黃河中游（禹門口—汾河入黃口）區域水資源生態赤字的動態研究

李睿佳，宋厚娟，趙冰清，郝 婧，郭東罡

（1.山西大學環境與資源學院，山西太原030006；2.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京100083）

黃河中游（禹門口—汾河入黃口）區域水資源生態赤字的動態研究

李睿佳1，宋厚娟1，趙冰清2，郝 婧1，郭東罡1

（1.山西大學環境與資源學院，山西太原030006；2.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京100083）

水資源是人類生存的根基，它關系著人類的生存發展以及一切經濟活動。黃河中游（禹門口—汾河入黃口）作為黃河三角洲重要的農業生產區與能源供應基地，其區域水資源生態足跡與生態赤字具有十分重要的研究意義。基于生態足跡的相關理論，采用Pearson相關性檢驗，探究農業產業和生態足跡之間的關系。結果顯示，雖然臨猗縣的生態赤字伴隨著其農業用水量的降低而降低，但是由于在其產業比例關系中，農業所占比例非常大，因而在3個研究縣市里，其生態赤字情況最為嚴重；并就如何改善水資源生態赤字進行了討論，提出建議。

水資源；生態足跡；生態赤字

水資源是人類文明的源泉，與人類的生存、發展和一切經濟活動密切相關[1]。隨著社會經濟的快速發展，水資源問題日漸嚴重，已成為制約許多地區實現社會經濟可持續發展的重要因素。其中，工農業用水量之大導致水資源緊缺及水環境惡化，長此以往，將會對人類自身生存造成威脅。因而，如何科學地解決水資源供需與社會經濟發展之間的矛盾，合理利用水資源，實現社會、經濟與生態環境的協調發展，是當前面臨的重要課題之一[2]。

黃河中游流域地處我國腹心地區，是我國重要的農業生產區和能源供應基地[3]。隨著黃河中游地區經濟與社會的發展，流域水資源面臨的諸多問題也日益嚴重，例如水資源匱乏、水質惡化、水生態功能退化等[4]。因此，如何優化流域區域經濟發展模式，使水資源的經濟效益與社會效益等最大化，成為解決水資源可持續發展這一問題的重要途徑。

近年來，生態足跡理論的研究開始受到國內外學者的廣泛關注，這是一種以可持續發展原則為基礎的對資源利用進行分析的方法。該理論最早由加拿大經濟學家WILLIAME REES提出，后來由他的博士生WAEKERNAGEL完善[5]。之后，在生態足跡理論的基礎上，HOEKSTRA提出了水資源生態足跡的概念[6]。水資源生態足跡既可用來表示生產生活用水的足跡，也可表示水資源的生態功能足跡和水污染足跡[7]。

本試驗將從這一概念出發，選取黃河中游流域部分縣市，對其水資源生態足跡進行研究，以進一步探究生態赤字與產業模式之間的關系。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

黃河中游流域是指自內蒙古托克托縣河口鎮至河南鄭州桃花峪間的黃河河段，本研究區域選取黃河中游（禹門口—汾河入黃口）河津市、臨猗縣及永濟市的3個重要縣市作為研究對象。這3個縣市均位于山西省西南部，依次自運城市西北隅至運城市西南隅，地理坐標為110°15′～110°54′E，34°44′～35°17′N，氣候均屬暖溫帶大陸性氣候，四季變化明顯，春季溫和，夏季炎熱多雨，秋季涼爽，冬季干旱。年平均氣溫為14℃，年平均降水量為520 mm，霜凍期為10月下旬至次年3月下旬。其中，河津市的產業結構以工業為主，長期致力于建設工業強市；臨猗縣因其土壤肥沃，水利設備齊全，果業和農業在全國都非常有名，是著名的農業大縣；永濟市有著悠久的歷史文化，其產業模式是工業與農業并重。

這3個研究區域的社會經濟生產模式不同，具有良好的代表性以及重要的研究價值。

1.2 數據來源

各縣市的工業用水量、農業用水量、城鎮公共用水量、水資源總量、生態環境用水量、居民生活用水量等數據均來自2009—2014年《運城市水資源公報》[8]，社會經濟數據來自2010—2015年《運城統計年鑒》[9]（表1～3）。

表1 河津市2010—2015年社會經濟及用水量

表2 臨猗縣2010—2015社會經濟及用水量

表3 永濟市2010—2015社會經濟及用水量

2 水資源生態赤字研究方法

20世紀90年代，加拿大經濟學家WILLIAME REES提出了生態足跡法，之后其博士生WAEKERNAGEL將其進行了完善[10]。此方法是用來定量分析自然資源的可持續利用程度，一般用生產赤字和水資源生態盈余來衡量。如果某地區的水資源生態承載力足以承載該地區的生態足跡時，那么水資源就呈現盈余的狀態，即該地區的水資源可以持續地利用，水資源可以滿足這個地區的發展需要[11]。相反，如果某地區的水資源生態承載力不足以承載該地區的生態足跡，則說明這個地區的水資源處于生態赤字狀態，即水資源的利用程度不高，不足以滿足該地區的各種需要，或者該地區可能正在以破壞生態環境為代價來維持區域經濟的發展，這樣發展下去可能會影響到生態平衡。

2.1 水資源生態足跡計算

以生態足跡分析法為基礎，水資源生態足跡理論是指一定區域內、一定的人口數量和社會經濟條件下的水資源消費量，將其按照相應的比例換算成生物生產性面積，對其進行均衡化處理后可以得出全球范圍內不同地區可比較的均衡值。水資源生態足跡計算模型[12]如下。

式中，EFw為水資源生態足跡（hm2）；N為人口數量；efw為人均水資源生態足跡（hm2/cap）；γw為水資源全球均衡因子；W為消耗的水資源總量（m3）；Pw為水資源全球平均生產能力（m3/hm2）。

依據用水特性以及水資源生態足跡的含義，將用水總量分為工業用水、農業用水、居民生活用水、城鎮公共用水、生態環境用水5個二級賬戶，便于進行研究與計算。

2.2 水資源生態承載力計算

想要了解一個地區水資源的豐沛程度，可以從該地區的水資源儲量來體現。從生態足跡理論中可以看出，水資源的生物生產能力是衡量水資源承載力的一個重要指標。換句話說，就是這個地區水資源能夠承載的生物生存面積。水資源生態承載力的計算模型[13]如下。

清潔機器人沿所鋪設的履帶節向前滑動時需要克服兩者之間的摩擦阻力以及重力沿工作平面的分量。克服這個摩擦阻力的驅動力由履帶節對驅動鏈輪的反向作用力提供[5]，通過對清潔機器人的受力分析可知：

式中，E Cw為水資源承載力（hm2）；ecw為人均水資源承載力（hm2/cap）；φw為水資源產量因子；Q為水資源總量（m3）。

水資源的合理開發利用率為0.4，這是由于當一個地區的水資源利用率高于40%時，生態環境會受到很大的影響，因此，必須扣除至少60%的水資源承載力，以確保生物多樣性和對生態環境的保護[14]。

2.2.1 水資源產量因子 為了得到不同區域的水資源產量因子，先假定世界水資源產量因子為1，則各地區的水資源產量因子為該區水資源平均生產能力與世界水資源平均生產能力的比值，計算公式[15]如下。

式中，P為區域單位面積產水量。

2.2.2 水資源全球均衡因子 用生物生產面積的平均生態生產能力除以世界各類生物生產面積的平均生態生產能力即可得出某種生物生產面積的均衡因子。通常情況下，為了便于對比，在計算時通常選擇世界自然基金會（WWF）2002年確定的水資源均衡因子，其值為5.19[15]。

2.3 水資源生態赤字、生態盈余

人類活動對水資源的消費情況可以通過水資源生態足跡來體現。水體能夠為人類活動供應的水資源可以通過水資源生態承載力來體現。在計算時，它們的計量單位是一樣的，因此可以直接進行比較，且得到的結果可以很直觀地顯現出該地區水資源能否承載人類活動對水資源的需求與利用。生態盈余或者赤字的計算模型[16]如下。

式（4）計算的結果如果是正數，則表示水資源呈赤字狀態，這對于可持續發展是不利的；若是負數，則表示水資源呈盈余狀態，這對于可持續發展是有利的；若為0，則表示水資源的利用剛好處于平衡狀態。

2.4 水資源生態壓力指數

式中，E TIw表示水資源生態壓力指數。依據等級劃分標準，當ETIw＜0.5時，地區水資源開發在安全范圍內；當0.5≤ETIw＜0.8時，地區水資源開發在較為安全的范圍內；當0.8≤ETIw≤1.0時，地區水資源開發處于危險和安全的交界處；當ETIw＞1時，地區水資源開發狀態極不安全。

2.5 萬元GDP水資源生態足跡

萬元GDP水資源生態足跡指的是區域水資源足跡和區域GDP的比值，該值能比較客觀地衡量水資源的利用效率。具體的計算公式[17]如下。

萬元GDP水資源生態足跡＝EFw/GDP （6）

由式（6）計算出的結果越大，則表示水資源利用率越低，反之，利用效率越高。一個地區或者國家的經濟增長方式可以用這個指標來表征。

3 區域水資源生態足跡現狀診斷

3.1 水資源生態足跡與生態赤字的動態變化

根據上述生態赤字研究方法，以表1，2，3數據為基礎可計算出2010—2015年各縣市的人均水資源生態足跡與水資源生態承載力（表4）。

表4 2010—2015年研究縣市人均水資源生態足跡與承載力計算結果匯總

將3個研究縣市的人均水資源生態足跡、人均水資源生態承載力與生態赤字的動態情況進行對比，其結果如圖1所示。

由圖1可知，河津市的水資源生態足跡在2010—2011年升高幅度較大，在2011—2015年比較穩定，變化幅度較小，在0.38～0.46 hm2/人波動，平均值為0.43 hm2/人；臨猗縣的水資源生態足跡在2009—2010年降低幅度較大，2010—2011年驟升至最大值（1.12 hm2/人），之后開始下降，平均值為0.81 hm2/人；永濟市的水資源生態足跡在2010—2015年變化趨于平穩，在0.42～0.57 hm2/人波動，平均值為0.52 hm2/人。3個研究縣市的生態承載力在核算期內的變化趨勢大致相同，2010—2012年上升至最高點，2012—2013年驟降至最低點，如果水資源的量隨時間分布不均，也就是一個地區的水資源生態承載力被植被、氣象、水文、等自然條件所限制的結果。最大差額甚至可以達到0.14 hm2/人，2012年相比其他年份降水量較多，所以該年水資源生態承載力較高，最高達0.19 hm2/人。這3個縣市的水資源生態赤字是依據水資源生態承載力和水資源生態足跡計算出來的，其大小分別是臨猗＞永濟＞河津。

3.2 生態壓力指數與萬元GDP水資源生態足跡的動態變化

以表4數據為基礎，分析研究縣市的生態壓力指數與萬元GDP水資源生態足跡的動態情況，結果如圖2所示。

由圖2，3可知，臨猗縣每年水資源生態壓力指數整體上均高于其他2個縣市，且波動幅度最大，在2012，2013年顯著增高，最高達23.439；永濟市次之，在2011—2012年波動幅度較大，最高達11.106；河津市的動態變化趨于平穩，在2.2～6.1范圍內波動。臨猗縣每年的萬元GDP水資源生態足跡均為最高，且波動幅度最大，最高達0.678 hm2/人；永濟市次之，波動幅度較為平穩，在0.182～0.320 hm2/人范圍內波動；河津市最低，且波動非常平穩，在0.081～0.099 hm2/人范圍內波動。

3.3 水資源生態足跡的賬戶構成

各賬戶水資源生態足跡與其用水量呈正比，以表中數據為基礎，可得各縣市2009—2014年平均水資源生態足跡的賬戶構成（圖4）。

從圖4可以看出，農業用水是3個研究縣市總水資源生態足跡的主要消耗者，其中，臨猗縣的農業用水生態足跡占總水資源生態足跡的比例最大，高達92%；永濟市次之，所占比例為85%；河津市則相對較少，占55%。臨猗縣與永濟市的農業用水均大大超過工業用水，河津市的工業用水則占據了34%的比例。城鎮公共與居民生活的水資源生態足跡總和占總水資源生態足跡的5%～11%。生態用水水資源生態足跡占總水資源生態足跡的比例則趨于0。因此，可假設黃河中游流域的水資源生態赤字主要是由農業用水造成的。

4 討論

根據中國科學院出版的《2015年中國可持續發展戰略報告》，山西省水資源指數排名在全國排名第3位。依據國際標準，現階段山西省人均水資源占有量小于500 m3。水資源不足，并且還有大于30%的衰減，對發展非常不利。

為了探究水資源生態足跡與各縣市產業模式發展的關系，本研究進行了Pearson相關性檢驗，結果表明，生態足跡確實與農業產業存在穩定的正相關關系。結合相關圖表可知，臨猗縣近幾年隨著農業用水量的穩步降低，其生態赤字也隨著穩步降低，但因其仍在產業比例中占有很大比例，故生態赤字情況在3個研究縣市里最為嚴重。生態壓力指數也表明，黃河中游流域各縣市的水資源開發價值不大，指數均遠大于1，處于極度不安全狀態。

按照目前的發展狀況，降低生態赤字、實現可持續發展成為黃河中游流域各縣市發展過程中的當務之急。生態赤字情況可從以下幾方面改善：第一，加大農業節水力度，普及渠道防滲技術、低壓管理噴灌技術等農業節水技術，減少水資源損失，發展高效性節水農業體系[18]；第二，進一步減少耕地面積，特別是要減少高耗水農作物種植面積；第三，人口的增長會導致水資源承載力負荷水平的降低，應適當加強人口控制，提高或穩定水資源生態承載力[19]；第四，調整各縣市的產業政策，積極發展第三產業，實現產業模式轉型發展，降低萬元GDP水資源生態足跡，節約用水量。

綜上所述，在流域各縣市水資源生態承載力范圍內，降低水資源生態赤字、緩解生態壓力是黃河中游流域發展的必然選擇。

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Dynamic Study of Regional Water Resources Ecological Deficit at the Middle Yellow River（from Yumenkou to the Entrance at Fenhe River）

LIRuijia1，SONGHoujuan1，ZHAOBingqing2，HAOJing1，GUODonggang1

（1.College ofEnvironmentand Resource Sciences，ShanxiUniversity，Taiyuan 030006，China；2.College ofLand Science and Technology，China University ofGeosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

Water resources is the foundation of human survival,which is greatly related to the development and all kinds of economics activities.Middle Yellow River（from Yumenkou to the entrance at Fenhe River）plays an important role in agriculture production and energy supply for the Yellow River Delta,so the water resources ecological footprint and ecological deficit of Middle Yellow Riveris worthy to research.This paperis based on some theories aboutecologicalfootprint,adopting the correlation testofPearson to find positive correlation between the agriculture and ecologicalfootprint.According to the research,although the ecological deficitof Linyi county shows a downward trend with decreasing agriculture water consumption,the agriculture accounted for the largest part for Linyi's economics.As a result,Linyineeds to face serious ecologicaldeficit.Moreover,this paper also gives some suggestions for further improvementabouthowto allocate waterresource ecologicaldeficit.

waterresources;ecologicalfootprint;ecologicaldeficit

TV211

：A

：1002-2481（2017）09-1507-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.09.27

2017-03-06

李睿佳（1992-），女，山西運城人，在讀碩士，研究方向：環境生態學。郭東罡為通信作者。