水足迹的理论、核算方法及其应用进展.pdf
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1、第 3 3卷第 4期 V0 1 3 3 No 4 水 利 水 电 科 技 进 展 A d v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f W a t e r Re s o u r c e s 2 0 1 3年 7月 J u 1 2 01 3 D O I：1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 3 0 4 0 1 9 水足迹的理论、核算方法及其应用进展 黄 凯，王梓元，杨顺顺，金 晨(1 北京林业大学环境科学与工程学院，北京1 0 0 0 8 3；2 湖南省社会科学院，湖南 长
2、沙4 1 0 0 0 3)摘要：在阐述水足迹相关理论的基础上，对水足迹定量核算的模型与方法进行了比较和评述，对其 相 关应 用进展进行 了总结。水足迹的核算方法主要有 B o t t o m u p分析 法、T o p d o w n分析法和 I n p u t o u t p u t 模型法，它们在计算水足迹 时所采用的公式和适用范围均有差别；目前国内外水足迹研 究主 要集中于产品水足迹、区域水足迹、国家水足迹以及基于水足迹理论的其他应用研究；贸易的虚拟 水流量分析和虚拟水战略、量化人类水足迹消费对生态环境的影响、衡量水足迹的经济效益 以及开 发水足迹定量计算模型等 内容将是今后研究的重要方
3、向。关键词：水足迹；虚拟水；核算方法；水资源；研究进展 中图分类号：X 3 7；G 3 5 3 1 l 文献标 志码：A 文章编号：1 0 0 6 7 6 4 7(2 0 1 3)0 4 0 0 7 8 0 6 T h e o r y，c a l c u l a t i o n me t ho d a n d a p p l i c a t i o n pr o g r e s s o f wa t e r f o o t p r i n t HUANG K a i ，WANG Zi y u a n ，YAN G S h u n s h u n ，J I N C h e n (1 C o l
4、l e g e o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g，B e n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a；2 H u n a n A c a d e m y of S o c i a l S c i e nce s，C h a n g s h a 4 1 0 0 0 3，C h i na)Ab s t r a c t：B a s e d o n w a t e r f o o t p
5、ri n t t h e o ri e s，t h e c a l c u l a t i o n me t h o d s o f wa t e r f o o t p rin t w e r e c o mp a r e d，a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s p r o g r e s s we r e s u mma r i z e d W a t e r f o o t p rin t s c a n b e e v a l u a t e d b y B o t t o m u p a p p r o a c h，T o p-d o wn
6、 a p p r o a c h a n d i n p u t o u t p u t a p p r o a c h T h e t h r e e me t h o d s h a v e d i f f e r e n c e s i n r e p r e s e n t a t i o n o f c a l c u l a t i o n s f o r mu l a f o r wa t e r f o o t p ri n t，a s w e l l a s t h e i r a p p l i c a b l e s c o p e s Th e c u r r e n
7、t r e s e a r c h e s o f wa t e r f o o t p ri n t ma i n l y f o c u s o n p r o d u c t w a t e r f o o t p ri n t，r e g i o n a l w a t e r f o o t p rin t，n a t i o n a l w a t e r f o o t p r i n t，an d o t h e r a p p l i c a t i o n c a s e s b a s e d o n w a t e r f o o t p ri n t t h e o
8、rie s T h e v i r t u a l wa t e r fl o w a n d s t r a t e gy，t h e q u a n t i z a t i o n o f t h e i n fl u e n c e s o f h u ma n wa t e r f o o t p ri n t o n t h e e c o s y s t e m，e c o n o mi c e f f i c i e n c y o f w a t e r u s e，a n d w a t e r f o o t p ri n t c a l c u l a t i o n m
9、o d e l s a r e t h e i mp o r t ant f i e l d s o f r e s e a r c h i n t h e f u rt h e r Ke y wo r d s：w a t e r f o o t p ri n t；v i rt u a l w a t e r；c a l c u l a t i o n me t h o d；wa t e r r e s o u r c e s；r e s e a r c h p r o g r e s s 数十年来，由于人 口增长、经济发展以及随之而 来的用水量增加和水 污染加剧，全球 范围内的可用 水资源已
10、经愈发稀缺 j，水资源正成为制约经济社 会发展的关键 因素。为 了有效 应对水资源短缺 局 面，提高水资源利用效率，H o e k s t r a等 在 2 0 0 2年 提出了水足迹 的概 念；随后 C h a p a g a i n等 对 其进 行了完 善；水 足 迹 的理 论 基 础 可 追溯 到 1 9 9 3年 A l l a n等 刮提出的虚拟水 的概念。近年来，国外对 虚拟水和水足迹 的研究 既有宏 观层面 的国家水足 迹 引，也有微观层面的产品水足迹、消费者水足迹 等。“J，尤其是贸易的虚拟水流量以及水足迹相关 应用的研究逐渐成为热点 。目前 国内也 已有一 些关于水足迹的研究
11、，包括最初的理论 引进 以及现 在一些 区域 的水足迹 核算 培 J。本文在 阐述水足 迹相关理论 的基础上，对其定量核算的模 型与方法 进行了比较和评述，对水足迹 的相关应用进展进 行 了总结，以期为国内水资源管理提供理论基础与方 法借鉴。1 水足迹的概念 1 1 虚 拟水 虚拟水的概念是水足迹 的重要理论基础，最早 是在 1 9 9 3年 由 A l l a n提出，将进 口虚拟水作为缓解 中东地 区水资源 贫乏的策略之一 J。虚拟水 最初 被定义为生产农业产品所需要的水资源量，其后被 扩展为生产商品和服务所需要 的水 资源量 。可 见虚拟水并非真正意义上的实体水，而是以虚拟 的 形式物化
12、在 产 品 中，又被 称为“嵌入 水”和“外 生 水”。目 前比较精确的虚拟水定义分为两种：从 生产者的角度，定义为生产某产品的真实用水量，它 基金项 目：北京市 自然科学基金(9 1 2 2 0 1 7)；国家 自然科学基金(5 1 1 0 4 0 2 1)；中央高校基本科研业务费专项(T D 2 0 1 1-2 3)作者简介：黄凯(1 9 8 l 一)，男，江西抚州人，讲师，博士，主要从事水环境管理研究。E m a i l：h u a n g k m a i l g m a il c o n 7 8 水利水电科技 进展，2 0 1 3，3 3(4)T e l：0 2 5 8 3 7 8 6
13、 3 3 5 E ma i l：h h u e d u c a h t t p：k k b h h u e d u c a 由生产地的生产状况和水资源利用效率所决定；从消费者的角度，是指在使用地生产某产品的需 水量，该定义对于缺水地 区进行水资源赤字 的平衡 研究更为有效。1 2 水足迹 以虚拟水研究为基础，H o e k s t r a于 2 0 0 2年进一 步提出了水足迹 的概念，用 于表征人类消费对水资 源的影响。水足迹 由生态足迹的概念衍生而来，定 义为任何已知人 口(一个国家、地 区或个人)在一定 时间内消费的所有产 品和服务所需要 的水 资源数 量。_ 2 盈 在人类对水资源的消
14、耗量 中，生活用水 的比 例通常较小，大部分消耗都 以虚拟水 的形式体现，虚 拟水消耗是水足迹的主要组成部分。水足迹的概 念关联了实体水和虚拟水，其由区域用水量与虚拟水 净进口量之和来描述，体现了评价国家或区域水资源 真实消费量的新思路。目前主要从水资源来源和 水资源类型两个角度对于水足迹进行定义。a 根据水资源来源，可 以将一个国家或地区的 水足迹分为内部水足迹和外部水足迹。国家水足迹 是指国内生产为本国所消费的产品和服务使用的水 资源总量，它表明一个 国家的和消费相关 的水需求 量。内部水足迹是指国内使用的水资源量，用国家 用水总量减去由国内出口产品或服务中所使用的水 资源量而得到。外 部
15、水足迹是 指他 国生产被本 国进 口的产品和服务所使用 的水资源量，用 国家虚 拟水进 口量减去再 出口的产品所含虚拟水量得到。b 根据水资源类型，可以将 国家或地 区生产消 费过程中所消耗的水资源分成绿水、蓝水、灰水 3 种 类型，分别对应相关的水足迹类型。蓝水指江河湖 泊 以及地表水和地下水 的总和，即通常意义上 的水 资源。蓝水水足迹就是生产和消费过程中所消耗的 蓝水量。绿水 概念 由 F a l k e n m a r k 提出，指土 壤非饱和含水层(包气带)中的土壤水，以蒸发形式 被利用。绿水 水足迹则 指农业生 产所消耗 的绿水 量。灰水是指用于稀释农作物生产和加工过程中造 成水质
16、污染 的用水量。2 虚拟水的核算与贸易 目前在虚拟水的核算研究 中，一般认为工业产 品的虚拟水含量计算过于复杂，尚无简便有效 的方 法 ，且相对于农业产 品，其虚拟水含量较小，因此 对农业种植业和养殖业产品的虚拟水含量计算是 目 前虚拟水核算研究中的最主要部分。联合国粮食及 农业组织(F A O)推荐 的标 准 彭曼公 式、C h a p a g a i n 等 提出的生产树法 以及产 品类 型 区分 法是较为 普遍的农业产品的虚拟水含量计算方法。国家或地区间的贸易所产生的虚拟水流量是 当 前研究 的一个热点。国家虚拟水平衡 即为总的虚拟 水人流量与出流量之差，分为农业产 品与工业产品 贸易的
17、虚拟水流量两部分 J，计算步骤如图 1 所示。在虚拟水核算和贸易研究的基础上，学者们进一步提 出了虚拟水战略，意在使缺水国家通过贸易从富水国 家进 口水密集型产品来获得水和粮食安全。因此，虚 拟水最初研究的中心问题是国家或地区能否应用虚 拟水战略和制定战略下的应对措施与适应对策 J。初级农作物 虚拟水 含量 活动 物 虚拟水含量 避 虚 拟 水 含 量 l l l牧 业 产 品 贸 易 量 嚣 鲁 虚 拟 水 含 量 l 1 蕊 出 口工业产值 工业产 品出口 的虚拟水出 口量 图 1 国家虚拟水平衡计算步骤 3 水足迹核算方法 3 1 B o t t o m u p分 析法 B o t t
18、o m u p分析法是一种要素分析方法，具体算 法如下：=(c )(1)式中：为单位 产品的虚拟水含量；G 为生产国内 居民消费的 产品总量；W为 消费所有产品和服务 所需的整体水足迹。通过 B o t t o m-u p分 析法 的计算可 以发现，各 种 产品的虚拟水含量因地区差别和生产水平不同存在 巨大差异，R i d o u t t 等 运用该法计算出芒果消 费过程 的水足迹。B o t t o m-u p法适用于个人、公 司和 地区等这些进出口水量无法获得情形下的水足迹分 析。该法的优点是灵活，可选取不同层次 的数据进 行分析，并 以消费特点为基础对要素进行调整，同时 因其将活动影响进
19、行分解，显得更直观。但 B o t t o m u p用于分析国家水足迹存在着不足，它属于数据密 集型分析方法，容易因数据的多样性和可靠性受到 质疑。3 2 T o p d o w n分析法 T o p d o w n分析法是一种 平衡分析 方法。一 国 的国家水足迹 由国内消耗 的虚拟水含量和贸易的虚 水利 水电科技进展，2 0 1 3，3 3(4)T e l：0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E m a i l：h h u e d u c n h t t p：k k b h h u e d u c n 7 9 拟水流量构成，即国家水足迹分为内部水足迹和外 部水足迹两部分。内部水足
20、迹的算法为=(m R )(2)式中：W i 为内部水足迹，即以国内消费为最终 目的 在国内生产 产品所需要的虚拟水含量；m 为单位j：产品所需要的虚拟水含量 是 产品的消费量。外部水足迹 的算法为 W o =S f+5 i(3)式中：s 为直接消费 的最终产 品的虚拟水进 口量，s i 为使用和消费的中间产品的虚拟水进 口量。最终 国家水足迹 可表示为 wo=Wi+S f+J s i(4)有学者用 T o p-d o w n分析法计算 了摩洛哥和荷 兰两国农业产品的虚拟水 流量。T o p d o w n法对 于快速分析国家水足迹是最有效 的，这一结论 由碳 足迹和水 足迹研究者分别 独立得到
21、 3 4-3 6 。此外该 方法对于全球性可获得的公共数据特别适用，且它 对于分析产 品间接用水的影响也是最有效 的。但由 于该法在贸易的虚拟水量无法获得时不能使用，因 而它不适于个人、公司等较小尺度的水足迹分析。3 3 I n p u t o u t p u t 模型法 I n p u t o u t p u t 模型是一个经济一 生态的基础模型，用于衡量各产业部门之间资源投人与生产产出的关 联。将其运用在水足迹研究中时，对模型进行了扩 展，在原有产业部门投人的基础上增加 了水资源投 入量，以衡量部 门产出所消耗 的水资源。扩展后虚 拟水含量的计算模型如下：W=()=w x j(5)式 中：
22、w 为直接水投入系数矩阵；为单位 产品的 直接水投入量，表现为直接的或第一轮经济中各部 门的相互影 响；w j 为水的直接投入量；为 产 品的产 出量。虚拟水系数矩阵为 D=(6 )=()(6)式 中：D为虚拟水系数矩 阵；为 产 品在第 i 个产 出量时的虚拟水含量；O t ii 为 产品的第 i 个产出量。问接水投入系数 由 减去 而求得，即为 产 品最终需求量所产生 的间接水投入。有 学者利用 I n p u t o u t p u t 模型计算 了中国国家水足迹 。I n p u t o u t p u t 模 型能分别计算 出生产过程中直接和间接的 用水量，并核算各产业部门直接水资源
23、流动量，明确 高水耗部门，为产业结构优化提供依据。但 目前该 方法只是一种估算方法，它是建立在一定假设基础 上的：每个部门只生产一种产品且都使用相同的工 艺流程，即一个部门仅代表唯一产品的模型；而且在 商品流通中将货币作为基准单位 以简化分析。目前在水足迹的核算研究 中，主要有 B o t t o m u p 分析法、T o p-d o w n分析法和 I n p u t o u t p u t 模型法，它 们在计算水足迹时所采用的公式和适用范围均有差 别，其 比较的内容见表 1。4 水足迹的相关应用 4 1 产品水足迹 国外学者对水足迹已有不少研究，微观层面的 研究主要集 中在产品水 足迹方
24、面，尤其是农业产 品 和畜牧业产品，因其耗水量大并且是加工产品的初 级原料，其 水 足迹核 算受 到广 泛关 注。C h a p a g a i n 等。训 对咖啡、茶、水稻、肉类 的虚拟水含量都进 行了详细核算；而国内邓晓军等 计算了南疆棉花 消费的水足迹；盖力强等 计算了华北平原小麦、玉米生产的水足迹；何浩等 计算 了湖南省水稻水 足迹。产品水 足迹研 究是水足迹发展 的起源与基 础，也是最为广泛的研究领域，尤其是对于农业相关 产品的水足迹核算，而未来工业产 品以及第 三产业 类服务 的水足迹将会成为重要研究方 向。4 2区域水足迹 目前对于宏观层面的水足迹研究主要集中在国 家水足迹和区域
25、水足迹 等方面，尤其是对缺水地 区 的水足迹核算上，以期弄清地区水耗现状，为节水供 水政策提供依据。在 国外，许多学者都在研究 国家 层面的水足迹，对一 国用水进行整体评估 l 4 。国 内研究主要集 中于缺水地区和大城市 的水 足迹评 价，如郭斌等 计算 了西北、华北干旱半 干旱地 区的水足迹；Z h a n g等 钊采用计算评价水足迹 的 方法对北京市水资源利用情况及可持续性进行了讨 论。基于产品水足迹，越来越多 的学者开始关注 区 域水足迹的核算，尤其是缺水地 区的农业水耗 已成 为研究重点。4 3 水足迹其他应用 当前对于水足迹的基本核算 已经取得了一定 的 表 1 水足迹核算方法比较
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- 足迹 理论 核算 方法 及其 应用 进展
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