基于水足迹理论的河南省水资源利用评价

焦士兴 郭力菲 王安周 刘亚奇 赵荣钦 王雅思 马晓蕾

摘 要：基于水足跡理论核算了河南省水资源真实占用量，评价了水足迹的结构、效益及生态安全状况，运用脱钩模型研究了水资源利用与经济增长的关系。结果表明：①河南省小麦、玉米等粮食作物虚拟水量较大，棉花、大豆、水果等经济作物的较小;油料、水果和蔬菜等水足迹增长较快，而棉花和薯类的则下降明显。②河南省水足迹构成差异明显，其中农业（83.47%）>工业（8.07%）>生活（7.74%）>生态和贸易用水（1.21%）。③河南省水足迹总量较为稳定且效益不断提升;水资源自给率处于较高水平，水资源压力和匮乏程度波动下降。④河南省水资源利用与经济增长处于协调状态，且呈现波动变化趋势，其中2008年、2009年、2012年、2014年和2015年处于强脱钩优质协调状态，其余年份则为弱脱钩初步协调状态。

关键词：水足迹;虚拟水;经济增长;脱钩分析;河南省

中图分类号：TV213.4

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.016

引用格式：焦士兴，郭力菲，王安周，等.基于水足迹理论的河南省水资源利用评价[J].人民黄河，2021，43（11）：87-91，96.

Evaluation of Water Resources Utilization in Henan Province Based on Water Footprint

JIAO Shixing1， GUO Lifei2， WANG Anzhou  LIU Yaqi4， ZHAO Rongqin5， WANG Yasi1， Ma Xiaolei1

（1.School of Resources & Environment and Tourism， Anyang Normal University， Anyang 455002， China; 2.College of Resources

Environment and Tourism， Capital Normal University， Beijing 100048， China; 3.Luoyang No. 19 Middle School， Luoyang 471000，

China; 4.Hydrological Bureau of Yellow River Conservancy Commission， Zhengzhou 450004， China; 5.School of Surveying

and Geo-Informatics， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： Based on water footprint theory， this paper evaluated the actual occupation of water resources and its structure， benefit and ecological security. It studied the relationship between water resources utilization and economic growth in Henan Province by using decoupling model. The results show that： a）Virtual water content of wheat， corn and other food crops is lager， while cotton， soybeans and fruits are smaller in Henan Province. The water footprint of economic crops such as oil， fruits and vegetables have increased rapidly， while cotton and sweet potato have decreased significantly. b）The composition of water footprint is obvious difference as follows： agriculture （83.47%）>industry （8.07%）>living （7.74%）>ecological and trade water （1.21%）. c）The total amount of water footprint is relatively stable， and its efficiency is increasing. The self-sufficiency rate of water resources is higher， and the water stress index and lack index decrease decreased in a fluctuation way. d）The relationship between water resources utilization and economic growth is on a coordinated status， and shows a trend of fluctuation. It is on the status of strong decoupling and superior harmony in 2008， 2009， 2012， 2014 and 2015， while the rest is the weak decoupling and junior harmony.

Key words： water footprint; virtual water; economic growth; decoupling analysis; Henan Province

近年来，水资源短缺、水环境污染、水灾害等问题成为制约经济社会发展的瓶颈[1]。如何在确保经济快速、健康发展的前提下，促进水资源可持续开发利用，是当前人类面临的重大课题。运用水足迹评价模型定量分析人类活动对水资源的占用情况已经成为水资源研究领域的前沿和热点[2]。国外对水足迹、脱钩理论和应用研究较多，Hoekstra[3]提出了水足迹理论，认为水足迹是特定时段消费的产品和服务所需要的水资源量;Vehmas等[4]提出了基于变化量的脱钩研究方法;Tapio[5]提出了脱钩模型，并在资源、碳排放等领域进行了应用。国内研究多涉及农业水足迹与水资源利用[6-7]、水足迹与膳食消费[8-9]、水足迹时空分异[10-11]以及生态补偿[12-13]等方面，而从水足迹视角研究水资源利用与经济发展关系的相对较少[14]。祝穩等[15]、石蒙蒙等[16]对河南省水足迹进行评价和空间差异研究，但水足迹核算时未考虑灰水足迹部分，导致计算的水资源占用量偏小。因此，本文采用虚拟水、灰水足迹和脱钩理论，从水质和水量方面对河南省水资源进行评价，并对水足迹与经济发展的关系进行研究。

河南省水资源短缺，人均水资源拥有量为441 m 仅为全国平均值的1/5;耕地单位面积水资源占有量为6 045 m3/hm2，仅为全国平均值的1/6。河南省人口众多，经济发展迅速，水资源需求量大且供需矛盾突出。研究河南省水资源和经济发展脱钩关系、互馈机制、演变趋势，对于促进水资源利用和经济协调发展、实现中部崛起具有重要意义。基于水足迹相关理论，明确河南省水资源的真实占用状况，评价水足迹结构、效益及生态安全，并采用脱钩模型研究水资源利用与经济发展的协调关系，以期为促进二者的协同发展提供参考。

1 数据来源

研究所用数据包括水资源总量、工业用水量、农业用水量、生活用水量和生态用水量，主要农作物产量、GDP、进出口贸易额，工业废水排放量、工业氨氮与COD排放量、生活氨氮与COD排放量、氮肥施用量，以及气温、降水量、湿度、日照时间等。其中：2007—2017年水资源总量等数据来源于《河南省水资源公报》;2008—2018年主要农作物产量等数据来源于《河南省统计年鉴》;2007—2017年气温等数据来源于中国气象科学数据共享服务网。

2 研究方法

2.1 水足迹理论

虚拟水是凝结在产品和服务中的水，包括嵌入水和外生水[17]。基于虚拟水，Hoekstra等[18]提出了水足迹理论，用于衡量区域水资源真实占用情况，水足迹包括内部水足迹和外部水足迹，计算公式[19]为

WFP=IWFP+EWFP=（AWU+IWU+DWU+EWU-

VWU）+（VWI-VWE）（1）

式中：WFP为总水足迹;IWFP为内部水足迹，即区域在生产或服务过程中所消耗的水资源量;EWFP为外部水足迹，即区域进口虚拟水总量;AWU为农业水足迹;IWU为工业水足迹;DWU为生活水足迹;EWU为生态水足迹（采用生态环境用水量数据）;VWU为出口虚拟水量;VWI为进口虚拟水量;VWE为区域进口产品再出口的虚拟水量（难以获得数据，本研究忽略不计）。

水足迹包括绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹，其中灰水足迹是指消纳和吸收污染物所需要的水资源量，分为工业灰水足迹、农业灰水足迹和生活灰水足迹，具体计算参考有关研究成果[20]。水足迹具有跨区域特点，在计算时应考虑净贸易虚拟水量（可采用间接方法获得[11]）。

2.2 水足迹核算方法

（1）农业水足迹是指在农业生产和服务过程中消耗的蓝水、绿水和灰水总和，包括农业虚拟水量以及农业灰水足迹，其中：农业虚拟水量采用自下而上计算方法，将农作物蒸散量与相应种植面积相乘获得[21];农业灰水足迹假设施入农田氮肥会以固定比例进入水体而造成污染，确定氮肥淋失率为7%[22]。农业水足迹计算公式[23]为

AWU=∑ni=1Pi×VWCi+WFarg-grey（2）

式中：Pi为第i种农产品消费量;VWCi为第i种单位农产品虚拟水量;WFarg-grey为农业灰水足迹。

（2）工业水足迹是工业生产过程中引发的水资源利用增量的一个多维指标，包括工业蓝水足迹和工业灰水足迹[24]，其中：工业蓝水足迹是指工业生产过程中消耗的淡水资源量，包括工业新鲜水量和材料水足迹;工业灰水足迹是以现有水环境水质标准为基础，将工业污染负荷消纳、稀释至特定水质标准所需的淡水体积[20]。工业水足迹计算公式[24]为

IWU=Vind-fresh+WFind-grey+WFmatter（3）

式中：Vind-fresh为工业新鲜水量，即工业用水量与工业废水排放量差值;WFind-grey为工业灰水足迹;WFmatter为材料水足迹（基础数据不足，本研究不予计算）。

（3）生活水足迹包括生活蓝水足迹和生活灰水足迹，采用生活新鲜水量和生活灰水足迹之和计算：

DWU=Vdom-fresh+WFdom-grey（4）

式中：Vdom-fresh为生活新鲜水量，即生活用水量与生活污水排放量差值;WFdom-grey为生活灰水足迹。

2.3 脱钩理论

脱钩理论提出于20世纪60年代，“脱钩”包括绝对脱钩（经济增长而消耗下降）和相对脱钩（经济增长而消耗相对缓慢上升）。脱钩指数计算公式[25]为

DF=VGDP-VF （5）

式中：DF为脱钩指数;VGDP为年均GDP变化率;VF为年均水足迹变化率。

当VGDP>0、VF<0、DF>0时，表示水资源利用与经济增长处于强脱钩优质协调发展状态;当VGDP>0、VF>0、DF>0时，表明水资源利用与经济增长处于弱脱钩初步协调状态;当DF≤0时，表明水资源利用与经济增长处于未脱钩不协调状态。

2.4 水足迹评价指标体系

水足迹理论为评价水资源可持续状态和能力提供了新的思路和方法[18]。结合水足迹理论和河南省水资源利用特点，选取水足迹结构等3个一级指标，水资源自给率等6个二级指标，构建水资源利用评价指标体系[18]（见表1）。

3 结果与分析

3.1 河南省农业虚拟水量计算与分析

农业虚拟水量主要由两部分构成：①农作物产品（小麦、玉米、大豆、薯类、油料、棉花、蔬菜、水果等）虚拟水量，选取典型农业区豫北安阳市、豫东开封市和豫南信阳市，利用中国气象服务网2007—2017年逐日观测数据，结合土壤参数和种植时间等数据，采用Crapwat8.0软件计算农作物蒸散量（见表2），将其与相应种植面积相乘得到不同农作物虚拟水量[22]（见表3）;②动物产品（猪肉、牛肉、禽肉、禽蛋、奶类、水产等）虚拟水量，借鉴Hoekstra等[26]的研究成果，猪肉、牛肉、禽肉、禽蛋、奶类、水产单位产品虚拟水量分别为12.56、3.55、5.00、2.21、3.65、1.00 m3/kg，计算结果见表3。

不同农作物蒸散量存在较大差异（见表2）。农作物蒸散量受气温、降水、风速等气象因素影响较大，棉花、小麦、薯类等蒸散量较大，油料和水果蒸散量居中，玉米、大豆、蔬菜等蒸散量较小。不同地级市农作物蒸散量存在空间差异，信阳农作物蒸散量较小，主要与降水量较多、日照时数较少有关;开封和安阳农作物蒸散量较大，与其降水较少、气温偏高有关[27-28]。

河南省粮食作物的虚拟水量较大，经济作物的虚拟水量较小（见表3）。粮食作物中小麦的虚拟水量最大，其次是玉米，年均值分别为300.70亿、141.25亿m3;棉花、大豆、水果等经济作物的虚拟水量较小，年均值分别为15.86亿、15.35亿、13.78亿m3。河南省属全国粮食主产区，承担着国家粮食安全的重要任务，粮食作物是河南省的主要农作物，种植面积大且产量稳定（2017年河南省糧食种植面积14.73万km2，产量为652.43亿kg），水资源利用量较大;经济作物种植面积小，水资源需求量较少。从动态变化看，棉花和薯类水足迹均下降明显，而油料、水果和蔬菜等经济作物水足迹增长较快。河南省应大力发展节水型农业，种植虚拟水量较低的粮食作物和经济作物，以保障农业用水安全。

河南省动物产品的虚拟水量存在较大差异（见表3）。禽蛋的虚拟水量最大（多年平均值为132.11亿m3），猪肉的虚拟水量次之（年均93.65亿m3），禽肉、水产和奶类的较小。河南省玉米等饲料作物产量高且供给充足，促进了生猪、家禽等养殖业发展;肉类、蛋奶等动物产品虚拟水量增长较快，主要受市场需求量不断增长的影响。从虚拟水战略角度考虑，河南省应积极发展禽类和生猪等养殖业，进口牛羊肉和水产品等水密集型产品，增加高耗水的畜产品外部水足迹，减少当地动物产品生产水资源消耗量，以实现水资源合理利用和保障粮食安全。

3.2 河南省水足迹构成

根据河南省水资源总量等数据，利用式（1）～式（4），计算不同类型的水足迹（见表4）。河南省农业水足迹最大，其次为工业水足迹和生活水足迹，再次为生态水足迹和贸易水足迹。河南省水足迹总体呈上升趋势，年均增长0.37%，2017年最大（994.89亿m3），表明河南省水资源利用量逐年增大，水资源压力较大。①河南省农业水足迹居主导地位，多年平均值占总水足迹的83.47%，主要与传统农业大省地位、农作物需水量较大有关。②河南省年均工业水足迹占总水足迹的8.07%，工业灰水足迹由50.75亿m3降至19.68亿m 表明工业用水效率不断提高，水环境质量不断改善。③河南省多年平均生活水足迹占总水足迹的7.74%，年均增长率0.99%，原因在于随着生活水平的提高和人口数量的不断增加，对水的品质和需求总量增长;年均生活灰水足迹为生活水足迹的2.29倍，表明生活污水问题趋于严重。④生态水足迹和贸易水足迹仅占1.21%，这与河南省生态环境用水量偏少、经济发展水平整体不高且对外贸易和经济交流能力较弱有关。河南省多年人均水足迹为912.96 m 高于全国平均水平601 m3[29]，表明人均水资源消费水平高于全国平均水平。河南省总灰水足迹占总水足迹的27.97%，表明区域消纳污染负荷所需淡水较多，水资源短缺形势比较严峻。

3.3 河南省水资源利用评价

依据水资源利用评价指标体系（见表1），计算2007—2017年河南省水足迹结构等指标值（见表5）。可以看出：河南省水资源自给率很高（99.32%～99.71%），进口依赖度很低（0.29%～0.68%），表明水资源基本实现了自给自足;水足迹经济效益不断提升，由2007年的15.70元/m 持续增至2017年的44.78元/m3;水足迹土地密度由2007年的57.45万m3/km2波动增至2017年的59.57万m3/km2，表明单位土地面积耗水量增大;除2010年外，水资源压力指数均大于2，表明水资源处于过度开发利用和较大压力状态;多年平均水资源匮乏指数为2.91，表明水资源供需矛盾较为突出，水资源安全形势不容乐观;2014年以来水资源压力指数和匮乏指数均呈减小趋势，表明水资源短缺状况逐步得到好转，原因在于南水北调中线工程供水一定程度上缓解了河南省的水资源压力。

3.4 河南省水资源利用与经济增长关系分析

运用式（5）计算脱钩指数，分析河南省水资源利用与经济增长的关系，结果见表6。河南省水资源利用与经济增长整体上处于协调状态，水资源利用较为合理。2008年、2009年、2012年、2014年和2015年河南省水资源利用与经济增长处于强脱钩优质协调状态，GDP、水足迹变化率分别为5.87%～19.94%、-2.89%～-0.38%，表明在水资源高效利用的同时，经济平稳增长;2010年、2011年、2013年、2016年、2017年处于弱脱钩初步协调状态，GDP、水足迹变化率、脱钩指数均大于0，表明经济增长速度超过水资源消耗速度，两者保持同步增长，水资源利用较为合理。2016和2017年河南省灰水足迹持续下降（见表4），表明水环境质量不断改善，但农业水足迹增长，导致总水足迹增加，水资源利用与经济增长呈现弱脱钩初步协调状态。因此，调整农业结构、改进农业灌溉技术等，能够促使水资源利用与经济增长向强脱钩优质协调状态转变。

4 结 论

运用水足迹模型和脱钩模型，在构建河南省水资源利用评价指标体系的基础上，分析了农业虚拟水量、水足迹构成等，研究了2007—2017年河南省水资源利用与经济增长之间的脱钩关系，结论如下。

（1）河南省小麦等粮食作物的虚拟水量较大，棉花等经济作物的虚拟水量较小。棉花和薯类水足迹下降明显，油料、水果和蔬菜等经济作物水足迹增长较快。

（2）河南省水足迹构成差异显著，其中农业水足迹最大，其次为工业水足迹和生活水足迹，再次为生态水足迹和贸易水足迹。

（3）河南省水资源总量变化较大，但供水量较为稳定，水资源自给率较高;水足迹总量较为稳定且效益不断提升，水资源压力和匮乏指数波动下降。

（4）2008—2017年河南省水资源利用与经济增长处于协调状态，且呈现波动变化趋势，2008年、2009年、2012年、2014年和2015年处于强脱钩优质协调状态，其余年份则为弱脱钩初步协调状态。

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【责任编辑 张华兴】