基于水足跡理論的瑪納斯河流域水資源評價

(石河子大學(xué) 理學(xué)院，新疆 石河子 832000)

1 研究背景

水足跡理論模型由A.Y Hoekstra[1]于2002年首次提出，經(jīng)過16 a的發(fā)展，該模型目前已被完善為一種能夠全面核算人類活動對水資源真實占用情況的綜合指標，從而為維護流域水資源安全、提高區(qū)域水資源利用效率提供了重要的科學(xué)依據(jù)[2]。與傳統(tǒng)的水資源消費計算方法相比，水足跡核算方法連接了生產(chǎn)者與消費者的足跡，反映了消耗和污染消納的需水量，能夠全面真實地反映產(chǎn)品與服務(wù)所消耗的水資源數(shù)量[3]。眾多學(xué)者已以水足跡理論為指導(dǎo)，對新疆水資源狀況進行了相關(guān)研究[4-6]，然而這些研究主要是集中在省域的水足跡分析、水資源安全和水資源可持續(xù)性評價方面，在流域尺度方面的研究較少。

瑪納斯河流域是新疆天山北坡經(jīng)濟帶最活躍的區(qū)域之一[7]，同時也是水資源供不應(yīng)求的區(qū)域[8-9]。伴隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，瑪納斯河流域水資源的供需矛盾進一步激化，但是針對該流域水資源評價方面的研究卻較少。本文以水足跡理論為指導(dǎo)思想，選取1990，1995，2000，2005，2010年和2015年為時間序列，對瑪納斯河流域的水足跡進行測算和分析；同時，利用水資源集約利用度、水資源進口依賴度以及社會化水資源稀缺指數(shù)，對該流域的水資源狀況進行客觀評價。

2 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域(以下簡稱瑪河流域)位于43°27′N～45°21′N，85°01′E～86°31′E，地處天山北坡經(jīng)濟帶中心，準噶爾盆地南緣，是新疆重要的商品棉和糧食生產(chǎn)基地。該河流域總面積為2.65萬km2，行政范圍上包括石河子市、瑪納斯縣、沙灣縣、新湖總場以及克拉瑪依市的小拐鄉(xiāng)[10]；流域內(nèi)有塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、大小南溝河以及巴音溝河6條相互獨立的河流[11]。20世紀50年代以來，流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，人口數(shù)量不斷上升，經(jīng)濟活動強度不斷加大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量隨之也迅速增加。此外，流域內(nèi)水資源供給由于越來越受到上游污染、工業(yè)與城市擠占等一系列不利因素的影響，致使水資源供需矛盾日益突出。目前，水資源短缺已經(jīng)成為制約區(qū)域社會發(fā)展的瓶頸，嚴重地影響到了經(jīng)濟的發(fā)展[12-13]。因此，對瑪河流域水資源利用狀況進行分析評價，并提出促進水資源可持續(xù)利用的策略顯得極為必要。

3 研究方法與評價指標

3.1 水足跡模型

水足跡是以虛擬水為基礎(chǔ)，從消費角度來衡量一個國家或地區(qū)對水資源的真實需求和占用情況的理論。它考慮到了水資源的自然屬性和社會屬性，構(gòu)建了水資源利用與人類生活消費結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為水資源可持續(xù)利用研究提供了一個簡單、直觀的方法[14]。本文采用自上而下的方法來計算瑪河流域的水足跡，其賬戶構(gòu)成如表1所列。

3.2 評價指標

3.2.1水資源集約利用度

水資源集約利用度可以用單位水足跡創(chuàng)造的GDP來測度，主要是用來衡量一個國家或地區(qū)水資源利用的程度和效率，反映區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展所付出的水資源代價。水資源集約利用度越大，說明該國或該地區(qū)的水資源利用效率高，其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也高；反之，表明該國或該地區(qū)的水資源利用效率低，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也低[15-16]。計算公式如下[17]：

(1)

3.2.2水資源進口依賴度

水資源進口依賴度，也就是指區(qū)域外部水足跡與該區(qū)域水足跡的比值。由于區(qū)域之間會進行進出口貿(mào)易，其中凈進口的產(chǎn)品越多且虛擬水含量越大，則該區(qū)域?qū)λY源的進口依賴度就越大。因此WD百分比越大，區(qū)域?qū)M口水資源的依賴程度也就越高。其計算公式如下[18]：

(2)

3.2.3社會化水資源稀缺指數(shù)

社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展使得水資源稀缺形式變得更加多樣，以往集中于水文等自然因素和水資源利用效率的評價，已不能全面客觀地反映當(dāng)前水資源的稀缺情況。因此，引入了社會適應(yīng)性能力，將水資源稀缺評價問題拓展到了社會經(jīng)濟領(lǐng)域。計算公式如下[19]：

SWSI=(HWSI/SAC)×AI

(3)

式中，SWSI為社會化水資源稀缺指數(shù)；HWSI為水文水資源稀缺指數(shù)(1萬m3水支撐的人口數(shù))；SAC代表社會適應(yīng)性能力指數(shù)，與人類發(fā)展指數(shù)數(shù)值相當(dāng)；AI是調(diào)整指數(shù)。HSWI和SWSI的劃分標準為[21-22]：0～6表示相對富余；6～10表示有壓力；10～20表示緊缺；>20表示極度緊缺。

3.3 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)瑪河流域的實際情況及數(shù)據(jù)的可獲得性，數(shù)據(jù)來源包括以下幾個方面：

(1) 聯(lián)合國糧農(nóng)組織的CLIMATE數(shù)據(jù)庫和CROP數(shù)據(jù)庫(http://www.fao.org)；

(2) 國際上有關(guān)虛擬水研究的中國動物產(chǎn)品虛擬水含量計算成果[3]及中國單位產(chǎn)品虛擬水含量數(shù)據(jù)和計算結(jié)果[22-23](見表2)；

(3) 1990～2015年間，石河子、沙灣、瑪納斯3個縣市的統(tǒng)計年鑒、新疆統(tǒng)計年鑒、中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒以及新疆水資源公報；

(4) 聯(lián)合國開發(fā)計劃署公布的中國1990～2015年人類發(fā)展指數(shù)(http://www.un.org/)。

4 結(jié)果與分析

4.1 瑪納斯河流域水足跡分析

“水足跡”是指任何已知人口(一個國家或地區(qū)或一個人)在一定時間內(nèi)消耗的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源的數(shù)量[24]。

表1 水足跡賬戶構(gòu)成Tab.1 The composition of the water footprint account

表2 主要農(nóng)-畜產(chǎn)品的單位質(zhì)量虛擬水含量Tab.2 Virtual water contents in the primary crops-livestock products m3/kg

依據(jù)“水足跡”概念，搜集了瑪河流域的生活用水量、工業(yè)用水量、生態(tài)環(huán)境用水量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量以及虛擬水進出口量共5個用水方面的指標。其中，前3項指標數(shù)據(jù)是從統(tǒng)計年鑒和水資源公報上獲取；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量由單位農(nóng)畜產(chǎn)品的虛擬水含量乘以農(nóng)畜產(chǎn)品的產(chǎn)量得到；由于缺乏經(jīng)濟貿(mào)易數(shù)據(jù)，虛擬水進出口量由新疆人均虛擬水進出口量乘以瑪河流域人口數(shù)量得到。根據(jù)表1中的公式，對瑪納斯河流域水足跡進行了測算。測算結(jié)果表明：瑪河流域的水足跡總量呈上升趨勢(詳見圖1)，由1990年的15.000億m3上升到2015年的48.100億m3，在25 a內(nèi)增加了3.2倍。其中，輸出的虛擬水量由1990年的0.710億m3上升到2015年的8.400億m3，內(nèi)部水足跡由1990年的14.470億m3上升到2015年的48.030億m3，凈進口虛擬水量也由1990年的0.570億m3上升到了2015年底的2.330億m3?，敽恿饔虻娜司阚E也呈現(xiàn)出了同步增長的趨勢，由1990年的1 606.500 m3/人上升到了2015年的4 730.500 m3/人，在25 a內(nèi)增長了近3.0倍。

圖1 瑪納斯河流域水足跡總量和人均水足跡量Fig.1 The total water footprint and per capita water footprint of the Manas River Basin

從水足跡的成分可以看出(見圖2)：① 農(nóng)業(yè)用水量所占的比例最高，而且呈現(xiàn)出了明顯的增長趨勢，從1990年的14.230×108m3上升到了2015年的53.020×108m3；② 工業(yè)用水量較穩(wěn)定，變化范圍在-0.081×108m3到0.109×108m3之間；③ 生活用水量呈現(xiàn)為明顯的波動變化，變化率波動幅度在-69.7%～119.4%之間；④ 生態(tài)用水量由于1990年和1995年數(shù)據(jù)未能獲取，其在2000年后為不斷增加，這與居民環(huán)保意識的不斷增強關(guān)系密切。

圖2 瑪納斯河流域水足跡各成分用水量(單位：億m3)Fig.2 Water consumption of various components of the Manas River Basin water footprint

將各部門的用水量及其占總水足跡的百分比按從大到小進行排序，然后逐次計算累計百分比，最后以部門代碼為橫坐標，累計百分比為縱坐標，連成一個上凸的曲線，即瑪納斯河流域水足跡構(gòu)成的洛倫茲曲線(見圖3)。洛倫茲曲線的上凸程度，就表示瑪河流域水足跡構(gòu)成的部門集中化程度，上凸程度越大，即表示瑪納斯河流域水足跡的構(gòu)成越是集中于某些部門。由圖3可知，從1990年到2015年，洛倫茲曲線的上凸程度為逐漸減弱，表明集中化程度在減弱，亦即水資源的使用越來越趨向于均衡?？傮w來說，瑪河流域的用水結(jié)構(gòu)失衡，但是情況有所好轉(zhuǎn)。

注：部門代碼：1為農(nóng)作物生產(chǎn)用水量；2為動物產(chǎn)品生產(chǎn)用水量；3為工業(yè)用水量；4為生活用水量；5為生態(tài)用水量；6為虛擬水交易量圖3 瑪納斯河流域水足跡構(gòu)成的洛倫茲曲線Fig.3 Lorenz curve of the water footprint component of the Manas River Basin

4.2 水資源集約利用度和進口依賴度分析

水資源集約利用度和水資源進口依賴度均是從社會角度來對水資源進行的評價。前者是從經(jīng)濟角度出發(fā)，用單位水足跡所創(chuàng)造的經(jīng)濟價值來評價水資源的利用充分程度，也被稱為水足跡經(jīng)濟效益值[25]；后者是從貿(mào)易角度出發(fā)，用凈進口產(chǎn)品所含的虛擬水量所占總水足跡的百分比來判斷區(qū)域?qū)ν獠克Y源的依賴程度。利用公式(1)和公式(2)分別對其進行了計算。計算結(jié)果顯示：瑪納斯河流域的水資源集約利用度在不斷上升，由1990年的1.12 元/m3上升到了2015年的13.34元/m3(見圖4)；說明單位水足跡所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益在不斷增加，對水資源的利用程度愈加充分。水資源的進口依賴度則呈現(xiàn)出明顯的波動變化，其平均值為5.1%，說明瑪納斯河流域水資源的自給率較高，對外依賴程度較低。

圖4 瑪納斯河流域水資源集約利用度和水資源進口依賴度Fig.4 Intensive utilization and import dependence of water resources in the Manas River Basin

4.3 社會化水資源稀缺指數(shù)分析

借助于公式(3)，對瑪河流域的社會化水資源稀缺指數(shù)(SWSI)進行了計算。社會適應(yīng)性能力主要受經(jīng)濟發(fā)展、教育水平和制度能力等因素的影響，尚無完整的指標體系；而人類發(fā)展指數(shù)是由人均收入、人口平均預(yù)期壽命和教育水平3項基本指標構(gòu)成，二者之間存在著較高的契合度，因此，可以用人類發(fā)展指數(shù)間接反映社會適應(yīng)性能力[26]。在計算過程中，社會適應(yīng)性能力指數(shù)(SAC)由對應(yīng)年份的中國人類發(fā)展指數(shù)代替，調(diào)整指數(shù)(AI)取0.62。由表3可知，瑪納斯河流域的社會化水資源稀缺指數(shù)在1990年和2005年處于有壓力狀態(tài)，在1995年處于緊缺狀態(tài)，而在2000，2010年和2015年則處于相對富余狀態(tài)，說明瑪納斯河流域水資源利用還有一定的空間。但是這與瑪納斯河流域的用水結(jié)構(gòu)失衡[27]、供需矛盾突出[8，28]、地下水位不斷下降[29]以及生態(tài)安全狀態(tài)較差[30]的實際情況相悖。經(jīng)分析，主要有以下原因：

(1) 在計算過程中，社會適應(yīng)性能力指數(shù)是以中國人類發(fā)展指數(shù)代替，而實際上人類發(fā)展指數(shù)在我國省際間的差異較大[31]，全國的人類發(fā)展指數(shù)高于新疆[32-34]，因此，導(dǎo)致計算結(jié)果偏小。

(2) 對于瑪河流域生產(chǎn)、生活所排放的污水、廢水，由于缺乏數(shù)據(jù)未進行計算，致使水文水資源稀缺指數(shù)偏小，從而導(dǎo)致計算結(jié)果小于實際情況。

表3 瑪納斯河流域水文水資源稀缺指數(shù)和社會化水資源稀缺指數(shù)Tab.3 Hydrology water scarcity index and social water scarcity index in the Manas River Basin

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié) 論

本文運用水足跡模型，對瑪河流域1990,1995,2000,2005,2010年和2015年的水足跡進行了測算和分析，并利用水資源集約利用度、水資源進口依賴度和社會化水資源稀缺指數(shù)，對該流域的水資源狀況進行了客觀評價。評價結(jié)果表明：

(1) 在研究時段內(nèi)，瑪納斯河流域的總水足跡和人均水足跡均呈現(xiàn)出同步增長的趨勢?？偹阚E由1990年的15.000億m3上升到了2015年的48.100億m3，在25 a內(nèi)增加了3.2倍；人均水足跡由1990年的1 606.500 m3/人上升到2015年的4 730.500 m3/人，在25 a內(nèi)增長了近3.0倍。

(2) 從水足跡的成分來看，瑪河流域的用水結(jié)構(gòu)失衡。其中，農(nóng)業(yè)用水量所占比例最高，而且呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢，工業(yè)用水量較穩(wěn)定，生活用水量呈現(xiàn)出明顯的波動變化，生態(tài)用水量在2000年后不斷增加，但是總體情況有所好轉(zhuǎn)。

(3) 瑪納斯河流域的水資源集約利用度不斷上升，水資源利用程度愈加充分，單位水足跡所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益不斷上升。水資源集約利用度由1990年的1.12元/m3上升到了2015年的13.34元/m3?，敿{斯河流域水資源自給率較高，水資源的進口依賴度呈現(xiàn)出明顯的波動變化，年平均值為5.1%，對外依賴程度較低。

(4) 瑪納斯河流域的社會化水資源稀缺指數(shù)在1990年和2005年處于有壓力狀態(tài)，在1995年處于緊缺狀態(tài)，在2000，2010年和2015年處于相對富余狀態(tài)，表明瑪納斯河流域水資源的利用還存在一定空間。但是社會適應(yīng)性能力指數(shù)在省際間的差異較大，以及污水、廢水?dāng)?shù)據(jù)的缺乏，致使計算結(jié)果小于實際情況。

5.2 討 論

提高水資源的利用效率和人類發(fā)展指數(shù)分別是緩解水資源短缺在自然方面和社會方面的潤滑劑。為了促進瑪河流域的水資源能夠得到可持續(xù)利用，針對上述分析，研究并提出以下建議：

(1) 優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高水資源利用效率，降低第一產(chǎn)業(yè)比例，大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)。

(2) 推進節(jié)水型社會建設(shè)，加大節(jié)水技術(shù)研發(fā)，推廣節(jié)水農(nóng)業(yè)種植技術(shù)，發(fā)展節(jié)水產(chǎn)業(yè)。

(3) 增強防污、治污能力，提高生活水、工業(yè)水的重復(fù)利用率。

(4) 堅持走可持續(xù)發(fā)展的道路，推進綠色發(fā)展，提高人類發(fā)展指數(shù)。

本文在評價瑪納斯河流域水資源的過程中，仍存在一些不足之處，比如：

(1) 主要農(nóng)-畜產(chǎn)品的單位質(zhì)量虛擬水含量采用的是國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，而實際上單位質(zhì)量虛擬水含量與氣象要素、地表狀況、作物產(chǎn)量有關(guān)，因此年際間存在著差異。

(2) 在社會化水資源稀缺指數(shù)的計算過程中，調(diào)整指數(shù)(AI)雖然對評價結(jié)果起到了放大或縮小的作用，使得社會適應(yīng)能力的作用更加凸顯，但是存在著一定的主觀性。

因此，為了進一步提高水足跡理論在評價水資源方面的精確性，未來可以從社會經(jīng)濟、教育水平、人類平等、科技實力以及制度能力(尤其是水資源的管理能力)等維度構(gòu)建社會適應(yīng)性能力的綜合指標，對于調(diào)整指數(shù)的確定，則需要綜合考慮到區(qū)域自然資源和社會發(fā)展兩個方面的實際狀況。