水 足 迹 研 究 述 评

贺志文，向平安

(湖南农业大学商学院，长沙 410128)

水是人类生存和发展的一种基础资源。第二次世界大战后，世界人口和经济的快速增长，淡水资源占用增加迅猛。自20世纪90年代起，稀缺的淡水资源已成为人类社会可持续发展的重要制约因素，科学家们开始积极探索水资源优化管理措施[1-4]。客观反映水资源占用情况是企业和政府制定符合可持续发展要求的水资源管理制度的必要条件[5]。过去人们衡量用水情况只关注直接用水量，2002年Hoekstra提出一种新的水资源占用评价指标----水足迹，这一顾及产品供应链用水的观点引起了科学家和政府的高度关注[6]。水足迹的综合反映直接用水和间接用水的新视角获得学者们的广泛关注，并开展了大量相关研究。本文从理论、方法和应用等方面来综述水足迹的研究进展，试图概括水足迹研究的基本面貌，并指出存在的不足。

1 水足迹理论基础

“水足迹”是在“虚拟水”概念基础上发展而来的。虚拟水概念由Allan[7,8]提出，最初被定义为生产农产品所需要的所有水资源数量。虚拟水并非真正意义上的实体水，而是以虚拟形式物化在产品中的所有投入消耗的水资源，又被称为“嵌入水”和“外生水”，是生产商品和服务所需要的水资源总量[9,10]。虚拟水概念把生产者与消费者的水资源使用联系起来，是测量水消耗对总水资源系统的影响的重要指标[11]。

水足迹是一种衡量占用水资源的指标和方法。Hoekstra将水足迹概念定义为任何已知人口(一个国家、地区或个人)在一定时间内消耗的所有产品和服务所需要的水资源的数量[12]。传统淡水资源计算结果明显少于水足迹方法计算结果，其原因是传统淡水资源计算方法忽视了虚拟水的存在，对于以虚拟形式存在的供应链耗水和灰水足迹没有纳入其计算范围。大部分淡水资源消耗是以虚拟水的形式体现，虚拟水是水足迹的主要组成部分，任何产品除了直接消耗的水足迹还包括产品生产过程中各种投入消耗的水足迹，以及与污染有关的水足迹。与传统水资源消费计算方法相比，水足迹核算方法连接生产者与消费者的足迹，反映了消耗和污染消纳的需水量。与虚拟水核算相比，水足迹不仅反映耗水量，而且包含用水的类型、时间和地点。

2 水足迹相关概念

(1)蓝水足迹(Blue Water Footprint)。蓝水是指来由降雨而形成的径流，包括地表水与地下水。蓝水足迹指人类活动消耗的径流，包括贮存在产品内的水、蒸发耗水、未回到原流域的水和在同一时间段未返回的水。降水量是径流的重要组成部分，且降水量随地区而不同。蓝水足迹可以反映降水量消耗对当地环境的影响。

(2)绿水足迹(Green Water Footprint)。绿水是来自降水但还未形成径流或补注地下水，贮存在土壤或植被表面。绿水足迹指人类活动利用的蒸散发流，主要被植物生长占用。绿水足迹是对土壤中水消耗的估算，这被传统计算方法中所忽视。降水量稀少地区的绿水足迹占总水资源消耗比例大。

(3)灰水足迹(Grey Water Footprint)。灰水是在产品生产和使用过程中产生的污水。灰水足迹指吸收人类活动产生的污水所需水量，即稀释水中污染物达到一定水质标准所需要的水量。灰水足迹弥补传统方法中重视水量而不重视水质的问题。随着废弃物不断增多，灰水足迹已成为水资源可持续评价的重要内容。

(4)产品水足迹(Product Water Footprint)。产品水足迹指某产品在生产过程中消耗的蓝水、绿水和灰水足迹，包括间接的水消耗，即供应链中的水消耗。产品水足迹是水资源消耗的基本形式，水资源以产品消费的方式消耗。

(5)个人水足迹(Personal Water Footprint)。个人水足迹反映个人消费的商品与服务相关的淡水消耗与污染量以及消费产品内所包含的水足迹。人类作为水消耗的主体，个人水足迹研究对于水资源利用具有重要意义。

(6)企业水足迹(Business Water Footprint)。企业水足迹是支撑和运营一个企业直接或间接消耗和污染的淡水资源量。直接消耗指企业经营时消耗和污染的淡水量，间接消耗指企业需要的投入产品所消耗的但水量。企业水足迹计算为企业制定水资源战略提供的新的视角和依据。

(7)地区水足迹(Regional Water Footprint)。地区水足迹指在一定地域内所发生的总水资源消耗量和污染量，该区域可以是流域、省、州或其他空间单元。地区水足迹研究为针对当地特定的水资源及消耗特点制定水资源战略提供依据。

(8)国家水足迹(National Water Footprint)。国家水足迹系发生在一个国家内所有水资源消耗和污染量，包括进口的虚拟水以及出口虚拟水。国家水足迹的研究为国内水资源战略提供依据，同时为全球范围内水资源可持续发展合作提供可能。①内部水足迹(Internal Water Footprint)。内部水足迹指某地区生产且用于该地区内消费的产品的水足迹量，是某产品在国内生产的水足迹与所消耗产品的数量的乘积。该指标可评价国家水资源自给率以及可持续发展水平。②外部水足迹(External Water Footprint)。外部水足迹指某个地区通过进口产品所获得的虚拟水，是某产品在国外生产地的水足迹与进口数量的乘积。该指标可反应该国家水资源依赖率，同时也是水资源安全评价和水资源公平性评价的重要指标，是水足迹的重要应用。

(9)水足迹生产率(Productivity of Water Footprint)。水足迹生产率是某地区的总体水足迹所生产的产品的数量，或每个产品所消耗的水资源量。水足迹生产率可评估该地区的水资源利用效率，在不同的地区的水资源生产率因生产技术、产品等因素的不同而不同，通常在发达国家的水资源生产率通常要高于发展中国家的水足迹生产率。通过比较水足迹生产率从而对该地区的水资源利用效率进行评价。

(10)水足迹经济生产率(Economic Productivity of Water footprint)。水足迹经济生产率指某地区的水足迹所生产的某种产品在经济活动中所获得经济价值。该指标较常使用于分析国家进出口产品的水足迹所带来的经济效益，可根据产品的水足迹经济生产率来调整进出口的产品类型。在产品水足迹经济生产率低的地区可通过增加出口本地区水足迹经济生产率高的产品或进口本地区水足迹经济生产率低的产品来获得更多的经济效益，同时也提高水资源利用效率。

(11)人均水足迹(Water Footprint Per Capita)。人均水足迹指某个国家或地区内的每个人所消耗的水足迹数量。人均水足迹可用于比较不同地区的每个人水资源消耗水平，也可用来衡量水资源使用的公平性评价。

(12)水足迹可持续性(Sustainability of Water Footprint )。水足迹可持续性是指某地区的总体水足迹占可用水资源的比率。该指标有效反映了一个地区的水资源的可持续程度，从而为决策提供依据。

(13)水足迹依赖率(Dependency of Water Footprint)及自给率(Self-Sufficiency of Water Footprint)。水足迹依赖率指地区进口的水足迹占总体水足迹的比率。水足迹自给率地区的内部水足迹占总体水足迹的比率。水足迹依赖度从完全不依赖(0%)到完全依赖(100%)，水足迹自给率从完全自给(100%)到完全他给(0%)，水足迹依赖度和水足迹自给率互为补充。水足迹依赖率和水足迹自给率可分析地区水资源结构，对于水足迹自给率高的地区可利用水资源禀赋来出口水资源密集型产品来获得竞争优势。

3 主要指标的核算方法

(1)过程水足迹包括蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹。蓝水足迹=蓝水蒸发量+贮存在产品内水量+同一时间不能被同一流域重新利用水量；绿水足迹=绿水蒸发量+贮存在产品内水量；灰水足迹=排污量/(污染物水质标准浓度-接纳水体的本底浓度)。

(2)产品水足迹是某产品生产所有过程的蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹之和。其计算方法有链式求和法和阶段累积法。链式求和法仅适用于一种输出产品的生产，此时的产品水足迹是生产系统各流程水足迹之和。阶段累积法是核算生产某产品所有投入品的水足迹及每个流程的过程水足迹，是产品水足迹核算的常用方法。最终产品水足迹=(从投入品到输出品的过程水足迹+投入品水足迹与产品比率的比值的累加)×价值比率。

产品比率是指每单位投入品可获得的输出品的量；价值比率是该输出品的价值与其投入品生产的所有输出品的总价值的比值。

(3)企业水足迹。支撑和运营一个企业直接或间接消耗或污染的淡水资源量为企业水足迹[13]，也称为“组织水足迹”、“公司水足迹”，包括运营水足迹和供应链水足迹。企业水足迹=运营水足迹+供应链水足迹。

运营水足迹指企业经营时消耗和污染的淡水量，包括运营中蒸发量、进入到产品中的水量以及流到其他流域的水量。供应链水足迹指该企业产品生产投入产品的水足迹。

(4)国家水足迹通常有自上而下和自下而上两种核算方法。在自上而下法中，国家水足迹等于国家范围内消耗和污染的淡水总量加上虚拟水进口量，减去虚拟水出口量，通常适用于进出口贸易大的国家，有比较准确的贸易数据。自下而上方法是基于消费群体水足迹的计算方法，适用于贸易数据获取困难的国家，但实际区域之间存在虚拟水流动，从而使得自下而上的核算结果与实际水资源存在差异。

在自上而下法中，国家消费水足迹等于国家内水足迹加上虚拟水进口量，减去虚拟水出口量，其方法如下：国家水足迹=国家内水足迹+虚拟水进口量-虚拟水出口量；国家内部水足迹=本国生产且用于国内的产品数量×本国生产的产品水足迹；虚拟水进口量=生产地产品水足迹×进口产品的数量；虚拟水出口量=本国产品水足迹×出口产品数量。

自下而上法是基于消费者水足迹的计算方法，国家消费水足迹计算方法是将国家所有消费者的直接和间接水足迹相加，间接用水等于本国居民消费的所有产品的量乘以产品水足迹，其计算方法如下：国家水足迹=个人直接水足迹+个人间接水足迹。

个人直接水足迹指个人在日常生活中直接消耗和污染的淡水量，个人间接水足迹等于个人消耗的所有产品的数量与各自的水足迹的乘积。

4 水足迹应用研究

(1)全球尺度研究。Hoekstra和Mekonnen[14]测算了人类水足迹，对国家生产水足迹、国际虚拟水流量、国家消费水足迹和水足迹依赖度的分析，研究表明，农业水足迹占总水足迹比重达92%，其中33%的农业水足迹被用于动物生产，20%产品水足迹用于国际贸易，许多国家对其他国家的水质和水量影响严重，一些国家严重依赖其他国家水资源。Orlowsky[15]用水足迹分析了未来气候变化和当前虚拟水贸易条件下可利用水资源的变化，认为因气候变化导致水资源减少，国家内水足迹也将减少，单个国家的水资源可持续并不能缓解全球水资源减少的问题，需要从水消耗和水贸易模式进行可持续性调整。Becken[16]采用水足迹分析了全球21个国家旅游业和当地水资源公平问题，发现中低收入的国家旅游用水高于当地居民用水，工业发达国家则没有明显区别，用水效率也更高。Vanham[17]对欧盟28国的饮食习惯进行观察分析，认为健康的饮食习惯能使虚拟水净进口国转变成虚拟水净出口国，从农业生产过程和饮食方式改变对减轻水资源压力更有效，同时也指出水足迹指标需要与社会经济相联系。

(2)国家尺度研究。Chouchane[18]等从经济角度对突尼斯的水足迹分析，发现粮食生产占突尼斯总水足迹87%，蓝水经济生产力低于0.2 美元/m3，地表水面临严重的缺乏。Ercin[19]等对法国水足迹的研究，发现农作物消耗82%的水，人均水足迹每年1 786 m3，超过世界平均水平30%，农产品在个人水足迹中占比87%，外部水足迹占据47%。Hess[20]等分析了英国不同的饮食方式对全球蓝水足迹的影响，认为不同的饮食方式对水足迹的影响有限，更可持续的生活方式虽可减轻英国蓝水压力，但会在其他地方增加蓝水资源压力，并不能有效地减轻水资源压力。Ge[21]采用自下而上的方法对中国水足迹核算中发现东南沿海发达地区水足迹高，各省际水足迹差异大。蕫璐[22]等研究认为水足迹将生活中实体水资源消耗及生产服务的间接水资源消耗联系起来，解决了用水公平性评价中全面衡量用水量的问题，结果得出我国大部分地区属于用水不公平地区。盖力强[23]等则以水足迹为基础对中国水生态功能进行分区，将我国分为东北松辽山地平原少水区、华北黄淮海平原少水区、西北内陆干旱缺水区、南部山地丘陵丰水区、青藏高原水塔区和西南高原山谷丰水区6个水生态功能一级区以及100个二级区。Zhao[24]等基于扩展的STIRPAT模型对中国水足迹的回归分析，发现人口、财富、饮食结构和城市化水平与水足迹都呈现正相关关系，人口是水足迹增长的主要因素。张晓宇[25]和王艳阳[26]等基于投入产出模型分析了中国水足迹结构演变及走势，分别从产业和总量方面分析，发现水足迹以间接水足迹为主，第一产业用水份额下降，第二三产业份额上升，同时中国是水足迹净流出国。在王艳阳的研究中认为对不同行业部门消耗的蓝水计算没有考虑水质量的不同，同时灰水足迹以COD为评价水质标准。吴兆丹[27]等分析了中国水足迹地区间的差异，使用水足迹强度来表明水资源与经济发展之间的效率关系，认为存在虚拟水流动导致水足迹与本地GDP比值不能准确反映当地的水资源利用效率。

(3)流域尺度研究。潘文俊[28]等对九龙江流域的水足迹可持续评价中采用水足迹结构指标、水足迹效益指标和水资源生态安全指标来评价九江流域的水资源情况，在水资源结构指标项内容方面，主要计算了水资源进口依赖度和水资源自给率。徐长春[29]等则基于生命周期法计算了我国黄河、淮河、海河和长江流域的小麦水足迹，认为蓝水和绿水机会成本不同，农产品消耗绿水不会引起水资源匮乏，生命周期计算方法比将蓝水、绿水和灰水直接相加更能体现水资源利用对环境的影响。张丽琼[30]等对黑河中游不同生计方式(分为纯农户、兼业户和非农户)农户的水足迹分析，因虚拟水贸易数据的缺乏而采用自下而上法，产品虚拟水含量采用Chapagain虚拟水研究中有关中国的部分，结果与自上而下法略有差异。

(4)省市尺度研究。孙艳芝[31]等对北京市水足迹的研究，研究结果表明城镇居民水的消耗量大于农村消耗，对动物的消耗量很高，因贸易数据缺少而忽视了进口产品再出口的问题。韩舒[32]等结合水足迹模型分析了新疆1999-2004年水足迹趋势及内部特征，发现用水先升后降，水资源利用效率提高，虚拟水出口给新疆水资源带来巨大的压力。祝稳[33]等则运用水足迹理论对河南省水足迹结构分析，发现水足迹逐年增加，水足迹依赖度小，水资源匮乏指数达305%。刘民士[34]等在基于水足迹理论的安徽水资源评价中所采用的万元GDP水足迹值，其值越高说明水资源利用效率越低，需要将传统粗放型农业转变向高节约型。Zhang[35]等利用水足迹为基础对黑龙江开垦地的农业水消耗、环境影响和粮食生产的耦合分析，发现水消耗和粮食生产具有脱钩倾向，而农业水环境影响则和粮食生产有正向关系，认为灰水足迹需要考虑氮等更多的水污染物，建立用水标准以激励生产者减少水足迹。李啸虎和杨德刚[36,37]基于水足迹的对乌鲁木齐市工业结构和城郊种植业研究，对比两者间的水足迹结构差异特征，在两个研究中灰水足迹分别采用了COD和氮肥作为灰水足迹指标，在城郊种植业研究中关注年流量而忽视了对流量变化对特定时间的环境的影响。王旭[38]等对宁夏中卫市农业水资源评价中发现水资源利用逐年增大，灰水足迹平均达到10%增长速度。代稳[39]等对六盘水市水资源安全的水足迹分析指出工农也用水占到96%以上，水资源利用效率上升。周玲玲[40]等在对墨市的水足迹研究中认为区域水足迹是水足迹研究重要内容，但因消费、贸易数据的缺乏而影响到研究结果。

(5)产品水足迹研究。Schyns[41]等分析摩洛哥不同农产品的水足迹经济效益，发现该国所出口的主要是低经济价值而耗水量高的产品，在水资源缺乏的地区生产高耗水的产品，因此建议重新分配作物来减少水资源消耗。Morillo[42]等以水足迹计算为基础研究了西班牙维尔瓦省草莓的灌溉管理，认为水足迹虽然提供了单位产品的需水量，但没有提供关于灌溉管理和当地实际的信息，因此建立了灌溉水足迹和作物生长水足迹，作物灌溉水和作物吸收水以及相关灌溉水五个指标以此来提高水资源利用效率。Hoekstra和Mekonnen[43]测算了全球家禽水足迹，发现几乎有30%的农业用水用于动物生产，在相同营养量下动物的水足迹大于谷物的水足迹，动物的食物转化效率也低于谷物，谷物比动物有更高的水利用效率。在计算家禽水足迹中对于家禽分布和家禽饲养成分数据的缺乏造成一定的影响。Jeswani[44]等计算了全球12个国家酒精的水足迹，发现工业过程的水消耗相较于农业可以忽略，玉米种植耗水因依赖于气候、季节降雨量而各不相同，认为国家尺度并不能反映特定地区的用水影响，流域尺度的研究最合适，这表明水资源消耗的空间和时间上的数据是一个挑战。Chapagain[45]等分析了全球范围内的大米水足迹，发现绿水足迹占大米水足迹的48%，蓝水足迹和灰水足迹占比分别为44%和8%，认为需要精确的分析大米生产在不同地点和时间对环境的影响。Bosire[46]等计算1980-2000年肯尼亚的肉类和牛奶的水足迹，研究得出23%的水用于生产出口产品，生产水足迹主要由产量、食物转化效率和家禽的食物结构决定，每立方米水足迹得到0.25 美元，进口每立方米水足迹花费0.1美元，认为通过出口低水足迹的产品和进口高水足迹的产品可缓解肯尼亚的水资源压力。在徐鹏程[47]等对江苏省2000-2010年主要农作物生产水足迹研究中，发现蓝水和绿水总体呈下降，说明用水效率提高，小麦和水稻占总体水足迹的84.15%，棉花成产水足迹最大，绿水在作物生产中占有重要地位，建议提高农作物生产过程中绿水的使用比例以此来增加水资源效率。

5 结 语

水足迹概念本身涵盖了蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹3个部分，连接直接用水和间接用水，弥补了传统水资源评价中只重视蓝水足迹的缺点，具有全面反映人类消耗产品和服务对水资源占用的特性，对水资源使用效率和水资源使用的影响进行定量化分析的优点。水足迹概念为减少水资源使用量和提高水资源使用效率、全面评价水资源的可持续性、有效性、公平性和安全性[48]，以及制定水资源策略提供科学依据，但是水足迹研究也存在一些不足。

(1)不能反映对环境的影响程度。水足迹代表人类活动实际消耗的水资源数量，并没有反映消耗的水资源所产生的环境影响，这就不能为国家政策的制定提供全面有效的信息[49,50]。因此，水足迹的数量指标并不能反映水资源消耗对环境的影响，还需要多方面与社会、经济和环境指标相结合，以弥补这方面不足。

(2)难以用于小尺度研究。水足迹研究多针对于全球、国家和省级尺度，对于流域以及市级尺度的研究则较少，相关数据缺少是其主要限制因素，某地区的水消耗对当地的环境会产生重要影响，大尺度的研究并不能有效反映特定地区环境问题，因此流域尺度和市级尺度的研究非常必要，同时需要关注特定时间段水量变化时水资源消耗所产生的环境影响，年际水足迹研究并不能反映特定时间段内的环境影响程度。

(3)虚拟水核算结果不够精确。产品虚拟水计算是件重要工作，但计算所有不同地区的产品虚拟水是非常困难的，以至于许多研究者采用他人的相关研究结果，如Hoeskra对全球农产品虚拟水含量的计算结果被广泛使用。但是他人的研究结果并不能代表特定地区产品的虚拟水含量，使得研究结果的可信度下降。

(4)国家间灰水足迹难以进行比较。不同的国家，其水质标准可能存在差异，那么，这也就难以对不同国家的灰水足迹进行直接比较。

(5)忽视污染物特征和自然生态系统自净能力。灰水足没有考虑不同污染物的物理化学特征，以及自然生态系统除水以外的其他组分对污染物的消纳功能，这可能使得高估或低估灰水足迹。

综上分析，进一步改进和完善虚拟水核算方法，广泛开展小尺度地域的研究，与环境影响的其他指标综合分析，将是今后一段时期水足迹研究的重点。

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