基于水足迹理论的山西省水—粮食—能源间纽带关系研究

郑美君，贾亚敏，常建波，郝舒哲，高 尚

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

水、粮食与能源是满足人类生存进步及经济可持续发展的根基，当人类经济发展到一定程度，水—粮食—能源被认为存在着盘根错节的关系[1]：联系紧密、相互牵制、相互依存。21世纪以来，随着社会人口的膨胀式增长和经济社会的兴盛发展，水—粮食—能源之间的供求压力日益凸显[2]。

资源短缺、生产供给不均衡、地球生态环境变化等日益尖锐的问题引起了学者们的广泛关注。Bazilian等学者构建了关于气候—土地—能源—水模型（CLEWs），该模型主要强调不同研究领域间协作的重要性[3]。李良等学者建立WEF（Water-Energy-Food）耦合模型并对该系统进行量化分析，提出调节反馈与风险传导的机制，进一步完善了WEF系统的区域风险管控体系[4]。彭少明等基于协同理论构建WEF系统整体分析的框架体系[5]。荷兰学者 Arjen Y．Hoekstra 在虚拟水贸易国际专家会议上第一次提出了水足迹的概念[6]，用于揭示水资源利用与人类生产生活消费之间、水资源管理与全球贸易之间的联系。

水—粮食—能源纽带关系复杂，水资源安全、粮食安全、能源安全都同时制约影响着水—粮食—能源纽带关系：农业灌溉将水资源与粮食安全紧密联系在一起；粮食的收获、加工、运输又涉及到了能源安全；能源加工过程中污水处理制约着水资源安全（图1）。从关联角度来看，水—粮食—能源三者的联系非常紧密，粮食的生产过程中灌溉等环节耗水量大；水是能源生产最基本的要素之一，能源生产从采矿到发电全过程均需要在水的辅助作用下完成；大量的能源在粮食收获、加工、运输等过程中被消耗。

图1 水—粮食—能源三者间的纽带关系

在中国，随着人口基数的增长，经济发展速度不断加快及建设规模的扩大，必然造成需水量持续增加，缺水矛盾将更加凸显出来[7]。山西省作为我国的能源产出大省，煤产量位居第一，但其水资源量却一直处于紧缺状态。特别是2021年山西省力保16省区市煤炭供应，煤炭年产量超11亿t，给水资源带来压力的同时，也给水资源的合理调配出了难题。与此同时，2021年，山西省的粮食产量为1421.2万t，耗水量不可忽视。保证粮食生产、能源产出系统的稳定性，更是水—粮食—能源关系稳定中极为重要的一方面。鉴于三者之间错综复杂的关系网，本文将基于水足迹理论[8]，分析山西省2010—2020年各类水、粮食、能源消耗量，通过量化计算粮食与能源水足迹，探究水足迹的发展变化趋势，进而分析水足迹对水资源压力的影响[9]，为保障山西省内水—粮食—能源的供需稳定和高效发展提供建议，以保障山西省高质量社会经济发展。

1 研究区域概况

山西省处于黄河中游、华北平原的黄土高原上，地跨海河、黄河两大水系，总面积15.67万km²。截至2020年4月，全省水资源总量只有142亿m³[10]，地下水资源储量约93.1亿m³[9]，可采水资源只占其中的45%[9]，人均占有量不足全国人均量的1/5，是全国缺水省份之一。省域内水资源主要用于农田灌溉，占比高达用水总量的54%[9]；其次是工业用水，占总用水量的17.7%[9]。山西省粮食播种面积3130.02 khm²[11]，总产量1424.2万t[10]，占全国的2.1%。

山西省分布有丰富的矿产资源，其中煤炭储量2709.01亿t，占全国煤炭储量的17.3%，居全国第三；原煤产量11.9亿t[10]，占全国的29.2%，居全国第一。

2 研究方法

2.1 水足迹计算方法

水足迹指的是一个国家、一个地区或一个人，在一定时间内消费的所有产品和服务所需要的水资源数量[12]，可以分为灰水、绿水、蓝水足迹三个方面。其中，灰水足迹是指将污染物处理到符合环境排放标准所需的水资源量；绿水足迹是指蒸散的雨水总量，对农作物而言是根部土壤存储的雨水，即源于降水、存储于土壤并通过蒸发、蒸腾进入到大气中的水资源；蓝水足迹是指在生产过程中消耗的地下水与地表水的总量。本文分析粮食生产水足迹时所选的粮食作物为谷类、豆类与薯类。计算过程中涉及的经济作物包括蔬菜、瓜果、油料与棉花。选取山西省2010—2020年的谷类、豆类、薯类、蔬菜、瓜果、油料与棉花的播种面积，谷类、豆类与薯类的有效灌溉面积以及近10年的降雨量进行计算，得出粮食生产中水足迹。由于部分数据较难获取，且相关计算方法和指标尚无统一的标准，故本文研究主要考虑蓝色、绿色水足迹，计算公式[7]如下：

粮食生产过程中总水足迹WWFi为：

式中：BBWFi、GGWFi—粮食生产中蓝水足迹、绿水足迹。

式中：—单位面积灌溉粮食作物用水量；S—粮食作物有效灌溉面积。

式中：IIRi—单位面积平均灌溉量；Si—总播种面积；SiG—各粮食作物播种面积；ai—经济作物和粮食作物综合灌溉率；SiE—经济作物播种面积。

式中：Si，IR—总有效灌溉面积。

式中：—有效降水量；—粮食复种指数；i—年份。

有效降雨量引用美国农业部土壤保护局所推荐的方法进行计算，公式如下[14]：

式中：Pe—有效降水量（mm/d）；P—日降水量（mm/d）。

2.2 能源水足迹评价模型

能源水足迹评价模型是以ISO标准水足迹方法为基础，采用USDA土壤保持局推荐的方法[14]，从能源生产的详细流程出发，包含开采、加工与排放物的处理等的水足迹评价模型。采用能源水足迹评价模型对山西省煤、天然气和火力发电生命生产周期中的水足迹进行计算分析。能源水足迹分为两个部分，第一部分是生产过程中的直接水足迹，第二部分是生产要素消耗带来的间接水足迹。能源蓝水足迹为生产过程中所消耗的地下水与地表水，能源灰水足迹是能源利用过程中用于稀释污染排放物达到排放标准的用水量。能源水足迹评价模型的公式[15]为：

式中：EPWF—能源单位产量水足迹；PWFdirect—能源生产过程的直接单位产量水足迹；PWFindirect—能源生产过程的间接单位产量水足迹；PWFb,d—能源生产过程的直接单位产量蓝水足迹；PWFg,d—能源生产过程的直接单位产量灰水足迹；PWFb,in—能源投入的间接单位产量蓝水足迹；PWFgin—能源投入的间接单位产量灰水足迹。

鉴于生命周期的所有过程，能源水足迹应是每个阶段生命周期水足迹的总和，用下列公式表示：

式中：m—第m个生产过程；n—第n类能源；其他变量含义同上。

能源水足迹EWF的计算公式如下[16]：

式中：EPWFn—第n类能源单位产量水足迹；Pn—第n类能源产量。

2.3 水资源集约利用度（WIUD）

水资源集约利用度指标用来表示区域利用水资源产生经济效益的程度，可以用区域年GDP与区域总水足迹的比值[16]来表示。数值越大，表明该地区水资源产生的经济效益与利用效率愈高；反之，表明该地区的水资源产生的经济效益与利用效率愈低。计算公式为：

式中：GDP—区域年生产总值，WWFi—区域总水足迹。

2.4 水资源压力指数（IWSi）和竞争强度指数（CCCIi）

该指数是显示各方面资源是否调配合理、资源是否发挥了最大的效能及系统是否高效运转的重要指标。本文通过计算山西省的压力指数和竞争强度指数，分析并判断水—粮食—能源系统是否高效运行。水资源压力指数计算公式为：

式中：Wtvi—水资源开发利用总量；Wtrui—过境水量；Witvi—跨流域调水量；WAi—可利用的水资源量。

粮食和能源对水资源的压力指数计算公式为：

式中：IFi—粮食对水的压力指数；IEi—能源对水的压力指数；—粮食生产蓝水足迹；—能源生产蓝水足迹；Diω—总用水量。

水—能源—粮食竞争指数计算公式为：

其中，粮食和能源的耗水率计算公式为：

3 数据来源

本文对山西省水、粮食、能源关系研究所需基础数据进行了全面收集。其中各类作物播种面积、产量及能源产量等各项数据来自2010—2020年《山西省统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国统计年鉴》；降水量等水资源数据来自2010—2020年《山西省水资源公报》；作物综合灌溉率等数据采用已知数据计算获得；各类能源单位产量的水足迹值参考相关文献[15]。

4 结果与分析

4.1 粮食生产水足迹时序分析

采取水足迹的计算方法进行山西省2010—2020年粮食生产水足迹的计算，图2为2010—2020年粮食生产水足迹结果。图2（a）为山西省2010—2020年总粮食生产绿水足迹，整体在150～200亿m³浮动，整体情况较为稳定，回顾2016年年度气候数据，当年降水适宜，产业结构调整促使总粮食生产绿水以及蓝水足迹有较为明显的提升；由图2（b）可知，蓝水足迹2010—2016年整体呈波动上升趋势，从2016年到2020年，蓝水足迹从107.8亿m³降低到87.8亿m³，减少18.6%。从图2（c）可知，山西省2010—2020年总粮食生产水足迹整体在250～300亿m³波动，数值较为稳定。2013—2015年以及2016—2020年，总粮食生产足迹呈现阶段式下降。

图2 2010—2020年山西省总粮食生产水足迹

图3为山西省2010—2020年谷类、豆类和薯类作物的水足迹分布。由图3（d）可知，谷类粮食生产绿水足迹从2010年的137.3亿m3上升到2020年的160.7亿m3，上升率为17%；蓝水足迹从2010年的36.2亿m3增长到2020年的39.2亿m3，增长率为8.2%。由图3（e）可知，豆类粮食生产绿水足迹整体呈下降趋势，从2010年的15.0亿m3下降到2020年的10.7亿m3，下降率为28.7%；豆类粮食生产蓝水足迹2010—2016年呈上升趋势，2016—2020年呈下降趋势。由图3（f）可知，薯类粮食生产绿水足迹整体在10亿m3的范围上下波动，且波动幅度不大；蓝水足迹2010—2016年呈现上升趋势，由2010年的21.7亿m3上升到2016年的29.2亿m3，上升率为34.5%，2016—2020年呈现下降趋势，从2016年的29.2亿m3下降到2020年的24.3亿m3，下降率为16.7%。

图3 2010—2020年山西省主要粮食作物生产水足迹

山西省粮食生产水足迹中谷类占比最大，2010—2020年谷类水足迹占比约为70.94%，豆类占比约在16.19%左右，薯类占比在12.87%左右。其原因在于谷类作物的蒸腾散失较大，故对水资源量需求量很大，因而消耗较多的地下水和地表水。

4.2 能源生产水足迹时序分析

山西省2010—2020年的能源生产水足迹如图4所示。分析可知，山西省2010—2020年能源生产水足迹可分为三个阶段，第一阶段为2010—2015年呈上升趋势，第二阶段为2015—2016年呈下降趋势，2016—2020年呈稳定上升趋势。在第一阶段中，能源生产水足迹从49.4亿m³增长至62.7亿m³，增长率为26.9%；天然气水足迹从0.07亿m³增长到0.15亿m³，增长率为114.3%；火力发电水足迹从9.20亿m³增长到10.33亿m³，增长率为12.3%；煤生产水足迹从40.12亿m³增长到52.35亿m³，增长率为33%。在第二阶段，能源生产水足迹从62.7亿m³下降到55.4亿m³，下降率为11.6%；第三阶段能源生产水足迹从55.4亿m³增加到71.9亿m³，增长率为29.8%；天然气从0.15亿m³增长到0.29亿m³，增长率为93.3%；火力发电从10.3亿m³增长到13.2亿m³，增长率为28.2%；煤从45.0亿m³增长到58.4亿m³，增长率为30.0%。2010—2020年山西省能源生产水足迹中，煤生产水足迹占比最高，基本都在80%以上。

图4 山西省2010—2020年能源生产水足迹

2010—2020年，山西省能源水足迹呈上升趋势，其中煤炭的需水量最多。煤炭生产过程中，挖掘、洗涤、发电厂冷却以及煤灰控制都会消耗一定的水量，如若处理不当，煤炭生产加工过程排放物将会污染空气，不断积累而形成酸雨，影响水资源的酸碱度[17]。因此，山西省应该推进能源绿色低碳转型，淘汰落后产业，以期减轻水资源的压力。

4.3 水资源集约利用度分析

水资源集约利用度（WIUD）[10]通过将GDP与水足迹类型关联来衡量水资源利用的效率。山西省2010—2020年的水资源集约度如图5所示。2010—2016年水资源集约利用度增长缓慢，2016—2020年水资源集约利用度呈明显增高的趋势，增长率约为48.86%。2010年最低为31.2元/m3，2019年最高为53.8元/ m3。2016年，山西省人民政府为了加强改革力度以及规范农业用水需求管理，省办公厅施行了一系列政策，结合山西省的现状，建立健全农业水价形成机制，显著提高了农业用水效率，故出现了增高的趋势，同时也表明水资源在山西经济发展过程中得到了充分利用。

图5 山西省2010—2020年水资源集约利用度分析

4.4 能源和粮食对水的竞争指数时序性分析

通过对2010—2020年山西省水资源压力指数计算得到图6所示折线图。分析可知，山西省水资源总量较不稳定，最大值在2016年，水资源开发利用总量达到了134.14亿m³，最低是2010年，水资源开发利用总量为91.55亿m³。由水—粮食—能源之间的纽带关系可知，不稳定的水资源总量会影响粮食与能源的生产。水资源压力指数在2010—2020年虽然中途有起伏，但是大体上呈现下降趋势，最高峰是2011年的2.496，最低是2018年的2.462。2018年之后，山西省水资源压力指数渐渐趋于稳定状态。

图6 2010—2020年山西省水资源压力指数

对图7分析可以看出，2010—2020年粮食和能源对水的压力指数呈现一个波动缓慢增长的趋势，2019年达到最高值为0.4644，2011年到达最低值0.3568，从2010年0.3983到2020年0.4244，能源和粮食对水的压力指数增长率为6.55%。山西省可利用水资源量相比于水资源开发利用总量较少，农业是山西省主要的水资源消耗产业，故如图7所示，山西省粮食对水的压力指数较大，2010—2020年粮食对水的压力指数平均值为0.561；能源对水的压力指数平均值为0.074，但由于城市化进程的加快，居民对于能源的需求量在不断增加，2010—2020年能源对于水的压力指数呈现出增加的趋势。

图7 2010—2020年山西省能源和粮食对水的压力指数

由图8可知，2010—2015年能源和粮食耗水率呈现缓慢上升趋势，从2010年的0.640增长到2015年的0.689，增长率为7.66%；2015—2020年，能源和粮食耗水率出现了缓慢下降的趋势，2015年耗水率为0.689，2020年为0.602，下降率为12.63%。

图8 2010—2020年山西省能源和粮食对水的竞争指数

山西省2010—2020年水—能源—粮食竞争指数整体在2左右浮动，其中，2019年达到峰值为2.167，最低2011年为1.750，2012年、2015年、2018年、2019 年为激烈竞争。山西省2010—2011、2012—2013、2015—2017竞争指数虽然有一定程度的降低，但仍处于强竞争。山西省城市化进程较快，人口逐年增加，这就直接促使山西省生态、居民生活需水量的增加，并且人口增长也会增加对粮食、能源的需求量。目前，山西省水资源严重不足，山西省近10年人均水资源量312.3 m³，全国近10年人均水资源量为2070.48 m³，人均水资源量为全国平均值的1/7，水资源供需矛盾较为突出。

5 结论与建议

（1）山西省2010—2020年总粮食生产水足迹整体较稳定，在250～300亿m³的范围内波动，其中谷类水足迹占比最大，约占粮食总水足迹的70.94%，能源水足迹显著低于粮食水足迹。城市对于能源的需求量在不断加大，能源水足迹近年来呈现出上升趋势。建议完善落后产能淘汰机制，发展新型绿色能源，进行新型节能产业改革，从而达到减少粮食和能源生产过程耗水量的目的。从粮食层面来分析，应加大节水农业的推广力度，采用滴灌等节水灌溉方式，并利用土壤湿度传感器的自动化数据获取体系[18]，提高水资源利用效率。除此之外，应该在粮食产区创立研发节水技术的科研基金，让科研成果从理论变成实际，让科技深入到农户，进而降低山西省的水资源消耗；从能源层面来讲，应该研发引进技术工艺和能源设备，向消费者倡导合理的消费模式，提高资源循环利用水平；同时也要完善产业淘汰机制，不断推动传统产业变革，并且要发展新能源，强化技术改革。

（2）由2010—2020年鉴中数据可知，山西水资源总量不稳定，随年份变化较大。另一方面，粮食和能源对水的压力指数一直在较高水平波动，且粮食和能源对水的竞争指数一直表现为强竞争，说明山西省面临一定的缺水压力。建议山西省加大相关的科研投入力度并注重信息化技术的推广应用，更新加工生产设备，使生产过程“信息化、智慧化”。粮食产区提高滴灌和移动式喷灌等新节水技术的覆盖率，能源生产过程改善生产工艺，根据实际情况引进科技含量高的设备，加强能源生产技术的创新，提高再生水的循环利用率，促进水资源在粮食和能源生产过程中的高效应用。

（3）山西省与相邻的河北省相比较，粮食生产水足迹大致相同，能源水足迹山西省高于河北省，水资源总量山西省略低于河北省。在此基础上，山西省水资源压力指数略低，粮食和能源的竞争指数在研究年份基本都高于河北省[19]。可见，山西省在水—粮食—能源协调发展机制上还存在不足。为此建议山西省健全相关部门间的沟通协调机制，在合理规划、资源调度、高效利用等方面加强交流与合作，使各环节能够有效衔接，使水—粮食—能源更加合理、高效、可持续地发展。

（4）内蒙古同样作为煤炭大省，粮食生产水足迹高于山西省，能源生产水足迹略低于山西省，水资源总量远高于山西省。在此基础上，山西省水资源压力指数、粮食和能源的竞争指数在研究年份基本都高于内蒙古[20,21]，由此可见，区域间水资源分布极不合理。为缓解山西省资源型缺水问题，可以通过调水工程来协调地区间的水资源量，使水资源得到合理利用[3]。

（5）山西省在经济发展的同时，也伴随着植被破坏、水土流失[23]、地表沉降、环境污染[24]等不利因素。未来山西需要在水—粮食—能源构成的结构上深化改革，大力推进能源核心技术研发，全面推进绿色煤矿智能开采，加快能源生产绿色转型，构建清洁、低碳、安全、高效的现代能源体系。