蔣卓婷,冉清紅

(1.成都師范學(xué)院,成都 611130; 2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,成都 610041)

1993年,英國(guó)學(xué)者Allan提出了“虛擬水含量”以掌握蘊(yùn)含在產(chǎn)品和消費(fèi)品中的容易被忽視的用水量[1]。立足于“虛擬水理論”荷蘭學(xué)者Hoekstra[2]提出了“水足跡”的相關(guān)理論,旨在掌握生活和生產(chǎn)過(guò)程消耗的水資源總量。水足跡是指為保證城市功能正常運(yùn)行以及日常生活得到保證所使用的水資源,以一種“看不見(jiàn)”的形式嵌入到生產(chǎn)消費(fèi)過(guò)程中。水足跡不僅可以定量反映生產(chǎn)生活中隱含的資源量,還可以表征水資源現(xiàn)狀[3]。

自水足跡的相關(guān)概念提出后,學(xué)者針對(duì)以下開(kāi)展研究:具體產(chǎn)品以及具體區(qū)域的水足跡、基于水足跡理論的區(qū)域水資源安全研究以及區(qū)域水足跡可持續(xù)發(fā)展分析[4]。如Kampman等[5]完成了印度的水足跡;Zeitoun 等[6]計(jì)算尼羅河流域虛擬水貿(mào)易的結(jié)果分析影響水資源安全性。國(guó)內(nèi)而言,戚瑞等[7]通過(guò)計(jì)算大連市2006～2007年水足跡來(lái)研究區(qū)域內(nèi)水資源使用情況;潘文俊等[8]應(yīng)用水足跡法,研究了福建省九龍江流域2009年水資源利用的情況;王麗川等[9]則引入了LMDI模型,研究了北京市水足跡演變的驅(qū)動(dòng)力效應(yīng);張信信等[10]應(yīng)用Input-output模型法,研究產(chǎn)業(yè)間的水足跡以及虛擬水轉(zhuǎn)移;吳兆丹等[11]應(yīng)用投入產(chǎn)出分析法,核算了各省的水足跡;王曉萌等[12]基于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和政策3個(gè)角度研究影響水足跡演變的因子。所有這些研究成果為研究流域水資源利用情況奠定了基礎(chǔ)。

擬采用水足跡方法,在時(shí)空條件下研究岷江流域水足跡的具體情況,借助LMDI模型對(duì)水足跡變化的驅(qū)動(dòng)力因子進(jìn)行討論,使用GIS空間分析對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,針對(duì)岷江流域用水的具體情況提出相應(yīng)的建議。

1 研究區(qū)概況

岷江發(fā)源于岷山山脈的弓杠嶺和朗架嶺[13],于宜賓匯入長(zhǎng)江,流域范圍包括四川省阿壩州、成都市、眉山市、雅安市、樂(lè)山市、內(nèi)江市、自貢市和宜賓市共計(jì)8個(gè)地市州,全長(zhǎng)1279km,天然落差高達(dá)3560m,最小徑流量為2.15m3/s,最大徑流量高達(dá)258m3/s[13]。每年5～10月是岷江流域的豐水期,11月至次年4月是枯水期。岷江自都江堰流經(jīng)成都平原,是成都平原最重要的水資源,帶來(lái)了豐富的灌溉水源。岷江流域水電利用的無(wú)序開(kāi)發(fā),導(dǎo)致水生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞,局部地區(qū)水資源問(wèn)題十分嚴(yán)峻,沿岸部分城市發(fā)展面臨缺水問(wèn)題,要正確處理好經(jīng)濟(jì)發(fā)展同生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系,決不以犧牲環(huán)境為代價(jià)去換取一時(shí)的經(jīng)濟(jì)[14]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

岷江流域內(nèi)8個(gè)地市州的水足跡計(jì)算所涉及到原始數(shù)據(jù)均來(lái)自于成都市、眉山市、樂(lè)山市和宜賓市等8個(gè)地市州的統(tǒng)計(jì)年鑒(2011～2020年)、各地市州的統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2010～2019年)以及《四川省水資源公報(bào)》(2010～2019年)。其中,水資源可利用量以《四川省水資源公報(bào)》(2010～2019年)中的水資源總量來(lái)替代。進(jìn)出口貿(mào)易額和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值來(lái)自于各地市州的統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2010～2019年),單位統(tǒng)一為億元。農(nóng)業(yè)用水量選取各地市州的統(tǒng)計(jì)年鑒(2011～2020年)中的主要農(nóng)畜產(chǎn)品產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算。工業(yè)用水量、生活用水量和生態(tài)環(huán)境用水量均來(lái)自于《四川省水資源公報(bào)》(2010～2019年)。

圖1 岷江流域范圍示意圖

2.2 研究方法

2.2.1 水足跡的計(jì)算方法

WFP=IWFP+EWFP(1)

其中,WFP表示總水足跡,IWFP表示內(nèi)部水足跡,EWFP表示外部水足跡。

IWFP=AW+IW+DW+EW-VWEdom(2)

其中, 表示內(nèi)部水足跡,AW表示農(nóng)業(yè)用水量,IW表示工業(yè)用水量,DW表示城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民的生活用水量,EW表示用于保護(hù)自然的生態(tài)環(huán)境用水量,VWEdom表示出口產(chǎn)品的虛擬水含量。

EWFP=VWI-VWEre-export(3)

其中, 表示外部水足跡,VWI表示進(jìn)口虛擬水量,VWEre-export表示輸出的進(jìn)口產(chǎn)品再出口的虛擬水總量。由于再出口的虛擬水含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)缺失,難以收集,因此考慮選擇將外部水足跡替代為進(jìn)口虛擬水量[8]。

AW=UAW×P(4)

其中,UAW為單位農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水含量,P為產(chǎn)量?；卩嚂攒姷热薣15]的研究成果,采用已有研究的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)單位農(nóng)產(chǎn)品水足跡含量進(jìn)行調(diào)整[16]?？紤]到單位畜產(chǎn)品水足跡含量不易受到氣候、環(huán)境的影響,因此參考Chapagain和Hoekstra學(xué)者關(guān)于中國(guó)部分的研究成果[17]。單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1,單位畜產(chǎn)品虛擬水含量見(jiàn)表2。

表1 單位農(nóng)產(chǎn)品水足跡含量(m3/t)

表2 單位畜產(chǎn)品水足跡含量(單位:m3/t)

考慮到工業(yè)產(chǎn)品實(shí)際的用水量難以計(jì)算,故用《水資源公報(bào)》中工業(yè)用水量的數(shù)據(jù)指標(biāo)表示IW。DW和EW基本為實(shí)體水,故用《水資源公報(bào)》中生活用水和生態(tài)用水?dāng)?shù)據(jù)指標(biāo)分別表示DW和EW。VWEdom、VWI 和VWEre - export,考慮到流域內(nèi)實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺失并且難以收集,該部分的指標(biāo)計(jì)算選取了不區(qū)分工業(yè)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的方法[8]。其計(jì)算公式為:

其中,VWT表示虛擬水的貿(mào)易量,IAEV表示進(jìn)出口貿(mào)易值,GDP表示國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值,WCON表示總生產(chǎn)耗水量。

2.2.2 基于水足跡的水資源評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建 詳見(jiàn)表3。

表3 岷江流域水資源利用評(píng)價(jià)體系

2.2.3 基于LMDI模型的水足跡驅(qū)動(dòng)力因素分析 基于LMDI模型從人口效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和技術(shù)效應(yīng)研究影響岷江流域水足跡演變的主要驅(qū)動(dòng)力因素。水足跡的表達(dá)式如下。

其中為第t年水足跡;Pt為第t年人數(shù);Gt為第t年GDP。

ΔWT=WTt-WT0=Pe+Ae+Te(7)

其中 為第t年水足跡與基準(zhǔn)年的差值,Pe為人口效應(yīng),Ae為經(jīng)濟(jì)效應(yīng),Te為技術(shù)效應(yīng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源時(shí)序變化

根據(jù)岷江流域2010～2019年的水資源和人口情況,利用公式(1)、(2)和(3)計(jì)算內(nèi)部水足跡、外部水足跡以及總水足跡,公式(4)計(jì)算農(nóng)業(yè)用水,公式(5)計(jì)算輸出和輸入虛擬水,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 岷江流域2010～2019年水足跡情況

3.1.1 岷江流域水足跡在逐漸增加 2010～2019年岷江流域的水足跡演變過(guò)程是先逐漸降低后增加

再逐漸減少的,變化趨勢(shì)體是逐漸增加的。其中,2016年412.22×108m3為最大值,2013年351.83×108m3為最小值。

3.1.2 岷江流域的農(nóng)業(yè)用水是主要用水源 由圖2可知,岷江流域內(nèi)部水足跡中農(nóng)業(yè)用水量的占比重最大,平均占比86.69%,說(shuō)明岷江對(duì)整個(gè)流域的灌溉價(jià)值極為重要。其次是工業(yè)用水量為7.34%,生活用水量為5.38%,最后為生態(tài)環(huán)境用水的0.59%。

圖2 岷江流域2010-2019年內(nèi)部水足跡組成

3.2 水資源供需結(jié)構(gòu)

根據(jù)岷江流域2010～2019年的水資源利用情況,利用水資源自給率和進(jìn)口率的公式計(jì)算水資源供需情況,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 岷江流域2010-2019年水資源供需情況(×108m3)

3.2.1 岷江流域水資源整體供需情況比較樂(lè)觀 水資源自給率呈略微上升趨勢(shì),水資源進(jìn)口率則整體呈略微減少趨勢(shì)。岷江流域2010～2019年水資源自給率的平均值為95.64%,均大于中國(guó)的水資源自給率平均值84.0%和世界的水資源自給率平均值93.6%[8],由于岷江流域主要位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),上游發(fā)源于高山有豐富的冰雪融水作為補(bǔ)給,整體來(lái)看,岷江流域水資源情況較為樂(lè)觀。

3.2.2 岷江流域近年來(lái)水資源供需情況惡化 由表5可知,近幾年的自給率呈下降趨勢(shì),甚至不斷接近世界水資源自給率平均值,說(shuō)明了近年來(lái)岷江流域水資源利用情況有所惡化,對(duì)外依賴度也逐漸增強(qiáng)。

3.3 水資源生態(tài)安全性

根據(jù)岷江流域2010～2019年的水資源利用和區(qū)域內(nèi)降水的情況,利用計(jì)算水資源匱乏和壓力指標(biāo)的公式研究區(qū)域內(nèi)水資源的匱乏狀態(tài)以及生產(chǎn)耗水量對(duì)可用水資源的作用強(qiáng)度。水資源匱乏指標(biāo)和水資源壓力指標(biāo)內(nèi)涵見(jiàn)圖3,結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 岷江流域2010～2019年水資源生態(tài)安全指數(shù)(108m3)

圖3 水資源生態(tài)安全性指標(biāo)內(nèi)涵

岷江流域2010～2019年的水資源匱乏和水資源壓力指標(biāo)沒(méi)有超過(guò)1,流域水資源短缺不顯著。但岷江流域2019年人口達(dá)3 653.0847萬(wàn)人,GDP總量達(dá)26 833.71億元,城市發(fā)展使流域水資源使用增加,從長(zhǎng)遠(yuǎn)看加劇流域水資源壓力。

3.4 水資源可持續(xù)性能

根據(jù)岷江流域2010～2019年的水資源總量和用水情況,利用水資源評(píng)價(jià)體系中關(guān)于水足跡可持續(xù)性指標(biāo)的公式計(jì)算以掌握岷江流域的水資源可持續(xù)性狀態(tài)。判斷流程見(jiàn)圖4,結(jié)果見(jiàn)表7。

岷江流域水資源利用可持續(xù)和不可持續(xù)頻數(shù)相同。2016～2018年期間可持續(xù)狀態(tài)穩(wěn)定,水足跡增長(zhǎng)指數(shù)基本為負(fù)值,說(shuō)明近年來(lái)岷江流域的節(jié)水工作已初步取得成效,呈現(xiàn)良好的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài),但受各種人口、工業(yè)、自然等不可控因素影響,2019年再次呈現(xiàn)不可持續(xù)狀態(tài)。

3.5 基于LMDI模型的岷江流域水足跡變化驅(qū)動(dòng)因素分析

根據(jù)岷江流域2010～2019年人口、經(jīng)濟(jì)和用水情況,利用公式(8)(9)和(10)計(jì)算岷江流域水足跡演變的驅(qū)動(dòng)力因子,結(jié)果見(jiàn)表8。

3.5.1 人口效應(yīng)對(duì)岷江流域水足跡演變驅(qū)動(dòng)力小 人口效應(yīng)在LMDI模型中貢獻(xiàn)度最小,故人口因素對(duì)岷江流域水足跡演變影響小。

3.5.2 經(jīng)濟(jì)效應(yīng)對(duì)岷江流域水足跡的增加起到正向驅(qū)動(dòng)作用 在2010～2014年中,社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使用水量增加,經(jīng)濟(jì)效應(yīng)在該階段中對(duì)岷江流域的水足跡增長(zhǎng)起到了促進(jìn)作用;在2015～2019年中,岷江流域GDP總量雖然增加,但經(jīng)濟(jì)效應(yīng)卻開(kāi)始呈現(xiàn)負(fù)向驅(qū)動(dòng),由于LMDI模型公式采用的是累計(jì)求和,從2012年起,由于工業(yè)、生活用水的減少和出口虛擬水的增加,導(dǎo)致2015年以前總水足跡持續(xù)低于基準(zhǔn)年的總水足跡,求和部分為負(fù)值,同時(shí)在2015年時(shí),總水足跡開(kāi)始高于基準(zhǔn)年的總水足跡,ΔWT的值為正值,經(jīng)濟(jì)效應(yīng)開(kāi)始呈負(fù)值。從經(jīng)濟(jì)效應(yīng)不斷由負(fù)值向0值靠近的趨勢(shì)看,一定層面上來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)也在對(duì)水足跡的增加起促進(jìn)作用。

3.5.3 技術(shù)效應(yīng)對(duì)岷江流域水足跡的增加起到負(fù)向驅(qū)動(dòng)作用 在2010～2014年中,各種滴灌、噴灌等節(jié)水技術(shù)的發(fā)展,抑制了水足跡的增長(zhǎng),技術(shù)效應(yīng)在該階段對(duì)水足跡增長(zhǎng)中起到了負(fù)向驅(qū)動(dòng)作用。在2015～2019年中,從技術(shù)效應(yīng)不斷由正值向0值靠近的趨勢(shì)看,一定層面上來(lái)說(shuō)技術(shù)效應(yīng)也在對(duì)水足跡的增加起抑制作用。

3.6 其他研究

3.6.1 岷江流域2019年上中下游總水足跡空間對(duì)比分析 根據(jù)岷江流域2019年人口、經(jīng)濟(jì)和用水情況,利用公式(8)(9)和(10)計(jì)算岷江流域水足跡演變的驅(qū)動(dòng)力因子,結(jié)果見(jiàn)表9。岷江流域2019年上中下游總水足跡占比情況見(jiàn)圖5。

表9 岷江流域2019年水足跡驅(qū)動(dòng)力分解效應(yīng)

圖5 岷江流域2019年上中下游總水足跡占比

由表9可知,經(jīng)濟(jì)效應(yīng)對(duì)水足跡增長(zhǎng)的影響起到了正向驅(qū)動(dòng)作用,而人口效應(yīng)和技術(shù)效應(yīng)起到了負(fù)向驅(qū)動(dòng)作用,其中經(jīng)濟(jì)效應(yīng)對(duì)水足跡演變的驅(qū)動(dòng)力貢獻(xiàn)度占比最大,達(dá)51.94%,剩余驅(qū)動(dòng)力因子依次為技術(shù)效應(yīng)的45.83%和人口效應(yīng)的2.23%。

由圖5可知,中游地區(qū)占據(jù)了岷江流域總水足跡的絕大部分,為56.38%。其次依次是下游和上游,分別占比為39.73%和3.9%。中游地區(qū)人口稠密,工業(yè)集聚,城市活動(dòng)頻繁,導(dǎo)致水資源使用量大于其他地區(qū);上游地區(qū)主要包括阿壩州,人口稀疏,水資源量較于其他地區(qū)使用量少。

3.6.2 岷江流域2010年、2014年和2018年上中下游總水足跡時(shí)間對(duì)比分析 根據(jù)岷江流域選取3個(gè)年份的水資源和人口情況,利用公式(1)(2)和(3)計(jì)算內(nèi)部水足跡、外部水足跡以及總水足跡,公式(4)計(jì)算農(nóng)業(yè)用水,公式(5)計(jì)算輸出和輸入虛擬水,結(jié)果見(jiàn)圖6。根據(jù)岷江流域選取3個(gè)年份的人口、經(jīng)濟(jì)和用水情況,利用公式(8)(9)和(10)計(jì)算岷江流域上中下游三個(gè)區(qū)域的水足跡演變的驅(qū)動(dòng)力因子,結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 岷江流域下游2010～2019年水足跡驅(qū)動(dòng)力分解效應(yīng)

表11 岷江流域各地市州水足跡效益分級(jí)

圖6 岷江流域上中下游總水足跡變化

圖7 2019年岷江流域水足跡效益分區(qū)圖

由圖6可知,從變化過(guò)程看,中游和上游地區(qū)的總水足跡先減少后增加,下游地區(qū)呈現(xiàn)持續(xù)增加的變化過(guò)程。下游地區(qū)2010年到2019年漲幅為2.02%,總水足跡變化最大。

由表10可知,人口效應(yīng)和技術(shù)效應(yīng)對(duì)岷江流域下游水足跡增長(zhǎng)的影響方向呈負(fù)向,分別占比2.68%、45.61%,抑制了水足跡的增長(zhǎng)。經(jīng)濟(jì)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)力因子則對(duì)水足跡增長(zhǎng)的影響方向呈正向,占比51.71%,促進(jìn)了水足跡的增長(zhǎng)。

4 結(jié)論

岷江流域的總水足跡呈現(xiàn)上升趨勢(shì),其中農(nóng)業(yè)用水量的占比最大,水資源近年來(lái)呈現(xiàn)可持續(xù)狀態(tài),影響水足跡變化最大的是技術(shù)效應(yīng)。適當(dāng)調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu),從源頭上減少水的消耗;工業(yè)耗水量的情況呈良好態(tài)勢(shì),但由于各種不可控因素,仍需提高中水回收重復(fù)利用率;生活方面要加強(qiáng)節(jié)約用水意識(shí)。

2019年岷江流域的總水足跡中,中游地區(qū)的總水足跡占比最大,達(dá)56.38%。位于中游地區(qū)的成都市經(jīng)濟(jì)GDP總量占整個(gè)岷江流域GDP的絕大部分,高達(dá)63.40%,加上中游地區(qū)人口、工業(yè)和城市集中,灌溉水源又主要來(lái)源于岷江,故而耗水量大。從開(kāi)源角度來(lái)看,可以適度修建大壩和水庫(kù)等水利工程,攔住和儲(chǔ)存雨季的雨水;從節(jié)流角度來(lái)看,應(yīng)調(diào)整農(nóng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu),合理控制人口和城市規(guī)模的發(fā)展。

從選取的3個(gè)年份看,下游地區(qū)的總水足跡變化最大。在下游地區(qū)中,經(jīng)濟(jì)效應(yīng)對(duì)水足跡的影響最大,其經(jīng)濟(jì)GDP總量從2010年的2208.86億元到2018年的4844.83億元,年平均增長(zhǎng)率達(dá)到了10.32%,高速的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)促進(jìn)了水足跡總量的增長(zhǎng),要合理調(diào)節(jié)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),提高節(jié)水、回水技術(shù)。

對(duì)岷江流域水資源利用情況進(jìn)行分區(qū)管控。成都市和自貢市作為水足跡效益低區(qū),水資源供需矛盾急劇,應(yīng)著手進(jìn)行經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,向水資源豐沛的地區(qū)調(diào)水,以便緩解水資源緊缺的狀況。