內蒙古地區水足跡量化及水資源評價分析

侯林秀 溫 璐* 張雪峰 王立新 趙 吉 杜鳳蓮

(1.內蒙古大學 生態與環境學院/草原生態安全省部共建協同創新中心/ 內蒙古草地生態學重點實驗室，呼和浩特 010021； 2.內蒙古科技大學 包頭師范學院 資源與環境學院，內蒙古 包頭 014030； 3.內蒙古大學 經濟與管理學院，呼和浩特 010021)

保證水資源供應是保障正常生產和生活的必要條件，但隨著經濟發展、人口增加和城市化進程推進，水資源供應面臨的壓力越來越受到廣泛關注[1-3]。正確合理評價區域水資源利用狀況和壓力水平，是配置水資源、實現水資源可持續利用的重要前提[4-5]。水足跡是指為維持人類日常消費的產品及服務而消耗的淡水資源總量，可以分為藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡，分別用以反映人類活動消耗的可見水、植物蒸騰水以及稀釋污染負荷所需要的淡水資源，通過量化水足跡可以有效表征區域水資源消耗總量[6]。已有研究針對不同區域水資源展開，如：蘇明濤等[7]通過對吉林省三種農作物在不同生長條件下的水足跡計算得出作物生長更加依賴于綠水；農業水足跡在漢江干流水足跡中占比最大且上游的水資源可持續利用水平更高[8]；中國城鎮居民食物消費水足跡隨著人口增多、食物消費結構轉變以及城鎮化進程的推進不斷增長[9]；楊文娟等[10]的研究表明河南省碳足跡和水足跡不匹配的現象在各行業中普遍存在。上述研究大多集中于農作物藍綠水計算、區域或流域水量分析以及單個生產部門的水足跡構成等，對特定區域考慮其空間差異在較大時間尺度，同時從水量和水質層面整體分析其水足跡動態特征，并根據不同空間定位和用水結構特征提出未來水資源發展建設性意見的研究相對較少。

內蒙古地區地域遼闊，由于地理位置和氣候條件的差異，導致不同盟市間存在不同的水資源問題。對整個內蒙古區域進行整體水足跡核算，難以適用于所有地方的水資源管理實踐，因此，以盟市為基本單元進行水足跡核算對當地水資源管理更具現實意義，同時，通過對較大時間尺度(1998—2018年)不同盟市間的水足跡變化趨勢和用水結構對比，既有助于了解內蒙古地區缺水現狀的空間分布和發展規律，更有利于在未來精準把握綠色發展、可持續發展要義，以有效減緩半干旱區域水資源脅迫。目前關于內蒙古地區的水資源相關研究鮮有涉及藍水、綠水、灰水足跡的年際間各地區對比的分析。因此，本研究擬以內蒙古地區為研究對象，利用水足跡量化方法，以期分析1998—2018年區域水資源利用狀況并以此為基礎進行水資源評價，為更好地進行水資源管理和配置提供理論參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

內蒙古自治區位于北緯37°24′～53°23′，東經97°12′～126°04′，總面積約118.3萬km2，下轄9個地級市、3個盟；地貌以高原為主，西部地區屬溫帶大陸性氣候，東部地區為中溫帶季風氣候，降雨集中在夏季，受地形和海洋遠近的影響，自東向西逐漸遞減，全區水資源在空間上的分布極不均勻。區內主要水系有黃河、額爾古納河、嫩江、西遼河、海灤河等，2018年全區水資源總量461.52億m3，較多年平均值減少15.5%，多數地區水資源緊缺。

1.2 研究方法

1.2.1水足跡量化方法

區域水足跡包括藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡，計算公式[11]如下：

WFP=WFPblue+WFPgreen+WFPgrey

(1)

式中：WFP為總水足跡，m3/a；WFPblue為藍水足跡，m3/a；WFPgreen為綠水足跡，m3/a；WFPgrey為灰水足跡，m3/a。

藍水足跡指對地表水或地下水的消耗[6]，由農業、工業、生活、生態藍水足跡組成，其中工業部門、生活部門和生態藍水足跡分別用各部門用水量與耗水率相乘而得[12]；農業藍水足跡指農業灌溉對地表水、地下水消耗[13]，計算公式為：

WFblue=10ETblue/Y

(2)

式中：WFblue為農業藍水足跡，m3/a；ETblue為藍水蒸散發，mm/d；Y為作物產量，t/a；10為轉化系數。

綠水足跡指作物生長的降雨消耗，計算公式如下：

WFPgreen=10ETgreen/Y

(3)

式中：WFPgreen為綠水足跡，m3/a；ETgreen為綠水蒸散發，mm/d；Y為作物產量，t/a；10為轉化系數。

ETblue和ETgreen參考文獻[12]根據彭曼公式計算，主要涉及有效降水量、日照時長、平均氣溫、平均氣壓、平均風速、平均水汽壓、相對濕度等氣象數據。

灰水足跡選擇點源污染灰水足跡和面源污染灰水足跡中的較大值[14-15]，其中點源污染是指工業和生活部門在用水過程中產生的污染，以化學需氧量為指標；面源污染為農業部門污染，以氮元素為指標進行計算[16]：

(4)

(5)

式中：WFgrey為點源污染灰水足跡，m3/a；WFagr-grey為面源污染灰水足跡，m3/a；L為污染物排放負荷，kg/a；Cmax為達水質標準的污染物最高濃度，kg/m3；Cnat為水體污染物初始濃度，kg/m3；α為氮肥淋失率；Appl為氮肥施用量，kg/a。

1.2.2水資源評價方法

借鑒已有研究方法[12,17-18]，對區域水資源利用現狀進行評價分析，具體計算方法見表1。

表1 基于水足跡的區域水資源利用評價指標體系Table 1 Indicator system of evaluating regional water resources utilization based on water footprint method

1.3 數據來源

水資源總量、各部門用水量以及耗水率等數據來自《內蒙古自治區水資源公報》[19]，相關氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網，工業和生活廢水化學需氧量(COD)排放量取自《內蒙古自治區環境質量狀況公報》[20]；本研究以我國GB3838—2002《地表水環境質量標準》[21]為指導標準，根據《內蒙古自治區水資源公報》中水質統計，選擇Ⅲ類水COD標準質量濃度作為計算工業和生活部門灰水足跡的依據[16]，即Cmax=0.02 kg/m3。采用上述標準中硝酸鹽標準濃度限值作為計算農業部門灰水足跡的依據。氮肥施用量來源于《內蒙古自治區統計年鑒》[22]；氮肥淋溶率選取內蒙古地區氮肥淋溶流失率10.84%[23]；Cnat為污染物質在水體中的原始濃度，假設為0[24]。

2 結果與分析

2.1 全研究區總水足跡及其構成

1998—2018年內蒙古地區各部門水足跡大小如表2所示。由表2可知：全區總水足跡中，農業藍水和綠水足跡始終占主導地位，其年平均值分別是320.52和176.60 億m3，二者在總水足跡中所占比例分別為72.43%和82.97%，表明農業是內蒙古地區水資源消耗的主要部門，農業生產給區域水資源帶來較大壓力；工業藍水足跡于2013年前緩慢增長，2014—2018年呈下降趨勢，2003年之前研究區工業生產總值逐年上升，2013年研究區全面落實黨的十八大會議精神，在重大發展戰略部署中加快轉型升級，在一定程度上促進工業藍水足跡的下降；1998—2018年生活藍水足跡為3.39～7.60 億m3，年際間變化幅度較小；生態藍水足跡2003—2018年增長16.18 億m3，增長率為344.26%。總之，研究區居民生活用水結構近些年并未發生顯著改變，生態用水量大幅增加與近些年大規模生態建設有關，相關研究也顯示研究區植被面積增加[25]，植被生產力以增加為主，尤其森林和荒漠生態區植被生產力增加顯著[26]。

表2 1998—2018年內蒙古地區水足跡構成Table 2 Water footprint consumption of Inner Mongolia from 1998 to 2018 億m3

此外，1998—2018年全區灰水足跡始終取決于生活和工業灰水足跡之和，2006年之后生活灰水足跡占比較大，但生活廢水排放給區域水質凈化造成一定程度壓力。農業灰水足跡總體呈上升趨勢，到2015年達最大，2015年后呈緩慢降低趨勢，農業灰水足跡自2013年起已超過工業灰水足跡，究其原因是氮肥施用量增加所造成的農業灰水足跡增加，同樣可能會給區域水質帶來不可忽視的負面影響。

2.2 各地級市總水足跡及其構成

2.2.1藍水足跡

由圖1可見1998—2018年各地級市農業藍水足跡波動變化，且地級市間差異較大，其中烏海和阿拉善地區最低，2018年占比僅為全區的0.17%和3.18%，與當地耕地面積有限和農業發展狀況有關，但阿拉善地區2018年農業藍水足跡較1998年增長404.43%，受到當地生態觀光農業發展的影響。《阿拉善盟2016年政府工作報告》中指出，要進一步加快轉變發展方式，推進產業結構調整，包括“優化一產，重點發展種植與養殖有機結合的生態農牧業；做大三產，大力發展旅游專業村、農牧家旅游點”[27]；同年阿拉善地區將“農田牧場變景區、農畜產品變旅游產品、農牧民變三產服務人員”作為發展生態觀光農業的主攻方向，打造生態農業與旅游發展新業態，例如阿左旗大力推進休閑農牧業及鄉村旅游示范旗(縣)的創建，塔日阿圖嘎查建立100余畝溫室大棚并與周邊傳統農田農業有機結合，形成觀光、旅游、采摘于一體的現代農業，帶動其他生產模式相近的地區開展生態觀光農業建設。巴彥淖爾、通遼和赤峰分別是年均農業藍水足跡排名前三的地區，其中通遼和赤峰耕地面積較大，分別為107.16×104和108.30×104hm2，農業經濟發展較好，是內蒙古地區農業發展的主要區域，這一結論與之前研究結果即通遼和赤峰市是內蒙古農畜產品生產基地和農業資源保護的核心區域一致[28]。雖然巴彥淖爾耕地面積與上述兩個地區相比相對較小，為57.44×104hm2，但其有效降水量在作物生長季僅為119.04 mm，使得在農業生產過程中需要更多的灌溉水以滿足作物生長的需要。

各地級市間工業藍水足跡差異較小，總體上2011年之前均呈上升趨勢，2013年后有所下降。依托于21世紀初內蒙古地區大力推進工業發展以及當時工業產值增速穩居全國第一的背景，各地級市工業藍水足跡大多在2010—2013年達到最大值，十八大以來，全區將工業發展重點轉移為創新轉型，圍繞綠色發展理念優化升級傳統產業，工業藍水足跡開始出現下降趨勢。烏蘭察布工業藍水足跡處于全區末位，與其工業基礎和發展條件較差、工業發展相對較慢、工業項目規模偏小有關。

1998—2018年各地級市生活藍水足跡總體呈緩慢上升趨勢，其中赤峰地區最高，阿拉善地區最低，兩市在2018年相差1.10 億m3，與兩地常住人口數量差異較大(相差415.49 萬人)的情況相符。自2003年起各地級市生態藍水足跡均呈上升趨勢，其中阿拉善地區生態藍水足跡最高且增速快，2018年達6.89 億m3，主要受到近年來西部生態脆弱區環境治理項目等的影響[29]；“十二五”時期呼倫湖生態環境綜合治理工程的大力推進使得呼倫貝爾地區生態藍水足跡發生一定變化，2010年較前年增長375.56%，到2018年增至4.76 億m3；烏蘭察布生態藍水足跡最小，2018年僅為0.1 億m3。

1998—2018年內蒙古各地級市人均藍水足跡用水結構組成結果見圖1。由圖1可知：各地級市人均藍水足跡差異顯著，研究期間阿拉善和巴彥淖爾地區人均藍水足跡均值最高，且與其他地區差異顯著，烏海地區最低。阿拉善地區人均藍水足跡為烏海的12.55 倍，其人均農業、工業、生活、生態藍水足跡均為全區前二的水平，其中人均生態藍水足跡更是遙遙領先，主要原因是該地區人口數量較少，至2018年僅為24.94 萬人；從各地區用水結構來看，除阿拉善和烏海地區之外，其余各地級市均為人均農業藍水足跡較高，同樣說明總體上農業是研究區用水量依賴度高的產業，其中巴彥淖爾地區人均農業藍水足跡全區最高，與當地是研究區主要糧食產區有關，發展節水技術、優化作物布局均有助于減小區域農業藍水足跡，進而緩解區域水資源壓力。人均生活藍水足跡在人均藍水足跡中占比最小，且在各地級市之間差距不大，除鄂爾多斯和阿拉善地區超過40 m3/人以外，其余地區均為25 m3/人左右，說明生活藍水足跡基本是由人口數量所決定的。烏蘭察布為人均工業藍水足跡最少的地區，與其總工業藍水足跡結果一致，而該地區人均農業藍水足跡為人均工業藍水足跡的109.46 倍，進一步反映了該地區農業灌溉是用水大戶[30]。

圖1 1998—2018年內蒙古各地級市人均藍水足跡用水結構組成Fig.1 Water utilization structure of per capita blue water footprint of each city in Inner Mongolia from 1998 to 2018

2.2.2綠水足跡

1998—2018年內蒙古地區綠水足跡構成結果見圖2。由于綠水足跡受氣象因素等的影響，研究區總綠水足跡在20年間呈現波動變化的整體趨勢。由圖2可知：呼倫貝爾、赤峰、通遼、興安盟地區綠水足跡較高，研究期間年均值均高于24 億m3，阿拉善和烏海地區綠水足跡最低，年均值不足0.3 億m3，根據綠水足跡的計算公式，降水量的差異可能是造成地區差異顯著的主要原因。阿拉善和烏海地區降雨量不足，在作物生長季分別為70.89 mm、152.37 mm，同時由于烏海地區面積遠遠小于其他地區，耕地面積和農作物產量較少，因此其綠水足跡和農業藍水足跡在全區均最低。呼倫貝爾、赤峰和通遼的耕地面積始終為全區前三，降水相對比較充沛，基本可以滿足作物生長所需。

圖2 1998—2018年內蒙古地區綠水足跡構成Fig.2 Green water footprint consumption of Inner Mongolia from 1998 to 2018

2.2.3人均及平均耕地面積藍綠水足跡

1998—2018年內蒙古各地級市人均、平均耕地面積藍綠水足跡空間差異如圖3所示。分別對比各地區人均藍水足跡和平均耕地面積農業藍水足跡以及人均、平均耕地面積綠水足跡，可以看出結果基本一致。阿拉善和巴彥淖爾人均藍水足跡和平均耕地面積農業藍水足跡為全區最大，但人均和平均耕地面積綠水足跡相對較小，這與當地降雨量較少，無法在作物生長期間提供足夠水資源有關，因此只能依靠灌溉，而灌溉用水量增加使得當地農業藍水足跡較大，興安盟則呈現相反的規律。

圖3 1998—2018年內蒙古各地級市人均及平均耕地面積藍、綠水足跡空間差異Fig.3 Spatial differences of per capita and average cultivated area blue/green water footprint of every city from 1998 to 2018

呼和浩特和烏蘭察布兩個地區位置相鄰且總藍水足跡和綠水足跡均相差不大，但由于兩個地區發展定位和城市特征不同，烏蘭察布耕地面積為呼和浩特的1.55 倍，人口數量僅為呼和浩特的76.14%。從人口和耕地面積兩個層面進行分析，兩個地區所承受的水資源壓力呈現不一樣的特征。在農業生產方面，呼和浩特單位耕地面積消耗更多的水資源，而烏蘭察布人均消耗水資源更多，所以在后續水資源配置實踐中，應充分考慮不同要素的影響，以實現水資源的高效利用。

2.3 水資源利用評價

圖4反映1998—2018年內蒙古地區水資源壓力指數、水質性缺水指數和水足跡經濟效益的走勢。其中水資源壓力指數沒有明顯變化規律，但一直處于較高水平，年均值為0.86，說明全區始終面臨著可利用水資源不足以供給生產生活生態需水的問題，這主要是由藍水資源消耗引起的。西部大開發戰略實施十年間，研究區相繼建成綽勒、尼爾基、萬家寨水利樞紐等一大批控制性大中型骨干工程[31]，這些工程的建成使用有效緩解了2010年之前內蒙古水利基礎設施相對薄弱、部分地區地下水超采現象嚴重的問題。“十二五”以來，內蒙古繼續加大水利項目投入，實施重點水庫樞紐和調水工程，緩解區域水資源供水壓力。2007年內蒙古地區水資源總量為295.86 億m3，2013年為959.91 億m3，2013年水資源壓力指數與2007年相比減小了81.50%，該期間水資源壓力指數整體呈下降趨勢。2013—2017年水資源壓力指數逐年上升，主要是區域藍水足跡的增多導致的，其中起主要作用的是農業藍水足跡，農業灌溉用水成為區域水資源壓力的主要影響因素。區域水質性短缺指數較為穩定，年平均值為0.32，說明研究區總體上尚不存在水質性缺水問題。全區水足跡經濟效益于2012年前持續增長，且增長速度較快，之后有所降低，到2018年又小幅上升，水足跡效益的增長說明消耗等量水資源所帶來的經濟價值越來越多，是產業結構化創新和綠色發展的體現。

圖4 1999—2018年內蒙古水資源壓力指數(a)、水質性缺水指數(b)和水足跡經濟效益變化趨勢(c)Fig.4 Index of water pressure (a), water quality degradation (b) and water footprint economic benefits (c) of Inner Mongolia variation tendency from 1999 to 2018

各地級市水資源壓力指數和水足跡經濟效益在1999—2018年的變化趨勢見圖5。兩個指標在不同地區之間均差距顯著，只有呼倫貝爾、興安盟和阿拉善地區在部分年間水資源壓力程度為低或中-低，其余盟市均始終處于高水資源壓力狀態，其中烏海、巴彥淖爾的水資源壓力更為嚴重。雖然烏海地區藍水足跡和綠水足跡均為全區最低，但由于其轄市面積小、可利用水資源量少，現有的水足跡量已遠遠超出其可以承受的范圍，同時其水足跡經濟效益顯著高于其他地區，說明水資源利用為區域發展帶來可觀的經濟效益和積極的社會影響，但在后續發展中必須堅持走可持續發展道路，把生態保護放在首位。呼倫貝爾和興安盟地區目前面臨水資源壓力相對較低，水資源開發潛力相對較大，可以通過促進水資源合理利用、優化水資源配置提高其經濟效益。

圖5 1999—2018年內蒙古各地級市水資源壓力指數(a)和水足跡經濟效益變化趨勢(b)Fig.5 Variation tendency of water pressure index (a) and water footprint economic benefits (b) of every city from 1999 to 2018

2.4 水足跡影響因素

為找到影響內蒙古地區農業藍水足跡和綠水足跡的顯著變量，對其分別進行逐步回歸分析，結果如表3所示。耕地面積、降水量和作物產量這三個變量被保留，其中耕地面積對農業藍水足跡和綠水足跡的影響更為顯著，相關系數分別是1.434和0.387，均為正向影響；降水量對研究區農業藍水足跡為負向影響，而對綠水足跡為正向影響；作物產量對綠水足跡影響顯著，為正向；其他自變量在逐步回歸中被去除，表明日照時長、相對濕度、人口數量與內蒙古地區農業藍水足跡和綠水足跡之間均不存在顯著相關性。

表3 1998—2018年內蒙古農業藍水足跡、綠水足跡的逐步回歸分析Table 3 Multiple linear regression analysis of the agricultural blue water footprintand green water footprint of Inner Mongolia from 1998 to 2018

對1998—2018年內蒙古各地級市耕地面積、降水量、水資源總量和水資源壓力年均值進行計算，以期分析造成不同地區之間水資源壓力差距顯著的原因，結果見表4。由表4可知：呼倫貝爾、興安盟和錫林郭勒盟單位耕地面積可用水資源量較高，農業種植用水對區域水資源造成的壓力相對較小。反觀巴彥淖爾、烏蘭察布和包頭，單位耕地面積可用水資源量遠小于其他地區，這與巴彥淖爾是我國主要糧食產區和灌溉區[32]、烏蘭察布種植大戶過度集約利用[33]以及包頭農業灌溉水量不足[34]有關，這些現象的發生使得區域水資源壓力增大，合理配置農業用水是當下關鍵任務。烏海地區水資源壓力遠超于其他地區，最直接原因是其水資源總量極其匱乏，地下水超采、濫采和優質低用對水資源環境構成嚴重威脅，地下水位下降速度逐年加快，部分區域已形成降落漏斗[35]，加強水源涵養，提高用水效率是重中之重。

表4 1998—2018年各地級市部分指標年均值對比Table 4 Average of some indicators of every city from 1998 to 2018

3 討論與結論

3.1 討論

農業藍水足跡和綠水足跡之和體現農業種植的水資源消耗量，在研究區總水足跡中占比最大，年均值為80.30%，二者在農業水資源消耗中平均占比分別為63.91%和36.09%，說明研究區農業發展更依賴于灌溉水。將內蒙古地區農業水足跡構成與河北[36]和新疆地區[37]進行對比，在較長的時間跨度下，河北地區綠水足跡與農業藍水足跡占比始終相差不大，多年平均差值僅為2.90%；而新疆地區同樣表現為農業藍水足跡顯著高于綠水足跡，1988—2015年間，新疆地區綠水足跡占比平均為17.05%，說明區域農業用水結構與降水量有較為密切的關系，綠水足跡在干旱條件下更低。

表3的研究結果表明農作物種植面積增大會導致農業需水(包括降雨和灌溉用水)增多，與新疆地區農業水足跡增長的核心驅動因素是農作物種植規模擴張[37]的研究結果一致。內蒙古地區農業藍水足跡、綠水足跡和氣象因素的相關性分析結果與山西省[38]對比可知，兩省農業藍水足跡與降水量均呈顯著負相關，但包括降水量、日照時長和相對濕度在內的氣象因素對于內蒙古地區綠水足跡的影響與農業藍水足跡相反，而山西省并不呈現此規律，說明內蒙古作為干旱半干旱區域，其綠水足跡對氣象因素尤其是降水量的依賴度更高。全國尺度的研究[39]與本研究結果均表明內蒙古地區農業水資源短缺狀況已超出全國平均值，由于研究區藍水足跡占據總水足跡的主導地位，為保障區域生態安全，需把降低藍水足跡尤其是農業藍水足跡作為調整用水結構的工作著力點。

研究區整體水資源壓力較高，年均值為0.86，與其他省級行政區[17]對比，內蒙古地區水資源壓力位于全國前列，由表4可知：烏海、巴彥淖爾、包頭和烏蘭察布地區年均水資源壓力指數已超過全國水資源壓力指數最高的寧夏地區(壓力指數為4.07)，研究區水資源環境問題亟待解決，控制區域水足跡、緩解用水壓力是可持續發展進程中不容忽視的重要任務。

3.2 結論

本研究從藍水、綠水、灰水層面定量分析了內蒙古地區1998—2018年水足跡時空變化規律，得出以下結論：

1)1998—2018年內蒙古地區總水足跡整體呈現波動上升趨勢，其中農業藍綠水足跡占總水足跡主導地位，工業藍水足跡和生態藍水足跡均保持增長趨勢。因此優化產業結構，限制高耗水行業發展對研究區尤為重要；

2)各地級市間人均藍綠水足跡差異明顯，農業藍水足跡在人均藍水足跡中占比更高，人均農業藍綠水足跡最多的地級市分別是巴彥淖爾和興安盟，究其原因與當地氣象條件、作物種植規模和人口數量密切相關，大力發展節水技術、提高用水效率、改變灌溉方式、優化作物布局可以實現農業水足跡的有效控制；

3)灰水足跡始終由生活和工業灰水足跡所決定，雖然研究期間研究區總體水質性短缺指數較低，尚且不存在水質性缺水問題，但近年來農業灰水足跡增幅明顯，為防止水質惡化，可適當控制氮肥施用量，提高氮肥利用率，同時考慮將其他污染物納入區域灰水足跡量化分析；

4)全區整體水資源壓力較高，水資源環境問題亟待解決。雖然烏海地區水足跡總量最低、人均藍綠水足跡最少，但由于其水資源極其匱乏，水資源壓力顯著高于其他地區。為保障區域生態安全，需根據各地區實際情況制定具體水足跡減量目標，通過制定相關激勵機制，如水足跡稅、水足跡減量補貼等，引導全社會投入到控制水資源壓力的實際行動中。