张 淑 兰，张 海 军，张 盉 儆，安 彬，黄 志 贵

(1.安康学院 陕南生态经济研究中心，陕西 安康 7250001； 2.安康学院 旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000)

1 研究背景

水资源生态足迹模型是描述水域生态系统服务的一种生态学统计方法[1]。该模型在理论框架下可以创建地表水、地下水两个二级账户，或者生产用水、生活用水、生态用水 3 个二级账户[2]。近些年来，越来越多的学者用该模型对不同地区或流域进行了有关水资源生态承载力、生态足迹和可持续利用分析、评价及预测。比如王文国[3]、郭晓娜[4]、张倩[5]等先后基于该模型，对重庆市水资源的生态承载力、生态足迹和可持续利用进行了分析、评价和预测；在贵州，吴全志等[6]、周子琴等[7]利用该模型对贵州省的水资源开发和利用状态及其演化进行了研究。也有学者从时空格局角度，分析了各省或市域(比如浙江省、四川省、成都市等)的水资源生态足迹[8-11]；同时，也有从流域尺度，对水资源生态承载力及生态足迹进行了评价[12-13]。除此之外，学者们还对模型进行了扩充，使模型更能反映社会用水对于当前水资源量的真实消耗情况，比如水生态足迹广度、深度的提出[14]，水域生态承载力新的算法等[15]。 因此，利用水资源生态足迹模型来分析水资源可持续利用情况，能够为区域或流域水资源规划和管理提供理论依据与指导。

人类社会经济的发展总是与水资源的开发利用息息相关，而当今气候变化和人类活动使不同地区的水资源可持续利用总是面临着不同程度的压力，特别是在我国近20 a来城市化发展的进程中，各地区对水资源的开发和利用程度每年都在增长，很多城市或省份的水资源生态出现了亏缺或水资源利用程度已经达到很高的状态[16-20]，甚至出现从外流域调水的需求[21-22]。陕西省位于我国中西部地区，该省的人口、资源和经济相对于经济发达地区并不突出，而且一直存在经济发展与水资源利用之间的矛盾[23-24]。为此，本文利用2000～2017年的陕西省水资源、人口和经济等方面的数据，深入分析了该省的水资源生态足迹及可持续利用情况，以便为今后社会经济的健康发展和水资源的开发和可持续利用提供参考。

2 研究区概况

陕西省(105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N)位于中国的西北地区，全省总面积为 20.56万 km2，以北山和秦岭为界，全省共下辖10个市，分为秦巴山地、关中平原和陕北高原三大地貌区。陕西省地处内陆中纬度地带，远离水汽源地的地理位置，属于大陆性季风气候区，但气候差异很大，由南向北依次跨越北亚热带、暖温带和温带。全省年平均气温为11.6 ℃，平均降水量为653 mm，主要集中于夏季的7～9月，冬季是枯水期，年均蒸发量为1 608 mm。以秦岭为界，分属于黄河、长江两大流域，拥有渭河、泾河和汉江较大河流，水资源总量为445 亿m3，时空分布严重不均，外流水系约占全省面积的 97.7%，而内流水系仅占全省总面积的2.3%，且主要分布在陕北高原风沙草滩区；林地、耕地、草地所占比例较大，生态环境较好。2016年，陕西省地方生产总值为19 399.59亿元，比2015年增长12.1%。

3 数据来源与研究方法

3.1 资料来源

本文收集整理了陕西省人口、GDP、耕地面积以及水资源等方面的数据。这些数据均来源于2000～2017年《陕西省统计年鉴》和《陕西省水资源公报》。

3.2 研究方法

3.2.1水资源生态足迹模型

水资源生态足迹即利用水资源用地面积来表示地区消耗水资源量的情况，以便于统计水资源利用的各子账户，其计算模型如下[2]：

EFw=γw×(W/pw)

式中：EFw为水资源生态足迹，hm2；γw为水资源的全球均衡因子，γw=5.19；W为利用的水资源量，m3；pw为水资源全球平均生产能力，m3/hm2，其值为31.4×104m3/km2[2]。

3.2.2水资源生态承载力模型

水资源承载力是维持地区水资源开发利用的最大供给量，其模型的构建是基于水资源生态足迹[2，25]：

ECw=0.4×ψ×γw×Q/pw

式中：ECw为水资源承载力，hm2；γw为全球均衡因子；ψ为区域水资源的产量因子；Q为研究区水资源总量，m3；pw为水资源全球平均生产能力，m3/hm2；ψ为水资源产量因子，是区域水资源平均生产能力与世界水资源平均生产能力的比值。计算公式为

ψ=V/Vg

式中：V为区域单位面积产水量；Vg为全国单位面积产水量，其值为2.94×105m3/km[2]。

3.2.3水资源可持续利用评价指标

采用水资源生态盈亏、万元GDP水资源生态足迹和水资源负载指数3种指标进行水资源可持续利用评价。评价的具体内容如下。

(1) 水资源生态盈亏。基于水资源生态足迹及其生态承载力获得水资源生态的盈亏情况，进而衡量地区水资源可持续利用的程度[20-21]，其计算模型为

EPL=ECw-EFw

式中：EPL为水资源生态盈亏，hm2；当EPL>0时，则表示水资源生态为盈余；当EPL=0时，则表示水资源生态状况为平衡；当EPL<0时，即为水资源生态亏缺。

(2) 万元GDP水资源生态足迹。万元GDP水资源生态足迹是考虑经济发展情况对水资源利用效率的重要指标[20-21]，是地区水资源生态足迹与国民生产总值(GDP)之间的比值。其值越大，说明水资源利用效率越高，反之，水资源利用效率越低。

(3) 水资源负载指数。水资源负载指数(C)是指一个地区人口数量、经济发展以及区域或流域降水对水资源开发利用的影响程度。其计算公式如下：

式中：k为与降水有关的系数。其计算公式如下：

水资源负载指数(C)一般分为5级(见表1)，不同级别的指数可以反映区域或流域水资源开发利用的现状、开发潜力以及对水资源需求的程度。

表1 水资源负载指数的分级与评价Tab.1 Classification and evaluation of water resources load index

4 结果与分析

4.1 陕西省水资源生态足迹

2000～2017年，陕西省人均水资源生态足迹呈缓慢上升的趋势(见图1)，其平均值为0.372 hm2/人。其中，2003年的人均水资源生态足迹最小，为0.335 hm2/人，到2017年增加到了0.401 hm2/人；尽管个别年份的水资源生态足迹略降低，但其平均每年的增加率为1.37%。从不同区域来看，人均水资源生态足迹从大到小的排序是陕南地区(0.493 hm2/人)>关中地区(0.349 hm2/人)>陕北地区(0.276 hm2/人)。

图1 2000～2017年间陕西省人均水资源生态足迹的变化曲线Fig.1 Changes of water resources per capita ecological footprint in Shaanxi Province from 2000 to 2017

由表2可以看出：各区域水资源生态足迹各账户中所占比重最大的均是耕地用水生态足迹，其他用水账户在不同区域所占比重明显不同，比如，陕南地区的工业用水生态足迹要低于生活用水生态足迹，而陕北地区和关中地区的工业用水生态足迹要高于耕地以外的用水账户的水生态足迹；在3个区域中，人均城镇公共与生态环境用水的生态足迹均占最低比重。2000～2017年间，3个地区人均耕地用水生态足迹均呈降低的趋势，其他用水账户的生态足迹基本呈稳定增加的趋势；其中，陕南地区的林牧渔业用水生态足迹增加明显，陕北地区的工业用水生态足迹增加较多，关中地区在城镇公共和生态环境用水生态足迹方面增加显著。

4.2 陕西省水资源生态承载力

2000～2017年间，陕西省人均水资源生态承载力平均值为0.457 hm2/人，年际之间的波动状态较大，最高值在2011年为1.068 hm2/人，最低值在2001年为0.176 hm2/人。从不同区域来看，陕南地区(3.163 hm2/人)>关中地区(0.349 hm2/人)>陕北地区(0.059 hm2/人)。其中，陕南地区的人均水资源生态承载力波动较大，这与全省的变化具有一致性；而其他2个区域几乎无波动，18 a间水资源生态承载力变化不大(见图2)。

表2 2000～2017年陕西省不同地区水资源生态足迹各子账户变化情况Tab.2 Changes of sub-accounts of the ecological footprint of water resources in different regions of Shaanxi from 2000 to 2017

图2 2000～2017年间陕西省人均水资源 生态承载力的变化曲线Fig.2 Changes of water resources per capita ecological carring capacity in Shaanxi Province from 2000 to 2017

4.3 陕西省水资源可持续利用评价

4.3.1水资源生态盈亏

陕西省人均水资源生态盈亏情况如图3所示。由图3可以看出：2000～2017年间，陕南地区一直处于水资源生态盈余状态，而且具有明显的波动变化，其平均值为2.670 hm2/人；相反，陕北和关中2个地区的水资源一直处于生态亏缺状态，平均值分别为-0.217 hm2/人和-0.253 hm2/人。在2000～2017年的18 a间，全省水资源生态亏缺最大的年份发生在2016年，为-0.182 hm2/人；水资源生态盈余最多的年份发生在2011年，为0.680万hm2/人。结合图2可以看出，陕西省水资源的人均生态盈亏与生态承载力的年际变化具有一致性。

图3 2000～2017年陕西省水资源生态盈亏情况Fig.3 Ecological profit and loss of water resources in Shaanxi Province from 2000 to 2017

4.3.2万元GDP水资源生态足迹

借助于万元GDP水资源生态足迹指标，可以较好地评价经济发展对水资源利用效率的影响。由图4可以看出：2000～2017年间，陕西省万元GDP水资源生态足迹均以指数形式的趋势减少，由2000年的0.72 hm2/万元减少到2017年的0.07 hm2/万元，水资源利用率提高了10倍。从不同区域来看，18 a间，万元GDP水资源生态足迹一直表现为陕南地区>关中地区>陕北地区。其中，陕南地区的万元GDP水资源生态足迹呈锐减的趋势，由2000年的1.546 hm2/万元减少到了2017年0.146 hm2/万元，而关中和陕北2个地区的减少趋势相对较为缓和，关中地区由0.623 hm2/万元减少到了0.234 hm2/万元，陕北地区则由0.509 hm2/万元减少到了0.152 hm2/万元。这说明陕西省在不断提高人民生活水平和加快社会经济发展的过程中，水资源越来越得到了合理充分的使用，减少了水资源的浪费，从而有利于生态环境的良性发展。

图4 2000～2017年陕西省万元GDP水资源 生态足迹的变化曲线Fig.4 Changes of water resource ecological footprint per ten thousand yuan GDP in Shaanxi Province from 2000 to 2017

4.3.3水资源负载指数的变化

由图5可以看出：陕西省水资源负载指数随着时间的变化具有不断增长的趋势；18 a来，关中和陕北2个地区的水资源负载指数均大于10.0，平均值分别为28.9和47.9，要明显高于全省(11.7)和陕南地区(2.9)；特别是自2012年以后，各地区的水资源负载指数迅速增长，2017年与2000年相比，关中地区的水资源负载指数增长最多，为21.2；其次是陕北地区，为17.9；第三是陕南地区，为1.6。说明随着社会经济的快速发展和人口数量的不断增长，陕西省水资源开发利用程度也在不断提高。

图5 2000～2017年陕西省水资源负载指数的变化Fig.5 Changes of water resource load index in Shaanxi Province from 2000 to 2017

5 讨 论

5.1 降水量对陕西省水资源利用的影响

从陕西省所处的地理位置来看，黄河流经陕西，但是近几十年来黄河的入境水量在逐年减少，因此，陕西省的水资源主要来自于降水，而且水资源生态承载力与年降水量之间具有显著的线性关系(见图6)。从不同区域来看，水资源生态承载力大小依次为：陕南地区>关中地区>陕北地区，这明显与各地区降水量的大小有关，而且二者之间的相关程度表现为：陕南地区>关中地区>陕北地区。陕南地区的降水量较大，水资源生态承载力也较大，而且水资源一直处于生态盈余状态，因此该地区的水资源开发利用具有较大的空间。而在降水较少的陕北和关中2个地区，水资源一直处于生态亏缺状态，面临着严重的水资源压力，特别是陕北地区，该地区的水资源生态承载力与年降水量的相关程度明显减弱，说明陕北地区的水资源开发利用受到了降水量的限制，因此可能越来越需调用其他水源。

图6 水资源生态承载力与年降水量的关系Fig.6 Relationship between water resources ecological carrying capacity and annual precipitation

5.2 耕地用水生态足迹账户有所降低，而其他子账户则缓慢增加

陕西省人均耕地用水生态足迹平均为0.218 hm2/人，是占比最大的账户(58.8%)，因此陕西省的人均耕地对水资源利用具有较大的影响。由表3可以看出：关中地区的耕地面积几乎占到全省的一半左右，而且近10 a来耕地面积在不断大量减少，这是造成耕地用水生态足迹减少的重要方面；但是从陕南和陕北2个地区来看，耕地面积均有所增加而耕地用水生态足迹却在减少，这说明影响耕地用水生态足迹的因素除了耕地面积的变化以外，可能与现代农业在农业结构、节水灌溉以及管理等方面有所改善有关。比如陕南地区以前以种植水稻为主，现在很多水田都被改为了旱田，陕北地区则采用了地膜覆盖、节水灌溉措施等，因此，耕地用水生态足迹降低可能是地区水资源利用高效的重要表现。其他用水账户的生态足迹增长与陕西省20 a来的经济迅速发展、生态环境建设、城镇化和人口增长均有很大关系，比如2000～2017年间，陕西省GDP从1804.0亿元增加到了21 898.8亿元，人口数量截至2017年底则增加了191万人，退耕还林以及畜牧渔业养殖规模均得到了不断扩大。

表3 2009～2017年陕西省3个地区的耕地面积变化Tab.3 Changes of cultivated land area in three regions of Shaanxi Province from 2009 to 2017 万hm2

5.3 不同区域水资源利用及开发明显不同

陕西省3个区域在自然、地理、气候、经济以及人口等方面具有明显的差异，这也是不同区域在水资源利用和开发方面存在明显不同的重要原因。 陕南地区地处秦巴山地，属于北亚热带气候，具有较丰沛的降水量，因此水资源较为丰富，这也使得该地区的水资源生态足迹和生态承载力要明显高于地处干旱、半干旱地区的陕北地区和关中地区，而且水资源生态足迹中农田用水占比要显著高于陕北和关中2个地区。从人口和经济发展情况来看，3个地区中，以关中地区的人口最多，而且经济增长较快，其次是陕北地区，第三是陕南地区。因此，最为明显的体现就是陕南地区的工业用水生态足迹明显要小于关中和陕北2个地区。

从水资源生态足迹来看，陕南地区的水资源生态足迹与贵州省、四川省、重庆市等西南省份(市)的情况相似[3，6，8]，呈现稳定缓慢增长的趋势，而且水资源均为生态盈余状态；陕北地区和关中地区与新疆、山西等西部地区省份更为相似[18，22]，水资源一直处于生态赤字状态。除农田用水以外，其他各账户用水的大幅增加使得整个陕西省的水资源生态足迹呈增长的状态，这也说明尽管陕西省的经济发展较我国东部地区的经济发展缓慢，但是从水资源生态足迹来看，陕西省的人民生活质量得到了不断改善，社会经济与生态环境建设并重发展。

从陕西省水资源可持续利用的评价指标来看：

(1) 水资源生态盈亏主要受水资源生态承载力的主导，而从上文的讨论可知水资源生态承载力主要受年降水量的影响比较显著。因此，陕西省水资源生态盈亏与其气候特征和变化直接相关，干旱少雨的年份均为水资源生态亏缺年，与西南地区(比如贵州省、四川省和重庆市)相比显得水资源生态承载力明显不足[5，7-8]，特别是陕北地区和关中地区的水资源生态亏缺较大[24]。

(2) 陕西省3个地区的万元GDP水资源生态足迹自2000～2017年均呈指数降低，说明该省在快速的经济发展过程中水资源得到了高效利用(特别是陕南地区变化更为明显)。但是与浙江省等经济发达地区相比，还有一定的差距[10]，比如2017年，陕西省的万元GDP水资源生态足迹(0.07hm2/万元)仅相当于浙江省2006年的水平。

(3) 水资源负载指数表明，陕南地区的水资源具有较大的开发潜力且较容易被利用，而陕北地区和关中地区的水资源一直处于从外区域调水的程度，且这些年来陕西省引汉济渭工程的实施也是为了解决这一水资源问题。

综上所述，要充分认识陕西省的水资源分布情况，以期能够更高效地调度、利用水资源，从而为陕西省的社会经济发展提供可持续的水资源。

6 结 论

(1) 受自然地理条件的影响，陕西省3个研究区域的水资源分布差异较大，水资源生态足迹和生态承载力均是陕南地区>关中地区>陕北地区。

(2) 降水是陕西省水资源的主要来源，但降水量的分布与区域的人口、经济并不对应，经济落后的陕南地区存在较大的生态盈余，而经济较发达的关中地区和陕北地区一直存在着一定的生态亏缺。

(3) 近些年来，人均农田用水生态足迹有所降低，而工业、生活、林牧渔业和城镇公共与生态环境的人均用水生态足迹均成稳定增加的趋势，陕西省各区域的水资源利用程度均达到了较高程度，陕北地区和关中地区一直处于需要从外区域调水的程度。