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黄河流域水足迹和再生水利用状况

基于式（2）~式（4）计算黄河流域各省（区）的水足迹，并将计算结果与水资源公报中统计的实体用水量相比较，对黄河流域水资源利用情况与官方统计数据进行差异分析，结果见图2。由图2可知，黄河流域总水足迹为2 761.17亿m³，而统计的实体水量仅为777.21亿m³，总水足迹相较于实体水量高出3.55倍。流域上、中、下游水足迹分别为实体水量的2.68、3.63和4.04倍，自上而下各省（区）水足迹分别是实体水量的3.70、8.31、2.84、1.60、2.73、3.51、3.78、3.54和4.52倍。以上结果表明，当前水资源公报中未充分反映出各省（区）的真实水资源需求和占用情况，水足迹远超报告的实体水量，在流域的不同部分以及各省（区）之间表现出显著的不均衡。由此可见水资源公报统计往往关注于直接用水量，通常未充分计入虚拟水消耗；不同地区在数据收集、统计方法及报告标准上存在差异；用水效率与管理在黄河流域的各省（区）间因经济发展水平、技术和政策差异而不同，加剧了地区水足迹的不均衡^[44]。基于农业需水量、工业需水量、居民生活需水量、生态环境用水量和进出口虚拟水量数据，用式（2）~式（4）对黄河流域各市（州）2020年水足迹进行计算，结果见图3。由图3可知，从省市级层面看，流域上游的青海、四川省水足迹较低，分别为89.40、45.05亿m³；流域下游的河南、山东省水足迹较高，分别为562.49、766.18亿m³，其中临沂、南阳2市水足迹较高，分别为145.46亿和113.14亿m³。四川省在黄河流域内仅有甘孜藏族自治州（简称甘孜州）、阿坝藏族羌族自治州（简称阿坝州）2个自治州，其位于四川省的西北部，面积大、人口稀少、耕地面积少，导致水资源消耗量较小；而山东省作为全国农业的重要省份，灌溉了全国6％的耕地，生产了全国8％的粮食，养育了全国7％的人口并支撑了全国10％的经济总量，与其较高的水资源消耗量相对应。这表明水足迹与当地经济发达程度有着一定联系。从各部门用水量来看，流域内农业虚拟水量占比较高（87.84%），由于2020年黄河流域气候干旱，农业对灌溉的高度依赖以及畜牧业对水源的需求，使农产品在各市（州）水足迹中占比最大，表明了农业对水资源的重要需求；进出口虚拟水量占比较小（1.25%），流域内有42个市（州）均为出口虚拟水量大于进口虚拟水量，总体上水资源呈现输出状态。临沂、南阳市农业虚拟水量较大（136.03亿、105.32亿m³），郑州、洛阳市工业虚拟水量较大（4.65亿、4.39亿m³），2020年河南省工业总产值位居全国中西部第一，其中郑州、洛阳市位于河南省第一、二名^[45]，这表明工业水足迹用量较高与其工业发展水平有着较大的关系。临沂与郑州市居民生活用水量较大（9.60亿、7.34亿m³），东营与郑州市生态用水量较大（9.81亿、5.09亿m³），生活和生态用水基本与当地常住人口数量成正比。总体来看，各市（州）中农业用水为最大的水资源生态足迹账户，因此农业节水是首要任务，要全面实施农业高效用水技术，调整农业水价，摒弃大水漫灌，提倡高效节约灌溉。基于黄河流域各省（区）2020年的水资源公报，可得出各市（州）的再生水利用量，结果见图4。由图4可知，流域内再生水利用量为32.13亿m³，仅占总供水量的0.45%，流域上、中、下游再生水利用量分别为7.21亿、9.21亿、15.71亿m³。从省（区）来看，山东和河南2省的再生水利用量较大，分别为8.73亿和6.98亿m³，四川和青海省的再生水利用量较少，分别为0.10亿和0.51亿m³；从市（州）来看，郑州、西安市再生水利用量较多，分别为3.97亿和2.68亿m³，但有6个市（州）再生水利用量为0，主要集中在青海和四川省，这表明中下游地区经济发展程度较高，再生水的普及率和利用量也相对较高。尽管再生水目前在总供水中所占比例相对较小，但对一些地区缓解用水需求仍有一定效果，通过再生和再利用可以显著增加可用水资源，提高用水效率，从而减少了单位产品或服务所需的水量，特别是在经济发展水平较高的流域下游地区。当前流域大部分地区的再生水利用面临着政策和技术的制约因素，如尚未有效纳入水资源配置规划、再生水盐分升高和水质安全问题等，仍存在较大的提升空间，这为未来黄河流域再生水利用提供了良好的发展机遇^[46]。2021年颁布的《“十四五”黄河流域城镇污水垃圾处理实施方案》明确了黄河流域污水再生利用的发展目标和重要任务^[47]。预计在“十四五”期间，黄河流域新建、改建及扩建再生水生产能力将达到300 m³/d左右，这预示着未来黄河流域再生水利用将迎来快速发展，为水资源的可持续利用提供了战略性的路径^[48]。2.2   黄河流域各市（州）人均水资源生态足迹人均水资源生态足迹揭示了不同区域单个人口生活与生产消耗的平均水资源量。基于2.1节已计算出的黄河流域各市（州）2020年实际水资源消耗量数据，结合式（1）得到各市（州）人均水资源生态足迹，之后使用ArcGIS 10.8软件的自然断点法将人均水资源生态足迹分为5个级别。由图5可知，2020年黄河流域各市（州）人均水资源生态足迹地域差异明显，总体呈现出东低西高、南低北高的特征。流域上游人均水资源生态足迹较高，巴彦淖尔市、海南藏族自治州（简称海南州）和海北藏族自治州（简称海北州）位列前3，分别为10.52、8.72、6.85 hm²。其中巴彦淖尔市用水量达到约100亿m3，农业用水量、出口虚拟水占比最大，该地拥有亚洲最大引水灌区“河套灌区”、全国最大的奶产品生产基地，以及地级市中唯一四季均出栏的肉羊养殖地等^[49]。相反，流域中下游人均水资源生态足迹较低，郑州、太原、西安等经济发达、人口密集的省会城市人均水资源生态足迹排名后3位，分别为0.45、0.35、0.29 hm²/人，用水总量在15亿~45亿m³，人口众多，用水结构较为均匀，生活生态用水已成为用水总量的重要组成部分。2.3   黄河流域各市（州）人均水资源生态承载力基于黄河流域各市（州）2020年水资源公报中统计出的水资源总量数据，结合式（5）~式（6）得到各市（州）人均水资源生态承载力，结果见图6。由图6可知，2020年黄河流域南部和西部水资源生态承载力与人均水资源生态承载力相对较高，各区域呈现明显的地理分布特征。从省级层面看，水资源生态承载力较高的区域主要分布在青海和四川省，分别为3 017.90万、16 502.36万hm²，而宁夏和内蒙古2个自治区的承载力较弱，仅为4.95万、12.7万hm²；同样地，人均水资源生态承载力较高的区域主要分布在青海和四川省，为5.09、85.46 hm2/人，而宁夏和内蒙古2个自治区的承载力较弱，为0.006 9、0.010 0 hm²/人。从市级层面看，水资源生态承载力排名前3的市（州）为甘孜州、阿坝州和玉树藏族羌族自治州（简称玉树州），分别为8 810.73万、1 654.71万、7 924.35万hm²，远远高于各市（州）的平均值385.65万hm²，而阿拉善、乌海、白银市的水资源生态承载力排名后3，分别为0.12、0.14、0.30 hm²；人均水资源生态承载力排名前3的市（州）为阿坝州、甘孜州和果洛藏族自治州（简称果洛州），分别为96.29、79.52、66.86 hm²/人，而白银、乌海、石嘴山市的人均水资源生态承载力排名后3，分别为0.002 0、0.002 5、0.003 1 hm²/人。水资源生态承载力是支持黄河流域生态环境高质量发展的基础，有研究以省（区）为单元，使用熵权法或TOPSIS法，研究了不同时间段黄河流域的水资源承载力，认为山西、内蒙古、山东的水资源承载力较高，青海的承载力较低^[50-51]。而以各市（州）为单位结合虚拟水的研究方面，有学者发现玉树州、果洛州和阿坝州及甘孜州的承载力较好，这与本研究所得结论一致^[52]。也有学者通过实体水测算发现陕西的商洛、山东的临沂等市承载力较差，与本研究略有不同。综上所述，为了减少评估误差，研究应当采用更精确的市（州）级数据进行分析。同时，还应考虑虚拟水和再生水对评价结果产生的影响，因此在水资源生态补偿标准的研究中，应当充分考虑这2个因素。2.4   2020年黄河流域水资源可持续利用评价

2.4.1   各市（州）人均水资源生态盈余/赤字特征

基于式（7）计算各市（州）2020年人均水资源生态承载力与人均水资源生态足迹之差，确定人均水资源生态盈亏，采用ArcGIS 10.8软件绘制各市（州）人均水资源生态盈亏空间分布，结果见图7。由图7可知，流域内人均水资源生态盈亏存在显著空间差异，从省级层面来看，青海、四川省为水资源生态盈余，而宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东全省（区）均处于水资源生态赤字。从市级层面来看，仅有约14.5%的市（州）处于盈余状态，具体来看，青海除西宁、海东市外的各市（州），陕西安康、汉中市，以及四川阿坝州、甘孜州都处于人均水资源生态盈余，其余各市（州）均处于水资源生态赤字。以上结果表明，流域内除了青海和四川省之外，其余各省（区）流域内提供的水生态容量无法满足人口消费和经济社会发展的需求，需要跨流域调水。人均生态盈余较为优越的地区，例如四川省阿坝州水资源总量有556.91亿m³，水足迹仅占总量的1/20，具备向下游区域输送水资源的潜力，需重点开展生态系统保护、退耕还林等措施，提升森林面积，防沙固沙，增强水源涵养与补给能力^[53]。反之，巴彦淖尔等生态赤字严重地区，农业用水量占全市总水量的80%左右，为解决生态赤字问题，需推进灌区农业深度节水控水，提高用水效率，将用水指标分村镇严格把控，实现节水保粮两手抓^[54]。水资源生态足迹明显高于水资源承载力，导致黄河流域处于生态赤字状态，突显了水资源利用与生态环境需求之间的平衡问题。

2.4.2   各市（州）万元GDP水资源生态足迹特征

基于式（8）通过各市（州）2020年水资源生态足迹与万元GDP之比，确定万元GDP水资源生态足迹，结果如图8所示。由图8可知，流域内万元GDP水资源生态足迹差异较大，数值越高水资源利用率越低。从省级层面来看，从青海到山东省的万元GDP水资源生态足迹依次为1.17、0.91、0.68、0.61、0.58、0.28、0.28、0.32、0.36 hm2/万元，整体呈减小趋势，在河南和山东省略有上升，结果表明，水资源利用效率在上游省份偏低，在中下游省份较高。从市级层面看，果洛州、海北州及巴彦淖尔市的万元GDP水资源生态足迹位列前3，水资源利用效率相对较低，相反，西安、太原、郑州市的万元GDP水资源生态足迹排名后3，水资源利用效率相对较高。万元GDP水资源生态足迹较小的地区与人均水资源生态足迹较小的地区一致，并且均是中下游的省会城市，这是由于经济发展较快、区域生产总值高，水资源利用效率相对较高。在后续经济发展中要提升再生水回用技术，谨慎合理地利用水资源，以防止过度消耗引发环境问题。

2.4.3   各市（州）水资源生态压力指数分析

基于式（9）通过各市（州）2020年水资源生态足迹与水资源生态承载力之比，确定水资源生态压力指数，各市（州）水资源生态压力指数空间分布结果见图9。由图9可知，2020年黄河流域仅有11个市（州）的水资源生态压力指数在0~1，突显了地区水资源供给与需求的紧张程度。从省市级层面来看，宁夏、内蒙古等省（区）压力指数大于1，水资源利用程度高，安全程度相对较低，水资源开发面临艰巨挑战。这类省（区）要制定更加规范和可持续利用的水资源管理政策，加大力度进行节水集水，加强再生水处理能力，加强水资源利用的监测和调控，以确保在追求经济发展的同时仍能实现可持续发展。陕西汉中等极少数区域水资源开发相对安全，通过实施污水排放口整治、自然保护区修复等措施^[55]，为水资源可持续开发提供示范和借鉴。与此相反，青海和四川省的压力指数小于1，甘孜州、阿坝州、玉树州水资源压力指数较小，分别为0.04、0.05、0.07，这些地区水资源利用程度相对较低，安全程度较高，水资源开发相对容易，处于可持续利用的状态，要通过水生态修复与保护来维持现状。

3.   结论

（1）黄河流域人均水资源生态足迹总体呈现东低西高、南低北高的分布特征，水资源生态承载力、人均水资源生态承载力较高的地区主要分布在流域南部，流域上游地区水资源丰富，承载力较高，明显优于下游地区；流域水资源生态承载力呈现明显的空间分布差异，其中青海、陕西、甘肃水资源生态承载力相对较高，而宁夏、内蒙古水资源生态承载力相对较低。

（2）黄河流域仅14.5%的城市人均水资源处于盈余状态，其余65个市（州）水资源生态压力指数>1，流域整体水资源安全程度低，供需紧张，开发难度大，流域水资源供应受到一定压力；流域中下游的陕西、山西、河南、山东的万元GDP水资源生态足迹较低，分别为0.28、0.28、0.32、0.36 hm²/万元，水资源利用效率较高。

（3）黄河流域的水资源呈现紧缺且上下游分布不均的特点，因此建议采取跨流域调水及提升再生水利用量等措施来补充水资源总量。此外，建议有针对性地在全流域范围内实施生态补偿措施，跨省建立水权交易制度，以便更有效地节约水资源，从而确保整个流域的可持续发展。