農(nóng)業(yè)水足跡與水資源配置模型

魏宇航 唐德善

摘要：現(xiàn)代社會(huì)自然水循環(huán)和社會(huì)水循環(huán)密不可分，人造水利工程影響著自然水循環(huán)，也間接影響產(chǎn)品水足跡。針對(duì)以往水足跡研究重評(píng)價(jià)、輕計(jì)劃的問題，提出將農(nóng)業(yè)水足跡納入水資源配置模型框架的基本方法，以流域產(chǎn)品加工及水利工程的總水足跡最小作為控制目標(biāo)，以流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求作為約束條件，從而能在規(guī)劃階段就讓水足跡方法發(fā)揮作用。針對(duì)水利工程建設(shè)運(yùn)行中的水消耗，提出水利工程水足跡的概念和計(jì)算方法，并將其納入水資源配置模型，從而實(shí)現(xiàn)流域水利工程布局和作物種植方案的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：水足跡；水利工程；水資源配置；優(yōu)化模型

中圖分類號(hào)： TV212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）02-0375-03

收稿日期：2015-03-18

基金項(xiàng)目：國家留學(xué)基金委項(xiàng)目（編號(hào)：201506710065）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（編號(hào)：2015B33714）。

作者簡介：魏宇航（1990—），男，山東臨沂人，博士研究生，主要從事水資源規(guī)劃與利用研究。E-mail：hhuweiyuhang@163.com。

通信作者： 唐德善，教授，研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃與利用、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等。 E-mail： tds808@163.com水資源是維系社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵性資源。當(dāng)今社會(huì)，伴隨著全球氣候變化、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、人口增加以及城市化進(jìn)程，水問題日漸突出，水資源短缺日益尖銳，水環(huán)境惡化日趨普遍。如何合理配置、高效利用、充分保護(hù)水資源，已經(jīng)成為全球性熱點(diǎn)問題。從20世紀(jì)40年代美國學(xué)者M(jìn)asse提出的水庫優(yōu)化調(diào)度問題開始，從單一水庫到多水庫，從單純的蓄水發(fā)電目標(biāo)到經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)多目標(biāo)，從注重水量到水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)配，人類逐漸探索充分發(fā)揮水資源經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益的調(diào)度、配置方法。水資源優(yōu)化配置，是協(xié)調(diào)不同地區(qū)、產(chǎn)業(yè)之間水資源利用的工作，常以經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)中的某1個(gè)或多個(gè)指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，以水量等作為約束條件，通過最優(yōu)化方法，獲得效益最大的水資源分配方案。水資源優(yōu)化配置的結(jié)果是制定水管理政策的基礎(chǔ)。

另一種考慮水資源利用效率的方式則是虛擬水，或者說水足跡的方式。從20世紀(jì)90年代Allan提出虛擬水[1]，到2002年Hoekstra等提出水足跡[2]，到中國提出的直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)[3]，這些方法都通過簡單或復(fù)雜的供應(yīng)鏈分析方法，是度量產(chǎn)品生產(chǎn)過程中水的消耗和利用的指標(biāo)。水足跡指示產(chǎn)品生產(chǎn)全過程中水的消耗[4]，水足跡概念的提出使得水資源的消耗利用和某一具體產(chǎn)品之間建立了明確的定量關(guān)聯(lián)。例如，生產(chǎn)1 kg玉米時(shí)玉米植株蒸散發(fā)消耗的水，生產(chǎn)畜產(chǎn)品時(shí)牲畜的直接飲水、牧草生長所需要的水。水足跡考慮整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的耗水；面對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的地區(qū)、國際性分工，水足跡等理論也注重考慮產(chǎn)品生產(chǎn)的區(qū)內(nèi)、區(qū)外用水，通過這一劃分，實(shí)質(zhì)在研究國家間、區(qū)域間水資源利用效率的水量水質(zhì)調(diào)配[5]。

通過農(nóng)業(yè)科學(xué)研究以及氣象、作物需水模擬軟件，如CropWat、AquaCrop軟件，已經(jīng)能較為精確地分析某一地區(qū)某種作物生長全過程的蒸散發(fā)[6]，估算出其水資源消耗，利用當(dāng)年作物產(chǎn)量信息估計(jì)出單位質(zhì)量作物生產(chǎn)所需要的水資源-水足跡。通過分析歷史氣象資料和作物產(chǎn)量以及對(duì)比不同區(qū)域作物水足跡，能夠進(jìn)一步分析作物水足跡的時(shí)空變異[7]，進(jìn)一步反思過去采取的水資源管理策略，認(rèn)識(shí)到不同地區(qū)生產(chǎn)同種作物時(shí)用水效率的差別，從而可能通過糧食貿(mào)易方法，促進(jìn)區(qū)域間水資源利用更高效[8-10]。

但從某種程度上講，以往的分析仍然是較為靜態(tài)、孤立的。水足跡進(jìn)行的產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯，通常有一個(gè)終點(diǎn)。換言之，水足跡分析有一個(gè)常見的假定，即水會(huì)出現(xiàn)在需要耗水的地方，這類分析只關(guān)注了田間過程。在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，這種分析可能是相對(duì)充分和全面的；但是當(dāng)今世界水循環(huán)的另一大突出特點(diǎn)，就是自然水循環(huán)和人工水循環(huán)的交互作用[11]，在自然界的海陸水循環(huán)、陸地水循環(huán)、海洋水循環(huán)的基礎(chǔ)上，人類修建了各種蓄水、引水、提水工程，以及輸水渠道、農(nóng)業(yè)灌渠、城市供排水管網(wǎng)，利用這些工程來滿足人類生產(chǎn)生活需要，筆者在之前的研究中證明這些工程對(duì)于天然水循環(huán)模式及作物水足跡產(chǎn)生了顯著影響[12]。正是由于這種影響，在利用水足跡進(jìn)行水資源配置時(shí)將面臨一個(gè)困難，即是將作物水足跡最小和最大的地區(qū)視為熱點(diǎn)地區(qū)，認(rèn)為水足跡大的地區(qū)應(yīng)該減少某種作物的生產(chǎn)，而水足跡較小的地區(qū)應(yīng)該增加某種作物的生產(chǎn)，前提是不考慮土地、勞動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平。然而，從水足跡較大的地區(qū)往水足跡較小的地區(qū)調(diào)水時(shí)，這種策略是否仍然合理？

綜上，筆者認(rèn)為當(dāng)前水足跡理論還面臨2大問題：一是不同區(qū)域同種作物的水足跡有差別，但是某區(qū)域各作物水足跡加和不具備明確物理意義，因?yàn)椴痪邆渌阚E最大或最小的約束條件；二是水足跡分析框架和傳統(tǒng)的水資源配置理論相對(duì)獨(dú)立，相容性較差，雖然各自能夠給出提高水資源利用效率的手段，但作為不同視角的分析手段，目前水足跡不能很好地融入水資源配置模型中，而后者是制定水資源管理政策的基礎(chǔ)。本研究探討了水利工程水足跡的概念和計(jì)算方法，建立基于水足跡的水資源配置模型，將某流域或區(qū)域生產(chǎn)同樣產(chǎn)品的水足跡最小作為目標(biāo)函數(shù)，以經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求和工程實(shí)際情況作為約束，以期為水資源配置和水資源管理提供更有效的支撐。

3結(jié)論與討論

3.1討論

以往很多研究將水足跡作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來衡量不同區(qū)域生產(chǎn)同一產(chǎn)品的用水效率，這種比較既有不同區(qū)域間的，也有同一區(qū)域不同年份的。這種比較的目的是識(shí)別水足跡最大和最小的熱點(diǎn)區(qū)域，通常來說，生產(chǎn)同一產(chǎn)品，水足跡較大的地方用水效率低，應(yīng)該減少生產(chǎn)；水足跡較小的地方用水效率較高，應(yīng)該增加生產(chǎn)。但是，這種對(duì)水資源利用效率后評(píng)價(jià)式的應(yīng)用尚不能在區(qū)域水資源配置階段發(fā)揮充分作用，因此目前水足跡是作為一種評(píng)價(jià)用水效率的工具，而不是水資源配置階段制定分配策略的前提。本研究目的是將水足跡納入水資源配置的理論框架和模型中。由于水足跡反映了生產(chǎn)某一產(chǎn)品各環(huán)節(jié)所消耗水的總和，因此某一區(qū)域各產(chǎn)品及供水工程的水足跡總和反映了該區(qū)域維持社會(huì)生產(chǎn)從水的自然循環(huán)中提取的總得水量，該總水量應(yīng)該是越小越優(yōu)型。與傳統(tǒng)配置水資源的用水量指標(biāo)相比，將水足跡作為控制指標(biāo)更可能從全局角度進(jìn)行生產(chǎn)方案和水資源配置的優(yōu)化。

在進(jìn)行某一區(qū)域的水足跡控制時(shí)，依據(jù)本研究方法計(jì)算的水通量可能偏大。原因是當(dāng)選定某一區(qū)域進(jìn)行某種產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)，該產(chǎn)品的水足跡沒有扣除該區(qū)域自身存在的水足跡（本底蒸發(fā)），事實(shí)上某一區(qū)域在沒有從事加工與生產(chǎn)的自然狀況下也會(huì)存在自然水循環(huán)，產(chǎn)生水足跡，這部分水足跡應(yīng)該扣除。本研究沒有扣除本底蒸發(fā)，但由于水足跡控制目標(biāo)是最小化函數(shù)，因此本底蒸發(fā)作為一個(gè)常量，并不會(huì)影響水足跡控制結(jié)果。

此外，由于本研究應(yīng)用了水足跡的加和，本研究所用水足跡的單位并不是常用的，而是其反映生產(chǎn)某一產(chǎn)品的水通量。

3.2結(jié)論

目前水足跡是作為水資源利用效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而不是水資源配置的技術(shù)工具。為了將水足跡控制納入水資源配置模型，本研究分析了區(qū)域水足跡的主要成分，即區(qū)域生產(chǎn)水足跡和區(qū)域水利工程的水足跡。其中，區(qū)域水利工程的水足跡由建設(shè)期水足跡和運(yùn)行期水足跡構(gòu)成。本研究選定區(qū)域水足跡最小作為水資源配置的目標(biāo)條件，在社會(huì)生產(chǎn)、水庫庫容上限和下限、輸水能力、河道生態(tài)需水等約束條件下進(jìn)行優(yōu)化求解。

該優(yōu)化模型能反映區(qū)域內(nèi)人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)自然水循環(huán)的擾動(dòng)程度，在進(jìn)行區(qū)域水利工程的布置和方案選擇時(shí)能為各方案節(jié)水目標(biāo)提供有效參考。傳統(tǒng)水資源配置模型以水量作為約束，經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)效益最大為目標(biāo)條件；而本模型以社會(huì)生產(chǎn)等為條件，以水足跡最小作為目標(biāo)條件，更充分地強(qiáng)調(diào)了水資源價(jià)值，為水資源配置提供了新途徑和思路。

由于水利工程規(guī)模龐大，對(duì)水足跡進(jìn)行精確計(jì)算也十分困難。本研究提供的方法只是初步嘗試，但是工程水足跡的概念對(duì)于在水足跡框架下進(jìn)行工程方案比選是基礎(chǔ)，因此其計(jì)算是非常重要的。此外，對(duì)于本底蒸發(fā)問題，也是今后進(jìn)一步完善水足跡模型時(shí)須要考慮的。

將水足跡最小作為工程方案優(yōu)選的控制目標(biāo)，理論上能夠充分節(jié)水。但是社會(huì)生產(chǎn)安排仍然要考慮土地、勞動(dòng)力、資金等其他生產(chǎn)要素，因此配置結(jié)果仍要與以往的水資源配置模型相互參照，才能更好地在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境與水資源之間構(gòu)建良好、可持續(xù)的關(guān)系。

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