基于水足迹-LMDI模型的银川市水资源利用评价

安丰平，苗 红，王 帅，陈 凯，金昊峰

(宁夏大学 地理科学与规划学院，宁夏 银川 750021)

1 引言

水资源是人类赖以生存的基础，是支撑国家与区域可持续发展的战略性资源[1]。随着经济社会发展，水资源需求日益增长，水环境不断恶化，水资源问题逐渐严重[2]。英国学者Allan[3]于1993年提出“虚拟水”概念，认为“虚拟水”是凝结在人类所生产的产品或服务中的水资源总量。荷兰学者Hoekstrati[4]于2002年基于虚拟水理论提出“水足迹”概念，旨在探究公众消费及服务过程中总水量[5]，反映水资源真实用量，突出水资源在经济社会发展中的动态性与流动性[6]。

近年来，基于水足迹理论的水资源可持续利用与管理评价研究已成为学术热点。戚瑞[7]等基于水足迹理论，从水足迹结构、效益、生态安全及稳定性4方面构建了水资源利用评价指标体系，验证其对水资源利用评价具有可行性与合理性。国内外学者研究尺度多为流域[8]、省[9，10]等大空间尺度、单一年份的短时间尺度，研究对象主要集中于区域水足迹核算及评价。其中，余灏哲[9]等结合水足迹理论，构建了基于DPSIR模型的水资源可持续利用评价指标体系，分析了山东省的水资源可持续利用强度；商庆凯等[10]基于水足迹模型，选取人均水足迹、水资源负载指数等7个指标，计算青海省2015年各类水足迹指标，表明青海省水资源利用程度较低，开发潜力大。上述研究逐步完善了基于虚拟水理论的水资源利用评价方法。

宁夏地处干旱半干旱地区，水资源短缺。国内学术界基于水足迹理论对宁夏水资源可持续利用的研究较少，目前已有研究主要集中于宁夏全域[11]和宁夏中部、南部的地级市[12，13]，侧重于农作物生产水足迹和水资源安全评价。虽取得了较大成果，但缺少综合考虑农业、工业、生活等对水资源利用的影响且多数研究只进行研究单一年份，基于市域尺度及长时间序列的水足迹研究不足且尚未分析其驱动因子。

银川市是西北干旱区沿黄城市带的重要城市，生态环境脆弱，水资源短缺。本文基于水足迹理论，综合考虑农业、工业、生活等对水资源利用的影响，构建银川市水资源利用评价指标体系，分析银川市2010～2019年水足迹，定量分析其水资源利用的可持续性及时间演化规律，应用LMDI模型分析银川市水足迹变化的经济效应、技术效应和人口效应等不同驱动力因素对水足迹的影响强度。旨在为银川市水资源合理利用管理及优化配置方案提供数据参考和决策依据，为实现银川市可持续的水资源利用提供理论基础。

2 研究区概况

银川市(38°08′ N～38°53′ N，105°49′ E～106°35′ E)地处西北干旱区沿黄城市带核心(图1)，属典型的温带大陆性干旱半干旱气候，降水多集中于7、8月份。截至2019年，银川市土地面积8874.61 km2，常住人口229.31万人，城镇化率79.05%；全年水资源总量为1.126×108m3，用水总量为21.636×108m3；全市粮食总产量66.29×104t，肉类生产6.20×104t。

现如今作为沿黄城市带核心城市，其城市规模与人口规模进一步扩大，农业、工业、生态及生活用水矛盾日益激烈，水资源已成为银川市可持续发展的重要限制因素。

3 数据来源

本文数据主要来源于：国内外宁夏虚拟水研究的相关成果[14，15]，2010～2020年《宁夏统计年鉴》及《宁夏水资源公报》；其中2009～2016年统计年鉴中“进口贸易值、出口贸易值”单位为“万美元”，为统一单位，参考对应年份的《中国国民经济和社会发展统计公报》中“全年人民币平均汇率”将其换算；本文中采用“可用水量”表征“水资源总量”，“城镇居民用水量”与“农村人畜用水量”之和表征“居民生活用水量”；“生态环境用水量”(2009-2016年)采用“比例法”估算；“虚拟水进、出口量”分别采用“单位GDP耗水量”乘“进、出口贸易值”估算。

4 研究方法

4.1 水足迹计算方法

水足迹可分为内部水足迹(WI)与外部水足迹WE。其计算公式为：WT=WI+WE

(1)

其中，内部水足迹包括生活用水量(D)、工业用水消费量(I)、农业消费量(A)、生态用水量(E)、虚拟水出口量(VE)五部分，其计算公式为：WI=A+I+D+E-WE

(2)

其中，农业消费量(A)根据农作物用水量表征。根据银川市农作物结构，本文选取14种农-畜产品，采用单位产品虚拟含水量乘各农-畜产品产量估算。根据已有研究结论[14,15]，单位产品虚拟含水量可见表1。

表1 银川市主要农-畜产业单位产品虚拟水含量

外部水足迹指虚拟进口水量(VI)，故水足迹计算公式为：WT=WI+WE=A+I+D+E+VI-WE

(3)

4.2 基于LMDI模型的水足迹驱动力因素分析

LMDI模型是一种将研究对象划分为若干影响因子的对数分解法[16]，不产生无法分解的残差，适用范围较广，用于测度不同因子对研究对象的影响及其驱动力分析[17]。

本文基于LMDI模型将银川市水足迹变化的驱动因素分解为人口效应(Pe)、经济效应(Ae)和技术效应(Te)三方面，其表达式为：

(4)

ΔWt=WTt-WT0=Pt+At+Te

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，WTt指第t年的水足迹；Pt指第t年的人口数；Gt指第t年的GDP；△Wt指基准年到t年的水足迹变化量；Pe指人口效应强度；Ae指经济效应强度；Te指技术效应强度。

4.3 水足迹利用状况评价指标体系

本文参照相关研究成果[4,8,18]，基于水足迹理论及银川市实际情况，从水足迹结构、可持续性和效益三方面，选取了11个指标构建银川市水资源利用评价指标体系。各指标及其计算方法、含义可见表2。

5 结果分析

5.1 水足迹时序变化分析

5.1.1 农业水足迹时序变化

本文将主要农作物产品划分为粮食(稻谷、小麦、玉米、豆类)、油料、药材、果蔬(蔬菜、瓜果类)4大类8种；将主要畜产品划分为肉类 (牛肉、猪肉、羊肉)、蛋奶 (牛奶、禽蛋类)、水产品3大类6种，其水足迹时序变化结果见图1。

图1 2010～2019年银川市主要农产品水足迹时序变化

表2 银川市水足迹利用评价体系

在农业水足迹中，粮食作为人类赖以生存的必需品，其水足迹持续位列首位，但总体呈下降趋势，这与银川市水稻灌水紧张、成本高，小麦亩产低、价格低，农民种植积极性不高，粮食种植面积逐年下降、种植结构调整息息相关。果蔬类水足迹较高，总体变化平稳，近两年呈下降趋势；油料及药材虚拟水含量相对较低，又由于播种面积与产量不高，其水足迹常年较低。总体来说，农业种植水足迹受银川市节水农业发展推广而逐年减少。

在畜产品水足迹中，蛋奶类水足迹最多且逐年增加，2019年超过粮食水足迹，位列第一，肉类水足迹相应较高，总体变化幅度不大，这主要由于银川市位于引黄灌区，聚焦优质奶牛繁育基地和优质奶源生产基地建设，且不断优化产区布局。水产品水足迹小幅上升，主要由于银川市水产养殖业高耗水且发达。

5.1.2 总水足迹时序变化

根据银川市2010～2019年水资源利用现状，计算得出银川市总水足迹量，其核算结果可见表3。

由表3可知，农业水足迹对总体水足迹起主导作用，农业水足迹整体呈上升趋势， 2017年达到最大值，为26.09亿m3。2012年，在自治区政府发布的《宁夏农业特色优势产业发展规划(2008～2012年)》及兴工强市战略的引领下，农业和工业不断发展。之后两年略有下降但属于正常波动范围之内，而后又逐渐稳步上升，到2017、2018年有明显提高，主要由于银川市政府推动淘汰落后产能企业，积极实施工业扶持政策，促进工业进一步良好发展，造成工业水足迹成倍增长。而2019年由于政府加快处理僵尸企业和推进产业转型，工业水足迹大幅减少。

随着人口逐年增加，银川市生活水足迹整体呈上升趋势。近年来，生态保护问题愈发重要，与之对应的生态水足迹也相应提高，到2019年达到最大值1.19亿m3。由于银川市出口贸易额显著大于进口贸易额，因此出口虚拟水量大于进口虚拟水量。

银川市总水足迹在2010～2019年期间总体呈上升趋势，多年平均上升率为1.52%，2018年达到最大值29.8×108m3， 2010年为最小值23.94×108m3，总水足迹在2010年之后上升幅度较大，多年平均上升率为1.52%，表明近10年银川市水足迹结构不断改善。

表3 银川市 2010～2019 年水足迹结构

5.2 水足迹结构分析

基于水资源自给率和水资源进口依赖度指标分析银川市水足迹结构，探究银川市对外部水源与内部水源的依赖程度，结果可见表4。

表4 银川市2010～2019年水足迹结构

由表4可知，银川市2010～2019年内部水足迹总体呈平稳上升趋势，于2018年达到最大值29.33×108m3；外部水足迹总体呈波动下降趋势，于2016年达到最小值23.01×108m。银川水资源自给率总体呈波动上升趋势，且常年高于95.0%，最大值于2016年达98.79%，水资源近乎达到自给自足状态，这与银川市位于引黄灌区有密切关系，同时过高的水资源自给率加大了银川市生态环境压力；相应的其水资源进口依赖度总体呈轻微波动下降趋势。这表明银川市近年来合理优化配置进、出口产品结构。为创造经济效益，应充分发挥银川水资源优势，坚持不违反水资源使用及分配基本原则，进一步优化内部水资源消耗，高效利用本地水资源。

5.3 水足迹可持续性分析

本文基于水足迹增长指数、可用水资源增长指数和水资源可持续利用3个指标对银川市水资源可持续状态及能力进行判定，其判定流程如图2所示，结果如表5所示。

表5 银川市2010～2019年水资源可持续状态

由表5可知，银川市水足迹增长指数正值居多，仅 2013和2019年为负值，最小值在2019年为-0.09；可利用水资源增长指数正负值各半，最大值在2012年为0.53，最小值在2013和2019年为-0.39；水资源状态总体表现为不稳定，2010～2013年受经济发展、人口增长等影响，水资源利用状态较不稳定。在各项引水工程建设、水资源管理制度及节水行动的实施下，2014～2016年水资源利用效率不断提高且人口增长趋于稳定，水资源处于可持续状态。结果表明，在城市化进程中，即使受各项有关水政策制度推动，提高了银川市水资源利用效率，但水资源可持续发展依旧受到制约。

银川市应紧紧围绕“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期治水方针，加快实现生态节水目标，致力全市节水型社会和水文明建设。转变水资源消费理念、消费结构及开发利用方式，从而降低水资源消耗，不断提高水资源利用率，保证水资源的可持续利用。

5.4 水足迹效益分析

为综合评价银川市水足迹效益，将水足迹效益分为内部效益和外部效益两部分。其中内部效益包含人均水足迹、水足迹经济效益与水足迹土地密度3个指标，用于衡量银川市水资源消耗产生的效益；外部水足迹基于水足迹净贸易值、水资源贡献率与水足迹价值兑换率3个指标，用于衡量银川市水资源对外效益，反映其在虚拟水贸易中的地位及其影响力(表6)。

由表6可知，2010～2019年人均水足迹总体呈波动变化，2017年最大值为1327.66 m3，2014年最小值为1180.48 m3，多年平均下降率为0.21%，一定程度表明银川市水资源利用效率有待进一步提高；水足迹经济效益持续增长，2019年最大值为 69.87元/m3，多年平均增长率为11.1%，表明银川市产业升级及用水产业工作机器的改进提升，使水资源消耗产生的经济价值逐渐增高。虽然银川市节水效果显著，水足迹经济效益增长较快，但开发难度逐步增加。水足迹土地密度受城市发展水平、产业布局等因素影响而逐年增长。

表6 银川市2010～2019年水足迹效益

水足迹净贸易值2010～2014年处于逐渐增长阶段，2015～2019年处于波动阶段；水资源贡献率2010～2019年总体呈波动变化，且波动幅度大。2010～2019年水足迹净贸易量为正，水足迹价值兑换率<1，表明在该时期虚拟水贸易中银川市为水资源输出地。

5.5 基于LMDI模型的水足迹变化驱动因子分析

本文基于LMDI模型对银川市水足迹驱动因子进一步探讨，以2009年为基准年，计算2010～2019年水足迹分解效应，结果如表7所示。

表7 银川市2010～2019 年水足迹分解效应

由表7可知，银川市人口效应总体占比较小，贡献率最小，平均占比12.30%；经济效应和技术效应两者总体占比较大且贡两者相差不多，其中技术效应贡献率最大，平均占比45.53%。

从人口效应方面分析，银川市人口数量呈增长趋势，人口效应在2010～2019年10年间逐年稳定增长，从2010年的3.78增长至2019年的7.35，其平均增长率为6.4%，且平均人口效应值大于0，说明其促进了水足迹增长，即人口因素对水足迹变化起正向驱动作用。

从经济效应方面分析，仅2010年经济效应值为负值，其余各年经济效应值均为正值，2010～2019年经济效应值总体呈增长趋势，2010～2013年增长迅速，2013～2018年增速放缓，多年平均增长率为19.9%；由于银川市经济快速发展促使各项产业用水不断增加，对水足迹贡献率较大，且平均经济效应值大于0，因此经济效应对于水足迹变化起正向驱动作用。

从技术效应方面分析，技术效应值从2010～2019年逐年降低，2010～2013年下降迅速，2013～2018年减速放缓，从2010年的-2.08下降至2019年的-31.14，多年平均减少率为21.3%。近年来，由于银川市不断提升改进节水技术，发展新型节水设备，各行业水资源利用效率大幅提升，单位产品耗水量不断减少，因此技术效应抑制了水足迹增长，即技术效应对于水足迹变化起负向驱动作用。

综上，技术效应显著影响银川市水足迹变化，其次是经济效应及人口效应。

6 讨论与结论

6.1 讨论

同处在湿润区的山东省[9]对比，农作物水足迹不到其1/10。其中，粮食水足迹均位列第一，但山东省为上升趋势，宁夏为下降趋势，这与两地粮食生产情况相关，山东粮食产量逐年上升，宁夏粮食产量呈下降趋势。宁夏蛋奶产量高于肉类，且上升趋势明显；山东蛋奶产量低于肉类，且相对平稳。表明宁夏畜牧业中倾向乳业发展，居民生活水平逐渐提高，山东则更倾向于肉制品生产，这与主要的牲畜品种有关。山东和宁夏内部水足迹呈上升趋势，表明两地都重视当地产业发展。

与同处在干旱区的青海省[10]对比，两地均为农业产品水足迹影响最大，其次是生活水足迹，工业水足迹呈下降趋势，生态环境水足迹呈增长趋势。宁夏人均水足迹平稳波动，青海逐年上升，且低于宁夏。同时期青海总水足迹高于宁夏，且青海总水足迹不断上升，宁夏相对平稳。因此，人口不是影响两地人均水足迹差异的重要因子。通过水足迹变化驱动因子分析，认为可能是由于技术差异，宁夏近年引进先进节水技术，工业用水减少较大。青海省进口水依赖度逐年下降，低于宁夏，说明青海省对外部水资源的依赖度低，水资源自给程度很高。这在干旱区较少见，主要是由于青海省人口密度低，自然生态系统稳定涵养水源能力大。宁夏虽为湖城，但依然存在资源型缺水，对水资源贸易依赖大于青海。

2010～2019年间，宁夏水资源利用不可持续年份主要是由于水足迹增长指数和用水资源增长指数不达标表明宁夏水资源不可持续的主要原因在于银川市用水量与可用水量变化程度，即总量，而非效率。但可用水总量主导因素为自然环境，因此，宁夏还需继续调整产业结构与布局，引进先进节水技术，提高宁夏水资源利用效率。

本文分析了计算银川市2010～2019年水足迹，从水足迹结构、可持续性和效益，评价了银川市水资源利用程度，基于LMDI模型探讨了经济、技术和人口等驱动因素。但仍存在不足：评价水资源可持续利用时未考虑水资源安全。

6.2 结论

(1)农业种植水足迹总体小幅下降，农业养殖业水足迹持续增长，农业水足迹总体平稳增长。 民以食为天，粮食水足迹核算常年较高，但总体呈下降趋势，果蔬类水足迹水足迹先增长后下降，油料及药材水足迹常年较低。受节水农业发展，银川市种植业水足总体小幅下降。由于银川市奶源产区布局不断优化，且资源禀赋，水产水足迹及蛋奶类水足迹较高且呈增长趋势，相应的连带肉类水足迹较高。受养殖业持续发展，银川市养殖业水足迹持续增长。从而导致农业水足迹总体呈现平稳增长趋势，但在2019年受农业高质量发展影响出现小幅下降。

(2)银川市水足迹随人口增加而逐年增长，可持续利用状态不稳定，农业消费用水最大。 银川市内部水足迹年均占95% 以上，外部水足迹年均不足5%，且主要以农业消费量为主。随着城市化进程加快，人口不断增长，产业结构优化升级，农业水足迹平稳增长，生态水足迹与生活水足迹也不断增加。总水足迹呈不断上升趋势，其进口依赖度平稳降低，水资源可持续利用状态不稳定。结果表明，银川市仍需进一步优化内部水资源消耗。

(3)技术效应负向驱动贡献突出。 在银川市水足迹变化中，技术效应为关键性驱动，贡献较大，且为负向驱动；其次是经济效应驱动，人口效应驱动最弱，两者均为正向驱动。这表明在城市化过程中需高度重视经济发展和人口增长带来的水资源消耗的增加，持续优化升级产业结构，重视节水技术创新，不断提升水资源利用率，从而实现水资源的可持续发展。