基于水足迹理论的区域水资源利用评价

'第26卷第3期自然资源学报Vol.26No.32011年3月JOURNALOFNATURALRESOURCESMar．，2011基于水足迹理论的区域水资源利用评价112戚瑞，耿涌，朱庆华(1．中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳110016;2.大连理工大学管理学院生态规划与发展研究所，辽宁大连116024)摘要:水资源是一个地区经济发展、社会稳定的基础。水资源利用评价研究对分析区域水资源问题、制定合理的水资源战略具有重要意义。论文引入水足迹理论，构建区域水足迹结构、效益、生态安全以及可持续性指标体系，对区域水资源的利用现状和可持续性进行评价分析，并以大连市为案例对其水资源利用情况进行评价，结果表明该评价方法简便直观、合理可行。关键词:水足迹;水资源利用;虚拟水中图分类号:X824文献标志码:A文章编号:1000－3037(2011)03－0486－10水资源是一切生物赖以生存和发展的物质基础，也是支撑一个地区社会经济可持续发展的重要条件和战略性资源。随着人口的增长和经济的发展，水资源的需求量不断增［1］加，水环境污染严重，加之水资源本身时空分布不均，难以达到与人口、生产力、区域经济［2］发展及生态环境需求的协调。因此，如何进行合理的水资源开发利用和保护，使有限的水资源发挥最大的社会、经济和环境效益，成为世界各国共同关注的热点问题。目前，关于水资源利用的评价已成为水资源学科的一个重点研究领域。相关评价方法很多，主要包括模糊综合评价法、层次分析法、可拓法、人工神经网络、灰色聚类评价法、主成分分析、因子分析法和投影寻踪评价法等。然而，水资源是一个复杂的系统，受人口、经济、生态环境、天然时空分布等诸多因素制约，现有评价方法在实际应用时模型精确程度较难控制，未考虑人类活动对区域间水资源流动的影响，无法对不同地区水资源利用效益进行比较分析以判定区域水资源战略在本地区和大尺度范围内发挥的作用。水足迹理论是由Hoekstra于2002年提出的基于消费基础反映水资源利用情况的新方［3］法。它将水资源问题拓展到社会经济领域，充分反映人类活动与水资源系统的相互作用关系。水足迹定义为任何已知人口(一个国家、一个地区或一个人)在一定时间内消耗的所［4］有产品和服务所需要的水资源量。目前，国外学者分别开展了国家、省(州)、市、流域等［5-8］不同尺度范围的水足迹结构分析和比较评价，农产品等食品消费结构对水足迹的影［9-10］［11-13］响以及某一产品水足迹含量计算等，旨在识别水足迹的影响因素，解决水资源短缺与水资源安全、粮食安全及生态环境压力等问题。在我国，水足迹研究尚处起步阶段，主要集中在水足迹概念及计算方法的介绍和区域层面上的应用研究，还没有将其用于对区域水资源的开发利用情况进行评价。本文基于水足迹理论，建立区域水资源开发利用评价指标体系，给出定量的评价水资源收稿日期:2010－09－03;修订日期:2010－10－29。基金项目:国家自然科学基金重点项目(71033004);中科院百人计划项目(2008-318);辽宁环境科研教育“123工程”(CEPF2008-123-2-1);辽宁省社会科学规划基金(L07CJL026)。第一作者简介:戚瑞(1983－)，女，天津人，硕士，主要研究方向为环境管理。 3期戚瑞等:基于水足迹理论的区域水资源利用评价487利用状态的指数，并结合定性方式分析区域水资源利用功效和可持续发展性能，以大连市为案例研究区，评估其水资源开发利用情况，验证指标体系的科学性和合理性。1区域水资源开发利用效率评价模型1.1水足迹基本原理和计算方法水足迹从消费角度衡量一个国家或地区对水资源的真实需求和占用情况，考虑了水资源的物质属性和社会属性，构建了水资源利用与人类生活消费结构的关系，为水资源可持续利用研究提供了一个简单、直观的研究方法。该理论是在虚拟水和生态足迹理论基础上提出的，虚拟水是以消费者看不见的形式隐含于产品中。实际上，人们生产生活直接用水比例［15］较小，大部分消耗的是以虚拟水的形式“嵌入”在产品中的那部分水资源。在经济全球化和市场机制的作用下，地区之间的贸易使得商品在不同地区消费使用，带动了虚拟水的流通。因此，一个国家和地区的实际用水量应该等于生产该国家或地区居民所消费的所有产品和服务的本地水资源需求总量与该国家或地区的进口虚拟水总量的代数［4］和，水足迹流向如图1所示，即WFP=IWFP+EWFP(1)式中:WFP为一个国家或地区水足迹;IWFP为生产该地区居民所消费的商品与服务所利用的区域内水资源总量，即内部水足迹;EWFP为其它国家或地区生产、并为本国或本地居民所消费的产品和服务所消耗的水量，即外部水足迹。图1区域水足迹流向图Fig．1Theflowdiagramofregionalwaterfootprint其中，内部水足迹(IWFP)等于国民经济部门的区域内水资源利用总量减去通过产品贸易而出口给其它地区的虚拟水量，表达式为:IWFP=AWU+IWW+DWW+EWW－VWEdom(2)式中:AWU为该国家或地区的农业生产用水量(不包括农业灌溉中损失的那部分水量);IWW为该国家或地区的工业生产用水量;DWW为本地居民生活用水量;EWW为本地生态环境用水量;VWEdom为本地出口虚拟水量。外部水足迹(EWFP)等于进口虚拟水量减去向其它地区输出的进口产品再出口的虚拟 488自然资源学报26卷水量，表达式为:EWFP=VWI－VWEre-export(3)式中:VWI为该国家或地区从其他国家或地区进口的虚拟水总量;VWEre-export为向其他国家或地区输出的进口产品再出口的虚拟水总量。1.2基于水足迹的区域水资源利用评价指标体系根据水足迹的原理、构成以及与水资源利用之间的关系，提出相应的水足迹指标对区域水资源开发利用情况进行评价。1.2.1区域水足迹结构指标(1)水资源进口依赖度(waterimportdependency，WD):区域外部水足迹与该区域水足［4］迹的比率，即EWFPWD=×100%(1)WFP该指标反映了一个地区依赖外部水资源的程度:百分比越大，表明区域对进口水资源依赖程度越高。(2)水资源自给率(waterself-sufficiency，WSS):区域内部水足迹与该区域水足迹的比［4］率，即IWFPWSS=×100%(2)WFP该指标反映一个区域使用本地水资源的程度:百分比越大，表明区域对本地区水资源依赖程度越高。这两个指标反映一个区域商品和服务所消耗的水资源组成情况，表明区域水资源战略结构。如果一个区域属于贫水地区，其商品和服务严重依赖虚拟水进口，该区域水资源进口依赖度接近100%，自给率接近于0。反之，亦然。1.2.2区域水足迹效益指标区域水足迹效益指标包括内部效益指标和外部效益指标两部分。内部效益指标用于衡量水资源在区域内产生的效果和收益，反映水资源在该区域所发挥的作用;外部效益指标用于衡量水资源对外效果和作用，反映本地区在虚拟水贸易中的地位和对其他地区的影响。(1)内部效益指标:万吨水足迹人口密度:区域人口总数与区域水足迹的比值，即TP万吨水足迹人口密度=(3)WFP其中TP表示区域人口总数。此指标反映区域万吨水足迹供给人口数，指标越高，说明该区域水足迹支撑了较多的人口，水资源在该地区起到的有效作用力越大。水足迹经济效益值:该区域年GDP与区域水足迹的比值，即GDP水足迹经济效益值=(4)WFP该指标反映水足迹消耗带来的经济效益水平，指标值越高，说明该区域水足迹产生的经济效益越大，水资源利用水平越高。水足迹土地密度:区域水足迹与该区域面积的比值，即 3期戚瑞等:基于水足迹理论的区域水资源利用评价489WFP水足迹土地密度=(5)A其中A表示区域面积。此指标从空间上反映该区域耗用水资源情况，指标越高，说明单位面积耗用水资源量越大。水足迹废弃率:区域废水量与水足迹的比值，即废水量水足迹废弃率=(6)WFP该指标用来衡量区域消费水资源与消费过程中废弃水资源之间的关系，反映水资源在该地区的有效利用程度，指标越低，说明该地区清洁使用水资源的能力越强。(2)外部效益指标:水足迹净贸易量:本地出口虚拟水量与进口虚拟水量的差值，即水足迹净贸易量=VWEdom－EWFP(7)该指标反映本区域在大尺度范围水资源贸易中的地位和作用，同时也可以判断该区域水资源战略现状。如果水足迹净贸易量为正，表明区域出口虚拟水大于进口虚拟水，该地区水资源流入外部，属于水资源输出地;如果其值为负，情况则相反，该地区为水资源输入地。水资源贡献率:水足迹净贸易值与可用水资源量的比值，即VWEdom－EWFP水资源贡献率=(8)WA其中，WA表示该区域可利用水资源总量。该指标表明本地区(外区域)可用水资源量对其他区域(本地区)水资源消耗的贡献水平。指标越大，说明一个地区对缓解其他区域开发利用水资源压力帮助越大。水足迹价值兑换率:单位进口水足迹贸易值与单位水足迹出口贸易值的比值，即进口贸易值/EWFP水足迹价值兑换率=(9)出口贸易值/VWE该指标反映在进出口贸易过程中，水足迹所表现的货币价值兑换比例。指标值越大，说明出口单位水足迹能兑换的进口单位水足迹的货币价值越大，该区域在水足迹贸易中越具优势。1.2.3区域水资源生态安全指标［4］(1)水资源匮乏指标(waterscarcity，WS):区域水足迹与可用水资源量的比值，即WFPWS=×100%(10)WA该指标反映水资源的紧缺状态。指标越大，说明该区域面临的缺水状况越严重。如果满足一个区域消费的产品和服务的生产需水量大于该区域可利用水资源量，那么该地区的水缺乏度大于100%。(2)水资源压力指标(waterpressure，WP):区域内部水足迹与本区域出口虚拟水量之和与本区域可用水资源量的比值，即IWFP+VWEdomWP=(11)WA 490自然资源学报26卷这个指标反映区域生产的产品和服务需水量对可用水资源量的作用强度。该指标越大，说明本区域水资源承载压力越大。当WP＞1时，本地区生产所用水足迹大于可用水资源量，说明该地区水资源系统超载;当WP=1时，表明本地区生产所用水足迹与可用水资源量持平，水资源利用达到最大承载能力;当WP＜1时，表示本地区生产所用水足迹在可用水资源承载能力范围内，具有进一步开发利用空间。1.2.4水资源可持续性能指标(1)水足迹增长指数(waterfootprintrateofchange，WFPR):末一年水足迹WFP2与前一年水足迹WFP1之差与前一年水足迹的百分比，即WFP2－WFP1WFPR=×100%(12)WFP1该指标反映一定时期区域水资源耗用量的变动幅度，其大小表明区域水足迹增减速度的快慢。(2)可用水资源增长指数(wateravailablenessrateofchange，WAR):末一年可用水资源WA2与前一年可用水资源WA1之差与前一年可用水资源的百分比，即WA2－WA1WAR=×100%(13)WA1该指标反映一定时期区域水资源可利用量的变动幅度，其大小表明区域可用水资源增减速度的快慢。(3)水资源可持续指数(watersustainabilityindex，WSI):水足迹增长指数绝对值与可利用水资源增长指数绝对值的比值，即|WFPR|WSI=(14)|WAR|这个指数定量反映一个地区水资源可持续利用能力强度。综合运用以上3个指标，可以判定该地区水资源可持续状态和能力，判断流程如图2所示。图2区域水资源可持续性判断流程Fig．2Thejudgmentprocessofregionalwaterresourcessustainability 3期戚瑞等:基于水足迹理论的区域水资源利用评价491需要说明的是，不同情况下，水资源可持续指数与可持续利用能力的关系不同:当情景(1)发生时，即该区域可用水资源量跌幅大于本地区水足迹跌幅，此时WSI越小，该地区表现出来的水资源不可持续利用趋势性越强;当情景(2)发生时，即该区域水足迹跌幅大于可用水资源跌幅，此时WSI越大，该区域水资源表现的可持续利用趋势越强;当情景(5)发生时，即该区域水足迹增幅超出了本地区可用水资源增幅，此时WSI越大，区域水资源不可持续利用趋势越强;当情景(6)发生时，即该区域水足迹增幅在本地区可利用水资源量增幅范围内，此时WSI越小，区域水资源可持续利用趋势越强;由于情景(3)、(4)发生时，水资源可持续状态处于绝对判断状态，故不考虑WSI与水资源可持续能力之间的关系。综上，构成区域水足迹评价指标体系，如表1所示。表1基于水足迹的区域水资源利用评价指标体系Table1Theindicatorsystemofevaluatingregionalwaterresourcesutilizationbasedonwaterfootprintmethod水足迹指标计算方法含义水足迹结构指标水资源进口依赖度WD(EWFP/WFP)×100%区域依赖外部水资源的程度水资源自给率WSS(IWFP/WFP)×100%区域使用本地水资源的程度水足迹效益指标内部效益指标万吨水足迹人口密度TP/WFP水足迹支撑人口能力水足迹经济效益GDP/WFP万元GDP所耗用的水足迹量水足迹土地密度WFP/A水足迹能承载的土地面积能力水足迹废弃率废水量/WFP水资源有效利用程度外部效益指标水足迹净贸易量VWEdom-EWFP水资源贸易中的地位和作用区域水资源可利用量对其他区域贡水资源贡献率(VWEdom－EWFP)/WA献水平(进口贸易值/EWFP)/(出口贸易水足迹价值兑换率水足迹贸易价值兑换比值/VWE)水资源生态安全指标水资源匮乏指标WS(WFP/WA)×100%水资源紧缺状态本区域生产需水量对可用水资源量水资源压力指数WP(IWFP+VWEdom)/WA作用强度水资源可持续性能指标水足迹增长指数WFPR(WFP2－WFP1)/WFP1区域水资源耗用量的变动幅度可用水资源增长指数WAR(WA2－WA1)/WA1区域水资源可利用量的变动幅度区域水资源的可持续利用状况和能水资源可持续利用指标WSI|WFPR|/|WA|力2案例分析大连市地处北半球中纬度暖温带气候区内，具有海洋性特点的大陆季风气候，平均年降2水量在550～950mm。境内河流200余条，多为季节性河流。其中集水面积在200km以 492自然资源学报26卷8383上的河流有9条，多年平均年径流量4.8×10m，平均水资源总量37.86×10m，人均水资源占有量分别相当于世界和全国人均水平的1/10和1/4，属于缺水地区。2.1大连市水足迹计算根据大连市统计年鉴、水资源公报以及文献［6］中中国单位产品虚拟水含量数据和计算方法，计算大连市2006、2007年水足迹及区域可用水资源量，结果如表2所示。表2大连市水足迹及水资源量(2006—2007年)Table2DataonDalian’swaterfootprintandwaterresourcesvolume(2006－2007)水足迹指标2006年2007年399内部水足迹IWFP/m2.10×101.47×10399农业生产用水量AWU/m6.21×105.65×10388工业生产用水量IWW/m2.90×102.54×10388居民生活用水量DWW/m3.44×103.91×10388生态环境用水量EWW/m1.28×101.34×10出口虚拟水量VWE/m34.87×1094.96×109dom399外部水足迹EWFP/m1.00×101.41×10399区域水足迹WFP/m3.11×102.88×10399区域可用水资源量WA/m2.22×103.07×102.2大连市水足迹评价指标计算根据区域水足迹评价指标体系，计算大连市水足迹评价指标，结果如表3所示。表3大连市水资源利用评价指标值(2006—2007年)Table3TheindicatorforevaluatingDalian’swaterresourcesutilization(2006－2007)评价指标2006年2007年水足迹结构指标水资源进口依赖度WD32.34%49.01%水资源自给率WSS67.66%50.99%水足迹效益指标内部效益指标4万吨水足迹人口密度/(人/10t)18.4120.043水足迹经济效益值/(元/m)82.69108.533255水足迹土地密度/(m/km)2.47×102.29×10水足迹废弃率/%26.7116.71外部效益指标399水足迹净贸易量/m3.87×103.55×10水资源贡献率/%1.741.16水足迹产值兑换率3.832.50水资源生态安全指标水资源匮乏指标WS/%140.0494.09水资源压力指数WP/%314.38209.82水资源可持续性能指标水足迹增长指数WFPR/%－7.17可用水资源增长指数WAR/%38.17水资源可持续利用指标WSI可持续 3期戚瑞等:基于水足迹理论的区域水资源利用评价4932.3大连市水足迹指标分析与评价2.3.1水足迹结构指标分析2006、2007年大连市水足迹自给率分别为67%和51%，而世界和我国水足迹自给率平［6］均水平分别为84%、93.6%，相比之下，大连市水资源自给能力低，对外依赖程度较高。主要原因:一是天然情况决定大连地区水资源短缺，自身资源无法满足人们生产生活需要;二是大连为沿海城市，对外经济贸易发达，便于区域外虚拟水资源的利用。而2007年水足迹进口依赖度比2006年有所提高是由于2007年大连农产品进口增加，虚拟水含量较高的畜牧业农产品产量减小所致。另外，从图3大连市水足迹构成可以看出，工业内部水足迹所占比例很小，这是由于工业产品大量出口导致虚拟水外流。图3大连市水足迹构成Fig．3ComponentofDalian’swaterfootprint2.3.2水足迹效益指标分析该组指标表明大连市水足迹效益整体水平较高，在人们生产生活中得到了有效利用，发挥着积极作用。这也是水资源在人类社会经济发展的过程中所肩负重任使然。内部效益方面，万吨水足迹人口密度值和水足迹土地密度值相对世界和我国平均水平均较大，表明大连市单位水足迹承载人口能力较强，单位国土面积占用水资源量较大，这是因为受到城市发展水平、产业布局等因素影响;水足迹经济效益值较高，说明水资源在大连国民经济生产中得到了有效利用，产生较大经济效益;水足迹废弃率偏高，主要由于大连城市化、工业化进程较快，导致废水排放较多，尽管水资源利用技术逐步提高，废水排放量有所降低，但与全国平均废水排放量相比仍较大，这说明大连市需要进一步改进水处理技术，推广中水回用，提高水资源利用效率。外部效益方面，大连市水足迹净贸易量为正，表明大连市在虚拟水贸易中属于水资源输出地;水资源贡献率大于1，说明大连市水资源贡献率很高，反映出大连可用水资源对缓解其他地区水资源压力做出很大贡献;水足迹产值兑换率大于1，即进口单位虚拟水产品经济价值高于出口单位虚拟水产品经济价值，说明在虚拟水贸易中大连市处于有利地位。2.3.3水资源生态安全指标分析大连市水资源生态安全状况不容乐观，处于高度开发利用状态。水资源匮乏指标较大，说明大连市自身水资源无法满足人们生产生活的需求，需要通过进口虚拟水缓解水资源供给与需求之间的矛盾;水资源压力指数高，说明大连市水资源已超负荷开发利用，应采取调整产业结构、改变消费结构和广泛开展节水运动等措施，降低对本地区水资源的耗费。这里需要说明的是，农业生产耗费的土壤水和雨水等没有计入可用水资源量中，这也是造成水资源压力指数较高的另一个原因。2006、2007年水资源匮乏指数和压力指数均明显下降，说 494自然资源学报26卷明大连市通过开展规范水资源管理、建设集雨工程、加大海水利用、实施境外调水工程等工作，在一定程度上缓解了本地区水资源紧张状态。2.3.4水资源可持续性能指标分析2006到2007年期间，大连市水足迹增长指数为负，从水足迹的角度说明了大连市节水型城市建设试点工作成效显著;可用水资源大幅增长，是由于2007年大连市普降暴雨，全年降水场次多、时间跨度大，各主要河流年径流量均比2006年有所增加。因此，利用水资源可持续利用判断图，可以得出大连市水资源利用呈现可持续利用趋势。但可用水资源量受到降雨、气温等不可控因素影响，因此只有通过不断提高水资源利用率、改变贸易结构、推广节水技术和器具、中水回用等措施降低人类对水资源的消耗，才是解决水资源短缺、保证水资源可持续利用的根本途径。3结论水资源利用状况评价是一个复杂的系统。其复杂性是由水资源的流动循环性、分散性以及人类活动影响所决定的。水足迹是一个用于衡量与人类产品消费量和产品消费模式相［16］联系的水利用效率的新方法。本文利用该方法，从水足迹结构、效益、生态安全以及可持续性四方面较为系统地构建了区域水资源利用评价指标体系，采取定性定量相结合的方式客观地评价一个地区水资源利用状况及水资源利用的可持续性，揭示社会经济系统与水资源消耗之间的联系与矛盾，挖掘影响区域水资源可持续利用的制约因素，为解决水资源短缺、制定切实可行的水资源战略提供一定的科学依据。参考文献(References):［1］左其亭，陈曦．面向可持续发展的水资源规划与管理［M］．北京:中国水利水电出版社，2003．［ZUOQi-ting，CHENXi．ApproachtoWaterResourcesPlanandManagementforSustainableDevelopment．Beijing:ChinaWaterPowerPress，2003．］［2］吴佩林．我国区域发展的水资源压力分析［J］．西北农林科技大学学报:自然科学版，2005，33(10):143-149．［WUPei-lin．AquantificationalandcomparativeanalysisontheregionalwaterresourcepressureandwaterscarcityinChi-na．JournalofNorthwestSci-techUniversityofAgricultureandForestry:NaturalScienceEdition，2005，33(10):143-149．］［3］邓晓军，谢世友，秦婷，等．基于水足迹分析方法的四川省水资源利用评价［J］．人民长江，2007，38(2):61-63．［DENGXiao-jun，XIEShi-you，QINTing，etal．WaterresourcesutilizationevaluationofSichuanProvincebasedonwaterfootprintanalysismethod．YangtzeRiver，2007，38(2):61-63．］［4］ChapagainAK，HoekstraAY．Waterfootprintsofnations［C］∥ValueofWaterResearchReportSeries:No．16.Delft，theNetherlands:IHE，2004:1-80．［5］KampmanDA，HoekstraAY，KrolMS．ThewaterfootprintofIndia［C］∥ValueofWaterResearchReportSeries:No．32.Delft，theNetherlands:IHE，2008:1-152．［6］HoekstraAY，ChapagainAK．Waterfootprintsofnations:Waterusebypeopleasafunctionoftheirconsumptionpattern［J］．WaterResourcesManagement，2007，21(1):35-48．［7］VanOelPR，KrolMS，HoekstraAY．Ariverbasinasacommon-poolresource:AcasestudyfortheJaguaribebasininBrazil［C］∥ValueofWaterResearchReportSeries:No．24.Delft，theNetherlands:IHE，2007:1-36．［8］HoekstraAY，ChapagainAK．ThewaterfootprintsofMoroccoandtheNetherlands［C］∥ValueofWaterResearchReportSeries:No．21.Delft，theNetherlands:IHE，2006:1-30．［9］HoekstraAY，ChapagainAK．ThewaterfootprintsofMoroccoandtheNetherlands:Globalwateruseasaresultofdomes- 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