基于减少水足迹的水资源管理措施

'第11卷第2期南水北调与水利科技Vo1．11No．22013年4月South-to-NorthWaterTransfersandWaterScience＆TechnologyApr．2013doi：10．3724／SP．J．1201．2013．02018基于减少水足迹的水资源管理措施尹剑，王会肖，蔡燕(1．北京师范大学水科学研究院，北京100875；2．山东省环境保护科学研究设计院，济南250013)摘要：水足迹是衡量人类真实水资源需求的概念，因此通过水足迹研究，能够寻找调整水资源消费模式的切入点，并据此采取相应的措施减少水足迹，提高水资源利用效率。基于上述理论，提出了减少水足迹的水资源管理措施：提高工业用水效率，调整产业结构和消费模式，发展虚拟水贸易，可以直接降低区域水足迹；提高灌溉水有效利用率，提高绿水利用率可以降低农业水足迹；通过加强非传统水资源特别是再生水、海水、雨水的利用，可以提高水资源重复利用，间接降低水足迹。因此建议在流域上利用水足迹理论，将水资源和生态系统整合起来，进行水资源管理。关键词：水足迹；水资源管理；绿水；再生水中图分类号：TV213文献标识码：A文章编号：1672—1683(2013)02—0018—06WaterManagementStrategiesBasedonReductionofWaterFootprintYINJian，WANGHui—xiao，CAIYa(1．CollegeofWaterSciences，BeijingNOrTTlalUniversity，Beijing100875，China；2．ShandongAcademyofEnvironmentalScience，Jinan250013，China)Abstract：Waterfootprintisaconcepttoidentifytheactualhumanwaterrequirements．Basedonthestudyofwaterfootprint，thebreakthroughpointtoadjustthewaterresourcesconsumptionmodeisfoundthroughthereductionofwaterfootprintandthecorrespondingmeasurescanbeadoptedtoreducehumanwaterrequirements．Accordingtotheabovetheory，severalwaterre—sourcesmanagementmeasuresarepresentedbasedonthereductionofwaterfootprint．First，theefficiencyofindustrialwateruseisimproved，theindustrialstructureandconsumptionpatternareadjusted，thevirtualwatertradeisdeveloped，andallofthesecandirectlyreducetheregionalfootprintwater．Secondly，theimprovementofeffectiveutilizationrateofirrigationwaterandutilizationrateofgreenwatercouldreducetheagriculturalwaterfootprint．Finally，theenhancedutilizationofnon-conventionalwaterresources，especiallytherecycledwater，seawater，andrainwater，canimprovethereuseofwaterresourcesandthenindirectlyreducethewaterfootprint．ThispaperalsoproposesthesuggestionsofwaterresourcesmeasurestousethewaterfootprinttheoryattheriverbasinscaleandthentOintegratethewaterresourcesandecosystems．Keywords：waterfootprint；waterresourcesmanagement；greenwater；recycledwater心的水资源管理_11_，将环境规模和社会经济发展规模一并1研究背景纳入水资源管理的范畴。水资源承载力研究大量使用系统水资源是可持续发展中的关键因素，它对生态系统的良分析方法E12：】，并在此基础上，提出了水资源综合管理和基于性循环、人类社会的健康发展，具有不可缺少和不可替代的水循环经济的可持续水资源管理u。作用lJ】。水资源管理可以提高水资源的有效利用率，保护水然而，水循环是一个复杂的系统，多数水资源管理研究资源的持续开发利用，充分发挥水资源的经济效益。中，利用的指标数据往往只体现了居民家庭生活用水量、农早期水资源管理工作的重点是拦截蓄水和调水，缺乏对业部门用水量和工业部门用水量3个方面的水资源利用量自然环境影响的评价，以至于往往对生态环境产生负面作信息，只记录了人类水资源利用的实体水数量或蓝水数量，用⋯。近年来，人们逐渐在水资源规划与管理中重视保持环而忽略通过作物等利用的“隐式”水或绿水[“]。事实上，这境系统中水资源的完整性，提出了以水资源承载力研究为中部分“隐式”水量对人类社会极其重要。另外在实际应用时，收稿日期：2O12一O9—28修回日期：2013—0321网络出版时间：2013—03—25网络出版地址：http：／www．cnki．net／kcms／detail／13．1334．T20130325．0843．014．html基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目(2009SD-10)作者简介：尹剑(1984)，男，山西太原人，博士研究生，主要从事水资源高效利用方面研究。E-mail：yi~ianbnu@163．tom通讯作者：王会肖(1966)，女，河北石家庄人，教授，博士生导师，主要从事水资源高效利用方面研究。Email：huixiaowang@bnu。edu．com·18·水文水资源 尹剑等·基于减少水足迹的水资源管理措施现有评价方法的模型精确程度较难控制，未考虑人类活动对近几十年来，人类社会以空前的规模发展，对水资源的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消耗日益增长，水资源越来越难以为继，生态环境越来越不进行比较分析，以判定区域水资源战略在本地区和大尺度范堪重负。因此，通过研究水足迹的动态变化，以便于充分认围内的作用_1。为了解决对“隐式”水量的统计和研究，水识其变化特征以及影响因素，从而调整人类的社会经济活动足迹的概念应运而生。水足迹以一定区域为单元，计算一定和用水方式，实现水资源可持续利用。人口、经济规模、气时间内消耗的所有产品和服务所需要的水资源数量(包含人候、技术水平以及宗教信仰等诸多因素都影响到水资源的利类生活所必需的食品及生活用品所含虚拟水、生活用水及生用状况，程度因时因地而异。在研究具体区域时，需要在其态环境用水)；它的提出将实物形态的水与虚拟形态的水资中识别主要的因素，建立与水足迹的联系[2。源联系起来，在水资源管理中需要兼顾人类和生态环境用水2．2区域水足迹的计算方法需求。水足迹是当今水科学研究的新热点，被认为是解决粮国家或地区的水足迹(WaterFootprint，wFP)等于用于食与水资源安全的重要策略，是衡量人类对水资源系统真实生产该国家或地区居民消费的产品或服务的水资源总量，由占有量的有效手段l_1。内部水足迹和外部水足迹两部分组成_2：WFP—IWFP+EWFP(1)2水足迹理论概述内部水足迹(InternalWaterFootprint，IWFP)指用于生2．1水足迹概念的内涵及其发展产一个国家或地区居民消费的产品和服务的国内水资源量，2002年荷兰水资源学者Hoekstra和Hung为衡量一个等于国内的用水总量减去通过出口产品输出的虚拟水量国家对世界水资源的实际占用量，以“虚拟水”_】]为基础、类(ExportofDomesticallyProducedProducts，VEdora)。比“生态足迹”提出“水足迹”[1。这时，尚没有给出明确的n一AWⅥn+DWW—Ed(2)水足迹定义，研究主要针对农作物虚拟水贸易，将水足迹计前三项是国内经济的用水总量，A邢、jwⅥ和DWW算为国内的用水量加上净输人的虚拟水量。与水足迹同时分别指农业、工业和生活水足迹。对于较大的研究区，为计提出的还有国家“水资源自给率”和“水资源依赖率”两个指算简便，选用农业、工业和生活取水量表示，农业取水量主要标，分别反映了当地对水资源消费的供给能力和对区域外水指灌溉用水量。农业、工业和生活取水量不完全被消耗，部资源的依赖程度，这些指标用来分析虚拟水贸易与国家需水分水量将回归自然系统，所以区域水足迹计算的是毛用水量和可利用水量之间关系。2003年Hoekstra给出水足迹的量。同时从江河湖泊中的取水是蓝水，这样计算的区域水足初步概念m]，即一个人和国家居民消费的所有产品和服务迹主要指蓝水水足迹，不包括农业中的绿水水足迹。中的虚拟水量之和，是累积的虚拟水量。这里将水足迹的研外部水足迹(ExternalWaterFotprint，EWFP)指为生究层次扩展到个人，而且指出人类通过消费产品使用水资产其他地区或国家居民消费的产品和服务，所利用的本地区源，从而对环境产生影响，因此水足迹的意义在于将消费模的水资源总量【2。计算时常常假定进口区的生产用水水平式和对水资源系统的影响联系起来。此时水足迹作用得到与研究区的相同，进口产品的虚拟水含量与当地相同。强化，但仍附属于虚拟水。2．3农业水足迹的计算方法随后，Chapagain和Hoekstra在2004年联合国教科文目前，我国农业用水在社会用水中占据主要地位。区域组织国际水利环境工程学院(UNESCO-IHE)的报告《Water水足迹中的农业水足迹以取水量为基础计算，与工业和服务FootprintofNations》中确立了水足迹的概念和计算方业的计算口径相同，可以反映区域不同行业间水资源利用特法_1，将其定义为用于生产个人、行业或国家消费的产品和征。对于农业用水来说，一方面绿水在作物耗水中占有很大服务的水资源总量。这里的产品和服务包括人类生活所必的比重，取水量只包括蓝水，并没有反映作物的绿水用量；另须的食物、各种日用品、生活用水及环境用水。来源于国内一方面由于灌溉用水效率比较低，灌溉用水量只有很少的一的部分称为内部水足迹，来源国外的部分即净输入虚拟水部分为作物所消耗。基于以上考虑，在区域水足迹基础上，量，称为外部水足迹，至此水足迹从虚拟水中独立出来。有必要专门以作物耗水量为依据研究农业水足迹，区分绿水Hoekstra和Chapagain在2008年出版的《水的全球化一共和蓝水。农业水足迹(wFP)是生产一个国家或地区居民享地球上的淡水资源》中，将水足迹的理论体系进一步完消费粮食的用水量，可在农业用水量(AgriculturalWater善l2，提出计算水足迹的目的在于如何从消费者的角度和Use，AWU)基础上得到：全球的角度更好的管理水资源。随后，水足迹研究成为诸如WFPagr=AWU-EWFP+IWFPag(3)世界水论坛、世界水理事会组织的虚拟水贸易和地理政治会EWFP为通过出口农产品输出的虚拟水；J为议等各种世界性的水资源会议的议题。通过进口农产品输入的虚拟水。农业用水量一般采用作物依据水资源的类型，水足迹还可分为蓝水足迹和绿水足蒸散发量计算，所以这里农业用水量实际上是作物耗水量。迹[2。蓝水是从地表水体或地下水含水层提取的水资源，随着研究范围的扩展、计算方法的成熟以及单位产品标蓝水足迹指生产消费品用到的蓝水量。绿水指降水转化成准的确立，水足迹不仅限于学术领域，也作为了解水资源利的可为植物利用的那部分水资源，绿水足迹是生产消费品用用的工具，逐步进入大众的视角。一方面，欧美的一些行业到的绿水量。第二和第三产业以及生活的用水均为蓝水，灌和企业(如化工、饮料等)认识到水足迹可以帮助了解生产对溉农业用水包括蓝水和绿水，雨养农业用水由绿水供给。自身水资源消耗和环境的影响，发起评估生产过程中的水足水文水资源·19· 第11卷总第65期·南水北调与水利科技·2013年第2期迹。另一方面，“水足迹网站”(WaterFootprintNetwork)于升级，即降低第一产业的比重，也包括工业内部结构调整。2008年创建，旨在向公众宣传水足迹的概念，使他们了解个三大产业中第一产业的用水系数最大，第二产业的次之，第人生活方式对水资源的影响。三产业的最小。我国现处在工业化阶段，工业总产值和工业比重持续增长。以黄河流域为例，流域工业自身产业水平比3基于水足迹的水资源管理措施较低，主要行业有石油、煤炭开采等高耗水行业和食品、纺水资源管理的目的旨在通过调整人类的用水需求，合理织、木材加工等以第一产业产品为原材料的行业。第二产业配置人类和生态环境用水，确保社会和自然的可持续发展。是国民经济的主导产业，其比重的增加一方面使工业耗水大通过水足迹研究，确定了人类水资源需求的组成、地区差异幅度增加；另一方面将带动其他两个产业的变化，特别是第和动因，为水资源管理指明了人手点。资本形成的水需求构一产业，作为第二产业的重要投入，其生产规模扩大将引起成水足迹的主要部分。影响区域水足迹的主要因素有万元用水增加。就发达国家的经验来看，当第二产业的GDP比增加值用水、GDP、工业用水水平、人均肉类消费、灌溉面积、重降至30～45时，工业用水开始减少，产业结构升级的总人口、居民饮食结构的变化和第二产业的比重。万元增加节水效果比较明显l2。所以，降低第一产业比重、同时提高值用水的改变可以通过调整工业、农业用水效率实现；提高第三产业比重将可调控用水的增长。经济生活水平是目前社会发展的根本目的，调整用水需求不工业内部结构调整适应于工业用水效率较高的地区，比能抑制GDP的增长；人口数量增长将直接导致水资源需求如山东省，其工业重复用水率已经达到85以上。在节水工的增加，对于人口控制已有详细政策，在此不再赘述。艺没有条件大范围推广的情况下，这些地区技术节水的潜力值得注意的是，影响农业水足迹的主要因素是农业用水比较小，工业节水主要依靠加强管理和调整工业结构实效率，按照水足迹理论需要考虑“蓝水”和“绿水”两个部分。现_2。又如北京，1991年一2000年产业结构大幅度升级，在针对上述因素，减少水足迹的途径可分为三种，一是提高水GDP增长的情况下，1O年的工业取水量基本保持不变。同资源生产效率，二是调整消费模式，三是利用水贸易手段。时，在工业内部降低电力、冶金、石化、轻工、纺织5个高耗水本节将从工业用水效率、调整第二产业结构、消费结构、虚拟行业的比重，增加电子、通讯等低耗高附加值行业的比重，使水贸易几方面总结可能减少区域水足迹的措施。从提高灌得工业用水定额显著减小l3。所以，借鉴其他地区的经验，溉有效利用率和绿水利用率两方面阐述减少农业水足迹的在水足迹较大地区降低高耗水行业以及初级加工业，提高科可行措施。其中工业用水效率、产业比重调整第二产业结技含量高的行业比重，将有效的减少区域的水足迹。构、灌溉有效利用率和绿水利用率都属于提高水资源生产效3．3调整消费模式率的手段。此外，在流域生态水文分区的范围内将水足迹与人类的消费模式是影响水足迹的主要因素，高耗水产品生态环境需水联系起来将便于水资源管理的开展。的消费量增加会明显的提高水足迹，特别是肉类。但是消费3．1提高工业用水效率模式与地域、习惯、宗教等相关，甚至是长期养成的，难以改工业用水效率受技术水平、工业结构和水资源管理制度变。另外，一些食品消费影响到人类的健康，比如肉蛋奶消等因素的共同影响，因而工业节水可以从以下几方面人手。耗是人体必需蛋白质的重要来源。调整消费模式是否是减其中，工业节水技术包括节水设备、水的重复利用和节水工少水足迹的可行性措施目前仍在争议中3J。所以，调整消艺。提高水的重复利用率是我国当前工业节水的主要途径。费模式需要另辟蹊径，选择人们可以接受的方式。西方研究节水工艺是指通过改变生产工艺中的用水方式，相对重复利者发现，价格、意识的提高以及在产品上标明水足迹量都可用水是一种更高层次的节水技术。由于推广涉及的面比较以影响人们的消费行为【川。在我国通过宣传，使越来越多广，并且投资较大，节水工艺目前只在部分企业中采用。管的人们认识到对于同种类型的产品虚拟水含量会相差很多．理中主要通过节水计量制度、用水定额制度以及水价等方面他们的选择会影响水资源消耗。比如咖啡和茶叶，一杯咖啡达到节水的目的l2。在我国，工业用水效率具有地区差异(125mL)的虚拟水含量是280mI，同体积的茶的虚拟水含性，我国六大区域的工业用水效率由大到小的排序是：华北量是35mL，基于节水考虑，人们会倾向于选择后者。目前区、东北区、西北区、华南区、长江流域和西南区[2，工业节欧洲的饮用水企业已开始在产品上注明虚拟水含量供人们水的措施应根据地区的情况有所区别。在工业用水效率低挑选时参考。这些措施都可以在不影响人们正常生活的情的地区，主要是工业重复用水效率比较低，改进节水技术，提况下，调整消费模式已达到减少水足迹的目的。高再生水利用率是提高工业用水效率的首要措施。3．4发展虚拟水贸易另外，水资源禀赋比较好的地区往往用水效率低。例如由于自然禀赋和技术水平的不同，区域之间的水分生产大江大河的上游，取水比较便利，比如黄河流域上游的青海效率有所差异，一般是从水分生产效率高的地区向生产效率省工业用水效率仅是下游山东的7．4，因此，水权明晰以及低的地区出口产品，来输出虚拟水。特别对于缺水地区，进流域水资源统一配置对提高工业用水效率显得尤为重要。口虚拟水可以有效的缓解水资源缺乏。针对黄河流域的研蔡燕l_2]等研究也发现，多数企业的工业用水定额对水价的反究发现l2，2002年研究区净外部水足迹13215亿n13。占总应敏感，水价也不失为调控工业用水效率的一项有效措施。水足迹的9．1，总体的净进口量不大，并且出口虚拟水含量3．2调整第二产业结构高的产品，大量的虚拟水输出境外。黄河流域是我国的重要调整第二产业结构来节水的方式有工业外的产业结构粮食生产基地，更是主要的小麦种植区，大量的矿产品和粮·2O·水文水资源 尹剑等·基于减少水足迹的水资源管理措施食出口国内其他地区，粮食出口量占全国总量的42[3，加辆冲洗、建筑物内部冲厕、景观用水及工业冷却等方面，是解剧了用水矛盾。所以在该流域应限制传统灌溉农业的出口，决水资源短缺的重要途径_3。而替代以雨养农业产品。黄河流域所跨各省、区是我国矿产雨水的利用是一项涉及面很广的系统工程，包括城市雨资源比较丰富的地区，煤炭、石油等开采业是经济的支出产水的科学管理、雨水收集技术的研发、雨水径流的污染控制、业，相对于其他地区具有水分生产效率优势，可以在提高生城市生活小区水系统的合理设计、公路和铁路的合理设计及产水平的基础上适当发展出口。对于纺织、食品、金属等虚其生态环境建设等。雨水资源的利用可以实现目标节水、水拟水含量高的产品，流域不具有水资源生产优势，可以从我资源涵养、控制水上流失和涝灾、减轻城市排水和水处理系国南方等地区进口。统的负荷、补充地下水，缓解地面沉降，阻止海水入侵等，对3．5降低农业水足迹促进社会经济可持续发展有着积极意义和重要作用L3。。基于减少水足迹为目的的研究中，雨水利用是一个比较特殊3．5．1提高灌溉水有效利用率的水资源利用措施。一方面，雨水可以通过收集处理，作为灌溉面积是水足迹增长的主要因素之一，限制灌溉面积工业用水；另一方面，雨水降落到地表，可能又会作为作物生发展势在必行。这里指的是传统灌溉农田，灌溉是流域粮食产的“绿水”被吸收。因此，定量分析雨水利用对减少水足迹生产的重要保证，节水灌溉的节水增收效果已得到广泛认的贡献比较困难，往往根据实际情况，结合区域水足迹综合可，仍需大力推行。另外，提高灌溉水有效利用率的措施主考虑。要针对现有的问题展开。首先是修缮输、灌水设施，减少水资源的浪费；其次，改变传统的地面灌溉方式，采用沟畦灌4存在的问题与展望等，提高灌溉水利用率；第三，建立合理的灌溉制度，依据作水足迹是评价人类水资源需求的概念，根据人类水资源物的需水关键期确定灌水时间、灌水定额等，提高作物水分需求的特点，水足迹可涵盖丰富的内容，包括结构、时空特利用效率；再者，调整作物的种植结构，根据雨期、作物的需征、驱动因素和后效影响等。只有弄清水足迹的这些特征，水特性等合理的安排作物布局，充分利用降水、缓解灌溉用才能全面深入的了解人类的水资源需求。本文从工业用水水矛盾。效率、调整第二产业结构、消费结构、虚拟水贸易几方面总结3．5．2提高绿水利用率可能减少区域水足迹的措施，从提高灌溉有效利用率、绿水人们日益认识到绿水在粮食生产以及人类的消耗中占利用率两方面阐述了减少农业水足迹的可行性措施，提出了有举足轻重的地位。在雨养农业地区，绿水的吸收率与作物加强非传统水资源(再生水、微咸水、雨水)的利用，提高虚拟的产量紧密相关，在灌溉农业地区提高绿水的利用率可以减水价值，减小区域水足迹，分析总结了基于水足迹理论的水少灌溉用水。目前，粮食生产对绿水的利用率并不高，农作资源管理对策。物在整个生育期一般可吸收2O～3O％根系层中的绿水足迹研究仍处于初级阶段，理论、方法尚不完善。目水[3。原因不在于降水量少，而是降水的分配不均匀，与作前的水足迹研究集中于计算水足迹量和分析消费模式对其物需水的时期不一致。对作物来说总水量足够，只是时间分的影响，但是社会经济多种因素都能影响到人类的水资源需配不恰当。求，未来有望通过时间序列分析来识别水资源的驱动因素。充分利用绿水可以从两方面人手，一是通过各种措施增水足迹研究近几年才兴起，鲜有涉及时间序列，因此这一方加绿水的储量，包括深耕、覆盖等田间管理手段促进降水入向值得进一步探讨。渗、减少土壤蒸发；以及山区的梯田、雨水收集等设施；二是人类用水对生态环境的影响日益受到重视，关于两者之主要针对灌溉农业，了解降水的分配规律、土壤水分的动态间联系的研究方兴未艾，目前更多的是侧重于水资源开发利和作物的需水规律，在绿水不足的前提下补充灌溉。用对具体某种生态环境因素的影响，如植被退化、水质恶化此外，加强非传统水资源利用，相当于减小区域的水足等。在进行水资源管理中，需要明确水资源利用是否对生态迹。由于消耗掉的虚拟水被回收利用，以及雨水的收集，使环境整体状况造成影响，定量性的评价研究还不足。得利用后的输出水量和不能被利用的水量发挥了价值。目水资源管理需要以水足迹为参考依据，同时兼顾生态和前主要非传统水资源的利用包括微咸水或海水、再生水和雨环境的需求，但是目前缺乏可操作的实践措施。流域是最佳水的利用。海水淡化，相当于消耗人类活动区域外广阔海洋的水资源管理单元，水资源和生态系统在流域上具有完整的的水资源，这些水资源补充了陆地区域水资源的不足，减少空间特征，如果在流域上利用这种特征将水资源和生态系统了陆地区域水足迹的消耗。通过淡化技术，不但能使海水源整合起来、划分空间区域作为水资源管理的空间单元，将有源不断地提供优质淡水，而且海水还能直接用于工业冷却水助于可持续水资源管理的开展。和大生活用水r3。再生水是来自城市第二水源处理后的水，城市第二水源包括生产和生活中的优质杂排水、经污水参考文献(References)：处理厂二级处理达标排放的水、杂质较少的洗浴水、洗菜水[1]苏时鹏，黄森慰，孙小霞，等．省域水资源可持续利用效率分析和洗衣水以及雨水等等；提高再生水使用率，可以减少直接[J]．中国生态农业学报，2012，20(6)：803—809．(SUShFPeng，从水源取水，降低区域的水足迹。城市第二水源的水经过一HUANGSen-wei，SUNXiao-xia，eta1．AnalysisofSustainable定工艺处理，达到一定范围内可重复使用的非饮用水水质标UseEfficiencyofProvincialWaterResources[J~．ChineseJour—准，可回用于对水质要求不高的农业灌溉、市政园林绿化、车halofEeo-Agrieulture，2012，20(6)：803—809．(inChinese))水文水资源·21· 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