水足跡在河北省水資源管理中的實(shí)證研究

曹永強(qiáng)，馬 靜

（1.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連 116029；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090）

水足跡在河北省水資源管理中的實(shí)證研究

曹永強(qiáng)1，2，馬 靜1

（1.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連 116029；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090）

虛擬水和水足跡是當(dāng)今水科學(xué)研究的新熱點(diǎn)，被認(rèn)為是解決糧食與水資源安全的重要策略，是衡量人類對水資源系統(tǒng)真實(shí)占有量的有效手段。首先介紹了虛擬水、水足跡的概念及其相關(guān)理論與計(jì)算方法，然后在可獲取的實(shí)際資料的基礎(chǔ)上，計(jì)算了2000－2007年河北省居民消費(fèi)的虛擬水?dāng)?shù)量和水足跡總量。結(jié)果表明：全省8年間的虛擬水消費(fèi)量在水足跡構(gòu)成中所占比重最大，同時全省人均水足跡占有量逐年增加，但仍處于較低水平。研究結(jié)果可為河北省水資源的可持續(xù)管理決策提供相應(yīng)的理論支持。

水足跡；虛擬水；水資源管理；河北省

1 概 述

水資源的短缺日益成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸。水安全一直是關(guān)系到國計(jì)民生的重大問題，在全球化背景下，中國的水安全問題已成為備受世人矚目的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的水資源利用指標(biāo)數(shù)據(jù)僅體現(xiàn)了居民家庭生活用水量、農(nóng)業(yè)部門用水量和工業(yè)部門用水量3個方面的水利用量信息，只記錄了人類水資源利用的實(shí)體水?dāng)?shù)量或藍(lán)水?dāng)?shù)量，而忽略通過作物等利用的“隱式”水或綠水。事實(shí)上，這部分“隱式”水量對人類社會極其重要。因此，如實(shí)地衡量水資源消費(fèi)利用情況顯得十分必要。為此，“水足跡”概念應(yīng)運(yùn)而生，此概念是Hoekstra在“虛擬水”概念的基礎(chǔ)上提出的［1］，它是衡量人類對水資源系統(tǒng)真實(shí)占有量的綜合指標(biāo)。近年來，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。程國棟院士將虛擬水概念和理論引入我國，隨后，龍愛華、徐中民［2］等應(yīng)用虛擬水概念計(jì)算了2000年西北4省的水足跡；王新華［3］等分析了中國2000年人均水足跡，并指出核算的水足跡能夠真實(shí)地反映一個區(qū)域?qū)λY源的實(shí)際占有和消費(fèi)利用情況。為此，本文結(jié)合河北省的實(shí)際情況，在可獲得的資料和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算了河北省2000－2007年的水足跡，分析了全省水資源的實(shí)際消費(fèi)利用狀況。

2 水足跡理論及衡量方法

2.1 水足跡和虛擬水的概念

類似于生態(tài)足跡［4］的概念，水足跡可定義為：任何已知人口（某個人、一個城市、一個區(qū)域或全球）的水資源足跡，是保證這些人口生活所消費(fèi)的所有資源所需要的水資源數(shù)量［5］。這里的資源，既包括人類生活所必須的食物、各種日用品、生活直接消費(fèi)的水資源，也包括為人類提供生態(tài)服務(wù)功能的環(huán)境資源。

人類對水資源的消費(fèi)主要是通過由水資源提供的各種產(chǎn)品和服務(wù)間接方式進(jìn)行的。產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)過程中所需要的水資源就稱為產(chǎn)品所包含的虛擬水［6］。虛擬水以“看不見”的形式蘊(yùn)涵在各種產(chǎn)品當(dāng)中，如生產(chǎn)1 t小麥、1 t玉米和1 t稻米分別需要耗費(fèi)1 000，1 200，2 000 t水，生產(chǎn)1 kg牛肉大約需要16 t水，生產(chǎn)一個2 g重的32兆計(jì)算機(jī)芯片需要32 kg水［7］，可見產(chǎn)品消費(fèi)實(shí)質(zhì)上是間接地消費(fèi)水資源。由于人類生活直接利用的實(shí)體水資源數(shù)量一般很少（如人類每天為滿足機(jī)體需求通常需要2～4 L的水，而為滿足食品消費(fèi)的虛擬水?dāng)?shù)量大約是機(jī)體需求的1 000倍）［8］，產(chǎn)品形式的虛擬水消費(fèi)是人類消費(fèi)水資源的主要形式，因此，人類消費(fèi)的虛擬水就成為水足跡計(jì)算的主要部分。

2.2 水足跡的衡量方法

水足跡一般可通過2種方法進(jìn)行估算：一種是自下而上的方法［3］，該方法是將所有用來消費(fèi)的產(chǎn)品和服務(wù)與其各自相應(yīng)的虛擬水含量的乘積進(jìn)行相加得到，這其中需要注意的是每一種特定消費(fèi)品所含的虛擬水量有可能會因生產(chǎn)的地點(diǎn)和條件而變化，其計(jì)算公式為

式中：WF是一個國家或地區(qū)水資源的足跡；DU為生活用水量；Pi為第i種產(chǎn)品或服務(wù)消費(fèi)量；VWPi為第i種產(chǎn)品或服務(wù)的單位虛擬水量。

另一種是自上而下的方法［5］，就是說一個國家或地區(qū)的水資源足跡是其當(dāng)?shù)厝康挠盟颗c凈虛擬水的進(jìn)口量的總和，其計(jì)算公式為

式中：PVW是本地產(chǎn)品消費(fèi)的虛擬水含量；RW是生活利用的實(shí)體水消費(fèi)；ENV是生態(tài)用水；NVWI是凈進(jìn)口虛擬水消費(fèi)量。

以上2種方法各有特色，第一種方法相對簡單，所需的消費(fèi)量資料可從統(tǒng)計(jì)年鑒上獲得，但存在數(shù)據(jù)不全的缺陷；第二種方法可以分析本國居民對外部水資源的依賴程度，但需要有較詳細(xì)的研究區(qū)域的產(chǎn)品輸入輸出記錄，我國當(dāng)前各地區(qū)之間的貿(mào)易數(shù)據(jù)不易獲得，限制了其在省級尺度上的使用。

3 河北省水足跡的實(shí)證分析

3.1 研究方法

根據(jù)河北省實(shí)際情況和可獲得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本研究采用自上而下的方法，主要從三方面對河北省2000－2007年水足跡進(jìn)行衡量：①居民主要商品虛擬水消費(fèi)量；②生活實(shí)體水消費(fèi)量及虛擬水貿(mào)易；③生態(tài)用水量。

本文虛擬水的計(jì)算方法是按照國內(nèi)外目前通用的作物產(chǎn)品虛擬水含量計(jì)算公式。根據(jù)文獻(xiàn)［9］的虛擬水量化方法，農(nóng)作物產(chǎn)品的虛擬水計(jì)算為

式中：Vcn代表區(qū)域n作物c單位重量的虛擬水含量（m3／t），Wcn指區(qū)域n作物c的需水量（m3／hm2），Ycn是區(qū)域n作物c的產(chǎn)量（t／hm2）。其中，農(nóng)作物需水量近似等于農(nóng)作物實(shí)際在生長發(fā)育期間累積蒸發(fā)蒸騰水量，這主要是由于農(nóng)作物的需水量很大程度上取決于其成長期間積累的蒸發(fā)蒸騰水量，而作物本身的含水量只占很少的一部分，可以忽略不計(jì)。最經(jīng)典也是最常用方法是作物系數(shù)法，

式中：Wc為農(nóng)作物需水量；ETc為作物潛在騰發(fā)量；ET0為參照騰發(fā)量；Kc為作物系數(shù)。ET0反映了氣象條件對作物需水量的影響，Kc則反映了不同作物的差別?？傮w來說，單位產(chǎn)品虛擬水含量的計(jì)算歸結(jié)為：農(nóng)作物單位面積上的需水量／農(nóng)作物單位面積上的產(chǎn)量。

對于動物產(chǎn)品，本文采用Chapagain根據(jù)FAO和世界貿(mào)易組織提供的數(shù)據(jù)，按照貢獻(xiàn)率大小對世界100多個國家單位重量動物產(chǎn)品的虛擬水估算中有關(guān)中國部分的估算結(jié)果［10］。

3.2 實(shí)證應(yīng)用

根據(jù)河北省相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算公式（3）、（4），對河北省主要農(nóng)作物（小麥、玉米和水稻）單位產(chǎn)品的虛擬水進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算過程及結(jié)果見表1。

根據(jù)河北經(jīng)濟(jì)年鑒中2000－2007年城鄉(xiāng)居民年均消費(fèi)的主要產(chǎn)品數(shù)量，計(jì)算得到河北省2000－2007年城鄉(xiāng)居民主要產(chǎn)品消費(fèi)的虛擬水總量及生產(chǎn)產(chǎn)品的虛擬水含量，其計(jì)算過程見表2（以2007年為例），結(jié)果見表3。

依據(jù)海河流域水資源公報，河北省2000－2007年生活實(shí)體水消費(fèi)量分別為23.7×108，34.04× 108，35.96×108，35.76×108，35.15×108，37.04×108，37.77×108，37.76×108m3；生態(tài)用水量分別為1.19×108，1.57×108，1.73×108，1.89×108，2.58× 108，3.80×108，4.32×108，6.54×108m3。由于貿(mào)易數(shù)據(jù)欠缺，本計(jì)算中暫不考慮虛擬水貿(mào)易流量。利用公式（2），初步計(jì)算河北省2000－2007年水足跡總量和人均水足跡，計(jì)算結(jié)果及趨勢如圖1所示。

表1 河北省主要農(nóng)作物單位產(chǎn)品虛擬水計(jì)算表Table1 Virtual water per unit product ofmajor crops in Hebei province

表2 河北省2007年城鄉(xiāng)居民主要產(chǎn)品消費(fèi)的虛擬水總量及生產(chǎn)產(chǎn)品的虛擬水含量的計(jì)算表Table2 Virtualwater consum ption in main products by urban and rural residents and the virtual water expenditure in the process of the production in Hebei province in 2007

表3 河北省2000－2007年城鄉(xiāng)居民主要產(chǎn)品消費(fèi)的虛擬水總量及生產(chǎn)產(chǎn)品的虛擬水含量表Table3 Virtualwater consum ption in main products by urban and rural residents and the virtualwater expenditure in the process of the production in Hebei p rovince from 2000－2007

圖1 河北省2000－2007年水足跡數(shù)值及趨勢圖Fig.1 The total and per capita water footprint in Hebei province from 2000－2007

3.3 結(jié)果分析

（1）河北省2000－2007年居民消費(fèi)的虛擬水總量和實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)品中的虛擬水含量均高于當(dāng)年海河流域的水資源總量，且呈現(xiàn)上升趨勢。例如河北省2007年所消費(fèi)的虛擬水總量507.06×108m3和實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)品中的虛擬水含量2 344.49×108m3分別是當(dāng)年海河流域水資源總量384.5×108m3的1.32倍和6.10倍，若僅考慮虛擬水自給的情況，則全年可節(jié)約虛擬水資源量為1 837.43×108m3，仍為實(shí)際虛擬水消費(fèi)量的3.62倍。生產(chǎn)產(chǎn)品的虛擬水含量是本省水資源消費(fèi)的巨大潛力所在，區(qū)際間虛擬水貿(mào)易在調(diào)解水資源供需方面的作用不容忽視。

（2）河北省2000－2007年的水足跡總量整體呈上升趨勢，但2004和2007年有所下降，主要是受這2年居民消費(fèi)的虛擬水?dāng)?shù)量有所下降的影響。由于主要產(chǎn)品的虛擬水消費(fèi)數(shù)量在水足跡構(gòu)成中所占比重最大，如在2007年水足跡總量中，生態(tài)用水6.54×108m3，僅占水足跡的1%；生活實(shí)體水消費(fèi)37.76×108m3，占水足跡的7%；主要產(chǎn)品虛擬水消費(fèi)507.06×108m3，占到水足跡的92%，因此，虛擬水消費(fèi)數(shù)量對水足跡總量具有決定性作用。同時，全省8年間人均水足跡遠(yuǎn)低于水足跡占有量較高國家的2 000 m3／（人·年）。雖然隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人均水足跡占有量逐年增加，但仍處于較低水平。

（3）水足跡計(jì)算的影響因素很多，目前水足跡估算還只是一種粗略估計(jì)。本研究的水足跡計(jì)算僅考慮了統(tǒng)計(jì)資料中所提供的主要產(chǎn)品消費(fèi)項(xiàng)目（16項(xiàng)），暫時沒有計(jì)算對區(qū)域具有重要作用的虛擬水貿(mào)易流量，因此，上面的計(jì)算結(jié)果仍然可能是一種保守的估計(jì)。盡管如此，研究結(jié)果仍高于Hoekstra和Hung有關(guān)水資源足跡研究中對中國的估算值419 m3／（人·年）。

4 水足跡視角下河北省水資源宏觀管理策略

水足跡建立了人們消費(fèi)模式對水資源系統(tǒng)影響的定量關(guān)系，使人們意識到消費(fèi)不同產(chǎn)品對水資源系統(tǒng)的不同影響，從而增強(qiáng)人們的節(jié)水意識，同時產(chǎn)品中蘊(yùn)藏的虛擬水不但消費(fèi)數(shù)量巨大，而且可以進(jìn)行流通，因此，虛擬水貿(mào)易是增強(qiáng)水安全、解決水短缺問題的有效工具，為缺水國家或地區(qū)的水資源遷移、儲存和利用提供了新途徑。解決河北省水資源短缺問題不能局限于本地實(shí)體水資源的合理利用，為了區(qū)域的糧食安全同時又兼顧到地區(qū)資源、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)該做到：

（1）采用先進(jìn)技術(shù)提高用水效率，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，提升農(nóng)用地集約化水平。

（2）在經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中切實(shí)關(guān)注“三農(nóng)”問題，避免農(nóng)村勞動力的過度轉(zhuǎn)移，加強(qiáng)區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整，減少高耗水糧食作物的種植面積，增加低耗水且附加值高的蔬果、花卉等作物的種植面積，為我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）促進(jìn)地區(qū)間虛擬水貿(mào)易，緩解局部地區(qū)水資源壓力。

［1］ HOEKSTRA A Y.VirtualWater Trade：An introduction［C］∥UNESCO IHE.VirtualWater Trade：Proceedings of the International Expert Meeting on Virtual Water Trade.Value of Water Research Report Series No.12.Delft，the Netherlands：UNESCO IHE.2003：13－23.

［2］ 龍愛華，徐中民，張志強(qiáng).西北四省（區(qū)）2000年的水資源足跡［J］.冰川凍土，2003，25（3）：692－700.（LONG Ai hua，XU Zhong min，ZHANG Zhi qiang.Es timate and Analysis ofWater Footprint in NorthwestChina in 2000［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2003，25（3）：692－700.（in Chinese））

［3］ 王新華，徐中民，龍愛華.中國2000年水足跡的初步計(jì)算分析［J］.冰川凍土，2005，27（5）：774－780.（WANG Xin hua，XU Zhong min，LONG Ai hua.Esti mation ofWater Footprint of China in 2000［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2005，27（5）：774－780.（in Chinese））

［4］ WACKERNAGELM，ONISTO L，LINARESA C，et al.Ecological Footprints of Nations：How much Nature Do They Use——How Much Nature Do They Have［M］.Mexico，Center for Sustainability Studies，Universidad Anahuac de Xalapa，1997.

［5］ 王書華.流域水資源約束下的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)選擇和虛擬水戰(zhàn)略研究［D］.北京：清華大學(xué)，2004.（WANG Shu hua.Research of Industry Selection and Virtual Water Strategy with Water Shortage in Plan［D］.Beijing：Tsing hua University，2004.（in Chinese））

［6］ 程國棟.虛擬水─中國水資源安全戰(zhàn)略的新思路［J］.中國科學(xué)院院刊，2003，（4）：260－265.（CHENG Guo dong.Virtual Water─A Strategic Instrument to Achieve Water Security［J］.Journal of Chinese Academy of Sci ences，2003，（4）：260－265.（in Chinese））

［7］ HOEKSTRA A Y，HUNG P Q.Virtual Water Trade：A Quantification of VirtualWater Flows Between Nations in Relation to International Crop Trade［C］∥Virtual Water Trade：Proceedings of the International ExpertMeeting on VirtualWater Trade，Value ofWater Research Report Se ries No.11.Delft，the Netherlands：UNESCO IHE.2003：25－47.

［8］ GLEICK P H.The World’s Water 2000－2001［M］.Washington D C：Island Press，2000：20－37.

［9］ 徐中民，龍愛華，張志強(qiáng).虛擬水的理論方法及在甘肅省的應(yīng)用［J］.地理學(xué)報，2003，58（6）：861－869.（XU Zhong min，Long Ai hua，Zhang Zhi qiang.Virtual Wa ter Consumption Calculation and Analysis of Gansu Prov ince in 2000［J］.Acta Geographica Sinica，2003，58（6）：861－869.（in Chinese））

［10］CHAPAGAIN A K，HOEKSTRA A Y.Water Footprints of Nations Volume 1：Main Report［C］∥Virtual Water Trade：Proceedings of the International ExpertMeeting on VirtualWater Trade，Value ofWater Research Report Se ries No.16.Delft：UNESCO IHE，2004.

［11］劉琳，曹永強(qiáng).中國水利學(xué)會水資源專業(yè)委員會2009學(xué)術(shù)年會論文集［C］.大連：大連理工大學(xué)，2009：230－234.（LIU Lin，CAO Yong qiang.Proceedings of CHESand Water Resources Committee of the 2009 Aca demic［C］／／Dalian：Dalian University of Technology，2009：230－234.（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Empirical Study on W ater Footprint of Water Resources M anagement in Hebei Province

CAO Yong qiang1，2，MA Jing1
（1.School of Urban Planning and Environmental Science，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China）

Water footprint，which is developed from the concept of virtual water，indicates the water quantity in products and services consumed by the inhabitants in a certain area.Virtualwater and water footprint are the new focus in the current research ofwater science and are recognized as important strategies in the solution of the securi ty of food and water resources.Virtualwater and water footprint are effectivemeans ofmeasuring the actual hold of water resources by human beings.This paper introduces the concepts of virtualwater and water footprint aswell as related theory and the computation method.Based on available information and actual data，the amount of virtual water and the total amountofwater footprint consumed by residents in Hebei province from 2000 to 2007 are calcu lated as an example.The results reveal that the per capita amount ofwater footprint during these 8 years，which is still low though，increased steadily year on year with the consumed virtual water accounting for the largest propor tion.The calculation and analysis of the virtualwater quantity and the application ofwater footprint provide theoret ical support for Hebei province tomanage the water resources sustainably.

water footprint；virtual water；water resourcesmanagement；Hebei province

X321

A

1001－5485（2011）08－0018－04

2010 10 14

哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（HC200814）

曹永強(qiáng)（1973 ），男，內(nèi)蒙烏盟豐鎮(zhèn)人，副教授，從事水資源方面的研究，（電話）13079816104（電子信箱）chai＿cao＠163.com。