水資源可持續利用及其與經濟發展的脫鉤分析
——以長春市為例

(吉林大學 新能源與環境學院，吉林 長春 130012)

1 研究背景

生態足跡由William于1992年提出，是一種通過引入生物生產類土地來衡量資源可持續利用的模型[1]。將水資源納入生態足跡模型中，以此來評價區域水資源的可持續利用狀況，是近年來諸多學者普遍使用的方法。李允潔等利用水資源生態足跡模型，對浙江省水資源可持續發展狀況進行了評估[2]；王榮森等對安徽省和江蘇省的水資源生態足跡和承載力進行了比較研究，分析了兩省產業結構變動對水資源生態足跡的影響[3]；李赫龍等對福建省水資源生態足跡的時空差異及演變特征進行了研究[4]；楊倩等對湖北省水資源生態承壓能力和社會發展的空間關聯性進行了探討[5]；李興正等對中國水資源生態承載力的供需平衡進行了研究，根據研究結果，認為應當從總體上來考慮水資源的宏觀調控和分配[6]。

脫鉤理論是探求經濟發展與資源消耗之間耦合與脫鉤關系的一種理論。耦合指資源消耗隨著經濟的增長而增長；而脫鉤又可分為絕對脫鉤和相對脫鉤，絕對脫鉤又稱為強脫鉤，是指資源消耗隨著經濟的增長而減少，相對脫鉤又稱弱脫鉤，指資源消耗隨著經濟的增長而以較低的比率增長，或者說資源消耗增長率小于經濟的增長率[7-9]。經濟合作與發展組織(OECD)將脫鉤定義為：經濟增長與環境資源耦合關系的瓦解[10]。劉賀賀等對東北地區城鎮化與生態環境的脫鉤關系進行了探討并對其發生變化的影響因素進行了分析[11]；黃展利用Tapio模型，分析了湖北省經濟增長與碳排放之間的脫鉤關系，并說明了其變化的原因[12]；洪思揚等利用脫鉤理論，探究了能源生產與用水之間的關系，以期實現水與能源的可持續發展[13]；謝文寶等對新疆農業面源污染與農業經濟增長進行了脫鉤分析，并提出了污染防治的對策及措施[14]。

在以往的研究中，眾多學者利用水資源生態足跡和承載力的差值來表示水資源生態的盈余/赤字，利用二者間的比值來判定區域水資源的可持續利用狀況，模型略顯繁瑣且沒有對水資源可持續(或不可持續)的利用程度進行分析。本文利用單一的水資源可持續利用指數模型，既可以定性判斷區域水資源生態的盈余/赤字，又可以定量分析區域水資源的可持續利用狀況；既簡化了模型，又細化了水資源可持續(或不可持續)的利用程度。

本文以長春市為研究對象，利用水資源可持續利用指數模型，從整體上對長春市2007～2016年10 a間的水資源的可持續利用狀況展開分析。同時，將水資源引入脫鉤理論中，從整體上對長春市10 a間的經濟發展與水資源消耗的協調關系進行了分析研究。本文計算結果可為長春市水資源的可持續利用及經濟與水資源的協調發展評估提供數據支持和決策參考。

2 研究方法

2.1 水資源生態足跡模型

水資源生態足跡模型是將某一區域的耗水量轉化為水資源用地面積，通過均衡化處理，即可得到用于不同地區間相互比較的均衡值[15]。計算公式如下：

EF=N×ef=N×r×(W/p)

(1)

式中，EF為水資源生態足跡，hm2；N為人口數，人；ef為人均水資源生態足跡，hm2/人；r為水資源全球均衡因子，該因子相當于一個權重因子，是用于對水資源土地面積與其他生物生產類土地面積進行轉化和比較[16]；W為人均耗水量，m3/人；p為水資源全球平均生產能力，m3/hm2，即水資源全球平均產水模數，是指單位面積的生物生產類土地的產水能力。

2.2 水資源承載力模型

水資源承載力是指某一區域特定時間節點上的水資源最大供給量可供支持該區域的社會、資源和環境可持續發展的能力[17]。根據楊志峰等的研究成果，某一區域水資源承載力中，應至少扣除水資源總量的60%用來維持生態環境[18]。因此，水資源承載力計算公式為

EC=N×ec=0.4×θ×r×(Q/p)

(2)

式中，EC為水資源承載力，hm2；ec為人均水資源承載力,hm2/人；θ為水資源產量因子，是指研究區域的水資源平均生產能力與全水資源平均生產能力的比值；Q為水資源總量,m3；N,r,p含義與前文一致。

2.3 水資源可持續利用評價模型

水資源可持續利用評價指標主要有水資源生態盈余/赤字、水資源生態安全判定及水資源可持續利用指數。如前文所述，在以往的評價模型中，利用水資源生態足跡和承載力的差值來表示水資源生態盈余/赤字，若差值小于0，說明區域的水資源生態盈余，反之體現為水資源生態赤字[19]；利用水資源生態足跡和承載力的比值來判定水資源生態的安全性，若比值小于1，說明區域的水資源利用處于安全狀態，反之則說明水資源利用處于危險狀態，且比值越大越危險[20]。本文利用水資源可持續利用指數模型，既可以定性判斷區域水資源生態盈余/赤字和水資源生態的安全性，又可以定量分析區域水資源的可持續利用程度。水資源可持續利用指數是指某一區域在特定時間節點上可持續供給的水資源量滿足該區域一切生產、生活對水資源的需求程度。其計算公式為

(3)

式中，μ為水資源可持續利用指數，若μ<0.5，說明EF>EC，即區域水資源表現為生態赤字，水資源利用處于危險狀態，水資源利用不可持續；若μ>0.5，說明EF

表1 水資源可持續利用程度劃分Tab.1 Classification of sustainable utilization of water resources

2.4 經濟發展與水資源消耗的脫鉤評價模型

將水資源納入脫鉤理論中，衡量經濟發展與水資源消耗的關系。如前文所述，當水資源消耗量隨著經濟的增長而減少(或不變)時，稱為經濟發展與水資源利用處于絕對脫鉤(強脫鉤)狀態；當水資源消耗量隨著經濟的增長而以較低比率增長，即水資源消耗量的增長率小于經濟增長率時，稱為經濟發展與水資源消耗處于相對脫鉤(弱脫鉤)狀態。由此可見，絕對脫鉤(強脫鉤)是經濟與水資源協調發展的最理想情形。結合Vehmast的脫鉤指數模型[22]，構建經濟發展與水資源消耗的脫鉤指數模型如下：

DI=WCGR/EGR

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中，DI為脫鉤指數(Decoupling Index)，WCGR為耗水量增長率(Water Consumption Growth Rate)，EGR為經濟增長率(Economic Growth Rate)；WCt，WCt-1為研究區域第t年和第(t-1)年的耗水量，GDPt，GDPt-1為研究區域第t年和第(t-1)年的GDP值。在賈莉等[23]的研究基礎上，考慮到臨界狀態下(即WCGR=0或EGR=0)的脫鉤界定情況，因此完善后的經濟發展與水資源消耗的脫鉤界定如表2所示。

表2 經濟發展與水資源消耗的脫鉤界定Tab.2 Definition of decoupling between economic development and water consumption

3 研究區概況

長春市位于東經124°18′～127°05′，北緯43°05′～45°15′，地處中國的東北部，總面積為20 565 km2，下轄7區3縣(市)，是我國重要的工業基地。長春市地勢平坦，氣候為溫帶大陸性半濕潤季風氣候，年平均氣溫4.6℃，多年平均降水量在600～700 mm之間；境內水系主要有第二松花江和拉林河兩大水系，主要河流有伊通河、霧開河、新凱河等。長春市擁有新立城、太平池和石頭口門3座大型水庫，蘇家崗、高城子、雙陽等16座中型水庫以及177座小型水庫。長春市是典型的缺水城市，多年人均水資源占有量為355 m3，是全省人均水資源占有量的1/4，全國人均水資源占有量的1/6[24]。

自2000年以來，為了解決城鄉供水問題，長春市先后實施了“引松入長”、石頭口門水庫增容等一系列工程。作為長吉圖開發開放先導區的核心區域，長春市近年來產業結構不斷升級，地區生產總值持續增長，三次產業產值均呈現為逐年增加的趨勢。隨著經濟社會的持續快速發展，長春市對水的需求量不斷增加，水資源的供需矛盾成為長春市發展進程中一大顯著問題。

4 數據收集與相關參數確定

4.1 基礎數據收集與整理

本研究需要的基礎數據中，水資源總量、降水量、耗水量等數據來源于長春市2007～2016年水資源公報；GDP、人口數等方面的數據來源于長春市2007～2016年國民經濟和社會發展統計公報。整理后的數據如表3所示。

4.2 模型參數確定

表3 數據及相關參數匯總Tab.3 Summary of data and related parameters

5 計算結果與分析

根據上述計算模型及收集整理的數據，即可得到如表4和表5所示的相關計算結果。

表4 長春市2007～2016年水資源相關計算結果Tab.4 Calculation results of water resources in Changchun city from 2007 to 2016

5.1 長春市水資源生態足跡與承載力計算結果分析

根據計算結果，繪制出了長春市水資源生態足跡與承載力變化趨勢，如圖1所示。由表4和圖1可以看出：

圖1 長春市2007～2016年水資源生態足跡及水資源承載力變化情況Fig.1 Change of water resources ecological footprint and water resources carrying capacity in Changchun city from 2007 to 2016

表5 長春市2007～2016年經濟發展與水資源消耗脫鉤界定結果Tab.5 Definition results of decoupling between economic development and water consumption in Changchun city from 2007 to 2016

(1) 長春市2007～2016年的水資源生態足跡比較平穩，平均值為2.07×106hm2(0.27 hm2/人)，最大值為2010年的2.35×106hm2(0.31 hm2/人)，最小值為2008年的1.77×106hm2(0.24 hm2/人)；

(2) 長春市2007～2016年的水資源承載力起伏較大，平均值為2.32×106hm2(0.31 hm2/人)，其中，較大的是2013年的4.67×106hm2(0.62 hm2/人)和2016年的4.60×106hm2(0.61 hm2/人)，較小的是2007年的4.92×105hm2(0.07 hm2/人)和2009年的6.89×105hm2(0.09 hm2/人)。

對于長春市水資源生態足跡和水資源承載力變化趨勢形成的原因，歸納起來主要有以下幾點：

(1) 根據公式(1)可以看出，水資源生態足跡與人口數和耗水量呈正相關，而長春市2007～2016年的人口數變化不大，基本上穩定在750萬人左右，耗水量也比較平穩，保持在10.74億～14.23億m3之間(見表3及圖2)。因此，水資源生態足跡各年份之間變化不明顯。

(2) 根據公式(2)可以看出，水資源承載力與水資源總量有關，而影響水資源總量的一大關鍵因素是降水量。長春市水資源公報顯示，長春市2007～2016年的降水量波動較大，豐水年、枯水年交替出現(見表3及圖2)。因此，長春市的水資源承載力與降水量呈明顯的正相關，降水量的起伏變化直接決定著水資源承載力的變化。

圖2 長春市2007～2016年降水量、耗水量及人口數量變化曲線Fig.2 Change of precipitation, water consumption and population in Changchun city from 2007 to 2016

5.2 長春市水資源可持續利用狀況計算結果分析

根據表4中的計算結果，可以得到長春市2007～2016年水資源可持續利用指數，如圖3所示。正如前文所提到的，當水資源可持續利用指數μ<0.50時，說明區域水資源表現為生態赤字，水資源利用處于危險狀態，水資源利用不可持續；當μ>0.50時，說明區域水資源表現為生態盈余，水資源利用處于安全狀態，水資源利用可持續。

從圖3可以看出，長春市10 a間的水資源利用隨著年份的不同而交替地呈現出可持續或不可持續狀態。其中，共有5個年份(2008，2010，2012，2013年和2016年)的水資源利用表現為可持續狀態；結合公式(3)，在長春市水資源生態足跡基本保持平穩的情況下，水資源可持續利用指數只與水資源承載力有關，且與水資源承載力的變化趨勢完全相同，圖1與圖3證實了這種變化關系。

根據水資源可持續利用程度劃分標準(見表1)，可以得到長春市2007～2016年各年份的水資源可持續利用程度，如表6所示。

從表6可以看出，長春市2007～2016年的水資源利用體現為不可持續的5個年份中，2007年的水資源為強不可持續，2015年水資源為弱不可持續，另外3個年份的水資源體現為中不可持續；而水資源體現為可持續的5個年份中，有3個年份為中可持續，2個年份為弱可持續，無強可持續的年份。綜合來看，長春市的水資源利用處于不可持續的狀態，顯然，水資源生態壓力較大。

圖3 長春市2007～2016年水資源可持續利用指數Fig.3 Index of water resources sustainable utilization in Changchun city from 2007 to 2016

表6 長春市2007～2016年水資源可持續利用程度Tab.6 Degree of water resources sustainable utilization in Changchun city from 2007 to 2016

5.3 長春市經濟發展與水資源消耗脫鉤分析

根據表5的計算結果可以看出，長春市2007～2016年間的經濟發展與水資源消耗經歷了強脫鉤—弱脫鉤—擴張性負脫鉤—強脫鉤—弱脫鉤的過程。其中，僅2009～2010年出現了擴張性負脫鉤這一不利情況，其他年份均為脫鉤狀態，且強脫鉤年份占半數，這說明長春市的經濟發展沒有過度依賴于水資源的消耗，經濟發展與水資源利用處于一種較協調的狀態。

作為吉林省省會城市，近年來長春市的經濟飛速發展，2016年的GDP總量為5 928.5億元，是2007年的2.84倍，而水資源消耗量從2007年的12.79億m3增加到了2016年的13.18億m3，僅僅增加了3%，這與長春市近年來產業結構的不斷調整密切相關。根據長春市國民經濟和社會發展統計公報，2007～2016年長春市三次產業結構的狀況如表7所示。從表7中可以看出，長春市10 a間三次產業產值均呈現出逐年增加的趨勢，而作為耗水最為嚴重的第一產業(農林牧漁業)，盡管產值在逐年增加，但其占總產值的比重卻在逐年減少(見圖4)。這是由于近年來長春市充分發揮工業基礎雄厚的優勢，汽車、軌道客車等工業發展迅速；同時，文化、旅游、金融、科技等一系列低耗水的服務業和高新技術產業在長春市得到了迅猛發展，大大拉動了區域經濟。因此，長春市的經濟發展沒有過分依賴于第一產業，長春市的經濟發展與水資源利用處于較協調的狀態。

表7 長春市2007～2016年三次產業結構情況Tab.7 Situation of three industrial structures in Changchun city from 2007 to 2016

圖4 長春市2007～2016年第一產業產值占總產值的比重Fig.4 The proportion of the first industry output value to the total output value in Changchun city from 2007 to 2016

6 結論與建議

6.1 結 論

借助于水資源生態足跡模型和水資源承載力模型，對長春市2007～2016年的水資源生態足跡和水資源承載力進行了計算分析。計算分析結果表明，長春市10 a間的水資源生態足跡比較平穩，平均值為0.27 hm2/人，而水資源承載力起伏較大，最大的為0.62 hm2/人，最小的為0.07 hm2/人。主要原因是長春市10 a間人口數量和耗水量變化不大，而水資源總量每年差異很大(主要與降水差異有關)，因此，水資源生態足跡變化不明顯，而水資源承載力變化幅度較大。

通過對長春市水資源可持續利用狀況分析可知，長春市2007～2016年間，共有5個年份(2007，2009，2011，2014年和2015年)的水資源利用處于不可持續狀態；而水資源利用體現為可持續的5個年份中，有3個年份為中可持續，2個年份為弱可持續，無強可持續的年份。因此總體來看，長春市的水資源生態壓力較大，水資源利用處于不可持續狀態。

基于脫鉤理論，構建了經濟發展與水資源消耗的脫鉤評價模型，并利用該模型，分析了長春市2007～2016年的經濟發展與水資源利用的協調關系。分析結果表明，長春市的經濟發展與水資源利用總體上處于脫鉤狀態，經濟發展沒有過于依賴水資源的大量消耗，二者間處于一種較協調狀態。這主要與長春市近年來產業結構的調整、第一產業(高耗水產業)產值的占比逐年降低有關。

6.2 建 議

為了改變長春市水資源不可持續的現狀，從以下兩個方面入手提出相應的措施和建議。

(1) 降低水資源生態足跡。在長春市人口數量基本保持平穩的前提下，減少水資源的消耗是當務之急。長春市2007～2016年的水資源公報顯示，長春市每年的農業耗水量占當年總耗水量的比例均維持在60%～70%之間，因此，減少農業耗水，比如建立健全節水型農業體系，大力發展節水灌溉型農業等是降低水資源生態足跡的有效舉措。

(2) 提高水資源承載力。盡管降水量是影響水資源總量的一個主要因素，但是由于降水與氣候等人為不可控的因素有關，因此需要在其他方面，比如加大水利工程建設等來增加水資源總量，進而提高水資源的承載力。

盡管長春市的經濟發展與水資源利用處于一種較協調的狀態，但是經濟增長與水資源消耗并未達到絕對脫鉤。因此，長春市在逐步完善現代化農業體系的同時，還應注重科學用水，比如對第二產業中工業用水的循環使用等；同時需要繼續推動產業結構調整，大力推進基礎設施建設，為低耗水的第三產業發展營造良好的環境。