2024, Vol. 44 
长江中游地区位于中国中南部、长江流域中段，地跨湖北、湖南和江西3省，承东启西、连南接北，是推动长江经济带发展、促进中部地区崛起、巩固“两横三纵”城镇化战略格局的重点区域。区域共有38个地级行政区，总面积为5.65×105 km2，人口众多，经济活跃。2023年3省总人口约为1.69×108人，约占全国总人口的12%；3省GDP总值约为1.38×1013，约占全国GDP总量的11%。区域地形地貌复杂，以丘陵山地为主；四季分明，属亚热带季风气候；河流水系纵横，水资源丰富。在推动新型工业化和新型城镇化高质量融合发展进程中，长江中游地区作为长江流域协调发展的重要依托和东中西部地区共同发展的重要传导，面临着持续增大的用水压力和总体偏低的水资源集约节约利用水平。2022年3省的水资源公报显示：湖北省水资源总量为7.14×1010 m3，总供水量和总用水量为3.53×1010 m3，总用水消耗量为1.47×1010 m3，耗水率为41.9%；湖南省水资源总量为1.68×1011 m3，总供水量和总用水量为3.30×1010 m3，总用水消耗量1.61×1010 m3，耗水率为48.6%；江西省水资源总量为1.56×1011 m3，总供水量和总用水量为2.70×1010 m3，总用水消耗量为1.30×1010 m3，耗水率为48.0%。可见，长江中游地区虽拥有丰富的水资源，但水资源消耗十分严重，必须采取科学合理的措施加强长江中游地区的水资源管理，提高水资源综合使用效率，实现水资源的可持续利用。
生态足迹被认为是评价资源可持续利用的一种有效方法。1992年加拿大生态经济学家Rees W. E.[1]首次提出“生态足迹”概念，1999年中国徐中民等[2]第一次将其运用在分析甘肃省的生态足迹状况。生态足迹方法是指能够维持区域内人类活动的自然资源消费量和废弃物的吸纳量所需要的生物生产土地总面积。将一区域的生态足迹与生态承载力进行比较，可以衡量区域自然资源的可持续利用状况[3]。水资源生态足迹是生态足迹的一个重要分支，是将水资源消耗折算成水域面积进行计算[4]，目前已经成为衡量水资源可持续利用水平的重要指标。学者们运用水资源生态足迹方法主要从以下三个方面展开研究：第一，从各省市[5-10]、城市群[11-15]、江河地区[16-18]等区域层面围绕水资源生态足迹进行时空变化分析。第二，运用预测模型对水资源生态足迹的发展趋势进行预测[4, 19-23]。第三，基于水资源生态足迹构建水资源可持续利用评价指标体系[24]。从研究区域看，目前聚焦长江中游地区水资源生态足迹的文献较少，仅以陈义忠等[12]和张婉玲等[14]的文章为代表。两篇文章都选择将长江中游三大城市群作为研究对象，其中陈义忠等[12]运用足迹家族模型评估长江中游城市群水—碳—生态足迹的变化及平衡性，张婉玲等[14]通过分析长江中游城市群水资源生态足迹时空变化特征探究其驱动因素。从研究方法上看，目前研究主要是对生态足迹进行时空分析和趋势预测，鲜有文章基于生态足迹指标构建水资源可持续利用评价指标体系，仅有李逢港等[24]构建了四川省的水资源可持续利用评价指标体系。PSR是在指标体系构建方面应用最广的模型框架。1979年该模型由加拿大统计学家Rapport和Friend提出，后由经济合作与发展组织(OECD)和联合国环境规划署(UNEP)进行发展推广[25]。PSR模型框架是基于压力(pressure)—状态(state)—响应(response)的逻辑，将三方面内容统一到同一框架，全面地分析研究对象所面临的压力、所处的状态和所采取的响应措施，有效提高综合评价的准确性和合理性。目前PSR模型框架被广泛运用于生态安全[26-27]、环境污染防治[28-29]、土地利用[30-31]等方面，尚缺少在水资源可持续利用评价领域的应用。
综合以上分析，本研究选取位于长江中游地区的湖北、湖南和江西3省作为研究对象，对3省的水资源生态足迹、生态承载力和生态盈余等指标进行测度和时空分析，并基于生态足迹等指标构建以压力—状态—响应为模型框架的长江中游地区水资源可持续利用综合评价指标体系，最后通过比较分析3省在水资源可持续利用方面的压力指数、状态指数、响应指数和综合评价指数，找到三地区在水资源利用方面的问题和地区差异，以期为长江中游地区乃至其他省市、城市群或江河地区的水资源可持续发展管理提供科学决策依据。
1 研究区概况及数据来源 1.1 研究区概况长江中游河段上起湖北省宜昌市，下至江西省九江市湖口县，全长955 km，流域面积6.80×105 km2。长江中游地区(如图 1所示)，介于东经108°21′—118°28′，北纬24°29′—33°20′之间，覆盖湖北、湖南和江西3省，其中湖北省现辖12个地级市，1个自治州；湖南省现辖13个地级市，1个自治州；江西省现辖11个地级市。长江中游地区地理位置优越，资源禀赋丰富，在中国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的战略地位。区域河湖众多，水资源总量比较丰富，但仍存在水资源开发利用不合理、水资源管理方式粗放以及水资源污染等问题，严重制约了地区社会经济的向前发展。本文聚焦长江中游地区水资源的可持续利用，选取长江中游3省及所辖的38个地级市作为研究区域。
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图 1 长江中游地区位置及地形图 Figure 1 Location and topographic map of middle reaches of Yangtze River |
本研究使用的数据主要来自湖北、湖南和江西3省的省级数据，其中万元GDP水资源生态足迹指标的数据来自3省的省级数据和地市级数据。水资源总量、总用水量、万元GDP用水量、人均用水量、地下水资源量、地表水资源量和万元GDP水耗等数据来自2011—2021年《湖北省水资源公报》《湖南省水资源公报》《江西省水资源公报》；人口总量、人口密度、GDP等数据来自2011—2021年《湖北省统计年鉴》《湖南省统计年鉴》《江西省统计年鉴》；污水年排放量、治理设施、治理废水投资额、工业用水重复利用率、再生水利用量、污水处理总量等数据来自《中国环境统计年鉴》。
2 研究方法 2.1 水资源生态足迹水资源生态足迹是将区域内消耗的水资源量转换为对应账户的水资源用地面积[22]。根据用水类型的不同，可以将水资源生态足迹划分为生产用水生态足迹、生活用水生态足迹和生态环境用水生态足迹3个二级账户。计算公式分别为：
| $ \mathrm{EF}_{\mathrm{w}}=N \times \mathrm{ef}_{\mathrm{w}}=\mathit{\gamma}_{\mathrm{w}} \times\left(W / P_{\mathrm{w}}\right) $ | (1) |
| $ \mathrm{EF}_{\mathrm{pw}}=\mathit{\gamma}_{\mathrm{w}} \times\left(W_{\mathrm{p}} / P_{\mathrm{w}}\right) $ | (2) |
| $ \mathrm{EF}_{\mathrm{dw}}=\mathit{\gamma}_{\mathrm{w}} \times\left(W_{\mathrm{d}} / P_{\mathrm{w}}\right) $ | (3) |
| $ \mathrm{EF}_{\mathrm{ew}}=\mathit{\gamma}_{\mathrm{w}} \times\left(W_{\mathrm{e}} / P_{\mathrm{w}}\right) $ | (4) |
式中：EFw表示水资源生态足迹(hm2)；EFpw为生产用水生态足迹(hm2)；EFdw为生活用水生态足迹(hm2)；EFew为生态环境用水生态足迹(hm2)；efw表示人均水资源生态足迹(hm2/人)；N表示区域人口总量；γw表示水资源全球均衡因子，取值为5.19[3]；W表示水资源消耗总量(m3)，其中Wp为生产用水量；Wd为生活用水量；We为生态环境用水量；Pw表示水资源全球平均生产能力(m3/hm2)，取值为3 140 m3/hm2[3]。
万元GDP水资源生态足迹(EFGDP)是用水资源生态足迹与万元GDP的比值来表示。比值越小，表明水资源利用效率越高，反之越低[9]。
| $ \mathrm{EF}_{\mathrm{GDP}}=\mathrm{EF}_{\mathrm{w}} / \mathrm{GDP} $ | (5) |
式中：EFGDP表示万元GDP的水资源生态足迹(hm2/104元)。
水资源生态承载力(ECw)是指水资源能够维持该区域人口增长和经济可持续发展的能力。为了维护区域水资源生态环境，需要预留60%的水资源量用于维持生态环境的可持续发展，因此模型需乘系数0.4。计算公式为[3]：
| $ \mathrm{EC}_{\mathrm{w}}=N \times \mathrm{ec}_{\mathrm{w}}=0.4 \times \varphi \times \mathit{\gamma}_{\mathrm{w}} \times\left(Q / P_{\mathrm{w}}\right) $ | (6) |
式中：ECw表示水资源生态承载力(hm2)；ecw表示人均水资源生态承载力(hm2/人)；φ表示区域水资源产量因子，其中湖北省取值1.68，湖南省取值2.45，江西省取值2.71[3]；Q表示水资源总量(m3)。
水资源生态盈余(或生态赤字)(EDw)是水资源生态承载力与水资源生态足迹的差值，可以用来衡量一个地区水资源的供需平衡状况。当EDw>0时，表示水资源生态盈余；当EDw=0时，表示水资源生态平衡；当EDw < 0时，表示水资源生态赤字。计算公式为：
| $ \mathrm{ED}_{\mathrm{w}}=\mathrm{EC}_{\mathrm{w}}-\mathrm{EF}_{\mathrm{w}} $ | (7) |
本文基于PSR模型框架构建水资源可持续利用评价指标体系(见表 1)。它包括目标层、准则层和指标层3个部分。目标层是实现水资源的可持续利用。准则层包括压力、状态和响应3个部分，其中压力指标表示导致水资源供给不足的因素，状态指标表示在压力状态下水资源发生的变化，响应指标表示应对水资源变化的具体措施。指标层是准则层涵盖的具体指标内容，考虑到指标选择的科学性、代表性和可操作性等原则，最终选取13个具体指标。在构建的指标体系中，将万元GDP水资源生态足迹和水资源生态盈余等生态足迹相关指标纳入指标体系，以求更全面评价水资源的可持续利用水平。
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表 1 水资源可持续利用评价指标体系 Table 1 Evaluation index system for sustainable utilization of water resources |
本文采用主观赋权法和客观赋权法相结合的方式对指标权重进行赋值，其中主观赋权法采用的是层次分析法，客观赋权法采用的是熵值法。根据两种方法计算的权重取均值算出指标层权重，然后据此求出准则层权重。将标准化处理后的指标值与对应权重相乘求和即可算出压力指数、状态指数、响应指数和综合评价指数。
3 研究结果与分析 3.1 长江中游地区水资源生态足迹时空分析 3.1.1 水资源生态足迹、生态承载力与生态盈余2011—2021年长江中游地区水资源生态足迹、生态承载力和生态盈余见表 2。①湖北省的人均水资源生态足迹总体呈现上升趋势，最低值出现在2016年，为0.792 hm2/人，最高值出现在2021年，为0.953 hm2/人。②人均水资源生态承载力在波动中上升，2020年承载力最高，为3.393 hm2/人。湖南省的人均水资源生态足迹呈波浪式变动，最低值出现在2020年，为0.759 hm2/人，最高值出现在2013年，为0.825 hm2/人；人均水资源生态承载力整体呈现上升趋势，2016年承载力最高，为5.371 hm2/人，最近两年略有下降。江西省的人均水资源生态足迹处于先下降后上升的态势，最低值出现在2016年，为0.886 hm2/人，最高值出现在2011年，为0.971 hm2/人；人均水资源生态承载力波动幅度较大，最高值和最低值之间相差了4.695 hm2/人，2016年承载力最高，为8.851 hm2/人。③由于2011—2021年3省的人均水资源生态承载力都高于生态足迹，所以3省全部实现生态盈余。江西省的生态盈余情况最好，最高值出现在2016年，达到7.966 hm2/人；最低值出现在2011年，为3.186 hm2/人；2021年的生态盈余为4.718 hm2/人；整体较其他两省波动幅度较大，最高值与最低值之间相差4.78 hm2/人。江西省的人口是长江中游3省中最少的，用水量相对较少，同时该省积极推进数字孪生水利和灌溉试验站建设，取得较好成效。湖南省的生态盈余介于中间水平，总体趋势较为稳定；最高值出现在2016年，为4.568 hm2/人；最低值出现在2011年，为1.954 hm2/人；2021年的生态盈余为3.577 hm2/人。湖北省每年的人均水资源生态盈余都低于其他两省，但波动幅度较小，总体情况较稳定；最高值出现在2020年，为2.603 hm2/人；最低值出现在2019年，为0.304 hm2/人；2021年的生态盈余为1.305 hm2/人。湖北省在3省中人均GDP最高，工业产值最高，用水量也最多。较其他两省的地理位置而言，湖北省位于偏北方，降水量要少于江西省和湖南省，这些都成为影响湖北省水资源生态盈余偏低的原因。
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表 2 2011—2021年长江中游地区3省水资源生态足迹、生态承载力和生态盈余 Table 2 Ecological footprint, ecological carrying capacity and ecological surplus of water resources in middle reaches of Yangtze River from 2011 to 2021 |
2011—2021年长江中游地区各用水账户生态足迹见表 3。湖北省的人均生产用水足迹在湖北省人均水资源生态足迹中占比最大，处于峰值时占到整体用水的85%，其次是人均生活用水足迹，占比最低的是人均生态环境用水足迹；3个用水账户的人均生态足迹一直处于上升趋势，其中人均生态环境用水足迹上升幅度最大，从2011年的0.001攀升到2021年的0.060，其次是人均生活用水足迹，人均生产用水足迹涨幅最小。湖南省各用水账户的用水足迹波动幅度不大，除了人均生态环境用水足迹处于明显的上升趋势外，其他两类用水账户都呈现波浪式变动。江西省的人均生活用水足迹变化不大，人均生产用水足迹整体下降了7.9%，人均生态环境用水足迹则是小幅度上升。总体来看，3省的生产用水足迹占比都位居各省生态足迹账户之首。仅就2021年来看，湖北省占比最大，其次是江西省，湖南省最小。生产用水与经济发展密不可分，湖北省在当年的经济增长快于其他两省，所以生产用水足迹相对较大。生活用水账户占比是湖南省排第一，江西省次之，湖北省最小，这主要是因为湖南省在3省中人口最多，所以生活用水稳居前列。生态环境用水账户显示湖北省占比最大，湖南省次之，江西省最小，平均值分别为1.05%，0.98%，0.92%。这一方面与当年的降水变化和新冠疫情有关，另一方面也说明湖北省相较于其他两省在践行“生态优先、绿色发展”方面做得更好，生态环境用水账户才会有大幅提升。
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表 3 2011—2021年长江中游地区各省用水账户生态足迹 Table 3 Ecological footprint of water accounts of each province in middle reaches of Yangtze River from 2011 to 2021 |
2011—2021年长江中游地区万元GDP水资源生态足迹见图 2。从整体看，3省各年的万元GDP水资源生态足迹始终为正，但逐年下降，表明水资源利用效率在不断提高。江西省的万元GDP水资源生态足迹最高，湖北省的万元GDP水资源生态足迹最低，但是三者之间的差距呈逐年缩小态势。江西省的万元GDP水资源生态足迹偏高的主要原因是江西省的GDP总量和人均GDP均为3省中最低，整体社会经济发展水平较低，低耗水量的第三产业所占比例较小。湖北省的GDP总量和人均GDP都在3省中处于绝对领先地位，第三产业的发展也较好，因此湖北省的万元GDP水资源生态足迹较低。
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图 2 2011—2021年长江中游地区万元GDP水资源生态足迹 Figure 2 Water resources ecological footprint per 10 000 yuan GDP in middle reaches of Yangtze River from 2011 to 2021 |
选取2016年和2021年分别计算3省下辖各地级市的万元GDP水资源生态足迹。利用ArcGIS软件，将万元GDP水资源生态足迹按高低划分为五类(用颜色深浅区分高低)，绘制出3省空间差异演化分布图(图 3—5)。湖北省省会武汉市的万元GDP水资源生态足迹始终最高，其作为国家中心城市，经济发展水平较高，资源消耗量较大。江汉平原地区的各城市万元GDP水资源生态足迹整体较高，这些地区普遍发展水产养殖业，属于典型的高耗水行业。两大省域副中心城市襄阳市、宜昌市以及鄂西山区的万元GDP水资源生态足迹相对较低，这些地区的高耗水产业相对较少，水资源比较丰富。两大工业城市十堰和鄂州呈现低—高的态势，十堰市较低，鄂州市较高。十堰市的工业布局是以东风汽车为核心的汽车制造及相关配套为主，汽车行业属于耗水量较低的工业；鄂州市的工业布局是以武汉钢铁集团为代表的钢铁行业为主，钢铁行业属于典型的高耗水重工业，因此两大城市的万元GDP水资源生态足迹呈现相反的表现。湖南省各地区的万元GDP水资源生态足迹均出现了下降，表明各地在发展经济的同时也注重水资源的合理利用。湖南省万元GDP水资源生态足迹最低的是张家界市，张家界市旅游资源丰富，第三产业在GDP中比例高；其次是长沙市，长沙市作为湖南的省会城市，城市能级高，GDP位居湖南省首位，其中的第三产业比例较高。湖南省万元GDP水资源生态足迹最高的是益阳市和湘西州，上述两地的经济发展程度较低。江西省各地区的万元GDP水资源生态足迹从整体上看处于中间高两边低的态势，其中，赣州市的万元GDP水资源生态足迹降幅最大，这与赣南副中心城市在协调经济发展与水资源合理利用方面取得了显著成绩密不可分。萍乡、新余、景德镇的万元GDP水资源生态足迹降幅很小，说明这3个城市还需在发展经济的同时加强水资源的合理利用。江西省万元GDP水资源生态足迹最低是南昌市，最高是宜春市。南昌市与长沙市情况类似，作为省会城市拥有较高的城市能级和GDP，同时水资源利用情况总体较好；宜春市需要进一步优化水资源利用效率。
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图 3 2016与2021年湖北省万元GDP水资源生态足迹分布 Figure 3 Distribution of water resources ecological footprint per 10 000 yuan GDP in Hubei Province in 2016 and 2021 |
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图 4 2016与2021年湖南省万元GDP水资源生态足迹分布 Figure 4 Distribution of water resources ecological footprint per 10 000 yuan GDP in Hunan Province in 2016 and 2021 |
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图 5 2016与2021年江西省万元GDP水资源生态足迹分布 Figure 5 Distribution of water resources ecological footprint per 10 000 yuan GDP in Jiangxi Province in 2016 and 2021 |
本文构建了长江中游地区水资源可持续利用评价指标体系，权重计算结果见表 4。需要说明的是，由于2021年部分数据缺失，本表数据只测算到2020年。
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表 4 长江中游地区各省水资源可持续利用评价指标体系权重 Table 4 Weight of evaluation index system for sustainable utilization of water resources in each province of middle reaches of Yangtze River |
从湖北省指标权重的计算结果看，指标层的最大权重为响应层的治理设施套数，权重为0.112；最小权重为压力层的万元GDP用水量，权重为0.059；准则层权重分别为压力层0.330，状态层0.294，响应层0.377。从湖南省指标权重的计算结果看，指标层的最大权重为响应层的污水再生利用率，权重为0.116；最小权重为状态层的水资源生态盈余，权重为0.055；准则层权重分别为压力层0.359，状态层0.256，响应层0.384。从江西省指标权重的计算结果看，指标层的最大权重为响应层的工业用水重复利用率，权重为0.1；最小权重为压力层的人口密度，权重为0.061；准则层权重分别为压力层0.347，状态层0.296，响应层0.358。
可以看出，3省在准则层的最大权重都来自响应指标，最小权重都来自状态指标；在指标层的最大权重都来自响应指标，但湖北省指标层的最小权重来自压力指标，其他两省都来自状态指标。这充分表明采取积极有效的响应措施应对水资源利用存在的压力和威胁，会有效改善水资源的可持续利用状况。
3.2.2 综合评价结果2011—2020年长江中游地区水资源可持续利用评价结果见表 5和图 6。3省的压力指数、状态指数、响应指数的表现比较相似，总体呈现下降、上升和上升的趋势。3种指数相比，3省压力指数的下降趋势比较明晰；状态指数中湖北省的上升较其余两省更加明显；响应指数则是湖南省指数的上升较其他两省更加明显。以2020年为例，压力指数最高的是湖南省，为0.094 9，最低是江西省，为0.086 4；状态指数最高的是湖北省，为0.127 8，最低是湖南省，为0.079 0；响应指数最高的是湖南省，为0.142 4，最低是湖北省，为0.114 7。3省的水资源可持续利用综合指数都是在波动中呈现上升的趋势，但上升幅度不大。2020年综合指数最高的是湖北省0.109 4，其次是湖南省0.109 0，最后是江西省0.102 1。可见，3省的综合指数大体相当，可持续利用水平总体比较稳定；但3省的综合指数值并不高，主要是源于状态指数和响应指数的改变较小，水资源的可持续利用仍然需要进一步采取有效措施，提升水资源的使用效率。
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图 6 2011—2020年长江中游地区各省水资源可持续利用综合评价结果 Figure 6 Results of comprehensive evaluation on sustainable utilization of water resources in each province of middle reaches of Yangtze River from 2011 to 2020 |
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表 5 2011—2020年长江中游地区水资源可持续利用综合评价结果 Table 5 Results of comprehensive evaluation on sustainable utilization of water resources in middle reaches of Yangtze River from 2011 to 2020 |
本文运用水资源生态足迹模型对2011—2021年长江中游地区覆盖的湖北、湖南和江西三省的水资源生态足迹、生态承载力和生态盈余进行时空分析，并基于生态足迹和PSR模型框架构建长江中游地区水资源可持续利用评价指标体系，分析其压力、状态、响应指数和综合指数情况，探究3省在水资源可持续利用方面的地区差异和存在的不足，得出以下结论。
(1) 长江中游3省的人均水资源生态足迹和生态承载力总体都呈上升趋势，生态承载力全部高于生态足迹，这使得3省都实现生态盈余，且上升趋势明显。湖北省的人均生态盈余最低，介于0.304~2.603之间，在3省中波动幅度最小；江西省的人均生态盈余最高，介于3.186~7.966之间，较其他两省波动幅度较大。湖北省和湖南省可以进一步采取措施提升水资源生态盈余，而江西省则需要关注生态盈余波动的原因，确保生态盈余平稳上升。
(2) 3省各用水账户生态足迹都是生产用水占比最大，其次为生活用水。生态环境用水占比虽然最小，但是上升幅度最大，远高于其他两类账户，其中湖北省的生态环境用水涨幅最大。这说明提高水资源的可持续利用水平，仍然需要花大力气控制生产用水和生活用水的合理使用，尤其是生产用水，同时进一步鼓励生态环境用水的使用。
(3) 3省的万元GDP水资源生态足迹虽然始终为正，但呈现明显的下降趋势，表明3省对水资源的利用效率正在逐渐提高，其中江西省最高，湖北省最低，三省差距正逐渐缩小。江西省在发展经济过程中要进一步提高第三产业的贡献率，缩小与其他省在万元GDP水资源生态足迹方面的差距。
(4) 3省的压力指数、状态指数和响应指数整体呈现下降、上升和上升的趋势。压力指数的下降趋势明显，状态和响应指数的上升的表现有限，其中只有湖北省的状态指数和湖南省的响应指数达到新的峰值。3省的综合评价指数都是处于波动中上升的趋势，各省综合指数都不高，表现比较平稳。可见，3省的水资源可持续利用水平虽然总体比较稳定，但响应措施发挥的效果还不够，可持续发展仍面临较大挑战，需要采取更加有效和有力的举措。
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