)。因此，人口不是影響兩地人均水足跡差異的重要因子。通過水足跡變化驅(qū)動因子分析，認為可能是由于技術差異，寧夏近年引進先進節(jié)水技術，工業(yè)用水減少較大。青海省進口水依賴度逐年下降，低于寧夏，說明青海省對外部水資源的依賴度低，水資源自給程度很高。這在干旱區(qū)較少見，主要是由于青海省人口密度低，自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定涵養(yǎng)水源能力大。寧夏雖為湖城，但依然存在資源型缺水，對水資源貿(mào)易依賴大于青海。

2010～2019年間，寧夏水資源利用不可持續(xù)年份主要是由于水足跡增長指數(shù)和用水資源增長指數(shù)不達標表明寧夏水資源不可持續(xù)的主要原因在于銀川市用水量與可用水量變化程度，即總量，而非效率。但可用水總量主導因素為自然環(huán)境，因此，寧夏還需繼續(xù)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構與布局，引進先進節(jié)水技術，提高寧夏水資源利用效率。

本文分析了計算銀川市2010～2019年水足跡，從水足跡結構、可持續(xù)性和效益，評價了銀川市水資源利用程度，基于LMDI模型探討了經(jīng)濟、技術和人口等驅(qū)動因素。但仍存在不足：評價水資源可持續(xù)利用時未考慮水資源安全。

6.2 結論

(1)農(nóng)業(yè)種植水足跡總體小幅下降，農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)水足跡持續(xù)增長，農(nóng)業(yè)水足跡總體平穩(wěn)增長。 民以食為天，糧食水足跡核算常年較高，但總體呈下降趨勢，果蔬類水足跡水足跡先增長后下降，油料及藥材水足跡常年較低。受節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展，銀川市種植業(yè)水足總體小幅下降。由于銀川市奶源產(chǎn)區(qū)布局不斷優(yōu)化，且資源稟賦，水產(chǎn)水足跡及蛋奶類水足跡較高且呈增長趨勢，相應的連帶肉類水足跡較高。受養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)發(fā)展，銀川市養(yǎng)殖業(yè)水足跡持續(xù)增長。從而導致農(nóng)業(yè)水足跡總體呈現(xiàn)平穩(wěn)增長趨勢，但在2019年受農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展影響出現(xiàn)小幅下降。

(2)銀川市水足跡隨人口增加而逐年增長，可持續(xù)利用狀態(tài)不穩(wěn)定，農(nóng)業(yè)消費用水最大。 銀川市內(nèi)部水足跡年均占95% 以上，外部水足跡年均不足5%，且主要以農(nóng)業(yè)消費量為主。隨著城市化進程加快，人口不斷增長，產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化升級，農(nóng)業(yè)水足跡平穩(wěn)增長，生態(tài)水足跡與生活水足跡也不斷增加?？偹阚E呈不斷上升趨勢，其進口依賴度平穩(wěn)降低，水資源可持續(xù)利用狀態(tài)不穩(wěn)定。結果表明，銀川市仍需進一步優(yōu)化內(nèi)部水資源消耗。

(3)技術效應負向驅(qū)動貢獻突出。 在銀川市水足跡變化中，技術效應為關鍵性驅(qū)動，貢獻較大，且為負向驅(qū)動；其次是經(jīng)濟效應驅(qū)動，人口效應驅(qū)動最弱，兩者均為正向驅(qū)動。這表明在城市化過程中需高度重視經(jīng)濟發(fā)展和人口增長帶來的水資源消耗的增加，持續(xù)優(yōu)化升級產(chǎn)業(yè)結構，重視節(jié)水技術創(chuàng)新，不斷提升水資源利用率，從而實現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展。