基于水足跡理論的中國水資源壓力評價

劉 靜，余鐘波

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

受氣候變化、人口增長、消費(fèi)結(jié)構(gòu)改變等多因素影響，很多地區(qū)的水資源壓力日趨嚴(yán)重，如何合理評價區(qū)域水資源壓力水平，成為改善水資源利用現(xiàn)狀、實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的重要前提[1-2]。很多學(xué)者針對區(qū)域水資源壓力開展了大量研究，目前的水資源壓力研究主要集中在水量分析方面[3-8]，也有一些學(xué)者針對水質(zhì)對區(qū)域水資源壓力的影響開展了相關(guān)研究[9-12]，但同時將水量和水質(zhì)納入分析的研究相對較少。

2002年荷蘭學(xué)者Hoekstra等[13]首次提出水足跡概念，豐富了傳統(tǒng)水資源評價體系，為水資源科學(xué)管理提供了重要理論依據(jù)。水足跡概念涵蓋了藍(lán)水(地表水和地下水)、綠水(有效降水)和灰水(以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，稀釋污染物所消耗的水資源)3種不同類型的水資源，同時包含了水量和水質(zhì)兩個方面[14]。一些學(xué)者[7,15]嘗試將水足跡理論納入?yún)^(qū)域水資源壓力分析體系，但主要集中于藍(lán)水足跡，很少將藍(lán)水足跡和灰水足跡同時納入分析。

本文基于水足跡理論，提出了同時涵蓋水量和水質(zhì)的區(qū)域水資源壓力指數(shù)計算方法，并對中國各區(qū)域水資源壓力狀況進(jìn)行了分析，以期為水資源管理提供理論參考。

1 研究方法

1.1 藍(lán)水足跡計算

農(nóng)業(yè)部門藍(lán)水足跡為不同種類農(nóng)產(chǎn)品藍(lán)水虛擬水含量與對應(yīng)產(chǎn)量的乘積，本文農(nóng)產(chǎn)品包括作物與動物產(chǎn)品兩類。作物藍(lán)水虛擬水含量可根據(jù)下式計算[14]：

(1)

式中：Vb為作物藍(lán)水虛擬水含量，m3/kg；Wb為生育期藍(lán)水資源利用量，m3/hm2；Y為單位面積產(chǎn)量，kg/hm2；ETc為生育期蒸發(fā)蒸騰量，mm，根據(jù)彭曼公式計算；Pe為生育期利用的有效降水量，mm，以旬為計算步長，采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦方法：

(2)

式中：Pet為旬有效降水量，mm；Pt為旬降水量，mm。

動物產(chǎn)品藍(lán)水虛擬水含量包含動物產(chǎn)品飼料、飲水及服務(wù)相關(guān)的藍(lán)水虛擬水含量3部分，采用Mekonnen等[16]的計算結(jié)果。其中動物產(chǎn)品飼料相關(guān)的藍(lán)水消耗包含飼料原料對應(yīng)的藍(lán)水消耗及混合這些飼料原料所使用的藍(lán)水資源；飼料原料對應(yīng)的藍(lán)水資源消耗采用作物藍(lán)水足跡計算方法得到；服務(wù)相關(guān)的藍(lán)水足跡指的是進(jìn)行動物屋舍清潔、動物自身清潔以及其他保持環(huán)境清潔所必需的服務(wù)所對應(yīng)的藍(lán)水資源消耗[17-18]。

工業(yè)、生活及生態(tài)部門藍(lán)水足跡為藍(lán)水用量與對應(yīng)耗水系數(shù)的乘積。區(qū)域藍(lán)水足跡為各部門藍(lán)水足跡之和。

1.2 灰水足跡計算

灰水足跡可根據(jù)下式計算[14]:

(3)

式中：G為灰水足跡，m3；N為氮肥施用量，kg；α為氮肥淋溶率；Cm、Cn分別為氮元素的最大環(huán)境允許質(zhì)量濃度和自然本底質(zhì)量濃度，mg/L。根據(jù)相關(guān)研究[19-20]，本文假定Cm=10 mg/L，Cn=0 mg/L。

1.3 區(qū)域水資源壓力指數(shù)與等級計算

區(qū)域水資源消耗應(yīng)同時涵蓋生產(chǎn)用水[5]與稀釋污染物用水[21]，本文假定當(dāng)?shù)乜捎盟Y源可全部用于污染物稀釋。區(qū)域水資源壓力指數(shù)Ws可根據(jù)下式計算:

(4)

式中：B為藍(lán)水足跡，m3；R為可用水資源量，m3。

結(jié)合以往研究[5]，規(guī)定Ws<0.1β(β為區(qū)域綜合耗水系數(shù))為低水資源壓力，0.1β≤Ws<0.2β為低-中水資源壓力，0.2β≤Ws<0.4β為中-高水資源壓力，Ws≥0.4β為高水資源壓力。β可根據(jù)下式計算:

(5)

式中：Ba、Bi、Bd、Be分別為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活及生態(tài)部門藍(lán)水足跡，m3；Wa、Wi、Wd、We分別為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活及生態(tài)部門藍(lán)水用量，m3；βi、βd、βe分別為工業(yè)、生活及生態(tài)部門耗水系數(shù)。

1.4 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

本文研究區(qū)域為中國的31個省級行政區(qū)，因數(shù)據(jù)原因，未涉及港澳臺地區(qū)。氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、消費(fèi)、氮肥施用量及人口數(shù)據(jù)來自《中國統(tǒng)計年鑒：2015》和《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料：2015》，水資源用量、可用量及耗水系數(shù)來自《2015年中國水資源公報》，作物系數(shù)主要參考《中國主要作物需水量與灌溉》[22]和《北方地區(qū)主要農(nóng)作物灌溉用水定額》[23]確定，部分由水利部灌溉試驗總站提供。

2 結(jié)果與討論

2.1 藍(lán)水足跡

由圖1可看出，各省級行政區(qū)藍(lán)水足跡差異顯著，其中新疆(355.47億m3)、山東(246.37億m3)、河南(213.85億m3)、河北(203.22億m3)和江蘇(190.87億m3)藍(lán)水足跡排名前5，這些省級行政區(qū)社會生產(chǎn)活動相對密集，藍(lán)水資源量大；西藏經(jīng)濟(jì)水平相對落后，社會生產(chǎn)活動相對較少，藍(lán)水足跡最小，不足新疆的2%。對比各部門藍(lán)水足跡發(fā)現(xiàn)，除廣東、浙江、福建、北京和上海外，其他省級行政區(qū)的農(nóng)業(yè)藍(lán)水足跡均大于工業(yè)、生活及生態(tài)藍(lán)水足跡，這與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動需要消耗大量的水資源，以及農(nóng)業(yè)是中國最大的水資源消耗部門(農(nóng)業(yè)藍(lán)水足跡占全國藍(lán)水足跡的72.70%)的情況一致。對于部分沿海(廣東、浙江和福建)和經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)的省級行政區(qū)(北京和上海)，消費(fèi)的農(nóng)產(chǎn)品主要來自其他省級行政區(qū)調(diào)入，因而工業(yè)及生態(tài)部門成為重要的藍(lán)水資源消耗部門。對于藍(lán)水足跡較大的省級行政區(qū)，尤其是農(nóng)業(yè)藍(lán)水足跡大于100億m3的新疆、山東、河南、河北、黑龍江和內(nèi)蒙古，節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用、作物布局優(yōu)化(高耗水作物向水資源豐富省級行政區(qū)轉(zhuǎn)移)以及節(jié)水意識的提高均有助于減小區(qū)域藍(lán)水足跡，進(jìn)而緩解區(qū)域水資源壓力。

圖1 藍(lán)水足跡空間分布及部門差異

2.2 灰水足跡

圖2 給出了灰水足跡空間分布。由圖2可看出，河南、江蘇和山東是灰水足跡排名前3的省級行政區(qū)，其灰水足跡分別為238.70億m3、162.10億m3和151.00億m3，這與河南等地是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)，氮肥施用相對較多，稀釋其所產(chǎn)生的污染物所需的水資源相對較多的情況一致。北京、青海和西藏灰水足跡較小，分別為4.90億m3、4.10億m3和2.00億m3，這與其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動較少，氮肥施用量相對較少密不可分。現(xiàn)有灰水足跡計算主要考慮氮肥對區(qū)域水資源的影響，因此，合理控制氮肥施用量，提高氮肥利用率均有助于減小灰水足跡。未來，其他污染物也需納入?yún)^(qū)域灰水足跡量化分析，以實現(xiàn)更精準(zhǔn)的水資源管理。

2.3 區(qū)域水資源壓力

表1給出了基于藍(lán)水足跡和灰水足跡的區(qū)域水資源壓力指數(shù)及等級。由表1可看出，寧夏(4.070)、河北(1.599)、山東(1.463)和天津(1.282)的水資源壓力指數(shù)均顯著大于其他省級行政區(qū)。寧夏和河北的高水資源壓力主要是由于其可用水資源量不足以稀釋氮肥施用所產(chǎn)生的污染物，因此需要額外的水資源消耗。山東和天津的高水資源壓力主要是由藍(lán)水資源消耗引起的(山東的藍(lán)水足跡在全國排名第2，而其可用水資源在全國排名24；天津的藍(lán)水足跡和可用水資源量均較小，分別占全國總量的0.60%和0.05%)。西藏的水資源壓力最小，這與其可用水資源量全國排名第1，但同時經(jīng)濟(jì)相對落后，社會經(jīng)濟(jì)活動相對較少，水資源消耗較少密不可分。不同區(qū)域水資源消耗特點(diǎn)不同，區(qū)域水資源壓力指數(shù)分布與水資源壓力等級分布存在一定差異。以內(nèi)蒙古和黑龍江為例，其水資源壓力指數(shù)分別為0.233和0.168，而其壓力等級分別為中-高水資源壓力和高水資源壓力。受農(nóng)業(yè)灌溉水平等因素影響，內(nèi)蒙古的綜合耗水系數(shù)(0.673)顯著大于黑龍江(0.386)，因此同樣的水資源壓力水平，內(nèi)蒙古對應(yīng)的水資源壓力指數(shù)閾值明顯高于黑龍江(以高水資源壓力指數(shù)閾值為例，內(nèi)蒙古和黑龍江分別為0.269和0.154)。減小區(qū)域尤其是高水資源壓力地區(qū)水資源壓力，是目前亟需解決的問題之一。除上文提及的減少區(qū)域藍(lán)水足跡及灰水足跡的措施外，實體及虛擬形式的水資源進(jìn)口均有助于增加區(qū)域可用水資源量，以緩解區(qū)域水資源壓力[5,19,24]。

圖2 灰水足跡空間分布

表1 各省級行政區(qū)水資源壓力指數(shù)與等級

3 結(jié) 論

a. 各省級行政區(qū)藍(lán)水足跡差異顯著，除廣東、浙江、福建、北京和上海外，其他省級行政區(qū)的農(nóng)業(yè)藍(lán)水足跡均大于工業(yè)、生活及生態(tài)藍(lán)水足跡，節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用、作物布局優(yōu)化(高耗水作物向水資源豐富省級行政區(qū)轉(zhuǎn)移)以及節(jié)水意識的提高均有助于減小區(qū)域藍(lán)水足跡，進(jìn)而緩解區(qū)域水資源壓力。

b. 灰水足跡排名前3的是河南、江蘇和山東，北京、青海和西藏灰水足跡較小。合理控制氮肥施用量，提高氮肥利用率均有助于減小灰水足跡，未來其他污染物也需納入?yún)^(qū)域灰水足跡量化分析。

c. 寧夏、河北、山東和天津的水資源壓力指數(shù)均顯著大于其他省級行政區(qū)。水資源壓力指數(shù)分布與考慮區(qū)域水資源消耗特點(diǎn)的水資源壓力等級分布存在一定差異。除藍(lán)水足跡及灰水足跡減小措施外，實體及虛擬形式的水資源進(jìn)口均有助于增加區(qū)域可用水資源量，以緩解區(qū)域水資源壓力。