趙玉田，王玉業(yè)，楊庚霞

(1.蘭州財經(jīng)大學工商管理學院，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州財經(jīng)大學長青學院，甘肅 蘭州 730020)

水資源是人類生存和經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的稟賦資源，加強對水資源的合理開發(fā)和利用是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和人口持續(xù)增長，水資源利用不合理、水資源盈虧赤字高、水環(huán)境破壞嚴重等問題日益顯著。特別是在降水匱乏的黃河流域甘肅段，區(qū)域發(fā)展用水和區(qū)域水資源供給能力的矛盾愈發(fā)突出。在這種形勢下，水資源的可持續(xù)利用已經(jīng)成為緩解區(qū)域用水矛盾，促進區(qū)域經(jīng)濟、社會、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)[1]。

生態(tài)足跡理論是加拿大生態(tài)學家REES[2]在20世紀90年代提出的，此理論主要用來定量衡量資源的可持續(xù)利用情況，主要涉及耕地、草地、森林、化石能源用地、建筑用地和水域6種土地賬戶。HOEKST等[3]在生態(tài)足跡理論基礎上提出的水資源生態(tài)足跡是區(qū)別于上述6種賬戶的第7類賬戶，即用生產(chǎn)用地面積衡量一個地區(qū)人口或經(jīng)濟的水資源消耗及污水吸收水平，由此判斷水資源生態(tài)生產(chǎn)面積是否在該區(qū)域的生態(tài)承載力范圍內(nèi)。國內(nèi)有大量學者采用這種方法對我國江蘇省[4]、延邊州[5]等部分省市(州)的水資源生態(tài)足跡進行計算分析。黃河流域甘肅段城市群位于黃河流域上游地區(qū)，農(nóng)業(yè)用水占總用水量的70.48%，是典型的以農(nóng)業(yè)用水為主的區(qū)域。該地區(qū)降水稀少，水資源蒸發(fā)量大，再加上頻繁的人類活動，使得本就脆弱的水生態(tài)環(huán)境面臨的發(fā)展問題更加尖銳。因此，基于生態(tài)足跡理論，本研究將黃河流域甘肅段城市群擬定為研究區(qū)，對2008—2018年間九座城市總體水資源利用水平及其變化趨勢進行分析，總結評價該地區(qū)水資源的利用情況，以期為該地區(qū)緩解水生態(tài)壓力問題提供理論參考。

1 研究區(qū)域概況

黃河流域甘肅段位于黃河流域上游，是我國黃河流域頗為關鍵的水源涵養(yǎng)區(qū)。黃河在甘肅省的干流部分處在東經(jīng)101°02′～104°43′、北緯33°20′～37°20′之間，干流長度為913 km。黃河及其支流共流經(jīng)甘肅省9個市級單位，分別為蘭州市、白銀市、天水市、定西市、慶陽市、平?jīng)鍪?、武威市、臨夏州、甘南州，九市州面積共計約1.86×105km2，占全省總面積的41%[6]。區(qū)域降水量較少，年降水量433.42 mm，此外降水在時空分布上也存在較大差異。區(qū)域地勢整體呈現(xiàn)西高東低，有多處特殊地勢，其中甘南高原區(qū)是黃河上游重要的水源補給區(qū)，隴東和隴中黃土高原區(qū)水土流失問題嚴重，每年有大量泥沙混入黃河。甘肅狹長的地形使得研究區(qū)域包含多種氣候類型，自西向東包括溫帶大陸性干旱區(qū)、中溫帶半干旱區(qū)、冷溫帶半濕潤區(qū)。由于地形的影響，研究區(qū)域的氣候有較為敏感的特點。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 水資源生態(tài)足跡模型

水資源生態(tài)足跡主要反映人類在生產(chǎn)生活過程中對水資源的消耗水平。為了解黃河流域甘肅段城市群的水資源生態(tài)足跡分布，本文根據(jù)已有研究，考慮到水戶特性，設立了生產(chǎn)用水、生活用水以及生態(tài)用水3種二級水足跡賬戶，二級賬戶又下設若干三級賬戶[7]。水資源生態(tài)足跡的計算模型如(1)式所示。

F=γ×(W/P),

(1)

其中，F(xiàn)表示水資源生態(tài)足跡的總量(hm2)；γ表示水資源全球均衡因子；W表示水資源消耗量(m3)；P為全球水資源平均生產(chǎn)能力(m3/hm2)。參考相關研究[8]，將γ賦值5.19，P賦值為3 140 m3/hm2。

2.1.2 水資源生態(tài)承載力模型

水資源生態(tài)承載力是對某一區(qū)域在一定的歷史發(fā)展階段，其水資源最大供給量滿足該區(qū)域生產(chǎn)、生活和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力的評價指標[9]。這一指標是對水資源供給情況的反映，計算模型如(2)式所示。

(2)

其中，C表示水資源生態(tài)承載力(hm2)；Q為區(qū)域水資源總量(m3)；φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子，計算模型如(3)式所示。

(3)

其中，O為統(tǒng)計時間內(nèi)水資源生產(chǎn)值(m3/hm2)；V為統(tǒng)計時間內(nèi)區(qū)域的水資源總量(m3)；S為區(qū)域總面積(km2)。研究區(qū)域多年產(chǎn)量因子具體數(shù)值如表1所示。

表1 研究區(qū)域2008—2018年產(chǎn)量因子

2.1.3 水資源生態(tài)盈虧模型

水資源生態(tài)足跡是衡量人類活動所消耗的水資源水平，水資源生態(tài)承載力則是反映能為人類活動所需而提供的水資源量。這兩組數(shù)據(jù)具有相同的單位，相減便可得到資源供需狀態(tài)，反映出人類對水資源的利用是否合理[10]，計算模型如(4)式所示。

D=C-F,

(4)

其中，D>0表示水資源處于盈余狀態(tài)，即研究區(qū)域水資源充足，有利于區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展；D<0為水資源出現(xiàn)生態(tài)赤字情況，表示研究區(qū)域的水資源量存在短缺問題；D=0意味著水資源利用恰好處于盈虧平衡狀態(tài)。

2.1.4 水資源壓力指數(shù)模型

水資源生態(tài)壓力指數(shù)用來判定區(qū)域水資源的健康可持續(xù)狀態(tài)，其數(shù)值可以反映區(qū)域經(jīng)濟模式對區(qū)域水資源的壓力強度[9]，其計算模型如(5)式所示。

(5)

其中，R表示區(qū)域水資源生態(tài)壓力指數(shù)。01，說明該區(qū)域水資源供給量弱于消費量，水資源出現(xiàn)不安全不可持續(xù)狀態(tài)。R值越大，水資源利用就會存在越高的危險程度。

2.1.5 水資源可持續(xù)利用指數(shù)模型

水資源可持續(xù)利用指數(shù)用來表示某一區(qū)域在一定時期內(nèi)，水資源長期供給力能夠滿足區(qū)域經(jīng)濟運轉(zhuǎn)對水資源的需求量[11]。計算模型如(6)式所示。

(6)

其中，S表示可持續(xù)利用水資源指數(shù)，取0.5為該指數(shù)平衡點。S<0.5表明區(qū)域水資源利用呈現(xiàn)生態(tài)赤字，水資源利用處于危險、不可持續(xù)狀態(tài)；S>0.5表明該區(qū)域水資源利用出現(xiàn)盈余，水資源利用可保安全、可持續(xù)利用；當S=0.5時，表明該區(qū)域水資源利用恰好處在盈虧平衡狀態(tài)。S值越大，水資源利用就會有越高的可持續(xù)狀態(tài)。

2.1.6 萬元GDP水資源生態(tài)足跡模型

萬元GDP水資源生態(tài)足跡是衡量區(qū)域淡水資源可持續(xù)發(fā)展的重要指標。其值越大，水資源利用效率越低；其值越小，水資源利用效率越高[12]。計算模型如(7)式所示。

(7)

其中，E代表萬元GDP水資源生態(tài)足跡(hm2)；N為統(tǒng)計時間內(nèi)區(qū)域生產(chǎn)總值(萬元)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究所需的水資源相關數(shù)據(jù)主要來源于《甘肅省水資源公報(2008—2018)》及《中國水資源公報(2008—2018)》，人口數(shù)量以及GDP數(shù)據(jù)來源于《甘肅統(tǒng)計年鑒(2008—2018)》，基本數(shù)據(jù)見表2。

3 結果與分析

通過對研究區(qū)域相關數(shù)據(jù)及運用相關模型分析得出 2008—2018年甘肅省黃河流域城市群的水資源利用情況。

3.1 水資源生態(tài)足跡分析

研究區(qū)域水資源生態(tài)足跡的變化趨勢見圖1。2008—2018年，區(qū)域的整體水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)出逐步下降趨勢，年均值為968.37萬hm2，最大值為2008年的1 051.39萬hm2，最小值為2018年的902.13萬hm2，年均降幅達到1.52%。這說明在統(tǒng)計時間段內(nèi)，該區(qū)域城市整體水資源利用效率顯著提高。在水資源賬戶中，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡的年均值為682.48萬hm2，占比高達70.48%，這表明該區(qū)域農(nóng)用水是水資源生態(tài)足跡的主體部分，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡整體呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢，這反映了該區(qū)域在節(jié)水灌溉、合理利用雨水等方面取得良好成效；工業(yè)用水足跡多年均值占比為15.20%，開始階段呈現(xiàn)上漲趨勢，自2011年以來，工業(yè)用水足跡呈現(xiàn)穩(wěn)定下降趨勢，這是因為2011年甘肅省政府開始推行工業(yè)節(jié)水工作，研究區(qū)域以工業(yè)為主的城市在生產(chǎn)技術改進、淘汰高耗水落后產(chǎn)能、水生態(tài)保護意識增強等方面取得了一定成效，工業(yè)用水量隨之不斷減少；建筑業(yè)與服務業(yè)用水整體占比較小，多年占比均值為3.47%，但建筑業(yè)與服務業(yè)賬戶水資源生態(tài)足跡漲勢明顯，11年間整體漲幅達74.03%，這與研究區(qū)域加速推進城鎮(zhèn)化進程、積極發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)有密切聯(lián)系；生活用水在水資源生態(tài)足跡中的占比略少，多年占比均值為8.04%，在2013年生活用水出現(xiàn)過短暫下降，不過近年來上升趨勢明顯，這是城市人口增加和居民生活水平改善所引起的變化；生態(tài)用水足跡均值占比最小，為2.82%，自2013年短暫下降后逐年持續(xù)上升，說明研究區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的保護力度不斷加大。

圖1 研究區(qū)域水資源生態(tài)足跡變化趨勢

圖2 研究區(qū)域水資源生態(tài)承載力和歷年降水量之間的關系

3.2 水資源生態(tài)承載力分析

如圖2所示，研究區(qū)域水資源生態(tài)承載力較低，多年均值僅為250.36萬hm2，落后于同屬黃河流域的陜西省[13]。研究區(qū)域水資源生態(tài)承載整體呈現(xiàn)波動起伏狀況，但在2016年后漲勢明顯出現(xiàn)較大年際差，2018年漲幅達到147.44%。由圖2可知，研究區(qū)域水資源生態(tài)承載力與年降水量的變化趨勢十分接近。經(jīng)過相關性分析，研究區(qū)域的水資源歷年生態(tài)承載力與歷年降水量有顯著正相關關系，相關系數(shù)達到0.902，說明研究區(qū)域的水資源生態(tài)承載力受年降水量的影響較大。

3.3 水資源生態(tài)盈虧分析

由圖3可知，在研究時間內(nèi)研究區(qū)域的生態(tài)赤字嚴重，且持續(xù)波動變化，平均赤字高達718.01萬hm2，赤字最大值為2008年的882.41萬hm2，最小值為2018年的342.08萬hm2。導致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是研究區(qū)域可用水資源總量較少，再加上生產(chǎn)生活等賬戶的正常運行需要大量的水資源，供需矛盾加劇。此外，研究區(qū)域以干旱半干旱氣候為主，年降水量較低再加上各項活動的不合理消耗利用及水資源的嚴重浪費也是造成赤字的重要原因。2016年，甘肅省水利廳開展節(jié)水管理強化工作。在一系列政策的支持下，同年赤字開始下降。經(jīng)過2016—2018年的持續(xù)節(jié)水管理工作，2018年研究區(qū)域距離水資源生態(tài)盈虧平衡點雖仍有一定差距，但赤字狀態(tài)已得到較大程度的緩解，可知近年來該區(qū)域在控制水資源消耗、完善水資源利用結構等方面取得了顯著成效。

圖3 研究區(qū)域水資源生態(tài)盈虧變化趨勢圖4 研究區(qū)域生態(tài)壓力指數(shù)變化趨勢

3.4 歷年水資源生態(tài)壓力指數(shù)分析

由圖4可知，研究區(qū)域在2008—2018年水資源生態(tài)壓力指數(shù)波動較大，且在統(tǒng)計時間內(nèi)全時段高過水資源生態(tài)供需均衡點。生態(tài)壓力指數(shù)最低值為2018年的1.61，最高值為2016年的7.31，歷年平均值為4.71，遠遠高于全國平均水平[14]。按照趙先貴等[15]的生態(tài)壓力指數(shù)劃分標準，研究區(qū)域的水資源可持續(xù)利用水平已經(jīng)處于極不安全狀態(tài)，這說明該地區(qū)水資源開發(fā)利用安全程度極低，水生態(tài)環(huán)境處于危險狀態(tài)。

3.5 水資源可持續(xù)利用分析

由圖5可知，研究區(qū)域在2008—2018年的水資源可持續(xù)利用指數(shù)偏低，整體位于可持續(xù)利用的水資源平衡點基準線以下。結合計算模型可知，在生態(tài)足跡變化相對穩(wěn)定的情況下，研究區(qū)域生態(tài)承載力的強度對水資源可持續(xù)利用指數(shù)起到主要的影響作用，根據(jù)圖2和圖5的曲線運動規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn)兩種指標有十分接近的曲線運動軌跡。參考于航等[16]的劃分標準，對研究區(qū)域2008—2018年的水資源可持續(xù)利用等級進行歸納：2008—2011年、2014—2017年，共計8個年度的水資源可持續(xù)利用指數(shù)小于等于0.20，表現(xiàn)為強不可持續(xù)狀態(tài)；2012和2013年的水資源可持續(xù)利用指數(shù)處在0.20～0.34之間，表現(xiàn)為中不可持續(xù)狀態(tài)；2018年的水資源可持續(xù)利用指數(shù)在0.35～0.49之間，表現(xiàn)為弱不可持狀態(tài)。整體來說，研究區(qū)域有較大的生態(tài)壓力指數(shù)，水資源利用情況整體處于不可持續(xù)狀態(tài)。

圖5研究區(qū)域水資源可持續(xù)利用指數(shù)變化趨勢圖6 研究區(qū)域、甘肅省和全國萬元GDP水資源生態(tài)足跡變化趨勢

3.6 萬元GDP水資源生態(tài)足跡分析

如圖6所示，研究區(qū)域在2008—2018年，萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈逐年下降趨勢，年平均降幅達到11.44%。這說明研究區(qū)域水資源利用效率逐漸提高，水資源不合理消耗減少。以全國萬元GDP水資源生態(tài)足跡為參照(數(shù)據(jù)來源于《中國水資源公報(2008—2018)》)，研究區(qū)域水資源生態(tài)足跡整體略高于全國平均水平，說明研究區(qū)域的水資源利用情況在全國處于相對落后狀態(tài)。另外，研究區(qū)域萬元GDP水資源生態(tài)足跡明顯低于甘肅省整體水平，說明研究區(qū)域的用水效率和用水結構明顯優(yōu)于省內(nèi)其他地區(qū)；此外，甘肅全省萬元GDP水足跡也在持續(xù)下降，這得益于甘肅省政府對節(jié)水工作的重視和對節(jié)水辦法監(jiān)督力度，但甘肅省萬元GDP水足跡與全國相比仍顯落后，這與部分城市生產(chǎn)賬戶用水量大且用水效率低下有直接關系。

4 結論

通過對黃河流域甘肅段核心城市區(qū)水資源利用情況的分析，得出如下結論。

(1)2008—2018年，研究區(qū)域水資源的需求大于供給，生態(tài)足跡常年高于水資源生態(tài)承載力，該區(qū)域水資源呈現(xiàn)生態(tài)赤字，使得研究區(qū)域水資源出現(xiàn)不可持續(xù)的狀態(tài)。雖然研究區(qū)域水資源呈現(xiàn)生態(tài)赤字的狀態(tài)，但隨著時間的推移，生態(tài)赤字逐年穩(wěn)定下降，這說明水資源可持續(xù)利用程度整體得到提高。

(2)水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)逐年下降趨勢。究其原因主要為甘肅省節(jié)水灌溉技術的推廣、農(nóng)業(yè)用水體系的不斷完善以及增強工業(yè)用水清潔循環(huán)等措施的實施，這些措施使生產(chǎn)賬戶的水資源利用效率得到提高，不合理用水量不斷減少。所以要提高研究區(qū)域水資源的有效利用，必須在合理增加水資源投入量的同時改善污水治理系統(tǒng)。

(3)通過總結三級水賬戶用水信息，可知研究區(qū)域水資源利用中農(nóng)業(yè)用水是占比最高的三級賬戶，工業(yè)用水的比重緊隨其后，兩者共計達到總用水足跡的85.68%，這種高額用水狀況是造成水資源生態(tài)赤字、高水資源生態(tài)壓力指數(shù)以及低水資源可持續(xù)利用指數(shù)的重要原因。因此，相關部門需要對產(chǎn)業(yè)用水結構進行優(yōu)化調(diào)整，減少由于水浪費現(xiàn)象而造成高額水足跡的個別用水賬戶，最終提高水資源的利用效率。

(4)研究區(qū)域萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)下降趨勢，接近于全國平均水平。這說明研究區(qū)域在改善用水結構和提升用水效率方面取得了一定成效，但考慮到研究區(qū)域水資源總量較少，且水資源可持續(xù)利用指數(shù)一直低于平衡點，為了進一步實現(xiàn)研究區(qū)域可持續(xù)發(fā)展目標，仍然需要加強節(jié)水強化工作，建立科學完善的水資源利用體系。

綜上所述，黃河流域甘肅段城市水環(huán)境安全狀態(tài)比較差，但隨著甘肅省水資源系列利用措施的實施，使得近年來水資源利用的各項指標顯著改變。為了促進區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，對水資源利用效率的持續(xù)提高和水生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善依舊是研究區(qū)域需要重視的問題，這需要政府和企業(yè)加大技術資金投入，憑借科技的進步解決研究區(qū)域水資源可持續(xù)利用問題。