基于水生态足迹的甘肃省水资源可持续利用评价研究

《Sustainability》：Research on the Evaluation of Sustainable Use of Water Resources in Gansu Province Based on Water Ecological Footprint

　　

为了弥补甘肃省水资源可持续利用研究中缺乏时空综合分析的问题，并为当地水资源管理和高效利用提供科学指导，研究人员采用水资源生态足迹（Water Ecological Footprint, EFw）和生态承载力（Ecological Carrying Capacity, ECw）模型。以2014-2023年为研究时段，研究人员对甘肃省各地级市在时间序列和空间尺度上的水资源可持续利用进行了定量评估，纳入了生态盈余/赤字（Ecological Surplus/Deficit, EDw）和生态压力指数（Water Ecological Pressure Index, WEPI）等指标。结果表明，在时间上，甘肃省水生态足迹呈现先降后升的趋势，平均生态承载力为659.4万公顷，持续处于生态赤字状态并承受巨大生态压力，农业用水被识别为主要压力源。万元GDP水生态足迹先降后升，表明节水措施的效果缺乏可持续性。在空间上，观察到显著的区域分异：水量生态足迹呈现“河西高、陇东南低”的格局，高值区有所扩张；尽管水质生态足迹总体下降，但陇东南仍是核心压力区。河西水资源压力带持续扩大，表明全省用水效率虽在提高，但生态压力却在加剧。该研究指出了甘肃省水资源禀赋有限、产业高度耗水等问题，并提出了差异化管理和产业优化策略以应对可持续用水挑战，从而为该地区科学的水资源管理提供了理论依据。

水是生命之源，但全球气候变化和人类活动加剧导致水资源短缺与水质退化问题日益突出，尤其在干旱内陆地区，水资源已成为制约生态安全与经济社会发展的关键瓶颈。甘肃省位于中国西北干旱半干旱区，降水稀少且时空分布不均，水资源禀赋极为有限，农业用水占比高，生态压力长期存在。现有研究多侧重单一维度（水量或水质）或单一尺度（时间或空间），缺乏对甘肃省水生态可持续性的时空综合分析与驱动机制探讨，难以满足精细化水资源管理需求。为此，研究人员在《Sustainability》期刊上发表论文，旨在基于水生态足迹（EFw）和生态承载力（ECw）模型，定量评估甘肃省2014-2023年水资源可持续利用的时空演变特征，揭示主要压力源，并提出差异化优化策略，为干旱内陆区水资源管理提供科学依据。

研究人员采用水资源生态足迹和生态承载力模型，结合生态赤字/盈余（EDw）和生态压力指数（WEPI）等指标，对甘肃省14个地级市进行时空分析。主要关键技术方法包括：（1）水生态足迹模型，分为水量生态足迹（EFw_q）和水质生态足迹（EFw_qual），分别基于农业、工业、生活和生态用水账户，以及化学需氧量（COD）和氨氮（NH₃–N）污染物排放计算；（2）水资源生态承载力模型，基于区域水资源总量与产量因子（产量因子取自文献，并计算各地级市值）；（3）生态赤字/盈余（EDw）和生态压力指数（WEPI）用于评估供需平衡与压力状态；（4）万元GDP水生态足迹用于衡量用水效率；（5）参数敏感性分析（±10%和±20%扰动）验证模型稳定性。数据来源包括甘肃省水资源公报（2014-2023）、统计年鉴及环境统计报告。

**4.1 时间序列趋势分析**
**4.1.1 水生态足迹变化**：通过公式(2)(3)计算，甘肃省水量生态足迹总体呈先降后升趋势，均值23.244百万公顷，2020年达最低（22.057百万公顷）。农业用水占比约78.5%，是主导因素，其变化趋势与总足迹高度一致；生活用水足迹稳步上升，生态用水足迹总体增长。水质生态足迹（公式4）先降后升，均值62.020百万公顷，2020年最低（32.998百万公顷），2023年最高（95.195百万公顷），其中COD足迹占67%，氨氮足迹占33%，2020年转折点与新冠疫情导致的工业活动减少和消费行为变化有关。
**4.1.2 生态承载力变化**：通过公式(5)计算，生态承载力先降后升，均值6.594百万公顷，2015年最高（28.918百万公顷），人均承载力0.256公顷/人，表明水供需长期失衡。
**4.1.3 水资源生态赤字动态**：通过公式(6)计算，多数年份生态赤字为负，2014-2016年最严重，兰州赤字最高（-19.99百万公顷，2014年）；2017年后赤字逐渐缓解，但个别地区（如平凉、酒泉）在2020年出现波动，显示生态条件对气候和人类活动敏感。
**4.1.4 水生态压力指数变化**：通过公式(7)计算，WEPI持续大于1（4-38），2023年最高（37.119），农业压力指数多数年份>1，而工业、生活和生态用水压力指数<1，表明农业是主要压力源。
**4.1.5 万元GDP水生态足迹变化**：通过公式(8)计算，该指标先降后升，2014年最高（1.744公顷/万元），2020年最低（0.611公顷/万元），2020年后有所回升，显示节水效率提升但不持续。

**4.2 空间差异比较分析**
**4.2.1 水生态足迹空间差异**：通过图9分析，水量生态足迹呈现“河西高、陇东南低”格局，2014年酒泉为核心高值区（6.134百万公顷），2023年高值区扩大形成河西连续高值带；水质生态足迹2014年呈“陇东南高、河西低”格局，2023年全省总体下降，但陇东南仍为核心压力区（兰州、白银、天水、陇南）。
**4.2.2 生态承载力空间差异**：通过图10分析，承载力“陇东南高、河西低”，2014年甘南和陇南最高（4.276和1.793百万公顷），2023年总体上升，但区域差异依然显著，河西承载力极低。
**生态压力指数与万元GDP水生态足迹空间分析**：通过图11分析，压力指数2014年以嘉峪关、金昌、白银、兰州最高，2023年河西压力带扩展，形成连续核心风险区；万元GDP水生态足迹2014年“河西高、陇东南低”，2023年全省显著下降，河西降幅最明显，但效率仍低于陇东南，表明用水效率改善但不足以缓解整体压力。

**讨论部分**：研究人员分析了时间演变特征，指出甘肃省水资源系统长期处于生态赤字，农业用水是主导驱动因素，与现有干旱区研究一致。通过纳入水质生态足迹，揭示了传统方法可能忽略的空间差异，强调河西走廊是水量消耗和生态压力核心区。敏感性分析（±20%扰动）显示三个关键参数（水均衡因子、水生产力、产量因子）的敏感性系数均小于1（分别为0.79、0.80、0.83），模型稳定性强，结论可靠。研究局限包括仅考虑COD和NH₃–N两种污染物，且空间分析限于地级市尺度，可能掩盖县级异质性；未来需纳入更多污染物（如总磷、总氮）并开展县级尺度和栅格化分析，结合遥感数据提升空间精度。

**研究结论翻译**：基于2014-2023年甘肃省水资源生态足迹与生态承载力的综合评估，结果表明该地区长期处于生态赤字状态，水生态压力指数（WEPI）持续大于1。水量和水质生态足迹均呈现“先降后升”趋势，而生态承载力相对有限，导致水供需持续失衡。农业用水被识别为主要压力源，对区域水系统施加了强烈且持续的约束。空间上，存在显著异质性：河西走廊是高水平水资源消耗和生态压力区，而陇东南承载力相对较高但仍面临局部水质压力。尽管基于GDP的水生态足迹下降表明用水效率有所提高，但节水效果的可持续性不足，总体水资源压力仍在加剧。遵循“节水优先、空间均衡、系统治理”原则，甘肃省作为干旱内陆区的代表，应进一步加强最严格水资源管理制度，强化用水约束。在黄河流域生态保护和高质量发展战略框架下，需严格控制河西走廊耗水产业扩张，推广农业节水、产业转型和空间优化配置。此外，在双碳目标下，水资源约束已成为能源发展的关键限制因素，应协调水-能源-生态系统，优化水电和可再生能源布局，避免能源与耗水产业同时扩张带来的复合生态压力。通过构建水-能源-生态协同治理体系，可为干旱区实现高质量发展与生态安全提供有力支撑。