基于水资源生态足迹的陕西省水资源利用与经济增长的脱钩分析

张杏梅，翟琴琴

（山西师范大学地理科学学院，山西临汾041004）

0 引 言

水是生命之源，生态之基和生产之要，具有生态和经济双重价值属性，是社会经济发展必备的战略资源和经济资源，在人类的生产发展过程中起着不可替代的作用。随着经济发展、人口激增以及城市化水平的提高，水资源短缺、水环境恶化等一系列问题相继出现，如何促进水资源的合理开发与利用已经引起了广泛关注。

水资源生态足迹是在Willam Ree 和Wackermagel 的生态足迹理论基础上提出来的［1］，该理论不仅弥补了生态足迹理论中对地表水和地下水资源的忽视，而且能从各产业用水、土地面积、人口和降水量等角度综合分析，评价较为全面。脱钩一词在被经济合作与发展组织（OECD）引入资源环境领域后，被用来形容资源消耗或环境污染与经济增长之间耦合联系断裂的理论，即二者的背离运动程度［2］。目前学者对于水资源与经济增长关系的评价较为片面，多趋向于水资源量或水污染单一视角的分析，由于水资源生态足迹能够定量分析区域水资源利用的现状，弥补单一角度的不足［3］，脱钩分析不仅能分析环境与经济增长之间的关系，还能判断二者之间是否平衡，将两种理论相结合能够较全面的分析区域水资源发展状况，且已有一定的研究成果：如王娜等利用水资源生态足迹、LMDI 分解模型以及脱钩模型评价鄂尔多斯市水资源与经济发展的关系，表明研究区水资源利用与经济增长的脱钩程度在不断优化，且农业优于工业［4］；杨志远等运用匹配度、水资源生态足迹和“P-E-R”区域匹配模型，分析典型喀斯特城市铜川市的水资源利用与经济发展的关系，结果表明铜川市当前经济水平下水资源利用状况仍不能满足人口增长的需要［5］；李宁等利用水足迹方法定量分析长江中游城市群近16年来的水资源利用状况，并结合脱钩模型对水资源利用与经济增长协调关系进行评价［6］。

陕西省地处我国西北内陆腹地，降水时空分布不均，水资源利用率低，水污染严重，且多年水资源量达不到联合国统一承认的严重缺水线1 000 m3/人，水资源与人口、经济发展不匹配，水资源短缺和水污染已经成为陕西省的主要水资源问题。基于此，本文运用水资源生态足迹和脱钩评价模型探讨2004-2018年陕西省水资源利用与经济增长的协调关系，并运用灰色神经网络模型对其进行脱钩预测，为其水资源与经济增长的协调发展提供决策参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 水资源生态足迹模型

根据盖东海、吴志峰、洪辉等人的研究可知［7-9］，水资源生态足迹是指特定人口和经济状况下，为维持人们正常的生产生活、水资源消费以及消纳水污染所必需的生态生产性面积，包括水产品生态足迹、水量生态足迹和水质生态足迹三部分［7］。结合陕西省的地理位置及居民饮食习惯，本文主要对水量生态足迹和水质生态足迹进行分析，其中水量生态足迹指的是人类生活中直接用水和社会经济活动对水资源造成的消耗所必需的生态生产性面积，水质生态足迹是指消纳城市生产和生活产生的水体污染物所需要的水资源用地面积［10］。

1.1.1 水量生态足迹

在黄林楠等人研究成果的基础上，根据我国水资源数据类型的划分标准以及用水对象的不同［11］，本文从农业、工业、生活和生态环境入手对陕西省水资源进行分析和评价［12］，构成水资源生态足迹的四账户，使用公式如下：

式中：EFw和efw为区域水量资源生态足迹和人均水量资源生态足迹，hm2和hm2/人；N为区域常住人口数，人；Rw为水资源全球均衡因子，W为区域人均用水量，m3/人；Pw为水资源全球平均生产能力，m3/hm2。参考相关研究成果［13，14］，本文水资源全球均衡因子选取WWF-2002年核算的Rw=5.19，水资源全球平均生产能力选取Pw=31.4×102m3/hm2。

1.1.2 水质生态足迹

据我国《地表水环境质量表》可知，水质标准只有达到三类及以上，才能基本维持水生态环境的功能，否则水环境将被认为严重恶化，无法继续满足生产生活需求［15］。查阅近几年陕西省地表水及地下水污染状况，本文选取化学需氧量（COD）和氨氮排放量（NH3-N）作为评价指标，将二者中对水污染影响的较大值作为水质生态足迹值［16］，使用公式如下：

式中：EFwp为水质生态足迹，hm2；EFCODP和EFNP分别为COD 生态足迹和NH3-N 生态足迹，hm2；CCOD和CN为COD 和NH3-N 排放量，t；PCOD和PN为区域水吸纳COD 和NH3-N 的能力，t/hm2。根据我国三类水质标准中的规定可计算出我国水域消纳COD 和NH3-N的能力［16］，分别为0.062 893和0.003 145 t/hm2。

1.2 水资源生态足迹与经济增长的脱钩模型

脱钩一般被用来描述经济增长与资源环境之间相互影响、相互变化的态势［17］，本文在贾莉、杨天通和王宝强等人研究基础上［18-20］，将水资源生态足迹引入脱钩理论中，确定了脱钩状态评价标准，见表1。其中强脱钩指的是经济增长的同时水量或水质生态足迹趋于减小的状态，二者相背运动，说明此时经济增长对水资源的依赖减少，强脱钩是水资源利用与经济增长的理想状态，使用公式如下：

表1 Tapio弹性指数脱钩程度判定标准Tab.1 Judgment criteria of Tapio elasticity index decoupling degree

式中：Ei为脱钩指数，EF和ΔEF为水资源生态足迹和其增长率，G和ΔG为GDP和其增长率；EFt，EFt-1为第t年和（t-1）年研究区的水资源生态足迹值，Gt、Gt-1为第t年和（t-1）年GDP值。

2 水资源生态足迹动态分析

2.1 水量生态足迹

陕西省水量资源生态足迹从2004年的0.125 亿hm2增长到2018年的0.155 亿hm2，增长了1.24倍，整体上缓慢上升，增长较为稳定，人均水量生态足迹由0.339 亿hm2/人增加为0.401 亿hm2/人，增长了1.18倍，二者的持续增长表明陕西省的用水总量一直在增加，见表2。随着陕西省人口数量以及经济总量的持续增长，对水资源的需求将继续增加，根据公式（1）可知，短时间内水量生态足迹与人均水量生态足迹也会有所上升。

表2 陕西省水量生态足迹汇总表Tab.2 Summary of ecological footprint of water in Shaanxi Province

陕西省水量生态足迹各账户所占比重差异较大，见图1。2004-2018年陕西省农业用水生态足迹由0.082 亿hm2上升为0.094 亿hm2，年均增长率为1.03%，虽然所占比重在逐渐减少，但多年占比达到65.766%，仍占据主导地位，这与陕西省农业为主的发展方式有很大关系；工业用水生态足迹以2009年为拐点，2009年前波动下降，2009年后迅速上升，这是因为经济危机后陕西省为拉动经济发展，暂时放缓了对用水量的限制，但整体上工业用水生态足迹所占比重略有下降，多年平均占比为15.25%；2018年生活用水生态足迹占18.566%，与2004年相比提高了1.88%，略高于工业用水生态足迹所占比重，位居第二；生态环境用水生态足迹占比由0.967%增长为5.079%，增长了5.3 倍，增长速度最快，但其所占份额与其他账户相比还有一定差距。

图1 2004-2018年陕西省各账户生态足迹占比变化Fig.1 Changes in the ecological footprint of each account in Shaanxi Province from 2004 to 2018

2.2 水质生态足迹

根据2004-2018年陕西省COD 和NH3-N 排放量数据以及公式（2）～（4），可以计算出COD 生态足迹、NH3-N 生态足迹、水质生态足迹以及人均水质生态足迹，见图2。

图2 陕西省2004-2018年水质生态足迹Fig.2 Shaanxi Province 2004-2018 water quality ecological footprint

2004-2018年，陕西省水质生态足迹值与NH3-N 生态足迹值保持一致，NH3-N 生态足迹是水质生态足迹的主要影响因素［21］，二者虽呈现不规律的变化态势，但整体上缓慢上升，由0.08 万hm2增长为0.122 万hm2，上升幅度为0.042 万hm2，上升率为52.47%，年平均增长率达到4.05%；人均水质生态足迹与其变化趋势大体一致，但由于受人口因素影响，二者走势略有不同，整体上由0.218 hm2下降为0.212 hm2，下降幅度为0.006 hm2，下降率为2.596%，说明近年来陕西省污水处理率有所提高，减排取得重大突破。

综合对比2004-2018年陕西省人均水量和水质生态足迹，人均水量生态足迹由2004年的0.339 hm2/人上升为0.401 hm2/人，上升幅度为0.062 hm2，上升率为18.22%，虽上升率较高，但其波动趋势较人均水质水生态足迹稳定。2004-2010年，陕西省人均水量生态足迹大于人均水质生态足迹，该时期主要是水量型缺水，2011-2015年则为水质型缺水，2016年后又出现水量型缺水，说明陕西省水量型缺水与水质型缺水一直交替出现，因此要实现陕西省水资源的可持续性发展，水量和水质两个问题必须同时得到解决。

3 水资源生态足迹与经济增长的脱钩分析及预测

3.1 水资源生态足迹与经济增长的脱钩分析

3.1.1 水量生态足迹与经济增长

2004-2018年，陕西省GDP由3 175.58亿元增长到15 344.22亿元，增长了4.83 倍，第一产业GDP 和 第二产业GDP 与其发展趋势一致，增长率均大于0，根据脱钩模型计算方法可知，陕西省水量生态足迹与经济增长之间的脱钩状态主要取决于水量生态足迹及各账户的变化特征［22］，见表3。

表3 陕西省水资源生态足迹与经济增长的脱钩评价Tab.3 Decoupling evaluation of water resources ecological footprint and economic development in Shaanxi Province

2005-2018年，陕西省水量生态足迹与经济增长的关系主要包括强脱钩和弱脱钩两种状态。从整体来看，2005-2018年GDP年均增长率为11.95%，远大于水量生态足迹的年均增长率1.59%，可以判断出水量生态足迹与经济增长整体上处于弱脱钩状态，经济增长对水资源消耗的依赖性较小，二者处于一种较协调的状态。具体来看，2007、2009、2010 和2016年水量生态足迹相对于上年有所降低，其增长率均为负值，根据脱钩状态分类可知，这4年水量生态足迹与经济增长的关系处于强脱钩状态，其余10年为弱脱钩状态，弱脱钩占到71.43%，陕西省呈现出以弱脱钩状态为主，强弱脱钩交替出现的局势，即陕西省用水量虽然在增加，但其增长幅度小于经济增长幅度，经济增长与水资源利用关系处于一种较为良好的状态。

2005-2018年，陕西省农业用水生态足迹与第一产业经济增长的脱钩状态主要包括强脱钩、弱脱钩与扩张性耦合，分别占到50%、42.86%和7.14%，其中有92.86%的年份实现了脱钩，说明陕西省农业生态足迹与第一产业经济增长整体上处于脱钩状态，二者关系较为协调。从整体上来看，农业用水生态足迹与第一产业经济增长的平均脱钩指数为0.108，处于弱脱钩状态，表明陕西省农业用水量增加幅度小于第一产业产值增加幅度，二者未达到完全协调发展的状态。其中，2006年脱钩状态最差，农业用水生态足迹增速略大于第一产业经济增长，二者处于扩张性耦合状态，表明第一产业产值的增长对农业用水量的依赖性仍然较大。

2005-2018年陕西省工业用水生态足迹与第二产业经济增长的脱钩状态有强脱钩和弱脱钩两种。2005-2018年工业用水生态足迹与第二产业的年均增长率均>0，分别为1.27%和13.11%，且第二产业经济增长增加率远大于工业用水生态足迹，二者处于较为协调的状态。从时间上来看，除2007、2009和2016年为强脱钩状态外，其他11年均处于弱脱钩状态，弱脱钩占全部年份的78.57%，居于主要地位，陕西省工业用水生态足迹与第二产业经济增长呈现出强弱脱钩交替出现的状态，说明陕西省第二产业的经济增长率大于工业用水生态足迹的增长率，但依附性较小。

3.1.2 水质生态足迹与经济增长

由上文可知，2004-2018年陕西省GDP持续增长，增长率大于0，根据脱钩模型计算方法可知，水质生态足迹与经济增长的脱钩关系取决于水质生态足迹的变化特征［22］，见表3和图3。

图3 2004-2018年陕西省水质生态足迹与GDP增长率变化Fig.3 Changes in water quality ecological footprint and GDP growth rate in Shaanxi Province from 2004 to 2018

2005-2018年，陕西省水质生态足迹与经济增长之间的脱钩状态主要包括强脱钩、弱脱钩和扩张性负脱钩，分别占到全部年份的50%、35.71%和14.29%，强脱钩状态占到一半，居于主要地位；从时间上来看，2005-2011年陕西省水质生态足迹处于缓慢上升的趋势，其中2008 和2011年的水质生态足迹增长率高于经济增长的幅度，处于扩张性负脱钩状态，其余年份水质生态足迹增长率均低于经济增长率，其脱钩状态主要为弱脱钩；2012-2018年，水质生态足迹趋于下降，其脱钩状态以强脱钩为主，表明该时期陕西省的COD和NH3-N排放量减少而经济快速增长，减排成效显著。2005-2018年陕西省由前期的弱脱钩和扩张性负脱钩逐渐向后期的强脱钩状态优化，说明近几年陕西省政府加强了对水环境的重视和管理，污染水处理能力大大提升，水资源治理取得一定成效。

3.1.3 综合视角下水资源生态足迹与经济增长

2004-2018年，陕西省GDP持续稳定增长，因此综合视角下水资源利用与经济增长的脱钩关系由水量生态足迹和水质生态足迹的变化特征共同决定，基于“短板效应”，本文选取其中脱钩状态较差的一方作为最终脱钩结果，见表3。

整体来看，14年来陕西省有85.71%的年份都达到了脱钩，其中强脱钩和弱脱钩状态分别占14.29%和71.43%，未实现脱钩的年份仅占14.28%。综合来看，陕西省水资源与经济增长的关系以弱脱钩为主，二者发展较为协调，其中2007年和2016年分别表现为水质型强脱钩和水量型强脱钩，水资源与经济增长的关系极为协调；2008 和2011年均处于水质型扩张性负脱钩状态，表明该时期水质生态足迹的增幅大于经济增速，二者关系十分不合理；剩余10年均为弱脱钩状态，其中水量型弱脱钩占70%，水质型弱脱钩占30%，该时间段内水资源生态足迹的增速较经济增速小，二者关系相对和谐。从脱钩指数来看，2005-2018年陕西省水量生态足迹和水质生态足迹的年均脱钩指数分别为0.132 和0.025，均处于弱脱钩状态，由于0.132>0.025，前者的脱钩程度较小，根据脱钩分类标准可知，陕西省处于水量型弱脱钩状态，水量型问题较水质型问题严峻，水资源匮乏是陕西省一大困扰。陕西省水资源总量不足，年降水量少，人均水资源总量少，水资源短缺问题是陕西省水环境的根本性问题。

3.2 水资源生态足迹与经济增长的脱钩预测

本文借鉴张义、范中洲等的研究成果，将灰色GM（1，1）模型与人工神经网络模型相组合形成灰色神经网络模型［10，23］，运用MATLAB 对2019-2025年陕西省脱钩指标进行预测，首先运用GM（1，1）模型对原始数据进行拟合，进而运用BP 神经网络模型修正残差［24］，得到水资源生态足迹与经济增长的脱钩预测结果。由预测值可知，2019-2025年陕西省GDP 由15 344.22亿元增长到26 103.25 亿元，呈持续增长趋势，根据脱钩模型计算方法可知，未来7年陕西省水资源生态足迹与经济发展的脱钩状态取决于水资源生态足迹的变化特征，为减小未来人口数量增加的影响，本文中的预测值均使用其人均预测值来代替，见表4。

表4 2019-2025年陕西省水资源生态足迹与经济增长的脱钩预测Tab.4 Decoupling forecast of the ecological footprint of water resources and economic growth in Shaanxi Province from 2019 to 2025

2019-2025年，陕西省GDP 的年均增长率为7.89%，水量生态足迹年均增长率为0.845%，由于7.89%>0.845%，可判断得出陕西省该时期处于弱脱钩状态，但其脱钩指数小于2004-2018年的弱脱钩指数，说明陕西省水量生态足迹与经济增长的关系有由弱脱钩走向强脱钩的趋势，水量生态足迹与经济增长的关系进一步协调；水质生态足迹与经济增长的脱钩关系主要有强脱钩、扩张性耦合、弱脱钩3 种，其中强脱钩占14.29%，主要出现在前期；扩张性耦合占42.86%，主要在中期，该时期水质生态足迹与经济同步增长；弱脱钩状态占42.86%，主要出现在后期，该时期水质生态足迹的增速小于经济增速，关系较为协调。与2004-2018年相比，未来7年的脱钩强度在降低，说明随着人口的增长、城市化进程的加快，水资源环境压力会加大。

从综合视角来看，与2004-2018年陕西省以水量型弱脱钩为主的状态有所不同，2019-2025年陕西省呈现出水量型弱脱钩、水质型弱脱钩、水质型扩张性耦合三种脱钩状态，其中水质型问题占到85.71%，陕西省水资源与经济增长的主要矛盾将从水资源短缺转变为水环境污染。水质型弱脱钩状态和水质型扩张性耦合状态均说明污染水排放量随着经济的增长而增长，甚至出现与经济同步增长的状态，经济增长对水环境的破坏较大，再加上陕西省以能源为主的产业结构转型较慢，未来几年仍将持续加大对水环境的压力，因此陕西省必须提高对水环境的重视，加大污水治理力度。

4 结论与建议

4.1 结 论

本文基于水资源生态足迹与脱钩理论对陕西省的水资源利用与经济增长之间的脱钩关系进行了研究，结果表明。

（1）2005-2018年，陕西省水量生态足迹与经济增长的关系以弱脱钩为主，尚未达到完全脱钩的理想状态；水质生态足迹与经济增长的脱钩关系由扩张性负脱钩和弱脱钩向强脱钩优化；综合视角下陕西省处于水量型弱脱钩状态，说明该时期水资源短缺问题较水环境问题严峻。

（2）2019-2025年，通过预测发现陕西省水量生态足迹与经济增长的脱钩关系由弱脱钩走向强脱钩，而水质生态足迹与经济增长的脱钩强度在降低，综合视角下，未来7年水资源利用与经济增长的脱钩关系由水量型矛盾转化为水质型矛盾，经济增长对水环境的破坏较大，陕西省必须提高水资源利用率，加大污水治理力度。

4.2 建 议

为进一步改善陕西省水资源利用与经济增长脱钩关系，针对上述结论本文提出了几点政策建议。

（1）针对水资源短缺问题，陕西省应该从两方面着手：一是全面推行水资源生态文明建设，加强农业用水节水灌溉技术的推广，减少煤炭、能源、重化工业等高耗水行业的数量，促进产业结构的优化升级；二是严格按照不同对象、范围和标准分类收费，对农业灌溉和农民生活用水进行总量控制和定额管理［25］，对居民生活用水则按量定价，实行阶梯式水价制度，工业和服务业的水价要高于居民生活用水，从而促使其转变用水方式，促进节水技术的更新。

（2）针对水污染问题：陕西省应该以工业和农业水污染为重点，控制污染源头，加强对农药和化肥的监管，对煤炭、钢铁等高耗水产业采取定额取水、提高准入门槛的方案；陕西省还应该引进先进污染水处理技术，鼓励水污染严重的企业进行产业转型或者使用再生水替代地表水和地下水，提高水资源利用率。

（3）针对水资源与经济增长的协调发展关系：陕西省应利用地理位置和科教优势，加快产业结构转型，利用旅游、一带一路等机遇开发区域新的经济增长点，促进产业协同发展，推动经济增长与水资源利用的关系向强脱钩状态转变。 □