基于水足跡理論的山西省水—糧食—能源間紐帶關系研究

鄭美君，賈亞敏，常建波，郝舒哲，高 尚

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

水、糧食與能源是滿足人類生存進步及經濟可持續發展的根基，當人類經濟發展到一定程度，水—糧食—能源被認為存在著盤根錯節的關系[1]：聯系緊密、相互牽制、相互依存。21世紀以來，隨著社會人口的膨脹式增長和經濟社會的興盛發展，水—糧食—能源之間的供求壓力日益凸顯[2]。

資源短缺、生產供給不均衡、地球生態環境變化等日益尖銳的問題引起了學者們的廣泛關注。Bazilian等學者構建了關于氣候—土地—能源—水模型（CLEWs），該模型主要強調不同研究領域間協作的重要性[3]。李良等學者建立WEF（Water-Energy-Food）耦合模型并對該系統進行量化分析，提出調節反饋與風險傳導的機制，進一步完善了WEF系統的區域風險管控體系[4]。彭少明等基于協同理論構建WEF系統整體分析的框架體系[5]。荷蘭學者 Arjen Y．Hoekstra 在虛擬水貿易國際專家會議上第一次提出了水足跡的概念[6]，用于揭示水資源利用與人類生產生活消費之間、水資源管理與全球貿易之間的聯系。

水—糧食—能源紐帶關系復雜，水資源安全、糧食安全、能源安全都同時制約影響著水—糧食—能源紐帶關系：農業灌溉將水資源與糧食安全緊密聯系在一起；糧食的收獲、加工、運輸又涉及到了能源安全；能源加工過程中污水處理制約著水資源安全（圖1）。從關聯角度來看，水—糧食—能源三者的聯系非常緊密，糧食的生產過程中灌溉等環節耗水量大；水是能源生產最基本的要素之一，能源生產從采礦到發電全過程均需要在水的輔助作用下完成；大量的能源在糧食收獲、加工、運輸等過程中被消耗。

圖1 水—糧食—能源三者間的紐帶關系

在中國，隨著人口基數的增長，經濟發展速度不斷加快及建設規模的擴大，必然造成需水量持續增加，缺水矛盾將更加凸顯出來[7]。山西省作為我國的能源產出大省，煤產量位居第一，但其水資源量卻一直處于緊缺狀態。特別是2021年山西省力保16省區市煤炭供應，煤炭年產量超11億t，給水資源帶來壓力的同時，也給水資源的合理調配出了難題。與此同時，2021年，山西省的糧食產量為1421.2萬t，耗水量不可忽視。保證糧食生產、能源產出系統的穩定性，更是水—糧食—能源關系穩定中極為重要的一方面。鑒于三者之間錯綜復雜的關系網，本文將基于水足跡理論[8]，分析山西省2010—2020年各類水、糧食、能源消耗量，通過量化計算糧食與能源水足跡，探究水足跡的發展變化趨勢，進而分析水足跡對水資源壓力的影響[9]，為保障山西省內水—糧食—能源的供需穩定和高效發展提供建議，以保障山西省高質量社會經濟發展。

1 研究區域概況

山西省處于黃河中游、華北平原的黃土高原上，地跨海河、黃河兩大水系，總面積15.67萬km2。截至2020年4月，全省水資源總量只有142億m3[10]，地下水資源儲量約93.1億m3[9]，可采水資源只占其中的45%[9]，人均占有量不足全國人均量的1/5，是全國缺水省份之一。省域內水資源主要用于農田灌溉，占比高達用水總量的54%[9]；其次是工業用水，占總用水量的17.7%[9]。山西省糧食播種面積3130.02 khm2[11]，總產量1424.2萬t[10]，占全國的2.1%。

山西省分布有豐富的礦產資源，其中煤炭儲量2709.01億t，占全國煤炭儲量的17.3%，居全國第三；原煤產量11.9億t[10]，占全國的29.2%，居全國第一。

2 研究方法

2.1 水足跡計算方法

水足跡指的是一個國家、一個地區或一個人，在一定時間內消費的所有產品和服務所需要的水資源數量[12]，可以分為灰水、綠水、藍水足跡三個方面。其中，灰水足跡是指將污染物處理到符合環境排放標準所需的水資源量；綠水足跡是指蒸散的雨水總量，對農作物而言是根部土壤存儲的雨水，即源于降水、存儲于土壤并通過蒸發、蒸騰進入到大氣中的水資源；藍水足跡是指在生產過程中消耗的地下水與地表水的總量。本文分析糧食生產水足跡時所選的糧食作物為谷類、豆類與薯類。計算過程中涉及的經濟作物包括蔬菜、瓜果、油料與棉花。選取山西省2010—2020年的谷類、豆類、薯類、蔬菜、瓜果、油料與棉花的播種面積，谷類、豆類與薯類的有效灌溉面積以及近10年的降雨量進行計算，得出糧食生產中水足跡。由于部分數據較難獲取，且相關計算方法和指標尚無統一的標準，故本文研究主要考慮藍色、綠色水足跡，計算公式[7]如下：

糧食生產過程中總水足跡WWFi為：

式中：BBWFi、GGWFi—糧食生產中藍水足跡、綠水足跡。

式中：—單位面積灌溉糧食作物用水量；S—糧食作物有效灌溉面積。

式中：IIRi—單位面積平均灌溉量；Si—總播種面積；SiG—各糧食作物播種面積；ai—經濟作物和糧食作物綜合灌溉率；SiE—經濟作物播種面積。

式中：Si，IR—總有效灌溉面積。

式中：—有效降水量；—糧食復種指數；i—年份。

有效降雨量引用美國農業部土壤保護局所推薦的方法進行計算，公式如下[14]：

式中：Pe—有效降水量（mm/d）；P—日降水量（mm/d）。

2.2 能源水足跡評價模型

能源水足跡評價模型是以ISO標準水足跡方法為基礎，采用USDA土壤保持局推薦的方法[14]，從能源生產的詳細流程出發，包含開采、加工與排放物的處理等的水足跡評價模型。采用能源水足跡評價模型對山西省煤、天然氣和火力發電生命生產周期中的水足跡進行計算分析。能源水足跡分為兩個部分，第一部分是生產過程中的直接水足跡，第二部分是生產要素消耗帶來的間接水足跡。能源藍水足跡為生產過程中所消耗的地下水與地表水，能源灰水足跡是能源利用過程中用于稀釋污染排放物達到排放標準的用水量。能源水足跡評價模型的公式[15]為：

式中：EPWF—能源單位產量水足跡；PWFdirect—能源生產過程的直接單位產量水足跡；PWFindirect—能源生產過程的間接單位產量水足跡；PWFb,d—能源生產過程的直接單位產量藍水足跡；PWFg,d—能源生產過程的直接單位產量灰水足跡；PWFb,in—能源投入的間接單位產量藍水足跡；PWFgin—能源投入的間接單位產量灰水足跡。

鑒于生命周期的所有過程，能源水足跡應是每個階段生命周期水足跡的總和，用下列公式表示：

式中：m—第m個生產過程；n—第n類能源；其他變量含義同上。

能源水足跡EWF的計算公式如下[16]：

式中：EPWFn—第n類能源單位產量水足跡；Pn—第n類能源產量。

2.3 水資源集約利用度（WIUD）

水資源集約利用度指標用來表示區域利用水資源產生經濟效益的程度，可以用區域年GDP與區域總水足跡的比值[16]來表示。數值越大，表明該地區水資源產生的經濟效益與利用效率愈高；反之，表明該地區的水資源產生的經濟效益與利用效率愈低。計算公式為：

式中：GDP—區域年生產總值，WWFi—區域總水足跡。

2.4 水資源壓力指數（IWSi）和競爭強度指數（CCCIi）

該指數是顯示各方面資源是否調配合理、資源是否發揮了最大的效能及系統是否高效運轉的重要指標。本文通過計算山西省的壓力指數和競爭強度指數，分析并判斷水—糧食—能源系統是否高效運行。水資源壓力指數計算公式為：

式中：Wtvi—水資源開發利用總量；Wtrui—過境水量；Witvi—跨流域調水量；WAi—可利用的水資源量。

糧食和能源對水資源的壓力指數計算公式為：

式中：IFi—糧食對水的壓力指數；IEi—能源對水的壓力指數；—糧食生產藍水足跡；—能源生產藍水足跡；Diω—總用水量。

水—能源—糧食競爭指數計算公式為：

其中，糧食和能源的耗水率計算公式為：

3 數據來源

本文對山西省水、糧食、能源關系研究所需基礎數據進行了全面收集。其中各類作物播種面積、產量及能源產量等各項數據來自2010—2020年《山西省統計年鑒》《中國能源統計年鑒》《中國統計年鑒》；降水量等水資源數據來自2010—2020年《山西省水資源公報》；作物綜合灌溉率等數據采用已知數據計算獲得；各類能源單位產量的水足跡值參考相關文獻[15]。

4 結果與分析

4.1 糧食生產水足跡時序分析

采取水足跡的計算方法進行山西省2010—2020年糧食生產水足跡的計算，圖2為2010—2020年糧食生產水足跡結果。圖2（a）為山西省2010—2020年總糧食生產綠水足跡，整體在150～200億m3浮動，整體情況較為穩定，回顧2016年年度氣候數據，當年降水適宜，產業結構調整促使總糧食生產綠水以及藍水足跡有較為明顯的提升；由圖2（b）可知，藍水足跡2010—2016年整體呈波動上升趨勢，從2016年到2020年，藍水足跡從107.8億m3降低到87.8億m3，減少18.6%。從圖2（c）可知，山西省2010—2020年總糧食生產水足跡整體在250～300億m3波動，數值較為穩定。2013—2015年以及2016—2020年，總糧食生產足跡呈現階段式下降。

圖2 2010—2020年山西省總糧食生產水足跡

圖3為山西省2010—2020年谷類、豆類和薯類作物的水足跡分布。由圖3（d）可知，谷類糧食生產綠水足跡從2010年的137.3億m3上升到2020年的160.7億m3，上升率為17%；藍水足跡從2010年的36.2億m3增長到2020年的39.2億m3，增長率為8.2%。由圖3（e）可知，豆類糧食生產綠水足跡整體呈下降趨勢，從2010年的15.0億m3下降到2020年的10.7億m3，下降率為28.7%；豆類糧食生產藍水足跡2010—2016年呈上升趨勢，2016—2020年呈下降趨勢。由圖3（f）可知，薯類糧食生產綠水足跡整體在10億m3的范圍上下波動，且波動幅度不大；藍水足跡2010—2016年呈現上升趨勢，由2010年的21.7億m3上升到2016年的29.2億m3，上升率為34.5%，2016—2020年呈現下降趨勢，從2016年的29.2億m3下降到2020年的24.3億m3，下降率為16.7%。

圖3 2010—2020年山西省主要糧食作物生產水足跡

山西省糧食生產水足跡中谷類占比最大，2010—2020年谷類水足跡占比約為70.94%，豆類占比約在16.19%左右，薯類占比在12.87%左右。其原因在于谷類作物的蒸騰散失較大，故對水資源量需求量很大，因而消耗較多的地下水和地表水。

4.2 能源生產水足跡時序分析

山西省2010—2020年的能源生產水足跡如圖4所示。分析可知，山西省2010—2020年能源生產水足跡可分為三個階段，第一階段為2010—2015年呈上升趨勢，第二階段為2015—2016年呈下降趨勢，2016—2020年呈穩定上升趨勢。在第一階段中，能源生產水足跡從49.4億m3增長至62.7億m3，增長率為26.9%；天然氣水足跡從0.07億m3增長到0.15億m3，增長率為114.3%；火力發電水足跡從9.20億m3增長到10.33億m3，增長率為12.3%；煤生產水足跡從40.12億m3增長到52.35億m3，增長率為33%。在第二階段，能源生產水足跡從62.7億m3下降到55.4億m3，下降率為11.6%；第三階段能源生產水足跡從55.4億m3增加到71.9億m3，增長率為29.8%；天然氣從0.15億m3增長到0.29億m3，增長率為93.3%；火力發電從10.3億m3增長到13.2億m3，增長率為28.2%；煤從45.0億m3增長到58.4億m3，增長率為30.0%。2010—2020年山西省能源生產水足跡中，煤生產水足跡占比最高，基本都在80%以上。

圖4 山西省2010—2020年能源生產水足跡

2010—2020年，山西省能源水足跡呈上升趨勢，其中煤炭的需水量最多。煤炭生產過程中，挖掘、洗滌、發電廠冷卻以及煤灰控制都會消耗一定的水量，如若處理不當，煤炭生產加工過程排放物將會污染空氣，不斷積累而形成酸雨，影響水資源的酸堿度[17]。因此，山西省應該推進能源綠色低碳轉型，淘汰落后產業，以期減輕水資源的壓力。

4.3 水資源集約利用度分析

水資源集約利用度（WIUD）[10]通過將GDP與水足跡類型關聯來衡量水資源利用的效率。山西省2010—2020年的水資源集約度如圖5所示。2010—2016年水資源集約利用度增長緩慢，2016—2020年水資源集約利用度呈明顯增高的趨勢，增長率約為48.86%。2010年最低為31.2元/m3，2019年最高為53.8元/ m3。2016年，山西省人民政府為了加強改革力度以及規范農業用水需求管理，省辦公廳施行了一系列政策，結合山西省的現狀，建立健全農業水價形成機制，顯著提高了農業用水效率，故出現了增高的趨勢，同時也表明水資源在山西經濟發展過程中得到了充分利用。

圖5 山西省2010—2020年水資源集約利用度分析

4.4 能源和糧食對水的競爭指數時序性分析

通過對2010—2020年山西省水資源壓力指數計算得到圖6所示折線圖。分析可知，山西省水資源總量較不穩定，最大值在2016年，水資源開發利用總量達到了134.14億m3，最低是2010年，水資源開發利用總量為91.55億m3。由水—糧食—能源之間的紐帶關系可知，不穩定的水資源總量會影響糧食與能源的生產。水資源壓力指數在2010—2020年雖然中途有起伏，但是大體上呈現下降趨勢，最高峰是2011年的2.496，最低是2018年的2.462。2018年之后，山西省水資源壓力指數漸漸趨于穩定狀態。

圖6 2010—2020年山西省水資源壓力指數

對圖7分析可以看出，2010—2020年糧食和能源對水的壓力指數呈現一個波動緩慢增長的趨勢，2019年達到最高值為0.4644，2011年到達最低值0.3568，從2010年0.3983到2020年0.4244，能源和糧食對水的壓力指數增長率為6.55%。山西省可利用水資源量相比于水資源開發利用總量較少，農業是山西省主要的水資源消耗產業，故如圖7所示，山西省糧食對水的壓力指數較大，2010—2020年糧食對水的壓力指數平均值為0.561；能源對水的壓力指數平均值為0.074，但由于城市化進程的加快，居民對于能源的需求量在不斷增加，2010—2020年能源對于水的壓力指數呈現出增加的趨勢。

圖7 2010—2020年山西省能源和糧食對水的壓力指數

由圖8可知，2010—2015年能源和糧食耗水率呈現緩慢上升趨勢，從2010年的0.640增長到2015年的0.689，增長率為7.66%；2015—2020年，能源和糧食耗水率出現了緩慢下降的趨勢，2015年耗水率為0.689，2020年為0.602，下降率為12.63%。

圖8 2010—2020年山西省能源和糧食對水的競爭指數

山西省2010—2020年水—能源—糧食競爭指數整體在2左右浮動，其中，2019年達到峰值為2.167，最低2011年為1.750，2012年、2015年、2018年、2019 年為激烈競爭。山西省2010—2011、2012—2013、2015—2017競爭指數雖然有一定程度的降低，但仍處于強競爭。山西省城市化進程較快，人口逐年增加，這就直接促使山西省生態、居民生活需水量的增加，并且人口增長也會增加對糧食、能源的需求量。目前，山西省水資源嚴重不足，山西省近10年人均水資源量312.3 m3，全國近10年人均水資源量為2070.48 m3，人均水資源量為全國平均值的1/7，水資源供需矛盾較為突出。

5 結論與建議

（1）山西省2010—2020年總糧食生產水足跡整體較穩定，在250～300億m3的范圍內波動，其中谷類水足跡占比最大，約占糧食總水足跡的70.94%，能源水足跡顯著低于糧食水足跡。城市對于能源的需求量在不斷加大，能源水足跡近年來呈現出上升趨勢。建議完善落后產能淘汰機制，發展新型綠色能源，進行新型節能產業改革，從而達到減少糧食和能源生產過程耗水量的目的。從糧食層面來分析，應加大節水農業的推廣力度，采用滴灌等節水灌溉方式，并利用土壤濕度傳感器的自動化數據獲取體系[18]，提高水資源利用效率。除此之外，應該在糧食產區創立研發節水技術的科研基金，讓科研成果從理論變成實際，讓科技深入到農戶，進而降低山西省的水資源消耗；從能源層面來講，應該研發引進技術工藝和能源設備，向消費者倡導合理的消費模式，提高資源循環利用水平；同時也要完善產業淘汰機制，不斷推動傳統產業變革，并且要發展新能源，強化技術改革。

（2）由2010—2020年鑒中數據可知，山西水資源總量不穩定，隨年份變化較大。另一方面，糧食和能源對水的壓力指數一直在較高水平波動，且糧食和能源對水的競爭指數一直表現為強競爭，說明山西省面臨一定的缺水壓力。建議山西省加大相關的科研投入力度并注重信息化技術的推廣應用，更新加工生產設備，使生產過程“信息化、智慧化”。糧食產區提高滴灌和移動式噴灌等新節水技術的覆蓋率，能源生產過程改善生產工藝，根據實際情況引進科技含量高的設備，加強能源生產技術的創新，提高再生水的循環利用率，促進水資源在糧食和能源生產過程中的高效應用。

（3）山西省與相鄰的河北省相比較，糧食生產水足跡大致相同，能源水足跡山西省高于河北省，水資源總量山西省略低于河北省。在此基礎上，山西省水資源壓力指數略低，糧食和能源的競爭指數在研究年份基本都高于河北省[19]。可見，山西省在水—糧食—能源協調發展機制上還存在不足。為此建議山西省健全相關部門間的溝通協調機制，在合理規劃、資源調度、高效利用等方面加強交流與合作，使各環節能夠有效銜接，使水—糧食—能源更加合理、高效、可持續地發展。

（4）內蒙古同樣作為煤炭大省，糧食生產水足跡高于山西省，能源生產水足跡略低于山西省，水資源總量遠高于山西省。在此基礎上，山西省水資源壓力指數、糧食和能源的競爭指數在研究年份基本都高于內蒙古[20,21]，由此可見，區域間水資源分布極不合理。為緩解山西省資源型缺水問題，可以通過調水工程來協調地區間的水資源量，使水資源得到合理利用[3]。

（5）山西省在經濟發展的同時，也伴隨著植被破壞、水土流失[23]、地表沉降、環境污染[24]等不利因素。未來山西需要在水—糧食—能源構成的結構上深化改革，大力推進能源核心技術研發，全面推進綠色煤礦智能開采，加快能源生產綠色轉型，構建清潔、低碳、安全、高效的現代能源體系。