基于水足迹的区域水资源定量测度与特性分析

张先起，李 浩，梁士奎，王立康

(华北水利水电大学 水利学院，郑州 450046)

0 引 言

水资源是人类赖以生存和发展不可或缺的母体资源，也是构成整个地球生态系统演变的重要部分[1]。在水资源问题严重、社会发展和水资源需求矛盾突出、区域水资源开发利用结构不合理等问题日渐加剧的情况下，强化水资源统一管理、科学管理，实现水资源定量测度，促进水资源可持续利用就显得尤为重要[2,3]。关于研究水资源定量测度方面，国内外学者进行了大量的研究工作，取得了丰富的成果。水足迹理论提出于2002年，是指在日常生活中总消费产品及服务过程所耗费的不可见的水资源[4]。Al-Furaiji等[5]利用产品产量和水资源的关系，确定了区域灌溉、工业和畜禽的年用水量并建立了用水平衡；Zoumides等[6]研究了水资源的供应使用与农作物的两个指标，即水资源利用效益和某段时间内区域蓝水稀缺度的耦合度，进行了水足迹相关性的调查；Mekonnen和Hoekdtra[7]通过5×5的高分辨率网格提高了研究精度，利用以天为步长的动态水平衡模型，计算农作物中水足迹随时间推移的变化情况。周玲玲等[8]采用DPSIP模型、变异系数法和熵值法构建了水资源可持续利用评价体系，确定了指标体系的权重；刘梅等[9]利用水足迹计算方法结合虚拟水贸易平衡的角度，探讨了区域水足迹的时空差异性。研究者针对水资源定量测度的探索取得了一系列具有重要价值的研究成果，也为下一步研究打下了坚实基础。可持续发展定量测度的核心是确定人类是否生存于生态系统的承载力范围之内[10]。水资源开发利用的测定复杂多变，不仅受地域结构、区域环境、气候等特性影响，还受到生态系统演变、人类活动、社会产业结构等多因素制约[11,12]。本文以郑州市水资源定量测度为例，基于水足迹理论与方法，通过细分水资源消耗各个用水户的关系，建立实体水资源消费、产品水资源消费、生态水资源需求等用水账户，定量地计算了区域水资源利用的状态与程度，并对其动态演变特征进行了分析。

1 研究方法

1.1 水足迹及计算方法

水足迹是指在一定技术条件下，一个国家、一个区域或全球生产其人口消费的所有资源所需的水资源量。所有资源包括食物、日用品、人类直接消耗的水资源，同时也涵盖维持该区域生态系统健康所必须的水资源。水足迹能更加真实反映区域经济发展过程中消耗的水资源量，其计算公式为：

WFR=WFRc+WRFp+WRFer=NWRFpc

(1)

式中：WFR为总水足迹，m3/a；WFRc为实体水资源消费足迹，m3/a；WFRp为产品水资源消费足迹，m3/a；WFRer为生态水资源需求足迹，m3/a；N为人口总量，人；WFRpc为人均水资源消费足迹，m3/a。

1.2 水足迹账户类型

依据水足迹，将用水户主要分为3种账户类型，分别是：

(1)实体水资源消费：分为农业用水量、工业用水量和生活用水量3种，其中农业用水量包括农业灌溉、林业灌溉、牧业草场灌溉等用水行为所消耗的水资源量；工业用水量包括在工业生产工程中用于冷凝、稀释、溶剂等作用的水资源量，一方面，在水的利用过程中通过不同途径进行消耗，另一方面，以废水的形式排入自然界，参与正常水循环。所以工业用水量计算十分复杂，通常都是通过万元工业产值用水量来估算。生活用水量包括人类正常的生活或生存用水量和以其他途径使用的一部分水资源(公共用水、建筑用水等)。

(2)产品水资源消费：包括农产品用水量、工业产品用水量和动物产品用水量。在计算产品水资源用水量时必须考虑产品生产过程中消耗的水量和产品自身的含水量。其中农产品和工业产品的自身含水量相较于其生产过程中所消耗的水资源量只是很小的一部分，可忽略不计；动物产品用水量则包含了自身含水量、生长用水量和宰杀加工用水三部分。

(3)生态水资源需求：指在一定区域，以改善城市环境为目的，支撑生态系统完整性所需的水资源量。可分为天然生态系统用水和人工建设生态系统用水，主要包括公园湖泊用水、风景观赏河道用水、城市绿化与园林建设用水以及污水稀释用水等。可综合考虑无植物水面蒸发量和城市园林绿化用水定额来计算。

1.3 水足迹承载力

根据国际公认水资源开发利用的警戒线，区域水资源开发利用率若超过可利用水资源总量的30%～40%，就可能引起生态环境的恶化。为了维持生态系统的健康和可持续性发展，因此，在水资源承载力计算中应扣除不低于60%的水量。其计算公式为：

WCC=0.4WA=NWCCpc

(2)

式中：WCC为水资源承载力，m3/a；WA为可利用水资源量，m3/a；N为人口，人；WCCpc为人均水资源承载力，m3/a。

有时，也可以用水资源需求量 与水资源供给量 的比值来表示水资源匮乏度 ，即社会经济发展对水资源的压力程度。计算公式为：

WS=WFR/WCC

(3)

当WS>1 时，说明已经超出水资源承载力，而且WS值越增加，超载越严重；

当WS=1 时，说明处于水资源承载力临界状态；

当00。

在许多水资源比较短缺的地区，水资源成为社会经济发展的主要制约性因素。同时，社会经济发展对水资源也有积极的作用，也有不利的影响，它们相互联系、相互制约、相互影响。可以用水足迹与GDP的比值即为GDP水足迹WFRgdp来表示水资源利用效益。

WFRgdp=WRF/GDP

(4)

WFRgdp越大，表示水资源的利用效益越低，水资源可持续利用的效率越低；反之，WFRgdp越小，表示水资源的利用效益越高，水资源可持续利用的效率越高。

2 实例研究

2.1 研究区概况

郑州市是河南省省会，全省政治、经济、文化中心，是新亚欧大陆桥上的重要城市，介于东经112°42′～114°14′和北纬34°16′～34°58′之间，北临黄河，西依嵩山，东南为广阔的黄河冲积平原。郑州多年平均年降水量640 mm，年平均气温在14～14.3 ℃之间。全市总面积7 446.2 km2，其中市区面积1 010.3 km2，建成区面积382.7 km2，城镇化率67%。全市总人口956.9 万人，城镇人口668.1 万人，乡村人口288.8 万人。2015年，全年实现生产总值7 315.2 亿元，全市完成财政总收入1 419.5 亿元，地方财政一般预算收入942.9 亿元。

2.2 实体水消费足迹

实体水资源消费足迹主要是农业、工业和生活三种用水户总计消费的水量，其中农业用水量包括农业灌溉、林业灌溉、牧业草场灌溉等用水量；工业用水量包括在工业生产工程中用于冷凝、稀释、溶剂等作用的水资源量；生活用水量包括城乡居民生活和公共用水。计算所需相关数据可从《2005-2014年郑州市水资源公报》获得，结果如表1所示。

2.3 产品水消耗足迹

研究区的主要产品分为农产品、动物产品和工业产品三类，其中粮食、棉花、油料、烟叶、蔬菜、瓜果等农产品的水资源消耗量已计算在实体水资源消费足迹的农业用水中；同时工业产品的消耗水量也计算在实体水资源消费足迹的工业用水中。故产品水消耗足迹只用计算动物产品的水资源消耗量。但动物产品用水的统计资料一般比较粗，甚至无法统计，故采用Chapagain和Hoekdtra 2004年有关中国动物虚拟水含量的计算结果[13]。动物产品的各年数据来自《2005-2014年郑州市统计年鉴》，2014年计算结果见表2。

表1 2005-2014年郑州市实体水消费足迹 亿m3

2.4 生态水需求足迹

郑州市为了维持生态系统健康与可持续发展必须扣除60%的可利用水资源量作为生态用水，且研究区河道无航运、景观等任务。故这里的生态水足迹只需考虑城市绿化与园林建设用水等，结合《2005-2014年郑州市水资源公报》数据，结果见表3。

2.5 用水效果

根据郑州市统计年鉴、水资源公报等资料，提取出人口、水资源总量、GDP等数据，按公式(1)～公式(4)分别计算出郑州市水足迹、人均水足迹、水足迹承载力和水足迹利用效率等数据。结果见表4。

表2 2014年郑州市城乡居民主要消费产品水消耗Tab.2 Water consumption of major consumer products of urban and rural residents in Zhengzhou in 2014

表3 2005-2014年郑州市生态水需求足迹Tab.3 Ecological water demand footprint of Zhengzhou city in 2005-2014

表4 2005-2014年郑州市用水效果表Tab.4 Water effect table of Zhengzhou city in 2005-2014

3 特性分析

3.1 水足迹

2005-2014年郑州市水足迹变化如图1所示，由图1可知，10年来水足迹呈逐步上升的态势，从2005年的41.29 亿m3逐步攀升到峰值2010年的50.10 亿m3，然后2011年出现下降，2012-2014年开始逐步回升；人均水消费足迹呈现总体下降的趋势，其中2010年和2011年下降幅度较明显。这说明人口的增长和社会经济的发展对水资源的需求不断增加。其中在2011年人口数量激增的情况下人均水消费足迹出现下降，且继续呈下降的趋势，说明产业结构的调整可能导致水资源消费量的大幅减少。

图1 2005-2014年郑州市水足迹动态特征Fig.1 Dynamic characteristics of water footprint of Zhengzhou city in 2005-2014

3.2 用水水平分析

由图2可知，郑州人均水足迹和其他国家和中国部分地区比较，郑州市的人均水足迹低于全球平均水平，且远远低于美国、加拿大、西班牙、法国等发达国家；也低于泰国、马来西亚等旅游胜地的国家。与国内部分地区比也仅比石家庄和大连的人均水足迹高，但依然低于全国平均水平。北京、上海、重庆等发达城市水足迹远远高于郑州，盛产牛羊制品的西北地区也率高于郑州。可以看出地区的发达程度、经济状况影响着水足迹，同时旅游业也是影响水足迹的重要因素。主要体现在发达国家和地区消费的产品和服务业更多，其中旅游业等服务行业属于向外输水行业(外地游客在旅游地消耗的水资源和景观补水)，较大程度地增加了水足迹；郑州相对于北京、山东、上海等城市经济的总体规模显得较小；西北地区的一些如牛羊肉、皮革类的产品普遍消耗的水资源更多。

图2 部分国家地区的人均水资源消费足迹Fig.2 Consumption footprint of water resources per capita in some countries

3.3 用水结构分析

由图3可知，近年来郑州市水足迹趋于稳定，实体水资源消费量相对稳定，但所占比例逐渐减小，消费量从2005年36%减少到2014年29%；产品水资源消费呈上升的趋势，一直占据着水足迹的主导地位，消费量均超过55%；生态水需求量变化幅度最大，对比实体水资源消费和产品水资源消费只占用了极小的部分。对于实体水资源消费来说，工业和农业始终是用水大户，年用水量均超过了9 亿m3；农业实体用水整体呈下降趋势，从2005年接近50%的比例下降到了2014年30%，农业灌溉条件、技术的改善，产业的转型和城镇化的推进是造成农业实体水消费减少的主要原因；工业实体用水基本持平维持在30%左右，郑州市政府大力提倡节约用水、增加中水利用，尽管工业用水户增加但用水量依旧得到较好的控制；生活实体用水量从2005-2014年持续上升，从2.87 亿m3增加到5 亿m3，增加了2.1 亿m3占在实体用水量15%。随着社会经济的发展，郑州市人口的增长和人民生活水平的提高，生活实体水资源消费量将不断增加。由上可知，加大产业调整力度，发展现代工业和旅游业是减少产品水消费的重要方式，在不影响消费的情况下可适当考虑减少牛肉等耗水量较高产品的生产。

图3 郑州市水足迹和实体水消费足迹Fig.3 Water footprint and physical water consumption footprint of Zhengzhou City

3.4 承载力分析

水资源匮乏度是衡量一个国家或地区水资源承载能力，与当地的可利用水资源量密切相关。由图4可知，郑州市近年来水资源匮乏度整体呈上升趋势，WS超过1，说明已经超出水资源承载力，而且WS值越增加，超载越严重。期间2007年、2011年出现拐点主要原因是当年降水量较大，水资源总量增加。郑州市连续10年WS指数超过6，属于重度超载，水资源承载能力不足以提供郑州市区域水消费足迹；地下水超采严重，以影响到水资源可持续利用，水资源压力也在不断增大。

3.5 利用效率分析

万元GDP水足迹是评价一个国家或地区用水量与产值的关系，也是当地水资源利用效益的一个重要指标。从图4中可以看出2004-2014年郑州市万元GDP水足迹呈下降趋势，平均每年下降20 m3/万元，其中2007年和2011年下降幅度最大分变为56.8、29.3 m3/万元。由此可知，产业的转型、用水方式的转变使得郑州市水资源利用效率不断提高。这得益于河南省对节水型社会建设、水生态文明建设和严格水资源管理等工作的重视；郑州市政府在水利建设方面的重视程度、投入力度及建设规模，尤其是在持续发展民生水利、强力推进生态水系、积极开展水污染防治等工作及其取得的成效。综合来看，郑州市水资源利用效益较高，且有继续提高的趋势，对郑州市水资源可持续发展起到了积极作用。

(a)水资源匮乏度

(b)万元GDP水资源足迹图4 2005-2014年水足迹利用效率动态特征Fig.4 Dynamic characteristics of water footprint utilization efficiency in 2005-2014

4 结 语

水足迹是一种有效的定量评价水资源的方法。基于水足迹理论与方法，建立实体水资源消费、产品水资源消费和生态水资源需求等用水账户，结合郑州市2005-2014年水资源利用情况、水资源匮乏度和万元GDP用水量等指标，对郑州市水资源进行了定量的测度。研究结果表明：郑州市水足迹整体在稳步上升，产品水资源消费和实体水消费占据水足迹的主体，实体水资源消费中工业用水的比重逐渐超越农业水资源消费；郑州市人均水足迹较低，与一些发达的国家和地区相比处于较大的劣势；郑州市整体经济形势发展良好，万元GDP产值用水量相对较低，但水资源供需存在较大的缺口，水资源匮乏程度较为严重，属于重度超载。要保证水资源的可持续利用，必须进一步完善节水系统，严格控制经济发展规模与产业，建设资源节约型社会。

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[1] 夏 军, 苏人琼, 何希吾, 等. 中国水资源问题与对策建议[J]. 中国科学院院刊, 2008,23(2):116-120.

[2] 左其亭, 张 云. 人水和谐:量化研究方法及应用[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2009.

[3] 左其亭, 胡德胜. 基于人水和谐理念的最严格水资源管理制度研究框架及核心体系[J]. 资源科学, 2014,36(5):906-912.

[4] Hoekstra A Y, Hung P Q. Virtual water trade: a quantification of virtual water flows between nations in relation to international crop trade [J]. Value of Water Research Report Series, 2003,11(7):835-855.

[5] Al-Furaiji M H O, Karim U F A. Evaluation of water demand and supply in the south of Iraq [J]. Journal of Water Reuse And Desalination, 2016,6(1):214-226.

[6] Zoumides Christos, Bruggeman Adriana. Policy-relevant indicators for semi-arid nations: The water footprint of crop production and supply utilization of Cyprus [J]. Ecological Indicators, 2014,43:205-214.

[7] Mekonnen M M, Hoekstra A Y A. global and high-resolution assessment of the green, blue and grey water footprint of wheat [J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2010,14(7):1 259-1 276.

[8] 周玲玲, 王 琳, 余 静. 基于水足迹理论的水资源可持续利用评价体系:以即墨市为例[J]. 资源科学, 2014,36(5)913-921.

[9] 刘 梅, 许新宜. 基于虚拟水理论的河北省水足迹时空差异分析[J]. 自然资源学报, 2012,27(6):1 022-1 034.

[10] 徐中民, 张志强, 程国栋. 甘肃省1998年生态足迹计算与分析[J]. 地理学报, 2000,55(5):607-616.

[11] 吴志峰, 胡永红. 城市水生态足迹变化分析与模拟[J]. 资源科学, 2006,28(5):152-156.

[12] 邓晓军, 翟禄新, 李 艺. 桂林市水资源可持续利用定量测度与动态分析[J]. 资源科学，2013,35(1):157-164.

[13] Chapagain A K, Hoekstra A Y. Water Footprints of Nations[C]∥ Value of Water Research Report Series(No.16). IHE Delft, 2004.