基于水足跡理論的即墨市水資源可持續利用對策研究*

周玲玲，王 琳，余 靜，劉偉峰

（1.中國海洋大學 環境科學與工程學院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學 海洋環境學院，山東 青島 266100；3.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

2002 年，荷蘭屯特大學的Hoekstra教授類比“生態足跡”概念提出了“水足跡”概念，把它形象地解釋為“水在生產和消費過程中踏過的腳印”［1］。水足跡作為一種衡量“用水”的指標，把藍水（傳統的地表和地下水資源）、綠水（賦存于土壤非飽和含水層（包氣帶）中的土壤水）、灰水（人類的排污活動對水資源的間接消耗，即稀釋污染物所需水量）這3種不同顏色的水整合在一起，彌補了傳統水資源核算中只重視藍水的缺點；水足跡的創新之處還在于將人們的生產和消費與水資源消耗、污染聯系起來，讓人們意識到水資源的總體消耗和污染最終是與生產、消費產品的類型和數量密不可分的［2］。

水足跡作為水消費和水污染的體積衡量指標，為理解消費者和生產者與淡水系統之間的關系提供了更加合理和全面的視角。水足跡核算為人類各種活動對水資源的占用提供了明確的時空信息，為區域社會、經濟和環境影響評價奠定良好的基礎。隨著水足跡概念的不斷推廣，國內外將水足跡理論用于定量評價水資源可持續利用的研究日趨活躍。國外學者大多通過對國家、地區、流域或特定產品水足跡的計算來評價消費模式、產品貿易對全球及區域水資源安全的影響，提出可續性生產和消費，以達到水資源的可持續利用［3－6］；國內學者引入水足跡理論后對我國西北地區、各省份、大連、上海等地的水足跡進行了初步研究，水足跡在解決我國水資源短缺與糧食安全、生態環境等問題得到初步應用。王新華等［7］采用自下而上的水足跡核算方法，分析計算了2000年中國各省的人均水足跡。2007年，鄧曉軍等［8］采用自上而下的方法計算分析了四川省2004年的水足跡及其相關評價指標。黃晶等［9］運用水足跡理論，采用自上而下的方法計算評價了1990—2005年北京市水足跡及水資源利用的可持續性，在此基礎上進一步分析了北京市農業用水結構的變化特征。

水足跡的概念提出時間還比較短，在應用層面上的實踐還十分有限。研究也主要集中在水足跡核算，核算的范圍和時空尺度也因研究目的不同而有所差異。目前水足跡研究尺度多集中在全球、國家或省級層次，市級及以下尺度的水足跡研究較少。

1 研究區概況及水資源利用中存在的問題分析

即墨市位于山東半島西南部，偎青島之項背，素有“青島后院”之稱。截止2011年，即墨市實現生產總值690.1億元，比2010年增長16.8%，總量和增幅居青島5市首位。近幾年，城鎮規模擴大、人口增長、經濟的飛速發展，城市用水量劇增；隨著農村種植結構的調整、林果茶蔬菜種植面積的急劇加大，灌溉用水量也逐年增大。目前，即墨市水資源開發利用中主要存在以下問題：

（1）水資源供需矛盾突出。一是水資源總量少，多年平均水資源總量為3.491 1億m3，人均占有水資源量為308.4m3，屬資源缺水型城市。二是水資源區域分布不均，年際變化大。三是大沽河現已成為青島市的重要水源地，隨著青島市經濟社會的快速發展，城區用水量將越來越大，相反配置給即墨當地的水量將越來越少。

（2）局部水環境惡化，相對減少了水資源可利用量。即墨市水資源天然水質較好，但隨著近幾年工業的發展，城市規模的膨脹，大量工業廢水和生活污水亂排放，以及農藥化肥使用量的不斷增加，致使部分地表水、地下水水質惡化，水功能衰減。

（3）水資源管理體制有待于進一步提高。目前，管理體制最突出的問題主要表現在管理上條塊分割，管理上城鄉分割和依法管理上政出多門等問題，不利于水資源的統一管理和有效保護。

（4）非常規水源開發利用程度不高。即墨市地處沿海，海水利用有著得天獨厚的優勢，但因目前淡化成本較高，未得到有效開發。

由此可見，水資源短缺已成為制約即墨市社會經濟可持續發展的主要因素之一。因此，采用更加科學準確的方法核算目前即墨市水資源的消耗類型、消耗量及發展趨勢，為即墨市制定合理的水資源可持續利用對策提供一定科學依據和決策支持，具有十分重要的現實意義。

2 方法及數據來源

2.1 核算范圍

由于即墨市進出口貿易量數據的缺乏限制，研究中只計算即墨市域內生產、生活產生的總水資源利用量，不計算區內通過產品貿易產生的虛擬水凈流量。根據實際生產情況及資料的可獲得性，水足跡核算分農業生產水足跡、工業生產水足跡、生活水足跡和生態水足跡4個部分，其中農業生產水足跡又進一步分解成農作物、牲畜產品、漁業產品和林果業產品水足跡。

2.2 數據來源

氣象數據取自即墨市氣象站2008—2011年實測氣象資料，并采用2009年FAO最新開發的模型版本CROPWAT8.0軟件計算2008—2011年逐年逐月的日平均ET0值和有效降雨量Peff月均值；Chapagain和Hoekstra計算世界各國牲畜產品虛擬水含量研究中關于中國部分的數據成果［10］；農林產品種類、產量、農用化肥使用量、工業增加值等數據來自《即墨市統計年鑒》（2009—2012年），生活用水、生態環境用水量數據來自《即墨市水資源公報》（2009—2012年）。

2.3 水足跡核算方法

從生產者角度出發，采用自上而下法計算水足跡。地理區域內的水足跡等于該地區所有水的消耗和污染過程的水足跡總和。

2.3.1 農林產品水足跡 農林產品水足跡為其全生育期內藍水足跡WFblue、綠水足跡WFgreen和灰水足跡WFgray之和。

（1）作物生長藍水量和綠水量計算公式如下［2］：

式（1）和（2）中：CWRblue和CWRgreen分別為單位面積作物耗用的藍水量和綠水量；ETblue指藍水蒸散發量；ETgreen為綠水蒸散發量；常量因子10是將水的深度轉化為單位陸地面積的水量轉換系數；總和求得是從種植日期第一天到收獲日期的累計量（lgp表示生長期的長度，以日計量）。

式（3）和（4）中：ETc為作物潛在的蒸散發量；Peff為有效降雨量。

式（5）中：Kc為作物系數，由作物特性和土壤的平均蒸發效應決定；ET0為參考作物蒸散發，指水分充足情況下的假定的草本作物的蒸散發。

（2）作物生長過程的灰水量。作物生長過程中投放的化肥、農藥等化學物質通過淋溶、滲濾會進入到地表和地下水體，對水體產生一定程度的污染。可通過以下簡單模型估算作物生長過程所需的灰水量，模型的計算式為［2］：

式（6）中：AR為每公頃土地的化肥施用量（kg/hm2）；α為淋溶率（即進入水體的污染物量占總化學物質施用量的比例）；cmax為最大容許濃度（kg/m3）；cnat為污染物的自然本地濃度（kg/m3）。

（3）將農林產品的藍水量、綠水量和灰水量與各自種植面積相乘積后求和即可得到農業生產總水足跡（即生產總消耗水量）。

2.3.2 牲畜和漁業產品水足跡 計算公式如下：

式（7）中：WFA動物產品A的生產水足跡；VA為動物產品A單位質量的虛擬水含量（m3/t）；YA動物產品A的產量（t）。

2.3.3 工業水足跡 工業水足跡采用工業增加值與萬元工業增加值用水量的乘積來估算。

2.4 預測方法——GM（1，1）模型

目前，預測方法主要包括趨勢外推預測法、回歸預測法、時間序列預測法、灰色模型預測法、神經網絡預測法［11］。灰色模型預測是以灰色模型為基礎的，在諸多的灰色模型中，以GM（1，1）模型最為常用。GM（1，1）模型作為一種典型的趨勢分析模型，因其“小樣本”和“貧信息”的研究特質及簡單實用的優點，特別適用于那些因素眾多、結構復雜、涉及面廣而層次較高、綜合性較強的社會經濟系統指標的趨勢預測，是應用最早也是迄今為止應用最為廣泛的灰色模型［12］。

2.4.1 建模機理 GM（1，1）建模機理為：設時間t序列（t＝1，2，3，…，N）x（0）為原始序列［13］：

對原始數據進行一次累加x（1）＝AGOx（O），AGO為累加符號，通過累加生成新序列：

對建立微分方程：

式（8）中：a為發展系數；反映x（0）（及x（1））的發展態勢；b為系統內生控制灰數，具有灰的信息覆蓋的作用量；a，b是待確定的未知參數。

系統向量（灰參數）c＝［a，b］T，用最小二乘法求解灰參數，得：

式（9）中，累計矩陣B為：

常數向量YN為：

最終得到預測模型為：

（1）當－a≤0.3時，GM（1，1）模型的1步預測精度在98%以上，2步和5步預測精度都在97%以上，可用于中長期預測；

（2）當0.3＜－a≤0.5時，GM（1，1）模型的1和2步預測精度在90%以上，10步預測精度都在80%以上，可用于短期預測，中長期預測慎用；

（3）當0.5＜－a≤0.8時，GM（1，1）模型用作短期預測應十分慎重；

（4）當0.8≤－a≤1時，GM（1，1）模型的1步預測精度低于70%，應采用殘差修正模型。

（5）當α＞1時，不宜采用GM（1，1）模型。

2.4.3 模型的精度檢驗 GM（1，1）模型須通過均方差比C值和小誤差概率P值來判斷模型的預測精度，預測精度分級標準見表1。均方差比C值的計算公式為：

式（11）中：數據方差＝1/N·，殘差方差

其中：x（t）為樣本值；為樣本均值；e（t）為誤差值；e為誤差均值。

小誤差概率P值的計算公式為：

表1 預測精度等級標準［14］Table 1 Prediction accuracy rating standard

3 結論及建議

3.1 計算結果及分析

3.1.1 即墨市水足跡核算結果 2008—2011年即墨市生產、生活所產生的水足跡總量大小及年際變化情況見圖1。由圖1可見，研究期內即墨市水足跡呈上升趨勢，從2008年的17.184 7億m3上升至2011年的20.333 9億 m3，增幅18.3%，年均增幅4.6%。

圖1 即墨市2008—2011年水足跡大小及變化情況Fig.1 The quantity and variation of water footprint in Jimo in 2008—2011

表2 2008—2011年即墨市各行業水足跡比例Table 2 The composition proportion of different industry of water footprint in Jimo from 2008—2011 /%

（1）各行業耗水情況。表2為各行業水足跡占總水足跡的比例。由表2可見：①農業是即墨市的用水大戶，占總水足跡的95.3%～95.9%，所占比例呈逐年下降趨勢；②工業生產水足跡占總水足跡的2.0%～2.4%，所占比例總體呈上升趨勢；③生活用水和生態用水總體上呈增長趨勢，生活用水占總水足跡的1.7%～2.3%，生態用水所占比例最小，僅為0.1%～0.2%。

（2）不同類型水足跡消耗情況。水足跡組成中，藍水量所占比例最大，占總水足跡的60%以上，綠水量占14.7%～21.0%，灰水足跡所占比例最小，為8.8%～21.0%。其中，藍水足跡和綠水足跡變化呈波動起伏，灰水足跡呈逐年下降趨勢，詳見圖2。

圖2 藍水、綠水和灰水組成比例及變化情況Fig.2 The composition and variation of blue water，green water and gray water

（3）各類農產品水足跡消耗情況。依據Liu的農業產品虛擬水含量指標劃分標準［15］，根據即墨市各類農產品的虛擬水含量計算結果，將農業產品的耗水級別進行分類，列于表3。由表3可見，牲畜產品中的豬肉、羊肉、禽肉、禽蛋和水產品都被劃分到了高度耗水的一類；農作物產品中，耗水高的有棉花和茶葉，而耗水少的是薯類、西瓜和水果。由此可見，不同農產品的虛擬水含量是存在相當大差異的。

表3 即墨市農業產品虛擬水含量指標劃分Table 3 The classification of virtual water content of agricultural products in Jimo

農業生產中，各類產品生產水足跡占農業生產藍綠水總量的比例見圖3。由圖3可見，牲畜產品耗水比例最大，占農業生產的50%以上，最高達54.4%。糧食作物次之，比例范圍為25.2%～30.5%。牲畜產品和糧食作物兩者耗水量占了農業生產藍綠水量的80%以上。林果業產品耗水量最小。

圖3 各類農產品水足跡組成比例及變化情況Fig.3 The composition and variation of agricultural products water footprint

3.1.2 水足跡動態趨勢預測結果 按照GM（1，1）模型的求解步驟，編寫MATLAB灰色預測程序（限于篇幅，程序語言省略）。最終建立GM（1，1）預測模型為：

GM（1，1）模型中：a為－0.048；C值為0.25；P值為1；模型的預測精度為1級，適合做中長期預測。GM（1，1）模型模擬值及擬合相對誤差值見表4。預測相對誤差范圍為－2.44%～1.10%，平均相對誤差絕對值為1.21%，模型擬合效果好。

表4 GM（1，1）模型模擬結果Table 4 The simulation results of GM（1，1）model

假設即墨市水足跡發展速度保持2008—2011年水平，即處于“慣性發展”情景下，采用GM（1，1）模型預測得到未來5年的水足跡大小，結果列于表5。根據預測可見，到2016年即墨市水足跡大小為25.559 8億m3，較2011年增加了5.225 9億 m3，增幅為25.7%，年均增長幅度為5.1%，略高于2008—2011年的年均增幅（4.6%）。

表5 2012—2016年水足跡預測結果 /106 m3Table 5 Predicting results of water footprint in 2012—2016

3.2 對策建議

要實現水資源的可持續利用，必須做到開源與節流并舉，盡快改變現存的不合理、粗放型、高耗型的水資源利用方式，走節水型的經濟和社會發展道路。目前，即墨市水資源的有效利用率和節水水平相對較低，水資源浪費現象還比較嚴重。節水應成為即墨市水資源管理的首要任務，節水是水資源合理利用的核心。

（1）調整農業產業結構，發展節水農業。必須以節約實體水為核心，調整農業產業結構，壓縮高耗低效的傳統農業，發展低耗高效的現代農業。根據4.1.1節表3的結果可知，棉花、茶葉、豬肉、羊肉、禽肉、禽蛋、水產品都屬于高耗水產品，冬小麥、夏玉米、豆類、谷子、高粱、奶類、花生屬于中度耗水產品，薯類、西瓜和水果屬于低度耗水產品。因此，應結合區域農業發展的特點和需求，按照因地制宜、適水種植的原則，制定合理的農業結構，調整作物布局，降低高耗水牲畜產品的產量和生產比例，使水資源優化利用。

（2）充分利用雨水資源，發展“雨養農業”。綠水足跡約占即墨市農業生產水足跡的1/5。缺水地區要選育和推廣耐旱、低耗水品種，并改進種植技術，使農作物生長期與天然降水規律較好吻合，充分利用雨水資源。應合理規劃，修建天然集水池、水窖等蓄水設施，同時擴大城市綠化面積，通過工程措施增加雨洪利用。

（3）改進灌溉技術和制度，提高用水效率。應盡快改變傳統的地面灌溉技術，適時適地發展滴灌、噴灌、滲灌、微灌等先進灌溉技術，提高水利用率，減少無謂的水資源消耗。同時，應加強灌溉工程建設，提高輸配水效率。

（4）調整工業布局，發展低耗水工業，限制高耗水工業。全面規劃工業布局，規劃時不僅要原材料、燃料等資源的分布，而且需要同時考慮水資源的分布狀況，要將高耗水型企業逐步向沿海地區轉移，以利用海水替代淡水。必須以水資源為導向，嚴格以水定產、以水定點、以水定規模，盡可能壓縮鋼鐵、紡織、機械、化工等高耗水型產業，重點發展耗水小的高新技術產業。

（5）改進工藝更新設備，提高工業水重復利用率。對于那些工藝落后、設備陳舊、節水觀念淡薄以致工業用水存在著嚴重的浪費的企業，必須加大技術改造的力度，改進工藝，更新設備，推行節水型的新技術和新設備。同時，通過對生產廢水的技術處理，實現對生產用水的多次利用和循環利用，不斷提高水的復用率。

（6）采取有效措施控制生活用水量 隨著人口的增長，生活用水量逐年提高，為了有效控制生活用水量，可采取以下措施：改變不良生活用水方式，減少水資源浪費；對居民家庭嚴格按照水表計量收費，對居民用戶用水要逐步推行定額管理辦法，對單位用水和公共用水也要實行定額管理辦法，節約有獎，浪費受罰；研制和推廣節水型用水器具和家庭污水凈化設備，提高用水效率；采用適宜的水凈化處理、回收利用方法，將其用于生活用水中水質要求不高的市政用水，如澆灑路面、沖洗廁所、澆灌樹木等。

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