基于水足跡的區域水資源定量測度與特性分析

張先起，李 浩，梁士奎，王立康

(華北水利水電大學 水利學院，鄭州 450046)

0 引 言

水資源是人類賴以生存和發展不可或缺的母體資源，也是構成整個地球生態系統演變的重要部分[1]。在水資源問題嚴重、社會發展和水資源需求矛盾突出、區域水資源開發利用結構不合理等問題日漸加劇的情況下，強化水資源統一管理、科學管理，實現水資源定量測度，促進水資源可持續利用就顯得尤為重要[2,3]。關于研究水資源定量測度方面，國內外學者進行了大量的研究工作，取得了豐富的成果。水足跡理論提出于2002年，是指在日常生活中總消費產品及服務過程所耗費的不可見的水資源[4]。Al-Furaiji等[5]利用產品產量和水資源的關系，確定了區域灌溉、工業和畜禽的年用水量并建立了用水平衡；Zoumides等[6]研究了水資源的供應使用與農作物的兩個指標，即水資源利用效益和某段時間內區域藍水稀缺度的耦合度，進行了水足跡相關性的調查；Mekonnen和Hoekdtra[7]通過5×5的高分辨率網格提高了研究精度，利用以天為步長的動態水平衡模型，計算農作物中水足跡隨時間推移的變化情況。周玲玲等[8]采用DPSIP模型、變異系數法和熵值法構建了水資源可持續利用評價體系，確定了指標體系的權重；劉梅等[9]利用水足跡計算方法結合虛擬水貿易平衡的角度，探討了區域水足跡的時空差異性。研究者針對水資源定量測度的探索取得了一系列具有重要價值的研究成果，也為下一步研究打下了堅實基礎。可持續發展定量測度的核心是確定人類是否生存于生態系統的承載力范圍之內[10]。水資源開發利用的測定復雜多變，不僅受地域結構、區域環境、氣候等特性影響，還受到生態系統演變、人類活動、社會產業結構等多因素制約[11,12]。本文以鄭州市水資源定量測度為例，基于水足跡理論與方法，通過細分水資源消耗各個用水戶的關系，建立實體水資源消費、產品水資源消費、生態水資源需求等用水賬戶，定量地計算了區域水資源利用的狀態與程度，并對其動態演變特征進行了分析。

1 研究方法

1.1 水足跡及計算方法

水足跡是指在一定技術條件下，一個國家、一個區域或全球生產其人口消費的所有資源所需的水資源量。所有資源包括食物、日用品、人類直接消耗的水資源，同時也涵蓋維持該區域生態系統健康所必須的水資源。水足跡能更加真實反映區域經濟發展過程中消耗的水資源量，其計算公式為：

WFR=WFRc+WRFp+WRFer=NWRFpc

(1)

式中：WFR為總水足跡，m3/a；WFRc為實體水資源消費足跡，m3/a；WFRp為產品水資源消費足跡，m3/a；WFRer為生態水資源需求足跡，m3/a；N為人口總量，人；WFRpc為人均水資源消費足跡，m3/a。

1.2 水足跡賬戶類型

依據水足跡，將用水戶主要分為3種賬戶類型，分別是：

(1)實體水資源消費：分為農業用水量、工業用水量和生活用水量3種，其中農業用水量包括農業灌溉、林業灌溉、牧業草場灌溉等用水行為所消耗的水資源量；工業用水量包括在工業生產工程中用于冷凝、稀釋、溶劑等作用的水資源量，一方面，在水的利用過程中通過不同途徑進行消耗，另一方面，以廢水的形式排入自然界，參與正常水循環。所以工業用水量計算十分復雜，通常都是通過萬元工業產值用水量來估算。生活用水量包括人類正常的生活或生存用水量和以其他途徑使用的一部分水資源(公共用水、建筑用水等)。

(2)產品水資源消費：包括農產品用水量、工業產品用水量和動物產品用水量。在計算產品水資源用水量時必須考慮產品生產過程中消耗的水量和產品自身的含水量。其中農產品和工業產品的自身含水量相較于其生產過程中所消耗的水資源量只是很小的一部分，可忽略不計；動物產品用水量則包含了自身含水量、生長用水量和宰殺加工用水三部分。

(3)生態水資源需求：指在一定區域，以改善城市環境為目的，支撐生態系統完整性所需的水資源量。可分為天然生態系統用水和人工建設生態系統用水，主要包括公園湖泊用水、風景觀賞河道用水、城市綠化與園林建設用水以及污水稀釋用水等。可綜合考慮無植物水面蒸發量和城市園林綠化用水定額來計算。

1.3 水足跡承載力

根據國際公認水資源開發利用的警戒線，區域水資源開發利用率若超過可利用水資源總量的30%～40%，就可能引起生態環境的惡化。為了維持生態系統的健康和可持續性發展，因此，在水資源承載力計算中應扣除不低于60%的水量。其計算公式為：

WCC=0.4WA=NWCCpc

(2)

式中：WCC為水資源承載力，m3/a；WA為可利用水資源量，m3/a；N為人口，人；WCCpc為人均水資源承載力，m3/a。

有時，也可以用水資源需求量 與水資源供給量 的比值來表示水資源匱乏度 ，即社會經濟發展對水資源的壓力程度。計算公式為：

WS=WFR/WCC

(3)

當WS>1 時，說明已經超出水資源承載力，而且WS值越增加，超載越嚴重；

當WS=1 時，說明處于水資源承載力臨界狀態；

當00。

在許多水資源比較短缺的地區，水資源成為社會經濟發展的主要制約性因素。同時，社會經濟發展對水資源也有積極的作用，也有不利的影響，它們相互聯系、相互制約、相互影響。可以用水足跡與GDP的比值即為GDP水足跡WFRgdp來表示水資源利用效益。

WFRgdp=WRF/GDP

(4)

WFRgdp越大，表示水資源的利用效益越低，水資源可持續利用的效率越低；反之，WFRgdp越小，表示水資源的利用效益越高，水資源可持續利用的效率越高。

2 實例研究

2.1 研究區概況

鄭州市是河南省省會，全省政治、經濟、文化中心，是新亞歐大陸橋上的重要城市，介于東經112°42′～114°14′和北緯34°16′～34°58′之間，北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃河沖積平原。鄭州多年平均年降水量640 mm，年平均氣溫在14～14.3 ℃之間。全市總面積7 446.2 km2，其中市區面積1 010.3 km2，建成區面積382.7 km2，城鎮化率67%。全市總人口956.9 萬人，城鎮人口668.1 萬人，鄉村人口288.8 萬人。2015年，全年實現生產總值7 315.2 億元，全市完成財政總收入1 419.5 億元，地方財政一般預算收入942.9 億元。

2.2 實體水消費足跡

實體水資源消費足跡主要是農業、工業和生活三種用水戶總計消費的水量，其中農業用水量包括農業灌溉、林業灌溉、牧業草場灌溉等用水量；工業用水量包括在工業生產工程中用于冷凝、稀釋、溶劑等作用的水資源量；生活用水量包括城鄉居民生活和公共用水。計算所需相關數據可從《2005-2014年鄭州市水資源公報》獲得，結果如表1所示。

2.3 產品水消耗足跡

研究區的主要產品分為農產品、動物產品和工業產品三類，其中糧食、棉花、油料、煙葉、蔬菜、瓜果等農產品的水資源消耗量已計算在實體水資源消費足跡的農業用水中；同時工業產品的消耗水量也計算在實體水資源消費足跡的工業用水中。故產品水消耗足跡只用計算動物產品的水資源消耗量。但動物產品用水的統計資料一般比較粗，甚至無法統計，故采用Chapagain和Hoekdtra 2004年有關中國動物虛擬水含量的計算結果[13]。動物產品的各年數據來自《2005-2014年鄭州市統計年鑒》，2014年計算結果見表2。

表1 2005-2014年鄭州市實體水消費足跡 億m3

2.4 生態水需求足跡

鄭州市為了維持生態系統健康與可持續發展必須扣除60%的可利用水資源量作為生態用水，且研究區河道無航運、景觀等任務。故這里的生態水足跡只需考慮城市綠化與園林建設用水等，結合《2005-2014年鄭州市水資源公報》數據，結果見表3。

2.5 用水效果

根據鄭州市統計年鑒、水資源公報等資料，提取出人口、水資源總量、GDP等數據，按公式(1)～公式(4)分別計算出鄭州市水足跡、人均水足跡、水足跡承載力和水足跡利用效率等數據。結果見表4。

表2 2014年鄭州市城鄉居民主要消費產品水消耗Tab.2 Water consumption of major consumer products of urban and rural residents in Zhengzhou in 2014

表3 2005-2014年鄭州市生態水需求足跡Tab.3 Ecological water demand footprint of Zhengzhou city in 2005-2014

表4 2005-2014年鄭州市用水效果表Tab.4 Water effect table of Zhengzhou city in 2005-2014

3 特性分析

3.1 水足跡

2005-2014年鄭州市水足跡變化如圖1所示，由圖1可知，10年來水足跡呈逐步上升的態勢，從2005年的41.29 億m3逐步攀升到峰值2010年的50.10 億m3，然后2011年出現下降，2012-2014年開始逐步回升；人均水消費足跡呈現總體下降的趨勢，其中2010年和2011年下降幅度較明顯。這說明人口的增長和社會經濟的發展對水資源的需求不斷增加。其中在2011年人口數量激增的情況下人均水消費足跡出現下降，且繼續呈下降的趨勢，說明產業結構的調整可能導致水資源消費量的大幅減少。

圖1 2005-2014年鄭州市水足跡動態特征Fig.1 Dynamic characteristics of water footprint of Zhengzhou city in 2005-2014

3.2 用水水平分析

由圖2可知，鄭州人均水足跡和其他國家和中國部分地區比較，鄭州市的人均水足跡低于全球平均水平，且遠遠低于美國、加拿大、西班牙、法國等發達國家；也低于泰國、馬來西亞等旅游勝地的國家。與國內部分地區比也僅比石家莊和大連的人均水足跡高，但依然低于全國平均水平。北京、上海、重慶等發達城市水足跡遠遠高于鄭州，盛產牛羊制品的西北地區也率高于鄭州。可以看出地區的發達程度、經濟狀況影響著水足跡，同時旅游業也是影響水足跡的重要因素。主要體現在發達國家和地區消費的產品和服務業更多，其中旅游業等服務行業屬于向外輸水行業(外地游客在旅游地消耗的水資源和景觀補水)，較大程度地增加了水足跡；鄭州相對于北京、山東、上海等城市經濟的總體規模顯得較小；西北地區的一些如牛羊肉、皮革類的產品普遍消耗的水資源更多。

圖2 部分國家地區的人均水資源消費足跡Fig.2 Consumption footprint of water resources per capita in some countries

3.3 用水結構分析

由圖3可知，近年來鄭州市水足跡趨于穩定，實體水資源消費量相對穩定，但所占比例逐漸減小，消費量從2005年36%減少到2014年29%；產品水資源消費呈上升的趨勢，一直占據著水足跡的主導地位，消費量均超過55%；生態水需求量變化幅度最大，對比實體水資源消費和產品水資源消費只占用了極小的部分。對于實體水資源消費來說，工業和農業始終是用水大戶，年用水量均超過了9 億m3；農業實體用水整體呈下降趨勢，從2005年接近50%的比例下降到了2014年30%，農業灌溉條件、技術的改善，產業的轉型和城鎮化的推進是造成農業實體水消費減少的主要原因；工業實體用水基本持平維持在30%左右，鄭州市政府大力提倡節約用水、增加中水利用，盡管工業用水戶增加但用水量依舊得到較好的控制；生活實體用水量從2005-2014年持續上升，從2.87 億m3增加到5 億m3，增加了2.1 億m3占在實體用水量15%。隨著社會經濟的發展，鄭州市人口的增長和人民生活水平的提高，生活實體水資源消費量將不斷增加。由上可知，加大產業調整力度，發展現代工業和旅游業是減少產品水消費的重要方式，在不影響消費的情況下可適當考慮減少牛肉等耗水量較高產品的生產。

圖3 鄭州市水足跡和實體水消費足跡Fig.3 Water footprint and physical water consumption footprint of Zhengzhou City

3.4 承載力分析

水資源匱乏度是衡量一個國家或地區水資源承載能力，與當地的可利用水資源量密切相關。由圖4可知，鄭州市近年來水資源匱乏度整體呈上升趨勢，WS超過1，說明已經超出水資源承載力，而且WS值越增加，超載越嚴重。期間2007年、2011年出現拐點主要原因是當年降水量較大，水資源總量增加。鄭州市連續10年WS指數超過6，屬于重度超載，水資源承載能力不足以提供鄭州市區域水消費足跡；地下水超采嚴重，以影響到水資源可持續利用，水資源壓力也在不斷增大。

3.5 利用效率分析

萬元GDP水足跡是評價一個國家或地區用水量與產值的關系，也是當地水資源利用效益的一個重要指標。從圖4中可以看出2004-2014年鄭州市萬元GDP水足跡呈下降趨勢，平均每年下降20 m3/萬元，其中2007年和2011年下降幅度最大分變為56.8、29.3 m3/萬元。由此可知，產業的轉型、用水方式的轉變使得鄭州市水資源利用效率不斷提高。這得益于河南省對節水型社會建設、水生態文明建設和嚴格水資源管理等工作的重視；鄭州市政府在水利建設方面的重視程度、投入力度及建設規模，尤其是在持續發展民生水利、強力推進生態水系、積極開展水污染防治等工作及其取得的成效。綜合來看，鄭州市水資源利用效益較高，且有繼續提高的趨勢，對鄭州市水資源可持續發展起到了積極作用。

(a)水資源匱乏度

(b)萬元GDP水資源足跡圖4 2005-2014年水足跡利用效率動態特征Fig.4 Dynamic characteristics of water footprint utilization efficiency in 2005-2014

4 結 語

水足跡是一種有效的定量評價水資源的方法。基于水足跡理論與方法，建立實體水資源消費、產品水資源消費和生態水資源需求等用水賬戶，結合鄭州市2005-2014年水資源利用情況、水資源匱乏度和萬元GDP用水量等指標，對鄭州市水資源進行了定量的測度。研究結果表明：鄭州市水足跡整體在穩步上升，產品水資源消費和實體水消費占據水足跡的主體，實體水資源消費中工業用水的比重逐漸超越農業水資源消費；鄭州市人均水足跡較低，與一些發達的國家和地區相比處于較大的劣勢；鄭州市整體經濟形勢發展良好，萬元GDP產值用水量相對較低，但水資源供需存在較大的缺口，水資源匱乏程度較為嚴重，屬于重度超載。要保證水資源的可持續利用，必須進一步完善節水系統，嚴格控制經濟發展規模與產業，建設資源節約型社會。

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