内蒙古地区水足迹量化及水资源评价分析

侯林秀 温 璐* 张雪峰 王立新 赵 吉 杜凤莲

(1.内蒙古大学 生态与环境学院/草原生态安全省部共建协同创新中心/ 内蒙古草地生态学重点实验室，呼和浩特 010021； 2.内蒙古科技大学 包头师范学院 资源与环境学院，内蒙古 包头 014030； 3.内蒙古大学 经济与管理学院，呼和浩特 010021)

保证水资源供应是保障正常生产和生活的必要条件，但随着经济发展、人口增加和城市化进程推进，水资源供应面临的压力越来越受到广泛关注[1-3]。正确合理评价区域水资源利用状况和压力水平，是配置水资源、实现水资源可持续利用的重要前提[4-5]。水足迹是指为维持人类日常消费的产品及服务而消耗的淡水资源总量，可以分为蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹，分别用以反映人类活动消耗的可见水、植物蒸腾水以及稀释污染负荷所需要的淡水资源，通过量化水足迹可以有效表征区域水资源消耗总量[6]。已有研究针对不同区域水资源展开，如：苏明涛等[7]通过对吉林省三种农作物在不同生长条件下的水足迹计算得出作物生长更加依赖于绿水；农业水足迹在汉江干流水足迹中占比最大且上游的水资源可持续利用水平更高[8]；中国城镇居民食物消费水足迹随着人口增多、食物消费结构转变以及城镇化进程的推进不断增长[9]；杨文娟等[10]的研究表明河南省碳足迹和水足迹不匹配的现象在各行业中普遍存在。上述研究大多集中于农作物蓝绿水计算、区域或流域水量分析以及单个生产部门的水足迹构成等，对特定区域考虑其空间差异在较大时间尺度，同时从水量和水质层面整体分析其水足迹动态特征，并根据不同空间定位和用水结构特征提出未来水资源发展建设性意见的研究相对较少。

内蒙古地区地域辽阔，由于地理位置和气候条件的差异，导致不同盟市间存在不同的水资源问题。对整个内蒙古区域进行整体水足迹核算，难以适用于所有地方的水资源管理实践，因此，以盟市为基本单元进行水足迹核算对当地水资源管理更具现实意义，同时，通过对较大时间尺度(1998—2018年)不同盟市间的水足迹变化趋势和用水结构对比，既有助于了解内蒙古地区缺水现状的空间分布和发展规律，更有利于在未来精准把握绿色发展、可持续发展要义，以有效减缓半干旱区域水资源胁迫。目前关于内蒙古地区的水资源相关研究鲜有涉及蓝水、绿水、灰水足迹的年际间各地区对比的分析。因此，本研究拟以内蒙古地区为研究对象，利用水足迹量化方法，以期分析1998—2018年区域水资源利用状况并以此为基础进行水资源评价，为更好地进行水资源管理和配置提供理论参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

内蒙古自治区位于北纬37°24′～53°23′，东经97°12′～126°04′，总面积约118.3万km2，下辖9个地级市、3个盟；地貌以高原为主，西部地区属温带大陆性气候，东部地区为中温带季风气候，降雨集中在夏季，受地形和海洋远近的影响，自东向西逐渐递减，全区水资源在空间上的分布极不均匀。区内主要水系有黄河、额尔古纳河、嫩江、西辽河、海滦河等，2018年全区水资源总量461.52亿m3，较多年平均值减少15.5%，多数地区水资源紧缺。

1.2 研究方法

1.2.1水足迹量化方法

区域水足迹包括蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹，计算公式[11]如下：

WFP=WFPblue+WFPgreen+WFPgrey

(1)

式中：WFP为总水足迹，m3/a；WFPblue为蓝水足迹，m3/a；WFPgreen为绿水足迹，m3/a；WFPgrey为灰水足迹，m3/a。

蓝水足迹指对地表水或地下水的消耗[6]，由农业、工业、生活、生态蓝水足迹组成，其中工业部门、生活部门和生态蓝水足迹分别用各部门用水量与耗水率相乘而得[12]；农业蓝水足迹指农业灌溉对地表水、地下水消耗[13]，计算公式为：

WFblue=10ETblue/Y

(2)

式中：WFblue为农业蓝水足迹，m3/a；ETblue为蓝水蒸散发，mm/d；Y为作物产量，t/a；10为转化系数。

绿水足迹指作物生长的降雨消耗，计算公式如下：

WFPgreen=10ETgreen/Y

(3)

式中：WFPgreen为绿水足迹，m3/a；ETgreen为绿水蒸散发，mm/d；Y为作物产量，t/a；10为转化系数。

ETblue和ETgreen参考文献[12]根据彭曼公式计算，主要涉及有效降水量、日照时长、平均气温、平均气压、平均风速、平均水汽压、相对湿度等气象数据。

灰水足迹选择点源污染灰水足迹和面源污染灰水足迹中的较大值[14-15]，其中点源污染是指工业和生活部门在用水过程中产生的污染，以化学需氧量为指标；面源污染为农业部门污染，以氮元素为指标进行计算[16]：

(4)

(5)

式中：WFgrey为点源污染灰水足迹，m3/a；WFagr-grey为面源污染灰水足迹，m3/a；L为污染物排放负荷，kg/a；Cmax为达水质标准的污染物最高浓度，kg/m3；Cnat为水体污染物初始浓度，kg/m3；α为氮肥淋失率；Appl为氮肥施用量，kg/a。

1.2.2水资源评价方法

借鉴已有研究方法[12,17-18]，对区域水资源利用现状进行评价分析，具体计算方法见表1。

表1 基于水足迹的区域水资源利用评价指标体系Table 1 Indicator system of evaluating regional water resources utilization based on water footprint method

1.3 数据来源

水资源总量、各部门用水量以及耗水率等数据来自《内蒙古自治区水资源公报》[19]，相关气象数据来自中国气象科学数据共享服务网，工业和生活废水化学需氧量(COD)排放量取自《内蒙古自治区环境质量状况公报》[20]；本研究以我国GB3838—2002《地表水环境质量标准》[21]为指导标准，根据《内蒙古自治区水资源公报》中水质统计，选择Ⅲ类水COD标准质量浓度作为计算工业和生活部门灰水足迹的依据[16]，即Cmax=0.02 kg/m3。采用上述标准中硝酸盐标准浓度限值作为计算农业部门灰水足迹的依据。氮肥施用量来源于《内蒙古自治区统计年鉴》[22]；氮肥淋溶率选取内蒙古地区氮肥淋溶流失率10.84%[23]；Cnat为污染物质在水体中的原始浓度，假设为0[24]。

2 结果与分析

2.1 全研究区总水足迹及其构成

1998—2018年内蒙古地区各部门水足迹大小如表2所示。由表2可知：全区总水足迹中，农业蓝水和绿水足迹始终占主导地位，其年平均值分别是320.52和176.60 亿m3，二者在总水足迹中所占比例分别为72.43%和82.97%，表明农业是内蒙古地区水资源消耗的主要部门，农业生产给区域水资源带来较大压力；工业蓝水足迹于2013年前缓慢增长，2014—2018年呈下降趋势，2003年之前研究区工业生产总值逐年上升，2013年研究区全面落实党的十八大会议精神，在重大发展战略部署中加快转型升级，在一定程度上促进工业蓝水足迹的下降；1998—2018年生活蓝水足迹为3.39～7.60 亿m3，年际间变化幅度较小；生态蓝水足迹2003—2018年增长16.18 亿m3，增长率为344.26%。总之，研究区居民生活用水结构近些年并未发生显著改变，生态用水量大幅增加与近些年大规模生态建设有关，相关研究也显示研究区植被面积增加[25]，植被生产力以增加为主，尤其森林和荒漠生态区植被生产力增加显著[26]。

表2 1998—2018年内蒙古地区水足迹构成Table 2 Water footprint consumption of Inner Mongolia from 1998 to 2018 亿m3

此外，1998—2018年全区灰水足迹始终取决于生活和工业灰水足迹之和，2006年之后生活灰水足迹占比较大，但生活废水排放给区域水质净化造成一定程度压力。农业灰水足迹总体呈上升趋势，到2015年达最大，2015年后呈缓慢降低趋势，农业灰水足迹自2013年起已超过工业灰水足迹，究其原因是氮肥施用量增加所造成的农业灰水足迹增加，同样可能会给区域水质带来不可忽视的负面影响。

2.2 各地级市总水足迹及其构成

2.2.1蓝水足迹

由图1可见1998—2018年各地级市农业蓝水足迹波动变化，且地级市间差异较大，其中乌海和阿拉善地区最低，2018年占比仅为全区的0.17%和3.18%，与当地耕地面积有限和农业发展状况有关，但阿拉善地区2018年农业蓝水足迹较1998年增长404.43%，受到当地生态观光农业发展的影响。《阿拉善盟2016年政府工作报告》中指出，要进一步加快转变发展方式，推进产业结构调整，包括“优化一产，重点发展种植与养殖有机结合的生态农牧业；做大三产，大力发展旅游专业村、农牧家旅游点”[27]；同年阿拉善地区将“农田牧场变景区、农畜产品变旅游产品、农牧民变三产服务人员”作为发展生态观光农业的主攻方向，打造生态农业与旅游发展新业态，例如阿左旗大力推进休闲农牧业及乡村旅游示范旗(县)的创建，塔日阿图嘎查建立100余亩温室大棚并与周边传统农田农业有机结合，形成观光、旅游、采摘于一体的现代农业，带动其他生产模式相近的地区开展生态观光农业建设。巴彦淖尔、通辽和赤峰分别是年均农业蓝水足迹排名前三的地区，其中通辽和赤峰耕地面积较大，分别为107.16×104和108.30×104hm2，农业经济发展较好，是内蒙古地区农业发展的主要区域，这一结论与之前研究结果即通辽和赤峰市是内蒙古农畜产品生产基地和农业资源保护的核心区域一致[28]。虽然巴彦淖尔耕地面积与上述两个地区相比相对较小，为57.44×104hm2，但其有效降水量在作物生长季仅为119.04 mm，使得在农业生产过程中需要更多的灌溉水以满足作物生长的需要。

各地级市间工业蓝水足迹差异较小，总体上2011年之前均呈上升趋势，2013年后有所下降。依托于21世纪初内蒙古地区大力推进工业发展以及当时工业产值增速稳居全国第一的背景，各地级市工业蓝水足迹大多在2010—2013年达到最大值，十八大以来，全区将工业发展重点转移为创新转型，围绕绿色发展理念优化升级传统产业，工业蓝水足迹开始出现下降趋势。乌兰察布工业蓝水足迹处于全区末位，与其工业基础和发展条件较差、工业发展相对较慢、工业项目规模偏小有关。

1998—2018年各地级市生活蓝水足迹总体呈缓慢上升趋势，其中赤峰地区最高，阿拉善地区最低，两市在2018年相差1.10 亿m3，与两地常住人口数量差异较大(相差415.49 万人)的情况相符。自2003年起各地级市生态蓝水足迹均呈上升趋势，其中阿拉善地区生态蓝水足迹最高且增速快，2018年达6.89 亿m3，主要受到近年来西部生态脆弱区环境治理项目等的影响[29]；“十二五”时期呼伦湖生态环境综合治理工程的大力推进使得呼伦贝尔地区生态蓝水足迹发生一定变化，2010年较前年增长375.56%，到2018年增至4.76 亿m3；乌兰察布生态蓝水足迹最小，2018年仅为0.1 亿m3。

1998—2018年内蒙古各地级市人均蓝水足迹用水结构组成结果见图1。由图1可知：各地级市人均蓝水足迹差异显著，研究期间阿拉善和巴彦淖尔地区人均蓝水足迹均值最高，且与其他地区差异显著，乌海地区最低。阿拉善地区人均蓝水足迹为乌海的12.55 倍，其人均农业、工业、生活、生态蓝水足迹均为全区前二的水平，其中人均生态蓝水足迹更是遥遥领先，主要原因是该地区人口数量较少，至2018年仅为24.94 万人；从各地区用水结构来看，除阿拉善和乌海地区之外，其余各地级市均为人均农业蓝水足迹较高，同样说明总体上农业是研究区用水量依赖度高的产业，其中巴彦淖尔地区人均农业蓝水足迹全区最高，与当地是研究区主要粮食产区有关，发展节水技术、优化作物布局均有助于减小区域农业蓝水足迹，进而缓解区域水资源压力。人均生活蓝水足迹在人均蓝水足迹中占比最小，且在各地级市之间差距不大，除鄂尔多斯和阿拉善地区超过40 m3/人以外，其余地区均为25 m3/人左右，说明生活蓝水足迹基本是由人口数量所决定的。乌兰察布为人均工业蓝水足迹最少的地区，与其总工业蓝水足迹结果一致，而该地区人均农业蓝水足迹为人均工业蓝水足迹的109.46 倍，进一步反映了该地区农业灌溉是用水大户[30]。

图1 1998—2018年内蒙古各地级市人均蓝水足迹用水结构组成Fig.1 Water utilization structure of per capita blue water footprint of each city in Inner Mongolia from 1998 to 2018

2.2.2绿水足迹

1998—2018年内蒙古地区绿水足迹构成结果见图2。由于绿水足迹受气象因素等的影响，研究区总绿水足迹在20年间呈现波动变化的整体趋势。由图2可知：呼伦贝尔、赤峰、通辽、兴安盟地区绿水足迹较高，研究期间年均值均高于24 亿m3，阿拉善和乌海地区绿水足迹最低，年均值不足0.3 亿m3，根据绿水足迹的计算公式，降水量的差异可能是造成地区差异显著的主要原因。阿拉善和乌海地区降雨量不足，在作物生长季分别为70.89 mm、152.37 mm，同时由于乌海地区面积远远小于其他地区，耕地面积和农作物产量较少，因此其绿水足迹和农业蓝水足迹在全区均最低。呼伦贝尔、赤峰和通辽的耕地面积始终为全区前三，降水相对比较充沛，基本可以满足作物生长所需。

图2 1998—2018年内蒙古地区绿水足迹构成Fig.2 Green water footprint consumption of Inner Mongolia from 1998 to 2018

2.2.3人均及平均耕地面积蓝绿水足迹

1998—2018年内蒙古各地级市人均、平均耕地面积蓝绿水足迹空间差异如图3所示。分别对比各地区人均蓝水足迹和平均耕地面积农业蓝水足迹以及人均、平均耕地面积绿水足迹，可以看出结果基本一致。阿拉善和巴彦淖尔人均蓝水足迹和平均耕地面积农业蓝水足迹为全区最大，但人均和平均耕地面积绿水足迹相对较小，这与当地降雨量较少，无法在作物生长期间提供足够水资源有关，因此只能依靠灌溉，而灌溉用水量增加使得当地农业蓝水足迹较大，兴安盟则呈现相反的规律。

图3 1998—2018年内蒙古各地级市人均及平均耕地面积蓝、绿水足迹空间差异Fig.3 Spatial differences of per capita and average cultivated area blue/green water footprint of every city from 1998 to 2018

呼和浩特和乌兰察布两个地区位置相邻且总蓝水足迹和绿水足迹均相差不大，但由于两个地区发展定位和城市特征不同，乌兰察布耕地面积为呼和浩特的1.55 倍，人口数量仅为呼和浩特的76.14%。从人口和耕地面积两个层面进行分析，两个地区所承受的水资源压力呈现不一样的特征。在农业生产方面，呼和浩特单位耕地面积消耗更多的水资源，而乌兰察布人均消耗水资源更多，所以在后续水资源配置实践中，应充分考虑不同要素的影响，以实现水资源的高效利用。

2.3 水资源利用评价

图4反映1998—2018年内蒙古地区水资源压力指数、水质性缺水指数和水足迹经济效益的走势。其中水资源压力指数没有明显变化规律，但一直处于较高水平，年均值为0.86，说明全区始终面临着可利用水资源不足以供给生产生活生态需水的问题，这主要是由蓝水资源消耗引起的。西部大开发战略实施十年间，研究区相继建成绰勒、尼尔基、万家寨水利枢纽等一大批控制性大中型骨干工程[31]，这些工程的建成使用有效缓解了2010年之前内蒙古水利基础设施相对薄弱、部分地区地下水超采现象严重的问题。“十二五”以来，内蒙古继续加大水利项目投入，实施重点水库枢纽和调水工程，缓解区域水资源供水压力。2007年内蒙古地区水资源总量为295.86 亿m3，2013年为959.91 亿m3，2013年水资源压力指数与2007年相比减小了81.50%，该期间水资源压力指数整体呈下降趋势。2013—2017年水资源压力指数逐年上升，主要是区域蓝水足迹的增多导致的，其中起主要作用的是农业蓝水足迹，农业灌溉用水成为区域水资源压力的主要影响因素。区域水质性短缺指数较为稳定，年平均值为0.32，说明研究区总体上尚不存在水质性缺水问题。全区水足迹经济效益于2012年前持续增长，且增长速度较快，之后有所降低，到2018年又小幅上升，水足迹效益的增长说明消耗等量水资源所带来的经济价值越来越多，是产业结构化创新和绿色发展的体现。

图4 1999—2018年内蒙古水资源压力指数(a)、水质性缺水指数(b)和水足迹经济效益变化趋势(c)Fig.4 Index of water pressure (a), water quality degradation (b) and water footprint economic benefits (c) of Inner Mongolia variation tendency from 1999 to 2018

各地级市水资源压力指数和水足迹经济效益在1999—2018年的变化趋势见图5。两个指标在不同地区之间均差距显著，只有呼伦贝尔、兴安盟和阿拉善地区在部分年间水资源压力程度为低或中-低，其余盟市均始终处于高水资源压力状态，其中乌海、巴彦淖尔的水资源压力更为严重。虽然乌海地区蓝水足迹和绿水足迹均为全区最低，但由于其辖市面积小、可利用水资源量少，现有的水足迹量已远远超出其可以承受的范围，同时其水足迹经济效益显著高于其他地区，说明水资源利用为区域发展带来可观的经济效益和积极的社会影响，但在后续发展中必须坚持走可持续发展道路，把生态保护放在首位。呼伦贝尔和兴安盟地区目前面临水资源压力相对较低，水资源开发潜力相对较大，可以通过促进水资源合理利用、优化水资源配置提高其经济效益。

图5 1999—2018年内蒙古各地级市水资源压力指数(a)和水足迹经济效益变化趋势(b)Fig.5 Variation tendency of water pressure index (a) and water footprint economic benefits (b) of every city from 1999 to 2018

2.4 水足迹影响因素

为找到影响内蒙古地区农业蓝水足迹和绿水足迹的显著变量，对其分别进行逐步回归分析，结果如表3所示。耕地面积、降水量和作物产量这三个变量被保留，其中耕地面积对农业蓝水足迹和绿水足迹的影响更为显著，相关系数分别是1.434和0.387，均为正向影响；降水量对研究区农业蓝水足迹为负向影响，而对绿水足迹为正向影响；作物产量对绿水足迹影响显著，为正向；其他自变量在逐步回归中被去除，表明日照时长、相对湿度、人口数量与内蒙古地区农业蓝水足迹和绿水足迹之间均不存在显著相关性。

表3 1998—2018年内蒙古农业蓝水足迹、绿水足迹的逐步回归分析Table 3 Multiple linear regression analysis of the agricultural blue water footprintand green water footprint of Inner Mongolia from 1998 to 2018

对1998—2018年内蒙古各地级市耕地面积、降水量、水资源总量和水资源压力年均值进行计算，以期分析造成不同地区之间水资源压力差距显著的原因，结果见表4。由表4可知：呼伦贝尔、兴安盟和锡林郭勒盟单位耕地面积可用水资源量较高，农业种植用水对区域水资源造成的压力相对较小。反观巴彦淖尔、乌兰察布和包头，单位耕地面积可用水资源量远小于其他地区，这与巴彦淖尔是我国主要粮食产区和灌溉区[32]、乌兰察布种植大户过度集约利用[33]以及包头农业灌溉水量不足[34]有关，这些现象的发生使得区域水资源压力增大，合理配置农业用水是当下关键任务。乌海地区水资源压力远超于其他地区，最直接原因是其水资源总量极其匮乏，地下水超采、滥采和优质低用对水资源环境构成严重威胁，地下水位下降速度逐年加快，部分区域已形成降落漏斗[35]，加强水源涵养，提高用水效率是重中之重。

表4 1998—2018年各地级市部分指标年均值对比Table 4 Average of some indicators of every city from 1998 to 2018

3 讨论与结论

3.1 讨论

农业蓝水足迹和绿水足迹之和体现农业种植的水资源消耗量，在研究区总水足迹中占比最大，年均值为80.30%，二者在农业水资源消耗中平均占比分别为63.91%和36.09%，说明研究区农业发展更依赖于灌溉水。将内蒙古地区农业水足迹构成与河北[36]和新疆地区[37]进行对比，在较长的时间跨度下，河北地区绿水足迹与农业蓝水足迹占比始终相差不大，多年平均差值仅为2.90%；而新疆地区同样表现为农业蓝水足迹显著高于绿水足迹，1988—2015年间，新疆地区绿水足迹占比平均为17.05%，说明区域农业用水结构与降水量有较为密切的关系，绿水足迹在干旱条件下更低。

表3的研究结果表明农作物种植面积增大会导致农业需水(包括降雨和灌溉用水)增多，与新疆地区农业水足迹增长的核心驱动因素是农作物种植规模扩张[37]的研究结果一致。内蒙古地区农业蓝水足迹、绿水足迹和气象因素的相关性分析结果与山西省[38]对比可知，两省农业蓝水足迹与降水量均呈显著负相关，但包括降水量、日照时长和相对湿度在内的气象因素对于内蒙古地区绿水足迹的影响与农业蓝水足迹相反，而山西省并不呈现此规律，说明内蒙古作为干旱半干旱区域，其绿水足迹对气象因素尤其是降水量的依赖度更高。全国尺度的研究[39]与本研究结果均表明内蒙古地区农业水资源短缺状况已超出全国平均值，由于研究区蓝水足迹占据总水足迹的主导地位，为保障区域生态安全，需把降低蓝水足迹尤其是农业蓝水足迹作为调整用水结构的工作着力点。

研究区整体水资源压力较高，年均值为0.86，与其他省级行政区[17]对比，内蒙古地区水资源压力位于全国前列，由表4可知：乌海、巴彦淖尔、包头和乌兰察布地区年均水资源压力指数已超过全国水资源压力指数最高的宁夏地区(压力指数为4.07)，研究区水资源环境问题亟待解决，控制区域水足迹、缓解用水压力是可持续发展进程中不容忽视的重要任务。

3.2 结论

本研究从蓝水、绿水、灰水层面定量分析了内蒙古地区1998—2018年水足迹时空变化规律，得出以下结论：

1)1998—2018年内蒙古地区总水足迹整体呈现波动上升趋势，其中农业蓝绿水足迹占总水足迹主导地位，工业蓝水足迹和生态蓝水足迹均保持增长趋势。因此优化产业结构，限制高耗水行业发展对研究区尤为重要；

2)各地级市间人均蓝绿水足迹差异明显，农业蓝水足迹在人均蓝水足迹中占比更高，人均农业蓝绿水足迹最多的地级市分别是巴彦淖尔和兴安盟，究其原因与当地气象条件、作物种植规模和人口数量密切相关，大力发展节水技术、提高用水效率、改变灌溉方式、优化作物布局可以实现农业水足迹的有效控制；

3)灰水足迹始终由生活和工业灰水足迹所决定，虽然研究期间研究区总体水质性短缺指数较低，尚且不存在水质性缺水问题，但近年来农业灰水足迹增幅明显，为防止水质恶化，可适当控制氮肥施用量，提高氮肥利用率，同时考虑将其他污染物纳入区域灰水足迹量化分析；

4)全区整体水资源压力较高，水资源环境问题亟待解决。虽然乌海地区水足迹总量最低、人均蓝绿水足迹最少，但由于其水资源极其匮乏，水资源压力显著高于其他地区。为保障区域生态安全，需根据各地区实际情况制定具体水足迹减量目标，通过制定相关激励机制，如水足迹税、水足迹减量补贴等，引导全社会投入到控制水资源压力的实际行动中。