朱 豪,尹明财,胡圆昭,麻家宁,张济世

(兰州交通大学 环境与市政工程学院,甘肃 兰州 730070)

随着社会经济的不断发展发展,人们生产生活对水资源需求量的日益增加和生态环境保护用水的提高,水资源面临的压力日益上升。定量分析水资源的发展情况、水资源的利用效率和水资源生态承载能力的内在规律对区域经济发展和可持续发展尤为重要[1-2]。因此,探究湖北省水资源的利用和经济发展之间的关系,有助于绿色经济的可持续发展,可以合理配置和保护水资源以达到水资源利用和经济发展的平衡点。李宁等[3]利用脱钩模型对长江中游的经济进行脱钩分析,表明长江中游水资源的利用和经济增长处于初级协调状态 ;焦士兴等[4]运用脱钩模型对河南省水资源利用与经济进行经济脱钩分析,表明河南省水资源利用与经济增长处于协调状态,并且呈现波动变化趋势。孙才志等[5]对中国31省市的水生态足迹进行分析,表明省际水生态足迹存在明显的空间集聚现象;余灏哲等[6]从DPSIR视角对山东省及17地级市水资源可持续利用时空分析,表明山东省水资源利用程度趋于加强,水资源利用效率仍可提升。湖北省作为首批全国资源节约型环境友好型社会建设综合配套改革试验区之一,已经进入经济快速发展期,但其生产生活用水需求与水生态保护的矛盾也日益突出[7]。

基于上述分析,以消费者的水足迹角度,计算湖北省水足迹和水足迹强度,以了解水足迹和水足迹强度的动态变化,通过构建湖北省经济脱钩模型,对湖北省的水资源利用和经济协调发展的关系研究,再采用湖北省的基尼系数和锡尓指数分析水足迹强度的变化趋势,侧面反映水资源利用和经济发展之间的关系,最后结合Moran’s I 指数对湖北省的水足迹强度空间分析,探求湖北省的水资源的利用效率的空间分布,为湖北省水资源的可持续利用,增强区域经济发展和水资源环境的协调程度提供理论支持。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

湖北省位于华中地区的东经108°21′42″～116°07′50″、北纬29°01′53″～33°6′47″,见图1。其地势高低相差悬殊,三面环山,中间低平,向南敞开,地形复杂多样,具有“华中屋脊”之称。湖北省处于亚热带季风性湿润气候,境内主要河流有长江干流、淮河和华阳河水系。全省全年平均降水800～1 600 mm,降水量变化较大。2020年底,全省常住人口5 775.3万人,水资源总量1 754.71亿m3,地表水资源量1 734.96亿m3,地下水资源总量381.67亿m3,人均水资源量3 038 m3。

1.2 数据来源

选取湖北省2009—2020年时序,水资源总量、工业生产用水、居民生活用水、生态用水、地表水资源总量和地下水水资源总量等均来自《湖北省水资源公报》,其常住人口、地区生产总值、出口贸易值和进口贸易值均来自《湖北省统计年鉴》以及湖北省各地级市《统计年鉴》。研究范围包括湖北省16地级市(不包含神农架林区)。所有的图表数据均采用百度地图poi数据查询工具、GeoDa、ArcMap和office等软件处理;其中行政区域的shp文件是通过百度地图poi数据查询工具中的行政边界查询的范围选择器输入相应的目标文件所获取的,而后面对应的LISA图是由ArcMap制作所需要的参数的shp文件,然后导入GeoDa软件设置空间权重管理,最后选择相应的空间分析函数获取的。

2 研究方法

2.1 水足迹计算模型

“水足迹”指1个国家或地区在一定时间内消费所有产品和服务所需要的水资源数量,其中不仅包含了经济发展消耗的实体水资源,而且包含产品相关服务中的虚拟水资源,可以系统地反映该地区的水资源消耗情况[8]。研究的地区水足迹中不考虑第三产业,水足迹计算公式[9]为:

WF=WFi+WFe

(1)

WFi+WFes+WFip+WFwp+WFde-WFc

(2)

WFe=WFh-WFj

(3)

式中 WF——国家或者地区总水足迹;WFi——内部水足迹;WFe——外部水足迹;WFes——农业水足迹;WFip——工业水足迹;WFwp——居民生活水足迹;WFde——生态水足迹;WFc——本国生产而由其他地区消费的产品或服务的虚拟水资源量;WFh——进口的虚拟水资源量;WFj——进口后复出口的水资源量。

2.2 水足迹评价指标计算

a)人均水足迹。指区域水足迹与该地区总人口的比例[10],反映地区的人均水足迹拥有量。

(4)

b)水资源自给率。区域内部水足迹与总体水足迹的比例[11],反映地区对内部水资源的依赖程度,对内部水资源的依赖程度越高值越大。

(5)

c)水资源匮乏指数。该地区水足迹与可利用水资源量的比值,研究以可利用水资源量来表示各地区水资源现状[12],可利用水资源量按照水资源总量的40.34%计算[13],反映区域水资源的短缺情况,比例越大,区域的水资源短缺程度越严重。

(6)

d)水资源利用效率。区域生产总值与该区域的水足迹之比[14],反映该地区水足迹产生的经济效益。

(7)

2.3 水足迹强度锡尓指数和基尼指数

水足迹强度是水足迹与国内生产总值的比值,指标反映各地区的水资源利用效率水平[7]。通过锡尓指数和基尼指数的大小来衡量水足迹强度的空间差异性和变化趋势,锡尓指数的计算公式[15]:

(8)

(9)

式中T——锡尔指数;vi——i城市水足迹量占全省水足迹总量比例;di——i城市GDP占全省GDP比例;G——基尼系数;yi——i城市的水足迹强度;yj——j城市的水足迹强度;μ——水足迹强度平均值。

联合国相关组织将基尼系数作为居民收入分配均衡程度的指标,并作出详细的分类,见表1。

表1 基尼系数划分标准

2.4 水足迹强度Moran’s I 指数

2.4.1水足迹强度全局空间相关指数

全局空间自相关性可以衡量区域之间整体上的空间关联和空间差异程度,全局莫兰指数是用来衡量空间自相关的全局指标,反映空间邻近的区域单元的相似程度[16],定义如下:

(10)

式中n——地区的数目;xi——地区i的观测值;xj——地区j的观测值。

2.4.2水足迹强度局部空间相关指数

区域要素的空间异质性非常普遍,局域自相关就是通过对各子区域中的属性信息进行分析,探查整个区域属性信息的变化是否平滑,揭示空间自相关的异质性可用LISA来表示[17]。局部莫兰I指数计算方法如下:

(11)

指数是正值表示同样类型属性值的要素相邻近,负值表示不同类型属性值相邻近,该指数值的绝对值越大邻近程度越大。

2.5 水足迹LMDI脱钩模型构建

脱钩模型广泛用于资源环境与经济发展之间不再互相依赖的程度和方向。因此,选择Tapio 脱钩弹性指数构建水资源利用与经济增长的脱钩模型,脱钩经济模型为[18]:

(12)

(13)

WF=∑iWF=∑iIi×Si×Inc×P

(14)

式中e——水资源利用脱钩系数;ΔWF——水足迹变化率;ΔGDP——该地区的国内生产总值变化率;WFt——该地区后1 a水足迹总量;WF0——该地区前1 a水足迹总量;GDPt——地区后1 a国内生产总值;GDP0——地区前1 a国内生产总值;WFi——第i行业水足迹总量;GDPi——第i行业生产总值;P——湖北省常住人口;Ii——第i行业用水强度;Si——第i行业生产产值在湖北省生产总值占有比重;Inc——湖北省人均生产总值。

参考以往学者的文献将经济脱钩分为8种情形,见表2。

表2 经济脱钩详细情况

为更好地进一步探索湖北省水资源和经济发展脱钩关系的研究,在利用Tapio脱钩弹性方法对水资源利用与经济发展脱钩情况进行定量分析的基础上,参考孙付华等[18]的研究,从技术改进、产业结构、规模经济、常住人口四方面进行扩展研究,其扩展模型[12]为:

ΔWF=ΔWFI+ΔWFS+ΔWFInc+ΔWFP

(15)

(16)

式中,分解因素 WFI、WFS、WFlnc、WFP分别反映技术改进、产业结构、规模经济、常住人口的 4 个效应,并基于以上推导公式分解脱钩模型,见式(17)[19]:

eI+eS+eInc+ep

(17)

式中eI——技术效应引起的脱钩因子变化;es——产业结构效应引起的脱钩因子变化;eInc——规模经济效应引起的脱钩因子变化;ep——常住人口引起的脱钩因子变化。

3 结果分析

3.1 水足迹时序特征分析

表3可知,2009—2020年湖北省水足迹中农业水足迹位列首位,工业水足迹较多,生态水足迹最少。湖北省水足迹、农业水足迹、居民生活水足迹和生态水足迹呈现波动上升趋势,变化幅度分别为24.2%、26.6%、76.7%和4 800.5%;随着“十一五”“十二五”“十三五”计划的提出、农业生产条件优越和水资源丰富以及国家对农业发展的重视,使得农业水足迹体量大;湖北省生态保护用水主要由宜昌市、襄阳市和孝感市的生态用水量大幅增加,导致湖北省2020年的生态保护用水增加,随着人民生活质量的提高和生态保护意识的增强也增加了生态环境用水量。

表3 湖北省水足迹及水资源经济指标

工业水足迹总体呈现下降趋势,变化幅度为23.0%。出口虚拟水质量和进口虚拟水质量分别呈现上升和下降的趋势,出口是进口虚拟水足迹1～2倍,分别增长6.2%和下降24.2%,湖北省对外贸易形成顺差;湖北省人均水足迹12年变化幅度不大,但总量很大。2009—2020年湖北省的平均人均水足迹1 985.4 m3/(人·a),高于全球平均人均水足迹1 243 m3/(人·a)[20],也侧面说明湖北省经济发展水平较高。湖北省水资源匮乏指数为0～2,湖北省的水资源压力轻,但水资源匮乏指数绝大多数大于1,水资源总量离满足生产生活还有一定的距离;水资源自给率达到99%以上,完全可以实现自给自足,并且对于外部水资源的依赖程度不断降低;2009—2020年湖北省水资源利用效率呈现上升趋势,增长186.6%,由此说明湖北省的水资源利用效率较高。综合以上水资源相关指标,湖北省的水资源利用效率不断提高,对于外部水资源的依赖程度不断降低,人们生产生活的水资源具有一定的压力,但压力不大。

3.2 总水足迹LMDI模型驱动因素分析

为更好对湖北省总水足迹影响因素进行驱动分析,以2008为基准年,分别从人数效应、结构效应、技术效应和经济效应4个方面进行驱动分析。表4分析可知,通过LMDI模型对水足迹总量的驱动分析,各因素的总效应呈现下降趋势;其中人数效应和经济效应对水足迹数量变化的影响程度为正值,表明人数效应和经济效应对水足迹数量的表现为增量效应;结构效应和技术效应对水足迹数量变化的影响程度为负值,表现对水足迹数量的变化具有抑制效应。人数效应和经济效应呈现波动上升趋势,2009年的 1.5×108、131.8×108m3至2020年的11.7×108、1 374.8×108m3,增长了7.6倍和10.4倍。人口数量的增加和经济增长,促使水足迹数量的直线增加,势必会增加农业和工业的生物资源消耗,导致当地水资源压力的增加,还需适当的增加贸易进口来减少水资源的压力。

表4 LMDI模型对湖北省总水足迹的驱动分析 单位:108 m3

结构效应和技术效应呈现波动下降趋势,尤其技术效应最为突出,在此期间数量上增长了3.5倍和15.7倍。研究结果表明水足迹的结构效应和技术效应对水足迹的增长具有抑制效果,为更好减轻水资源压力的影响,后续还要继续加强结构效应和技术效应对水足迹增长的重视。

3.3 水足迹经济脱钩分析

3.3.1水资源利用与经济增长脱钩分析

表5可知,根据水足迹LMDI因子分解方法并结合Tapio脱钩划分标准,确定2009—2020年湖北省的水足迹经济脱钩情况表。

表5 水足迹脱钩分析情况

表5分析可知,湖北省整体的经济脱钩指数相对平稳,水资源利用的速度低于或者小于经济发展的速度,处于脱钩状态。只有2016、2019年出现强脱钩的经济状态,2020年出现弱负脱钩,其他均为弱脱钩状态,说明湖北省的水资源利用和经济发展较为稳定,符合湖北省经济发展和水资源利用的基本现状;其中唯有2020年出现衰退脱钩的情况,经济受到严重影响,ΔGDP也是唯一出现负值的,因此2020年数据不具有代表性。2019年湖北省发布《湖北省节水行动实施方案》 ,实施用水总量强度双控,提高节约农业用水效率,加强产业结构的优化,各个行业用水效率得以提高。

2009—2020年湖北省的GDP变化率和水足迹增长率呈现下降趋势(图2),说明湖北省的经济增长速度减缓,产业结构优化显著,用水量效率提高;湖北省绝大多数的经济增长速度高于总用水量的速度,湖北省经济处于弱脱钩状态。2016、2019年出现2次强脱钩,强脱钩是经济状态最为理想的状态,经济的增长不会依赖用水量的增加而增长,期间的水资源的利用效率增加;2020年出现1次弱负脱钩,弱负脱钩是不理想的经济状态,经济发展没有因为水资源的用量增加而增长并出现了经济衰退;2009—2020年出现9次弱脱钩经济状态,弱脱钩经济状态是一种较为理想的经济状态,经济增长速度大于水资源用水量的速度,是经济发展和水资源利用协调较好的发展方式。

图2 水足迹和GDP变化率

2009—2020年农业产值的增长率处于先上升后下降,整体呈现波动上升的趋势,而农业水足迹变化率呈现波动下降的趋势,并且农业产值增长速度绝大多数高于农业水足迹增长速度(图3)。2014、2015年出现2次扩张连接,扩张连接是粗放经济向可持续发展经济过渡的一种经济发展状态,需要消耗大量的水资源来维持经济的增长,是一般理想的经济发展状态;2009年出现1次扩张负脱钩,处于不理想的经济状态。2009—2020年出现3次强脱钩和6次弱脱钩。从图3不难发现出湖北省的农业增长处于一个较为稳定的区间范围,而水资源用水量变化率呈现下降的趋势,2015年以后的水资源用水量的减少尤为突出,主要是与国家的节水措施和湖北省省政府的政策导向有关。

图3 农业水足迹和GDP变化率

2009—2020年湖北省工业水足迹变化率和工业产值变化率整体呈现波动下降的趋势,工业水足迹变化值绝大部分低于工业产值,形成弱脱钩的经济形态,见图4、表5。期间6次弱脱钩趋势和5次强脱钩趋势以及1次衰退经济脱钩趋势。2009—2020年湖北省的经济发展状况主要以弱脱钩和强脱钩,说明湖北省的工业经济的发展不以依赖水资源用水量的大量消耗来增长经济,经济增长和水资源的利用处于协调可持续发展方式并存。

图4 工业水足迹和GDP变化率

3.3.2脱钩驱动因素及效应分析

以Tapio经济脱钩弹性模型为基础,结合Kaya恒等式和LMDI模型从经济效应脱钩因子、人数效应经济脱钩因子、结构效应经济脱钩因子和技术效应经济脱钩因子4个方面进行因素驱动分解(表6)。

表6 经济脱钩效应因子分析

2009—2020年,湖北省水资源利用效率与经济发展脱钩因子以经济效应脱钩因子、人口效应脱钩因子和技术效应脱钩因子为正向驱动,结构效应脱钩因子为负向驱动。其中结构效应脱钩因子为负向驱动,对水资源利用效率具有促进作用,呈现波动下降的趋势,贡献值为-0.34,呈现这样的情况源于湖北省产业结构的优化升级,节水措施的落实,有效节约了大量的水资源。经济效应脱钩因子的正向驱动作用,是主要的经济抑制因子,该因子整体呈现上升的趋势,贡献值均值为1.28。技术效应脱钩因子作为湖北省经济脱钩趋势的次要因子,其均值贡献值为0.06。人口效应脱钩因子对湖北省的经济脱钩趋势的影响较小,其贡献均值为0.002,对湖北省的经济脱钩的抑制作用不明显。

3.4 水足迹强度空间分析

2009—2020年湖北省各地级市水足迹强度呈现下降的趋势,各地区下降幅度均超过70%,仍有部分区域的水足迹强度相对较高,总体上说明湖北省及各地级市的节水措施和导向政策极大促进各地区的水资源利用效率(图5)。其中武汉市、黄石市、十堰市和宜昌市的水足迹强度处于较低水平,说明该地级市的水资源效率很高,并位于湖北省前列;荆州市、黄冈市、恩施州、仙桃市和天门市出现了较高的水足迹强度,说明该地级市的水资源利用效率较低,污废水的处理可能面临较大的压力。湖北省的水足迹强度的大小可以反映出各地级市的水资源利用情况,水足迹强的差异性也表明水足迹强度和地区的经济发展存在着必然的联系,发达地区的水资源利用效率较高,经济发展较慢的地方的水资源利用效率较低。

图5 2009—2020年湖北省水足迹强度

3.4.1水足迹强度空间差异分析

2008—2020年湖北省水足迹强度的锡尓指数呈现先下降后上升的趋势,整体呈现上升的趋势(图6)。2008—2013年锡尓指数呈现下降趋势,由0.257 6下降到0.212 0,降低了17.7%,说明该期间内湖北省各地级市的水足迹强度的差异性较小;2014—2020年,锡尓指数呈现上升趋势,增长了23%。2008—2020年水足迹强度的基尼系数呈现波动上升的趋势,由0.168 2至0.241 4,并处于“高度平均”和“相对平均”的水平。湖北省的基尼系数和锡尓指数2008—2020年整体呈现上升的趋势,表明湖北省内水足迹强度的差异性在逐步增加,但是从基尼系数指标来看,湖北省的水足迹强度处于“高度平均”和“相对平均”的水平,说明湖北省内的水足迹强度的差异虽然逐年增加,但是在水足迹强度差异合理地范围之内。

图6 湖北省水足迹强度的基尼系数和锡尓指数

3.4.2全局Moran’s I空间自相关检验

2009—2020年湖北省全局Moran’s I指数呈现波动上升的趋势,2009—2017年为负相关性,湖北省地级市的水足迹强度呈现负相关的空间聚集现象;2018—2020年为正相关性,地级市的水足迹强度呈现正相关的空间聚集现象(表7)。说明湖北省地级市之间从联系不紧密到后期联系紧密而逐渐靠拢,水足迹强度集聚的程度与空间相关性均在逐步增强。

表7 湖北省水足迹强全局Moran’s I指数

3.4.3局部Moran’s I空间自相关检验

2009—2010年,低-低聚集的城市是十堰市,高-低聚集的城市是恩施州和襄阳市(图7)。2011—2017年,低-低聚集的城市是十堰市和襄阳市,高-低聚集的城市是恩施州。2018—2019年,低-低聚集的城市有十堰市和襄阳市,高-低聚集的城市有恩施州,高-高聚集的城市有荆门市。2020年,低-低聚集的城市有十堰市和襄阳市,高-低聚集的城市有恩施州,高-高聚集的城市有荆门市,其他城市均为不显著聚集。

a)2009年

b)2011年

c)2018年

d)2020年

2009—2020年不同时期低-低聚集的城市有十堰市和襄阳市,主要是以十堰市为中心形成1个水足迹强度低的空间集聚区域,并且有明显向周边扩散的趋势,这也体现出了该区域的水资源利用效率高,这也与水足迹强度趋势分析说明十堰市水足迹强度低的结论相一致;而襄阳市2011—2019年是1个水足迹强度低的空间聚集区域并向高-高聚集区的荆门市扩散;其中恩施州处于高-低的空间集聚区域,12 a来并未发生向周边扩散的趋势。2018—2020年,高-高集聚的城市是荆门市,形成1个水足迹强度高的空间聚集区域,这一区域在空间上的范围保持稳定,并且有明显的下降趋势,逐渐缩小与其他地级市的水足迹强度的差异。荆门市水足迹强度高的原因是农业的种植业和畜牧业发达,大力发展制造业(装备制造、新能源新材料、再生资源利用与环保等),需要消耗大量的水资源,致使荆门市的水足迹强度下降缓慢。

4 结论与建议

4.1 结论

从消费者的角度对湖北省2009—2020年进行水足迹的计算,总体水足迹和农业水足迹呈现上升趋势,工业水足迹呈现下降趋势,其变化幅度分别为24.2%、26.6%和23.0%。通过对水足迹LMDI模型因素驱动分解,人数效应和经济效应对水足迹的数量具有增量效应,而结构效应和对水足迹的数量具有抑制效果。

湖北省水资源利用与经济增长呈现弱脱钩趋势,农业生产用水效率与经济增长处于较弱的状态,而工业生产用水量和经济增长呈现稳定的趋势,总体来看湖北省的水资源利用和经济发展较为稳定。通过湖北省经济脱钩分析,其结构效应脱钩因子对水资源利用效率具有促进作用;人口效应脱钩因子对水资源利用效率和经济增长的脱钩趋势的作用微乎其微,而技术效应脱钩因子和经济效应脱钩因子对湖北省的脱钩趋势具有正向驱动效应,并且整体呈现上升趋势,对水资源利用效率和经济增长的趋势抑制作用明显。

湖北省各城市的水足迹强度明显呈现下降趋势,减少幅度均超过70%。2009—2020年湖北省水足迹强度的锡尓指数呈现先下降后上升,整体上升的趋势,表明水足迹强度的差异逐年增加,但是从基尼系数的趋势来看,水足迹强度虽然存在差异,但又处于合理的空间范围内,差异并没有两极分化。水足迹强度存在着显著的空间效应,并集聚的程度与空间相关性均在逐步增强;低-低和高-低是主要的空间聚类方式,具有明显向周边扩散的趋势。由此看来,湖北省的水资源利用效率和经济增长向好趋势发展,并且水资源效率有明显的提高,虽然城市之间有一定的差异,但是在可控范围之内。

4.2 建议

通过水足迹的LMDI因素驱动和经济脱钩分析以及水足迹强度的空间相关性分析,针对湖北省水资源利用与经济发展的关系提出以下改进建议。

a)加强节水技术改造,提高水资源利用效率。通过水足迹相关公式计算,农业生产用水和工业生产用水占水资源的比重最大。农业方面,积极探索适合湖北省的低能耗、低耗水、高产、全自动化的农作物规模种植,推动农田灌溉设施完善。对于大中型灌区,需要采用高效、智能的节水灌溉监测技术。工业方面,推广绿色节水模式,以先进的智能技术为基础,严格控制恩施州、荆州市、荆门市等工业高聚集城市的污水排放总量,加大节水力度,推动转变水资源使用模式,提高水资源的利用效率。

b)加强供给侧改革,促进产业结构优化。湖北省作为制造业大省,需要加强产业结构现代化,优化产业结构,推进制造业转型升级,建立内部经济循环,合理配置水资源,持续关注发展水资源利用效率与规模经济的关系,完善水资源利用效率评价机制。

c)加强科技人才合作交流,提高全民节约用水能力。从节约用水法律条例、市场体制等方面引导节水生产和生活方式,促使节水意识深入人心,提高水资源利用效率。

d)坚持绿色经济发展思想,健全生态保护补偿制度。划分灌溉农业区、生产聚集区与自然保护地,以确立“可持续发展”的生态补偿观念。同时贯彻绿色生态的基本思想,用好各类市场化生态补偿制度,以避免生态开发和水资源保护之间的相互冲突,更有效地推动我国生态文明发展和保障广大人民群众的安全利益。