基于水足跡理論的西北5省(區)水資源評價

DOI：10.15928/j.1674-3075.202207170278

收稿日期：2022-07-17""""" 修回日期：2023-11-17

基金項目：喀什大學科研啟動項目（GCC2020ZK-001）;新疆維吾爾自治區自然科學基金（2017D01A11）。

作者簡介：韋良煥，1981年生，女，教授，主要從事生物質固廢資源化和生態經濟研究。E-mail：weilianghuanabc@126.com

通信作者：莫治新，1978年生，女，教授，主要從事環境土壤學研究。E-mail：1137561513@qq.com

摘要：基于水足跡理論，對西北甘肅、青海、陜西、寧夏和新疆5省（區）2000-2019年水足跡進行分析和比較，利用水足跡人口密度、水足跡經濟效益以及水資源壓力指數對水資源現狀進行評價，為區域水資源可持續利用提供理論依據。結果顯示，研究時段內陜西、甘肅、寧夏和新疆人均水足跡和人均虛擬水足跡均呈現波動增長趨勢，青海呈現下降趨勢；2019年甘肅、青海、陜西、寧夏、新疆虛擬水足跡作為水足跡的主要貢獻者，占比分別為89.48%、86.00%、81.75%、80.88%、75.68%，其中農產品虛擬水占虛擬水足跡最高的是甘肅（71.47%），其次是陜西（65.40%）、新疆（54.30%）、青海（49.93%）、寧夏（49.92%）；西北5省（區）水足跡人口密度除青海略有增加以外，陜西、甘肅、寧夏、新疆均表現為波動下降；水足跡經濟效益逐年升高，至2019年最高的是陜西（125.88元/m3），其次是寧夏（70.26元/m3）、青海（56.11元/m3）、甘肅（39.03元/m3）、新疆（43.40元/m3）。除2019年的寧夏外，其余時段及省（區）的水資源壓力指數均小于1；研究時段內新疆、甘肅、寧夏水資源壓力指數波動升高，增幅分別為93.58%、71.33%、27.12%；陜西、青海波動下降，降幅分別為5.46%、3.14%。研究表明，西北5省（區）水資源壓力總體不高，水足跡經濟效益逐年增加，但人均水資源擁有量的不均衡以及居高不下的人均水足跡，說明西北5省（區）水資源的可持續利用能力較弱。

關鍵詞：水足跡；虛擬水；水資源；西北地區

中圖分類號：Q143，TV213.4""""""" 文獻標志碼：A""""""" 文章編號：1674-3075（2024）04-0056-07

水資源是人類賴以生存和發展的基礎性資源，也是制約區域可持續發展的戰略性經濟資源。目前，全球有43個國家約7億人正面臨著水資源短缺壓力（吳兆丹等，2013）。我國作為發展中國家，水資源空間分布不均衡，且面臨水資源短缺和水污染雙重問題，如何實現區域水資源的可持續利用已成為目前研究的熱點問題之一。

2002年荷蘭學者Chapagain在虛擬水理論的基礎上提出了水足跡概念（Allan，1993; Chapagain amp; Hoekstra， 2004），即一定區域內生產商品和服務過程中所需要的水資源總量，此概念的提出為水資源研究和評價提供了新方法。國外早期對水足跡的核算主要針對全球和國家層面（Mekonnen amp; Hoekstra，2011;2012）；隨著水足跡概念引入國內，學者們開始從國家層面（龍愛華等，2005；劉民士等，2014）和省、市層面（鄧曉軍等，2007）研究區域水足跡的靜態變化；也有學者針對水足跡概念、方法及框架的研究（戚瑞等，2011；馬晶和彭建，2013）。隨著研究不斷深入，開始涉足不同區域水資源利用的動態變化和空間變化（尹默雪和趙先貴，2018；常玉婷和尤斌，2019；鄭亨等，2019；商慶凱等，2020）。在研究范圍上，有針對某一流域的水足跡研究（李鵬輝等，2019；朱振亞等，2021）；也有針對某一行業或產品的水資源評價（譚暉川，2017；馮興興等，2020；洪傳春等，2021）；但進行區域比較尤其是干旱區的研究較少（傅春和李軍涵，2021）。

我國西北的陜西省、甘肅省、青海省、新疆維吾爾自治區以及寧夏回族自治區屬干旱區范疇，地域遼闊，干旱少雨，生態環境脆弱，水資源短缺且污染嚴重。本文選取該5省（區）為研究對象，基于水足跡理論對2000-2019年的水資源利用進行評判，以期為水資源可持續利用提供理論依據。

1"" 材料與方法

1.1"" 水足跡計算

采取自下而上的水足跡計算方法，從人類對產品消費的角度計算5省（區）的直接水足跡（實體水）和間接水足跡（虛擬水），計算公式如下：

fw = fr + [i=1n（pi+fwi）] ①

式中：fw為人均水足跡；fr為人均直接水足跡，主要包括工業、居民生活以及生態環境實體水的使用；pi為第i種農產品的人均消費量，主要包括農產品和動物產品人均消費量，本文查閱了西北5省（區）糧食、食用植物油、蔬菜、鮮瓜果、豆及豆制品共6種農產品以及豬肉、牛羊肉、家禽類、蛋及蛋制品、奶及奶制品、水產品共6種動物產品的人均消費量；f[wi]為單位產品的虛擬水含量，其中西北5省（區）不同農產品和動物產品單位產品虛擬水含量參考相關文獻（孫才志和張蕾，2009；王曉宇，2016）。

1.2"" 水資源評價

在水足跡理論的基礎上，利用水資源壓力指數（WPI）、水足跡人口密度（WPD）和水足跡經濟效益（EBW）（張城等，2021），分別從水資源生態安全、人口增長以及經濟發展的角度對水資源利用進行評價。

WPI是區域人均水足跡與其可用人均水資源總量的比值，反映水資源壓力狀況。WPIgt;1，表明該區域處于缺水狀態，現有水資源無法滿足本區域水資源的需求，水資源利用壓力較大；WPIlt;1，表明該區域水資源可以滿足本區域水資源的需求，水資源壓力較小。計算公式如下：

WPI =" [fwwr]"""""""""""""" ②

WPD =" [pfw×p]""""""""""""""""""""""" ③

EBW =" [Gfw×p]"""""""""""""" ④

式中：WPI為水資源壓力指數，fw為人均水足跡，wr為區域人均水資源總量；WPD為區域總人口與總水足跡的比值，即水足跡人口密度（人/萬m3），反映單位水資源供給的區域人口數量，值越大表示該區域水資源支撐的人口數越多，水足跡人口承載能力越高；p為人口數量；EBW為水足跡經濟效益，即區域GDP與總水足跡的比值，反映單位水資源產生的經濟效益（元/m3），值越大說明該區域水資源產生了越大的經濟效益；G為區域GDP。

1.3"" 數據來源

本研究涉及的西北5省（區）工業、居民生活以及生態環境實體水、城鎮及農村居民主要農產品和動物產品人均消費量、人口數量、GDP以及水資源總量、人均水資源擁有量等數據，均來自中國統計年鑒和陜西、甘肅、青海、新疆、寧夏統計年鑒、中國環境統計年鑒、中國農村統計年鑒以及西北5省（區）的水資源公報統計數據。

2"" 結果與分析

2.1"" 人均虛擬水變化

2000-2019年西北5省（區）人均虛擬水變化如圖1所示。可以看出，人均虛擬水除青海略有下降以外，其他4省（區）均呈現波動上升趨勢，2019年人均虛擬水最多的是新疆，其次是甘肅、青海、寧夏和陜西。新疆人均虛擬水從2000年的884.87 m3增加到2019年939.86 m3，增幅為6.21%，年均增長0.32%；甘肅省從665.72 m3增加到755.13 m3，增幅為13.43%，年均增長0.67%；青海從909.56 m3下降到747.65m3，降幅為17.80%，年均下降1.03%；寧夏從559.53 m3增加到620.87 m3，增幅為10.96%，年均增長0.55%；陜西從374.51 m3增加到432.14 m3，增幅為15.39%，年均增長0.76%。人口增加是導致農畜產品需求量不斷增加的主要原因之一，而同期內新疆、甘肅、青海、寧夏和陜西人口增幅分別為36.45%、5.25%、17.60%、25.45%和6.37%。除此之外，氣候因素變化、極端天氣不斷、區域經濟快速發展，致使人們的消費結構發生改變，都會使水足跡不斷升高（丁天璁和于德永，2021）。

從虛擬水構成來看，西北5省（區）虛擬水主要由農產品虛擬水和動物產品虛擬水組成，其中農產品是虛擬水足跡的主要貢獻者。陜西農產品虛擬水從2000年303.02 m3下降到282.62 m3，占比從80.91%下降到65.40%；甘肅從580.46 m3下降到539.69 m3，占比從87.19%下降到71.47%；寧夏從378.45 m3下降到309.96 m3，占比從67.64%下降到49.92%；青海從580.77 m3下降到373.28 m3，占比從63.85%下降到49.93%；新疆從692.03 m3下降到510.38 m3，占比從77.07%下降到54.30%。至2019年，農產品虛擬水占比最高的是甘肅，其次是陜西、新疆、青海和寧夏（圖2）。說明隨著人們生活水平不斷提高，各省居民對農產品的需求量在逐年下降，而對畜產品的需求量不斷上升，尤其是新疆、青海和寧夏，由于當地居民飲食習慣對畜產品的需求越來越多，2019年占比分別達到45.70%、50.07%和50.08%。

2.2"" 人均水足跡變化

從西北5省（區）人均水足跡變化來看（圖3），2000-2019年青海人均水足跡與人均虛擬水變化類似，均呈現下降趨勢，青海省作為長江、黃河、瀾滄江的重要水源地（商慶凱等，2020），水資源總量和人均水資源擁有量都在逐年增加，說明青海目前水資源利用實現了開源節流，這與馬彩虹和趙晶（2016）研究結果相符；而其他4省（區）人均水足跡均呈現波動增長趨勢，這與其人均虛擬水變化相似。至2019年，人均水足跡最大的是新疆，其次為青海、甘肅、寧夏和陜西。新疆人均水足跡從2000年的970.58 m3增加到2019年的1 241.88 m3，增幅為27.95%，年均增長1.31%；青海從909.56 m3下降到869.36 m3，降幅為4.42%，年均下降0.24%；甘肅從766.32 m3增加到843.91 m3，增幅為10.13%，年均增長0.51%；寧夏從675.96 m3增加到767.63 m3，增幅為13.56%，年均增加0.67%；陜西從437.24 m3增加到528.63 m3，增幅為20.90%，年均增長1%。增幅最大的是新疆，其次是陜西、寧夏和甘肅。

從水足跡構成來看（圖4），西北5省（區）水足跡主要由虛擬水和實體水組成，且虛擬水是水足跡的主要貢獻者，實體水僅占比很小。截至2019年，西北5省（區）中，甘肅虛擬水占水足跡的比例最高，為89.48%，其次是青海、陜西、寧夏和新疆，占比分別為86.00%、81.75%、80.88%和75.68%。實體水占比除新疆以外，其他4省（區）均不到20%。

從實體水的來源看（表1），在人口持續增長的情況下，西北5省（區）生活用水變化不大，均呈現緩慢增加趨勢；陜西、寧夏和新疆的工業用水略有增加，甘肅和青海逐年降低；生態用水均呈現逐年升高的趨勢，尤其是新疆，2019年生態用水為49.0×108 m3，占工業、生活和生態總實體水的比例達64.30%。說明隨著居民環保意識的不斷提高、政府各項環保政策的實施以及供給側結構的改革，各省（區）水資源利用利率不斷提高，且對于生態環境建設的重視度也在逐年升高。

2.3"" 水資源評價

選取水足跡人口密度、水足跡經濟效益和水資源壓力指數，從人口、經濟、水資源生態安全角度對西北5省（區）水資源利用的評價結果如表2所示。

2.3.1"" 水足跡人口密度"" 除青海省水足跡人口密度略有增加外，西北其他4省（區）2000-2019年水足跡人口密度均呈現波動下降趨勢；至2019年，陜西水足跡人口密度最大，其次是寧夏、甘肅、青海和新疆。說明西北5省（區）中，陜西省單位水足跡支撐的人口數最多，而新疆水足跡支撐的人口數最少。

從表2可以看出，陜西水足跡人口密度從2000年的22.87人/萬m3波動增加到2014年的26.75人/萬m3，達到最大，之后又下降到2019年的18.92人/萬m3，降幅為17.29%；寧夏從2000年的14.79人/萬m3波動增加到2007年的17.39人/萬m3，達到最大，之后又開始下降到2019年13.03人/萬m3，降幅為11.94%；甘肅省從2000年的13.05人/萬m3波動增加到2013年的15.71人/萬m3，達到最大，之后下降到2019年11.85人/萬m3，降幅為9.19%；青海從2000年的10.99人/萬m3波動增加到2015年的12.58人/萬m3，達到最大，之后下降到2019年的11.50人/萬m3，整體呈現緩慢增長趨勢，增幅為4.62%；新疆從2000年的10.30人/萬m3持續下降到2019年的8.05人/萬m3，降幅為21.85%。綜上，除青海省以外，其余4省（區）水足跡人口密度均呈現下降趨勢，說明研究時段內青海省單位水足跡對其人口承載能力越來越大。

2.3.2"" 水足跡經濟效益"" 西北5省（區）2000-2019年水足跡經濟效益逐年升高，至2019年，水足跡經濟效益最高的是陜西（125.88元/m3），其次是寧夏（70.26元/m3）、青海（56.11元/m3）、甘肅（39.03元/m3）和新疆（43.40元/m3）。研究時段內，陜西、青海、寧夏、甘肅和新疆水足跡經濟效益增幅分別為1107.59%、901.05%、890.75%、664.92%和470.81%，年均增長分別為14.01%、12.89%、12.83%、11.30%和9.60%，其中增幅最大的是陜西，最小的是新疆，說明水資源產生的經濟效益均逐年增加，水資源利用效率不斷升高。

2.3.3"" 水資源壓力指數"" 水資源壓力指數除2019年寧夏為1.01以外，其余時段及省（區）均小于1，說明水資源均能滿足當地的需求，水資源壓力較小。從研究時段水資源壓力指數變化來看，新疆、甘肅和寧夏水資源壓力指數逐年升高，增幅分別為93.58%、71.33%和27.12%，年均增長分別為2.87%、3.54%和1.27%。2019年寧夏水資源壓力指數大于1，說明寧夏已經開始出現缺水狀態；甘肅和新疆水資源壓力指數雖然均小于1，但逐年增加的態勢表明，甘肅和新疆需要不斷提高水資源利用效率以及可持續利用，以保障其今后水資源利用供需平衡（余冊冊等，2017）；陜西和青海水資源壓力指數先波動升高后又下降，具體表現為從2000年的0.41和0.08增加到2006年的0.57和0.10，后又下降到2019年的0.38和0.06，降幅分別為5.46%和3.14%。其中青海水資源壓力指數最小，且遠離臨界值1，說明青海水資源供需矛盾較小，完全可以滿足當地水資源需求。

3"" 討論

3.1"" 基于水足跡理論的水資源評價具有可比性

本文在水足跡理論的基礎上，通過自下而上的方法，采用人均視角動態分析和比較了西北5省（區）長時間跨度內水足跡的變化，并從人口、經濟和生態安全3個方面進行了水資源利用評價，使評價結果具有可比性。從人口角度來看，除青海以外，其他4省（區）水資源消耗量逐年增加，且增加幅度大于人口的增加幅度；從經濟角度來看，西北5省（區）水資源利用過程中創造的財富在不斷增加；從生態安全角度來看，除寧夏開始出現缺水狀態以外，其他4省（區）水資源目前均能滿足當地需求，這與以往學者對新疆和青海的研究結果相符（余冊冊等，2017；商慶凱等，2020），說明評價方法具有科學性，可以為西北5省（區）水資源的科學管理以及可持續發展提供參考。

3.2"" 數據因素影響水資源評價指標的準確性

在此次水資源評價過程中，由于數據的不可獲得性，造成部分數據缺失，影響到計算結果的準確性。如實體用水中新疆和寧夏2000年和2001年的數據以及西北5省（區）2000-2002年實體用水中生態用水未統計；在計算西北5省（區）虛擬水時，由于不同區域、不同農產品和動物產品單位虛擬水含量因地形、氣候等不同因素的影響存在差異，而本文忽略這方面的差異，參考相關文獻提供的單位虛擬水含量進行計算；另外，西北5省（區）水資源狀況、人口密度、生活水平、風俗習慣以及消費結構等不同，也會影響最終的計算結果（潘文俊等，2012）。以上因素的存在使計算結果存在一定的誤差，后期可以通過改進研究方法，綜合考慮上述因素，使研究結果更加精準。

3.3"" 西北地區實現水資源可持續利用建議

3.3.1"" 合理開發資源，提高利用效率"" 西北5省（區）人均水足跡的年際變化除青海省略有下降以外，其他4省（區）均呈現增長趨勢，至2019年，人均水足跡最大的是新疆，為1 241.88 m3，其次為青海869.36 m3、甘肅843.91 m3、寧夏767.63 m3和陜西528.63 m3，與全球年人均水足跡1 240 m3和中國年人均水足跡702 m3相比（商慶凱等，2020），新疆人均水足跡略高于全球人均水足跡，青海、甘肅和寧夏雖低于全球人均水平卻高于我國平均水平，只有陜西省低于我國平均水平。因此，要想實現西北5省（區）水資源可持續利用，不斷提高水資源利用效率勢在必行。

3.3.2"" 優化產業結構，推進節水農業"" 西北5省（區）水足跡構成以農業虛擬水為主，占比為75.68%～89.48%，說明目前西北5省（區）產業結構依然是以傳統的第一產業為主。今后應不斷優化產業結構，逐漸降低第一產業的比重，并不斷開發高效節水的現代化農業生產技術，減少農業生產過程中的浪費和水污染，實現農業生產用水的可持續性。

3.3.3 加強環境保護，實現開源節流"" 據2018年《中國統計年鑒》，2017年西北5省（區）排放的工業廢水為39.93 億t，占全國工業廢水排放量的5.7%，其中COD占比6.7%；SO2、NO2、粉塵占比分別為14.35%、9.33%和12.82%。因此，加大對西北5省（區）環境保護力度，通過水、大氣和土壤的綜合環境治理，以西部大開發和“一帶一路”為契機，開發創新技術，實現廢水循環利用的同時，加強水資源保護知識宣傳，增強人們的節約用水意識，最終實現水資源的開源節流。

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（責任編輯"" 萬月華）

Evaluation of Water Resources in Five Northwestern Provinces and Regions

Based on the Water Footprint Concept

WEI Liang‐huan， CAI Ji‐xiang， LIN Ning， LI You‐wen， MO Zhi‐xin

（College of Chemistry and Environmental Science， Kashi University， Xinjiang Biomass Solid Waste

Resources Technology and Engineering Center， Kashi"" 844006， P. R. China）

Abstract：The provinces of Shaanxi， Gansu， Qinghai， Xinjiang Uygur Autonomous Region， and Ningxia Hui Autonomous Region are in the arid region of northwest China and are facing a shortage of water resources as well as severe pollution. In this study， the five provinces and regions were selected for research， and we evaluated utilization of water resources from 2000 to 2019 using the water footprint concept， aiming to provide a conceptual basis for the sustainable utilization of water resources. The water footprint of the five provinces and regions were analyzed from the aspects of population density， economic benefit， and the water resource pressure index. The per capita water footprint and per capita virtual water footprint of Shaanxi， Gansu， Ningxia， and Xinjiang during the research period presented a fluctuating upward trend， while Qinghai Province presented a downward trend. In 2019， the virtual water footprints of the five provinces and regions were the primary contributors to the water footprints， accounting for 89.48%， 86.00%， 81.75%， 80.88%， and 75.68% for Gansu， Qinghai， Shaanxi， Ningxia， and Xinjiang respectively. Among them， the virtual water in agricultural products accounted for the highest proportion of the virtual water footprint in Gansu （71.47%）， followed by Shaanxi （65.40%）， Xinjiang （54.30%）， Qinghai （49.93%）， and Ningxia （49.92%）. The population density of the water footprint showed a fluctuating downward trend in Shaanxi， Gansu， Ningxia and Xinjiang， but a slight increase in Qinghai. The economic benefits of the water footprint increased each year， with the highest value in 2019 in Shaanxi （125.88 yuan/m3）， followed by Ningxia （70.26 yuan/m3）， Qinghai （56.11 yuan/m3）， Gansu （39.03 yuan/m3）， and Xinjiang （43.40 yuan/m3）. From 2000 to 2019， the water resource pressure index of the region was less than 1， except for Ningxia in 2019， and the water resource pressure index in Xinjiang， Gansu， and Ningxia showed a fluctuating increase， with growth rates of 93.58%， 71.33%， and 27.12%， respectively， while Shaanxi and Qinghai fluctuated downwards， decreasing by 5.46% and 3.14%， respectively. To summarize， the overall pressure on water resources in the five northwest provinces and regions was not high， and the economic benefits of the water footprint increased during the study period. However， the imbalance in per capita water resource availability and the persistently high per capita water footprint indicate that the sustainable utilization capacity of water resources in the five northwest provinces and regions is weak.

Key words：water footprint; virtual water; water resource evaluation; northwest China