云南省水資源生態足跡的時空演化特征分析

韓麗紅，潘玉君，馬佳伸，楊冬琪，楊曉霖，劉 化

(云南師范大學地理學部，云南 昆明 650500)

水是萬物存在之源，是人類經濟社會發展不可或缺的重要資源，水資源的永續利用對于區域的持續健康發展具有重大的現實意義。伴隨工業化快速推進和人口數量的增長，水資源的需求在增加、污染在加重，水資源自身的凈化能力和動態平衡逐漸被打破，進一步阻礙和制約區域健康發展[1]。因此，只有了解和掌握水資源的動態發展狀況的基礎上，才能為水資源的發展和保護提供決策參考。

基于生態足跡模型對水資源的發展演變進行分析是當前學術界聚焦的熱點之一。生態足跡這一理論最早由學者Wackernagel等[2]提出，由于該方法具有通俗易懂、簡單易行的特點，得到了許多國家和地區的認可，應用范圍逐步擴大并延伸至水資源研究領域。但傳統的生態足跡理論在水資源研究中僅描述了水域對水產品的供給能力，忽略了水資源生產能力對社會和自然的貢獻[3]。水資源生態足跡模型彌補了傳統生態足跡模型的不足，克服了人均水資源量、人均用水量等常用的水資源評價分析指標的不全面性，綜合考慮到社會和自然2個方面，將水資源賬戶分為農業、工業、生活和生態等二級用水賬戶，可以更好、更全面的測度區域的可持續發展狀況。目前，國內外學者運用水資源生態足跡模型對相關區域進行研究已經取得了豐碩成果。在國外，Hubacek等[4]通過生態水足跡模型研究了中國城市化與生活方式變遷的環境影響；Lee[5]通過計算水足跡等，探究城市生態足跡的增長是否阻礙了城市的經濟發展；Muratoglu[6]對2008—2019年迪亞巴克爾省農業、畜牧業、工業生產和生活用水的藍綠水足跡進行了分析研究。在國內，我國學者對水生態足跡的研究成果頗豐。在研究尺度上，多集中在對國家[7-8]、城市群[9-10]、經濟帶[11-12]、省域[13-14]、市域[15-16]及其他微觀區域[17]的研究；在研究內容上，側重對水資源可持續利用研究[15]、水資源生態承載力[17]、水資源利用與經濟發展關系[19]等方面研究；在研究方法上，研究者多選用水資源生態足跡[15-16]、灰色GM(1,1)[20]和DPSIR模型[21]、LMDI指數分解法[13]等模型對所選取的研究對象的水資源發展和利用狀況進行分析探究。

云南省是長江上游地區天然的綠色屏障，加強水資源生態環境保護對于整個長江流域的發展影響深遠。本文在學習前人研究成果的基礎上，以云南省為解析尺度，運用水資源生態足跡模型從時間視角對2008—2018年省域范圍進行探究；從空間視角選取2008、2013、2018年3個截面對市州進行探究，旨在分析水資源的時空演變和利用狀況，為區域水源的可持續發展提供重要參考。

1 研究區概況

云南省地處中國西南邊疆，位于北緯21°8′～29°15′，東經97°31′～106°11′，總面積39.41×105km2。省內地形地貌狀況復雜，高原山地占土地總面積的93.29%，耕地、人口等經濟活動主要集中在地勢緩和的壩子區，其面積也僅占6.71%；省內共有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、暖溫帶、溫帶和寒溫帶7個氣候帶，總體屬于亞熱帶和熱帶季風氣候，西北部為高原山地氣候，年平均降水量1 337.75 mm，水資源總量大；同時，全省處在長江、珠江、元江、瀾滄江、怒江、大盈江6大水系的上游，河川縱橫，高原湖泊眾多[22]。由于省內地勢呈現出“西北高、東南低”的分布格局及受氣候因素的影響，水資源在空間上的分布不均衡。在經濟發展過程中，水資源的匱乏逐步成為限制區域發展的主要因素。

2 研究方法與數據來源

2.1 水資源生態足跡

水資源生態足跡主要指某一區域人口和經濟在一定規模狀況下，維系水資源消耗和自然生態環境演化需要的水資源用地面積，能夠反映人類對水資源的占有程度[3]。

本文在學習水資源生態足跡內涵的基礎上，鑒于水資源利用類型存在差異，將水資源用水分為農業、工業、生活和生態4類用水并進行運算。計算過程如下[23]：

EFw=N·efw=N·γ·(W·Pw)

(1)

EFa=N·efa=γ·Wa/Pw

(2)

EFb=N·efb=γ·Wb/Pw

(3)

EFc=N·efc=γ·Wc/Pw

(4)

EFd=N·efd=γ·Wd/Pw

(5)

式中 EFw——水資源總生態足跡，hm2；N——人口數，人；efw——人均水資源生態足跡，hm2；γ——水資源全球均衡因子；W——人均水資源消費量，m3；Pw——全球多年平均產水模型，m3/hm2；EFa、EFb、EFc、EFd——農業、工業、生活和生態4種用水的生態足跡；efa、efb、efc、efd——人均農業、工業、生活和生態用水足跡，hm2/人；Wa、Wb、Wc、Wd——4種類用水消耗量，m3。

2.2 水資源生態承載力

水資源承載力是在研究過程選定的時間和空間尺度內，一地區所擁有的能夠最大程度支撐區域發展所需要的水資源總量。計算公式為：

ECw=N·ecw=0.4·φ·λ·Q/Pw

(6)

式中 ECw——水資源承載力，hm2；ecw——人均水資源承載力，hm2/人；φ——水資源產量因子；Q——水資源總量，m3。

地區水資源產量因子是研究區域的平均產水模量同全球多年平均產水模型的數值之比[24]，計算公式為：

φ=K/Pw

(7)

式中K——研究區平均產水模型；Pw——全球多年平均產水模型。

根據云南省2008—2018年產水模數基礎數據計算得到全省平均產水模數為4 918 m3/hm2，最終得出云南省φ值為1.20。

2.3 水資源生態盈余(短缺)

水資源盈余(短缺)計算結果可以客觀反映研究區發展所需水資源的貧富狀況。計算公式為：

EDw=ECw-EFw

(8)

其中 EDw——水資源盈余(短缺)。

當ECw>EFw時，EDw的值大于0，則水資源生態盈余；當ECw=EFw時，EDw的值為0，則水資源生態均衡；當ECw

2.4 水資源生態壓力指數

水資源的生態壓力數值的大小變化可以在一定程度上衡量特定研究區水源在使用過程中對生態環境所造成壓力的大小。計算公式為：

EP=ECw/EFw

(9)

式中 EP——水資源生態壓力指數。

本文對EP等級的劃分借鑒學者任志遠[25]的研究分為4種，見表1。

表1 水資源生態壓力指數等級

2.5 萬元GDP水資源生態足跡

萬元GDP水資源生態足跡的變化可以衡量研究區在發展過程中對水資源的使用狀況，其數值變化與水源利用效率呈現負向關系。

EFI=EFw/GDP

(10)

2.6 數據來源及部分參數說明

文中采用的年降水量、水資源總量及4類水資源用水(農業、工業、生活、生態)量等水文數據來源于2008—2018年《云南省水資源公報》；人口數、人均GDP、GDP等統計數據來自《云南省統計年鑒》(2009—2019)。

研究過程涉及參數γ和Pw的值均源自學者黃林楠等[3]的研究成果，采用WWWF2000的測算結果，取γ的值為5.19，Pw的值為3 140 m3/hm2。

3 結果與分析

3.1 云南省2008—2018年水資源生態足跡變化狀況

2008—2018年云南省水資源生態足跡整體上呈現出“W”型的波動變化軌跡。根據水資源生態足跡的歷年波動軌跡，將其劃分為下降(2008—2011年)—上升(2011—2012年)—下降(2012—2013年)—波動趨緩(2013—2016年)—上升波動(2016—2018年)5個變化階段(圖1)。其中，云南省水資源生態足跡的最大值出現在2017年，最小值出現在2011年，分別為25.87×107、24.26×107hm2，二者相差1.61×107hm2。

圖1 云南省2008—2018年總水資源生態足跡

在4類水資源用水賬戶中(圖2)，農業用水生態足跡最高，占總生態足跡的69.31%，總體呈現“先降后升”的變化趨勢，表明農業發展對水資源的耗損仍在持續增長。其中，2008年出現最大值18.18×107hm2，該年份全省降水充沛，水資源總量在研究時間段為最高值2 315×108m3，導致單位面積農業用地的水資源量增加；2010年為最小值16.61×107hm2，受到太平洋厄爾尼諾現象的影響，海洋季風攜帶的水汽無法到達陸地形成降水，導致該時間全省降水稀少，出現極端旱情，水資源總量為歷年最低。工業用水生態足跡占16.09%，變化軌跡呈“先升后降”的趨勢，最低值由2008年的3.81×107hm2逐年增加到2012年的最高值4.82×107hm2，此后歷年波動下降，表明全省工業結構逐步優化，水資源利用效率提高。2012年云南省政府印發了《關于推動工業跨越發展的決定》及2013年《關于建設旅游政府強省的意見》等一系列政策的出臺和實施，推動了產業結構轉型，水源浪費和污染減少，工業用水效率提高。生活用水生態足跡在2008—2018年間逐年上升，說明隨人口數量的增多、供水設施的完善和生活質量的提高，人們對日常生活用水的需求不斷增大，最終導致其數值逐年增大。生態用水的生態足跡占比最小，為1.68%，數值變化區間為0.17×107～0.65×107hm2，最小值出現在2013年，最大值出現在2018年，總體上也呈現“先降后升”的趨勢。

圖2 云南省水資源賬戶用水生態足跡

計算得出云南省2008—2018年水資源承載力、水資源生態盈余及生態壓力指數，并結合年降水量變化作圖進行分析(圖3)。比較2008—2018年全省水資源承載力、水資源生態盈余與年降水量之間的變化軌跡得出，三者之間的數值變化呈正向關系：水資源承載力、水資源生態盈余伴隨著年降水量的增加而上升，減少而降低。研究年份中，全省水資源生態盈余的數值均大于0，說明云南省水資源總量豐富，供給大于需求，能夠很好的滿足區域經濟發展需要。云南省的年降水量最高值出現在2008年，其水資源承載力、水資源生態盈余均達到了最大值，分別為1.26×107、0.71×107hm2；此后的3年(2009—2011)全省持續干旱，降水量下降，最低值出現在2011年，導致水資源承載力、水資源生態盈余降到了最小值，僅為0.80×107、0.27×107hm2；2012年之后，伴隨著降水量的逐年增加，水資源承載力也跟著呈現逐步增長的趨勢。由此可見，干旱等氣象災害不僅會影響年降水量，也會引起水資源承載力的年際變化，水資源承載力的變化相應也會導致水資源生態盈余的變化。2008—2018年全省水資源的生態壓力指數為0.44～0.66，其中2008、2016、2017和2018年4年的數值均小于0.5，表明云南省的水資源利用狀況安全；其余年份水資源的生態壓力指數處于0.5～0.8之間，表明這些年份全省的水資源利用處于較安全狀況。通過比較其數值發展軌跡發現：當水資源生態壓力指數達到最低值時，其他三者的數值均達到最大；當其數值在達到最高時，其他三者的數值均會降到最小，呈現出負向關系。2009、2011年2個時間點云南省水資源的生態壓力指數最高，這種狀況的出現主要也是受到2009—2011年三年大旱的影響。

圖3 云南省2008—2018年水資源可持續利用發展變化

云南省2008—2018年萬元GDP水資源生態足跡呈現逐年減小的趨勢(圖4)，最高值由2008年的0.44 hm2/萬元下降到2018年的最低值0.14 hm2/萬元，10年間整體降低了0.30 hm2/萬元，年平均降幅達到21.43%。表明全省在經濟發展過程中，隨著產業結構的優化升級，節水節能設施的不斷改進，旅游等第三產業的蓬勃發展，降低了對水資源的損耗和浪費，水資源得到了充分利用，利用效率逐年提高。

圖4 云南省2008—2018年萬元GDP水資源生態足跡

3.2 云南省16市州水資源生態足跡發展分析

從空間視角出發，選取2008、2013、2018年3個時間點16個市州的截面數據進行計算，利用ArcGIS10.2制圖軟件進行空間的可視化展示，對比分析水資源生態足跡的空間變化。

16個市州人均的水資源生態足跡(圖5)在2008、2013、2018年的空間變化顯著，區域發展不均衡。2008年，人均的水資源生態足跡數值在(0.9，1.2]區間的只有德宏、西雙版納2個州；數值在(0.6，0.9]區間的市州由保山、臨滄、普洱、麗江、楚雄、玉溪、紅河7個增加到2018年的保山、德宏、西雙版納、普洱、麗江、楚雄、玉溪和迪慶8個市州，主要分布在滇西北、滇中、滇南和滇西地區；數值在(0.3，0.6]區間的市州由怒江、迪慶、大理、昆明、曲靖和文山6個轉變為2018年的怒江、大理、臨滄、昆明、曲靖、紅河和文山7個市州；昭通是唯一數值處于(0，0.3]的市州，且長期保持不變，該市處在云貴高原的中部，地形相對起伏大，植被的覆蓋面積和覆蓋率低，因此其對雨水的儲蓄能力較弱，同時受到經濟發展、人口因素等影響，導致人均水資源生態足跡低。

圖5 云南省16個市州人均水資源生態足跡

16個市州人均水資源生態盈余的空間分布格局明顯(圖6)。2008年，怒江州人均水資源生態盈余，其余市州均出現不同程度短缺，德宏和西雙版納2個州最為嚴重。2013年，16個市州人均水資源生態盈余均為負值，用水需求大于供給，主要與經濟發展用水需求量增加及該時間段云南旱災有關，麗江市、德宏州和西雙版納州短缺最為嚴重。2018年，整體上16個市州的人均水資源虧損狀況有所降低，表明水資源利用狀況正在逐步改善。怒江是唯一人均水資源生態盈余的州，該州受地形因素的影響，地廣人稀，人口密度小，同時境內河流眾多，水資源豐富，用于經濟發展的水資源有限，所以出現人均水資源盈余；迪慶、怒江、大理和麗江位于滇西北的石灰巖分布帶，土質保水性較差，同時受到人口和經濟影響，水資源比較短缺；滇中區域的昆明、楚雄、玉溪和曲靖，是全省經濟活動最活躍和發達以及人口、農業和工業最集中的地區，對水資源的需求和消耗量大，人均水資源出現短缺；滇東北的昭通市，是典型的喀斯特地貌，地下溶洞眾多，再加上降水相對較少，地表又難以留住降水，在經濟發展驅動下水資源不足；滇南的普洱、保山、紅河、文山等市州，降水總量較豐富，但該地區以農業為主，耕地資源多，水源需求量大，同時農田水利工程建設不完善，水資源無法得到充分利用，出現工程性缺水，人均水資源呈現負增長；滇南的西雙版納人均水資源盈余也為負值，該州處在北回歸線以南，雨量充沛，溫度高，蒸發量較大，州內河流眾多，水系發達，受地勢因素影響，出國境的總水量大，隨著采礦業和旅游業不斷發展，人口不斷增多，用水需求越來越大，逐漸超出了水資源的負載能力，出現人均水資源短缺。

圖6 云南省16個市州人均水資源生態盈余

16個市州萬元GDP水資源生態足跡(圖7)空間變化差距大，整體上均呈現下降趨勢。其中，最大值均出現在2008年，最小值出現在2018年，說明在經濟發展過程中對水資源的消耗量和使用率不斷提高。昆明、曲靖和玉溪的數值較低且下降幅度小，這3市位于云南經濟最為發達的滇中地區，產業結構不斷優化，因而水資源的利用效率高；保山、麗江、普洱、臨滄、德宏等市州的數值變化幅度最大，主要與這些區域產業結構的轉型發展有關；滇南的保山、普洱、臨滄、西雙版納和德宏5個市州，降水資源豐富，隨著第三產業的不斷發展，一些落后的污染性企業逐漸淘汰，水資源的污染逐漸減弱，利用效率逐步提高。

圖7 云南省16市州萬元GDP水資源生態足跡

4 結論

a)2008—2018年，云南省水資源生態足跡整體呈現“W”型波動變化軌跡。農業用水生態足跡數值在4類水資源用水賬戶中最高，占69.31%，在今后的發展中，全省要注重走農業現代化道路，改變過去粗放的灌溉方式，借助技術手段發展節水農業，提高農業用水效率；水資源承載力、水資源生態盈余和年降水量之間的數值變化呈現正向關系，三者同水資源生態壓力指數呈負向關系；全省萬元GDP水資源生態足跡整體呈現逐年下降趨勢，由2008年的最高值0.44 hm2/萬元下降到2018年最低值0.14 hm2/萬元，年平均降幅達21.43%，表明水資源利用效率在不斷提高。由于水資源承載力與水資源生態盈余受降水量變化影響較大，今后全省要加強水利設施建設，做好水源的儲備工程，以應對極端氣候的發生。

b)16個市州人均水資源生態足跡在2008、2013、2018年的空間變化顯著，發展不均衡；人均水資源生態盈余基本均呈現短缺狀況。2018年，短缺的最大值出現在滇南和滇西等區域，怒江是唯一水資源盈余的州。萬元GDP水資源生態足跡的空間發展變化差距大，整體均呈現下降趨勢，表明各市州的水資源利用效率不斷提升。今后發展中，滇中的昆明、楚雄、玉溪和曲靖等市州，一方面加強節水宣傳教育，培養人們的珍惜水資源的意識，也要在產業結構優化升級的過程中，淘汰高耗能、高耗水工業，加強污水的處理能力，提高水資源利用效率；受地質因素影響的迪慶、怒江、大理和昭通等市州，要加強水利建設，使水資源得到充分利用；滇南的普洱、保山、紅河、文山等市州農業用水需求大，今后發展中要興修水利設施，滿足農業用水需求，發展節水型農業，走農業集約化發展之路。最后，各個市州都要根據實際發展需求和發展優勢，選擇適合自身的發展產業，不斷優化升級，協調好水資源與社會經濟、人口、生態之間的關系。

c)本文運用水資源生態足跡方法能夠為云南水資源可持續發展提供一定的參考，但基于省域和市州尺度的研究結論相對寬泛。期望今后研究者能對縣域范圍進行解析，使研究成果能夠更好、更具體地反映區域水資源可持續發展狀況。