基于水足跡理論的山西省水資源利用與經濟發展脫鉤狀況分析

喬揚源，賈陳忠

(山西師范大學地理科學學院，山西 臨汾 041004)

水是人類生存與發展過程中不可或缺的重要自然資源。當前，中國乃至全球很多地區都存在著水資源短缺的問題。隨著水資源短缺問題的不斷加深，水資源的科學評價和合理開發利用受到越來越多的關注。山西省地處中緯度內陸地帶，位于我國華北地區西部。長期以來存在著水資源總量不足、分布不均等問題，大大影響到其社會經濟的發展。因此，充分掌握山西省水資源配置狀況，明確其水資源利用過程中存在問題，對山西省水資源的合理開發利用和可持續發展尤為重要。

目前，區域水資源評價多以實體水為基礎進行分析，忽略了虛擬水的消耗，不能全面真實的反映區域水資源的消耗狀況。虛擬水的概念是1993年由英國科學家Allan[1]首先提出的，是指凝結在人類所生產的產品或服務中的水資源總量。在此基礎上，Hoekstra教授于2002年提出了水足跡的概念。水足跡是指一個國家、一個地區或一個人，在一定時間內消費的所有產品和服務所需要的水資源的總量[2]。這里的水資源總量不僅包含了對實體水的消耗，還包含了凝結在消費產品及服務中的虛擬水消耗。采用這一理論可以更加充分的反映研究區水資源的消費情況，這對全面科學的開展區域水資源評價工作具有重要意義。水足跡理論自提出以來，便受到國內外眾多學者的關注，并得到了快速發展。

我國學者對水足跡理論的研究主要集中在農產品水足跡和區域水足跡的核算方面，以及以此為基礎的水資源評價工作。在區域水足跡的核算方面，以全國及省域等尺度的研究居多，全國范圍水足跡研究如：吳兆丹[3]研究了中國2007年水足跡的空間差異及成因，王新華[4]對中國2000年的水足跡進行了計算及結構分析，孫才志[5]在對全國1997-2007年水足跡進行計算的基礎上分析了其空間變化規律及成因，馬靜[6]計算了1999年的全國水足跡及主要農產品虛擬水含量，并分析了虛擬水流量狀況。區域水足跡的研究如：王新華[7]對甘肅省2003年水足跡及評價指標進行了計算和分析，郭斌[8]對2003年陜西省水足跡進行了計算分析，黃登迎[9]對新疆2016年畜牧業水足跡進行了計算分析。余灝哲[10]計算了山東省2005-2014年的水足跡并進行了時空變化分析，戚國強[11]運用水足跡理論計算了黑龍江2003-2012年的水足跡，并對產業水資源利用和經濟可持續發展狀況驚醒了評價。在這些研究中，對水足跡及其評價指標的計算以及時空分析的方法是區域水資源研究和評價的一個重要方向，也是了解區域水資源實際狀況的一個有效途徑。對于山西省水足跡的研究，王云飛[12]對山西省2006-2015年的農業水足跡進行了計算分析，馮變變[13]對山西省主要糧食作物的水足跡進行了計算分析，但對山西省整體水足跡核算和評價的研究卻未見報道。脫鉤理論認為，經濟增長與資源環境壓力之間存在兩種關系：一是資源利用與環境壓力隨著經濟增長而增長，稱為耦合；二是資源利用與環境壓力并沒有隨著經濟增長而增加，反而減少，稱為脫鉤。脫鉤又可分為相對脫鉤和絕對脫鉤，前者是指經濟增長時，資源環境壓力以較低比率增長；后者是指經濟增長的同時，資源環境壓力的增長率減小[14]。國內部分學者將這一理論與水足跡理論相結合用于水資源利用與經濟發展的相關性研究[15-18]。

為了解山西省水足跡現狀及變化趨勢，為今后的水資源管理及政策的制定提供可靠的理論基礎。本文采用自上而下法對山西省全省及11個行政區2007-2016年間的水足跡進行了計算，分析了水足跡的時空變化特征，結合水足跡評價指標對區域水資源開發利用情況進行了評價分析。同時，運用經濟脫鉤分析理論，討論了山西省水資源利用與經濟增長之間的協調關系。

1 研究方法與數據來源

1.1 水足跡計算方法

區域水足跡核算方法主要有自下而上法和自上而下法。其中，自下而上法是從產品消費的角度進行區域水足跡的核算，自上而下法則是從產品生產的角度進行區域水足跡的計算。考慮到用于消費的產品和服務有很大的流動性，其水資源消耗可能來自于其他地區。而產品生產消耗的水資源多為當地水資源，用自上而下法進行計算能更好地反映當地水資源的消耗。因此，本文采用自上而下法進行計算，即根據一個國家或地區的實際用水量等于生產該國家或地區居民所消費的所有產品和服務的本地水資源需求總量與該國家或地區的進口虛擬水總量的和[19]：

WFP=IWFP+VWI

(1)

式中：WFP為區域水足跡；IWFP為內部水足跡；VWI為虛擬水進口量。

IWFP=WFPa+WFPi+WFPd+WFPe-VWE

(2)

式中：WFPa為農業生產用水量；WFPi為工業生產用水量；WFPd為居民生活用水量；WFPe為生態環境用水量；VWE為虛擬水出口量。

1.1.1 農業生產用水量

農業生產用水量包括種植作物產品生產用水量和畜牧產品生產用水量。本文選取了山西省11種主要的種植作物產品(油料、棉花、蔬菜、水果、稻谷、小麥、玉米、谷子、高粱、大豆、馬鈴薯)和7種主要的畜牧產品(豬肉、羊肉、牛肉、禽肉、鮮奶、禽蛋、水產)。采用單位產品虛擬水含量乘以產量的方法計算不同產品的生產用水量。根據國內水足跡研究文獻[5,7,19-25]，同時考慮到數據的完整性和通用性，種植產品單位虛擬水含量采用Chapagain和Hoekstra[19]2006年研究成果中關于中國部分的數據，畜牧業產品單位虛擬水含量采用Mekonnen[20]2010年研究成果中關于中國部分的數據；同時參考2016年劉寧[25]的研究成果對油料、棉花、水產產品單位虛擬水含量進行補充。具體結果見表1。

表1 主要產品單位虛擬水含量及來源

結合山西省農作物的實際產量情況，豆類產品以大豆為主，因此豆類產品單位虛擬水含量按大豆計算。同理，薯類按照馬鈴薯計算，水果按照蘋果進行計算。

由于山西省各行政區的統計數據中，缺少稻谷、小麥、玉米、谷子、高粱、豆類和薯類等品種各自的年產量數據，僅有綜合的糧食產量數據。同樣的，缺少牛肉、羊肉、豬肉和禽肉的年產量數據，僅有肉類的綜合產量數據。本文根據山西省不同糧食作物的年產量，進行加權平均，計算糧食和肉類的單位虛擬水年含量值。

1.1.2 工業生產、居民生活、生態環境用水量

工業用水數據引用《山西省統計年鑒》中的工業用水數據。居民生活、生態環境用水以實體水消耗為主，引用《水資源公報》中的數據。由于《山西省統計年鑒》中2010年之前的未對居民生活用水和生態環境用水進行拆分，因此2007-2010年將兩項合并為生活、生態用水進行計算。

1.1.3 虛擬水貿易量

虛擬水貿易量包括虛擬水進口量和虛擬水出口量兩部分，由于進出口商品品類繁多，無法準確計算其虛擬水含量。參考已有研究成果[10,26]，以單位GDP耗水乘以進出口貿易量進行估算，計算公式如下：

VWI=進口貿易值/GDP×總生產耗水

(3)

VWE=出口貿易值/GDP×總生產耗水

(4)

1.2 水資源利用狀況評價指標

根據戚瑞[27]構建的區域水資源利用評價指標體系，結合研究區域的實際情況，選取水資源自給率、水足跡經濟效益值、水資源匱乏指數等作為評價指標，對山西省水足跡的結構、效益和生態安全進行綜合評價。

1.2.1 水資源自給率

水資源自給率等于內部水足跡與水足跡的比值。反映研究區域對本地水資源的使用程度，計算方法如下：

水資源自給率=IWFP/WFP×100%

(5)

1.2.2 水足跡經濟效益

水足跡經濟效益等于當地生產總值與水足跡的比值，代表研究區域單位水足跡消耗產生的經濟效益值，反映區域水資源的利用效率，計算方法如下：

經濟效益值=GDP/WFP

(6)

1.2.3 水資源壓力指數

指內部水足跡、虛擬水出口量之和與可用水資源量的比值，能夠反映地區水資源利用的安全程度。其值≤1時，說明區域水資源流量資本能夠滿足發展需求，水資源利用處于安全狀態。其值>1時，說明區域水資源不能滿足發展要求，區域水資源利用已處于不可持續的赤字狀態，水資源利用不安全，并且可能已經占用水資源存量資本。水資源壓力指數越大，反映區域水資源利用狀況越不安全，未來的水資源利用風險越大。計算方法如下：

水資源壓力指數=(IWFP+VEW)/WA×100%

(7)

式中：WA為區域水資源總量。

1.3 脫鉤指數計算

根據潘安娥等[28]運用脫鉤理論構建的脫鉤指數計算模型，第t期末的脫鉤指數Df為：

(8)

1.4 數據來源

本文中的農業產量數據、進出口貿易額、地區生產總值、人口、實際用水量和水資源量等數據均來自于2017-2008年的《山西省統計年鑒》。對于《統計年鑒》數據不詳細和缺失數據，參考2011-2016年的《山西省水資源公報》和2007 -2016年山西省及各行政區的《國民經濟與社會發展統計公報》進行補充。

2 結果分析與討論

2.1 山西省水足跡變化特征

2.1.1 水足跡時空變化特征

2007-2016年山西省各行政區水足跡值見表2。由表2可以看出，2007-2016年間山西省水足跡呈上升趨勢， 2014年最高，達到302.91 億m3，2007年最低點，為203.8 億m3。其中，2007-2013年間上升較快，平均為14.95 億m3/a。2013-2016年間上升幅度明顯放緩，平均為2.13 億m3/a。說明近年來山西省的水資源管理政策和產業結構調整政策促進了區域水資源的合理利用，有效遏制了水資源消耗的上升。

在11個行政區中，運城市的歷年水足跡值明顯高于其他區域，陽泉市又明顯低于其他區域，原因在于二者不同的產業結構。農業是一種高耗水的產業，同時也是水足跡核算的主要部分，運城市以農業為主要產業，農產品產量遠高于其他行政區，因此運城市水足跡值較高。陽泉市則不同，陽泉市擁有豐富的煤礦等自然資源，資源開采和化工工業等是其產業發展重點，因此地區水足跡值表現偏小。其中2016年運城市水足跡為98.12 億m3，同期陽泉市水足跡為5.83 億m3，說明山西省各行政區水資源消耗狀況差距懸殊。另外，根據10年間水足跡值的變化趨勢，山西省各行政區大致可以分為兩類。其中，太原市、陽泉市10年間水足跡變化幅度很小，基本呈平穩發展態勢，這與兩市的自然地理環境和產業發展結構有關。其余9個行政區均表現為逐步上升趨勢，其中以運城市、臨汾市表現最為明顯。

表2 2007-2016年山西省各行政區水足跡值

2.1.2 人均水足跡時空變化特征

圖1表示2007-2016年山西省各行政區人均水足跡值。2007-2016年間，山西省人均水足跡平均值為731.22 m3/人，其中最高值出現在2014年為830.35 m3/人，最低值出現在2007年為600.72 m3/人，整體上呈現逐步上升的趨勢。10年間人均水足跡平均值高于全省平均值的行政區有六個，依次為：運城市1 475.81 m3/人，朔州市1 232.62 m3/人，晉中市1 175.98 m3/人，晉城市858.29 m3/人，臨汾市822.49 m3/人，忻州市737.47 m3/人。低于全省平均值的5個行政區依次為：長治市724.16 m3/人，大同市635.6 m3/人，呂梁市622.52 m3/人，太原市393.69 m3/人，陽泉市388.78 m3/人。其中最高的運城市和最低的呂梁市之間相差3.8倍，表明山西省水資源利用的地域差異顯著。在變化趨勢上，除太原市人均水足跡有小幅下降外，其余10個行政區均表現出不同程度的上升趨勢。

圖1 2007-2016年山西省各行政區人均水足跡值

2.1.3 水足跡結構變化特征

由圖2可以看出，在不考慮虛擬水貿易的情況下，山西省10年間水足跡結構變化很小，水足跡的增長主要來自于農業用水量的增加。農業水足跡占比一直維持在本地水足跡的90%左右。工業用水由2007年的7%下降到2016年的4%，而生活、生態用水則從2007年3%上升至2016年的6%。這說明山西省在近年來產業轉變政策落實過程中，工業用水量得到很好的控制，工業用水效率進一步提高。同時由于人口增長等方面帶來的社會壓力，生活、生態用水量有所上升。而山西省近年來的水足跡上升主要原因還在于種植業和畜牧業生產用水的提高。

圖2 2007-2016年山西省水足跡組成結構

2.2 山西省水資源利用狀況評價

2.2.1 水資源自給率

2007年至2016年間，山西省水資源自給率水平非常高，平均值為98.97%。其中最低值為2007年的97.82%，最高值為2009年的99.45%，見表3。11個行政區中，除太原市外，10年間水資源自給率均保持在97%以上。太原市水資源自給率一直處于省內各行政區中最低水平，2007年為80.73%到2016年發展為90.6%，這主要與太原市作為省會城市的特殊性及其自然地理環境和產業結構特征有關。10年間山西省水資源自給率保持在一個較高水平且變化程度不大的情況，說明山西省作為一個內陸省份，一直存在虛擬水進出口貿易欠發達的情況，水資源消耗需求絕大多數來自于本地水資源的供給。因此，大力發展虛擬水貿易，提升虛擬水進口量，是緩解山西省水資源短缺問題的有效措施。

2.2.2 水足跡經濟效益

山西省水足跡經濟效益見圖3。研究期內，經濟效益由28.13 元/m3上升到43.23 元/m3。其中，2007-2011年屬于快速上升期，表明山西省水資源利用效率在此期間得到明顯提高； 2011-2016年則變化不明顯，水資源利用效率平穩。11個行政區2016年的水足跡經濟效益值由高到低分別為：太原183.28 元/m3、陽泉106.9 元/m3、晉城46.19 元/m3、長治45.08 元/m3、大同39.77 元/m3、呂梁38.22 元/m3、朔州37.54 元/m3、臨汾27.06元/m3、忻州25.92元/m3、晉中24.14 元/m3、運城12.46 元/m3。各行政區10年間水足跡經濟效益值均有不同程度的提高，其中增幅最大的是太原市，增加了102.33 元/m3。其中，2011年是各行政區水足跡經濟效益變化的一個關鍵轉折點，根據變化趨勢的不同，可以將行政區劃分為4類：①太原市，10年間其水足跡經濟效益值一直穩定快速增長。②大同市、陽泉市、晉城市、忻州市等四個地區2007年至2011年水足跡經濟效益值呈不斷增長趨勢，2011年至2016年增長趨勢明顯減小，變化平穩。③呂梁市、臨汾市、晉中市、朔州市、長治市等五個地區在2011年前為上升趨勢，在2011年后均有不同程度下降。④運城市水足跡經濟效益值一直處于一個較低水平，且10年間表現平穩，沒有明顯的變化。

表3 2007-2016年山西省各行政區水資源自給率 %

圖3 山西省2007年、2016年各行政區水資源壓力指數

表4 山西省水足跡經濟效益元/m3

2.2.3 水資源壓力指數

山西省10年間各行政區的水資源壓力指數均大于1，說明山西省各行政區的水資源利用長期處于不可持續狀態，水資源流量資本不能滿足發展需求，各地區已不同程度的占用了水資源存量資本。山西省整體水資源壓力指數由2007年的1.96上升到2016年的2.24。以全省水資源壓力指數平均值為標準，太原市、大同市、朔州市、晉中市、運城市、臨汾市6個行政區水資源壓力指數均值高于全省平均；陽泉市、長治市、晉城市、忻州市、呂梁市5個行政區水資源壓力指數均值低于全省平均值。根據計算結果，結合ArcGIS空間分析法，繪制山西省2007年、2016年水資源壓力指數分布圖。如圖3所示，11個行政區中，大同市、長治市、朔州市、運城市、忻州市、臨汾市水資源壓力指數相比10年前都有不同程度的增加，表明這些地區的用水環境還在不斷惡化。太原市、陽泉市、晉城市、晉中市水資源壓力指數10年間均有所下降，說明水資源利用壓力有所緩解。呂梁市則基本保持不變。整體上，山西省水資源壓力仍不斷增大，水資源短缺問題不斷加深。但部分地區壓力上升趨勢已得到控制，并出現下降趨勢，說明這些地區的水資源管理工作取得了一定的成效，但山西的水資源短缺和地區差異問題仍然表現得非常顯著。

2.3 經濟增長與水資源利用協調關系

如表5所示，山西省10年間經濟增長與水資源利用協調關系評價結果中，僅2013年和2014年處于未脫鉤，不協調狀態，其余年份評價結果均為脫鉤，協調狀態，其中2007年、2009年和2015年為絕對脫鉤，優質協調。10年間，山西省水足跡變化率和經濟增長率變化幅度均趨于平緩，由此導致的脫鉤指數變化也相應減小。這主要與山西省產業結構調整和轉型發展政策以及水資源利用效率的不斷提高有關。一方面，經濟發展速度放緩，進入平穩增長期，GDP增長率在經過了一段時間的下降期后表現為穩定且有緩慢上升的態勢。另一方面，隨著水資源利用效率的提高，以及受到產業轉型發展政策的影響，水足跡變化率由前期的高變化率狀態轉變為一個相對穩定的低水平波動狀態。山西省經濟增長與水資源利用之間總體上處于協調狀態，但由于經濟增長率和水足跡變化率前期變化幅度較大，表現為較大的波動性?，F階段表現為平穩、協調的發展趨勢。見圖4。

表5 山西省經濟增長與水資源利用協調關系

圖4 山西省經濟增長與水資源利用協調關系圖

3 結論與建議

(1)山西省水足跡總體上呈現上升趨勢，各行政區中，運城市水足跡值最高，陽泉市水足跡值最低。2007年至2016年山西省人均水足跡平均值為731.22 m3/人，同樣呈現出逐步上升的趨勢。各行政區之間差異顯著，運城市和呂梁市之間相差3.8 倍，說明山西省水資源利用的地域差異顯著。在變化趨勢上，除太原市人均水足跡有小幅下降外，其余10個行政區均表現為上升趨勢。山西省水足跡結構在研究時限內基本穩定。農業水足跡占比一直保持在90%左右。工業用水由2007年的7%下降到2016年的4%，生活、生態用水從2007年3%上升至2016年的6%。建議制定、落實合理的農業節水措施，推廣農業節水技術，促進農業生產用水效率的提高，進一步降低水資源消耗。

(2)山西省水資源自給率水平非常高，平均值為98.97%。其中最低值為2007年的97.82%，最高值為2009年的99.45%。11個行政區中，除太原市外，10年間水資源自給率均保持在97%以上。太原市水資源自給率也由2007年的80.73%上升到2016年的90.6%。說明山西省虛擬水進口不足，存在很大的發展潛力，結合山西省水資源短缺和水資源消耗壓力大的實際情況，建議加大虛擬水進口來緩解山西省的水資源短缺問題。

(3)山西省水足跡經濟效益由2007年的28.13 元/m3上升到2016年的43.23 元/m3，說明山西省水資源利用效率在不斷提高。各行政區10年間水足跡經濟效益均有不同程度的提高，其中增幅最大的是太原市，增加了102.33 元/m3。2011年是各行政區水足跡經濟效益發展趨勢變化的一個關鍵轉折點，據此可將行政區劃分為四種類型。

(4)山西省10年間各行政區的水資源壓力指數均大于1，說明山西省各行政區的水資源利用長期處于不安全狀態，各地區水資源存量資本被不同程度占用。整體水資源壓力指數由2007年的1.96上升到2016年的2.24。山西省水資源壓力問題不斷惡化，地區間差異明顯，部分行政區水資源壓力指數有所下降，但仍大于1，處于不可持續利用狀態。為緩解水資源供需不平衡的問題，應積極尋求政策和技術支持，大力開展節水治水工作，在降低水資源使用量的同時，提高水資源的利用效率。

(5)除2013年、2014年外，山西省10年間經濟增長與水資源利用關系均為脫鉤，協調狀態，其中2007年、2009年和2015年為絕對脫鉤，優質協調。經濟增長率和水足跡變化率前期表現為變化幅度較大，現處于平穩、協調的發展趨勢中。為確保資源與經濟處于協調狀態，繼續向優質協調關系方向發展。一方面應積極推進經濟轉型發展戰略，在穩步經過轉型陣痛期后，大力發展地區經濟，提高積極增長率。另一方面，應運用政策管理和技術手段，提高水資源利用效率，控制和減少水資源的消耗。