基于水足迹理论的中国水资源压力评价

刘 静，余钟波

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

受气候变化、人口增长、消费结构改变等多因素影响，很多地区的水资源压力日趋严重，如何合理评价区域水资源压力水平，成为改善水资源利用现状、实现水资源可持续利用的重要前提[1-2]。很多学者针对区域水资源压力开展了大量研究，目前的水资源压力研究主要集中在水量分析方面[3-8]，也有一些学者针对水质对区域水资源压力的影响开展了相关研究[9-12]，但同时将水量和水质纳入分析的研究相对较少。

2002年荷兰学者Hoekstra等[13]首次提出水足迹概念，丰富了传统水资源评价体系，为水资源科学管理提供了重要理论依据。水足迹概念涵盖了蓝水(地表水和地下水)、绿水(有效降水)和灰水(以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，稀释污染物所消耗的水资源)3种不同类型的水资源，同时包含了水量和水质两个方面[14]。一些学者[7,15]尝试将水足迹理论纳入区域水资源压力分析体系，但主要集中于蓝水足迹，很少将蓝水足迹和灰水足迹同时纳入分析。

本文基于水足迹理论，提出了同时涵盖水量和水质的区域水资源压力指数计算方法，并对中国各区域水资源压力状况进行了分析，以期为水资源管理提供理论参考。

1 研究方法

1.1 蓝水足迹计算

农业部门蓝水足迹为不同种类农产品蓝水虚拟水含量与对应产量的乘积，本文农产品包括作物与动物产品两类。作物蓝水虚拟水含量可根据下式计算[14]：

(1)

式中：Vb为作物蓝水虚拟水含量，m3/kg；Wb为生育期蓝水资源利用量，m3/hm2；Y为单位面积产量，kg/hm2；ETc为生育期蒸发蒸腾量，mm，根据彭曼公式计算；Pe为生育期利用的有效降水量，mm，以旬为计算步长，采用美国农业部土壤保持局推荐方法：

(2)

式中：Pet为旬有效降水量，mm；Pt为旬降水量，mm。

动物产品蓝水虚拟水含量包含动物产品饲料、饮水及服务相关的蓝水虚拟水含量3部分，采用Mekonnen等[16]的计算结果。其中动物产品饲料相关的蓝水消耗包含饲料原料对应的蓝水消耗及混合这些饲料原料所使用的蓝水资源；饲料原料对应的蓝水资源消耗采用作物蓝水足迹计算方法得到；服务相关的蓝水足迹指的是进行动物屋舍清洁、动物自身清洁以及其他保持环境清洁所必需的服务所对应的蓝水资源消耗[17-18]。

工业、生活及生态部门蓝水足迹为蓝水用量与对应耗水系数的乘积。区域蓝水足迹为各部门蓝水足迹之和。

1.2 灰水足迹计算

灰水足迹可根据下式计算[14]:

(3)

式中：G为灰水足迹，m3；N为氮肥施用量，kg；α为氮肥淋溶率；Cm、Cn分别为氮元素的最大环境允许质量浓度和自然本底质量浓度，mg/L。根据相关研究[19-20]，本文假定Cm=10 mg/L，Cn=0 mg/L。

1.3 区域水资源压力指数与等级计算

区域水资源消耗应同时涵盖生产用水[5]与稀释污染物用水[21]，本文假定当地可用水资源可全部用于污染物稀释。区域水资源压力指数Ws可根据下式计算:

(4)

式中：B为蓝水足迹，m3；R为可用水资源量，m3。

结合以往研究[5]，规定Ws<0.1β(β为区域综合耗水系数)为低水资源压力，0.1β≤Ws<0.2β为低-中水资源压力，0.2β≤Ws<0.4β为中-高水资源压力，Ws≥0.4β为高水资源压力。β可根据下式计算:

(5)

式中：Ba、Bi、Bd、Be分别为农业、工业、生活及生态部门蓝水足迹，m3；Wa、Wi、Wd、We分别为农业、工业、生活及生态部门蓝水用量，m3；βi、βd、βe分别为工业、生活及生态部门耗水系数。

1.4 研究区域与数据来源

本文研究区域为中国的31个省级行政区，因数据原因，未涉及港澳台地区。气象数据来自中国气象科学数据共享服务网，农产品产量、消费、氮肥施用量及人口数据来自《中国统计年鉴：2015》和《中国农业统计资料：2015》，水资源用量、可用量及耗水系数来自《2015年中国水资源公报》，作物系数主要参考《中国主要作物需水量与灌溉》[22]和《北方地区主要农作物灌溉用水定额》[23]确定，部分由水利部灌溉试验总站提供。

2 结果与讨论

2.1 蓝水足迹

由图1可看出，各省级行政区蓝水足迹差异显著，其中新疆(355.47亿m3)、山东(246.37亿m3)、河南(213.85亿m3)、河北(203.22亿m3)和江苏(190.87亿m3)蓝水足迹排名前5，这些省级行政区社会生产活动相对密集，蓝水资源量大；西藏经济水平相对落后，社会生产活动相对较少，蓝水足迹最小，不足新疆的2%。对比各部门蓝水足迹发现，除广东、浙江、福建、北京和上海外，其他省级行政区的农业蓝水足迹均大于工业、生活及生态蓝水足迹，这与农业生产活动需要消耗大量的水资源，以及农业是中国最大的水资源消耗部门(农业蓝水足迹占全国蓝水足迹的72.70%)的情况一致。对于部分沿海(广东、浙江和福建)和经济高度发达的省级行政区(北京和上海)，消费的农产品主要来自其他省级行政区调入，因而工业及生态部门成为重要的蓝水资源消耗部门。对于蓝水足迹较大的省级行政区，尤其是农业蓝水足迹大于100亿m3的新疆、山东、河南、河北、黑龙江和内蒙古，节水技术的应用、作物布局优化(高耗水作物向水资源丰富省级行政区转移)以及节水意识的提高均有助于减小区域蓝水足迹，进而缓解区域水资源压力。

图1 蓝水足迹空间分布及部门差异

2.2 灰水足迹

图2 给出了灰水足迹空间分布。由图2可看出，河南、江苏和山东是灰水足迹排名前3的省级行政区，其灰水足迹分别为238.70亿m3、162.10亿m3和151.00亿m3，这与河南等地是重要的农业生产地区，氮肥施用相对较多，稀释其所产生的污染物所需的水资源相对较多的情况一致。北京、青海和西藏灰水足迹较小，分别为4.90亿m3、4.10亿m3和2.00亿m3，这与其农业生产活动较少，氮肥施用量相对较少密不可分。现有灰水足迹计算主要考虑氮肥对区域水资源的影响，因此，合理控制氮肥施用量，提高氮肥利用率均有助于减小灰水足迹。未来，其他污染物也需纳入区域灰水足迹量化分析，以实现更精准的水资源管理。

2.3 区域水资源压力

表1给出了基于蓝水足迹和灰水足迹的区域水资源压力指数及等级。由表1可看出，宁夏(4.070)、河北(1.599)、山东(1.463)和天津(1.282)的水资源压力指数均显著大于其他省级行政区。宁夏和河北的高水资源压力主要是由于其可用水资源量不足以稀释氮肥施用所产生的污染物，因此需要额外的水资源消耗。山东和天津的高水资源压力主要是由蓝水资源消耗引起的(山东的蓝水足迹在全国排名第2，而其可用水资源在全国排名24；天津的蓝水足迹和可用水资源量均较小，分别占全国总量的0.60%和0.05%)。西藏的水资源压力最小，这与其可用水资源量全国排名第1，但同时经济相对落后，社会经济活动相对较少，水资源消耗较少密不可分。不同区域水资源消耗特点不同，区域水资源压力指数分布与水资源压力等级分布存在一定差异。以内蒙古和黑龙江为例，其水资源压力指数分别为0.233和0.168，而其压力等级分别为中-高水资源压力和高水资源压力。受农业灌溉水平等因素影响，内蒙古的综合耗水系数(0.673)显著大于黑龙江(0.386)，因此同样的水资源压力水平，内蒙古对应的水资源压力指数阈值明显高于黑龙江(以高水资源压力指数阈值为例，内蒙古和黑龙江分别为0.269和0.154)。减小区域尤其是高水资源压力地区水资源压力，是目前亟需解决的问题之一。除上文提及的减少区域蓝水足迹及灰水足迹的措施外，实体及虚拟形式的水资源进口均有助于增加区域可用水资源量，以缓解区域水资源压力[5,19,24]。

图2 灰水足迹空间分布

表1 各省级行政区水资源压力指数与等级

3 结 论

a. 各省级行政区蓝水足迹差异显著，除广东、浙江、福建、北京和上海外，其他省级行政区的农业蓝水足迹均大于工业、生活及生态蓝水足迹，节水技术的应用、作物布局优化(高耗水作物向水资源丰富省级行政区转移)以及节水意识的提高均有助于减小区域蓝水足迹，进而缓解区域水资源压力。

b. 灰水足迹排名前3的是河南、江苏和山东，北京、青海和西藏灰水足迹较小。合理控制氮肥施用量，提高氮肥利用率均有助于减小灰水足迹，未来其他污染物也需纳入区域灰水足迹量化分析。

c. 宁夏、河北、山东和天津的水资源压力指数均显著大于其他省级行政区。水资源压力指数分布与考虑区域水资源消耗特点的水资源压力等级分布存在一定差异。除蓝水足迹及灰水足迹减小措施外，实体及虚拟形式的水资源进口均有助于增加区域可用水资源量，以缓解区域水资源压力。