黄河下游地区水资源生态足迹时空分析与预测_王广州.pdf

第 卷第期 年月水土保持通报 ，收稿日期：修回日期：资助项目：国家自然科学基金面上项目“波流动力作用下淤泥质海岸蚀退过程及力学机制”（）；中央级科研院所基本科研业务费专项（）；中央级科研院所基本科研业务费专项（）第一作者：王广州（），男（汉族），山东省东营市人，硕士，助理工程师，主要从事水生态与水资源研究。：。通信作者：窦身堂（），男（汉族），河南省商丘市人，博士，教授级高级工程师，主要从事水文学与水资源研究。：。黄河下游地区水资源生态足迹时空分析与预测王广州，窦身堂，凡姚申，于守兵，戴玮琦，吴 彦，（黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 ；水利部 黄河下游河道与河口治理重点实验室，河南 郑州 ）摘要：目的评价黄河下游水资源生态承载状态，为地区水资源管理与规划提供理论依据。方法运用水资源生态足迹理论结合对数均值迪式指数分解法（，）对 年黄河下游水资源生态足迹的时空分布特征及驱动机制进行核算分析，并通过灰色预测模型（，）对 年的水资源生态足迹变化趋势进行预测。结果黄河下游历年水资源生态足迹远高于生态承载力，水资源生态赤字现象严重；水资源生态足迹与生态赤字年际间均呈波动降低趋势，用水效率逐渐提高，农业用水是最大的水资源生态足迹账户；黄河三角洲是黄河下游水资源生态压力最大的区域，淄博、济南、郑州和泰安市的生态压力相对较小；经济效应对黄河下游水资源生态足迹变化起正向主导作用，技术效应起负向主导作用；预测结果表明，年黄河下游人均水资源生态赤字由 人降至 人。结论在生产力快速发展和用水结构优化调整等综合作用下，黄河下游地区用水效率逐渐提高，水资源生态压力有一定幅度的缓解。但由于该区域水资源生态赤字基数较大，未来水资源可持续利用形势依旧十分严峻，亟待进一步加强水资源的统筹管理，助力黄河下游地区高质量可持续发展。关键词：水资源生态足迹；对数均值迪式指数分解法（）；黄河下游；灰色预测模型（，）文献标识码：文章编号：（）中图分类号：文献参数：王广州，窦身堂，凡姚申，等黄河下游地区水资源生态足迹时空分析与预测水土保持通报，（）：；，（）：，（.，；.，）：（），（，），：；（，）水资源是社会经济发展与生态环境维持的物质基础和重要保障。现阶段，随着水资源开发利用程度的提高，水资源短缺问题逐渐暴露并成为制约区域可持续发展的重要因素。因此，专家学者们采用不同的研究方法对水资源生态压力和可持续利用状况开展了大量研究，包括生态足迹法、集对分析法、人工神经网络法和模糊综合评价法等。其中生态足迹法因综合性、普适性和客观性较强，且能够定量评估区域水资源消耗程度及可承载状态而被广泛应用。生态足迹模型由 等首次提出，并发展成为量度资源可持续性的有效核算工具，其后被引入国内并逐步应用于水资源的核算评价与战略研究中。黄林楠等 确定了水资源生态足迹模型计算所需参数并根据用水特性对水资源账户进行了划分；杜轶等 分别基于国家公顷法和全球公顷法核算山西省水资源生态足迹，认为应根据不同的研究目的构建相应计算模型进行水资源生态足迹的分析；马剑锋等 运用该模型并结合对数均值迪式指数分解法（，）对中国西北干旱区水资源生态足迹的变化特征及影响机制进行分析；金昌盛等 基于该模型测算长江经济带各省（市）的水资源生态足迹并通过灰色预测模型（，）对未来变化趋势进行预测。上述研究分别为相关地区的水资源可持续利用状况提供了参考，然而针对黄河下游地区的水资源生态足迹研究还较少。黄河下游地区是黄河流域的经济发展高地，人口众多，产业密集，规模以上企业数量约占整个流域的 ，此外，黄河下游是我国重要的粮食产地，引黄灌区多，用水需求大，有中国最大连片自流灌区之称。水资源匮乏导致的供需失衡已成为维系该区域可持续发展的主要瓶颈，在“黄河流域生态保护和高质量发展”已提升为重大国家战略的当下，亟待对占据着黄河流域极为重要位置的下游地区进行水资源可持续性研究。因此，本文运用水资源生态足迹理论结合对数均值迪式指数分解法对 年黄河下游水资源生态足迹的时空分布特征及驱动机制进行核算分析，并通过灰色预测模型（，）对未来 的水资源生态足迹变化趋势进行预测，以期为黄河下游水资源管理与规划提供理论依据。研究区域与研究方法研究区域与数据来源研究区域黄河下游始自郑州桃花峪，终至东营黄河入海口，干流全长 ，沿岸城市众多。本文以黄河下游沿岸郑州、焦作、开封、新乡、濮阳、菏泽、济宁、泰安、聊城、济南、德州、淄博、滨州、东营共 座 城 市 作 为 研 究 区 域（，）。该区域属于温带季风气候，多年（年）平均降雨量 ，年总人口 人、总量 元。数据来源本研究所需黄河下游 座地级市的人口、面积、水资源总量、用水量等数据来源于相关省市的水资源公报、统计年鉴等文献。水资源生态足迹模型水资源生态足迹水资源生态足迹是指将区域生产生活和生态系统健康维持所消耗的水资源量换 水土保持通报第 卷算为生产相应账户水资源所需的用地面积。本文结合水资源生态足迹的内涵和研究区域所在省市的水资源统计口径，将水资源生态足迹账户划分为农业用水、工业用水和城乡生活环境用水类。计算公式为：（）（）式中：为水资源总生态足迹（）；为第类水资源生态足迹（）；为区域总人口（万人）；为第类人均水资源生态足迹（人）；为水资源全球均衡因子，取值 ；为第类水资源人均消耗量（）；为全球水资源平均生产能力，取值 。水资源生态承载力水资源生态承载力是指区域水资源供给量对社会经济和生态环境系统良性发展的支撑能力，计算公式为：（）（）（）式中：为水资源生态承载力（）；为人均水资源生态承载力（人）；为人均区域水资源总量（）；区域水资源承载力的 需用于生态环境的维持，因此取值；为水资源产量因子，取区域水资源平均生产能力与全球水资源平均生产能力的比值，由 年水资源统计数据核算得到黄河下游城市郑州、焦作、开封、新乡、濮阳、菏泽、济宁、泰安、聊城、济南、德州、淄博、滨州、东营的水资源产量因子分别为，下游整体水资源产量因子为。水资源生态盈余赤字评价区域水资源可持续利用程度，计算公式为：（）式中：为水资源生态盈亏指数（）；其值为正，表明区域生态盈余，尚有水资源开发空间；其值为，表明区域水资源生态平衡；其值为负，表明区域生态赤字，水资源开发过量。水资源生态足迹强度衡量区域水资源利用效率，其 值 越 高（低）表 明 水 资 源 利 用 效 率 越 低（高），计算公式为：（）式中：为水资源生态足迹强度（）；为区域生产总值 （万元）。基于 的水资源生态足迹分解模型对数均值迪式指数分解法（）是因素分解法的重要分支之一，因其克服了分解研究中的“”值和“剩余”问题而得到广泛应用。水资源生态足迹的 分解模型为：（）（）式中：为年人均水资源生态足迹（人）；为年第类人均水资源生态足迹（人）；为年区域生产总值 （亿元）；为年区域人口数（万人）；为基准年（年）人均水资源生态足迹（人）；，分别表示结构因素、技术因素、经济因素和人口因素引起的人均水资源生态足迹的变化量（人）。（）（）（）（）（）式中：，分别对应 ，；为年第类水资源占总水资源生态足迹的比重，体现结构效应；为年单位 的水资源生态足迹，体现技术效应；为年人均 ，体现经济效应；体现人口效应。计算结果为正（负）则表明该要素对水资源生态足迹有促进（抑制）作用。灰色预测模型（，）灰色预测模型（，）通过对原始数据作累加生成处理得到具有近似指数规律的数列，再进行建模的方法进行数据预测，是线性时间序列预测的主要工具之一，其相比于传统预测方法有着样本量要求少、计算简便、相对误差小、预测精度高等优点，目前已得到广泛应用 。其基本形式为：（）记 需 要 预 测 的 原 始 数 列 为（）（）（），（）（）（）（），对（）做一次累加生成得（）（）（），（）（）（）（），其中：（）（）（）（）（，；，）（）（）对原始数列进行级比检验：（）（）（）（）（）（）若值均处于可容性覆盖区间（，）内则符合预测条件；否则应选取适合的常数对原始数据做平移转换处理 公式（），使处理后的数列（）（）（），（）（）（）（）的级比值处于可第期王广州等：黄河下游地区水资源生态足迹时空分析与预测容性覆盖区间内。（）（）（）（）（）（）通过累加生成序列（）建立（，）模型的一阶微分方程：（）（）（）发展系数和灰色作用量通过最小二乘法求解，设：（，）（）（）其中.（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）对式（）和式（）求解得：（）（）（）（）（）对累加值（）（）累减还原得预测值（）（）：（）（）（）（）（）（）（）（）后验差检验：（）（）（）（）（）式中：为方差比；为小概率误差；为原始数据标准差；为残差标准差；（）（）为原始数列残差；（）为残差平均值。值及值与预测模型精度关联情况见表。表后验差检验等级划分 等级好合格勉强合格不合格 结果与讨论黄河下游水资源生态足迹与生态承载力动态变化由公式（）（）核算得到 年黄河下游人均水资源生态足迹和生态承载力，并在此基础上得出区 域 人 均 水 资 源 生 态 盈 亏 和 生 态 足 迹 强 度（图）。黄河下游人均水资源生态足迹保持在 人之间，历年均值为 人，最低和最高值分别出现在 ，年；时间动态上来看，年呈波动下降趋势，降幅达。受限于黄河下游区域低水资源总量和低产量因子，人均水资源生态承载力相对较低，历年均值仅为 人，各年间在 人之间波动变化，最低和最高值分别出现在 年、年。区域人均水资源生态足迹远高于生态承载力，水资源的超载使用导致出现水资源生态赤字现象，人均水资源生态赤字范围在 人之间，历年均值 人，最低和最高值分别出现在 ，年；年际间变化趋势与水资源生态足迹的变化趋势较为相似，年的人均生态赤 字值相较于 年下降了，表明区域水资源可承载状态及可持续利用状况相对好转。人均水资源生态足迹强度近年来显著下降，历年均值 为 人，年最高达 人，至 年降为 人，年均降幅，这表明在区域生产力快速发展与经济结构优化调整等的影响下，用水效率逐渐提高。图 年黄河下游人均水资源状况变化趋势 黄河下游水资源生态足迹构成如图所示。黄河下游灌区是中国重要的产粮基地之一，农业生产用水是黄河下游最主要的用水方式，年人均农业用水足迹均值为 人，占总水资源足迹的 ；时间线上来看，人均农业用水足迹显著下降，年间共下降 人，降幅达 。在黄河下游城市农业种植面积相对稳定的发展背景下，区域水资源刚性约束下的农业集约化用水和节水灌溉技术的发展是农业用水足迹下降和用水效率提高的主要原因。年人均工业用水足迹均值为 人，在总用水足迹中占比最低（仅为 ），最低值为 年的 人，最高值为 年的 人；水土保持通报第 卷年际间呈现先升高后降低的变化规律，表明近年来工业结构升级和绿色低耗转型已见成效。年人均城乡生活环境用水足迹均值为 人，占总用水足迹的 ；与农业和工业用水足迹近年来呈下降趋势相反，城乡生活环境用水呈波动上升趋势，年达到 人，较 年增加了 ，区域用水结构显著优化。图 年黄河下游人均水资源生态足迹构成 众多学者基于该模型对中国其他地区水资源生态足迹状况也做了大量研究。与黄河下游地区相似，黄河沿线九省区历年间（年）人均水资源生态足迹也呈现整体下降趋势，此外，除四川省和青海省外的其他沿黄七省区亦均处于水资源生态赤字状态，可持续发展压力较大。而长江经济带各省市（年）人均水资源生态足迹则呈现先上升后趋于平稳的整体变化趋势，造成上述差异的原因在于黄河沿岸省市人均工农业等生产用水量逐渐降低，而长江经济带生产用水量逐渐增加，但由于长江经济带更高的水资源禀赋条件，该地区依然处于水资源生态盈余状况，可持续发展潜力较大。黄河下游水资源生态足迹与生态承载力空间分布特征为直观反映黄河下游水资源状况的空间分布特征，分 别 以 年 作 为 基 准 年、年作为现状年进行各城市的指标核算，各城市人均水资源生态足迹和生态盈亏的时空分布格局有着显著差异（图 与图）。现状年间，东营人均水资源生态足迹和生态赤字最高（分别为 人和 人），滨州人均水资源生态足迹和生态赤字次之（分别为 人和 人），这表明黄河三角洲是黄河下游水资源超负载最严重区域，区域经济社