水足跡視角下安陽市水資源利用與經(jīng)濟增長關(guān)系研究*

焦士興，張馨歆，王安周，張建偉※，張崇崇，趙榮欽，陳林芳

(1.安陽師范學院資源環(huán)境與旅游學院，河南安陽 455002； 2.洛陽市第十九中學，河南洛陽 471000；3.華北水利水電學院資源與環(huán)境學院，河南鄭州 450011)

0 引言

水與人類生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，是人類賴以生存和發(fā)展基礎(chǔ)。近年來，隨著安陽市經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程加快，水資源短缺和污染問題日趨嚴重，水問題成為制約經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)安全的瓶頸。因此，如何合理開發(fā)利用水資源，促進水資源利用與經(jīng)濟增長協(xié)調(diào)發(fā)展顯得尤為重要。

國內(nèi)外學者在利用水足跡研究水資源利用方面取得了一定的進展。2002年，荷蘭學者Hoekstra提出水足跡理論[1]，它用于定量評價區(qū)域水資源利用效率，在水資源利用與水資源安全方面的研究較多[2-3]。國內(nèi)關(guān)于農(nóng)業(yè)水足跡與水資源利用[4-6]、水足跡與消費[7-9]、水足跡時空分異[10-12]、水足跡與生態(tài)[13]等方面研究較多，但從水足跡視角研究水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展關(guān)系較少[14]。基于水足跡理論，文章運用水足跡和脫鉤評價模型、結(jié)合相關(guān)評價指標對安陽市水資源利用狀況進行評價，探討安陽市水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系，為水資源合理利用提供決策參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 水足跡計算模型

水足跡是指已知人口在一定時間內(nèi)消費的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量。水足跡包括內(nèi)部水足跡和外部水足跡兩部分，其計算公式為：

WFP=IWFP+EWFP=(AWU+IWU+DWU+EWU-VWU)+(VWI-VWE)

(1)

式(1)中，WFP為水足跡總量；IWFP為內(nèi)部水足跡，即該地區(qū)在生產(chǎn)或服務(wù)過程中所消耗的水資源量；EWFP代表外部水足跡，即該地區(qū)進口虛擬水總量；AWU為農(nóng)業(yè)虛擬水量；IWU為工業(yè)用水量；DWU為生活用水量；EWU為生態(tài)用水量；VWU為出口虛擬用水量；VWI為進口虛擬水量，VWE為該地區(qū)進口產(chǎn)品再出口的虛擬水量(考慮數(shù)據(jù)獲取難度，忽略不計)。

1.2 不同類型水足跡核算方法

水足跡計算時，農(nóng)業(yè)水足跡采用農(nóng)業(yè)虛擬水量數(shù)據(jù)； 工業(yè)水足跡，生態(tài)水足跡，生活水足跡均可采用實體需水量； 由于貿(mào)易的影響，水足跡可跨越區(qū)域界限，故在水足跡計算時應(yīng)考慮凈貿(mào)易虛擬水量。

農(nóng)業(yè)虛擬水量是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)過程中消耗的藍水和綠水總和，包括農(nóng)作物產(chǎn)品和動物產(chǎn)品的虛擬水含量[15]，計算公式為：

農(nóng)業(yè)虛擬水量=單位產(chǎn)品虛擬水含量×產(chǎn)量

(2)

1.3 水資源利用與經(jīng)濟增長評價模型

水資源利用與經(jīng)濟增長之間存在脫鉤與耦合兩種關(guān)系。脫鉤是指在經(jīng)濟增長條件下，水資源利用與環(huán)境壓力呈下降趨勢； 耦合是指在經(jīng)濟發(fā)展條件下，水資源利用和環(huán)境壓力同增。

依據(jù)Vehmast的提出脫鉤指數(shù)理論[16]，其計算公式為：

DF=VGDP-VWF

(3)

式(3)中，DF表示脫鉤指數(shù)，VGDP表示年均經(jīng)濟變化率，VWF表示年均水足跡變化率。當VGDP>0，VWF<0，DF>0時，表明水資源利用與經(jīng)濟增長處于絕對脫鉤優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)狀態(tài)； 當VGDP>0，VWF>0，DF>0時，表明水資源利用與經(jīng)濟增長處于相對脫鉤初級協(xié)調(diào)狀態(tài)； 當DF≤0時表明水資源利用與經(jīng)濟增長處于未脫鉤不協(xié)調(diào)狀態(tài)。

1.4 水資源利用評價指標

水資源評價指標可以衡量一個地區(qū)的水資源利用狀況，主要包括水資源匱乏度(WS)[17]以及水資源利用效率(WUE)[18]等指標。

1.5 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于《安陽市水資源公報》(2001—2017年)、《安陽市統(tǒng)計年鑒》(2001—2017年)、《河南省統(tǒng)計年鑒》(2001—2017年)，以及安陽市統(tǒng)計信息網(wǎng)。其中，農(nóng)牧作物產(chǎn)量來源于《安陽市統(tǒng)計年鑒》； 工業(yè)水足跡、生態(tài)水足跡、生活水足跡以及萬元產(chǎn)值用水量來源于《安陽市水資源公報》； 進出口貿(mào)易總額來源于安陽市統(tǒng)計信息網(wǎng)和《河南省統(tǒng)計年鑒》。考慮數(shù)據(jù)可得性，計算時進出口貿(mào)易虛擬水量采用萬元產(chǎn)值用水量與進出口貿(mào)易總額的乘積，凈貿(mào)易虛擬水量就是進口和出口產(chǎn)品貿(mào)易虛擬水量差值。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 安陽市農(nóng)業(yè)虛擬水量計算與分析

虛擬水是凝結(jié)在產(chǎn)品和服務(wù)中的虛擬水量。農(nóng)業(yè)虛擬水主要有兩部分構(gòu)成： ①農(nóng)作物產(chǎn)品的生產(chǎn)：包括小麥、玉米、大豆、棉花、油料、薯類、蔬菜和水果。計算時，農(nóng)作物單位產(chǎn)品虛擬水含量借鑒孫才志、白景鋒、黃會平等[19-22]研究成果(表1)； ②動物產(chǎn)品的生產(chǎn)：包括豬肉、牛肉、禽肉、兔肉、禽蛋、奶類和水產(chǎn)品，動物單位產(chǎn)品虛擬水含量借鑒Hoekstra等[23]的研究成果(表1)。

結(jié)合安陽市農(nóng)作物產(chǎn)品、動物產(chǎn)品產(chǎn)量，結(jié)合表1，采用式(2)計算安陽市的農(nóng)業(yè)虛擬水量(表2)。

表1 安陽市主要農(nóng)牧作物生產(chǎn)可用單位產(chǎn)品虛擬水含量 m3/kg

農(nóng)作物產(chǎn)品畜牧產(chǎn)品棉花大豆油料小麥薯類玉米水果蔬菜牛肉禽蛋水產(chǎn)品兔肉豬肉禽肉奶類6.933.441.451.050.950.800.190.1619.988.655.003.993.653.112.2

表2 2000—2016年安陽市農(nóng)作物和動物產(chǎn)品生產(chǎn)虛擬水量 億m3

年份小麥玉米大豆棉花油料薯類蔬菜水果豬肉牛肉禽肉兔肉禽蛋奶類水產(chǎn)200014.95 4.91 1.26 2.48 4.51 0.82 4.88 0.58 3.59 1.97 0.86 0.25 15.57 0.14 0.12 200213.91 6.04 1.17 2.89 4.26 0.68 5.82 0.63 4.10 2.19 1.01 0.29 18.22 0.29 0.13 200415.45 6.89 0.92 2.27 4.15 0.61 7.06 0.76 4.93 2.31 1.24 0.18 20.69 0.54 0.19 200617.20 9.30 0.92 2.34 3.58 0.68 7.64 0.85 5.53 1.80 1.29 0.19 23.52 0.97 0.35 200819.16 10.74 0.86 2.01 3.52 0.55 7.96 0.97 4.57 2.05 1.26 0.16 22.97 1.43 0.45 201019.57 11.09 0.53 1.22 3.78 0.48 8.79 1.08 5.12 2.21 1.40 0.16 24.52 1.73 0.41 201219.90 11.96 0.57 0.66 3.54 0.61 9.03 1.25 5.53 2.18 0.22 0.18 25.47 1.91 0.88 201420.78 12.45 0.53 0.44 3.75 0.59 8.98 1.66 6.20 2.26 1.35 0.10 27.68 1.17 0.93 201621.66 11.91 0.42 0.54 3.93 0.48 9.27 1.66 6.20 1.32 1.90 0.08 18.07 1.19 0.96

安陽市小麥等糧食作物虛擬水量較大，棉花等經(jīng)濟作物較小(表2)。農(nóng)作物產(chǎn)品虛擬水量中，小麥、玉米等糧食作物虛擬水量較大，年平均值分別為18.7億m3、9.8億m3，這與單位面積糧食產(chǎn)量增加、總產(chǎn)量不斷增長有關(guān)， 2016年糧食種植面積3.90萬hm2且產(chǎn)量達到2.2億kg，糧食作物水資源利用量大。棉花、大豆、水果等經(jīng)濟作物虛擬水量較小，年平均值分別為1.67億m3、0.78億m3、1.40億m3，經(jīng)濟作物種植面積小，水資源利用量少。這與安陽市注重傳統(tǒng)糧食作物發(fā)展，而忽略種植經(jīng)濟作物的情況相符。從水資源安全考慮，安陽市應(yīng)注重發(fā)展高效農(nóng)業(yè)，優(yōu)先發(fā)展單位產(chǎn)品虛擬水含量較低的小麥、玉米等糧食作物，使當?shù)厮Y源得到合理利用，實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展。

安陽市禽蛋、牛肉等動物產(chǎn)品的虛擬水量存在差異(表2)。動物產(chǎn)品虛擬水量中，禽蛋和豬肉虛擬水量最大，牛肉、兔肉和奶類次之，水產(chǎn)品最小，多年平均值分別為13.56億m3、1.10億m3、0.48億m3，表明禽蛋和豬肉生產(chǎn)數(shù)量多，水資源利用量大，其余動物產(chǎn)品雖單位虛擬水含量大，如牛肉、水產(chǎn)品，但生產(chǎn)數(shù)量少，因此水資源利用量較少，這與安陽市地處內(nèi)陸，重視發(fā)展畜牧養(yǎng)殖業(yè)有關(guān)。肉類、蛋奶等動物產(chǎn)品虛擬水含量增長較快，年增長率分別為56%(禽肉)、4%(豬肉)、14%(禽蛋)、16%(奶類、水產(chǎn)品)，表明隨著人口增長和生活水平提高，肉蛋、奶類需求量日趨增長，生產(chǎn)肉蛋奶等動物產(chǎn)品的水資源利用量不斷增加。安陽市應(yīng)調(diào)整動物產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，積極發(fā)展禽類和生豬等養(yǎng)殖業(yè)，進口牛羊肉、水產(chǎn)品等水密集型產(chǎn)品，減少當?shù)貏游锂a(chǎn)品生產(chǎn)的水資源利用量，實現(xiàn)水資源合理利用。

2.2 安陽市水足跡差異性分析

水足跡包括實體水和虛擬水兩部分。基于水足跡理論，利用計算式(1)對安陽市水足跡進行計算(表3)。

表3 2000—2016年安陽市水足跡構(gòu)成及水資源評價指標

年份農(nóng)業(yè)水足跡(億m3)工業(yè)水足跡(億m3)生活水足跡(億m3)生態(tài)水足跡(億m3)凈貿(mào)易虛擬水(億m3)總水足跡(億m3)人均水足跡(m3/人)水資源壓力指數(shù)(%)水資源匱乏指標(%)水資源利用效率(元/m3)200056.892.231.460.19-0.0260.751171.33.933.934.21200160.012.161.580.27064.011226.46.816.814.37200261.632.431.540.19-0.0865.701250.57.627.614.76200364.202.431.630.210.0868.551296.74.594.595.28200468.201.801.360.06-0.0471.381344.04.424.416.49200571.402.001.350.050.2875.071406.35.575.597.43200676.181.761.320.160.0479.461480.84.604.618.13200775.181.571.300.230.0678.351452.44.704.7010.31200878.681.521.331.390.0682.981531.07.427.4312.49200983.051.731.360.500.3386.971597.18.888.9212.93201082.081.791.430.510.5386.341518.26.836.8715.24201182.582.111.450.460.5087.111524.78.738.7817.07201283.882.231.450.490.1488.201537.19.759.7617.77201386.302.031.570.850.5991.331584.410.1810.2518.43201488.872.011.310.480.2192.882094.212.9813.0117.15201586.281.991.470.780.0890.602032.313.8513.8618.33201679.601.681.390.900.0483.611865.65.995.9921.54

安陽市總水足跡呈波動上升趨勢，人均水足跡高于我國平均水平(表3)。安陽市總水足跡總體呈上升趨勢，年均增長2%， 2014年最大為92.88億m3， 2014年之后水足跡略有下降； 安陽市多年平均人均水足跡為1 524.29m3/人·年，高于我國平均水平702m3/人·年。

安陽市水足跡構(gòu)成不均衡，內(nèi)部差異明顯(表3)。安陽市多年平均農(nóng)業(yè)水足跡占94.95%，工業(yè)占2.47%，生活占1.79%，生態(tài)和貿(mào)易虛擬水量占0.79%，安陽市農(nóng)業(yè)水足跡所占比重最大，這與安陽市注重傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展，經(jīng)濟發(fā)展相對緩慢，對外貿(mào)易交流能力較弱有關(guān)。

貿(mào)易虛擬水得到改善， 2005年之后進口虛擬水逐漸大于出口虛擬水(表3)。2005年以前，安陽市凈貿(mào)易虛擬水差額為負值，虛擬水貿(mào)易主要為順差，進一步加劇水資源的枯竭程度； 2005年以后，安陽市凈貿(mào)易虛擬水差額為正值，表示通過虛擬水貿(mào)易，一定程度上緩解了安陽市水資源短缺狀況。

2.3 安陽市水資源利用評價

基于水資源匱乏和水資源利用效率等指標，分析安陽市水資源狀況(表3)。

安陽市水資源匱乏度高，水資源供需矛盾突出。WS>1且年平均匱乏指數(shù)為7.48，最大值為13.86(2015年)，最小值3.93(2000年)，年均增長率8%，匱乏度呈現(xiàn)波動上升趨勢，安陽市多年平均水資源10.9億m3，年均水足跡79.6億m3，表明安陽市水資源供需矛盾突出，水資源匱乏度高。

安陽市水資源利用效率提高，但水資源安全形勢不容樂觀。隨經(jīng)濟的發(fā)展和科技水平的提高，水資源利用效率由4.21元/m3(2000年)增長到21.54元/m3(2016年)，年均增長率為11%。但隨著水資源需求量的不斷增大，供需矛盾顯著，水資源利用效率的提高對于解決水資源問題的作用有限。

2.4 安陽市水資源利用與經(jīng)濟增長脫鉤關(guān)系評價

運用脫鉤評價公式(3)分析安陽市水資源利用與經(jīng)濟增長的關(guān)系(圖1)。

圖1 2001—2016年安陽市水資源利用與經(jīng)濟增長脫鉤關(guān)系

安陽市水資源利用與經(jīng)濟增長總體處于弱脫鉤的初級協(xié)調(diào)狀態(tài)(圖1)。近年來，安陽市經(jīng)濟增長速度在0～0.3，水足跡變化率在-0.1～0.1之間，說明安陽市的水資源消耗速度低于同期經(jīng)濟增長水平，即在經(jīng)濟增長的同時，水足跡不斷下降，兩者整體上呈現(xiàn)相背離的狀態(tài)。2001—2014年GDP年增長率為14%，水足跡年均增長率為3.1%，除2007年和2010年外表現(xiàn)為強脫鉤，其余年份均為弱脫鉤。安陽市2015—2016年 GDP保持6%的年均增長率，水足跡年均下降率為5%，原因在于伴隨著科技水平的提高，以及節(jié)水措施的實施等，水資源利用與經(jīng)濟增長由弱脫鉤轉(zhuǎn)向強脫鉤的協(xié)調(diào)狀況。

3 結(jié)論

基于水足跡理論和脫鉤模型，評價了安陽市水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系。結(jié)論如下。

(1)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的虛擬水量存在較大差異。小麥、玉米等糧食作物虛擬水量較大，棉花、大豆、水果等經(jīng)濟作物虛擬水量少； 禽蛋和豬肉虛擬水量最大，牛肉，兔肉和奶類次之，水產(chǎn)品最小。

(2)安陽市總水足跡呈波動上升趨勢且構(gòu)成不均衡。安陽市總水足跡年均增長率為2%，安陽市人均水足跡(1 524.29m3/人·年)高于我國平均水資源量(1 049m3/人·年)。安陽市水足跡內(nèi)部差異明顯，農(nóng)業(yè)水足跡占94.95%，工業(yè)占2.47%，生活占1.79%。

(3)安陽市水資源匱乏程度增大，水資源供需矛盾突出。水資源年平均匱乏指數(shù)為7.48，年均增長率8%，水資源利用效率年均增長率為11%，但水資源供需矛盾突出。

(4)安陽市水資源利用與經(jīng)濟增長呈現(xiàn)出弱脫鉤向強脫鉤的轉(zhuǎn)化趨勢。2001—2014年，GDP年增長率(14%)與水足跡年均增長率(3.1%)表現(xiàn)為弱脫鉤狀態(tài)(2007年和2010年除外)； 2015—2016年，則由弱脫鉤轉(zhuǎn)向強脫鉤的協(xié)調(diào)狀態(tài)。