黑河流域水足迹的时空差异研究成果

水足迹和传统的取水指标在下面三个方面有所不同：水足迹不包括返回到取水所在流域的蓝水；水足迹不仅包括蓝水还包括绿水和灰水；水足迹不仅包括直接用水，也包括间接用水。水足迹不是用来衡量水消耗和水污染对环境影响程度的指标，而是作为水消耗和水污染的体积衡量指标。一定数量的水消耗和水污染对当地环境的影响决定本地水生态系统的脆弱性以及使用该水生态系统的消费者和生产者数量。水足迹核算为人类各种经济活动对水资源的占用提供了比较明确的时空方面的信息。水足迹分析为研究水资源的可持续性和公平性提供了基础资料。

所有水足迹计算的基本构建是一个过程或活动的水足迹（Hoekstra等，2011）。水足迹产品是总体水足迹的各种流程步骤相关产品的生产。生产商或公司的水足迹等于生产者的产品或公司生产水足迹之和。水足迹的消费是各种消费者消费的水足迹产品之和。社区水足迹的消费者，例如一个国家的居民，等于社区的成员的水足迹之和。地理上划定的区域内的水足迹，例如一个国家或一个流域等于发生在该区域所有进程的水足迹之和。

同时，水足迹是一个多维度的指标。所有组分的水足迹由时空上指定。蓝色的水足迹是指人类消耗蓝色水资源（地表水和地下水）。“消费”是指在排水区可用地表水体损失的水。损失发生于水蒸发，返回到另一个排水区或大海或进入一个产品。绿色水足迹是指人类利用的地表蒸发流，主要用于作物和森林的生长。灰色的水足迹是指吸收污水所需水量。

下面，对水足迹概念做个总结。首先，介绍了供应链在水资源管理领域的应用。在环境科学领域，从供应链的角度思考和“嵌入式”资源在最终商品是很常见的，在水资源管理领域这是完全未知的。其次，传统的水工程师关注地面，地表水资源的开发（蓝水）似乎是不够的。雨水（绿色水）在农业生产中起着主要的作用，如果我们看一下绿色和蓝色的用水量，一个好的农业用水量的图像就能获得。此外，用水量不是唯一的淡水度量方式；水污染是另一种占有的形式。从流域的角度来看，更有意义的是去衡量蓝水消费，这是有效的。

直到最近，所有的水资源统计数据只显示蓝水取水量。不过，水足迹的统计不简单。在几个方面水足迹不同于古典的“取水量”。最重要的可能是水足迹是淡水使用的一个指示器，看起来不仅包括消耗直接用水，而且包括间接用水。此外，水足迹包括三个组成部分，它不仅显示蓝色用水量（蓝色的水足迹），而且还显示雨水消耗（绿色水足迹）和污染（灰水足迹）。最后，只要这水回到它开始的地方，蓝色的水足迹不包括蓝色用水。水足迹从而提供一个如何看消费者或生产者更好地和更广泛地对淡水系统的使用的角度。用体积去测量水的消耗和污染，水足迹时空分析为人类水利用提供明确信息，为水资源可持续利用和公平分配提供依据，也为当地环境、社会和经济协调发展奠定良好的基础。

水足迹核算阶段主要指数据的收集和计算。计算的范围和尺度依赖于先前阶段的决定。核算之后再从环境、社会和经济的角度进行可持续性评价。最后是制定相应方案、战略和政策。在具体研究中，有些过程可以省略。在第一阶段确立了研究目标和范围之后，可进行水足迹计算，也可以在结束可持续评价后再讨论响应方案。

水足迹评价最重要的是确定研究所需要的详细程度。如果仅为了提高认识，评价国家或全球水平的产品平均水足迹就可以满足研究的要求。2007年，Hoekstra（2007）在进一步完善水足迹理论和方法的基础上对全球每个国家的水足迹（1997—2001年）进行了再次核算。研究表明水足迹的大小主要取决于消费量、消费模式、气候条件和农业生产方式四个因素。Chapagain（2008）对1997—2001年间国际贸易中的285种农产品和123种牲畜产品的虚拟水流量进行了计算，并对工业产品的平均虚拟水量进行了粗略估算。如果为了确定研究热点地区，就需要在研究区内详尽搜集所需要的资料，再进行仔细的计算和评价，从而能够判断清楚水足迹对当地环境、社会和经济产生很大影响的时间和地点。Hoekstra和Chapagain（2007）和Van Oel等人（2009）分别核算了荷兰1997—2001年和1996—2005年间的水足迹状况。结果表明，荷兰是个水资源高度依赖进口的国家，其消费者外部水足迹的影响在水资源严重短缺国家中是最高的。Liu（2008）分析了中国食品消费模式对水资源需求的影响关系，研究指出，随着生活水平的提高，肉类蛋奶等消费量的增加，食品消费中所需的水资源量不断增长，中国不仅需要增加绿水管理，而且也需要增加虚拟水进口来满足不断增长的食品用水量。Hubacek（2009）在分析改革开放后中国城市化、生活方式改变以及其他重要社会经济发展趋势的基础上，使用投入产出模型计算了2002年中国的生态足迹和水足迹。若为了规划和建立减少水足迹量的目标和政策，就需要更为详细的资料。高精度时空分布的水足迹核算适于为特定地区制定水足迹减量策略。然而受数据源和计算精度的约束，目前小尺度上的水足迹研究文献报道少。

一个国家或地区的水足迹等于生产该国家或地区居民消费的产品或服务所直接或间接利用的水的总量。一般可以通过两种方法进行计算：一种是自上而下的方法，在经济全球化浪潮中，由于贸易的存在，一个国家或者地区所消费的商品并不都是由该国家或地区所生产，可能有很大一部分是从外部购买的，本地区的产品也有可能销往外部地区。在这种情况下，水足迹就等于总的区域内水资源利用量加上流入该区域的虚拟水流量，再减去流出该区域的虚拟水流量。一个国家或地区的水足迹可以表示为：(www.xing528.com)

式中：WF为一个国家或地区的水足迹；WU为国内产品生产的总用水量，包括绿水和蓝水；VWE为产品虚拟水出口量；VWI为产品虚拟水进口量。

另一种方法是采用自下而上的方法。它将该地区居民所消费的商品与服务数量与各自产品和服务的单位产品虚拟水含量相乘求和得到，这里需要注意的是商品的虚拟水含量会随地域和生产条件而变化。用公式表示为：

式中：DU为生活用水量；Pi为第i种产品消费量；VWCi为第i种产品的单位虚拟水含量。

两种方法各有特色，第一种方法，可以将水足迹进一步分解成内部水足迹和外部水足迹，分析本区域居民对外部水资源的依赖程度。但是需要有较详细的进入和流出研究区域的产品数据记录，而我国当前地区与地区之间的贸易数据不易获得，因此该方法在国家内地区尺度上使用受到限制。而第二种方法相对简单，所需的消费量资料可以从统计年鉴和消费调查中获得，但存在数据不全的缺陷。作为初步研究，本研究采用自下而上的方法。

在人类消费的水足迹中，实际生活用水通常是很小的，大部分的消耗都是以虚拟水的形式表现出来的，因此虚拟水消费量是水足迹最主要的组成部分。计算单位产品的虚拟水含量是衡量水足迹的关键。从当前的研究看，由于工业产品种类繁多，计算其虚拟水含量非常复杂，而且在生产中用水量不多，所以常常被忽略。农业是最大的用水大户，其用水量占全球总用水量的80%以上，因此农产品携带着大量的虚拟水，是目前虚拟水计算的最主要部分。单位农作物产品的虚拟水含量由统计的产量数据除以作物生育期需水量获得，作物生育期需水量则是根据标准彭曼公式和当地的气象资料计算得到。加工产品和动物产品的虚拟水含量可根据产品生产树状结构的方法获得，具体计算方法可参考文献（Chapagain，2003；龙爱华，2003；王新华，2004；Hoekstra，2003）。

由于各地区大小不同，人口相差悬殊，计算总的水足迹不便比较，所以本项目计算的是人均水足迹。水足迹主要从两个方面衡量：（1）居民消费的主要产品虚拟水含量；（2）居民生活实体水消耗量。计算数据来源包括：（1）联合国粮农组织的CLIMATE数据库中有关中国部分的数据以及CROPWAT需水量计算软件；（2）国际虚拟水研究成果中的中国动物产品虚拟水含量计算成果；（3）2005年、2011年黑河流域居民家庭消费调查数据，2005年、2011年张掖、酒泉、嘉峪关和阿拉善统计年鉴。