農業水足跡與水資源配置模型

魏宇航 唐德善

摘要：現代社會自然水循環和社會水循環密不可分，人造水利工程影響著自然水循環，也間接影響產品水足跡。針對以往水足跡研究重評價、輕計劃的問題，提出將農業水足跡納入水資源配置模型框架的基本方法，以流域產品加工及水利工程的總水足跡最小作為控制目標，以流域經濟社會發展要求作為約束條件，從而能在規劃階段就讓水足跡方法發揮作用。針對水利工程建設運行中的水消耗，提出水利工程水足跡的概念和計算方法，并將其納入水資源配置模型，從而實現流域水利工程布局和作物種植方案的優化。

關鍵詞：水足跡；水利工程；水資源配置；優化模型

中圖分類號： TV212 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0375-03

收稿日期：2015-03-18

基金項目：國家留學基金委項目（編號：201506710065）；中央高校基本科研業務費項目（編號：2015B33714）。

作者簡介：魏宇航（1990—），男，山東臨沂人，博士研究生，主要從事水資源規劃與利用研究。E-mail：hhuweiyuhang@163.com。

通信作者： 唐德善，教授，研究方向為水資源規劃與利用、技術經濟等。 E-mail： tds808@163.com水資源是維系社會經濟健康穩定協調發展的關鍵性資源。當今社會，伴隨著全球氣候變化、經濟高速發展、人口增加以及城市化進程，水問題日漸突出，水資源短缺日益尖銳，水環境惡化日趨普遍。如何合理配置、高效利用、充分保護水資源，已經成為全球性熱點問題。從20世紀40年代美國學者Masse提出的水庫優化調度問題開始，從單一水庫到多水庫，從單純的蓄水發電目標到經濟社會生態多目標，從注重水量到水質水量聯合調配，人類逐漸探索充分發揮水資源經濟、社會、生態效益的調度、配置方法。水資源優化配置，是協調不同地區、產業之間水資源利用的工作，常以經濟、社會、生態中的某1個或多個指標作為目標函數，以水量等作為約束條件，通過最優化方法，獲得效益最大的水資源分配方案。水資源優化配置的結果是制定水管理政策的基礎。

另一種考慮水資源利用效率的方式則是虛擬水，或者說水足跡的方式。從20世紀90年代Allan提出虛擬水[1]，到2002年Hoekstra等提出水足跡[2]，到中國提出的直接用水系數和完全用水系數[3]，這些方法都通過簡單或復雜的供應鏈分析方法，是度量產品生產過程中水的消耗和利用的指標。水足跡指示產品生產全過程中水的消耗[4]，水足跡概念的提出使得水資源的消耗利用和某一具體產品之間建立了明確的定量關聯。例如，生產1 kg玉米時玉米植株蒸散發消耗的水，生產畜產品時牲畜的直接飲水、牧草生長所需要的水。水足跡考慮整個產品生產過程的耗水；面對產品生產的地區、國際性分工，水足跡等理論也注重考慮產品生產的區內、區外用水，通過這一劃分，實質在研究國家間、區域間水資源利用效率的水量水質調配[5]。

通過農業科學研究以及氣象、作物需水模擬軟件，如CropWat、AquaCrop軟件，已經能較為精確地分析某一地區某種作物生長全過程的蒸散發[6]，估算出其水資源消耗，利用當年作物產量信息估計出單位質量作物生產所需要的水資源-水足跡。通過分析歷史氣象資料和作物產量以及對比不同區域作物水足跡，能夠進一步分析作物水足跡的時空變異[7]，進一步反思過去采取的水資源管理策略，認識到不同地區生產同種作物時用水效率的差別，從而可能通過糧食貿易方法，促進區域間水資源利用更高效[8-10]。

但從某種程度上講，以往的分析仍然是較為靜態、孤立的。水足跡進行的產品供應鏈追溯，通常有一個終點。換言之，水足跡分析有一個常見的假定，即水會出現在需要耗水的地方，這類分析只關注了田間過程。在雨養農業區，這種分析可能是相對充分和全面的；但是當今世界水循環的另一大突出特點，就是自然水循環和人工水循環的交互作用[11]，在自然界的海陸水循環、陸地水循環、海洋水循環的基礎上，人類修建了各種蓄水、引水、提水工程，以及輸水渠道、農業灌渠、城市供排水管網，利用這些工程來滿足人類生產生活需要，筆者在之前的研究中證明這些工程對于天然水循環模式及作物水足跡產生了顯著影響[12]。正是由于這種影響，在利用水足跡進行水資源配置時將面臨一個困難，即是將作物水足跡最小和最大的地區視為熱點地區，認為水足跡大的地區應該減少某種作物的生產，而水足跡較小的地區應該增加某種作物的生產，前提是不考慮土地、勞動力、經濟社會發展水平。然而，從水足跡較大的地區往水足跡較小的地區調水時，這種策略是否仍然合理？

綜上，筆者認為當前水足跡理論還面臨2大問題：一是不同區域同種作物的水足跡有差別，但是某區域各作物水足跡加和不具備明確物理意義，因為不具備水足跡最大或最小的約束條件；二是水足跡分析框架和傳統的水資源配置理論相對獨立，相容性較差，雖然各自能夠給出提高水資源利用效率的手段，但作為不同視角的分析手段，目前水足跡不能很好地融入水資源配置模型中，而后者是制定水資源管理政策的基礎。本研究探討了水利工程水足跡的概念和計算方法，建立基于水足跡的水資源配置模型，將某流域或區域生產同樣產品的水足跡最小作為目標函數，以經濟社會發展要求和工程實際情況作為約束，以期為水資源配置和水資源管理提供更有效的支撐。

3結論與討論

3.1討論

以往很多研究將水足跡作為評價指標來衡量不同區域生產同一產品的用水效率，這種比較既有不同區域間的，也有同一區域不同年份的。這種比較的目的是識別水足跡最大和最小的熱點區域，通常來說，生產同一產品，水足跡較大的地方用水效率低，應該減少生產；水足跡較小的地方用水效率較高，應該增加生產。但是，這種對水資源利用效率后評價式的應用尚不能在區域水資源配置階段發揮充分作用，因此目前水足跡是作為一種評價用水效率的工具，而不是水資源配置階段制定分配策略的前提。本研究目的是將水足跡納入水資源配置的理論框架和模型中。由于水足跡反映了生產某一產品各環節所消耗水的總和，因此某一區域各產品及供水工程的水足跡總和反映了該區域維持社會生產從水的自然循環中提取的總得水量，該總水量應該是越小越優型。與傳統配置水資源的用水量指標相比，將水足跡作為控制指標更可能從全局角度進行生產方案和水資源配置的優化。

在進行某一區域的水足跡控制時，依據本研究方法計算的水通量可能偏大。原因是當選定某一區域進行某種產品生產時，該產品的水足跡沒有扣除該區域自身存在的水足跡（本底蒸發），事實上某一區域在沒有從事加工與生產的自然狀況下也會存在自然水循環，產生水足跡，這部分水足跡應該扣除。本研究沒有扣除本底蒸發，但由于水足跡控制目標是最小化函數，因此本底蒸發作為一個常量，并不會影響水足跡控制結果。

此外，由于本研究應用了水足跡的加和，本研究所用水足跡的單位并不是常用的，而是其反映生產某一產品的水通量。

3.2結論

目前水足跡是作為水資源利用效率的評價指標，而不是水資源配置的技術工具。為了將水足跡控制納入水資源配置模型，本研究分析了區域水足跡的主要成分，即區域生產水足跡和區域水利工程的水足跡。其中，區域水利工程的水足跡由建設期水足跡和運行期水足跡構成。本研究選定區域水足跡最小作為水資源配置的目標條件，在社會生產、水庫庫容上限和下限、輸水能力、河道生態需水等約束條件下進行優化求解。

該優化模型能反映區域內人類生產活動對自然水循環的擾動程度，在進行區域水利工程的布置和方案選擇時能為各方案節水目標提供有效參考。傳統水資源配置模型以水量作為約束，經濟社會生態效益最大為目標條件；而本模型以社會生產等為條件，以水足跡最小作為目標條件，更充分地強調了水資源價值，為水資源配置提供了新途徑和思路。

由于水利工程規模龐大，對水足跡進行精確計算也十分困難。本研究提供的方法只是初步嘗試，但是工程水足跡的概念對于在水足跡框架下進行工程方案比選是基礎，因此其計算是非常重要的。此外，對于本底蒸發問題，也是今后進一步完善水足跡模型時須要考慮的。

將水足跡最小作為工程方案優選的控制目標，理論上能夠充分節水。但是社會生產安排仍然要考慮土地、勞動力、資金等其他生產要素，因此配置結果仍要與以往的水資源配置模型相互參照，才能更好地在社會經濟、生態環境與水資源之間構建良好、可持續的關系。

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