基于水足跡理論的中國水資源壓力評價

劉 靜，余鐘波

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

受氣候變化、人口增長、消費結構改變等多因素影響，很多地區的水資源壓力日趨嚴重，如何合理評價區域水資源壓力水平，成為改善水資源利用現狀、實現水資源可持續利用的重要前提[1-2]。很多學者針對區域水資源壓力開展了大量研究，目前的水資源壓力研究主要集中在水量分析方面[3-8]，也有一些學者針對水質對區域水資源壓力的影響開展了相關研究[9-12]，但同時將水量和水質納入分析的研究相對較少。

2002年荷蘭學者Hoekstra等[13]首次提出水足跡概念，豐富了傳統水資源評價體系，為水資源科學管理提供了重要理論依據。水足跡概念涵蓋了藍水(地表水和地下水)、綠水(有效降水)和灰水(以自然本底濃度和現有的環境水質標準為基準，稀釋污染物所消耗的水資源)3種不同類型的水資源，同時包含了水量和水質兩個方面[14]。一些學者[7,15]嘗試將水足跡理論納入區域水資源壓力分析體系，但主要集中于藍水足跡，很少將藍水足跡和灰水足跡同時納入分析。

本文基于水足跡理論，提出了同時涵蓋水量和水質的區域水資源壓力指數計算方法，并對中國各區域水資源壓力狀況進行了分析，以期為水資源管理提供理論參考。

1 研究方法

1.1 藍水足跡計算

農業部門藍水足跡為不同種類農產品藍水虛擬水含量與對應產量的乘積，本文農產品包括作物與動物產品兩類。作物藍水虛擬水含量可根據下式計算[14]：

(1)

式中：Vb為作物藍水虛擬水含量，m3/kg；Wb為生育期藍水資源利用量，m3/hm2；Y為單位面積產量，kg/hm2；ETc為生育期蒸發蒸騰量，mm，根據彭曼公式計算；Pe為生育期利用的有效降水量，mm，以旬為計算步長，采用美國農業部土壤保持局推薦方法：

(2)

式中：Pet為旬有效降水量，mm；Pt為旬降水量，mm。

動物產品藍水虛擬水含量包含動物產品飼料、飲水及服務相關的藍水虛擬水含量3部分，采用Mekonnen等[16]的計算結果。其中動物產品飼料相關的藍水消耗包含飼料原料對應的藍水消耗及混合這些飼料原料所使用的藍水資源；飼料原料對應的藍水資源消耗采用作物藍水足跡計算方法得到；服務相關的藍水足跡指的是進行動物屋舍清潔、動物自身清潔以及其他保持環境清潔所必需的服務所對應的藍水資源消耗[17-18]。

工業、生活及生態部門藍水足跡為藍水用量與對應耗水系數的乘積。區域藍水足跡為各部門藍水足跡之和。

1.2 灰水足跡計算

灰水足跡可根據下式計算[14]:

(3)

式中：G為灰水足跡，m3；N為氮肥施用量，kg；α為氮肥淋溶率；Cm、Cn分別為氮元素的最大環境允許質量濃度和自然本底質量濃度，mg/L。根據相關研究[19-20]，本文假定Cm=10 mg/L，Cn=0 mg/L。

1.3 區域水資源壓力指數與等級計算

區域水資源消耗應同時涵蓋生產用水[5]與稀釋污染物用水[21]，本文假定當地可用水資源可全部用于污染物稀釋。區域水資源壓力指數Ws可根據下式計算:

(4)

式中：B為藍水足跡，m3；R為可用水資源量，m3。

結合以往研究[5]，規定Ws<0.1β(β為區域綜合耗水系數)為低水資源壓力，0.1β≤Ws<0.2β為低-中水資源壓力，0.2β≤Ws<0.4β為中-高水資源壓力，Ws≥0.4β為高水資源壓力。β可根據下式計算:

(5)

式中：Ba、Bi、Bd、Be分別為農業、工業、生活及生態部門藍水足跡，m3；Wa、Wi、Wd、We分別為農業、工業、生活及生態部門藍水用量，m3；βi、βd、βe分別為工業、生活及生態部門耗水系數。

1.4 研究區域與數據來源

本文研究區域為中國的31個省級行政區，因數據原因，未涉及港澳臺地區。氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網，農產品產量、消費、氮肥施用量及人口數據來自《中國統計年鑒：2015》和《中國農業統計資料：2015》，水資源用量、可用量及耗水系數來自《2015年中國水資源公報》，作物系數主要參考《中國主要作物需水量與灌溉》[22]和《北方地區主要農作物灌溉用水定額》[23]確定，部分由水利部灌溉試驗總站提供。

2 結果與討論

2.1 藍水足跡

由圖1可看出，各省級行政區藍水足跡差異顯著，其中新疆(355.47億m3)、山東(246.37億m3)、河南(213.85億m3)、河北(203.22億m3)和江蘇(190.87億m3)藍水足跡排名前5，這些省級行政區社會生產活動相對密集，藍水資源量大；西藏經濟水平相對落后，社會生產活動相對較少，藍水足跡最小，不足新疆的2%。對比各部門藍水足跡發現，除廣東、浙江、福建、北京和上海外，其他省級行政區的農業藍水足跡均大于工業、生活及生態藍水足跡，這與農業生產活動需要消耗大量的水資源，以及農業是中國最大的水資源消耗部門(農業藍水足跡占全國藍水足跡的72.70%)的情況一致。對于部分沿海(廣東、浙江和福建)和經濟高度發達的省級行政區(北京和上海)，消費的農產品主要來自其他省級行政區調入，因而工業及生態部門成為重要的藍水資源消耗部門。對于藍水足跡較大的省級行政區，尤其是農業藍水足跡大于100億m3的新疆、山東、河南、河北、黑龍江和內蒙古，節水技術的應用、作物布局優化(高耗水作物向水資源豐富省級行政區轉移)以及節水意識的提高均有助于減小區域藍水足跡，進而緩解區域水資源壓力。

圖1 藍水足跡空間分布及部門差異

2.2 灰水足跡

圖2 給出了灰水足跡空間分布。由圖2可看出，河南、江蘇和山東是灰水足跡排名前3的省級行政區，其灰水足跡分別為238.70億m3、162.10億m3和151.00億m3，這與河南等地是重要的農業生產地區，氮肥施用相對較多，稀釋其所產生的污染物所需的水資源相對較多的情況一致。北京、青海和西藏灰水足跡較小，分別為4.90億m3、4.10億m3和2.00億m3，這與其農業生產活動較少，氮肥施用量相對較少密不可分。現有灰水足跡計算主要考慮氮肥對區域水資源的影響，因此，合理控制氮肥施用量，提高氮肥利用率均有助于減小灰水足跡。未來，其他污染物也需納入區域灰水足跡量化分析，以實現更精準的水資源管理。

2.3 區域水資源壓力

表1給出了基于藍水足跡和灰水足跡的區域水資源壓力指數及等級。由表1可看出，寧夏(4.070)、河北(1.599)、山東(1.463)和天津(1.282)的水資源壓力指數均顯著大于其他省級行政區。寧夏和河北的高水資源壓力主要是由于其可用水資源量不足以稀釋氮肥施用所產生的污染物，因此需要額外的水資源消耗。山東和天津的高水資源壓力主要是由藍水資源消耗引起的(山東的藍水足跡在全國排名第2，而其可用水資源在全國排名24；天津的藍水足跡和可用水資源量均較小，分別占全國總量的0.60%和0.05%)。西藏的水資源壓力最小，這與其可用水資源量全國排名第1，但同時經濟相對落后，社會經濟活動相對較少，水資源消耗較少密不可分。不同區域水資源消耗特點不同，區域水資源壓力指數分布與水資源壓力等級分布存在一定差異。以內蒙古和黑龍江為例，其水資源壓力指數分別為0.233和0.168，而其壓力等級分別為中-高水資源壓力和高水資源壓力。受農業灌溉水平等因素影響，內蒙古的綜合耗水系數(0.673)顯著大于黑龍江(0.386)，因此同樣的水資源壓力水平，內蒙古對應的水資源壓力指數閾值明顯高于黑龍江(以高水資源壓力指數閾值為例，內蒙古和黑龍江分別為0.269和0.154)。減小區域尤其是高水資源壓力地區水資源壓力，是目前亟需解決的問題之一。除上文提及的減少區域藍水足跡及灰水足跡的措施外，實體及虛擬形式的水資源進口均有助于增加區域可用水資源量，以緩解區域水資源壓力[5,19,24]。

圖2 灰水足跡空間分布

表1 各省級行政區水資源壓力指數與等級

3 結 論

a. 各省級行政區藍水足跡差異顯著，除廣東、浙江、福建、北京和上海外，其他省級行政區的農業藍水足跡均大于工業、生活及生態藍水足跡，節水技術的應用、作物布局優化(高耗水作物向水資源豐富省級行政區轉移)以及節水意識的提高均有助于減小區域藍水足跡，進而緩解區域水資源壓力。

b. 灰水足跡排名前3的是河南、江蘇和山東，北京、青海和西藏灰水足跡較小。合理控制氮肥施用量，提高氮肥利用率均有助于減小灰水足跡，未來其他污染物也需納入區域灰水足跡量化分析。

c. 寧夏、河北、山東和天津的水資源壓力指數均顯著大于其他省級行政區。水資源壓力指數分布與考慮區域水資源消耗特點的水資源壓力等級分布存在一定差異。除藍水足跡及灰水足跡減小措施外，實體及虛擬形式的水資源進口均有助于增加區域可用水資源量，以緩解區域水資源壓力。