楊燕燕， 王永瑜， 徐綺陽

(蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué) 統(tǒng)計(jì)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730020)

1 研究背景

水資源是滿足人類基本生活需要的基礎(chǔ)性自然資源，也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展的戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源[1]。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口增長(zhǎng)、城市化進(jìn)程的加快，水資源短缺、水環(huán)境污染、水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相互制約等問題日益凸顯[2-3]。要從根本上促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康可持續(xù)發(fā)展，重點(diǎn)是打破經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境之間的聯(lián)系，即實(shí)現(xiàn)水資源利用和水環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤。

“脫鉤”一詞源于物理學(xué)，表示兩個(gè)或兩個(gè)以上物理量之間的背離程度。隨后被經(jīng)濟(jì)發(fā)展與合作組織(Organization for Economic Co-operation and Development, OECD)引入環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域[4]，以描述經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與資源消耗、環(huán)境污染之間的非同步變化程度[5]。從脫鉤理論視角出發(fā)研究水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，能夠較好地反映資源環(huán)境壓力與經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾所處的具體階段，從本質(zhì)上揭示區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康可持續(xù)發(fā)展的程度[6]。近年來學(xué)者們廣泛地運(yùn)用脫鉤模型對(duì)水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系進(jìn)行分析，研究成果較為豐富。從研究?jī)?nèi)容上看，以農(nóng)業(yè)用水[7]、工業(yè)用水[8]、生活用水[9]、水資源總量[10]、水足跡[11-12]等為切入點(diǎn)分析其水資源消耗與經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系的研究較多，但較少關(guān)注水質(zhì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系。且在指標(biāo)選擇上，化學(xué)需氧量、氨氮排放量等并不能真實(shí)有效地反映水環(huán)境污染狀況以及水環(huán)境污染對(duì)水資源量的影響[13-14]。從研究對(duì)象上看，針對(duì)單一國(guó)家[15]、具體省份[16-17]和城市[18-19]等行政區(qū)域的研究為大多數(shù)，也有部分學(xué)者關(guān)注流域尺度[20-21],但對(duì)黃河流域水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤情況進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。

黃河流域在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全方面具有十分重要的地位，近40年來經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，與之相伴的則是水資源消耗不斷增加、生產(chǎn)生活污水大量排放[22]。在推動(dòng)黃河流域綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生的過程中不僅要關(guān)注水量問題，也應(yīng)關(guān)注水質(zhì)狀況。現(xiàn)階段關(guān)于該流域的水資源研究主要集中在水資源可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r[23]、優(yōu)化配置戰(zhàn)略調(diào)整[24-25]、提高水資源利用效率[26]等方面，尚未有從水量足跡和水質(zhì)足跡視角同時(shí)分析水資源利用情況以及水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤程度等問題的研究?；诖?，本文以黃河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于水足跡理論與方法對(duì)該流域2000-2019年的水量和水質(zhì)狀況進(jìn)行科學(xué)測(cè)度，以此為基礎(chǔ)，運(yùn)用Tapio脫鉤指數(shù)模型分別對(duì)水資源利用、水環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的脫鉤關(guān)系進(jìn)行考察，并從流域整體視角、區(qū)域比較視角進(jìn)行全面細(xì)致的分析，以期為黃河流域在水資源足量與優(yōu)質(zhì)的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供決策參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

黃河流域發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山北麓，從西到東依次流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等9個(gè)省(自治區(qū))，全長(zhǎng)5 464 km，流域總面積為79.5×104km2，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的作用。2000-2019年黃河流域地區(qū)生產(chǎn)總值從2.41×1012元增加至24.60×1012元；人均生產(chǎn)總值從6 065元增加至58 231元，剔除價(jià)格因素變化后的年均增長(zhǎng)率分別為17.19%、9.92%，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展向好。研究期間年末常住人口從 39 664×104人增加至42 180×104人，增長(zhǎng)了1.06倍；用水總量從1 203.29×108m3增加至1 262.48×108m3，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水占比最高，工業(yè)生產(chǎn)用水次之，生活用水相對(duì)較少。但水資源短缺是黃河流域現(xiàn)階段最大的矛盾，多年平均水資源總量為647×108m3，不到長(zhǎng)江流域的7%；水資源開發(fā)利用率高達(dá)80%，遠(yuǎn)超40%的生態(tài)警戒線。在2019年監(jiān)測(cè)的137個(gè)水質(zhì)斷面中，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面占73.0%，劣Ⅴ類占8.8%，總體表現(xiàn)為輕度污染。近年來，隨著人口規(guī)模的擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加快，黃河流域用水需求不斷增長(zhǎng)，水資源短缺現(xiàn)象日益明顯，水環(huán)境污染現(xiàn)象較為突出。在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，研究水資源利用與經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)系十分必要。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文的研究區(qū)范圍為黃河流經(jīng)的9個(gè)省(自治區(qū))，研究時(shí)段為2000-2019年。數(shù)據(jù)主要來源于2001-2020年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)水資源公報(bào)》《新中國(guó)農(nóng)業(yè)60年統(tǒng)計(jì)資料》《全國(guó)規(guī)?；竽琉B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查技術(shù)報(bào)告》以及各省(自治區(qū))2001-2020年統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.3 研究方法

2.3.1 水量足跡計(jì)算模型及評(píng)價(jià)指標(biāo) 水足跡為某一國(guó)家、地區(qū)或個(gè)體在考察期間內(nèi)消費(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)(包含人類生活所必需的食物含水、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水等)所需要的水資源總量[28]，主要包括實(shí)體水和虛擬水兩部分。其計(jì)算公式為：

WFP=IWFP+EWFP

(1)

IWFP=WFPagr+WFPind+WFPdom+WFPeco-FWe

(2)

EWFP=FWi-FWre-export

(3)

式中：WFP為總體水足跡，表示區(qū)域?qū)嶋H水資源消耗總量，108m3；IWFP為內(nèi)部水足跡，表示本地居民用于生產(chǎn)所需產(chǎn)品和服務(wù)而消耗的水資源量，108m3；EWFP為外部水足跡，表示本地居民消費(fèi)但由其他地區(qū)提供的進(jìn)口虛擬水量，108m3。WFPagr、WFPind、WFPdom、WFPeco分別為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境用水量，108m3，F(xiàn)We、FWi分別為出口到其他地區(qū)的虛擬水量、從其他地區(qū)進(jìn)口的虛擬水量，108m3；FWre-export表示從其他地區(qū)進(jìn)口再出口的產(chǎn)品和服務(wù)所含虛擬水量，108m3。

在水量足跡計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)水足跡評(píng)價(jià)指標(biāo)詳細(xì)分析黃河流域水資源利用狀況。水足跡評(píng)價(jià)指標(biāo)中，人均水足跡(WFPpc)用于描述平均人口占有水量足跡情況(108m3)；水資源稀缺度(WS)表示水資源短缺程度(%)；水資源自用率(WSS)反映黃河流域在自身發(fā)展過程中所消耗的水資源量在總體水足跡中所占比重(%)；水資源經(jīng)濟(jì)效益(WUE)表明單位水資源消耗所帶來的效益(元/m3)。計(jì)算公式分別為：

WFPpc=WFP/TP

(4)

WS=(WFP/RWC)×100%

(5)

WSS=(IWFP/WFP)×100%

(6)

WUE=GDP/WFP

(7)

式中：TP為人口總數(shù)；RWC為水資源可利用總量，108m3；GDP為區(qū)域國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值，108元。

2.3.2 水質(zhì)足跡計(jì)算模型 灰水足跡是指將污染物負(fù)荷稀釋至符合水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所需要的水資源量，主要從水量角度研究水污染問題。為了便于與水量足跡進(jìn)行比較，本文采用灰水足跡來表示水質(zhì)足跡。參考韓琴等[29]測(cè)算黃河流域灰水足跡的分類方法，本文水質(zhì)足跡主要包括農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡、工業(yè)水質(zhì)足跡和生活水質(zhì)足跡3部分。

(1)農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的水污染主要來源于殘留的化肥和農(nóng)藥以及畜禽糞便的隨意排放，因此本文從農(nóng)作物種植和畜禽養(yǎng)殖兩方面評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡。

①種植業(yè)水質(zhì)足跡。本文選取氮肥作為種植業(yè)水污染物測(cè)量指標(biāo)，依據(jù)氮肥淋失率確定進(jìn)入水體的氮含量并計(jì)算種植業(yè)水質(zhì)足跡，計(jì)算公式如下：

(8)

式中：GWFpla為種植業(yè)水質(zhì)足跡，108m3；α為氮肥淋失率；Appl為種植業(yè)的氮肥施用量，kg；Cmax為污染物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度，kg/m3；Cnat為水資源的自然本底濃度，kg/m3。

②畜禽養(yǎng)殖業(yè)水質(zhì)足跡。本文選取具有代表性的畜禽(豬、牛、羊、家禽)對(duì)養(yǎng)殖業(yè)污染負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。廢水中含有多種形式的污染物，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的水質(zhì)足跡由單位糞便中所占比重較大的化學(xué)需氧量(COD)和總氮(TN)所決定，考慮到水體可以同時(shí)稀釋該兩種污染物，故本文以COD和TN為標(biāo)準(zhǔn)分別測(cè)算水質(zhì)足跡，選取兩者中的較大值衡量本部分水質(zhì)足跡，具體計(jì)算公式如下：

GWFbre=max(GWFbre(COD),GWFbre(TN))

(9)

(10)

(11)

式中：GWFbre為畜禽養(yǎng)殖業(yè)水質(zhì)足跡，108m3；GWFbre(COD)和GWFbre(TN)分別為COD和TN的水質(zhì)足跡，108m3；Lbre(i)為COD或TN的排放量，kg；Nh為所選4類畜禽數(shù)量；Dh為畜禽飼養(yǎng)周期；fh和uh分別為畜禽的日排糞量和日排尿量，kg；phf和phu分別為單位糞便和尿液的污染物含量，kg/kg；βhf和βhu分別為單位糞便和尿液的污染物流失率。

③農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡。根據(jù)農(nóng)作物種植和畜牧養(yǎng)殖的水質(zhì)足跡計(jì)算結(jié)果，并考慮計(jì)算的特殊性，農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡可用如下公式表示：

GWFagr=max(GWFbre(COD),GWFpla+GWFbre(TN))

(12)

式中：GWFagr為農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡，108m3。

(13)

(14)

(3)生活水質(zhì)足跡。生活污水排放也屬于點(diǎn)源污染，且污水中的主要污染物與工業(yè)污水相同，因此生活水質(zhì)足跡與工業(yè)水質(zhì)足跡計(jì)算方法一致。

(4)區(qū)域總水質(zhì)足跡。將農(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，即可得到區(qū)域總水質(zhì)足跡。具體計(jì)算公式如下：

TGWF=GWFagr+GWFind+GWFdom

(15)

式中：TGWF為區(qū)域總水質(zhì)足跡，108m3；GWFdom為生活水質(zhì)足跡，108m3。

2.3.3 Tapio脫鉤指數(shù)模型 Tapio脫鉤指數(shù)模型被認(rèn)為是目前研究水資源與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)協(xié)調(diào)關(guān)系的最佳方法[10]，因此本文采用此模型分析黃河流域水量足跡、水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)情況，公式如下：

(16)

(17)

式中：DWG和DGG為水資源脫鉤指數(shù)，前者描述了水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤情況，后者描述了水環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤情況。ΔWFP和ΔGWF分別為水量足跡和水質(zhì)足跡的年增長(zhǎng)率，%；WFPt、GWFt、WFPt-1和GWFt-1分別為第t期和第t-1期的水量足跡和水質(zhì)足跡，108m3；ΔGDP為GDP年增長(zhǎng)率，%；GDPt和GDPt-1分別為第t期和第t-1期的區(qū)域國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值，108元。

本文根據(jù)Wu等[30]、Zhang等[31]的研究劃分出3個(gè)大類、10個(gè)子類脫鉤狀態(tài)，具體脫鉤判斷標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。

圖1 基于Tapio脫鉤指數(shù)模型的脫鉤類型示意圖

對(duì)于圖1說明如下：

(1)當(dāng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率相對(duì)較高時(shí)，出現(xiàn)脫鉤狀態(tài)。主要有相對(duì)脫鉤(relatively decoupling, RD)、衰退性脫鉤(decline decoupling, DD)、弱脫鉤(weak decoupling, WD)、強(qiáng)脫鉤(strong decoupling, SD)狀態(tài)，其中第四象限為最理想的狀態(tài)，該狀態(tài)ΔW<0、ΔG>0，脫鉤指數(shù)為負(fù)，即在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，用水量(或水污染)在下降。

(2)當(dāng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和用水量(或水污染)以相同的速度增加時(shí)，出現(xiàn)耦合狀態(tài)，包括增長(zhǎng)性連接(expansive coupling, EC)和衰退性連接(decline coupling, DC)。

(3)當(dāng)水資源利用(或水環(huán)境污染)增長(zhǎng)率相對(duì)較高時(shí)，出現(xiàn)負(fù)脫鉤狀態(tài)，此時(shí)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)水資源依賴性較強(qiáng)。主要有相對(duì)負(fù)脫鉤(relatively negative decoupling, RND)、擴(kuò)展性負(fù)脫鉤(expansive negative decoupling, END)、弱負(fù)脫鉤(weak negative decoupling, WND)、強(qiáng)負(fù)脫鉤(strong negative decoupling, SND)4種狀態(tài)，其中第二象限為最不利的狀態(tài)，該狀態(tài)ΔW>0、ΔG<0，脫鉤指數(shù)為負(fù)，即經(jīng)濟(jì)處于衰退狀態(tài)，但用水量(或水污染)卻在增加。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃河流域水量足跡和水質(zhì)足跡構(gòu)成與評(píng)價(jià)

3.1.1 水量足跡構(gòu)成與評(píng)價(jià) 2000-2019年黃河流域水量足跡構(gòu)成及相關(guān)指標(biāo)如表1所示。由表1可以看出，黃河流域總體水足跡呈現(xiàn)波動(dòng)增大趨勢(shì)，2000年總體水足跡為3 964.13×108m3，2019年總體水足跡為6 746.25×108m3，總體增加了2 782.12×108m3, 年均增長(zhǎng)率為2.84%。進(jìn)一步分區(qū)域進(jìn)行分析可知，2000-2019年黃河流域各省(自治區(qū))年均水量足跡差異顯著，上、中、下游地區(qū)的水量足跡排名由大到小依次為下游、中游、上游。具體來看，黃河流域下游年均水量足跡為1 734.79×108m3，占黃河流域年水量足跡的63.63%，主要是因?yàn)樯綎|省是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，水資源消耗巨大，其次是因?yàn)樯綎|省位于東部沿海，水產(chǎn)品豐富；中游地區(qū)年均水量足跡為669.66×108m3，所占比重為24.56%；下游地區(qū)年均水量足跡為321.98×108m3，所占比重為11.81%。

表1 2000-2019年黃河流域水量足跡構(gòu)成與評(píng)價(jià)指標(biāo)

從表1中2000-2019年黃河流域總體水足跡構(gòu)成方面分析：(1)農(nóng)業(yè)水足跡在總體水足跡中所占比重最大，歷年均在90%以上，并且農(nóng)業(yè)水足跡逐年增加，年均增長(zhǎng)率為2.30%。河南和山東兩省作為農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)對(duì)水資源消耗有著重要影響。但是與工業(yè)和服務(wù)業(yè)相比，農(nóng)業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，要想助力黃河流域早日實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康可持續(xù)發(fā)展，還需要引進(jìn)先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)與灌溉技術(shù)，適當(dāng)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)業(yè)水資源的利用效率。(2)工業(yè)水足跡呈現(xiàn)先增大后減少的變化趨勢(shì)，2000-2011年黃河流域的工業(yè)水足跡從196.51×108m3增加至222.70×108m3；隨后又經(jīng)歷了波動(dòng)減少階段，2019年的工業(yè)水足跡為168.02×108m3，表明近年來黃河流域工業(yè)發(fā)展方式由粗放型轉(zhuǎn)換為高效集約型，用水效率有所提升。(3)由于人民生活條件日益改善， 2000-2019年的生活用水逐年增加。(4)生態(tài)環(huán)境水足跡在2000-2015年呈現(xiàn)小幅波動(dòng)特征，2015年以后用水量迅速增加，年均增長(zhǎng)率為4.18%，主要是由于黃河水利委員會(huì)在2015年積極實(shí)行了最嚴(yán)格的水資源管理制度，水資源生態(tài)環(huán)境保護(hù)在流域各省(自治區(qū))逐漸得以重視。(5)近20年來，進(jìn)出口虛擬水量在總體水足跡中占比均不超過5%，這與黃河流域大部分省(自治區(qū))處于內(nèi)陸，對(duì)外開放程度不夠有很大關(guān)系。

另外，黃河流域人均水足跡與總體水足跡相比，2000-2019年的增長(zhǎng)趨勢(shì)一致但增長(zhǎng)速度相對(duì)緩慢，年均增長(zhǎng)率為2.51%。年際間水資源匱乏度呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)狀態(tài)，其變化區(qū)間為[19.23%,31.24%]，這與黃河流域不同年份的降水量密切相關(guān)，在降水量豐富的年份，水資源相對(duì)充足；在降水量較少的枯水年，水資源相對(duì)緊缺。值得注意的是，在黃河流域各省(自治區(qū))中，寧夏回族自治區(qū)面臨嚴(yán)重缺水，2000-2019年缺水率的變化區(qū)間為[500%,1000%]；而青海和四川省河流眾多，水資源儲(chǔ)量豐富，能夠滿足本省的水資源使用。2000-2019年黃河流域水資源自用率一直維持在較高水平，連續(xù)20年保持在98.5%以上，變化范圍不超過0.5%，不僅表明黃河流域各省(自治區(qū))的水資源能夠保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，同時(shí)也體現(xiàn)了黃河流域水資源利用結(jié)構(gòu)的不合理，生產(chǎn)、生活用水更依賴于本地水資源，而外部水資源使用較少。水資源經(jīng)濟(jì)效益由2000年的6.07 元/m3大幅提升至2019年的22.75 元/m3，表明黃河流域水資源利用帶來的經(jīng)濟(jì)效益逐年增加。同時(shí)，各省(自治區(qū))的水資源利用率也呈現(xiàn)逐年遞增態(tài)勢(shì)。其中，山西和陜西省利用水資源創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較高，年均水資源經(jīng)濟(jì)效益分別為18.92和16.55元/m3；其次是山東、四川和青海省，而寧夏回族自治區(qū)的水資源經(jīng)濟(jì)效益最低，僅為8.51元/m3。

3.1.2 水質(zhì)足跡構(gòu)成與評(píng)價(jià) 2000-2019年黃河流域水質(zhì)足跡結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)變化見圖2。由圖2可以看出，研究期間水質(zhì)足跡總體呈波動(dòng)減小趨勢(shì)。2000年黃河流域總體水質(zhì)足跡為1 665.79×108m3，隨后波動(dòng)增大至2005年的1 719.96×108m3；自2005年后黃河流域水質(zhì)足跡逐年穩(wěn)步減小，隨著2015年實(shí)施《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，黃河流域水環(huán)境與水生態(tài)有了較大改善，水質(zhì)足跡減小趨勢(shì)更為明顯，2019年總體水質(zhì)足跡最小，為1 149.31×108m3。表明隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及污染處理技術(shù)的進(jìn)步等，黃河流域水環(huán)境污染程度有所減輕。另外，2000-2019年黃河流域各省(自治區(qū))年均水質(zhì)足跡差異較為顯著，主要體現(xiàn)出水質(zhì)足跡較大的省份也是人口和農(nóng)業(yè)大省的特征。上、中、下游地區(qū)的年均水質(zhì)足跡分別為131.14、168.25、284.87×108m3，排名從大到小依次為下游、中游、上游。

圖2 2000-2019年黃河流域水質(zhì)足跡結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)變化

從圖2所示的2000-2019年黃河流域水質(zhì)足跡總體構(gòu)成方面分析：(1)農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡20年來在總體水質(zhì)足跡中所占比重最大，且呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)。數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)業(yè)水質(zhì)足跡所占比重從2000年的63.92%增大至2019年的82.59%。(2)工業(yè)水質(zhì)足跡相對(duì)較小，且呈現(xiàn)逐年減小態(tài)勢(shì)，水質(zhì)足跡所占比重從2000年的19.69%減小至2019年的3.73%，表明黃河流域的環(huán)保政策在近些年取得了顯著成效，政府制定的廢水排放標(biāo)準(zhǔn)政策得到有效落實(shí)，工業(yè)入河污水排放量得到有效控制，工業(yè)生產(chǎn)逐步實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展方式。(3)生活水質(zhì)足跡呈現(xiàn)波動(dòng)減小態(tài)勢(shì)，但從2003年起生活水質(zhì)足跡大于工業(yè)水質(zhì)足跡。(4)農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活水質(zhì)足跡均表現(xiàn)為：以山東省為代表的黃河流域下游地區(qū)最大；以河南省為代表的中游地區(qū)次之；以甘肅省為代表的上游地區(qū)最小?？傮w而言，我國(guó)工業(yè)部門、生活部門的廢水排放已得到有效控制，廢水處理能力增強(qiáng)，但農(nóng)業(yè)部門水質(zhì)足跡仍呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

3.2 黃河流域水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤分析

近40年來黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展取得了顯著成就，與之相伴的則是水資源消耗量不斷增加、生產(chǎn)生活污水大量排放。本文首先利用Tapio脫鉤指數(shù)模型得到黃河流域2001-2019年水量足跡變化率、水質(zhì)足跡變化率、GDP變化率，在此基礎(chǔ)上測(cè)算水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤指數(shù)(DWG)和水環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤指數(shù)(DGG)。

3.2.1 水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤分析

(1)整體脫鉤演變分析。明晰黃河流域水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤情況有助于從整體上了解水資源利用與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)黃河流域水資源保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供思路。2001-2019年黃河流域水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤分析結(jié)果見表2。

由表2可以看出，2001-2019年黃河流域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度呈現(xiàn)先增大后波動(dòng)減小的變化態(tài)勢(shì)，其中，2001-2007年GDP 增長(zhǎng)率逐步提高，在2007年達(dá)到最大值，為13.659%。近年來我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，黃河流域GDP增長(zhǎng)率保持在7%左右。總體而言，黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展較快，GDP年均增長(zhǎng)率達(dá)到10.24%；而水量足跡波動(dòng)變化較大，其變化率在[-1.53%，12.53%]區(qū)間波動(dòng)，但除2006年和2017年以外水量足跡均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速度低于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度。表明黃河流域在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，水資源利用量的增長(zhǎng)速度相對(duì)較低，兩者之間的關(guān)系符合水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤規(guī)律。由于黃河流域水資源利用結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)用水為主，歷年其所占比例均在90%以上，水量足跡變化以農(nóng)業(yè)用水量的變化為主，因而調(diào)整水資源利用結(jié)構(gòu)，可在一定程度上減少水資源的消耗總量，進(jìn)而促進(jìn)水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤。

表2 2001-2019年黃河流域水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤分析結(jié)果

從表2中水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系來看，2001-2019年黃河流域的水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展絕大多數(shù)時(shí)期處于相對(duì)脫鉤(RD)狀態(tài)，兩者在2003年處于增長(zhǎng)性連接(EC)狀態(tài)；2006和2017年處于弱脫鉤(WD)狀態(tài)。脫鉤指數(shù)整體呈減小趨勢(shì)，脫鉤效果逐漸變好，但是研究期內(nèi)均沒有實(shí)現(xiàn)強(qiáng)脫鉤，即在水資源減少的情況下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)?？梢娝Y源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤程度還有進(jìn)一步提升的空間，黃河流域應(yīng)在保持經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，提高水資源利用效率，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于強(qiáng)脫鉤狀態(tài)。

(2)區(qū)域脫鉤特征分析?？紤]到黃河流域各省(自治區(qū))經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不同，水資源分布不均，本文計(jì)算了黃河流域9省(自治區(qū)) 2001-2019年的水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤指數(shù)。同時(shí)，為了更具體地解釋各省(自治區(qū))的脫鉤效應(yīng)，本文將相對(duì)脫鉤、弱脫鉤和強(qiáng)脫鉤定義為良好脫鉤狀態(tài)。圖3顯示了2001-2019年各省(自治區(qū))處于良好脫鉤狀態(tài)的年份個(gè)數(shù)，并劃分了上游、中游和下游進(jìn)行比較。

由圖3可見，2001-2019年每個(gè)省(自治區(qū))處于良好脫鉤狀態(tài)的年數(shù)均超過了15 a，表明黃河流域近些年來總體上實(shí)現(xiàn)了水資源利用與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展脫鉤狀態(tài)。從不同省(自治區(qū))的比較來看，四川和青海省的水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)最好，主要是由于四川省政府根據(jù)本省實(shí)際情況開展水利工程建設(shè)，實(shí)施相關(guān)節(jié)水措施，依法實(shí)行了最嚴(yán)格水資源管理制度；青海省也陸續(xù)制定了《青海省水利工程管理與保護(hù)條例》《青海省節(jié)約用水管理辦法》等政策，均有效促進(jìn)了水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤。

圖3 2001-2019年各省(自治區(qū))水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于良好脫鉤狀態(tài)的年數(shù)

甘肅、河南、陜西、山東等省份基本實(shí)現(xiàn)脫鉤，寧夏回族自治區(qū)僅為相對(duì)脫鉤狀態(tài)，而山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)到良好脫鉤狀態(tài)的年份相對(duì)較少?？梢妼幭摹⑸轿?、內(nèi)蒙古等省(自治區(qū))在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中未完全與水資源消耗量脫離，有必要進(jìn)一步實(shí)施節(jié)水措施，提高水資源利用效率。從黃河流域上、中、下游的比較來看，上游和下游地區(qū)的脫鉤狀況好于中游地區(qū)，但在研究期間中游地區(qū)的脫鉤水平也在逐漸提高，流域整體向好發(fā)展，若要達(dá)到水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)狀態(tài)，脫鉤效果仍需不斷加強(qiáng)。

3.2.2 水環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤分析

(1)整體脫鉤演變分析。2001-2019年黃河流域水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤分析結(jié)果見表3。由表3可以看出，黃河流域水質(zhì)足跡總體呈現(xiàn)先小幅波動(dòng)增大，再逐漸減小的變化趨勢(shì)，水質(zhì)足跡增長(zhǎng)率體現(xiàn)“先正后負(fù)”的特征。而在研究期內(nèi)黃河流域經(jīng)濟(jì)始終保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，這直接決定了水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤情況。根據(jù)水質(zhì)足跡變化率的變動(dòng)情況，將水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤分析分為3個(gè)階段：第1階段為2001-2002年，水質(zhì)足跡減少，水生態(tài)環(huán)境狀況有所改善；第2階段為2003-2005年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水質(zhì)足跡增多，且在2005年達(dá)到了研究期最大值，表明該階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展加劇了水環(huán)境污染；第3階段為2006-2019年，我國(guó)制定了一系列環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略，出臺(tái)了相關(guān)文件，促使建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)，使得黃河流域水質(zhì)顯著改善，水質(zhì)足跡減少。

表3 2001-2019年黃河流域水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤分析結(jié)果

從表3中水資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系來看，2001-2019年黃河流域的水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展多處于相對(duì)脫鉤(RD)或弱脫鉤(WD)狀態(tài)，但2006、2016-2018年處于強(qiáng)脫鉤狀態(tài)(SD)，水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤指數(shù)逐漸降低，脫鉤狀態(tài)整體向好，表明隨著節(jié)水技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步以及公共環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于較好的脫鉤狀態(tài)，但尚未達(dá)到最佳脫鉤狀態(tài)。

(2)區(qū)域脫鉤特征分析。2001-2019年黃河流域各省(自治區(qū))水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展有擴(kuò)展性負(fù)脫鉤(END)、增長(zhǎng)性連接(EC)、相對(duì)脫鉤(RD)、弱脫鉤(WD)和強(qiáng)脫鉤(SD)等多種狀態(tài)，并且地區(qū)之間脫鉤狀態(tài)差異顯著。圖4顯示了2001-2019年各省(自治區(qū))處于良好脫鉤狀態(tài)的年份個(gè)數(shù)，也劃分了上游、中游和下游來進(jìn)行比較。

由圖4可以看出，山東、河南、山西、四川等省份在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整和環(huán)境污染治理上力度較大，弱脫鉤和強(qiáng)脫鉤年數(shù)大多超過了相對(duì)脫鉤年份，即水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)出較高的協(xié)調(diào)度。甘肅省和寧夏回族自治區(qū)的脫鉤狀態(tài)相對(duì)較差，其中甘肅省在2002和2011年處于增長(zhǎng)性連接(EC)狀態(tài)，表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中伴隨著大量的廢水排放；寧夏回族自治區(qū)在2005年處于擴(kuò)展性負(fù)脫鉤(END)狀態(tài)。由于60%以上的廢水來源于農(nóng)業(yè)，影響水質(zhì)足跡增長(zhǎng)率的主要因素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水排放，因此甘肅等地區(qū)需盡快發(fā)展清潔技術(shù)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)廢水污染處理。值得注意的是，青海省在所有省(自治區(qū))中水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)僅次于四川省，但是水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)不太理想，研究期內(nèi)相對(duì)脫鉤和弱脫鉤狀態(tài)交替出現(xiàn)，且僅在2019年出現(xiàn)強(qiáng)脫鉤狀態(tài)。比較上、中、下游水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，以山東省為代表的下游地區(qū)水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)最好；中游地區(qū)次之；上游地區(qū)較弱，因此需要重點(diǎn)關(guān)注并解決上游地區(qū)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中引起的水環(huán)境污染與水生態(tài)惡化等問題。

圖4 2001-2019年各省(自治區(qū))水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于良好脫鉤狀態(tài)的年數(shù)

4 討 論

(1)研究表明，2001-2019年黃河流域水量足跡呈現(xiàn)波動(dòng)增大趨勢(shì)，其中農(nóng)業(yè)用水比例過大，歷年均占90%以上，且表現(xiàn)出逐年增加態(tài)勢(shì)，與高明國(guó)等[32]的研究結(jié)果基本一致。主要是因?yàn)辄S河流域近年來的城鎮(zhèn)化規(guī)模不斷擴(kuò)大以及工業(yè)化進(jìn)程加快導(dǎo)致了巨大的用水需求，同時(shí)山東、河南等省份作為糧食大省，在農(nóng)作物產(chǎn)品生產(chǎn)過程中消耗了大量的水資源。因此，解決水資源短缺問題的關(guān)鍵是嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)用水總量，提高水資源利用效率，進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水力度。

(2)研究期內(nèi)黃河流域灰水足跡由2000年的1 665.79×108m3增大至2005年的1 719.96×108m3；自2005年后逐年穩(wěn)步減少，孫才志等[33]也得到了類似的研究結(jié)果。本文在此基礎(chǔ)上還測(cè)算了灰水足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤情況，發(fā)現(xiàn)水環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤狀態(tài)逐漸向好。由此可見，黃河流域各省(自治區(qū))在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)逐漸重視水污染防治，減少了農(nóng)業(yè)、工業(yè)和居民生活的廢污水排放。

(3)無論是水量足跡、水質(zhì)足跡或是兩者與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)，黃河流域上、中、下游地區(qū)均具有顯著的差異性。主要是各地區(qū)地理位置、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源稟賦等的差別，導(dǎo)致其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與水環(huán)境污染治理程度等的不同。因此，黃河流域各省(自治區(qū))應(yīng)依據(jù)以水而定、量水而行、因地制宜、分類施策的戰(zhàn)略方針，探索制定適宜自身的節(jié)水策略、治污模式及經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展方式。

5 結(jié) 論

本文依據(jù)水足跡理論與方法測(cè)算了2000-2019年黃河流域水資源利用和水環(huán)境污染狀況，并運(yùn)用Tapio脫鉤指數(shù)模型分別考察了水量足跡、水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)，具體結(jié)論如下：

(1)研究期內(nèi)黃河流域水量足跡整體呈增大趨勢(shì)，表現(xiàn)為先小幅波動(dòng)后穩(wěn)步上升，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水占比最高，水資源需求量最大，工業(yè)生產(chǎn)用水和生活用水相對(duì)較少。隨著水資源生態(tài)系統(tǒng)重要性的日益體現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境用水量增長(zhǎng)加快。近年來黃河流域水環(huán)境污染得到系統(tǒng)治理，水質(zhì)逐漸改善，使得水質(zhì)足跡總體呈波動(dòng)減少趨勢(shì)。

(2)黃河流域水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展絕大多數(shù)時(shí)期處于相對(duì)脫鉤狀態(tài)(RD)；水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展多處于相對(duì)脫鉤(RD)和弱脫鉤(WD)兩種狀態(tài)；雖然水質(zhì)脫鉤狀況優(yōu)于水量脫鉤，但兩者均未達(dá)到最佳脫鉤狀態(tài)，即水資源利用、水環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展還有較大的提升空間。

(3)從水量足跡、水質(zhì)足跡以及兩者與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)來看，黃河流域上、中、下游地區(qū)均存在明顯差異。其中，水量足跡和水質(zhì)足跡大小排序依次為下游、中游、上游；水量足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)表現(xiàn)為上游和下游地區(qū)優(yōu)于中游地區(qū)；水質(zhì)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的脫鉤狀態(tài)表現(xiàn)為下游地區(qū)脫鉤狀態(tài)最好，中游次之，上游較差。

水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤程度會(huì)受經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、水資源稟賦、人口規(guī)模等諸多復(fù)雜因素的影響，而本文僅分析了兩者之間的脫鉤程度，并未在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考察影響脫鉤程度的其他關(guān)鍵因素。在今后的研究中可以增加脫鉤影響因素分析，使研究結(jié)果更加完整，為黃河流域?qū)崿F(xiàn)水資源強(qiáng)脫鉤提供具體路徑。