新环保视域下水足迹的研究进展与展望

2022-11-16热合曼艾买提

绿色科技 2022年14期

赵琦，热合曼·艾买提，徐红，陈静

(1.巴音郭楞蒙古自治州环境监测站，新疆库尔勒 841000；2.新疆农业大学，新疆乌鲁木齐 830000；3.珠海欧比特宇航科技股份有限公司，广州珠海 519080)

1 引言

水资源短缺作为全球范围内最突出的资源短缺问题，随着人口规模的扩大及经济的飞速增长，气候变化引起的降水分布不均、温度异常以及蒸散量的波动变化，加剧了水资源的供需矛盾，严重影响水资源有效利用与保护[1]。目前，水资源保护已从单一视角下水环境质量变化，转变为水资源、水环境、水生态的“三水统筹”的理念发展，传统水环境质量评价已难以满足新保护理念的需求，亟待以新环保视域来开展水资源的保护。

而水足迹作为一项综合评价水资源占用的指标，有别于传统取用水指标，创新性地将环境与人类消费活动密切结合起来量化水资源的消耗与转移，是综合体现：水资源消耗量、所消耗的水资源类别及各污染类型、污染量的多层次指标[2]。自水足迹的新资源消耗概念被提出以来，便受到了各界学者的关注，并将该理论与生态、经济及社会等领域研究相结合，不断拓展其应用范围。水足迹核算不仅仅为各行业类别对水资源的消耗时空分析提供了新的思路及方法，也为进一步研究水资源可持续利用、水资源利用效率水资源保护研究提供了新的研究方向。本文通过对国内外文献进行分析，简要介绍文献发表情况，探讨了水足迹理论发展过程、水足迹理论应用趋势以及水足迹核算方法进展，提出了如何运用水足迹推动环境保护，提高水资源利用率及推动高质量发展的研究方向等对策建议。

2 文献分析

通过对中国学术期刊网络出版总库、中国博士学位论文全文数据库/中国优秀硕士学位论文全文数据库、中国重要会议论文全文数据库中2004～2022年已发表的以“水足迹”为主题的1497篇文献进行汇总分析可知，以“水足迹”为主题的文献发文量逐年递增，说明水足迹相关研究呈现持续上升趋势。通过进一步分析发现，主要文献研究围绕水利水电工程、资源科学、环境科学与资源利用等30个学科展开，其衍生主题包括水足迹理论、水资源、水资源利用、水资源可持续发展、水资源承载力、虚拟水贸易等20个主题。目前，文献主要集中于应用基础研究、工程研究、开发研究、政策研究、行业研究等5个研究层次，主要受国家自然科学基金及国家社会科学基金支持。

3 水足迹研究进展及趋势

3.1 水足迹理论发展进程

2002年，荷兰水资源研究专家Arjen Y．Hoekstra在荷兰代尔夫特举办的水资源国际虚拟水贸易专项会议上首次提出了水足迹的概念[3]，其理论基于1993年英国学者John Anthony Allan提出的虚拟水概念所衍生而来[4]。具体是指在相应的生产生活条件下，用于生产某一消费所需的产品及服务区域及人类的所需水资源量，即实际所需的水资源量。

理论发展初期，基于以往研究对水资源的认识，Hoekstra在2005年通过明确水足迹发生区域及时间，提出了蓝水足迹(即产品在整体生产链对地表水及地下水的消耗)及绿水足迹(即土壤中自然降水的蒸散量)计算概念。后续为探索采用水足迹理念制定企业水战略及构建对特定地理环境下水资源管理可量化计算方法，在2008年，Hoekstra与Chapagain共同提出灰水足迹概念(即现行自然本底各指标浓度或水环境质量标准下，将污染物浓度稀释至本底浓度或某一质量标准所需的淡水的体积)及水足迹可持续评价[5，6]。经过水足迹网络(Water Footprint Network)小组的持续研究，以宏观角度对国家、区域及流域水足迹细化，以及对生产过程、消费者和产品、企业等水足迹核算方法的细化，汇总完成了专著《水足迹评价手册》，为全球学者开展水足迹研究提供了参考和指导。

水足迹理论在全球学者的推动下不断拓展其应用领域、精进核算方法，我国学者龙爱华[7]2003年最早饮用水足迹核算方法，用以评价西北四省社会经济系统对水资源的消费利用状况。而近几年随着各领域学者对水足迹理论的深入研究，白雪等[8]从产品、企业和过程等层面研究建立适合我国国情的水足迹量化、评价和报告等标准化方法学框架，完成了《产品水足迹评价和报告指南》等标准的制定，推动水足迹核算标准化。

3.2 水足迹理论应用趋势

通过将水资源的使用和污染整合到人类活动消耗的产品或服务的整个生产链中，可定性分析人类消费与全球水资源占用之间的内在关系，进一步为有效利用水资源提供参考。目前，对消费产品及区域水足迹核算是水足迹研究的热点之一。

区域水足迹评价可为流域水资源管理提供有效的管理途径[9]，为实现评价区域的生态、社会和经济影响之间的关系，Hoekstra与Hung、Chapagain等共同合作定量核算了全球水足迹，用以分析各国虚拟水贸易平衡并进一步提升了核算精度[10，11]。各国学者也积极开展以国家、区域、流域等不同尺度下水足迹及其经济效益的时空匹配特征研究。针对各类特殊区域如阿拉善地区、渭河流域、疏勒河流域等水资源缺乏地区[12～14]，青藏高原地区、舟山群岛新区、喀斯特峰丛洼地等标志性生态环境[15～17]，我国学者着重对“一带一路”“人口-城乡-就业”视角、城镇化进程等社会经济政策下水资源利用预测以及农业水土资源匹配、农业经济增长优化配置展开分析[18，19]。近些年，以灰水足迹为切入点，研究其与居民消费、工业园区管理等因素相关性是区域水足迹评价研究的热点[20，21]。

随着水足迹理论的发展，其应用领域从环境、经济不断向外拓展，广泛被应用于高水耗行业：如食品加工行业，用以核算甘蔗制糖、酱油制造整体工艺过程的总水足迹[22]；基于生命周期评价，对造纸业废水、纺织工业毛毡、粘胶短纤维生产水环境进行水足迹核算与负荷评价[23～25]；在基础建设行业用于探寻住宅建筑结构参数、钢铁生产水足迹模型及对高速公路基础设施展开评价[26～28]；在能源电力行业，用于对铅酸蓄电池全生命周期、微藻生物燃料及生物热能等生物能源、煤电生产水足迹进行评价[29～31]；以及其他行业如通过碳足迹和水足迹评价铝车身对环境影响[32]，用以了解本行业整体或部分生产供应链水消耗情况，并研究如何降低生产水资源消耗对水环境质量的影响。

由于水足迹可以量化产品整个生产供应链中的用水量之和[33]，Mekonnen与Hoekstra等对全球主要粮食及其衍生产品的水足迹、畜产品的水足迹分别进行了核算[34，35]，目前着重对水产养殖水足迹[36]、森林水土生态服务功能综合价值林产品[37]、国家、流域尺度下全球粮食作物水足迹进行评价[38～40]。此外，也有学者开展对小麦、棉花、大米的单个农产品水足迹的规模及其构成进行研究[41～43]，并将水足迹理论延伸到农业生产技术中：如有机物料还田、减施氮肥、灌排模式、轮作机制对小麦、玉米、水稻等作物碳氮水足迹及经济效益的影响进行深入研究[44～47]。

3.3 水足迹核算方法进展

目前，“自上而下”法以及“自下而上”法是水足迹核算的主要方法。这两种核算方法的视角不同，其中，“自上而下”法能较好地运用于区域水足迹研究，其模型类别主要包括：单区域、区域间及多区域三种主要投入产出模型。通过该方法可对水资源消耗进行直接或间接计算，并能够较好地进行经济流的区分。其中MRIO模型能更好地阐明省际间水足迹的空间转移模式，广泛应用于我国省级虚拟水贸易规模、结构的定量分析以及定量分析消费型水足迹[48]。而另一种“自下而上”法主要运用计算各过程产品生产的水资源消耗，用以获得相应的产品生命整体周期内对水资源的占有及消耗量，从而进一步衡量国家、区域及流域总水足迹的一种有效方法，这种方法相对简单，但需要收集大量数据[49]。

随着水足迹理论与各领域结合发展，运用数学线性及模糊理论，利用气象、水文、作物等模型进行水足迹核算日趋兴起。如采用STIRPAT扩展模型结合人口发展及经济等各驱动因素，进行水足迹变化主要影响因子的主成分分析[50]、基于对数分析法的LMDI模型可测度不同影响因子对于研究对象的影响程度及其驱动力的分析[51]，非径向SBM-DEA模型可对区域治理效率进行评价[52]，时间序列模型可用于分析较长周期的水足迹变化[53]；农业作物模型中CROPWAT 8.0、DEA-BCC等可通过收集作物生产条件数据有效分析作物水足迹[54，55]，Cobb-Douglas生产函数可用于研究典型作物生产水足迹驱动因素[56]，结合GIS、氮排放模型能较好表征分析农业水足迹变异进程[57，58]。近些年来，水足迹核算方法研究已细化至行业系数选取的改进，如对水电站水足迹方法改进计算、对农业部门和非农部门水足迹使用的乘数效应研究[59]。