水足跡視角下陜西省水資源利用評價分析

侯小潔，范 珂，何琴慧，黃志強

（商洛學院 化學工程與現代材料學院，陜西 商洛 726000）

水資源的可持續(xù)利用是指區(qū)域水資源與人口、環(huán)境、社會和經濟協調發(fā)展，能夠滿足當代和后代發(fā)展所需的水資源。對水資源進行科學全面的評估，是實現水資源優(yōu)化配置和可持續(xù)利用的前提［1］。水足跡理論是Hoekstra在虛擬水理論［2］的基礎上提出的，該理論認為區(qū)域生產和消費的水資源總量除了直觀、可見的直接用水量外，還包括所有生產和消費過程中所間接消耗的水資源量［3］?；谒阚E理論對區(qū)域的水資源可持續(xù)發(fā)展能力進行綜合評估，能夠更加真實地反映出水資源與區(qū)域社會經濟發(fā)展的關系，為水資源可持續(xù)利用水平的提升開辟了新路徑，為區(qū)域水資源規(guī)劃、管理和決策提供了有效參考。

陜西省地處我國西北地區(qū)，干旱少雨，是我國水資源嚴重短缺的省份之一。隨著人口的增長和城市化進程的加快，經濟社會發(fā)展和水資源利用之間的矛盾更加突出。作為“一帶一路”戰(zhàn)略布局的重要省份，陜西省承擔著為世界及沿線國家和地區(qū)搭建經濟、政治、文化合作新平臺的重任，而嚴峻的水問題已經成為制約“一帶一路”戰(zhàn)略實施的關鍵因素之一［4］。學者們對陜西省水資源利用情況進行了大量研究，主要集中在水資源承載力評估［5-9］、水資源脆弱性評價［10-11］和水資源生態(tài)足跡研究［12-15］等方面，這些研究雖各有側重，但不能全面揭示區(qū)域水資源的利用情況，且只考慮了直接用水量，忽略了水資源的間接消費情況，無法反映區(qū)域水資源的真實消費構成。鑒于此，本研究基于水足跡視角，對陜西省2011—2020年水足跡賬戶進行了全面計算和分析，利用層次分析法構建了陜西省水資源評價指標體系，采用模糊綜合評價法對陜西省水資源可持續(xù)利用情況進行了綜合評價，以期為提高水資源可持續(xù)利用水平、有效緩解水資源短缺現狀提供理論依據和數據參考。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

陜西省地處中國西北地區(qū)，橫跨黃河、長江兩大水系，位于31°41′～39°35′N，105° 29′～111° 15′E之間，總面積約20.56萬km2。以秦嶺為分界線，北部為黃土高原和關中平原，屬黃河流域，面積廣闊，但水資源總量少；南部為秦嶺山地，屬長江流域，面積小，水資源卻十分豐富。受大陸性季風氣候的影響，陜西冬季干燥，夏季多雨，加上南北跨度大，使得全省水資源時空分布嚴重不均，是全國較嚴重的缺水省份之一［16］。

1.2 數據來源

本研究中萬元GDP用水量、工業(yè)用水量、居民生活用水量、生態(tài)環(huán)境用水量等數據來自2011—2020年《陜西省水資源公報》；總人口數、國民生產總值、進出口貿易總值、主要農產品產量等數據來自2011—2020年《陜西省統(tǒng)計年鑒》和《陜西省國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》。

2 研究方法

2.1 水足跡量化方法

水足跡包括生產消費的直接耗水量和間接虛擬耗水量2個部分，計算公式為：

其中，WFP為總水足跡；IWFP為內部水足跡，即生產于本區(qū)域且用于本區(qū)域的水資源總量，不包括通過商品貿易出口給其他區(qū)域的虛擬水量；EWFP為外部水足跡，即生產于其他區(qū)域并被本區(qū)域所消費的水資源量，不包括從其他區(qū)域進口后再出口的虛擬水量；AWU為農業(yè)水足跡；IWW為工業(yè)水足跡；DWW為生活水足跡；EWW為生態(tài)水足跡；VWEdom為出口虛擬水足跡；VWI為進口虛擬水足跡；VWEre-export為進口再出口的虛擬水足跡。

2.1.1 農業(yè)水足跡農業(yè)消耗水資源最多，計算農業(yè)水足跡能夠更加真實地反映出農業(yè)的水資源利用情況。根據水足跡理論，農業(yè)水足跡包括農作物虛擬水和動物虛擬水2個部分。農業(yè)虛擬水量可用農產品單位產品虛擬水含量與產量的乘積來計算。農作物的單位虛擬水含量采用世界糧農組織修正的標準彭曼公式來計算［3］。動物虛擬水含量包括動物整個生長過程中所消耗的水量和宰殺加工用水。因為核算復雜，動物的單位虛擬水含量參考相關文獻中的研究成果［17-20］。

2.1.2 工業(yè)水足跡和貿易水足跡工業(yè)水足跡包括工業(yè)生產中用于制造、加工、洗滌、冷卻等所有過程中的用水量。這里采用工業(yè)產品進出口貿易差值與工業(yè)產品萬元GDP用水量來進行估算。貿易水足跡采用萬元GDP用水量和進出口貿易總值的乘積進行估算。由于進口再出口的虛擬水量相對較少，且數據難以獲得，因此本研究忽略了這部分虛擬水量。

2.1.3 生活和生態(tài)水足跡生活水足跡以城鎮(zhèn)居民生活用水量和公共用水量的總和來表示。生態(tài)水足跡用水資源公報中的生態(tài)環(huán)境用水量來表示。

2.2 水資源可持續(xù)利用評價指標體系的構建

綜合考慮陜西省水資源供需條件、社會經濟發(fā)展情況以及生態(tài)環(huán)境保護情況，客觀、全面、科學地選取相關指標，采用層次分析法將陜西省水資源可持續(xù)利用評價指標體系分為目標層、準則層和指標層3個層次，選擇3個準則12個指標構建陜西省水資源可持續(xù)利用評價指標體系（表1）。區(qū)域水資源可持續(xù)狀態(tài)判斷流程如圖1所示。

圖1 區(qū)域水資源可持續(xù)性判斷流程

表1 陜西省水資源可持續(xù)利用評價指標體系

2.3 模糊綜合評價模型的構建

2.3.1 建立因子集根據陜西省水資源可持續(xù)利用評價指標體系將陜西省水資源可持續(xù)利用評價指標分為兩級。一級準則層因素B=｛B1，B2，B3｝，二級指標層因素集C=｛C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12｝，其中B1=｛C1，C2，C3，C4，C5｝，B2=｛C6，C7，C8，C9，C10｝，B3=｛C11，C12｝。

2.3.2 確定評判集參考相關文獻，結合陜西省水資源實際情況，將水資源可持續(xù)利用能力劃分為3個等級：Ⅰ級(V1)表示水資源可持續(xù)發(fā)展能力較好，Ⅱ級(V2)表示水資源可持續(xù)發(fā)展能力有一定的潛力，Ⅲ級(V3)表示水資源可持續(xù)發(fā)展能力較差。由于等級V1、V2、V3的遞減關系，利用綜合評分值A= 0.95V1+0.5V2+0.05V3將評判等級進行量化，A值越高，代表水資源可持續(xù)利用水平越高。指標分級標準詳見表2。

表2 陜西省水資源可持續(xù)利用評價等級標準

2.3.3 確定指標權重采用熵權法確定各評價指標權重。根據陜西省水資源可持續(xù)利用評價指標體系，選取2011—2020年的數據進行評價，則原始數據構成的矩陣為A=(aij)12×10。將水資源可持續(xù)利用評價指標分為正向和逆向2類指標。若指標值越大，水資源可持續(xù)利用水平越高，則為正向指標，反之為逆向指標。將原始數據進行歸一化處理，得到歸一化矩陣B=(bij)12×10，其中

以表1所構建的評價體系為基礎，定義第i個指標的熵，計算公式為：

式中：

且當fij=0時，fij·ln( fij)=0。則第i個指標的熵權為：

2.3.4 確定隸屬度函數針對單一影響因素Ci進行模糊評價，評價結果為Vi，則影響因素Ci對評價結果Vi的隸屬度為rij。所有單一影響因素對其評價結果的隸屬度組成模糊評價矩陣R=r(ij)12×10。

2.3.5 模糊綜合評價根據權重集W和模糊評價矩陣R，采用加權平均的算法，得到目標因素對評價等級的隸屬向量集合Di=Wi×Ri。對其進行歸一化處理，依據表2選取相應的量化值組成向量V，通過公式E=D×VT可以得到最終的綜合評價結果。

3 結果與分析

3.1 水足跡賬戶分析

3.1.1 水足跡變化趨勢分析由圖2和表3可知，2011—2020年陜西省總水足跡和內部水足跡總體呈上升趨勢，均在2020年達到最高值，2018年有所下降，2018—2020年增長明顯。原因在于農業(yè)水足跡占內部水足跡比重較大，研究時段內農業(yè)水足跡穩(wěn)步增長，且在2018—2020年增速達到最大。2018年有所下降主要是因為出口貿易水足跡的明顯增加和生態(tài)用水量的相對減少。2011—2013年，總水足跡和內部水足跡值十分接近，2014—2020年，隨著進口貿易水足跡的逐年上升，兩者之間的差距逐漸拉大。人均水足跡總體呈上升趨勢，2016—2018年有所下降，2018年下降后以年均1.8%的速度迅速增長，遠高于多年平均增長率0.6%，這與研究時段陜西省總人口增長速度密切相關。2011—2020年陜西省總人口數以年均0.5%的速度增長，2016—2018年平均增速高達0.7%，2019—2020平均增速下降到0.3%。受陜西省進口貿易總額的影響，外部水足跡總體呈上升趨勢，其中2011—2013年相對較少，2014—2020年增長明顯，平均增速同比增長9.7%。

圖2 陜西省2011—2020年總水足跡、內部水足跡與人均水足跡的變化趨勢

3.1.2 水足跡消費結構分析由表3可知，2011—2020年農業(yè)水足跡占總水足跡的比重最大，平均高達94.9%。其中農作物水足跡平均占比70.1%，動物產品水足跡平均占比24.8%，是需水量最大的2個項目，可見農業(yè)產品水足跡在陜西省水資源消費中占據主導地位。其次是工業(yè)水足跡、生活水足跡、生態(tài)水足跡和貿易水足跡，分別占總水足跡的2.2%、2.1%、0.8%和0.1%。由圖3可知，研究時段內，農作物產品水足跡整體呈上升趨勢，平均增速為1.8%，主要是因為陜西省主要經濟作物如糧食、水果、蔬菜、油料等產量逐年增加。動物產品水足跡在2011—2015年逐漸增加，2015年以后有所下降，說明隨著人口數量的增加和生活水平的提高，居民對肉蛋奶制品的需求總量逐年增加，但同時居民消費觀念和健康意識也在不斷提高，所以動物產品水足跡出現了小幅下降的情況。

表3 陜西省2011—2020年水足跡賬戶

圖3 陜西省2011—2020年農產品水足跡

由圖4可知，農作物產品中糧食作物的年平均水足跡最高，主要是因為陜西省糧食作物產量較高，遠高于其他作物；其次是水果、蔬菜、油料、茶葉、烤煙、棉花、麻類和油料。水果和蔬菜的單位產量虛擬水含量不高，但產量較大，僅次于糧食作物。油料的產量位居第4位，單位產品虛擬水含量略低于糧食。茶葉的產量不多，但單位產量虛擬水含量最高，是糧食的6.5倍。麻類的單位產量虛擬水含量僅次于茶葉，但產量不大。

圖4 陜西省2011—2020年主要農作物產品單位產量 虛擬水含量及年平均水足跡

由圖5可知，年均水足跡從高到低依次是禽蛋、奶類、豬肉、牛肉、羊肉、蠶繭和蜂蜜。禽蛋、奶類和豬肉的產量位居前三，但單位產量虛擬水含量均不高。牛肉和羊肉產量分別位列第4、第5位，但單位產量虛擬水含量非常高。蠶繭和蜂蜜的產量相對較低，蠶繭單位產量虛擬水含量僅次于牛、羊肉，蜂蜜的單位產量虛擬水含量最低，僅為牛肉的1/10。結合虛擬水理論，從水資源優(yōu)化配置角度來看，陜西省應減少對單位產量虛擬水含量較高農產品的生產和消費，可通過其他途徑來補充需求。同時，適當增加單位產量虛擬水含量較低且經濟價值高的農產品的種植規(guī)模，這樣才能提高水資源的利用效率。即調整農業(yè)種植結構，適當增加水果和蔬菜等作物的種植規(guī)模，減緩增加茶葉和麻類作物的種植規(guī)模。同時加大蛋奶和豬肉的生產，減少對牛、羊肉的生產和消費。

圖5 陜西省2011—2020年主要動物產品單位產量虛擬水含量及年平均水足跡

3.2 水資源可持續(xù)利用評價結果分析

依據表1計算2011—2020年陜西省水資源可持續(xù)利用評價指標，并用MATLAB軟件計算得到各評價指標的權重，結果如表4所示。

表4 陜西省2011—2020年水資源可持續(xù)利用評價指標及權重計算結果

3.2.1 水資源發(fā)展水平分析由表4可知，陜西省2011—2020年水資源自給率較高，均在99%以上，說明陜西省水資源基本能夠滿足省內發(fā)展需要。但作為全國水資源較為緊缺的省份，過高的水資源供給率給陜西省水資源帶來了較大的壓力，水資源自給率除2016和2017年略有上升外，其他年份均處于下降狀態(tài)。與之對應的水資源進口依賴度恰好相反，整體上處于上升趨勢。這與陜西省進出口貿易水足跡的特點息息相關。陜西省進出口貿易水足跡均不高，進口貿易水足跡僅占總水足跡的7%，因此外部水足跡較低；出口貿易水足跡僅占總水足跡的6%，進出口貿易水足跡差額只有總水足跡的1%左右。但隨著陜西省社會經濟的不斷發(fā)展，貿易流通量在逐年加大，進出口貿易水足跡均呈現逐年增加的趨勢。

由圖6可知，2011—2020年陜西省可用水資源增長指數變動幅度較大?？捎盟Y源增長指數的大幅變動是由于年降水量分布不均導致的。水足跡增長指數整體呈下降趨勢，最高值出現在2012年，最低值出現在2018年，為負增長。2013、2014、2016、2017、2018年水足跡增長指數小于研究時段的平均值，說明陜西省最嚴格水資源管理和水生態(tài)文明建設工作成效顯著。水資源可持續(xù)指標定量反映了區(qū)域水資源可持續(xù)利用能力［23］。水資源可持續(xù)指標在2014年達到最高值，2013年也顯著高于其他年份，且其他年份變化幅度不大。根據區(qū)域水資源可持續(xù)狀態(tài)判斷流程圖（圖1）可知，研究時段內，陜西省水資源僅2017和2019年處于可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)，可見陜西省水資源問題十分嚴峻。

圖6 陜西省2011—2020年水資源可持續(xù)能力判斷指標

3.2.2 水資源與經濟社會發(fā)展協調水平分析結合圖2和圖7可知，研究時段內，雖然總水足跡和人口數量均呈增加趨勢，但水足跡人口密度總體呈下降趨勢，說明陜西省萬噸水足跡承載人口能力在逐漸下降。水足跡土地密度在逐年增大，說明隨著總水足跡的不斷增加，單位土地面積的水足跡承載壓力在增大。水資源貢獻率總體呈上升趨勢，說明研究時段內，陜西省水資源除了支撐本省的發(fā)展外，還不同程度地緩解了其他地區(qū)的水資源壓力。尤其是2014年以后，隨著陜西省經濟的快速發(fā)展，更多的水資源通過出口的形式流通到了其他地區(qū)，創(chuàng)造了一定的經濟價值。水足跡經濟效益值在逐年上升，說明研究時段內，陜西省水資源利用效率在逐年增加，由水足跡帶來的經濟價值在逐年升高。這也為陜西省經濟發(fā)展指明了方向，既要統(tǒng)籌規(guī)劃水資源利用，同時加強對現有水資源的保護，讓水資源在滿足本省發(fā)展需求之外還能在一定程度上創(chuàng)造經濟價值。水資源凈貿易量總體呈上升趨勢，說明研究時段內，陜西省水足跡貿易流通在不斷增強，經濟發(fā)展活力持續(xù)增強。

圖7 陜西省2011—2020年水資源與經濟社會發(fā)展協調水平分析

3.2.3 水資源安全水平分析由4表可以看出，研究時段內，陜西省的水資源匱乏指標和壓力指數除2011年外，其他年份的對應值均在100%以上，其中2016年甚至高達200%以上。而依據水資源可持續(xù)利用狀態(tài)分析結果可知，僅2017和2019年陜西省水資源呈現可持續(xù)利用狀態(tài)，但對應的水資源匱乏指標和水資源壓力指數也都超過了100%，可見陜西省水資源嚴重短缺，且省內生產需水量對可用水資源量作用強度極大，水資源系統(tǒng)已嚴重超載，水資源安全狀況不容樂觀。但2016年以后，隨著陜西省省市縣三級水資源管理體系的建立和最嚴格水資源管理制度的落實、“引漢濟渭”“引紅濟石”等水利工程的建設、水生態(tài)文明建設的日益推進以及流域污染綜合治理的進一步實施等，陜西省水資源匱乏指標和壓力指數近年來有所下降，但改善水資源安全狀況仍然迫在眉睫。

3.2.4 水資源可持續(xù)利用能力綜合評判根據模糊評價模型，計算得到2011—2020年陜西省水資源可持續(xù)利用水平綜合評價結果（表5）。由表5可以看出，2011、2014、2015、2017、2018、2019、2020年陜西省水資源可持續(xù)利用水平綜合評價等級均為Ⅰ級，水資源可持續(xù)發(fā)展能力較好。2012、2013年評價等級為Ⅱ級，水資源可持續(xù)發(fā)展能力有一定的潛力。2016年評價等級為Ⅲ級，水資源可持續(xù)發(fā)展能力較差。

表5 陜西省2011—2020年水資源可持續(xù)利用水平綜合評價結果 分

圖8為2011—2020年陜西省水資源可持續(xù)利用綜合評分變化圖，可以看出研究時段內，陜西省水資源可持續(xù)利用水平綜合評分呈現出曲折上升的發(fā)展態(tài)勢，說明陜西省水資源綜合利用水平向越來越高的方向發(fā)展。其中2012—2015、2018—2020年穩(wěn)步上升，尤其是2018—2020年增速較快。2012年召開的陜西省第十二次黨代會上確立了水利在基礎設施建設中的重要位置，著力構建“五大體系”，建立“十大工程”。近10年來，陜西省省委、省政府堅持實行最嚴格的水資源管理制度，建設了多個水利工程和水利樞紐項目，啟動農業(yè)灌溉設施建設和改造項目，積極開展水土保持和水生態(tài)修復工作，極大地保護了該省的水資源安全，提高了水資源利用效率。雖然陜西省水資源可持續(xù)利用水平有向好發(fā)展的趨勢，但整體水平仍然偏低，僅有0.6左右，水資源利用水平還有很大的提升空間。

由圖8可以看出，2012、2016年水資源可持續(xù)利用水平綜合評分下降幅度較大。2012年出現拐點主要是因為2011年全省降水量偏高，比多年平均降水總量增加了近30%，而2012年降水量與多年平均值持平，可用水資源總量相比2011年減少了35%左右，且2012年生活用水、農業(yè)水足跡、工業(yè)水足跡、出口貿易水足跡等水資源消費項目均較2011年有所上升。2016年雖然屬于下降水平，但汛期降水量偏少，地表徑流量比多年平均值減少了37%，地下水量也有所下降，可用水資源增長指數低至-18.58%，顯著低于其他年份，且水資源匱乏指數和壓力指數達到200%以上。說明水資源持續(xù)利用水平受水資源條件影響較大，因此，必須從虛擬水的角度來統(tǒng)籌分配水資源供給，才能滿足經濟社會發(fā)展的需求，提高水資源可持續(xù)利用的水平。

圖8 陜西省2011—2020年水資源可持續(xù)利用水平綜合評分

4 結論

運用水足跡理論，采用層次分析法構建了陜西省2011—2020年水資源可持續(xù)利用評價指標體系，對研究時段內陜西省水資源可持續(xù)利用水平進行了模糊綜合評價，主要結論如下：

（1）研究時段內，陜西省總水足跡和人均水足跡整體呈上升趨勢?？偹阚E中農業(yè)水足跡所占比重最大，高達94.8%。其次是工業(yè)水足跡、生活水足跡、生態(tài)水足跡和貿易水足跡。農作物產品的年均水足跡值由高到低依次是糧食、水果、蔬菜、油料、茶葉、烤煙、棉花、麻類和油料。其中，茶葉和麻類單位產量虛擬水含量較高。動物產品水足跡由高到低依次是禽蛋、奶類、豬肉、牛肉、羊肉、蠶繭和蜂蜜，其中牛肉和羊肉單位產量虛擬水含量較高。為提高水資源利用效率，減輕本地水資源供給壓力，陜西省應調整農業(yè)種植結構，適當增加水果和蔬菜等作物的種植規(guī)模，減緩增加茶葉和麻類的種植規(guī)模，同時加大蛋奶和豬肉的生產，減少對牛、羊肉的生產和消費。

（2）研究時段內，陜西省水資源自給率較高，但水足跡顯著高于可用水資源量，水資源承載壓力較大。陜西省水資源僅2017和2019年處于可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)，可見陜西省的水資源發(fā)展水平不高，水資源問題依然嚴峻。研究時段內，陜西省萬噸水足跡承載人口能力在逐漸下降，單位土地面積的水足跡承載壓力在逐漸增大。水資源貢獻率、水足跡經濟效益值、水資源凈貿易量總體呈上升趨勢，說明陜西省水資源與經濟社會發(fā)展協調水平在逐年提升。陜西省的水資源匱乏指標和壓力指數較高，雖然2016年以后有所下降，但水資源系統(tǒng)仍然嚴重超載，水資源安全狀況不容樂觀。

（3）研究時段內，陜西省水資源綜合利用水平呈現曲折上升狀態(tài)，發(fā)展態(tài)勢良好，但整體水平仍然偏低，水資源可持續(xù)利用水平受水資源條件影響較大。有30%的年份水資源可持續(xù)利用綜合評價等級為Ⅱ級和Ⅲ級，水資源可持續(xù)利用狀況不佳。陜西省亟需從水足跡視角出發(fā)來統(tǒng)籌分配水資源供給，采取有效措施調整產業(yè)結構、改變生產和消費構成，同時廣泛開展節(jié)水活動，降低對本地水資源的耗費，不斷提高水資源可持續(xù)利用水平，保障社會經濟的高質量發(fā)展。