基于水足跡理論的河南省水資源利用評價

焦士興 郭力菲 王安周 劉亞奇 趙榮欽 王雅思 馬曉蕾

摘 要：基于水足跡理論核算了河南省水資源真實占用量，評價了水足跡的結構、效益及生態安全狀況，運用脫鉤模型研究了水資源利用與經濟增長的關系。結果表明：①河南省小麥、玉米等糧食作物虛擬水量較大，棉花、大豆、水果等經濟作物的較小;油料、水果和蔬菜等水足跡增長較快，而棉花和薯類的則下降明顯。②河南省水足跡構成差異明顯，其中農業（83.47%）>工業（8.07%）>生活（7.74%）>生態和貿易用水（1.21%）。③河南省水足跡總量較為穩定且效益不斷提升;水資源自給率處于較高水平，水資源壓力和匱乏程度波動下降。④河南省水資源利用與經濟增長處于協調狀態，且呈現波動變化趨勢，其中2008年、2009年、2012年、2014年和2015年處于強脫鉤優質協調狀態，其余年份則為弱脫鉤初步協調狀態。

關鍵詞：水足跡;虛擬水;經濟增長;脫鉤分析;河南省

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.016

引用格式：焦士興，郭力菲，王安周，等.基于水足跡理論的河南省水資源利用評價[J].人民黃河，2021，43（11）：87-91，96.

Evaluation of Water Resources Utilization in Henan Province Based on Water Footprint

JIAO Shixing1， GUO Lifei2， WANG Anzhou ?LIU Yaqi4， ZHAO Rongqin5， WANG Yasi1， Ma Xiaolei1

（1.School of Resources & Environment and Tourism， Anyang Normal University， Anyang 455002， China; 2.College of Resources

Environment and Tourism， Capital Normal University， Beijing 100048， China; 3.Luoyang No. 19 Middle School， Luoyang 471000，

China; 4.Hydrological Bureau of Yellow River Conservancy Commission， Zhengzhou 450004， China; 5.School of Surveying

and Geo-Informatics， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： Based on water footprint theory， this paper evaluated the actual occupation of water resources and its structure， benefit and ecological security. It studied the relationship between water resources utilization and economic growth in Henan Province by using decoupling model. The results show that： a）Virtual water content of wheat， corn and other food crops is lager， while cotton， soybeans and fruits are smaller in Henan Province. The water footprint of economic crops such as oil， fruits and vegetables have increased rapidly， while cotton and sweet potato have decreased significantly. b）The composition of water footprint is obvious difference as follows： agriculture （83.47%）>industry （8.07%）>living （7.74%）>ecological and trade water （1.21%）. c）The total amount of water footprint is relatively stable， and its efficiency is increasing. The self-sufficiency rate of water resources is higher， and the water stress index and lack index decrease decreased in a fluctuation way. d）The relationship between water resources utilization and economic growth is on a coordinated status， and shows a trend of fluctuation. It is on the status of strong decoupling and superior harmony in 2008， 2009， 2012， 2014 and 2015， while the rest is the weak decoupling and junior harmony.

Key words： water footprint; virtual water; economic growth; decoupling analysis; Henan Province

近年來，水資源短缺、水環境污染、水災害等問題成為制約經濟社會發展的瓶頸[1]。如何在確保經濟快速、健康發展的前提下，促進水資源可持續開發利用，是當前人類面臨的重大課題。運用水足跡評價模型定量分析人類活動對水資源的占用情況已經成為水資源研究領域的前沿和熱點[2]。國外對水足跡、脫鉤理論和應用研究較多，Hoekstra[3]提出了水足跡理論，認為水足跡是特定時段消費的產品和服務所需要的水資源量;Vehmas等[4]提出了基于變化量的脫鉤研究方法;Tapio[5]提出了脫鉤模型，并在資源、碳排放等領域進行了應用。國內研究多涉及農業水足跡與水資源利用[6-7]、水足跡與膳食消費[8-9]、水足跡時空分異[10-11]以及生態補償[12-13]等方面，而從水足跡視角研究水資源利用與經濟發展關系的相對較少[14]。祝穩等[15]、石蒙蒙等[16]對河南省水足跡進行評價和空間差異研究，但水足跡核算時未考慮灰水足跡部分，導致計算的水資源占用量偏小。因此，本文采用虛擬水、灰水足跡和脫鉤理論，從水質和水量方面對河南省水資源進行評價，并對水足跡與經濟發展的關系進行研究。

河南省水資源短缺，人均水資源擁有量為441 m 僅為全國平均值的1/5;耕地單位面積水資源占有量為6 045 m3/hm2，僅為全國平均值的1/6。河南省人口眾多，經濟發展迅速，水資源需求量大且供需矛盾突出。研究河南省水資源和經濟發展脫鉤關系、互饋機制、演變趨勢，對于促進水資源利用和經濟協調發展、實現中部崛起具有重要意義。基于水足跡相關理論，明確河南省水資源的真實占用狀況，評價水足跡結構、效益及生態安全，并采用脫鉤模型研究水資源利用與經濟發展的協調關系，以期為促進二者的協同發展提供參考。

1 數據來源

研究所用數據包括水資源總量、工業用水量、農業用水量、生活用水量和生態用水量，主要農作物產量、GDP、進出口貿易額，工業廢水排放量、工業氨氮與COD排放量、生活氨氮與COD排放量、氮肥施用量，以及氣溫、降水量、濕度、日照時間等。其中：2007—2017年水資源總量等數據來源于《河南省水資源公報》;2008—2018年主要農作物產量等數據來源于《河南省統計年鑒》;2007—2017年氣溫等數據來源于中國氣象科學數據共享服務網。

2 研究方法

2.1 水足跡理論

虛擬水是凝結在產品和服務中的水，包括嵌入水和外生水[17]。基于虛擬水，Hoekstra等[18]提出了水足跡理論，用于衡量區域水資源真實占用情況，水足跡包括內部水足跡和外部水足跡，計算公式[19]為

WFP=IWFP+EWFP=（AWU+IWU+DWU+EWU-

VWU）+（VWI-VWE）（1）

式中：WFP為總水足跡;IWFP為內部水足跡，即區域在生產或服務過程中所消耗的水資源量;EWFP為外部水足跡，即區域進口虛擬水總量;AWU為農業水足跡;IWU為工業水足跡;DWU為生活水足跡;EWU為生態水足跡（采用生態環境用水量數據）;VWU為出口虛擬水量;VWI為進口虛擬水量;VWE為區域進口產品再出口的虛擬水量（難以獲得數據，本研究忽略不計）。

水足跡包括綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡，其中灰水足跡是指消納和吸收污染物所需要的水資源量，分為工業灰水足跡、農業灰水足跡和生活灰水足跡，具體計算參考有關研究成果[20]。水足跡具有跨區域特點，在計算時應考慮凈貿易虛擬水量（可采用間接方法獲得[11]）。

2.2 水足跡核算方法

（1）農業水足跡是指在農業生產和服務過程中消耗的藍水、綠水和灰水總和，包括農業虛擬水量以及農業灰水足跡，其中：農業虛擬水量采用自下而上計算方法，將農作物蒸散量與相應種植面積相乘獲得[21];農業灰水足跡假設施入農田氮肥會以固定比例進入水體而造成污染，確定氮肥淋失率為7%[22]。農業水足跡計算公式[23]為

AWU=∑ni=1Pi×VWCi+WFarg-grey（2）

式中：Pi為第i種農產品消費量;VWCi為第i種單位農產品虛擬水量;WFarg-grey為農業灰水足跡。

（2）工業水足跡是工業生產過程中引發的水資源利用增量的一個多維指標，包括工業藍水足跡和工業灰水足跡[24]，其中：工業藍水足跡是指工業生產過程中消耗的淡水資源量，包括工業新鮮水量和材料水足跡;工業灰水足跡是以現有水環境水質標準為基礎，將工業污染負荷消納、稀釋至特定水質標準所需的淡水體積[20]。工業水足跡計算公式[24]為

IWU=Vind-fresh+WFind-grey+WFmatter（3）

式中：Vind-fresh為工業新鮮水量，即工業用水量與工業廢水排放量差值;WFind-grey為工業灰水足跡;WFmatter為材料水足跡（基礎數據不足，本研究不予計算）。

（3）生活水足跡包括生活藍水足跡和生活灰水足跡，采用生活新鮮水量和生活灰水足跡之和計算：

DWU=Vdom-fresh+WFdom-grey（4）

式中：Vdom-fresh為生活新鮮水量，即生活用水量與生活污水排放量差值;WFdom-grey為生活灰水足跡。

2.3 脫鉤理論

脫鉤理論提出于20世紀60年代，“脫鉤”包括絕對脫鉤（經濟增長而消耗下降）和相對脫鉤（經濟增長而消耗相對緩慢上升）。脫鉤指數計算公式[25]為

DF=VGDP-VF （5）

式中：DF為脫鉤指數;VGDP為年均GDP變化率;VF為年均水足跡變化率。

當VGDP>0、VF<0、DF>0時，表示水資源利用與經濟增長處于強脫鉤優質協調發展狀態;當VGDP>0、VF>0、DF>0時，表明水資源利用與經濟增長處于弱脫鉤初步協調狀態;當DF≤0時，表明水資源利用與經濟增長處于未脫鉤不協調狀態。

2.4 水足跡評價指標體系

水足跡理論為評價水資源可持續狀態和能力提供了新的思路和方法[18]。結合水足跡理論和河南省水資源利用特點，選取水足跡結構等3個一級指標，水資源自給率等6個二級指標，構建水資源利用評價指標體系[18]（見表1）。

3 結果與分析

3.1 河南省農業虛擬水量計算與分析

農業虛擬水量主要由兩部分構成：①農作物產品（小麥、玉米、大豆、薯類、油料、棉花、蔬菜、水果等）虛擬水量，選取典型農業區豫北安陽市、豫東開封市和豫南信陽市，利用中國氣象服務網2007—2017年逐日觀測數據，結合土壤參數和種植時間等數據，采用Crapwat8.0軟件計算農作物蒸散量（見表2），將其與相應種植面積相乘得到不同農作物虛擬水量[22]（見表3）;②動物產品（豬肉、牛肉、禽肉、禽蛋、奶類、水產等）虛擬水量，借鑒Hoekstra等[26]的研究成果，豬肉、牛肉、禽肉、禽蛋、奶類、水產單位產品虛擬水量分別為12.56、3.55、5.00、2.21、3.65、1.00 m3/kg，計算結果見表3。

不同農作物蒸散量存在較大差異（見表2）。農作物蒸散量受氣溫、降水、風速等氣象因素影響較大，棉花、小麥、薯類等蒸散量較大，油料和水果蒸散量居中，玉米、大豆、蔬菜等蒸散量較小。不同地級市農作物蒸散量存在空間差異，信陽農作物蒸散量較小，主要與降水量較多、日照時數較少有關;開封和安陽農作物蒸散量較大，與其降水較少、氣溫偏高有關[27-28]。

河南省糧食作物的虛擬水量較大，經濟作物的虛擬水量較小（見表3）。糧食作物中小麥的虛擬水量最大，其次是玉米，年均值分別為300.70億、141.25億m3;棉花、大豆、水果等經濟作物的虛擬水量較小，年均值分別為15.86億、15.35億、13.78億m3。河南省屬全國糧食主產區，承擔著國家糧食安全的重要任務，糧食作物是河南省的主要農作物，種植面積大且產量穩定（2017年河南省糧食種植面積14.73萬km2，產量為652.43億kg），水資源利用量較大;經濟作物種植面積小，水資源需求量較少。從動態變化看，棉花和薯類水足跡均下降明顯，而油料、水果和蔬菜等經濟作物水足跡增長較快。河南省應大力發展節水型農業，種植虛擬水量較低的糧食作物和經濟作物，以保障農業用水安全。

河南省動物產品的虛擬水量存在較大差異（見表3）。禽蛋的虛擬水量最大（多年平均值為132.11億m3），豬肉的虛擬水量次之（年均93.65億m3），禽肉、水產和奶類的較小。河南省玉米等飼料作物產量高且供給充足，促進了生豬、家禽等養殖業發展;肉類、蛋奶等動物產品虛擬水量增長較快，主要受市場需求量不斷增長的影響。從虛擬水戰略角度考慮，河南省應積極發展禽類和生豬等養殖業，進口牛羊肉和水產品等水密集型產品，增加高耗水的畜產品外部水足跡，減少當地動物產品生產水資源消耗量，以實現水資源合理利用和保障糧食安全。

3.2 河南省水足跡構成

根據河南省水資源總量等數據，利用式（1）～式（4），計算不同類型的水足跡（見表4）。河南省農業水足跡最大，其次為工業水足跡和生活水足跡，再次為生態水足跡和貿易水足跡。河南省水足跡總體呈上升趨勢，年均增長0.37%，2017年最大（994.89億m3），表明河南省水資源利用量逐年增大，水資源壓力較大。①河南省農業水足跡居主導地位，多年平均值占總水足跡的83.47%，主要與傳統農業大省地位、農作物需水量較大有關。②河南省年均工業水足跡占總水足跡的8.07%，工業灰水足跡由50.75億m3降至19.68億m 表明工業用水效率不斷提高，水環境質量不斷改善。③河南省多年平均生活水足跡占總水足跡的7.74%，年均增長率0.99%，原因在于隨著生活水平的提高和人口數量的不斷增加，對水的品質和需求總量增長;年均生活灰水足跡為生活水足跡的2.29倍，表明生活污水問題趨于嚴重。④生態水足跡和貿易水足跡僅占1.21%，這與河南省生態環境用水量偏少、經濟發展水平整體不高且對外貿易和經濟交流能力較弱有關。河南省多年人均水足跡為912.96 m 高于全國平均水平601 m3[29]，表明人均水資源消費水平高于全國平均水平。河南省總灰水足跡占總水足跡的27.97%，表明區域消納污染負荷所需淡水較多，水資源短缺形勢比較嚴峻。

3.3 河南省水資源利用評價

依據水資源利用評價指標體系（見表1），計算2007—2017年河南省水足跡結構等指標值（見表5）。可以看出：河南省水資源自給率很高（99.32%～99.71%），進口依賴度很低（0.29%～0.68%），表明水資源基本實現了自給自足;水足跡經濟效益不斷提升，由2007年的15.70元/m 持續增至2017年的44.78元/m3;水足跡土地密度由2007年的57.45萬m3/km2波動增至2017年的59.57萬m3/km2，表明單位土地面積耗水量增大;除2010年外，水資源壓力指數均大于2，表明水資源處于過度開發利用和較大壓力狀態;多年平均水資源匱乏指數為2.91，表明水資源供需矛盾較為突出，水資源安全形勢不容樂觀;2014年以來水資源壓力指數和匱乏指數均呈減小趨勢，表明水資源短缺狀況逐步得到好轉，原因在于南水北調中線工程供水一定程度上緩解了河南省的水資源壓力。

3.4 河南省水資源利用與經濟增長關系分析

運用式（5）計算脫鉤指數，分析河南省水資源利用與經濟增長的關系，結果見表6。河南省水資源利用與經濟增長整體上處于協調狀態，水資源利用較為合理。2008年、2009年、2012年、2014年和2015年河南省水資源利用與經濟增長處于強脫鉤優質協調狀態，GDP、水足跡變化率分別為5.87%～19.94%、-2.89%～-0.38%，表明在水資源高效利用的同時，經濟平穩增長;2010年、2011年、2013年、2016年、2017年處于弱脫鉤初步協調狀態，GDP、水足跡變化率、脫鉤指數均大于0，表明經濟增長速度超過水資源消耗速度，兩者保持同步增長，水資源利用較為合理。2016和2017年河南省灰水足跡持續下降（見表4），表明水環境質量不斷改善，但農業水足跡增長，導致總水足跡增加，水資源利用與經濟增長呈現弱脫鉤初步協調狀態。因此，調整農業結構、改進農業灌溉技術等，能夠促使水資源利用與經濟增長向強脫鉤優質協調狀態轉變。

4 結 論

運用水足跡模型和脫鉤模型，在構建河南省水資源利用評價指標體系的基礎上，分析了農業虛擬水量、水足跡構成等，研究了2007—2017年河南省水資源利用與經濟增長之間的脫鉤關系，結論如下。

（1）河南省小麥等糧食作物的虛擬水量較大，棉花等經濟作物的虛擬水量較小。棉花和薯類水足跡下降明顯，油料、水果和蔬菜等經濟作物水足跡增長較快。

（2）河南省水足跡構成差異顯著，其中農業水足跡最大，其次為工業水足跡和生活水足跡，再次為生態水足跡和貿易水足跡。

（3）河南省水資源總量變化較大，但供水量較為穩定，水資源自給率較高;水足跡總量較為穩定且效益不斷提升，水資源壓力和匱乏指數波動下降。

（4）2008—2017年河南省水資源利用與經濟增長處于協調狀態，且呈現波動變化趨勢，2008年、2009年、2012年、2014年和2015年處于強脫鉤優質協調狀態，其余年份則為弱脫鉤初步協調狀態。

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【責任編輯 張華興】