基于水足跡的區域水資源利用與經濟發展脫鉤關系研究

韋偵明，吳澤寧，郭 溪，王慧亮

（鄭州大學 黃河實驗室，河南 鄭州 450001）

水資源是人類賴以生存的基本條件，也是社會發展的戰略資源，其豐盈程度會影響區域的經濟水平和人們的生活品質。近年來，隨著經濟的發展，社會對水資源的需求量不斷增大，水資源短缺問題逐漸成為制約區域發展的瓶頸［1］。因此，如何協調水資源利用與經濟發展關系迫在眉睫。

水足跡是Hoekstra［2］于2002 年在Allan［3］虛擬水的基礎上提出的，指一個國家或地區在一定時間內消費的產品或服務中的水資源量，包括實體水和虛擬水，反映水資源真實消耗及流通程度，有助于科學全面地了解水資源利用狀況。Jenerette 等［4］、Van 等［5］、吳兆丹等［6］分別研究了美國、荷蘭、中國的水足跡狀況，結果表明美國人口規模對其水足跡產生較大影響、荷蘭水足跡主要與農產品消費有關且受外部水足跡影響較大、中國水足跡的空間差異主要源于區域間的不同。脫鉤分為相對脫鉤和絕對脫鉤，相對脫鉤指經濟增長時資源消耗以較低速率增加，絕對脫鉤指經濟增長時資源消耗逐步減少［7］。絕對脫鉤是水資源利用與經濟發展的最佳狀態，即在一定的社會結構、經濟規模和技術水平下，以最小的水資源代價實現最大的經濟增長。鐘太洋等［8］、馬海良等［9］、蓋美等［10］基于脫鉤理論，分別研究了我國各省（區）建設用地擴張、工業廢水排放以及長江三角洲地區環境壓力與經濟增長關系，結果表明各省（區）建設用地擴張與經濟增長多處于弱脫鉤狀態、工業廢水排放與經濟增長多處于強脫鉤狀態、長江三角洲地區環境壓力與經濟增長多處于相對脫鉤狀態。

目前，已有部分學者結合水足跡和脫鉤理論研究了水資源利用與經濟發展的關系［11－14］，但以往研究多缺少農業用水對經濟增長的影響分析以及脫鉤因素的分析，未能全面揭示水資源利用與經濟發展的脫鉤關系。洛陽市作為河南省副中心城市，社會經濟較為發達，人口眾多，對水資源的需求量不斷增加，如何協調水資源利用與經濟發展關系將直接影響區域未來的發展。基于此，本文以洛陽市為例，采用自上而下核算法計算水足跡，并結合脫鉤理論和對數平均迪氏指數法（LMDI），構建TAPIO－LMDI 模型，分析水資源利用與經濟發展脫鉤關系，以期為洛陽市水資源可持續利用和經濟高質量發展提供參考。

1 研究方法

1.1 水足跡核算方法

水足跡計算方法有自上而下核算法、自下而上核算法和投入產出法［15］。由于產品或服務中的水資源可能源于其他地區，而產品生產用水多為當地水資源，因此采用自上而下核算法更能反映區域水資源的真實消耗情況。水足跡計算公式為

式中：TWF為總水足跡，TIWF為內部水足跡，TEWF為外部水足跡，TAGWF為農業水足跡，TINWF為工業水足跡，TLIWF為生活水足跡，TECWF為生態水足跡，TTOWF為城鎮公共水足跡，TEXWF為出口水足跡，TIMWF為進口水足跡，TIEWF為從其他地區進口再出口的水足跡，MWP為人均水足跡，TPO為總人口，RIW為水足跡自給率，IIA為水足跡壓力指數，TAVWF為可利用水足跡，BGW為水足跡經濟效益，TGDP為地區生產總值。

1.2 基于水足跡的TAPIO－LMDI 模型

水資源利用與經濟發展脫鉤關系的研究方法有VEHMAST 脫鉤指數法、IPAT 模型法、差分回歸系數法以及TAPIO 彈性法等［16］，前3 種方法評價體系不夠完善，無法區分某些狀態，而TAPIO 彈性法則可以彌補此不足，且不受量綱影響，能有效判定脫鉤狀態的演替［17－18］。本文參考章恒全等［19］和孫付華等［20］的研究，利用對數平均迪氏指數法將影響水足跡變化的因素分為用水效率、產業結構、經濟收入、人口規模，并與TAPIO 脫鉤模型耦合，構建基于水足跡的TAPIOLMDI 模型，深入研究水資源利用與經濟發展脫鉤關系。LMDI 方法計算公式為

式中：TWFi為i產業（農業和工業）水足跡，TGDPi為i產業增加值；EWGi為i產業水足跡與其增加值的比值，反映用水效率；SGGi為i產業增加值與地區生產總值的比值，反映產業結構；IGP為地區生產總值與總人口的比值，反映經濟收入；TPO為總人口，反映人口規模。

式中：ΔTWFE、ΔTWFS、ΔTWFI、ΔTWFT分別為第t－1 年到第t年的用水效率、產業結構、經濟收入、人口規模變動引起的水足跡變化。

TAPIO 脫鉤模型計算公式：

耦合TAPIO 脫鉤模型，構建TAPIO－LMDI 模型：

式中：DWGE、DWGS、DWGI、DWGT分別為第t－1 年到第t年的用水效率、產業結構、經濟收入、人口規模變動產生的效應值。

基于水足跡的TAPIO－LMDI 模型脫鉤狀態劃分標準見表1。

表1 基于水足跡的TAPIO－LMDI 模型脫鉤狀態劃分標準

2 實例應用

2.1 研究區概況

洛陽市位于黃河中游南岸，面積15 229 km2，轄一市六縣八區，是河南省副中心城市，與三門峽、南陽、平頂山及鄭州市相鄰，社會經濟較為發達。境內屬暖溫帶半干旱大陸性氣候區，年均降水量691.3 mm，降水多集中在6—9 月，大小河流2.7 萬多條，水資源總量28.15 億m3，水資源可利用量22.14 億m3，農業用水量最大、工業次之。2021 年全市生產總值5 447 億元，年末常住人口706.9 萬，城鎮常住人口465.7 萬，城鎮化率為65.9%。

2.2 數據來源及處理

本文數據來源于2005—2020 年《洛陽市水資源公報》《洛陽統計年鑒》及《河南統計年鑒》等，缺失數據采用內插法求得。農業水足跡用農產品產量乘以單位農產品虛擬水含量求和得到，農產品包括農作物產品（糧食、油料、棉花、煙葉、蔬菜和水果等）和動物產品（豬肉、牛肉、羊肉、禽蛋、牛奶及水產等），單位農產品虛擬水含量參照孫才志等［21］、馬靜等［22］、Hoekstra等［23］、武晗［24］的研究成果（見表2）。進出口水足跡用萬元產值用水量與進出口貿易額相乘得到，忽略從其他地區進口再出口的水足跡。工業水足跡、生活水足跡、生態水足跡和城鎮公共水足跡用各自用水量代替。為消除價格變動對地區生產總值及產業增加值的影響，以2005 年為基準期，利用GDP 平減指數法換算成可比較的實際GDP。

表2 單位農產品虛擬水含量 m3／kg

2.3 結果分析

2.3.1 水足跡狀況分析

利用水足跡核算方法，分析洛陽市多年水足跡狀況，結果見表3。洛陽市總水足跡呈先增后減、整體增大趨勢，年均61.58 億m3，2015 年達到最大67.20億m3，人均水足跡變化趨勢與其基本一致，年均897.73 m3；生活水足跡、生態水足跡和城鎮公共水足跡波動增加，年均分別為1.98 億、1.02 億、0.52 億m3，這與近年來人們生活水平提升、重視生態環境保護以及推進城鎮化進程等有關；農業水足跡相對較大，年均52.38 億m3，擠占了其他產業的水資源供應量，不利于經濟協調發展；而進口、出口水足跡相對較小，年均分別為0.14億、0.40 億m3，相差0.26 億m3。區域水足跡自給率在99.30%以上，水足跡壓力指數超過安全上限1，水資源利用基本源于內部供應，水資源安全面臨較大風險和壓力；水足跡經濟效益由2005 年的19.94元／m3增大到2020 年80.29 元／m3，基本符合區域經濟發展狀況。

表3 2005—2020 年洛陽市水足跡狀況

因農業水足跡最大，對洛陽市總水足跡影響最大，故對其進行詳細分析，見表4。農作物產品中糧食水足跡最大，年均25.54 億m3，占農業水足跡的48.76%，這與糧食作物種植面積最大、耗水量最多有關；蔬菜水足跡次之，年均2.47 億m3，占比4.71%，且每年變化不大，較為穩定；棉花水足跡最小，年均僅0.24 億m3，占比不足0.50%，且有減小趨勢。動物產品中，牛肉、禽蛋、豬肉水足跡較大，年均分別為5.58 億、5.17 億、3.49億m3，分別占農業水足跡的10.65%、9.86%、6.65%；羊肉水足跡最小，年均僅0.42 億m3，原因可能與洛陽市傳統飲食習慣有關。洛陽市應當發展高效節水農業，通過改進灌溉方式和調整種植結構等措施減少農業用水，確保區域水資源可持續利用。

表4 2005—2020 年洛陽市農業水足跡狀況 億m3

2.3.2 基于水足跡的水資源利用與經濟發展脫鉤關系

利用TAPIO 脫鉤模型，研究2005—2020 年洛陽市水資源利用與經濟發展脫鉤關系，結果見表5。洛陽市總水足跡與生產總值關系由弱脫鉤向強脫鉤轉變，整體處于脫鉤狀態，即經濟發展對水資源的依賴性越來越低，是較為理想的協調關系，有利于區域可持續發展，其中：脫鉤關系有1 次擴張性負脫鉤、1 次增長性連接、6 次弱脫鉤和7 次強脫鉤，脫鉤率86.67%，強脫鉤率46.67%，2012 年以后多強脫鉤，這與近年來洛陽市提倡高質量發展以及用水效率提升等有關。農業水足跡與生產總值關系也由弱脫鉤向強脫鉤轉變，脫鉤率86.67%，強脫鉤率46.67%，且歷年脫鉤關系和總水足跡與生產總值的相同，農業用水對區域水資源利用與經濟協調發展影響最大。農業水足跡與農業增加值關系整體弱于與生產總值的關系，脫鉤率73.33%，強脫鉤及超強脫鉤率46.67%，脫鉤狀態變化顯著，農業發展對水資源的依賴性依舊明顯，不利于區域協調發展。

表5 2005—2020 年洛陽市水資源利用與經濟發展脫鉤關系

利用TAPIO－LMDI 模型，研究2005—2020 年洛陽市水資源利用與經濟發展脫鉤因素，結果見表6。區域用水效率和產業結構多為負向因素，即抑制水資源消耗，促使與經濟發展脫鉤，是脫鉤驅動因素，引起的水足跡變化量分別為－7.672 億～1.407 億m3、－5.188億～－0.131 億m3，產生的效應值分別為－1.328～0.248、－0.549～－0.075，年均分別為－0.457、－0.415，二者差別較小；而經濟收入和人口規模多為正向因素，即促進水資源消耗，阻礙與經濟發展脫鉤，是脫鉤抑制因素，引起的水足跡變化量分別為－0.770 億～8.187 億m3、0.248 億～2.383 億m3，產生的效應值分別為－0.440～0.894、0.035～1.362，年均分別為0.749、0.155，二者差別較大。用水效率是主要的脫鉤驅動因素，而經濟收入則是主要的脫鉤抑制因素，用水效率產生的效應值絕對值越大、經濟收入產生的效應值絕對值越小，區域水資源利用與經濟發展就越容易脫鉤。此外，經濟收入引起的水足跡變化整體有下降趨勢，即經濟收入對水足跡的促進作用逐步減弱，有利于區域水資源與經濟協調發展。

表6 2005—2020 年洛陽市水資源利用與經濟發展脫鉤因素研究

3 結論

1）洛陽市總水足跡整體有增大趨勢，年均61.58億m3，水足跡自給率在99.30%以上，水資源利用基本源于內部供應，水資源安全面臨較大風險和壓力；農業水足跡最大，年均52.38 億m3，擠占了其他產業的水資源供應量，不利于經濟協調發展。

2）洛陽市水資源利用與經濟發展整體處于脫鉤狀態，脫鉤率為86.67%，即經濟發展對水資源的依賴性越來越低，是較為理想的協調關系，有利于區域可持續發展；農業水足跡與農業增加值關系（脫鉤率73.33%）弱于其與生產總值的關系（脫鉤率86.67%），農業發展對水資源的依賴性依舊明顯。

3）洛陽市用水效率是主要的脫鉤驅動因素（年均效應值－0.457），而經濟收入則是主要的脫鉤抑制因素（年均效應值0.749），用水效率產生的效應值絕對值越大、經濟收入產生的效應值絕對值越小，區域水資源利用與經濟發展越容易脫鉤。

受數據資料等限制，本研究尚存在以下不足，有待進一步完善：

1）在借鑒他人單位農產品虛擬水含量的研究成果時，未考慮地域差異和農業發展情況，會有一定誤差；采用工業用水量代替工業水足跡和利用萬元產值用水量與進出口貿易額相乘計算進出口水足跡的方法不夠準確，下一步應考慮使用投入產出法計算水足跡。

2）在計算用水效率、產業結構、經濟收入、人口規模變動引起的水足跡變化和產生的效應值時，僅考慮了農業和工業，不夠全面，下一步應將用水產業細分為第一產業、第二產業和第三產業進行研究。