呼包鄂榆城市群水資源生態足跡的時空變化及可持續利用評價

朱 彤，付桂軍

（1.內蒙古師范大學 經濟管理學院，內蒙古 呼和浩特010022；2.內蒙古師范大學 馬克思主義學院，內蒙古 呼和浩特010022）

2019 年習近平總書記提出了黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略［1］，明確了推進黃河流域水資源集約利用。黃河流域當前仍面臨脆弱的生態環境和嚴峻的水資源保障形式問題，諸多問題表象在黃河，根源在流域。呼包鄂榆城市群是黃河中上游流域最重要的城市群，同時具備生態環境脆弱區和黃河水土流失重點防護區的典型特征，其水資源的問題和黃河流域水資源保護與治理息息相關，因此研究呼包鄂榆城市群水資源的可持續利用對推進黃河流域高質量發展有重要意義。生態足跡模型作為有效度量水資源消費的可持續發展指標，自1992 年由加拿大生態經濟學家William［2］提出后得到廣泛運用。1996 年經Wackernagel［3］完善，用以衡量人類對自然資源利用程度以及自然界為人類提供的生命支持服務功能。傳統的生態足跡模型包括耕地、草場、林地、建筑用地、化石能源用地和水域6 類生產性土地，2001 年徐中民［4］引入水資源賬戶視為第七賬戶并納入生態足跡核算。國內外研究主要集中于水資源生態承載力［5－6］、水資源生態足跡變化［7－8］、水環境生態安全評價［9－10］、水資源的可持續利用評價［11－12］、水資源生態補償［13］、生態足跡的公平性和平衡性［14］以及水資源與經濟協調發展［15］等方面，廣泛應用于國內省域［8］、市域［9］、流域［5］的水資源利用分析。但當前對于水資源生態足跡的分析多是基于中小尺度的個案研究，缺乏從整體角度分析的城市群層面研究。

呼包鄂榆城市群土地廣闊，位于華北西部的黃河沿岸，農牧業發達、耗水量大。2019 年農業生產用水量占生產用水量的73.92%，占用水總量的61.27%。但由于獨特的地形地貌和氣候特征，呼包鄂榆城市群作為典型的資源型缺水地區，以脆弱的水系維持著當地的產業發展和居民生存。本文基于生態足跡模型分析2001—2019 年呼包鄂榆城市群水資源生態足跡的時空變動和影響因素，為城市群水資源可持續利用提供參考依據。

1 材料與研究方法

1.1 研究區狀況

呼包鄂榆城市群包括呼和浩特市、包頭市、鄂爾多斯市和榆林市。其中呼、包、鄂作為內蒙古自治區的“金三角”，位于內蒙古自治區中西部的核心區，與榆林市以三角形狀排列沿黃河呈條帶狀分布。在呼包鄂榆城市群構建的“一軸一帶多區”空間格局中，呼和浩特市起區域中心城市作用，而包頭市、鄂爾多斯市、榆林市具有區域重要節點城市地位。2019 年呼包鄂榆城市群以內蒙古自治區和陜西省12.58% 的面積集聚了18% 的人口，消耗了16.88% 的水資源量，創造了30.8% 的地區生產總值①數據來源：根據各地市2019 年統計年鑒計算所得。。呼包鄂榆城市群生態環境脆弱，開發不當易加劇水土流失和沙塵暴，蒸發量大但降水量少的問題制約著區域地表徑流量，獨特的氣候特征及地貌格局造成了呼包鄂榆城市群突出的水資源供需矛盾。19 年間呼包鄂榆城市群人均水資源占有量為609.97 m3，處于極度缺水線（＜500 m3）和嚴重缺水線之間（＜1 000 m3）［16－17］，而近年來人口擴張和城市化進程增加了水資源的需求，水資源短缺問題威脅著城市群經濟發展和居民生活安全。

1.2 數據來源

數據來源于2001—2019 年內蒙古自治區、陜西省《水資源公報》以及呼、包、鄂、榆各市的統計年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 水資源生態足跡模型 水資源生態足跡指將消耗的水資源量轉化為相應賬戶的生產面積，均衡化后得到各區域可以比較的均衡值，用以衡量區域人口經濟對水資源的需求能力。根據用水的分類，將水資源賬戶劃分為生產用水賬戶PEF、生活用水賬戶LEF以及生態用水賬戶EEF［18］。其中生產用水包括農業用水（含農林牧畜漁用水）、工業用水。通過計算水資源生態足跡來核算水資源的生產性消費，為水資源的可持續利用提供重要依據。水資源生態足跡可通過與水資源生態承載力進行比較來合理衡量區域可持續發展狀況，其計算公式為

其中：WEF表示水資源生態足跡（hm2）；N為區域人數（人）；Wef為人均水資源生態足跡（hm2/人）；γW為水資源全球均衡因子；w為區域人均用水量（m3）；PW為水資源全球平均生產能力（m3/hm2）。參考已有研究［19］，γW取5.19，PW取3 140 m3/hm2。

1.3.2 水資源生態承載力模型 水資源生態承載力度量區域水資源所能承載的生物生存面積，衡量區域水資源能夠容納人口經濟的最大限度，表示水資源對區域經濟社會發展的支撐能力。其中，水資源的可開發利用能力至少扣除60% 用以維護生物多樣性和生態平衡［20］。水資源生態承載力計算公式為

其中：WEC為水資源生態承載力（hm2）；Wec為人均水資源生態承載力（hm2/人）；φ為水資源產量因子，其計算公式為

式中：P為區域水資源平均生產能力（m3/hm2）；V為區域水資源總量（m3），S為區域面積（hm2）。根據計算，2001—2019 年呼包鄂榆城市群的平均產量因子φ如表1。

表1 呼包鄂榆城市群水資源生態足跡參數Tab.1 The parameters of water resources ecological footprint in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration

1.3.3 水資源生態盈虧 水資源生態盈虧（WED）可度量地區水資源開發利用程度與儲量間關系［21］，其計算公式為

式中：WED＞0 為水資源生態盈余，表明該地區水資源能夠滿足人口與經濟發展需求，處于可持續發展狀態；WED＜0 為水資源生態赤字，表明地區水資源匱乏，不能滿足與人口、經濟的均衡發展，處于不可持續利用的狀態。

1.3.4 水資源生態足跡強度 水資源生態足跡強度（WES）通過計算單位GDP 的水資源生態足跡來衡量水資源的利用效率［22］，其計算公式為

式中：每萬元GDP 需要的生態足跡越多，表明水資源可持續利用水平越低。

1.3.5 水資源生態壓力指數 水資源生態壓力指數（IWEP）能較好地衡量人口社會對水資源壓力強度的大小，表征城市水資源供給滿足需求的可持續程度［23］，其計算公式為

式中：當IWEP＞1，水資源消耗量大于供給量，水資源不可持續利用；IWEP＜1，水資源供給量大于消耗量，水資源可持續利用。

1.3.6 水資源負載指數模型 水資源負載指數（c）是基于人口規模、地區生產總值和水資源總量以及降水量等指標對水資源利用程度進行衡量的評價指標，其計算公式為［22］

式中：k為降雨系數；P為人口數量（萬人）；G為地區GDP（億元）；V為水資源總量（億m3）。

式中R為降雨量（mm）。水資源負載指數分級見表2。

表2 水資源負載指數分級Tab.2 Classification of load index of water resources

2 結果分析

2.1 呼包鄂榆城市群水資源生態足跡可持續利用分析

呼包鄂榆城市群由于特殊的地理位置，生態環境脆弱，沙漠化現象較為突出。如何解決經濟發展和水資源高效利用之間的矛盾，在享受資源紅利的同時實現水資源可持續利用，是呼包鄂榆城市群發展過程中亟待解決的問題。

2001—2019 年，呼包鄂榆城市群水資源生態足跡平均值為700.03 hm2（圖1A），總體較為穩定。2001—2007 年受降水量影響，波動較大；由于常住人口規模擴大，人均水資源生態足跡由2006 年的最大值0.73 hm2/人下降到2019 年的0.65 hm2/人；生態承載力不穩定，波動較大；生態足跡強度以年均13.57% 的速率降低，呼包鄂榆城市群水資源的產出效率逐年提高，然而水資源生態足跡和生態承載力之間的缺口逐年拉大，水資源難以支撐呼包鄂榆城市群人口、經濟的可持續發展，水資源仍然面臨不可持續利用的問題；在各類人均水資源生態足跡賬戶中，生產用水生態足跡占比達到95.59%（圖1B），其中農業用水生態足跡與水資源生態足跡在存量和趨勢上最接近，這與城市群內草原農業、工業在經濟中產出貢獻能力相似。近年來由于產業結構調整和用水效率的提升，生產用水生態足跡由2006 年的人均0.69 hm2降低到2019 年的人均0.54 hm2，但仍然遠遠領先于生活賬戶和生態賬戶。工業用水、農業用水存在節水潛力，提高工業用水效率和灌溉農業用水效率可以顯著降低城市群的水資源生態足跡。生活賬戶和生態賬戶生態足跡隨著生產賬戶占比大幅的下降有不同程度的增加，尤其是生態賬戶，占比由2001 年的1.49% 增加到2019 年的5.64%，城市群對生態環境的重視程度逐漸提高。

2001—2019 年呼包鄂榆城市群的人均水資源生態赤字雖然呈下降趨勢（圖1C），但生態壓力指數始終高于9，水資源利用已超出了安全狀態范圍，且水資源負載指數（圖1D）除了2003 年為Ⅲ級，其余年份水資源繼續開發均存在困難。2004 年以后，水資源負載指數平均為22.99，需要跨流域調水以維持正常經濟發展和人民生活，水資源開發利用達到較高水平，可繼續開發的潛力相對較小。社會發展與水資源利用的矛盾加劇了水資源壓力，水資源總量不足以滿足呼包鄂榆城市群的農業、工業生產以及人民的生活，難以實現地區人口、經濟的均衡發展，處于不可持續利用的狀態。

圖1 2001—2019 年呼包鄂榆城市群水資源生態足跡Fig.1 Ecological footprint of water resources in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration from 2001 to 2019

2.2 呼包鄂榆城市群各地市水資源生態足跡的時空差異

2001—2019 年，呼包鄂榆城市群內部水資源生態足跡存在較大差異（表3）。從時間維度上看，19 年間榆林市水資源生態足跡、水資源盈虧起伏最大，生態承載力、生態壓力指數為鄂爾多斯市變化最大；從空間維度上看，水資源生態壓力指數區域差異最大，生態足跡和生態盈虧區域差異逐漸減小，但生態承載力空間變異系數在0.45～0.77 之間，差異的年際變化較大。

表3 2001—2019 年呼包鄂榆城市群水資源生態足跡變異系數Tab.3 Coefficient variation of water resources of ecological footprint in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration from 2001 to 2019

2001—2019 年呼包鄂榆城市群四市人均生態足跡波動不大（圖2），呼和浩特市僅在2001—2003 年超過包頭市，其余年份水資源生態足跡由大到小基本排列為鄂爾多斯市＞包頭市＞呼和浩特市＞榆林市。鄂爾多斯市占地面積大，耗水量多，但常住人口數僅為榆林市的53%，因此人均水資源生態足跡遠遠高于其他三市，呈現逐年遞減趨勢，2003 年降速達到10.05%，其后下降速度雖有所減緩，2019 年仍然分別是三市的2 倍以上。榆林市由于占地面積小、人口規模大，故人均水資源生態足跡較低。19 年間呼鄂榆三市生態承載力差異不大，變動趨勢相近，而包頭市變動穩定，始終低于其他三市，平均值比呼鄂榆低69%～75%。生態足跡強度自2001 年起逐年降低，鄂爾多斯市雖明顯高于其他三市，但降幅最大，達到95.29%。城市群四市的用水效率均在提升，其中鄂爾多斯市最為明顯。

圖2 2001—2019 年呼包鄂榆城市群人均水資源生態足跡、生態承載力、生態足跡強度Fig.2 Water resources ecological footprint per capita，ecological carrying capacity per capita and ecological footprint intensity in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration from 2001 to 2019

2001—2019 年，呼包鄂榆城市群四市水資源均存在生態赤字，其變動趨勢和幅度與人均水資源生態足跡非常相似（圖3），水資源處于不可持續利用的狀態。鄂爾多斯市的用水總量及生態足跡最大，雖然人均生態赤字在不斷減小，2019 年仍為－1.20 hm2/人，遠高于呼和浩特市的－0.49 hm2/人、包頭市的－0.57 hm2/人、榆林市的－0.36 hm2/人。四市中僅榆林市的水資源生態赤字保持上升趨勢，水資源壓力仍不斷增加。

圖3 2001—2019 年呼包鄂榆城市群人均水資源生態足跡、生態赤字空間分布Fig.3 Spatial patterns of water resources ecological footprint per capita and water ecological deficit in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration from 2001 to 2019

2.3 影響因素檢驗

為了進一步探討影響呼包鄂榆城市群水資源生態足跡的因素，利用Stata 進行相關性檢驗。人均水資源生態足跡的相關性分析結果見表4。人口規模因素與水資源生態足跡相關性分析中，“人口數量”與呼和浩特市、鄂爾多斯市的水資源生態足跡呈顯著負相關（相關系數為－0.785**、－0.974**），“城鎮化”與鄂爾多斯市有顯著負相關關系（相關系數為－0.927**），而與榆林市呈顯著正相關（相關系數為0.930**）。除包頭市外，經濟發展對各市都產生顯著影響；包頭市和鄂爾多斯市的農田灌溉用水量、呼和浩特市和榆林市的林牧漁業用水量、榆林市的工業用水量和生活用水量均對其水資源生態足跡產生較大影響。

表4 呼包鄂榆城市群人均水資源生態足跡相關性分析Tab.4 Correlation analysis of ecological footprint of per capita water resource in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration

人均水資源生態承載力的相關性分析結果見表5。呼和浩特市人均水資源生態承載力與“人口數量”顯著負相關（相關系數為－0.780**）。水資源儲量尤其是地表水資源量與呼和浩特市、包頭市、榆林市的水資源生態承載力顯著相關，相關系數分別為0.760**、0.750**、0.847**，有效的水污染治理對提升包頭市人均水資源生態承載力有極顯著影響。

表5 呼包鄂榆城市群人均水資源生態承載力相關性分析Tab.5 Correlation analysis of per capita water resource ecological carrying capacity in Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin urban agglomeration

3 結論與討論

黃河中上游流域是黃河的重要產水區，其水量和水質影響著下游城市經濟、社會發展，呼包鄂榆城市群作為黃河中上游最重要的城市群，水資源短缺問題日漸加劇，有限的水資源承載力和水資源供需矛盾不僅成為制約呼包鄂榆城市群經濟社會發展和人民生活水平的瓶頸，也給地區脆弱的生態環境帶來一系列的問題。研究呼包鄂榆城市群水資源生態足跡的時空變化，有助于分析水資源利用存在的問題，了解各盟市的水資源承載能力，對改進水資源利用方式、推進黃河流域水資源集約利用有一定的參考價值。

（1）呼包鄂榆城市群人均水資源生態足跡整體呈逐年遞減的趨勢，其中農業用水賬戶所占的比例極大。人均水資源生態承載力波動較大，變化較不穩定；呼包鄂榆城市群存在較大的水資源生態赤字，水資源供給與需求嚴重不平衡，水資源處于不可持續發展狀態；水資源生態足跡強度呈逐年下降的趨勢，但水生態壓力指數較大，水資源利用處于極不安全狀態。

（2）四市中，包頭市、鄂爾多斯市水資源形勢相對嚴峻，而榆林市水資源生態赤字仍在連年升高。

（3）伴隨著呼包鄂榆城市群城鎮化進程出現的人口規模擴大、建設用地擴張等現象加速了水資源的消耗，城市水生態系統的巨大壓力壓迫了水資源的生態承載力，污染治理則有助于重工業化的包頭市水資源承載力的提升。

呼包鄂榆城市群應強化工農業節水改造，提高水資源的利用率，促進節水型產業發展；構建多水源互濟的水資源供給保障體系，加快跨區水權交易平臺建設，建立階梯水價制度；落實河湖長治，興修水利工程，做好水土保持工作，推行退耕還林還草，合理進行生態補償；鼓勵水資源保護和水污染治理，確保經濟發展與水環境承載能力相適應。

本文對呼包鄂榆城市群水資源生態足跡的研究未涉及水質生態足跡的核算，因此生態足跡計算值偏小。對于呼包鄂榆城市群水質生態足跡的核算尚需進一步研究。