新環(huán)保視域下水足跡的研究進展與展望

趙 琦，熱合曼·艾買提，徐 紅，陳 靜

(1.巴音郭楞蒙古自治州環(huán)境監(jiān)測站，新疆 庫爾勒 841000；2.新疆農業(yè)大學，新疆 烏魯木齊 830000；3.珠海歐比特宇航科技股份有限公司，廣州 珠海 519080)

1 引言

水資源短缺作為全球范圍內最突出的資源短缺問題，隨著人口規(guī)模的擴大及經濟的飛速增長，氣候變化引起的降水分布不均、溫度異常以及蒸散量的波動變化，加劇了水資源的供需矛盾，嚴重影響水資源有效利用與保護[1]。目前，水資源保護已從單一視角下水環(huán)境質量變化，轉變?yōu)樗Y源、水環(huán)境、水生態(tài)的“三水統(tǒng)籌”的理念發(fā)展，傳統(tǒng)水環(huán)境質量評價已難以滿足新保護理念的需求，亟待以新環(huán)保視域來開展水資源的保護。

而水足跡作為一項綜合評價水資源占用的指標，有別于傳統(tǒng)取用水指標，創(chuàng)新性地將環(huán)境與人類消費活動密切結合起來量化水資源的消耗與轉移，是綜合體現(xiàn)：水資源消耗量、所消耗的水資源類別及各污染類型、污染量的多層次指標[2]。自水足跡的新資源消耗概念被提出以來，便受到了各界學者的關注，并將該理論與生態(tài)、經濟及社會等領域研究相結合，不斷拓展其應用范圍。水足跡核算不僅僅為各行業(yè)類別對水資源的消耗時空分析提供了新的思路及方法，也為進一步研究水資源可持續(xù)利用、水資源利用效率水資源保護研究提供了新的研究方向。本文通過對國內外文獻進行分析，簡要介紹文獻發(fā)表情況，探討了水足跡理論發(fā)展過程、水足跡理論應用趨勢以及水足跡核算方法進展，提出了如何運用水足跡推動環(huán)境保護，提高水資源利用率及推動高質量發(fā)展的研究方向等對策建議。

2 文獻分析

通過對中國學術期刊網絡出版總庫、中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫/中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫、中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫中2004～2022年已發(fā)表的以“水足跡”為主題的1497篇文獻進行匯總分析可知，以“水足跡”為主題的文獻發(fā)文量逐年遞增，說明水足跡相關研究呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，主要文獻研究圍繞水利水電工程、資源科學、環(huán)境科學與資源利用等30個學科展開，其衍生主題包括水足跡理論、水資源、水資源利用、水資源可持續(xù)發(fā)展、水資源承載力、虛擬水貿易等20個主題。目前，文獻主要集中于應用基礎研究、工程研究、開發(fā)研究、政策研究、行業(yè)研究等5個研究層次，主要受國家自然科學基金及國家社會科學基金支持。

3 水足跡研究進展及趨勢

3.1 水足跡理論發(fā)展進程

2002年，荷蘭水資源研究專家Arjen Y．Hoekstra在荷蘭代爾夫特舉辦的水資源國際虛擬水貿易專項會議上首次提出了水足跡的概念[3]，其理論基于1993年英國學者John Anthony Allan提出的虛擬水概念所衍生而來[4]。具體是指在相應的生產生活條件下，用于生產某一消費所需的產品及服務區(qū)域及人類的所需水資源量，即實際所需的水資源量。

理論發(fā)展初期，基于以往研究對水資源的認識，Hoekstra在2005年通過明確水足跡發(fā)生區(qū)域及時間，提出了藍水足跡(即產品在整體生產鏈對地表水及地下水的消耗)及綠水足跡(即土壤中自然降水的蒸散量)計算概念。后續(xù)為探索采用水足跡理念制定企業(yè)水戰(zhàn)略及構建對特定地理環(huán)境下水資源管理可量化計算方法，在2008年，Hoekstra與Chapagain共同提出灰水足跡概念(即現(xiàn)行自然本底各指標濃度或水環(huán)境質量標準下，將污染物濃度稀釋至本底濃度或某一質量標準所需的淡水的體積)及水足跡可持續(xù)評價[5，6]。經過水足跡網絡(Water Footprint Network)小組的持續(xù)研究，以宏觀角度對國家、區(qū)域及流域水足跡細化，以及對生產過程、消費者和產品、企業(yè)等水足跡核算方法的細化，匯總完成了專著《水足跡評價手冊》，為全球學者開展水足跡研究提供了參考和指導。

水足跡理論在全球學者的推動下不斷拓展其應用領域、精進核算方法，我國學者龍愛華[7]2003年最早飲用水足跡核算方法，用以評價西北四省社會經濟系統(tǒng)對水資源的消費利用狀況。而近幾年隨著各領域學者對水足跡理論的深入研究，白雪等[8]從產品、企業(yè)和過程等層面研究建立適合我國國情的水足跡量化、評價和報告等標準化方法學框架，完成了《產品水足跡評價和報告指南》等標準的制定，推動水足跡核算標準化。

3.2 水足跡理論應用趨勢

通過將水資源的使用和污染整合到人類活動消耗的產品或服務的整個生產鏈中，可定性分析人類消費與全球水資源占用之間的內在關系，進一步為有效利用水資源提供參考。目前，對消費產品及區(qū)域水足跡核算是水足跡研究的熱點之一。

區(qū)域水足跡評價可為流域水資源管理提供有效的管理途徑[9]，為實現(xiàn)評價區(qū)域的生態(tài)、社會和經濟影響之間的關系，Hoekstra與Hung、Chapagain等共同合作定量核算了全球水足跡，用以分析各國虛擬水貿易平衡并進一步提升了核算精度[10，11]。各國學者也積極開展以國家、區(qū)域、流域等不同尺度下水足跡及其經濟效益的時空匹配特征研究。針對各類特殊區(qū)域如阿拉善地區(qū)、渭河流域、疏勒河流域等水資源缺乏地區(qū)[12～14]，青藏高原地區(qū)、舟山群島新區(qū)、喀斯特峰叢洼地等標志性生態(tài)環(huán)境[15～17]，我國學者著重對“一帶一路”“人口-城鄉(xiāng)-就業(yè)”視角、城鎮(zhèn)化進程等社會經濟政策下水資源利用預測以及農業(yè)水土資源匹配、農業(yè)經濟增長優(yōu)化配置展開分析[18，19]。近些年，以灰水足跡為切入點，研究其與居民消費、工業(yè)園區(qū)管理等因素相關性是區(qū)域水足跡評價研究的熱點[20，21]。

隨著水足跡理論的發(fā)展，其應用領域從環(huán)境、經濟不斷向外拓展，廣泛被應用于高水耗行業(yè)：如食品加工行業(yè)，用以核算甘蔗制糖、醬油制造整體工藝過程的總水足跡[22]；基于生命周期評價，對造紙業(yè)廢水、紡織工業(yè)毛氈、粘膠短纖維生產水環(huán)境進行水足跡核算與負荷評價[23～25]；在基礎建設行業(yè)用于探尋住宅建筑結構參數(shù)、鋼鐵生產水足跡模型及對高速公路基礎設施展開評價[26～28]；在能源電力行業(yè)，用于對鉛酸蓄電池全生命周期、微藻生物燃料及生物熱能等生物能源、煤電生產水足跡進行評價[29～31]；以及其他行業(yè)如通過碳足跡和水足跡評價鋁車身對環(huán)境影響[32]，用以了解本行業(yè)整體或部分生產供應鏈水消耗情況，并研究如何降低生產水資源消耗對水環(huán)境質量的影響。

由于水足跡可以量化產品整個生產供應鏈中的用水量之和[33]，Mekonnen與Hoekstra等對全球主要糧食及其衍生產品的水足跡、畜產品的水足跡分別進行了核算[34，35]，目前著重對水產養(yǎng)殖水足跡[36]、森林水土生態(tài)服務功能綜合價值林產品[37]、國家、流域尺度下全球糧食作物水足跡進行評價[38～40]。此外，也有學者開展對小麥、棉花、大米的單個農產品水足跡的規(guī)模及其構成進行研究[41～43]，并將水足跡理論延伸到農業(yè)生產技術中：如有機物料還田、減施氮肥、灌排模式、輪作機制對小麥、玉米、水稻等作物碳氮水足跡及經濟效益的影響進行深入研究[44～47]。

3.3 水足跡核算方法進展

目前，“自上而下”法以及“自下而上”法是水足跡核算的主要方法。這兩種核算方法的視角不同，其中，“自上而下”法能較好地運用于區(qū)域水足跡研究，其模型類別主要包括：單區(qū)域、區(qū)域間及多區(qū)域三種主要投入產出模型。通過該方法可對水資源消耗進行直接或間接計算，并能夠較好地進行經濟流的區(qū)分。其中MRIO模型能更好地闡明省際間水足跡的空間轉移模式，廣泛應用于我國省級虛擬水貿易規(guī)模、結構的定量分析以及定量分析消費型水足跡[48]。而另一種“自下而上”法主要運用計算各過程產品生產的水資源消耗，用以獲得相應的產品生命整體周期內對水資源的占有及消耗量，從而進一步衡量國家、區(qū)域及流域總水足跡的一種有效方法，這種方法相對簡單，但需要收集大量數(shù)據(jù)[49]。

隨著水足跡理論與各領域結合發(fā)展，運用數(shù)學線性及模糊理論，利用氣象、水文、作物等模型進行水足跡核算日趨興起。如采用STIRPAT擴展模型結合人口發(fā)展及經濟等各驅動因素，進行水足跡變化主要影響因子的主成分分析[50]、基于對數(shù)分析法的LMDI模型可測度不同影響因子對于研究對象的影響程度及其驅動力的分析[51]，非徑向SBM-DEA模型可對區(qū)域治理效率進行評價[52]，時間序列模型可用于分析較長周期的水足跡變化[53]；農業(yè)作物模型中CROPWAT 8.0、DEA-BCC等可通過收集作物生產條件數(shù)據(jù)有效分析作物水足跡[54，55]，Cobb-Douglas生產函數(shù)可用于研究典型作物生產水足跡驅動因素[56]，結合GIS、氮排放模型能較好表征分析農業(yè)水足跡變異進程[57，58]。近些年來，水足跡核算方法研究已細化至行業(yè)系數(shù)選取的改進，如對水電站水足跡方法改進計算、對農業(yè)部門和非農部門水足跡使用的乘數(shù)效應研究[59]。

4 展望

水足跡理論研究的持續(xù)深入，以及對產品、行業(yè)、區(qū)域水足跡的廣泛研究，揭示了各類別水足跡的量化及驅動因素，但如何運用水足跡推動環(huán)境保護，提高水資源利用率及推動高質量發(fā)展[60]，是今后主要的研究方向。

(1)對于高耗水、高污染行業(yè)水足跡的核算以及產品水足跡的解析仍是水足跡研究的重點之一，可開展對高耗水、高污染行業(yè)水足跡減排低消耗化進行量化與評價，對行業(yè)及區(qū)域水足跡利用效率展開探討，用以推動水資源可持續(xù)利用與保護研究。

(2)學科交叉是水足跡研究的另一方向，運用經濟學指標與水足跡相結合分析，能夠較好地統(tǒng)籌經濟發(fā)展及生態(tài)環(huán)境狀況，用于判斷資源消費與配置的合理性，通過研究水足跡強度與高質量發(fā)展經濟效益關聯(lián)性，進一步應用于提升水資源利用率促高質量發(fā)展。

(3)運用三維立體模型、動態(tài)多目標優(yōu)化理論等新理論技術對水足跡進行量化建模，預測變化趨勢或減少水足跡消耗模擬，用以應用于水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的“三水統(tǒng)籌”理念的持續(xù)推進。

(4)以足跡家族概念進行衍生，在碳減排、碳中和背景下，開展水足跡、碳足跡核算，進一步揭示行業(yè)或區(qū)域整體的資源消耗程度，推動資源綜合利用及生態(tài)環(huán)境保護。