基于水足跡理論的河南省水資源利用評價

祝 穩，趙銳鋒，謝作輪

（西北師范大學 地理與環境科學學院，蘭州730070）

隨著經濟和社會發展，水資源日益緊缺，水資源安全及其引發的糧食安全問題開始備受關注。河南省是我國的糧食主產區之一，1978—2009年，其糧食總產量從2 097.4萬t增加到5 389.0萬t，年均增長3.18%，占全國糧食產量的10%［1］，同時河南也是我國嚴重缺水的地區之一，人均水資源量約為352m3，僅為全國人均水資源占有量的16%［1］，因此如何有效配置和利用水資源已成為河南省可持續發展十分迫切的問題。水資源問題大多數都是人類通過消費水資源及其提供的產品和服務對水資源系統產生影響，而水足跡從消費角度衡量人類對水資源的需求和占有狀況，建立水資源利用與人類消費模式的聯系，為測定人類活動對水資源系統影響和解決水資源安全以及由其引起的糧食安全問題提供了新思路［2－3］。

1993年，在SOAS的一次討論會上Allan［4］首次提出了虛擬水概念，在虛擬水研究基礎上，Hoekstra等［5］于2002年提出了水足跡的概念。我國學者龍愛華等［6］首次引進水足跡概念，估算了我國西北4省區的水足跡。二十年來，國內外虛擬水研究主要集中在地區水資源利用狀況評價［7－10］，國家或地區尺度的水足跡計算［11－12］、水足跡的驅動力、基于水足跡的流域生態補償［13－14］、水足跡的變化與人均國內生產總值、消費模式的關系［15］、水污染足跡問題［16］等方面?？v觀我國虛擬水研究，主要在兩個方面存在不足，一是研究尺度上，國家尺度研究成果多，區域尺度成果少，且局限于經濟比較發達和水資源稀缺省份；二是研究內容上，主要限于部分農產品的虛擬水量化及低層次戰略運用方面，研究深度不夠，迫切需要拓寬研究領域和深化研究內容。這兩方面不足在河南省均有體現，目前關于河南省水足跡的研究成果相對較少，且主要限于部分農產品的虛擬水量化研究，致使相關決策者從水足跡角度對河南省水資源利用狀況認識不夠。因此本文針對河南省嚴重缺水的客觀事實，對河南省各行政區水足跡的時空分布特征進行評價，有利于虛擬水戰略背景下河南省水資源的合理配置、產業結構的優化調整、經濟發展方向的正確定位等。

1 試驗材料與方法

基于虛擬水和水足跡基本理論及計算方法，首先在單位虛擬水含量計算基礎上對河南省主要農畜產品生產用水量進行計算與分析；接下來計算與分析河南省總體與農畜產品虛擬水貿易量；在此基礎上計算2000—2009年河南省水足跡及其相關指數，借此對河南省水資源利用時空差異進行分析與評價。

1.1 水足跡及其相關指數計算方法

1.1.1 水足跡計算方法 根據水足跡的定義，一個區域的水足跡等于該區域內用水量和虛擬水凈進口量（虛擬水進口量扣除虛擬水出口量）之和，即水足跡由內部水足跡與外部水足跡兩部分組成。

式中：WFP——一個國家或地區的水足跡；IWFP——內部水足跡，定義為生產該國家或地區本地居民所消費的所有產品和服務的水資源需求總量，即該國家或地區的農業生產需水量AWU（不包括農業灌溉中損失的水量）、該國家或地區的工業生產需水量IWW、本地居民生活用水量DWW和本地生態環境用水量EWW之和減去本地出口虛擬水量VWEdom；EWFP——外部水足跡，定義為本地消費的進口虛擬水總量，即該國家或地區從其它國家或地區進口的虛擬水總量VWI減去向其他國家或區域輸出的進口產品再出口的虛擬水總量VWEreexport［7］。 根 據 數 據 獲得的難易程度，單位產品的虛擬水含量是水足跡計算的核心。

1.1.2 水足跡相關指標的計算 參考戚瑞等［8］的研究成果，本文選擇水資源進口依賴度、水資源自給率、萬噸水足跡人口密度、水足跡經濟效益、水足跡土地密度、水足跡凈貿易量、水資源貢獻率、水資源匱乏指數、水資源壓力指數9個指標，表征河南省水足跡結構、效益、生態安全狀況。

1.2 數據來源

農畜產品生產用水量等于單位產品虛擬水含量乘以產品總產量。限于實際情況，本文單位農畜產品虛擬水含量采用2004年Chapagain和Hoekstra等［17］有關中國部分研究成果及雷玉桃等［18］對河南省虛擬水研究成果。農畜產品產量數據來源于河南省統計年鑒（2001—2010）［19］。

限于實際統計數據缺乏，本文采用間接方法估算河南省總體和農畜產品虛擬水貿易量，不區分工業產品和農業產品［7］，即虛擬水貿易量為進出口貿易值與生產總值的比值乘以總生產耗水量。進出口貿易額和生產總值的數據均來源于河南省統計年鑒（2001—2010）［19］。用水數據來自2001—2010年的河南省水資源公報［20］。農畜產品虛擬水進出口量采用以下方法進行估算：首先根據城鄉居民年均消費食物量，計算消費的虛擬水量，再根據具體年份生產的農產品計算生產的虛擬水量，二者之差就是虛擬水貿易量［2］。該部分數據來源于《河南省統計年鑒（2009）》。

1.3 研究方法

運用M－K突變檢驗法對水足跡及其相關指數2000—2009年的序列數據進行分析，以找到這些序列數據的變化趨勢及具體突變年份。借助SPSS軟件，對2009年河南省18個地市具有代表性的4個水足跡指數（IWD，WFEB，WFNTV，WS）的72個樣本點數據進行系統聚類分析，數據處理方法為標準差標準化，采用歐氏距離平方測度樣本間距離，最遠鄰元素法計算類間的距離對樣本進行歸類。得到聚類結果，進而運用GIS軟件得到水足跡空間聚類圖。

2 結果與分析

2.1 主要農畜產品生產用水量

從圖1可以看出，2000—2009年河南省主要農畜產品的生產用水結構發生了明顯變化。牛奶、水產品、水果生產用水比例呈增加趨勢；糧食、油料、蔬菜、禽肉、禽蛋生產用水比例無顯著變化；棉花、豬肉、牛肉、羊肉生產用水比例呈減少趨勢。以上突出顯示，隨著生活水平的提高，飲食結構也發生變化，居民對營養飲食格外重視，對牛奶、水產品、水果等營養價值高的產品需求明顯上升；對糧食、油料、蔬菜、禽肉、禽蛋等生活必需產品的需求無顯著變化；對單位產品生產用水量大的豬、牛、羊肉等的需求明顯下降。河南省一些地市在某種產品生產方面已經形成特色產業，生產用水有一定的集中性（見表1）。例如，駐馬店、周口、許昌、漯河豬肉生產用水量占其主要農畜產品生產用水量的比例分別為47.56%，42.17%，53.58%，61.51%，豬肉生產已成為其特色產業和耗水大戶。此外，牛肉、油料生產成為南陽的特色產業和耗水大戶，水產品生產成為信陽的特色產業。

圖1 農畜產品生產用水量2000－2009年變化情況

表1 2009年河南省主要農畜產品生產用水量 億m3

由圖2a可見，居民購買商品所消耗的水資源遠大于日常生活和改善生態環境所消耗的實體水量，河南各地市農畜產品生產用水量占用水總量的比例為81.65%～98.46%，因此區域間虛擬水總量是除生活、農業、工業用水之和之外評價地區水資源消費的重要指標［16］。河南各地市主要作物小麥、玉米、棉花生產用水量之和占用水總量的比例為11.58%～40.24%，18個地市小麥、玉米、棉花生產用水量之和占用水總量的比例平均值為26.25%，表明傳統作物小麥、玉米、棉花生產占作物種植比例較高（圖2b）。根據單位產品虛擬水含量，將上述作物劃分為低度、中度和高度耗水作物［18］，由圖2c可知，開封、南陽、三門峽、商丘、周口等行政區中，高耗水作物種植比例較高，這些地區應該調整種植結構，增加低耗水作物種植比例。

圖2 河南省2009年各用水類型占總用水量比例

2.2 虛擬水貿易量

2000—2009年，河南省虛擬水貿易量呈顯著增加趨勢（見圖3）。由表2列出的2009年代表地區（年度人均生產總值最高的鄭州和年度人均生產總值最低的周口）主要農畜產品虛擬水貿易量計算結果可知，農畜產品虛擬水貿易量多呈負值，虛擬水進口大于出口，作為農業大省的河南省卻是農產品出口小省，這種強烈反差值得反思。兩市虛擬水貿易量絕對值占生產用水量的比例在產品種類上差異很大，兩市之間同種產品的比例也有差異。虛擬水消費與區域經濟發展水平、飲食結構息息相關，對于水密集型產品（如禽肉、豬牛羊肉、牛奶、水產品）的消費，鄭州在牛奶和水產品等營養價值較高的新興產品的消費上遠高于周口；而在禽肉、豬牛羊肉等傳統產品的消費上鄭州卻遠低于周口。由此可知，經濟發達的鄭州在飲食結構上有別于經濟落后的周口，居民更注重營養飲食。

圖3 2000－2009年河南省虛擬水貿易量變化

2.3 水足跡及其相關指數時空差異分析

2.3.1 水足跡及其相關指數時間序列分析 由表3可得出2000—2009年水足跡指數平均值：水自給率為97.99%，進口依賴度僅為2.02%；水資源匱乏指數為305.00%，水資源壓力指數為309.00%；萬噸水足跡人口密度為8.41人／萬t，水足跡經濟效益為8.80元／m3，水足跡土地密度為70.08萬 m3／km2；水資源凈貿易量輸出量為17.70億 m3，貢獻率為4.44%。計算結果表明：河南省對本地水資源依賴度較高，水資源超采現象嚴重，水足跡內部效益較大，呈現較高的外向型。由表3也可得出2000—2009年及其水足跡指數變化趨勢：WFP呈增長趨勢，人口數量增加、城市化和經濟水平的提高為主要驅動因素；水資源匱乏指數和壓力指數變化劇烈，表明河南省作為農業大省，經濟發展與對外貿易多受氣候因素年際變化制約；單位土地消耗的水資源量穩步增長和單位水足跡能支撐的人口數量呈微幅減少的同時，單位水足跡經濟價值呈穩步增長趨勢，表明水資源消耗總量增加的同時水資源利用效率也在提高；水自給率一直處于高水平，水足跡凈貿易輸出量和貢獻率呈增長趨勢，但增長過程不明顯且多有起伏，表明河南省水資源外部化變化不明顯且不穩定。

由圖4可知，2000—2009年河南省水足跡（圖4a）和內部水足跡（圖4b）均呈增加趨勢，且均在2006年左右發生突變，可見水足跡的變化大部分取決于內部水足跡的變化。與此相對應的是單位水足跡可支撐人口數的減少（圖4f）和單位土地水足跡消耗量的增加（圖4h）。外部水足跡也呈增加趨勢（圖4c），且在2004年左右發生突變，突變點早于內部水足跡。與外部水足跡變化相對應的是水資源匱乏指數（圖4k）及壓力指數（圖4l）在2003年左右開始逐漸增加；水資源自給率（圖4e）在2003年左右發生突變，開始逐漸減小，水資源進口依賴度（圖4d）及水資源凈貿易量（圖4i）也在2003年發生突變，開始急劇增大。

2.3.2 水足跡系統聚類及空間差異分析 從圖5和圖6可以看出，駐馬店和周口水足跡最高，都超過200億m3，源于其糧食和肉類生產較發達，同時，其WFEB聚類結果屬于第4類，表明這兩地水資源利用效率很低。全省IWD都小于4%，說明河南省的產品虛擬水消費高度依賴本地水資源，對外貿易不發達，安陽IWD聚類結果屬于第1類與其WFNTV聚類結果屬于第4類結論相吻合。

WS很大，例如，漯河、許昌的WS超過了1 000%，屬于聚類結果第1類，IWD卻很低，屬于聚類結果第3類，表明省內存在嚴重的水資源超采現象。

表2 河南省2009年主要農畜產品虛擬水貿易量

表3 河南省2000－2009年水足跡及其相關指數計算結果

內部效益方面，鄭州、三門峽和洛陽的WFEB為聚類結果第1類和第2類，單位水足跡產值較大，而這3地的經濟發展水平在河南省也名列前茅，表明WFEB與區域經濟發展水平一定程度上呈正相關；鄭州的WFEB是駐馬店的14.6倍，表明省內水資源的利用效率地區差別很大；河南省18個地市中有10個WFEB聚類結果屬于第4類，表明河南省大部分地區水資源利用效率處于低水平。

外部效益方面，WFNTV若為正，則地區在虛擬水貿易中為水資源輸出地；反之，為輸入地。河南省18個地市，有6個是水資源輸入地，水資源輸入量濟源最大，表明濟源經濟發展有很強的外部依賴性；其余是輸出地，許昌水資源輸出量最大，WFEB聚類結果屬于第4類，這一定程度上造成其WS聚類結果為第1類。

圖4 2000－2009年河南省虛擬水貿易量突變檢驗

圖5 河南省2009年水足跡

3 結 論

水足跡從人類產品消費量和消費模式角度衡量區域水資源利用效率，本文選取水足跡結構、效益和生態安全三方面指標，采用定性定量相結合的方式對河南省水資源利用做了系統評價。通過對河南省水足跡及其相關指數進行計算與分析，得到以下結論：

（1）2000—2009年，河南省水足跡、內部水足跡及外部水足跡均呈增加趨勢，其中水足跡及內部水足跡在2006年左右開始突變，外部水足跡在2004年左右開始突變。河南省水資源消耗總量增加了35.64%，單位土地水資源消耗量增加了36.64%，萬噸水足跡能支撐的人口數量減少了23.13%，水資源利用效率提高了213.33%，反映出河南省水資源消耗總量、單位土地水資源消耗量增加和單位水足跡支撐的人口數量減少的同時，水資源的利用效率也在逐步提高。水資源自給率平均值為97.99%，水資源匱乏指數305.00%，表明水足跡土地密度和水足跡的增長超出了省內的水資源負荷，超采水資源現象突出。

（2）河南省各地市水資源利用的空間差異明顯，其中，駐馬店和周口水資源消耗總量最大，水資源利用效率卻很低；駐馬店、商丘的水資源依賴度最小，產品虛擬水消費高度依賴本地水資源；鄭州、三門峽和洛陽的水足跡經濟效益最大，水資源利用效率較高；許昌水足跡凈貿易輸出量最大，水足跡外部化較高；漯河、許昌水資源匱乏指數最大同時水資源依賴度卻較低，水資源超采嚴重。

圖6 河南省2009年水足跡代表指數空間聚類

限于氣象數據的不足，本文單位農畜產品虛擬水含量采用2004年Chapagain和Hoekstra等［17］有關中國部分研究成果及雷玉桃［18］等對河南省虛擬水研究成果，并非自己利用彭曼公式計算所得，所以研究結果會在時間和空間上存在一定的誤差。這是本文存在的局限性，本人將在今后的研究中解決這些問題。

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