1. 引言
生态环境用水又称生态用水，即在特定时空范围内，生态系统维持一定的稳定状态时所实际利用的水量 [1] 。一直以来，对生态用水的研究主要是针对生态系统所需的水资源数量进行，在研究方法上涉及水文学、生态学、水利工程和生物工程等各学科，在同一流域或区域的计算结果上也存在较大差异。而对于区域或流域实际投入的生态用水数量，则由于不同区域间统计口径、计算方法乃至于概念界定等存在差异，分析和研究仍处于起步阶段 [2] 。
山西省位于中国干旱半干旱区，全国能源重化工基地和农业大省的经济地位造就了其本身也是用水大户的实际情况。进入21世纪后，随着社会经济的持续发展，工业用水、农业用水和城市生活用水数量持续增加，原本在总用水量中占比不多但对于环境维护和生态重建意义重大的生态用水应该给予相应重视 [3] 。《山西省水资源公报》中公布的生态环境用水量是目前唯一能够收集到的、由水资源管理权威机构正式公布的区域主动投入生态环境的水资源实际数量，是山西省在维护和治理城乡生态环境工作中能力和决心的真实反映。由于目前为止基于该数据的相关研究尚属空白，期望本研究的创新性探索能为促进全省生态环境修复、实现水资源合理优化配置和可持续发展以及进一步提高生态用水在总用水量中的投入和重视程度等提供一定参考。
2. 研究方法和研究区概况
2.1. 数据来源
研究选取时间跨度为2011~2020年，共10年，数据来源为2011年至2020年间逐年《山西省统计年鉴》和《山西省水资源公报》 [4] [5] ，研究区域范围涉及山西省内所辖的太原市、大同市、朔州市、晋中市、阳泉市、长治市、晋城市、忻州市、临汾市、运城市、吕梁市等11市。按照水资源公报的编制规范，其中生态用水的统计主要包括河湖人工生态补水和城镇绿化灌溉用水及洒扫用水，而笔者认为人工生态补水和绿地灌溉用水是生态用水的主要贡献部分。
2.2. 研究区自然概况
山西省地处中国黄土高原东部，地势东北高西南低，境内地跨黄河、海河两大水系，河流属于自产外流型水系 [7] ，多为季节性河流。虽然过境水资源丰富，但由于水资源开发难度大，水污染严重等因素影响，全省仍处于缺水状态。全省气候属于温带大陆性季风气候，多年平均降水量(1958~2013年) 598.9 × 109 m3~995.6 × 109 m3。据作者计算(表1)，研究期10年间山西省平均降水量为853.43 × 109 m3，属正常范围；11市中忻州市均值最高，为133.69 × 109 m3，太原市、阳泉市的降水均值则较低，分别为35.95 × 109 m3和25.42 × 109 m3。
Table 1. Average precipitation statistics by city in Shanxi Province, 2011~2020
表1. 2011~2020年山西省各市平均降水量统计
2.3. 研究所用参数及方法
研究采用简化的生态环境用水水平指标进行分析，即生态环境用水在研究期总用水量中的占比。该指标可以反映影响区域生态环境用水投入的各项因素的综合，其中包括区域经济发展水平、产业结构、科技、水资源条件、用水设施、水资源管理水平、节水等。指标具体又包括一般生态环境用水水平和人均生态环境用水水平，后者反映居民从水资源投入生态环境维护中取得收益多少，指标高则受益多，指标低则受益少。以上指标的具体计算式为：
生态环境用水水平 = 生态环境用水量/总用水量；式中：生态环境用水量和总用水量的单位均为“×109 m3”；生态环境用水水平的单位为百分比(%)。
人均生态用水水平 = 生态环境用水量/总人口；式中：生态环境用水量的单位是“×109 m3”，人口的单位是“万人”，人均生态用水水平以百分比(%)计。
3. 研究期生态用水的数量变化
3.1. 全省生态用水量变化趋势
研究期10年间全省生态用水量和总用水量的变化均呈现增加趋势(图1)，但二者并不完全同步：全省总用水量在2014~2016年出现一个较大增幅，在2013~2014年和2019~2020年则分别出现两个较为明显的降幅，后一时段较少的原因推测与新冠疫情带来的生产性用水量减少有关；而生态用水在2017~2019年增长幅度最大，2014~2015年和2019~2020分别出现一个降幅。此外，生态用水和总用水量的最高值和最低值出现时间相近：总用水量在2019年达到10年间最高，而生态用水量在2019和2020年达到最高及次高值；二者的研究期最低值则先后出现在2014年和2015年，与总用水量减少出现的第一个时段接近。因此，生态环境用水量的变化与总用水量变化间存在一定联系，但二者关联并不密切，影响生态用水使用量的因素还有待于进一步分析。
Figure 1. Changes in ecological water consumption and total water consumption in Shanxi Province
图1. 山西省生态用水量和总用水量变化情况
3.2. 各市生态用水量变化趋势
研究期除阳泉市外，山西省内其他10市生态用水量总体呈上升趋势。其中临汾市、朔州市、晋城市、忻州四市在10年间生态用水量变化幅度较小，不明显(表2)，大同市、长治市、太原市、吕梁市、晋中市、运城市六市的生态用水量增加趋势则较为明显(图2)。
Table 2. Four municipalities with insignificant changes in ecological water consumption during the 10-year period (×109 m3)
表2. 10年间生态用水量变化幅度不明显的四市(×109 m3)
生态用水量变化趋势不明显的四市中，10年间生态用水量的均值由大到小排列分别为临汾市0.33 × 109 m3，为四市中最高，忻州市均值0.14 × 109 m3，晋城市均值0.11 × 109 m3，朔州市均值最低为0.1 × 109 m3。虽然四个市的生态用水量在整个研究期变化趋势较不明显，但大都在2015年后仍呈现出微弱上升趋势。
研究期生态环境用水量增加明显的6市中(表3)，大同市在2015年最少为0.17 × 109 m3，2016年间的生态环境用水量最多为0.59 × 109 m3，同比2015年增长241.76%；长治市在2015年最少为0.21 × 109 m3，2019年生态环境用水量最多为0.59 × 109 m3，相比之下增长了186.07%；吕梁市2013年的生态环境用水量最少为0.3261 × 109 m3，2020年最多为0.84 × 109 m3，与2013年相比增长158.97%；太原市最小为2015年的0.25 × 109 m3，在2020年最多为0.91 × 109 m3，相比2015年增长了266.12%；晋中市在2015年最少为0.18 × 109 m3，2019年生态环境用水量最多为0.55 × 109 m3，对比2015年增长214.54%；运城市在2014年最少为0.04 × 109 m3，2019年间的生态用水量最多分别为0.28 × 109 m3，相比2014年增长535.80%。可见，生态环境用水量增加趋势明显的6市，最高值和最低值间的变化差距也较大；最小值多出现在2015年(出现4次)，最大值多出现在2019、2020年，这与全省的整体情况相同(2019年全省生态用水总量最多，为4.89 × 109 m3，2015年最少，为2.35 × 109 m3)。
Table 3. Six cities with significant changes in ecological water consumption over 10 years
表3. 10年间生态用水量变化幅度明显的6个市
研究期10年间，阳泉市的生态用水量呈下降趋势，在全省比较特殊，2015的生态用水量最多，为0.23 × 109 m3，而研究期末2020年下降到0.13 × 109 m3，下降了38.53个百分点。
4. 生态用水水平的变化
4.1. 研究期内全省生态环境用水水平变化情况
用水水平反映部门用水量在总用水量中的比重。一般而言，用水量是指包括输水损失的毛水量之和，按生活用水、工业用水、农业用水和人工生态环境(同公报中的生态环境用水)补水四大类用户统计，不包括水力发电、航运等河道内用水量。表4为2011~2020年10年间山西省各项基本用水占总用水量的比重。研究显示，10年间山西省生态用水量均值为3.36 × 109 m3，是同期10年间全省平均总用水量的4.54%。而同期工业用水水平、农业用水水平和生活用水水平均值分别为59.07%、18.87%和17.51%。显然，生态用水与其他各类部门用水相比属于一个较低的水平。
由表4可知，10年间山西省生态用水量生态用水水平的均值为4.80%。根据《中国水资源公报》的同期数据计算，全国生态用水量水平均值为2.17% [6] 。具体而言，2019年、2020年山西省生态用水水平最高，分别为6.44%和6.59%，2015年最低为3.19%，其余年份基本保持在4%左右。而同期全国生态用水水平虽然也在2020年和2019年达到最高，分别为5.3%和4.1%，但其余年份则稳定在2%左右。显然，研究期山西生态用水水平年均值远超全国水平，且10年间一直处于较高水平，表明山西在生态环境改善方面的投入是持续进行的。
Table 4. The proportion of each basic water use to total water use in Shanxi Province in 2011~2020 (%)
表4. 2011~2020年山西省各项基本用水占总用水量比重(%)
相比农业用水和工业用水水平在研究期并不明显的变化而言，生态用水和生活用水水平在研究期末的2019和2020年变化比较明显，均表现为增加。与研究期始的2011年相比生态用水水平在2020年增长了42个百分点，生活用水水平则增加了28%，增加幅度明显。
4.2. 各市生态环境用水水平
具体到省内各市，研究期除阳泉市外，其余10市生态用水水平均呈上升趋势。其中6个市变化较为明显，4个市变化幅度较小(表5)。用水水平变化明显的六个市，生态环境用水水平均值从大到小排列分别是：忻州市、太原市、大同市、长治市、晋中市、朔州市。
忻州市在2019年生态用水水平最大为8.64%，2013年最小为6.86%，十年来，忻州市生态用水占比增加了0.9个百分点；太原市在2020年生态用水占比相比2011年的9.34%，增加了1.98个百分点；大同市在2016年生态用水水平最高为9.41%，2011年达到最小，为3.91%，2020年的8.57%与2011年相比，增加了4.66个百分点。长治市在2019年生态用水水平最大为10.34%，2015年最小为3.87%，研究期内长治市的生态用水水平从2011年的4.66%增加到2020年的7.88%，增加了3.22个百分点。晋中市在2019年生态用水水平最大为7.89%，2015年达到最小为2.39%，研究期内2011年生态用水水平为4.61%，2020年增加到7.51%，增加了2.9个百分点。朔州市在2014年生态用水水平最大为6.56%，2016年达到最小为1.19%%，研究期内从2011年1.42%增加到2020年的3.22%，增加了1.8个百分点。
Table 5. Six cities with significant changes in ecological water use levels over 10 years
表5. 10年间生态用水水平变化明显的六市
在没有明显变化趋势的四市中(表6)，生态用水水平的均值最高在忻州市7.59%。忻州市10年间最高值8.64 (2019年)和最低值6.86 (2013年)分别与均值相差12.15%和20.6%；平均值最低在运城市为0.85%，10年间最高值2.67 (2019年)和最低值0.27 (2015年)分别与均值相差214.12%和68.24%，差距较大。此外，临汾市的均值为4.20%，晋城市的平均值为2.79%。
Table 6. Four municipalities with insignificant trends in ecological water use levels over 10 years (%)
表6. 10年间生态用水水平变化趋势不明显的四市(%)
阳泉市10年间的生态用水水平整体呈下降趋势(图3)，2012年相比2011年有较大幅度的下降，而后缓慢回升，于2015年到达研究期最大值11.94%，而后连续两年下降，2017年生态用水量占比达到最小为3.07%，同比2015年降低34.6%，之后虽然有所上升，但仍低于研究初期的生态用水水平。
4.3. 人均生态环境用水水平
人均生态用水水平反映居民从水资源投入生态环境维护中的取得的受益高低，指标高则受益多，指标低则受益少。研究期整体而言人均生态用水水平呈现上升态势，但各时段情况不同(图3)。2011~2015年全省人均生态用水水平大致保持稳定，2015年前后出现轻微下降，2015年后，特别是2018年起，人均生态用水水平出现了较大幅度的上升。可能的原因是：处于山西省十二五规划时期的2011~2015年，山西全省的发展重点在工业化跃升、城镇化发展方面关注较多，工业等其他部分的用水对生态用水产生了挤占，而山西省十三五规划(2016~2020年)中指出要“坚持绿色发展原则，确保资源环境与经济发展相互协调”，表明2015年后这种现象得到了缓解，与政府部门对生态环境建设的关注开始增加有关。
Figure 2. Trends in the proportion of ecological water consumption in Yangquan during the 10-year period
图2. 10年间阳泉市生态用水量比例的变化趋势
Figure 3. Changes in per capita ecological and environmental water consumption levels in the province
图3. 全省人均生态环境用水水平变化
各市人均生态环境用水水平
就省内11市而言，研究期省内六个市该指标变化幅度较大，分别是太原市、大同市、阳泉市、吕梁市、晋中市、朔州市；其中，太原市、大同市、朔州市、吕梁市、晋中市五市十年间人均生态用水水平变化幅度较大但总体上呈上升趋势；阳泉市同样变化幅度较大但总体呈下降趋势。长治市、晋城市、忻州市、临汾市、运城市等五个市的人均生态环境用水水平变化幅度则较小。
由图4可知：除阳泉市外的五个市人均生态用水水平都在2015年出现低点而后逐渐上升。其中太原市2020年人均生态环境用水水平达到最大为0.17%，与2011年0.13%相比增长了30%，而与2015年相比增长了267%。大同市2020年人均生态环境用水水平为0.17%，与2011年相比增长了123%，而与最低点2015年相比比增长率208%。朔州市2020年人均生态用水水平为0.08%，与2011年相比增长了83%，与2015年0.04%相比增长了102%。吕梁市2020年人均生态换环境用水水平为0.25%，与2011年的18%相比增长了41%，与2015年0.10%相比增长了158%。晋中市2020年人均生态环境用水水平为0.15%，与2011年0.10%相比增长了50%，与2015年0.05%相比增长了187%。
Figure 4. Five cities with small changes in per capita ecological and environmental water use during the 10-year period
图4. 10年间人均生态环境用水水平变化幅度较大的六市
阳泉市2015年人均生态环境用水水平处于10年间的最高点为0.18%，2020年的人均生态环境用水水平0.10%与最高点相比下降了45%，与2011年0.16%相比下降了38%。
由表7可知长治市、晋城市、忻州市、临汾市、运城市为变化幅度较小的五个市。其中，长治市、运城市2011~2018年变化较小，人均生态环境用水水平八年间的平均值为0.10%、0.03%，2019年出现最高点0.19%、0.09%而后略微下降，但仍高于前面八年。忻州市和临汾市10年间人均生态环境用水水平发展较为平缓，二者高点都出现在2019年分别是0.22%、0.10%但与最低点0.16%和0.06%相比，变化幅度较小。晋城市2011~2020年10年间人均生态环境用水水平变化幅度较小，其平均值为0.06%，于2020年出现最大值0.11%。
Table 7. Four municipalities with insignificant trends in ecological water use levels over 10 years
表7. 10年间人均生态环境用水水平变化幅度较小的五市
研究表明，2011~2020年十年间山西省人均生态环境用水水平总体上呈上升趋势，表明全省各市居民大都能从水资源投入生态环境维护中获得收益，但各市获取收益的多少存在空间上的不平衡情况。具体而言，各市人均生态环境用水水平的增长多在2015年之后，且部分地市的人均生态环境用水水平总体较低，仍有个别地市人均生态环境用水水平出现下降，说明山西省省内对生态环境保护相关知识宣传不够到位，群众环保意识有待加强，全省环境质量改善任重道远。
5. 结论
通过对2011~2020年山西省全省和各市生态用水变化情况和和生态用水水平分析可以得出以下几点结论及建议：
(1) 研究期内全省生态用水量变化呈现出增加态势，表明山西省在十二五和十三五规划实施过程中用于生态环境改善的水资源投入持续进行且不断增强，体现出政策因素对于生态用水投入增加和用水结构优化的积极影响。由于生态用水的来源中有很大比例的中水和跨流域补水(如引黄入晋工程)，与其他各类型用水的水源并不完全相同，因此，影响生态用水变化的因素还有待于进一步分析。
(2) 省内各市生态用水量变化情况存在明显差异：临汾市、朔州市、晋城市、忻州四市的生态用水量变化幅度较小，变化趋势不明显；大同市、长治市、太原市、吕梁市、晋中市、运城市六市的生态用水量增加趋势较为明显，变化幅度也大，最小值和最大值出现的时间与全省整体情况相同；阳泉市在研究期的生态用水变化呈下降趋势。
(3) 10年间山西省生态用水水平(4.80%)远高于同期全国生态用水平均水平(2.17%)，但低于省内与其他各类型用水，表明生态用水水平仍有提升空间，用水结构还需进一步优化。今后应加强水资源管理，避免在经济发展过程中生态用水受到其他用水部门的挤占，保持并平稳提升生态用水水平。
(4) 10年间山西省人均生态用水水平整体呈上升趋势。具体到各市，除阳泉市呈下降趋势外，研究期其余10市生态用水水平均呈上升趋势。这反映了全省各市居民大都从水资源投入生态环境维护中的取得收益，但各市间收益多少存在不平衡情况。对于个别生态用水水平较低的市需要深入研究其根本原因，加强宣传和关注，持续增强当地水资源合理优化配置，努力提升生态用水水平。
基金项目
2002年山西省大学生创新资助项目；2002年太原师范学院大学生创新资助项目。