運城市水資源生態足跡時空變化及其驅動因素分析

車婭麗

(運城市水文水資源勘測站,山西 運城 044000)

隨著社會經濟的不斷發展,水資源需求量與日俱增,水資源短缺問題日益突出。據統計,全球人均淡水供給量在過去20年間減少了20%以上[1]。如何運用有限的水資源滿足人們對美好生活的向往,是迫切需要解決的問題。因此,要明晰水資源的消費現狀、識別水資源環境變化的主要驅動規律,為提高水資源綜合管理水平和技術提供數據支撐。

目前,基于水資源生態足跡模型的水資源可持續性研究應用廣泛,但很多對市、縣這種小尺度上水資源生態足跡的研究仍然基于“全球公頃”或“國家公頃”,采用靜態統一的均衡因子和產量因子,忽略了研究區的地域特征和動態變化特征[2],降低了研究結果的精度。因此本文構建基于“市公頃”的水資源生態足跡計算模型,采用動態的均衡因子和產量因子,結合三維生態足跡理論,同時在空間尺度和時間尺度上對運城市及其各行政區的水資源生態足跡進行研究。在此基礎上運用擴展后的可拓展的隨機性的環境影響評估模型(Stochastic Impacts by Regression Population,Affluence,and Technology,STIRPAT)對研究區水資源生態足跡的人文驅動因素進行分析,為區域水資源的可持續利用和保護提供科學依據。

1 研究區概況

運城市是山西省下轄的地級市,坐落于山西省南端,總面積14182km2,下轄13個縣級行政區。屬于溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫13.3℃,多年平均年降水量525mm。屬于黃河流域,過境河流有黃河和汾河,境內水系主要為涑水河和姚暹渠。多年平均水資源量為133362萬m3,人均水資源量僅為全國水平的1/7,世界水平的1/28,屬于嚴重缺水地區。2020年末,常住人口477萬,地區生產總值1644億元,全市水資源總量為140736萬m3,總用水量為162300萬m3,其中農業、工業、生活和其他用水占比分別為78.0%、7.79%、8.82%和5.39%。

2 研究方法及數據來源

2.1 基于“市公頃”的水資源生態足跡模型

2.1.1 均衡因子和產量因子的計算

“市公頃”基礎上的均衡因子等于市域某一類生物生產性土地的平均生產力與所有類型生物生產性土地的平均生產力之比[3]。具體引入單位熱值進行計算,計算公式為

(1)

“市公頃”下的水資源生態足跡產量因子等于區域水資源平均生產力與所屬市域水資源平均生產力之比。其計算公式為

(2)

式中:R為區域水資源平均生產力,m3/hm2;Rw為市域水資源平均生產力,m3/hm2;Yk為區域水資源總量,萬m3;Sk為區域面積,hm2;Y為市域的水資源總量,萬m3;S為市域的面積,hm2。

2.1.2 水資源生態足跡及生態承載力的計算

水資源生態足跡是指生產某研究區域所有人口生產生活所需要的水資源總量,其計算公式為[4,5]

EFw=Nefw=qwAw/Rw

(3)

式中:EFw為區域水資源生態足跡,hm2;efw為區域人均水資源生態足跡,hm2/人;N為區域總人口;Aw為區域水資源總消費量,m3。

水資源承載力指研究區域在一定的社會經濟水平和技術條件下,水資源維持區域生態及社會經濟系統可持續發展的支撐能力,其計算公式為[6]

ECw=NeCw=0.4qwywQw/Pw

(4)

式中:ECw為區域水資源生態承載力,hm2;eCw為區域人均水資源承載力,hm2/人;0.4為扣除維持生態環境和生物多樣性的水資源量后的系數;Qw為區域水資源總量,m3。

2.1.3 水資源生態盈虧的計算

水資源生態盈虧是衡量研究區域水資源可持續利用的主要參考指標,可綜合判定區域水資源消費需求是否處于水資源可承載的范圍內,計算公式為

Erd=ECw-EFw

(5)

式中:Erd>0時,表示水資源生態盈余,區域水資源利用可持續;Erd<0時,表示水資源生態赤字,區域水資源利用不可持續。

2.1.4 三維水資源生態足跡的計算

水資源生態足跡廣度和深度共同組成了三維水資源生態足跡模型。足跡廣度指人們對水資源流量及其生態服務的年際需求,可從橫向層面表征人類活動對區域水資源流量的消耗程度;足跡深度則指在人們現有的水資源消費需求下生產一年水資源消費量所需的時間,可從縱向層面表征人類活動對區域水資源存量的透支程度[7-9]。計算公式為

EFb=min[EFw,ECw]

(6)

(7)

式中:EFb為水資源足跡廣度,hm2;EFd為水資源足跡深度,EFd=1時為自然深度,表示流量資本就可滿足人類對水資源的消費需求,EFd>1時開始消耗存量資本。

2.2 基于擴展的STIRPAT模型

STIRPAT模型是對經典IPAT模型的修正和改進,具有假設檢驗、隨機回歸、度量彈性且可擴展的優勢[10]。STIRPAT模型的通用表達式為[11]

I=aPbAcTde

式中:I為環境影響;P、A、T分別為人口、財富和技術水平;a為常數項;b、c、d為指數項;e為誤差項。模型中變量T在實際應用中允許分解和擴展,以提高其實用性及準確性。

水資源生態足跡主要來源于人們對水資源的消耗,其變化受到眾多人文因素的影響[12]。根據研究區實際情況,本文對STIRPAT模型進行擴展,將模型的因變量設置為水資源生態足跡(EFw),自變量設置為常住人口(P)、人均GDP(A)、水資源消費強度(T)、產業結構(Sp)和城市化水平(U),具體描述見表1。擴展后的表達式為

表1 變量描述

(8)

為便于回歸,對等式兩邊取自然對數,得到

lnEFw=lna+blnP+clnA+dlnT+elnSp+flnU+lnβ

(9)

式中:a為常數項;b、c、d、e、f分別為對應因素的彈性系數;β為誤差項。各彈性系數表示對應因素在其余因素不變的情況下,變化1%引起的水資源生態足跡的變化大小(%)。

2.3 數據來源

本研究中采用的數據主要來源于《山西省統計年鑒(2011—2020年)》和《運城市水資源公報(2011—2020年)》。市域內不同土地類型面積來源于第二次全國土地調查公布的數據,各生物產品的單位熱值來源于《農業技術經濟手冊(修訂版)》。

3 結果與分析

3.1 運城市均衡因子和產量因子

收集運城市不同生物產品歷年生產資料,分別劃分至耕地、林地、草地和水域土地類型中,由式(1)可得歷年水域均衡因子,見表2?？梢?運城市水域均衡因子與全球水域均衡因子5.190差異很大,這與運城市本身水域面積少、水產業不發達等區域特點有關。

收集運城市及各行政區歷年水資源量,由式(2)可得水域產量因子,見表3。受降水量、植被覆蓋率、區域面積不同等影響,產量因子呈現明顯的區域差異和年際變化,例如2020年新絳縣產量因子是臨猗縣的2.5倍,芮城縣2015年的產量因子是2013年的1.8倍。

表3 運城市各行政區2011—2020年水域產量因子

3.2 運城市水資源生態足跡分析

3.2.1 水資源生態足跡

運城市2011—2020年水資源生態足跡及相關指標見表4。從結果來看,運城市水資源生態足跡整體先升后降,2012年最大,相對2011年增幅達195%,2018年之后開始下降。2011年和2014年波動較大,這是由于2011年和2014年運城市降水量明顯高于往年,水資源生產力隨之大幅增加,水資源生態足跡則顯著減少。各足跡賬戶中,平均貢獻率由大到小依次為農業用水81.00%、生活用水7.86%、工業用水7.74%、城鎮公共用水2.45%和生態環境用水0.83%。運城市2011—2020年各足跡賬戶歷年變化見圖1,農業、工業、生活和城鎮公共用水足跡整體均為先升后降,且以2018年為拐點,其中城鎮公共用水足跡2018年后下降率最大,為41.0%;生態環境用水足跡則逐年上升,2020年已達2011年的20.5倍。

圖1 運城市2011—2020年各足跡賬戶變化

表4 運城市2011—2020年水資源生態足跡及相關指標

2011—2020年運城全市人均水資源生態足跡變化范圍為0.0051～0.0155hm2,平均0.0132hm2。各行政區人均水資源生態足跡變化趨勢與全市基本一致,見圖2,整體上先升后降。從人均水資源生態足跡的平均值來看,臨猗縣、芮城縣和永濟市相對較高,平均值分別為0.0249hm2、0.0171hm2和0.0150hm2,垣曲縣、夏縣和聞喜縣相對較低,平均值分別為0.0072hm2、0.0087hm2和0.0097hm2。從各足跡賬戶來看,人均農業、工業、生活、城鎮公共和生態環境用水足跡最高的區域依次為臨猗縣、河津市、鹽湖區、河津市和聞喜縣。

圖2 運城市及各行政區2011—2020年人均水資源生態足跡變化

3.2.2 水資源生態承載力

運城市2011—2020年水資源生態承載力變化相對平穩,整體呈增加的趨勢,以2011年為基準,歷年最大增幅為43.2%,2017年之后略微下降,2020年相對2017年下降10.7%。運城市及各行政區2011—2020年人均水資源生態承載力變化見圖3,受人口、經濟發展及地理環境等因素的影響,區域之間差異較大,垣曲縣、絳縣、夏縣和平陸縣顯著高于全市水平,鹽湖區、河津市、臨猗縣則明顯低于全市水平,其余區域與全市水平相近,其中人均水資源生態承載力平均值最高的垣曲縣(0.0130 hm2)是最低的鹽湖區(0.0017 hm2)的7.6倍。

圖3 運城市及各行政區2011—2020年人均水資源生態承載力變化

3.2.3 水資源生態盈虧

由表4可知,運城市歷年均存在較大的水資源生態赤字,呈現不可持續的狀態,其中2012年赤字最大,2018年開始有所下降,變化趨勢與水資源生態足跡一致。從各行政區看,垣曲縣歷年和聞喜縣、夏縣、絳縣、平陸縣的個別年份水資源處于盈余狀態,其余區域及年份均處于赤字狀態。運城市及各行政區人均水資源生態盈虧歷年平均值見圖4,其中臨猗縣、芮城縣、永濟市、河津市赤字水平大于全市,鹽湖區、萬榮縣、新絳縣、稷山縣、聞喜縣、平陸縣、夏縣、絳縣赤字水平小于全市。

3.2.4 水資源生態足跡廣度與深度

由表4可知,運城市水資源生態足跡廣度等于生態承載力,水資源流量資本被完全消耗。2011—2020年運城市水資源生態足跡深度為1.57～4.41,1年的水資源消費量需要1.5～4.5年時間才可再生,水資源存量資本被不斷占用,這在一定程度上透支了后代的水資源享用權。

各行政區中,聞喜縣、夏縣、絳縣、平陸縣和垣曲縣多年平均水資源生態足跡廣度小于其生態承載力,其余區域均等于生態承載力。運城市各行政區2011—2020年水資源生態足跡深度變化見圖5,垣曲縣歷年來保持自然深度1.00,水資源流量資本完全可以滿足當地的消費需求。其余區域足跡深度均大于1.00,臨猗縣波動最大,平均足跡深度為12.49,水資源存量資本被重度透支;鹽湖區、河津市、永濟市、芮城縣和萬榮縣平均足跡深度為4.10～6.56,水資源存量資本透支程度略高;聞喜縣、稷山縣、新絳縣、平陸縣、夏縣和絳縣平均足跡深度為1.22～2.55,水資源存量資本透支程度相對較低。

3.3 水資源生態足跡驅動因素分析

3.3.1 運城市水資源生態足跡驅動因素

采用擴展后的STIRPAT模型,對運城市2011—2020年水資源生態足跡變化的驅動因素的時間序列進行分析。因各變量存在嚴重共線性問題,采用嶺回歸法對其進行多元回歸分析。經分析,當嶺回歸系數K≥0.15時,各自變量的標準化回歸系數趨于穩定,因此取K=0.15,回歸擬合結果見表5。

表5 運城市STIRPAT模型嶺回歸擬合結果

從表5看,人口對水資源生態足跡不再起推動作用,也從一定程度上反映出,對于運城這樣的中小城市,近年來人口紅利的持續降低雖抑制了水資源的消費,但同時也可能降低了城市經濟發展的活力。人均GDP與水資源生態足跡呈正向作用,說明經濟的增長帶動了更多的生產與生活行為,使水資源消費增多。水資源消費強度的驅動力最大,在其他因素不變的情況下,水資源消費強度每增加1%,水資源生態足跡就會增加0.819%,說明提高水資源利用效率、降低萬元GDP所消耗的水資源對減輕運城市水資源環境壓力仍是一個行之有效的手段。產業結構的驅動力相對較小,但在產業結構的調整過程中仍要關注相應技術水平的提高、研發的支出以及對高耗水產業的改革。城市化水平的提高會增加水資源生態足跡,在現代化進程中必須同步進行節水型社會建設,才能緩解日益增加的水資源消費需求帶來的水資源壓力。

3.3.2 各行政區水資源生態足跡驅動因素

水資源生態足跡驅動因素整體回歸結果說明,運城市水資源環境壓力不再以人口和經濟的增長為主要驅動力,而主要受水資源消費強度的驅動影響。為進一步探究各行政區是否存在不同于整體效應的異質性特征,對各行政區水資源生態足跡驅動因素進行同樣的回歸分析,結果見表6。

表6 運城市各行政區水資源生態足跡驅動因素彈性系數回歸結果

可以看出,與整體效應有所不同,除水資源消費強度外,城市化水平也是其水資源生態足跡的主要驅動因素。人口因素僅對鹽湖區和永濟市水資源生態足跡為正向作用,且對鹽湖區影響顯著,各行政區中也僅有鹽湖區歷年來人口保持增長。人均GDP對永濟市、絳縣和鹽湖區的水資源生態足跡的促進作用較明顯(彈性系數大于0.5)。水資源消費強度在各驅動因素中占主導地位,在大部分區域彈性系數都超過0.8。產業結構因素僅在鹽湖區、河津市、夏縣和垣曲縣起正向作用,彈性系數在0.2左右。城市化水平是水資源生態足跡的第二大驅動力,驅動力大小在各區域差異明顯,在鹽湖區、新絳縣、聞喜縣和絳縣表現顯著(彈性系數大于1.0),在萬榮縣、新絳縣和平陸縣表現微弱(彈性系數小于0.5),在其余區域表現相對顯著。

4 結 論

本文研究結果顯示,“市公頃”下運城市水域均衡因子和產量因子的計算結果呈現出明顯的區域特征及年際變化,以此為基礎的水資源生態足跡及生態承載力的核算結果更能反映出區域真實的水資源生態生產能力;傳統水資源生態足跡模型與三維生態足跡理論的結合,在空間尺度和時間尺度上增加了對運城市水資源利用現狀的解釋能力;擴展后的STIRPAT模型能夠較好地擬合水資源生態足跡與各驅動因素之間的關系。主要得到以下結論:

a.2011—2020年運城市水資源生態足跡波動較大,整體為先升后降的變化趨勢,水資源生態承載力波動較小,整體為上升趨勢,水資源一直處于不可持續的赤字狀態,流量資本被完全消耗,水資源消費需求超過了承載能力,平均足跡深度為3.09,水資源存量資本透支較大。

b.2011—2020年運城市各行政區中,僅垣曲縣為水資源生態盈余狀態,其余區域均表現為水資源利用不可持續;臨猗縣水資源赤字水平最高,水資源存量資本被嚴重透支;鹽湖區、河津市、永濟市、芮城縣和萬榮縣赤字水平較高,水資源存量資本透支程度略高;聞喜縣、稷山縣、新絳縣、平陸縣、夏縣和絳縣赤字水平相對較低,水資源存量資本透支程度較小。

c.運城市水資源生態足跡驅動因素分析結果與以往大多研究結果不同,隨著人口紅利的持續降低,人口不再對水資源環境壓力起推動作用,水資源消費強度成為主要驅動因素,人均GDP、產業結構和城市化水平的影響因素相對較小。各行政區水資源生態足跡的主要驅動力除水資源消費強度外,還包括城市化水平。