沈瑞華， 姚 磊

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250358)

水資源是一個(gè)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康持續(xù)發(fā)展的最基礎(chǔ)資源。中國(guó)是世界上13個(gè)貧水國(guó)之一[1]，其淡水資源總量約占全世界水資源量的6%，居世界第四位，但人均水資源量?jī)H為2 060m3，排世界121位。根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒(2005—2018)》，中國(guó)人口從13.0億人增加到14.0億人，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值從16.1萬億元增加到83.1萬億元[2]。經(jīng)濟(jì)和人口的快速增長(zhǎng)帶來了對(duì)水資源的巨大需求，同時(shí)，工業(yè)廢水、生活廢水和農(nóng)業(yè)廢水的排放更加劇了我國(guó)水資源的短缺，我國(guó)正面臨著嚴(yán)重的水資源危機(jī)。因此，如何有效地開發(fā)和利用水資源，降低單位經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的消耗，已經(jīng)成為我國(guó)面臨的重大問題。為了從根本上促進(jìn)經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展，應(yīng)打破原有的資源利用模式，即控制水資源利用和廢水排放的過度增長(zhǎng)，以減少經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的消耗和廢水排放的影響[3]。因此，科學(xué)分析水資源利用狀況，合理評(píng)價(jià)水資源利用、廢水排放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，對(duì)解決我國(guó)水資源問題意義重大[3]。

目前，緩解水資源短缺主要有兩種途徑：一是將實(shí)體水(直接消耗的水資源)從一個(gè)地區(qū)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地區(qū)，例如中國(guó)的南水北調(diào)工程；二是通過產(chǎn)品和服務(wù)貿(mào)易“引入”虛擬水[4]。虛擬水是指在產(chǎn)品和服務(wù)生產(chǎn)過程中所使用的水量，它既不考慮某個(gè)時(shí)期，也不考慮某個(gè)地區(qū)。它以不可見的形式蘊(yùn)藏在這些產(chǎn)品和服務(wù)中，當(dāng)人們消費(fèi)這些產(chǎn)品和服務(wù)時(shí)，實(shí)際上就是以虛擬水的形式消耗了水資源[5,6]。基于虛擬水的概念，Hoekstra[7]提出了水足跡理論，水足跡是指在一定的物質(zhì)條件生活標(biāo)準(zhǔn)下，生產(chǎn)一個(gè)國(guó)家、一個(gè)城市或者一個(gè)人消費(fèi)的產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量[1,6]。它描述了維持某一群體正常生活所需的商品和服務(wù)所消耗的實(shí)際水量，不僅將直接消耗的水資源包含在內(nèi)， 而且還將虛擬水涵蓋在內(nèi)。

因此，基于水足跡理論來評(píng)價(jià)水資源的利用狀況，不僅可以反映出實(shí)體水的利用狀況，還可以反映虛擬水及其貿(mào)易狀況，從而使水資源利用評(píng)價(jià)更為全面客觀[8]。基于這一理論，大量學(xué)者開始利用水足跡模型進(jìn)行水資源消耗和水污染研究。例如Yu等[4]基于多區(qū)域投入產(chǎn)出模型進(jìn)行北京市水足跡的定量核算，并定義了多個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)北京市水足跡網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。An等[1]從水足跡的角度分析了淮河流域2001—2016年的水資源供需情況，同時(shí)對(duì)水需求驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，經(jīng)濟(jì)發(fā)展是最主要的因素。Feng等[9]基于化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷四種污染物，定量分析了中國(guó)2003—2018年的灰水足跡和地表水污染水平，結(jié)果表明，研究期間灰水足跡和地表水污染水平均不斷降低。Dong等[10]以常州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)為例，從企業(yè)、污水處理廠、居民生活和農(nóng)業(yè)四方面對(duì)工業(yè)園區(qū)進(jìn)行灰水足跡評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非關(guān)聯(lián)企業(yè)是廢水排放的主要來源，其中總磷和氨氮的污染最嚴(yán)重。這些研究都利用水足跡理論定量分析了研究區(qū)的水資源利用情況，但僅進(jìn)行水資源利用評(píng)價(jià)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)閰^(qū)域水資源利用情況與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展是密不可分的。因此，有必要就水資源的利用情況與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系進(jìn)行探究。

在衡量環(huán)境壓力與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系方面，脫鉤理論及其方法得到了廣泛利用，這也促使很多學(xué)者從新的角度探索水資源利用情況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系。李寧等[11]將長(zhǎng)江中游城市群整體作為研究對(duì)象，利用水足跡理論與方法，對(duì)長(zhǎng)江中游城市群近16年來水資源利用與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的脫鉤情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展基本處于相對(duì)脫鉤的初級(jí)協(xié)調(diào)狀態(tài)。Kong等[12]以京津冀城市群為例， 利用Tapio脫鉤模型從水量足跡的角度探索了2004—2017年水資源利用情況與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展在多數(shù)年份呈現(xiàn)弱脫鉤狀態(tài)。Liu等[13]利用脫鉤模型分析了中國(guó)2010—2017年受廢水排放破壞的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的脫鉤關(guān)系，結(jié)果表明，二者的脫鉤已經(jīng)出現(xiàn)，主要驅(qū)動(dòng)力是中國(guó)環(huán)境政策的嚴(yán)格實(shí)施和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的綠色升級(jí)。然而，這些研究大多只關(guān)注水量或水質(zhì)單方面與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，很少將兩者結(jié)合起來共同考慮。實(shí)際上，對(duì)于一個(gè)地區(qū)來說，應(yīng)將水資源的消耗、水資源的污染以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展看作一個(gè)整體，只考慮水資源的消耗與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤情況或只考慮水資源污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤情況，其結(jié)果都是不全面的，忽視了資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)完整性[14,15]。因此，有必要從水量、水質(zhì)兩個(gè)角度，探討水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的脫鉤狀態(tài)，評(píng)估水資源消耗、水資源污染和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的潛在協(xié)調(diào)關(guān)系。

京津冀城市群是我國(guó)的政治、文化中心，也是中國(guó)北方經(jīng)濟(jì)的核心地區(qū)。該地區(qū)包括北京市、天津市和河北省的11個(gè)地級(jí)市，各市地理位置緊密相連，不僅資源稟賦相同，氣候特征相似，而且水資源系統(tǒng)一體化[14]。然而，隨著京津冀城市群經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，水資源短缺和水資源污染已經(jīng)成為突出問題[16]。一方面，該地區(qū)降水量偏少，地下水過量開采，而以大水漫灌為主的農(nóng)業(yè)灌溉方式導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中消耗、污染了大量水資源[17]；另一方面，生產(chǎn)、生活廢水沒能得到全面而有效的處理，廢水排放量逐漸超出了水體的自凈能力，水資源短缺和水資源污染已經(jīng)成為京津冀城市群的突出問題[18,19]。因此，本文選擇京津冀城市群作為研究區(qū)，利用用水?dāng)?shù)據(jù)(生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水)、進(jìn)出口數(shù)據(jù)和廢水排放數(shù)據(jù)(農(nóng)業(yè)廢水、生活廢水、工業(yè)廢水)，通過水足跡理論和方法，對(duì)京津冀城市群的水資源狀況進(jìn)行分析。同時(shí)，利用Tapio脫鉤模型評(píng)價(jià)水資源消耗與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系以及水資源污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系，以期為該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展決策提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

京津冀城市群包括北京市、天津市和河北省的保定、廊坊、唐山、石家莊、邯鄲、秦皇島、張家口、承德、滄州、邢臺(tái)、衡水11個(gè)地級(jí)市[20]。該區(qū)位于36°03′N～42°40′N，113°27′E～119°50′E，緊靠渤海， 大部分地區(qū)處于海河流域，部分地區(qū)處于灤河流域[21]。京津冀城市群總面積約為21.8萬km2，占國(guó)土區(qū)域面積的2.3%。京津冀城市群的地理位置如圖1所示?！吨袊?guó)水資源公報(bào)(2017)》顯示，2017年京津冀城市群的水資源總量為181.1×108m3，約占全國(guó)水資源總量的0.6%，而年末常住人口卻占到全國(guó)的7.9%，地區(qū)生產(chǎn)總值占到國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的8.8%，水資源緊張程度高。京津冀各地區(qū)在區(qū)域水資源利用中都發(fā)揮著不同的作用[18]。隨著京津冀區(qū)域一體化的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)水資源協(xié)同發(fā)展、水資源公平利用和水污染的聯(lián)防聯(lián)控至關(guān)重要[22]。

圖1 京津冀城市群地理位置圖Fig.1 Geographical location of Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration in China注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)的審圖號(hào)為GS(2016)1610的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文將京津冀城市群作為研究對(duì)象，受數(shù)據(jù)限制，選擇2004—2017年為研究期，匯總并計(jì)算2004—2017年各類研究數(shù)據(jù)。所涉及的數(shù)據(jù)主要包括水資源數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)、進(jìn)出口數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等。

工業(yè)水量足跡、生態(tài)水量足跡和生活水量足跡分別用工業(yè)用水量、生態(tài)用水量和生活用水量表示，這些數(shù)據(jù)來源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒(2005—2018)》[2]和《中國(guó)水資源公報(bào)(2004—2017)》[23]。工業(yè)廢水排放量、生活廢水排放量、化學(xué)需氧量(COD)排放數(shù)據(jù)、氨氮(AN)排放數(shù)據(jù)、作物生長(zhǎng)氮肥施用量數(shù)據(jù)來源于歷年的《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》[24]、《中國(guó)水資源公報(bào)》[23]以及各省(市)統(tǒng)計(jì)年鑒[25-27]。

農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)包括農(nóng)作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)和家畜養(yǎng)殖數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量采用“自下而上”的方法， 通過每年單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量乘以農(nóng)業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量來計(jì)算[28,29]。由于本文對(duì)水量足跡的計(jì)算是一個(gè)大致估算，因此研究期內(nèi)每年單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量均用相同的值表示。選取糧食、棉花、油料、水果、蔬菜、豬肉、牛肉、羊肉、禽肉、禽蛋等主要農(nóng)產(chǎn)品，其虛擬水含量見表1[6, 11, 22, 30]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要包括京津冀各省市所選作物的每公頃土地產(chǎn)量、一年的總產(chǎn)量、動(dòng)物產(chǎn)品的年產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于各省市歷年統(tǒng)計(jì)年鑒和《中國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》[31]。

表1 農(nóng)作物產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品的單位虛擬水含量Tab.1 Virtual water content per unit of crop products and livestock products

進(jìn)出口、GDP等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)可以從《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒(2005—2018)》[2]中獲得。進(jìn)出口虛擬水量的計(jì)算方法是將各地區(qū)進(jìn)出口總額乘以各地區(qū)平均萬元GDP用水量，由于其他經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均以人民幣表示，因此各地區(qū)進(jìn)出口貿(mào)易總額通過中國(guó)歷年人民幣市場(chǎng)匯率由美元折合成人民幣進(jìn)行計(jì)算[12]。同時(shí)，考慮到有些進(jìn)出口數(shù)據(jù)難以獲取，所以本文忽略了進(jìn)口再出口的虛擬水含量計(jì)算[11，12]。

2 研究方法

2.1 水量足跡計(jì)算模型

根據(jù)水足跡理論，水足跡描述的是在生產(chǎn)維持某一群體正常生活所需的產(chǎn)品和服務(wù)時(shí)所消耗的實(shí)際水資源的數(shù)量[32，33]。由此可知，水足跡的來源有兩個(gè)：①在人類社會(huì)生產(chǎn)生活中所消耗的實(shí)體水資源量；②用于生產(chǎn)產(chǎn)品和服務(wù)的虛擬水量[33]。其公式為：

WFP=IWFP+EWFP

(1)

式中：WFP為總體水量足跡，表示研究區(qū)一年內(nèi)消耗的水資源總量(m3)；IWFP為內(nèi)部水足跡(m3)，是指研究區(qū)內(nèi)當(dāng)?shù)鼐用衩磕晟a(chǎn)商品和服務(wù)所消耗的水量；EWFP為外部水足跡(m3)，是指研究區(qū)內(nèi)當(dāng)?shù)鼐用衩磕晗M(fèi)的進(jìn)口虛擬水?dāng)?shù)量。

IWFP=WFPa+WFPi+WFPd+

WFPe-FWe

(2)

式中：WFPa為農(nóng)業(yè)水量足跡，以研究區(qū)一年內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水量(m3)來表示，包括農(nóng)作物產(chǎn)品生產(chǎn)用水量和動(dòng)物產(chǎn)品生產(chǎn)用水量；WFPi為工業(yè)水量足跡，表示研究區(qū)一年內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)用水量(m3)；WFPd為生活水量足跡，表示研究區(qū)一年內(nèi)的居民生活用水量(m3)；WFPe為生態(tài)水量足跡，表示研究區(qū)一年內(nèi)的生態(tài)環(huán)境用水量(m3)；FWe表示研究區(qū)一年內(nèi)出口的虛擬水量(m3)。

EWFP=FWi-FWre-export

(3)

式中：FWi為研究區(qū)一年內(nèi)從其他區(qū)域進(jìn)口的虛擬水量(m3)；FWre-export為研究區(qū)從其他區(qū)域進(jìn)口再出口的虛擬水量(m3)，受數(shù)據(jù)限制，本文忽略了進(jìn)口再出口的虛擬水含量。

2.2 水質(zhì)足跡計(jì)算模型

Hoekstra等[34]在2002年提出了灰水足跡的概念，并將其定義為在水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將污染物負(fù)荷同化到高于特定環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需的淡水?dāng)?shù)量[35, 36]。它是定量評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)淡水系統(tǒng)影響的有效指標(biāo)。為了與水量足跡進(jìn)行比較，本文利用水質(zhì)足跡表示灰水足跡，同時(shí)以灰水足跡的計(jì)算方法計(jì)算水質(zhì)足跡。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)和居民生活被認(rèn)為是水體中污染物的三個(gè)主要來源[9, 34-36]。因此，研究區(qū)域的水質(zhì)足跡為吸收農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活部門污染所需的總水量[9, 34, 35]。

2.2.1農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡

農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡是指吸收農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)(如禽畜糞便、牲畜房清洗、肥料和農(nóng)藥的使用)造成的水污染物所需的淡水量[35]。根據(jù)Hoekstra提出的灰水足跡計(jì)算模型，水質(zhì)足跡由最關(guān)鍵的污染物決定，根據(jù)現(xiàn)有的研究，與COD和磷等污染物來源相比，農(nóng)業(yè)水資源污染主要由氮(N)引起，包括氮肥的使用、農(nóng)藥的噴灑等等[10]。同時(shí)，由于水體稀釋氮肥，所以假設(shè)施氮量中的氮以一定的比例進(jìn)入水體，那么農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡的估算模型為：

(4)

式中：GFPa為一年的農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡(m3)；α為氮肥入水率(%)，根據(jù)前人的研究，選用全國(guó)平均氮肥入水率7%進(jìn)行計(jì)算[3, 35]；N為一年的農(nóng)作物生產(chǎn)的施氮量(kg)；Cmax為污染物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度(kg/m3)，《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[37]有五個(gè)等級(jí)，本文采用第三等級(jí)作為廢水污染控制的最低要求[11, 22, 34]，所以氮的最大允許濃度為1mg/L；Cnat為水的自然濃度(kg/m3)，是指在自然條件下，不受人為影響的水體污染濃度，通常假定為0[3, 22, 34]。

2.2.2工業(yè)水質(zhì)足跡

工業(yè)水質(zhì)足跡被定義為吸收工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)造成的水環(huán)境污染物所需的淡水量[35]。工業(yè)部門產(chǎn)生的工業(yè)廢水直接排放到水體中，因此工業(yè)廢水中的主要污染物也可以直接計(jì)算。根據(jù)《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》，COD和AN是工業(yè)廢水排放的主要污染物，所以本文采用COD和AN作為指標(biāo)來計(jì)算工業(yè)水質(zhì)足跡[3, 6, 11, 22, 30]，計(jì)算模型如下：

GFPi=max(GFPi(COD),GFPi(AN))

(5)

(6)

式中：GFPi為研究區(qū)一年內(nèi)的工業(yè)水質(zhì)足跡(m3)；GFPi(j)為基于j類污染物的工業(yè)水質(zhì)足跡(m3)，j的取值為COD和AN；Li(j)表示工業(yè)生產(chǎn)中j類污染一年內(nèi)的排放量(kg)；IWD為研究區(qū)一年內(nèi)工業(yè)廢水排放總量(m3)；Cmax為污染物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度(kg/m3)，參照前述標(biāo)準(zhǔn)，COD和AN的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度分別為20mg/L和1.0 mg/L[22, 34]；Cnat為水的自然濃度(kg/m3)，參考文獻(xiàn)[36]，COD和AN的水的自然濃度分別為0mg/L和0.015mg/L。

2.2.3生活水質(zhì)足跡

與農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡和工業(yè)水質(zhì)足跡相似，生活水質(zhì)足跡是指吸收居民日常生活排放的廢水中所含污染物所需的淡水量[35]。生活廢水排放和工業(yè)廢水排放都屬于點(diǎn)源污染，且生活廢水中的主要污染物也是COD和AN[3]，因此，生活灰水足跡的計(jì)算方法與工業(yè)灰水足跡的計(jì)算方法相同。

GFPd=max(GFPd(COD),GFPd(AN))

(7)

(8)

式中：GFPd為研究區(qū)一年內(nèi)的生活水質(zhì)足跡(m3)；GFPd(j)為基于j類污染物的生活水質(zhì)足跡(m3)，j的取值為COD和AN；Ld(j)為居民日常生活中j類污染物一年內(nèi)的排放量(kg)；DWD是指研究區(qū)一年內(nèi)生活廢水排放總量；Cmax和Cnat的取值與工業(yè)水質(zhì)足跡中的取值相同[3, 22, 34]。

2.2.4總體水質(zhì)足跡

研究區(qū)的總體水質(zhì)足跡可以通過農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡、工業(yè)水質(zhì)足跡和生活水質(zhì)足跡相加得到：

GFP=GFPa+GFPi+GFPd

(9)

式中：GFP表示研究區(qū)的總體水質(zhì)足跡。

2.3 水資源利用與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展脫鉤評(píng)價(jià)模型

脫鉤(decoupling)是指在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，物質(zhì)能源消耗總量不隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)而增加，反而減少的情況。到目前為止，有兩種脫鉤模型被廣泛應(yīng)用，即OECD模型和Tapio模型[38]。相比OECD模型，Tapio模型提供了更精細(xì)的脫鉤狀態(tài)區(qū)分，綜合考慮了總量變化和相對(duì)量變化，在判定脫鉤狀態(tài)的演替過程方面有一定的優(yōu)勢(shì)[38]。所以本文選擇Tapio模型來檢驗(yàn)水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的脫鉤狀態(tài)。

根據(jù)脫鉤模型理論，脫鉤狀態(tài)可以分為兩種類型，即相對(duì)脫鉤和絕對(duì)脫鉤[3,12]。相對(duì)脫鉤是指在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，水資源消耗以一種相對(duì)較低的速度增長(zhǎng)，絕對(duì)脫鉤是指在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，水資源消耗的速度減少[39]。因此，水資源利用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)發(fā)展的理想狀態(tài)是絕對(duì)脫鉤狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，以最小的水資源消耗量實(shí)現(xiàn)了最大化的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。本文利用脫鉤評(píng)價(jià)模型，分析了水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系以及水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系。Tapio脫鉤模型的表達(dá)式為：

(10)

(11)

式中：DWFP和DGFP是水資源利用的相關(guān)指數(shù)，分別用于描述水資源消耗與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)情況、水資源污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)情況；ΔGDP是指國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的年增長(zhǎng)率；ΔWFP和ΔGFP分別表示水量足跡的年增長(zhǎng)率和水質(zhì)足跡的年增長(zhǎng)率；GDPt和GDPt-1分別表示第t期、第t-1期期末的國(guó)民生產(chǎn)總值(億元)；WFPt和WFPt-1分別表示第t期、第t-1期期末的水量足跡總量(億m3)；GFPt和GFPt-1分別表示第t期、第t-1期期末的水質(zhì)足跡總量(億m3)。

根據(jù)Tapio模型和研究數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)特性，本文將脫鉤狀態(tài)劃分為8種[12, 38-40]，具體脫鉤程度判斷標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的速度(ΔGDP)比水資源消耗(水資源污染)的速度(ΔFP)快時(shí)，此時(shí)即為脫鉤狀態(tài)。這種狀態(tài)分為三種類型：強(qiáng)脫鉤、弱脫鉤和衰退性脫鉤，其分別位于第一象限、第二象限和第四象限。位于第四象限的強(qiáng)脫鉤狀態(tài)是最理想的狀態(tài)，在這種情況下，ΔGDP>0，ΔFP<0，即隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，水資源消耗(水資源污染)的速度非但沒有增加，反而有所下降。

當(dāng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的速度與水資源消耗(水資源污染)的速度一致時(shí)，此時(shí)二者的關(guān)系為耦合狀態(tài)。這種狀態(tài)分為兩種類型：擴(kuò)張性耦合和衰退性耦合，其分別位于第一象限和第三象限，所代表的含義分別為隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)或衰退，水資源消耗(水資源污染)的程度也同步增長(zhǎng)或衰退。

當(dāng)水資源消耗(水資源污染)的速度超過經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的速度時(shí)，此時(shí)二者表現(xiàn)為負(fù)脫鉤狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展嚴(yán)重依賴于水資源消耗(水資源污染)。

該狀態(tài)可以細(xì)分為三種類型：強(qiáng)負(fù)脫鉤、弱負(fù)脫鉤和擴(kuò)張性負(fù)脫鉤，其分別位于第二象限、第三象限和第一象限。位于第二象限的強(qiáng)負(fù)脫鉤是最糟糕的狀態(tài)，此時(shí)，ΔGDP<0，ΔFP>0，即在地區(qū)經(jīng)濟(jì)衰退的情況下，水資源消耗(水資源污染)的速度還在增加。

3 結(jié)果分析

3.1 水量足跡和水質(zhì)足跡

3.1.1水量足跡

京津冀城市群2004—2017年的水量足跡計(jì)算結(jié)果以及水量足跡各組成部分占總體水量足跡的比例，如表2所示。

從表2可知，京津冀城市群總體水量足跡大致呈上升趨勢(shì)，由2004年的1 396.5億m3逐漸增加到2017年的1 439.9億m3，而人均水量足跡總體呈小幅波動(dòng)狀態(tài)，與2004年相比，2017年人均水量足跡略有下降，反映出用水效率有所提高，居民的節(jié)水意識(shí)有所增強(qiáng)。

從表2還可看出，京津冀城市群水量足跡占比最大的為農(nóng)業(yè)水量足跡，其多年平均占比超過90%，說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中水量消耗巨大，從2004年至2017年，農(nóng)業(yè)水量足跡呈緩慢減少趨勢(shì)。同時(shí)，京津冀城市群的工業(yè)水量足跡大體呈逐年下降的趨勢(shì)，且占比穩(wěn)定在2%左右，說明京津冀城市群工業(yè)生產(chǎn)過程中的用水效率較高。生活水量足跡在2004年至2017年間總體呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，年度占比保持在2%～3%的水平，是除了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門外的第二大用水部門。說明隨著京津冀城市群經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 當(dāng)?shù)鼐用裨黾恿藢?duì)淡水資源的需求。

表2 京津冀城市群2004—2017年水量足跡構(gòu)成Tab.2 Water quantity footprint composition in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration from 2004 to 2017

對(duì)于生態(tài)水量足跡，2004年至2017年的變化幅度最為明顯，其占比從2004年的最小值0.25%增加到2017年的最大值1.81%，雖然其占比仍保持在一個(gè)相對(duì)較低的水平，但14年間增加為原來的7.24倍。說明京津冀城市群生態(tài)環(huán)境用水量逐年增加，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)在逐漸強(qiáng)化。從貿(mào)易虛擬水的角度看，2004—2017年間，京津冀城市群的虛擬水進(jìn)口量和虛擬水出口量都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但是虛擬水的進(jìn)口量一直大于虛擬水的出口量，這與水密集型產(chǎn)品的進(jìn)口有關(guān)。

3.1.2水質(zhì)足跡

京津冀城市群2004—2017年的水質(zhì)足跡計(jì)算

結(jié)果以及水質(zhì)足跡各組成部分占總體水質(zhì)足跡的比例，如表3所示。

表3 京津冀城市群2004—2017年水質(zhì)足跡構(gòu)成Tab.3 Water quality footprint composition in Beijing- Tianjin-Hebei urban agglomeration from 2004 to 2017

質(zhì)足跡的比例。

從表3中可以看出，京津冀城市群的水質(zhì)足跡總體上呈現(xiàn)出減少(2005—2009年)、增加(2010—2011年)、再減少(2012—2017年)的波動(dòng)下降趨勢(shì)。水質(zhì)足跡由2004年的2 111.8億m3減少至2017年的1 330.8億m3，縮減為原來的63%。同時(shí)，人均水質(zhì)足跡呈現(xiàn)出與總體水質(zhì)足跡完全相同的變化趨勢(shì)。2015年是總體水質(zhì)足跡和人均水質(zhì)足跡的拐點(diǎn)，其變化趨勢(shì)由之前的緩慢減少轉(zhuǎn)變?yōu)榧眲∠陆?。這是由于2015年是國(guó)家“十二五”規(guī)劃的收官之年，且在2015年4月，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(“水十條”)。這標(biāo)志著我國(guó)政府出臺(tái)的環(huán)境治理政策對(duì)水環(huán)境的治理成效顯著。

從表3中可以看出，京津冀城市群農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡占比最大，多年平均占比約為60%，超過了總體水質(zhì)足跡的一半。這說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是廢水排放的主要來源，從2004年至2017年，農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡占比呈現(xiàn)出先增加、再減少、之后再增加的趨勢(shì)，特別是在2015之后，占比達(dá)到80%以上，這主要是因?yàn)?015年之后，工業(yè)水質(zhì)足跡和生活水質(zhì)足跡急劇減少，而農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡減少緩慢。生活水質(zhì)足跡在研究期間占比第二，約為30%，在2011年之前呈緩慢增加趨勢(shì)，2011年至2015年(“十二五”規(guī)劃期間)占比基本不變，2015年后占比迅速下降。由此可見，政府實(shí)施的水環(huán)境保護(hù)政策成效顯著。工業(yè)水質(zhì)足跡在總體水質(zhì)足跡中占比最低，多年平均占比約為10%，雖然其占比最低，但在研究期間的變化幅度卻最明顯。在2004—2015年間，工業(yè)水質(zhì)足跡占比穩(wěn)步減少，而2015年之后占比迅速減少，達(dá)到了研究期間的最小值1%。這說明工業(yè)部門對(duì)水環(huán)境造成的污染逐漸降低，同時(shí)也展現(xiàn)出中國(guó)政府在治理工業(yè)廢水排放方面的決心。

3.2 脫鉤分析

3.2.1水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤分析

圖3為京津冀城市群2004—2017年水量足跡與實(shí)際GDP的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，GDP呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而水量足跡卻存在明顯的波動(dòng)。此外，GDP的增長(zhǎng)速度也在大部分年份大于水量足跡增長(zhǎng)速度，說明在一定的水資源消耗情況下，經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。

圖3 京津冀城市群2004—2017年水量足跡與實(shí)際GDP變化趨勢(shì)Fig.3 Change trend of water quantity footprint and real gross domestic product in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration from 2004 to 2017

由表4可以看出，2004—2017年間，京津冀城市群水量足跡和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)狀態(tài)均為脫鉤狀態(tài)。水量足跡與GDP增長(zhǎng)的脫鉤狀態(tài)在大多數(shù)年份表現(xiàn)為弱脫鉤，這表明在這些年份中，水量足跡的增長(zhǎng)速率低于GDP的增長(zhǎng)速率，使得水資源利用效率在此期間有所提高。在水資源消耗與經(jīng)濟(jì)發(fā)展表現(xiàn)為強(qiáng)脫鉤狀態(tài)的年份，GDP的年增長(zhǎng)速率為正值，表明研究區(qū)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，而水量足跡年增長(zhǎng)率為負(fù)值，表示水資源消耗量較上一年減少。這種狀態(tài)是水資源利用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)發(fā)展的最理想狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，以最小的水資源消耗量實(shí)現(xiàn)了最大化的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

表4 京津冀城市群2004—2017年水資源消耗與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤分析Tab.4 Decoupling analysis between water use and the economic development in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration from 2004 to 2017

3.2.2水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤分析

圖4為京津冀城市群2004—2017年水質(zhì)足跡與實(shí)際GDP的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，GDP呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而水質(zhì)足跡在2015年之前呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。對(duì)于水質(zhì)足跡來說，2015年是一個(gè)拐點(diǎn)，2015年之后，京津冀城市群的經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)，而水質(zhì)足跡在下降后保持穩(wěn)定。毫無疑問，這得益于中國(guó)政府頒布的各項(xiàng)水環(huán)境治理措施，其在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，嚴(yán)格控制廢水及污染物的排放，有效遏制了水環(huán)境的污染，使得水污染程度逐漸降低。

圖4 京津冀城市群2004—2017年水質(zhì)足跡與實(shí)際GDP變化趨勢(shì)Fig.4 Change trend of water quality footprint and real gross domestic product in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration from 2004 to 2017

由表5可以看出，2004—2017年間，京津冀城市群水質(zhì)足跡和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)狀態(tài)均處于弱脫鉤狀態(tài)和強(qiáng)脫鉤狀態(tài)。

表5 京津冀城市群2004—2017年水資源污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤分析Tab.5 Decoupling analysis between water pollution and the economic development in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration from 2004 to 2017

2004年、2009年和2010年為弱脫鉤狀態(tài)，在這些年份中，廢水排放量增加的速度低于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的速度，說明經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已經(jīng)不強(qiáng)烈依賴于水資源的污染。而在強(qiáng)脫鉤狀態(tài)的年份中，隨著京津冀城市群經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水質(zhì)足跡呈現(xiàn)出負(fù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，水環(huán)境的污染程度較上一年有所減輕。這說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展已不再是京津冀城市群污水排放量增加的原因。但總體來看，近60%的廢水為農(nóng)業(yè)廢水，農(nóng)業(yè)廢水的排放成為了水質(zhì)足跡增長(zhǎng)的主要原因。因此，嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廢水的排放對(duì)降低京津冀城市群水質(zhì)足跡至關(guān)重要。同時(shí)，在保證京津冀城市群經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展的前提下，還應(yīng)降低廢水排放量、提高廢水排放效率。

4 討 論

本文利用水足跡的理論和方法計(jì)算得出京津冀城市群2004—2017年水量足跡和水質(zhì)足跡，并根據(jù)Tapio脫鉤模型探討了水量足跡、水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤關(guān)系。

京津冀城市群多年平均水量足跡約為1 388.9億m3，這一發(fā)現(xiàn)與Kong等[12]的研究結(jié)論相似。水量足跡在研究期間逐漸增加，這種增加主要是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口數(shù)量增加所致，可通過南水北調(diào)工程得到一定程度的緩解[12]。相比而言，水質(zhì)足跡多年平均值達(dá)到1 983.5億m3，遠(yuǎn)大于水量足跡，Zhao等[22]的研究也得出了相似的結(jié)論，這說明稀釋廢水污染物所需的水量甚至超過人們生活消耗的水資源量。但在研究期間，水質(zhì)足跡有明顯的減少(特別是在2015年“水十條”之后)，這說明環(huán)境保護(hù)政策在該地區(qū)取得了顯著成效，相關(guān)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)得到了有效實(shí)施[41]。無論是水質(zhì)足跡還是水量足跡，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門占比最大，這說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門在水資源消耗與水資源污染方面都起到了決定性作用。因此，要實(shí)現(xiàn)水量足跡、水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的逐步脫鉤，重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門，大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)[42]。

從水量足跡、水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)來看，京津冀城市群的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用狀況已經(jīng)基本不相關(guān)。由Kong等[12]的研究結(jié)果可知，用水效率是水足跡減少的決定性因素。與此同時(shí)，研究期間的人均水量足跡與人均水質(zhì)足跡都有所減少，這也體現(xiàn)出水資源利用效率與居民節(jié)水意識(shí)的不斷提高有關(guān)。但是，該地區(qū)存在用水結(jié)構(gòu)不合理的問題，工業(yè)部門對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)最大，但其水資源利用量與廢水排放量都在逐漸下降，這也說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的依賴程度不斷降低[3]。居民生活用水量和廢水排放量雖然占比不大，但在研究期間呈逐漸上升趨勢(shì)。因此，提高居民節(jié)約水資源、保護(hù)水資源的意識(shí)是實(shí)現(xiàn)居民用水與經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)一步脫鉤的重要措施。

針對(duì)本文研究結(jié)果和發(fā)現(xiàn)的問題，提出相應(yīng)的政策建議，以促進(jìn)水資源利用與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。首先，應(yīng)大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，特別是農(nóng)業(yè)機(jī)械化灌溉，以提高水資源利用效率。同時(shí)，提倡發(fā)展特色農(nóng)業(yè)，在缺水地區(qū)可以減少水密集型農(nóng)作物的種植，例如大豆、棉花。第二，在保證地區(qū)產(chǎn)品進(jìn)出口平衡的條件下，在某些缺水年份，可以適當(dāng)增加水密集型產(chǎn)品的進(jìn)口，以緩解當(dāng)?shù)氐乃Y源壓力。第三，對(duì)于逐年增長(zhǎng)的居民生活用水量，可在充分考慮當(dāng)?shù)厮Y源總量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的前提下，采用分級(jí)定價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提高居民節(jié)水意識(shí)。同時(shí)，以生活污水處理為重點(diǎn)，加大對(duì)生活污水處理設(shè)備的財(cái)政投入[43]。

5 結(jié) 論

本文基于水足跡的模型和方法，將京津冀城市群整體作為研究對(duì)象，計(jì)算其2004—2017年的水量足跡和水質(zhì)足跡，并對(duì)水資源的利用情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。同時(shí)，利用Tapio脫鉤模型分析了水資源消耗(水量足跡)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)以及水資源污染(水質(zhì)足跡)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)。

1) 2004—2017年，京津冀城市群的水量足跡呈現(xiàn)出緩慢波動(dòng)上升的趨勢(shì)。水資源利用結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水在水量足跡中占比最大，農(nóng)業(yè)用水效率仍處于一個(gè)較低水平。同時(shí)，人均水量足跡呈現(xiàn)出緩慢減少的趨勢(shì)，水資源利用效率不斷提高。

2) 2004—2017年，京津冀城市群的水質(zhì)足跡呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，由2004年的2 111.8億m3減少至2017年1 330.8億m3，減少為原來的63%。尤其是2015年、2016年，由于相關(guān)政策的出臺(tái)，使得這兩年的水質(zhì)足跡呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)。這標(biāo)志著京津冀城市群的水環(huán)境得到明顯改善，政府出臺(tái)的水環(huán)境治理政策成效顯著。

3) 水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)以弱脫鉤為主，雖未達(dá)到完全強(qiáng)脫鉤的理想狀態(tài)，但也說明京津冀城市群的水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于初級(jí)協(xié)調(diào)狀態(tài)。

4) 總體來看，水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤由弱脫鉤狀態(tài)向強(qiáng)脫鉤狀態(tài)發(fā)展，以強(qiáng)脫鉤狀態(tài)為主，逐步實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境污染的理想脫鉤狀態(tài)。毫無疑問，這得益于政府頒布的各項(xiàng)水環(huán)境治理措施，其在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，嚴(yán)格控制廢水及污染物的排放，有效遏制了水環(huán)境的污染，使得水污染程度逐漸降低。