邵 駿，盧滿生，杜 濤，王政祥

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，武漢 430010)

1 研究背景

由生態(tài)足跡(Ecological Footprint)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的水資源生態(tài)足跡，由于概念直觀具體、操作性強(qiáng)、具有可比性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為評(píng)估區(qū)域水資源狀況的重要指標(biāo)，我國(guó)學(xué)者在水資源生態(tài)足跡的基本理論、方法、分析計(jì)算和預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了不少探討。黃林楠等[1]、范曉秋[2]將水資源賬戶納入到生態(tài)足跡模型中，并將水資源賬戶分為生活用水足跡、生產(chǎn)用水足跡和生態(tài)需水足跡3個(gè)二級(jí)賬戶，較好地應(yīng)用至江蘇省水資源可持續(xù)發(fā)展與利用的評(píng)價(jià)之中。李興正等[3]、陳冬冬等[4]計(jì)算了中國(guó)各省份水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，分析了水資源供需平衡的空間分布。金昌盛等[5]、朱振亞等[6]測(cè)算了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水生態(tài)足跡，分析了各省區(qū)市水足跡演變規(guī)律及今后的發(fā)展趨勢(shì)。左其亭等[7]分析了黃河沿線省區(qū)水資源生態(tài)足跡的時(shí)空分布特征。李允潔等[8]對(duì)浙江省水資源生態(tài)足跡、水資源承載力和水資源動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析研究。

在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的水資源生態(tài)足跡模型中采用區(qū)域人均水資源總量來(lái)衡量水資源生態(tài)承載能力，由此導(dǎo)致水資源總量越大的地區(qū)，其水資源生態(tài)承載能力越大，這種方法對(duì)于類似長(zhǎng)江流域這種南方豐水地區(qū)存在明顯的不足，也不適應(yīng)水資源剛性約束的本質(zhì)要求?！笆奈濉币?guī)劃明確提出，建立水資源剛性約束制度，概括而言就是以水定需、量水而行、因水制宜，堅(jiān)持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)。這里的“水”不是指天然的水資源量，而是指分配的可供社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展利用的用水總量控制紅線。鑒于此，本文在傳統(tǒng)的水資源生態(tài)足跡模型基礎(chǔ)上，對(duì)原有模型參數(shù)的選取進(jìn)行了改進(jìn)，采用區(qū)域用水總量控制指標(biāo)替代區(qū)域人均水資源總量，對(duì)長(zhǎng)江流域主要省區(qū)市的水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力進(jìn)行了計(jì)算，并基于對(duì)數(shù)平均迪氏指數(shù)分解法(Logarithmic Mean Divisia Index Method，LMDI法)分析了水資源生態(tài)足跡的驅(qū)動(dòng)因子，為長(zhǎng)江流域水資源承載能力的定量評(píng)價(jià)提供方法支撐。

2 水資源生態(tài)足跡概念及計(jì)算參數(shù)改進(jìn)

水資源生態(tài)足跡是指人類生活生產(chǎn)及自然環(huán)境為維持自身發(fā)展和平衡所消耗的單位面積水資源量。水資源生態(tài)足跡包含水資源生態(tài)足跡、水資源生態(tài)承載力及水資源生態(tài)盈虧指數(shù)3個(gè)方面的內(nèi)容[1-2]。水資源生態(tài)足跡表示水資源需求側(cè)，水資源生態(tài)承載力表示水資源供給側(cè)，水資源生態(tài)盈虧指數(shù)反映了兩者之間的平衡關(guān)系[1-2]。具體計(jì)算方法如下所述。

(1)水資源生態(tài)足跡計(jì)算方法。其表達(dá)式為

式中：EF為水資源生態(tài)足跡(hm2)；EFi為生活、生產(chǎn)、生態(tài)水資源足跡(m2)；N為人口數(shù)(萬(wàn)人)；efi為人均生活、生產(chǎn)、生態(tài)水資源足跡(hm2)；γ為水資源全球均衡因子；Wi為人均耗水量(m3)；P為全球水資源平均產(chǎn)水模數(shù)(m3/hm2)。

(2)水資源生態(tài)承載力計(jì)算方法及參數(shù)改進(jìn)。其表達(dá)式為

EC=N·ec=N(1-α)φγ(Q/P) 。(2)

式中：EC為水資源生態(tài)承載力(hm2)；ec為人均水資源生態(tài)承載力(hm2)；φ為水資源產(chǎn)量因子；α為維護(hù)生態(tài)環(huán)境需要預(yù)留的水資源量的比例。

對(duì)于Q，原有模型是指區(qū)域人均水資源總量[1-2]。對(duì)于南方豐水地區(qū)，天然的河川徑流量較大，人均水資源總量也較大，由此計(jì)算得到的水資源生態(tài)承載力并不能完全反映南方豐水地區(qū)實(shí)際情況。例如對(duì)于西藏自治區(qū)，其水資源總量和人均水資源量均位列全國(guó)省級(jí)行政區(qū)首位，若按照原有模型計(jì)算方法選取區(qū)域人均水資源總量來(lái)計(jì)算水資源生態(tài)承載力，西藏自治區(qū)水資源生態(tài)承載力必定位居全國(guó)首位。究其原因，主要是因?yàn)樗Y源總量反映的是天然水資源稟賦條件，并不等于能夠被利用、允許被利用的水資源量。因此，本文將此項(xiàng)用區(qū)域人均用水總量控制指標(biāo)替換。

對(duì)于α，原有模型取值為0.6，指地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)需預(yù)留60%的水資源量用于維護(hù)生態(tài)環(huán)境。本文因采用用水總量控制指標(biāo)替換水資源總量，α取值借鑒水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院印發(fā)的《建立全國(guó)水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制技術(shù)大綱》[9]對(duì)于超載狀況的判別條件，取值為10%，其含義為：對(duì)于水資源承載能力不超載地區(qū)，其用水總量上限不應(yīng)大于用水總量控制指標(biāo)的90%。

(3)水資源生態(tài)盈虧指數(shù)計(jì)算方法。其表達(dá)式為

EB=EC-EF=N(ec-ef) 。

(3)

式中EB為水資源生態(tài)盈虧指數(shù)(hm2)。EB>0表明區(qū)域水資源生態(tài)處于盈余狀態(tài)，尚有一定的承載空間；EB=0表明該區(qū)域水資源生態(tài)處于平衡狀態(tài)，承載力處于臨界值；EB<0表明該地區(qū)水資源生態(tài)處于赤字狀態(tài)，超出了區(qū)域承載能力。

3 對(duì)數(shù)平均迪氏指數(shù)分解法

為進(jìn)一步分析長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)足跡的變化，評(píng)估其潛在的驅(qū)動(dòng)或決定性因素是非常重要的。近年來(lái)因素分解法逐漸成為資源和環(huán)境領(lǐng)域的一種重要研究方法，它能夠提供一個(gè)完整的框架來(lái)分析各變量的影響程度。Ang等[10-11]通過(guò)對(duì)迪氏指數(shù)法進(jìn)行優(yōu)化，將算法中的算術(shù)加權(quán)平均函數(shù)變?yōu)閷?duì)數(shù)并提出了LMDI法，有效解決了分解后有殘余項(xiàng)和零值處理的問(wèn)題。因此，本文采用LMDI法構(gòu)建水資源生態(tài)足跡指數(shù)分解方法[6,12]：

(4)

Δefs+Δefi+Δefr+Δefp；

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

4 水資源生態(tài)足跡及驅(qū)動(dòng)因素分析

4.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

長(zhǎng)江流域面積約180萬(wàn)km2，干流全長(zhǎng)6 300余千米，自西向東流經(jīng)青海、四川、西藏、云南、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海共11省(自治區(qū)、直轄市)注入東海，支流延展至貴州、甘肅、陜西、河南、浙江、廣西、廣東、福建共8個(gè)省(自治區(qū))。長(zhǎng)江是我國(guó)第一大河流，是中華民族的母親河，也是中華民族發(fā)展的重要支撐。長(zhǎng)江以全國(guó)18.8%的國(guó)土面積，生產(chǎn)了全國(guó)33%的糧食，養(yǎng)育了全國(guó)33%的人口，創(chuàng)造了全國(guó)34%的GDP。

對(duì)于很多省份并非全部區(qū)域?qū)儆陂L(zhǎng)江流域，本文所采用的水資源量、供用水量及社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均為省級(jí)行政區(qū)套水資源一級(jí)區(qū)(長(zhǎng)江流域，含太湖流域)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《長(zhǎng)江流域及西南諸河水資源公報(bào)》《太湖流域及東南諸河水資源公報(bào)》和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》等。由于廣東、福建在長(zhǎng)江流域境內(nèi)面積較小，因此本次研究暫不列入評(píng)價(jià)范圍。

4.2 水資源生態(tài)足跡

計(jì)算長(zhǎng)江流域2003—2019年水資源生態(tài)足跡及生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水足跡，成果見(jiàn)表1。長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)足跡年際變化不大，呈現(xiàn)出小幅增加的態(tài)勢(shì)。2003年長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)足跡為0.652 hm2/人，至2019年長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)足跡為0.735 hm2/人，較2003年增加0.083 hm2/人。水資源生態(tài)足跡的變化也反映了長(zhǎng)江流域用水結(jié)構(gòu)的變化。2003—2019年長(zhǎng)江流域生活用水的水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)逐步增加的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明長(zhǎng)江流域生活用水量也在逐漸增長(zhǎng)。根據(jù)《長(zhǎng)江流域及西南諸河水資源公報(bào)》資料統(tǒng)計(jì)，2003年長(zhǎng)江流域生活用水量為151.1億m3，至2019年生活用水量增加至220.9億m3，年均增長(zhǎng)比例為2.4%。生產(chǎn)用水中，第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)的水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)小幅震蕩上升的趨勢(shì)，分別在2013年、2011年達(dá)到峰值后逐步回落，時(shí)間節(jié)點(diǎn)與2011年國(guó)家施行最嚴(yán)格水資源管理制度時(shí)間相吻合，說(shuō)明最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”“四項(xiàng)制度”實(shí)施后，長(zhǎng)江流域農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水效率在不斷增加。第三產(chǎn)業(yè)和河道外生態(tài)環(huán)境用水的水資源生態(tài)足跡也呈現(xiàn)增加的態(tài)勢(shì)，尤其是第三產(chǎn)業(yè)用水的大幅增加反映了長(zhǎng)江流域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。

表1 長(zhǎng)江流域及生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水水資源生態(tài)足跡Table 1 Ecological footprint of living,production,and ecological water uses in Yangtze River basin

為反映2003—2019年各省級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)足跡變化情況，將水資源生態(tài)足跡變化情況繪制成圖1。從圖1可見(jiàn)，2003年水資源生態(tài)足跡高值區(qū)主要分布在廣西、江蘇、浙江、上海等地區(qū)，低值區(qū)主要分布于青海、甘肅等西北內(nèi)陸地區(qū)以及河南省，中西部地區(qū)處于中間值，水資源生態(tài)足跡的地區(qū)分布規(guī)律在一定程度上反映了區(qū)域GDP狀況。與2003年相比較，2006—2015年安徽、江西、湖北、河南等省級(jí)行政區(qū)有一定程度提高，浙江、廣西、云南、青海等省級(jí)行政區(qū)有一定程度減少。至2019年，長(zhǎng)江流域內(nèi)各省級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)足跡按從高到低的順序分別為：江蘇、廣西、安徽、西藏、江西、湖北、湖南、上海、陜西、浙江、四川、貴州、云南、重慶、河南、青海和甘肅。

圖1 2003—2019年各省級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)足跡變化情況示意圖Fig.1 Variation of ecological footprint of water resources in Yangtze River basin from 2003 to 2019

4.3 水資源生態(tài)承載力及盈虧分析

計(jì)算長(zhǎng)江流域2003—2019年水資源生態(tài)承載力及水資源生態(tài)盈虧指數(shù)，成果見(jiàn)表2。2003—2019年長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)承載力及盈虧指數(shù)呈現(xiàn)出波動(dòng)的態(tài)勢(shì)，但總體上看水資源均呈現(xiàn)盈余態(tài)勢(shì)。其中，2011年出現(xiàn)最小值，該年度長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)承載力為0.902 hm2/人、盈虧指數(shù)為0.157 hm2/人；2016年出現(xiàn)最大值，該年度長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)承載力為1.341 hm2/人、盈虧指數(shù)為0.603 hm2/人，水資源生態(tài)承載力及盈虧指數(shù)最大最小極值比分別為1.49和3.85。

表2 長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)承載力及水資源生態(tài)盈虧指數(shù)Table 2 Ecological carrying capacity and surplus index of water resources in Yangtze River basin

將2003—2019年各省級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)承載力情況繪制成圖2。由圖2可見(jiàn)，長(zhǎng)江流域內(nèi)各省級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)承載力呈現(xiàn)出巨大差異。從空間分布上來(lái)看，廣西、湖南、江西、安徽水資源生態(tài)承載力較大，浙江、上海、青海、甘肅水資源生態(tài)承載力較小。從時(shí)間尺度上來(lái)看，2003年廣西水資源生態(tài)承載力最高，達(dá)到5.093 hm2/人，安徽、江西、湖南次之，湖北、重慶、西藏、陜西、四川、貴州、江蘇、云南、河南依次遞減，低值區(qū)主要為甘肅、青海、江蘇、上海和浙江，均<0.2 hm2/人。至2019年，水資源生態(tài)承載力最高的地區(qū)仍為廣西，達(dá)到7.604 hm2/人。中間值地區(qū)發(fā)生較大變化，江西、湖南、安徽、西藏、貴州、四川、陜西、重慶、湖北、云南、江蘇依次遞減，其中江西水資源生態(tài)承載力有較大提高，湖北和安徽呈現(xiàn)一定程度的降低。2019年水資源生態(tài)承載力低值區(qū)主要為甘肅、青海、河南、上海和浙江，除甘肅為0.244 hm2/人外，其余4個(gè)省級(jí)行政區(qū)均<0.2 hm2/人。

圖2 2003—2019年各省級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)承載力變化情況示意圖Fig.2 Variation of ecological carrying capacity of water resources in Yangtze River basin from 2003 to 2019

同理，將2003—2019年各省級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)盈虧指數(shù)繪制成圖3。

圖3 2003—2019年各省級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)盈虧變化情況示意圖Fig.3 Variation of ecological surplus of water resources in Yangtze River basin from 2003 to 2019

由圖3可見(jiàn)，2003年長(zhǎng)江流域內(nèi)水資源生態(tài)赤字主要集中在青海和長(zhǎng)三角地區(qū)，水資源生態(tài)赤字基本上與水資源生態(tài)承載力分布規(guī)律一致。2006—2019年，除青海和長(zhǎng)三角地區(qū)外，甘肅、河南出現(xiàn)水資源生態(tài)赤字?？傮w上來(lái)看，2003—2019年水資源生態(tài)盈虧指數(shù)較大的地區(qū)基本上較為穩(wěn)定，主要為青海、長(zhǎng)三角地區(qū)，以及甘肅、河南。究其原因，一方面是由于這些地區(qū)水資源自然稟賦相對(duì)較少，另一方面是由于水資源的消耗量過(guò)大導(dǎo)致承載力出現(xiàn)赤字。

4.4 驅(qū)動(dòng)因素分析

為進(jìn)一步分析影響長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)足跡變化的驅(qū)動(dòng)因素，采用LMDI法對(duì)長(zhǎng)江流域主要省級(jí)行政區(qū)結(jié)構(gòu)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和人口因素進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。影響長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)足跡的最主要驅(qū)動(dòng)因子為經(jīng)濟(jì)因素，人口因素和結(jié)構(gòu)因素次之，技術(shù)因素對(duì)水資源生態(tài)足跡的影響呈現(xiàn)負(fù)值。上述分析表明，GDP的大幅度增長(zhǎng)是水資源生態(tài)足跡增加的主要原因；人口增長(zhǎng)、生活、生產(chǎn)、生態(tài)“三生”用水結(jié)構(gòu)及其變化對(duì)水資源生態(tài)足跡的增加呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但影響程度十分有限；技術(shù)因素對(duì)水資源生態(tài)足跡的增加起到抑制作用，通過(guò)技術(shù)手段提高單位GDP用水量，可以減少水資源生態(tài)足跡。

圖4 長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)足跡影響驅(qū)動(dòng)因素構(gòu)成Fig.4 Driving factors of ecological footprint of water resources in Yangtze River basin

繪制長(zhǎng)江流域主要省級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)足跡影響驅(qū)動(dòng)因素構(gòu)成圖，如圖5所示。從圖5可知，影響各省級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)足跡的最主要驅(qū)動(dòng)因子基本相同，均為經(jīng)濟(jì)因素。對(duì)于排第二位的影響因素，不同省級(jí)行政區(qū)，在時(shí)間和地區(qū)上均有所不同。云南、江西、江蘇、上海等省(市)，人口因素影響大于結(jié)構(gòu)因素。四川在2010年以前人口因素影響大于結(jié)構(gòu)因素，2010年以后人口因素轉(zhuǎn)為負(fù)值，表明人口效應(yīng)對(duì)人均水資源生態(tài)足跡表現(xiàn)為抑制作用，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的原因主要由于人口增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩，用水結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生一定改變。與四川類似，重慶、貴州、湖北、湖南、河南、廣西等省(區(qū)、市)均出現(xiàn)了人口效應(yīng)與用水結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)水資源生態(tài)足跡的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)改變的轉(zhuǎn)折。

圖5 長(zhǎng)江流域主要省級(jí)行政區(qū)水資源生態(tài)足跡影響驅(qū)動(dòng)因素構(gòu)成Fig.5 Composition of driving factors of ecological footprint of water resources in major provinces and cities of the Yangtze River basin

5 結(jié) 論

針對(duì)水資源生態(tài)足跡評(píng)估模型中參數(shù)選取的不足，對(duì)水資源生態(tài)承載力計(jì)算方法及計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。采用區(qū)域用水總量控制指標(biāo)替代區(qū)域人均水資源總量，計(jì)算了長(zhǎng)江流域主要省區(qū)市的水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力，并基于LMDI法分析了水資源生態(tài)足跡的驅(qū)動(dòng)因子，得出了以下結(jié)論：

(1)水資源生態(tài)足跡的變化反映了長(zhǎng)江流域用水結(jié)構(gòu)的變化。第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)的水資源生態(tài)足跡分別在2013年、2011年達(dá)到峰值后逐步回落，時(shí)間節(jié)點(diǎn)與2011年國(guó)家施行最嚴(yán)格水資源管理制度時(shí)間相吻合，說(shuō)明最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”

“四項(xiàng)制度”實(shí)施后，長(zhǎng)江流域農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水效率在不斷增加。同時(shí)，水資源生態(tài)足跡的地區(qū)分布規(guī)律在一定程度上反映了區(qū)域GDP狀況，高值區(qū)主要分布在東部地區(qū)，低值區(qū)主要分布于西北內(nèi)陸地區(qū)。

(2)長(zhǎng)江流域2003—2019年水資源生態(tài)承載力總體上呈現(xiàn)盈余態(tài)勢(shì)，從空間分布上來(lái)看，水資源生態(tài)盈虧指數(shù)較大的地區(qū)較為穩(wěn)定，主要為西北內(nèi)陸地區(qū)以及長(zhǎng)三角地區(qū)，水資源生態(tài)赤字與水資源生態(tài)承載力分布規(guī)律一致。究其原因，一方面是由于這些地區(qū)水資源自然稟賦相對(duì)較少，另一方面是由于水資源的消耗量過(guò)大導(dǎo)致承載力出現(xiàn)赤字。

(3)影響長(zhǎng)江流域水資源生態(tài)足跡的最主要驅(qū)動(dòng)因子為經(jīng)濟(jì)因素。對(duì)于不同省份，GDP不斷增長(zhǎng)、人口增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩，在改變用水結(jié)構(gòu)的同時(shí)也改變了水資源生態(tài)足跡的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。技術(shù)因素對(duì)水資源生態(tài)足跡的增加起到抑制作用，通過(guò)技術(shù)手段提高單位GDP用水量，可以減少水資源生態(tài)足跡。