基于水足跡的區(qū)域水資源定量測度與特性分析

張先起，李 浩，梁士奎，王立康

(華北水利水電大學 水利學院，鄭州 450046)

0 引 言

水資源是人類賴以生存和發(fā)展不可或缺的母體資源，也是構成整個地球生態(tài)系統(tǒng)演變的重要部分[1]。在水資源問題嚴重、社會發(fā)展和水資源需求矛盾突出、區(qū)域水資源開發(fā)利用結(jié)構不合理等問題日漸加劇的情況下，強化水資源統(tǒng)一管理、科學管理，實現(xiàn)水資源定量測度，促進水資源可持續(xù)利用就顯得尤為重要[2,3]。關于研究水資源定量測度方面，國內(nèi)外學者進行了大量的研究工作，取得了豐富的成果。水足跡理論提出于2002年，是指在日常生活中總消費產(chǎn)品及服務過程所耗費的不可見的水資源[4]。Al-Furaiji等[5]利用產(chǎn)品產(chǎn)量和水資源的關系，確定了區(qū)域灌溉、工業(yè)和畜禽的年用水量并建立了用水平衡；Zoumides等[6]研究了水資源的供應使用與農(nóng)作物的兩個指標，即水資源利用效益和某段時間內(nèi)區(qū)域藍水稀缺度的耦合度，進行了水足跡相關性的調(diào)查；Mekonnen和Hoekdtra[7]通過5×5的高分辨率網(wǎng)格提高了研究精度，利用以天為步長的動態(tài)水平衡模型，計算農(nóng)作物中水足跡隨時間推移的變化情況。周玲玲等[8]采用DPSIP模型、變異系數(shù)法和熵值法構建了水資源可持續(xù)利用評價體系，確定了指標體系的權重；劉梅等[9]利用水足跡計算方法結(jié)合虛擬水貿(mào)易平衡的角度，探討了區(qū)域水足跡的時空差異性。研究者針對水資源定量測度的探索取得了一系列具有重要價值的研究成果，也為下一步研究打下了堅實基礎?？沙掷m(xù)發(fā)展定量測度的核心是確定人類是否生存于生態(tài)系統(tǒng)的承載力范圍之內(nèi)[10]。水資源開發(fā)利用的測定復雜多變，不僅受地域結(jié)構、區(qū)域環(huán)境、氣候等特性影響，還受到生態(tài)系統(tǒng)演變、人類活動、社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構等多因素制約[11,12]。本文以鄭州市水資源定量測度為例，基于水足跡理論與方法，通過細分水資源消耗各個用水戶的關系，建立實體水資源消費、產(chǎn)品水資源消費、生態(tài)水資源需求等用水賬戶，定量地計算了區(qū)域水資源利用的狀態(tài)與程度，并對其動態(tài)演變特征進行了分析。

1 研究方法

1.1 水足跡及計算方法

水足跡是指在一定技術條件下，一個國家、一個區(qū)域或全球生產(chǎn)其人口消費的所有資源所需的水資源量。所有資源包括食物、日用品、人類直接消耗的水資源，同時也涵蓋維持該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康所必須的水資源。水足跡能更加真實反映區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展過程中消耗的水資源量，其計算公式為：

WFR=WFRc+WRFp+WRFer=NWRFpc

(1)

式中：WFR為總水足跡，m3/a；WFRc為實體水資源消費足跡，m3/a；WFRp為產(chǎn)品水資源消費足跡，m3/a；WFRer為生態(tài)水資源需求足跡，m3/a；N為人口總量，人；WFRpc為人均水資源消費足跡，m3/a。

1.2 水足跡賬戶類型

依據(jù)水足跡，將用水戶主要分為3種賬戶類型，分別是：

(1)實體水資源消費：分為農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量和生活用水量3種，其中農(nóng)業(yè)用水量包括農(nóng)業(yè)灌溉、林業(yè)灌溉、牧業(yè)草場灌溉等用水行為所消耗的水資源量；工業(yè)用水量包括在工業(yè)生產(chǎn)工程中用于冷凝、稀釋、溶劑等作用的水資源量，一方面，在水的利用過程中通過不同途徑進行消耗，另一方面，以廢水的形式排入自然界，參與正常水循環(huán)。所以工業(yè)用水量計算十分復雜，通常都是通過萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量來估算。生活用水量包括人類正常的生活或生存用水量和以其他途徑使用的一部分水資源(公共用水、建筑用水等)。

(2)產(chǎn)品水資源消費：包括農(nóng)產(chǎn)品用水量、工業(yè)產(chǎn)品用水量和動物產(chǎn)品用水量。在計算產(chǎn)品水資源用水量時必須考慮產(chǎn)品生產(chǎn)過程中消耗的水量和產(chǎn)品自身的含水量。其中農(nóng)產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品的自身含水量相較于其生產(chǎn)過程中所消耗的水資源量只是很小的一部分，可忽略不計；動物產(chǎn)品用水量則包含了自身含水量、生長用水量和宰殺加工用水三部分。

(3)生態(tài)水資源需求：指在一定區(qū)域，以改善城市環(huán)境為目的，支撐生態(tài)系統(tǒng)完整性所需的水資源量?？煞譃樘烊簧鷳B(tài)系統(tǒng)用水和人工建設生態(tài)系統(tǒng)用水，主要包括公園湖泊用水、風景觀賞河道用水、城市綠化與園林建設用水以及污水稀釋用水等?？删C合考慮無植物水面蒸發(fā)量和城市園林綠化用水定額來計算。

1.3 水足跡承載力

根據(jù)國際公認水資源開發(fā)利用的警戒線，區(qū)域水資源開發(fā)利用率若超過可利用水資源總量的30%～40%，就可能引起生態(tài)環(huán)境的惡化。為了維持生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)性發(fā)展，因此，在水資源承載力計算中應扣除不低于60%的水量。其計算公式為：

WCC=0.4WA=NWCCpc

(2)

式中：WCC為水資源承載力，m3/a；WA為可利用水資源量，m3/a；N為人口，人；WCCpc為人均水資源承載力，m3/a。

有時，也可以用水資源需求量 與水資源供給量 的比值來表示水資源匱乏度 ，即社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源的壓力程度。計算公式為：

WS=WFR/WCC

(3)

當WS>1 時，說明已經(jīng)超出水資源承載力，而且WS值越增加，超載越嚴重；

當WS=1 時，說明處于水資源承載力臨界狀態(tài)；

當00。

在許多水資源比較短缺的地區(qū)，水資源成為社會經(jīng)濟發(fā)展的主要制約性因素。同時，社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源也有積極的作用，也有不利的影響，它們相互聯(lián)系、相互制約、相互影響?？梢杂盟阚E與GDP的比值即為GDP水足跡WFRgdp來表示水資源利用效益。

WFRgdp=WRF/GDP

(4)

WFRgdp越大，表示水資源的利用效益越低，水資源可持續(xù)利用的效率越低；反之，WFRgdp越小，表示水資源的利用效益越高，水資源可持續(xù)利用的效率越高。

2 實例研究

2.1 研究區(qū)概況

鄭州市是河南省省會，全省政治、經(jīng)濟、文化中心，是新亞歐大陸橋上的重要城市，介于東經(jīng)112°42′～114°14′和北緯34°16′～34°58′之間，北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃河沖積平原。鄭州多年平均年降水量640 mm，年平均氣溫在14～14.3 ℃之間。全市總面積7 446.2 km2，其中市區(qū)面積1 010.3 km2，建成區(qū)面積382.7 km2，城鎮(zhèn)化率67%。全市總?cè)丝?56.9 萬人，城鎮(zhèn)人口668.1 萬人，鄉(xiāng)村人口288.8 萬人。2015年，全年實現(xiàn)生產(chǎn)總值7 315.2 億元，全市完成財政總收入1 419.5 億元，地方財政一般預算收入942.9 億元。

2.2 實體水消費足跡

實體水資源消費足跡主要是農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活三種用水戶總計消費的水量，其中農(nóng)業(yè)用水量包括農(nóng)業(yè)灌溉、林業(yè)灌溉、牧業(yè)草場灌溉等用水量；工業(yè)用水量包括在工業(yè)生產(chǎn)工程中用于冷凝、稀釋、溶劑等作用的水資源量；生活用水量包括城鄉(xiāng)居民生活和公共用水。計算所需相關數(shù)據(jù)可從《2005-2014年鄭州市水資源公報》獲得，結(jié)果如表1所示。

2.3 產(chǎn)品水消耗足跡

研究區(qū)的主要產(chǎn)品分為農(nóng)產(chǎn)品、動物產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品三類，其中糧食、棉花、油料、煙葉、蔬菜、瓜果等農(nóng)產(chǎn)品的水資源消耗量已計算在實體水資源消費足跡的農(nóng)業(yè)用水中；同時工業(yè)產(chǎn)品的消耗水量也計算在實體水資源消費足跡的工業(yè)用水中。故產(chǎn)品水消耗足跡只用計算動物產(chǎn)品的水資源消耗量。但動物產(chǎn)品用水的統(tǒng)計資料一般比較粗，甚至無法統(tǒng)計，故采用Chapagain和Hoekdtra 2004年有關中國動物虛擬水含量的計算結(jié)果[13]。動物產(chǎn)品的各年數(shù)據(jù)來自《2005-2014年鄭州市統(tǒng)計年鑒》，2014年計算結(jié)果見表2。

表1 2005-2014年鄭州市實體水消費足跡 億m3

2.4 生態(tài)水需求足跡

鄭州市為了維持生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)發(fā)展必須扣除60%的可利用水資源量作為生態(tài)用水，且研究區(qū)河道無航運、景觀等任務。故這里的生態(tài)水足跡只需考慮城市綠化與園林建設用水等，結(jié)合《2005-2014年鄭州市水資源公報》數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

2.5 用水效果

根據(jù)鄭州市統(tǒng)計年鑒、水資源公報等資料，提取出人口、水資源總量、GDP等數(shù)據(jù)，按公式(1)～公式(4)分別計算出鄭州市水足跡、人均水足跡、水足跡承載力和水足跡利用效率等數(shù)據(jù)。結(jié)果見表4。

表2 2014年鄭州市城鄉(xiāng)居民主要消費產(chǎn)品水消耗Tab.2 Water consumption of major consumer products of urban and rural residents in Zhengzhou in 2014

表3 2005-2014年鄭州市生態(tài)水需求足跡Tab.3 Ecological water demand footprint of Zhengzhou city in 2005-2014

表4 2005-2014年鄭州市用水效果表Tab.4 Water effect table of Zhengzhou city in 2005-2014

3 特性分析

3.1 水足跡

2005-2014年鄭州市水足跡變化如圖1所示，由圖1可知，10年來水足跡呈逐步上升的態(tài)勢，從2005年的41.29 億m3逐步攀升到峰值2010年的50.10 億m3，然后2011年出現(xiàn)下降，2012-2014年開始逐步回升；人均水消費足跡呈現(xiàn)總體下降的趨勢，其中2010年和2011年下降幅度較明顯。這說明人口的增長和社會經(jīng)濟的發(fā)展對水資源的需求不斷增加。其中在2011年人口數(shù)量激增的情況下人均水消費足跡出現(xiàn)下降，且繼續(xù)呈下降的趨勢，說明產(chǎn)業(yè)結(jié)構的調(diào)整可能導致水資源消費量的大幅減少。

圖1 2005-2014年鄭州市水足跡動態(tài)特征Fig.1 Dynamic characteristics of water footprint of Zhengzhou city in 2005-2014

3.2 用水水平分析

由圖2可知，鄭州人均水足跡和其他國家和中國部分地區(qū)比較，鄭州市的人均水足跡低于全球平均水平，且遠遠低于美國、加拿大、西班牙、法國等發(fā)達國家；也低于泰國、馬來西亞等旅游勝地的國家。與國內(nèi)部分地區(qū)比也僅比石家莊和大連的人均水足跡高，但依然低于全國平均水平。北京、上海、重慶等發(fā)達城市水足跡遠遠高于鄭州，盛產(chǎn)牛羊制品的西北地區(qū)也率高于鄭州?？梢钥闯龅貐^(qū)的發(fā)達程度、經(jīng)濟狀況影響著水足跡，同時旅游業(yè)也是影響水足跡的重要因素。主要體現(xiàn)在發(fā)達國家和地區(qū)消費的產(chǎn)品和服務業(yè)更多，其中旅游業(yè)等服務行業(yè)屬于向外輸水行業(yè)(外地游客在旅游地消耗的水資源和景觀補水)，較大程度地增加了水足跡；鄭州相對于北京、山東、上海等城市經(jīng)濟的總體規(guī)模顯得較??；西北地區(qū)的一些如牛羊肉、皮革類的產(chǎn)品普遍消耗的水資源更多。

圖2 部分國家地區(qū)的人均水資源消費足跡Fig.2 Consumption footprint of water resources per capita in some countries

3.3 用水結(jié)構分析

由圖3可知，近年來鄭州市水足跡趨于穩(wěn)定，實體水資源消費量相對穩(wěn)定，但所占比例逐漸減小，消費量從2005年36%減少到2014年29%；產(chǎn)品水資源消費呈上升的趨勢，一直占據(jù)著水足跡的主導地位，消費量均超過55%；生態(tài)水需求量變化幅度最大，對比實體水資源消費和產(chǎn)品水資源消費只占用了極小的部分。對于實體水資源消費來說，工業(yè)和農(nóng)業(yè)始終是用水大戶，年用水量均超過了9 億m3；農(nóng)業(yè)實體用水整體呈下降趨勢，從2005年接近50%的比例下降到了2014年30%，農(nóng)業(yè)灌溉條件、技術的改善，產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和城鎮(zhèn)化的推進是造成農(nóng)業(yè)實體水消費減少的主要原因；工業(yè)實體用水基本持平維持在30%左右，鄭州市政府大力提倡節(jié)約用水、增加中水利用，盡管工業(yè)用水戶增加但用水量依舊得到較好的控制；生活實體用水量從2005-2014年持續(xù)上升，從2.87 億m3增加到5 億m3，增加了2.1 億m3占在實體用水量15%。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，鄭州市人口的增長和人民生活水平的提高，生活實體水資源消費量將不斷增加。由上可知，加大產(chǎn)業(yè)調(diào)整力度，發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)和旅游業(yè)是減少產(chǎn)品水消費的重要方式，在不影響消費的情況下可適當考慮減少牛肉等耗水量較高產(chǎn)品的生產(chǎn)。

圖3 鄭州市水足跡和實體水消費足跡Fig.3 Water footprint and physical water consumption footprint of Zhengzhou City

3.4 承載力分析

水資源匱乏度是衡量一個國家或地區(qū)水資源承載能力，與當?shù)氐目衫盟Y源量密切相關。由圖4可知，鄭州市近年來水資源匱乏度整體呈上升趨勢，WS超過1，說明已經(jīng)超出水資源承載力，而且WS值越增加，超載越嚴重。期間2007年、2011年出現(xiàn)拐點主要原因是當年降水量較大，水資源總量增加。鄭州市連續(xù)10年WS指數(shù)超過6，屬于重度超載，水資源承載能力不足以提供鄭州市區(qū)域水消費足跡；地下水超采嚴重，以影響到水資源可持續(xù)利用，水資源壓力也在不斷增大。

3.5 利用效率分析

萬元GDP水足跡是評價一個國家或地區(qū)用水量與產(chǎn)值的關系，也是當?shù)厮Y源利用效益的一個重要指標。從圖4中可以看出2004-2014年鄭州市萬元GDP水足跡呈下降趨勢，平均每年下降20 m3/萬元，其中2007年和2011年下降幅度最大分變?yōu)?6.8、29.3 m3/萬元。由此可知，產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型、用水方式的轉(zhuǎn)變使得鄭州市水資源利用效率不斷提高。這得益于河南省對節(jié)水型社會建設、水生態(tài)文明建設和嚴格水資源管理等工作的重視；鄭州市政府在水利建設方面的重視程度、投入力度及建設規(guī)模，尤其是在持續(xù)發(fā)展民生水利、強力推進生態(tài)水系、積極開展水污染防治等工作及其取得的成效。綜合來看，鄭州市水資源利用效益較高，且有繼續(xù)提高的趨勢，對鄭州市水資源可持續(xù)發(fā)展起到了積極作用。

(a)水資源匱乏度

(b)萬元GDP水資源足跡圖4 2005-2014年水足跡利用效率動態(tài)特征Fig.4 Dynamic characteristics of water footprint utilization efficiency in 2005-2014

4 結(jié) 語

水足跡是一種有效的定量評價水資源的方法?；谒阚E理論與方法，建立實體水資源消費、產(chǎn)品水資源消費和生態(tài)水資源需求等用水賬戶，結(jié)合鄭州市2005-2014年水資源利用情況、水資源匱乏度和萬元GDP用水量等指標，對鄭州市水資源進行了定量的測度。研究結(jié)果表明：鄭州市水足跡整體在穩(wěn)步上升，產(chǎn)品水資源消費和實體水消費占據(jù)水足跡的主體，實體水資源消費中工業(yè)用水的比重逐漸超越農(nóng)業(yè)水資源消費；鄭州市人均水足跡較低，與一些發(fā)達的國家和地區(qū)相比處于較大的劣勢；鄭州市整體經(jīng)濟形勢發(fā)展良好，萬元GDP產(chǎn)值用水量相對較低，但水資源供需存在較大的缺口，水資源匱乏程度較為嚴重，屬于重度超載。要保證水資源的可持續(xù)利用，必須進一步完善節(jié)水系統(tǒng)，嚴格控制經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模與產(chǎn)業(yè)，建設資源節(jié)約型社會。

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