水足迹在河北省水资源管理中的实证研究

曹永强，马 静

（1.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连 116029；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨 150090）

水足迹在河北省水资源管理中的实证研究

曹永强1，2，马 静1

（1.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连 116029；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨 150090）

虚拟水和水足迹是当今水科学研究的新热点，被认为是解决粮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占有量的有效手段。首先介绍了虚拟水、水足迹的概念及其相关理论与计算方法，然后在可获取的实际资料的基础上，计算了2000－2007年河北省居民消费的虚拟水数量和水足迹总量。结果表明：全省8年间的虚拟水消费量在水足迹构成中所占比重最大，同时全省人均水足迹占有量逐年增加，但仍处于较低水平。研究结果可为河北省水资源的可持续管理决策提供相应的理论支持。

水足迹；虚拟水；水资源管理；河北省

1 概 述

水资源的短缺日益成为社会经济发展的主要瓶颈。水安全一直是关系到国计民生的重大问题，在全球化背景下，中国的水安全问题已成为备受世人瞩目的热点。传统的水资源利用指标数据仅体现了居民家庭生活用水量、农业部门用水量和工业部门用水量3个方面的水利用量信息，只记录了人类水资源利用的实体水数量或蓝水数量，而忽略通过作物等利用的“隐式”水或绿水。事实上，这部分“隐式”水量对人类社会极其重要。因此，如实地衡量水资源消费利用情况显得十分必要。为此，“水足迹”概念应运而生，此概念是Hoekstra在“虚拟水”概念的基础上提出的［1］，它是衡量人类对水资源系统真实占有量的综合指标。近年来，引起了国内外学者的广泛关注。程国栋院士将虚拟水概念和理论引入我国，随后，龙爱华、徐中民［2］等应用虚拟水概念计算了2000年西北4省的水足迹；王新华［3］等分析了中国2000年人均水足迹，并指出核算的水足迹能够真实地反映一个区域对水资源的实际占有和消费利用情况。为此，本文结合河北省的实际情况，在可获得的资料和数据的基础上，计算了河北省2000－2007年的水足迹，分析了全省水资源的实际消费利用状况。

2 水足迹理论及衡量方法

2.1 水足迹和虚拟水的概念

类似于生态足迹［4］的概念，水足迹可定义为：任何已知人口（某个人、一个城市、一个区域或全球）的水资源足迹，是保证这些人口生活所消费的所有资源所需要的水资源数量［5］。这里的资源，既包括人类生活所必须的食物、各种日用品、生活直接消费的水资源，也包括为人类提供生态服务功能的环境资源。

人类对水资源的消费主要是通过由水资源提供的各种产品和服务间接方式进行的。产品和服务的生产过程中所需要的水资源就称为产品所包含的虚拟水［6］。虚拟水以“看不见”的形式蕴涵在各种产品当中，如生产1 t小麦、1 t玉米和1 t稻米分别需要耗费1 000，1 200，2 000 t水，生产1 kg牛肉大约需要16 t水，生产一个2 g重的32兆计算机芯片需要32 kg水［7］，可见产品消费实质上是间接地消费水资源。由于人类生活直接利用的实体水资源数量一般很少（如人类每天为满足机体需求通常需要2～4 L的水，而为满足食品消费的虚拟水数量大约是机体需求的1 000倍）［8］，产品形式的虚拟水消费是人类消费水资源的主要形式，因此，人类消费的虚拟水就成为水足迹计算的主要部分。

2.2 水足迹的衡量方法

水足迹一般可通过2种方法进行估算：一种是自下而上的方法［3］，该方法是将所有用来消费的产品和服务与其各自相应的虚拟水含量的乘积进行相加得到，这其中需要注意的是每一种特定消费品所含的虚拟水量有可能会因生产的地点和条件而变化，其计算公式为

式中：WF是一个国家或地区水资源的足迹；DU为生活用水量；Pi为第i种产品或服务消费量；VWPi为第i种产品或服务的单位虚拟水量。

另一种是自上而下的方法［5］，就是说一个国家或地区的水资源足迹是其当地全部的用水量与净虚拟水的进口量的总和，其计算公式为

式中：PVW是本地产品消费的虚拟水含量；RW是生活利用的实体水消费；ENV是生态用水；NVWI是净进口虚拟水消费量。

以上2种方法各有特色，第一种方法相对简单，所需的消费量资料可从统计年鉴上获得，但存在数据不全的缺陷；第二种方法可以分析本国居民对外部水资源的依赖程度，但需要有较详细的研究区域的产品输入输出记录，我国当前各地区之间的贸易数据不易获得，限制了其在省级尺度上的使用。

3 河北省水足迹的实证分析

3.1 研究方法

根据河北省实际情况和可获得的统计数据，本研究采用自上而下的方法，主要从三方面对河北省2000－2007年水足迹进行衡量：①居民主要商品虚拟水消费量；②生活实体水消费量及虚拟水贸易；③生态用水量。

本文虚拟水的计算方法是按照国内外目前通用的作物产品虚拟水含量计算公式。根据文献［9］的虚拟水量化方法，农作物产品的虚拟水计算为

式中：Vcn代表区域n作物c单位重量的虚拟水含量（m3／t），Wcn指区域n作物c的需水量（m3／hm2），Ycn是区域n作物c的产量（t／hm2）。其中，农作物需水量近似等于农作物实际在生长发育期间累积蒸发蒸腾水量，这主要是由于农作物的需水量很大程度上取决于其成长期间积累的蒸发蒸腾水量，而作物本身的含水量只占很少的一部分，可以忽略不计。最经典也是最常用方法是作物系数法，

式中：Wc为农作物需水量；ETc为作物潜在腾发量；ET0为参照腾发量；Kc为作物系数。ET0反映了气象条件对作物需水量的影响，Kc则反映了不同作物的差别。总体来说，单位产品虚拟水含量的计算归结为：农作物单位面积上的需水量／农作物单位面积上的产量。

对于动物产品，本文采用Chapagain根据FAO和世界贸易组织提供的数据，按照贡献率大小对世界100多个国家单位重量动物产品的虚拟水估算中有关中国部分的估算结果［10］。

3.2 实证应用

根据河北省相关的统计数据，利用计算公式（3）、（4），对河北省主要农作物（小麦、玉米和水稻）单位产品的虚拟水进行计算，其计算过程及结果见表1。

根据河北经济年鉴中2000－2007年城乡居民年均消费的主要产品数量，计算得到河北省2000－2007年城乡居民主要产品消费的虚拟水总量及生产产品的虚拟水含量，其计算过程见表2（以2007年为例），结果见表3。

依据海河流域水资源公报，河北省2000－2007年生活实体水消费量分别为23.7×108，34.04× 108，35.96×108，35.76×108，35.15×108，37.04×108，37.77×108，37.76×108m3；生态用水量分别为1.19×108，1.57×108，1.73×108，1.89×108，2.58× 108，3.80×108，4.32×108，6.54×108m3。由于贸易数据欠缺，本计算中暂不考虑虚拟水贸易流量。利用公式（2），初步计算河北省2000－2007年水足迹总量和人均水足迹，计算结果及趋势如图1所示。

表1 河北省主要农作物单位产品虚拟水计算表Table1 Virtual water per unit product ofmajor crops in Hebei province

表2 河北省2007年城乡居民主要产品消费的虚拟水总量及生产产品的虚拟水含量的计算表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年城乡居民主要产品消费的虚拟水总量及生产产品的虚拟水含量表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

图1 河北省2000－2007年水足迹数值及趋势图Fig.1 The total and per capita water footprint in Hebei province from 2000－2007

3.3 结果分析

（1）河北省2000－2007年居民消费的虚拟水总量和实际生产产品中的虚拟水含量均高于当年海河流域的水资源总量，且呈现上升趋势。例如河北省2007年所消费的虚拟水总量507.06×108m3和实际生产产品中的虚拟水含量2 344.49×108m3分别是当年海河流域水资源总量384.5×108m3的1.32倍和6.10倍，若仅考虑虚拟水自给的情况，则全年可节约虚拟水资源量为1 837.43×108m3，仍为实际虚拟水消费量的3.62倍。生产产品的虚拟水含量是本省水资源消费的巨大潜力所在，区际间虚拟水贸易在调解水资源供需方面的作用不容忽视。

（2）河北省2000－2007年的水足迹总量整体呈上升趋势，但2004和2007年有所下降，主要是受这2年居民消费的虚拟水数量有所下降的影响。由于主要产品的虚拟水消费数量在水足迹构成中所占比重最大，如在2007年水足迹总量中，生态用水6.54×108m3，仅占水足迹的1%；生活实体水消费37.76×108m3，占水足迹的7%；主要产品虚拟水消费507.06×108m3，占到水足迹的92%，因此，虚拟水消费数量对水足迹总量具有决定性作用。同时，全省8年间人均水足迹远低于水足迹占有量较高国家的2 000 m3／（人·年）。虽然随着经济的发展，人均水足迹占有量逐年增加，但仍处于较低水平。

（3）水足迹计算的影响因素很多，目前水足迹估算还只是一种粗略估计。本研究的水足迹计算仅考虑了统计资料中所提供的主要产品消费项目（16项），暂时没有计算对区域具有重要作用的虚拟水贸易流量，因此，上面的计算结果仍然可能是一种保守的估计。尽管如此，研究结果仍高于Hoekstra和Hung有关水资源足迹研究中对中国的估算值419 m3／（人·年）。

4 水足迹视角下河北省水资源宏观管理策略

水足迹建立了人们消费模式对水资源系统影响的定量关系，使人们意识到消费不同产品对水资源系统的不同影响，从而增强人们的节水意识，同时产品中蕴藏的虚拟水不但消费数量巨大，而且可以进行流通，因此，虚拟水贸易是增强水安全、解决水短缺问题的有效工具，为缺水国家或地区的水资源迁移、储存和利用提供了新途径。解决河北省水资源短缺问题不能局限于本地实体水资源的合理利用，为了区域的粮食安全同时又兼顾到地区资源、经济的可持续发展，应该做到：

（1）采用先进技术提高用水效率，实现水资源可持续利用，提升农用地集约化水平。

（2）在经济产业结构调整过程中切实关注“三农”问题，避免农村劳动力的过度转移，加强区域农业结构战略性调整，减少高耗水粮食作物的种植面积，增加低耗水且附加值高的蔬果、花卉等作物的种植面积，为我国农业的发展奠定坚实的基础。

（3）促进地区间虚拟水贸易，缓解局部地区水资源压力。

［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］ 龙爱华，徐中民，张志强.西北四省（区）2000年的水资源足迹［J］.冰川冻土，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］ 王新华，徐中民，龙爱华.中国2000年水足迹的初步计算分析［J］.冰川冻土，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］ 王书华.流域水资源约束下的产业结构选择和虚拟水战略研究［D］.北京：清华大学，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］ 程国栋.虚拟水─中国水资源安全战略的新思路［J］.中国科学院院刊，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，龙爱华，张志强.虚拟水的理论方法及在甘肃省的应用［J］.地理学报，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］刘琳，曹永强.中国水利学会水资源专业委员会2009学术年会论文集［C］.大连：大连理工大学，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） ）

（编辑：赵卫兵）

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

哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室开放基金（HC200814）

曹永强（1973 ），男，内蒙乌盟丰镇人，副教授，从事水资源方面的研究，（电话）13079816104（电子信箱）chai＿cao＠163.com。