趙 琦，熱合曼·艾買提，徐 紅，陳 靜

(1.巴音郭楞蒙古自治州環(huán)境監(jiān)測站，新疆 庫爾勒 841000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830000；3.珠海歐比特宇航科技股份有限公司，廣州 珠海 519080)

1 引言

水資源短缺作為全球范圍內(nèi)最突出的資源短缺問題，隨著人口規(guī)模的擴大及經(jīng)濟的飛速增長，氣候變化引起的降水分布不均、溫度異常以及蒸散量的波動變化，加劇了水資源的供需矛盾，嚴重影響水資源有效利用與保護[1]。目前，水資源保護已從單一視角下水環(huán)境質(zhì)量變化，轉(zhuǎn)變?yōu)樗Y源、水環(huán)境、水生態(tài)的“三水統(tǒng)籌”的理念發(fā)展，傳統(tǒng)水環(huán)境質(zhì)量評價已難以滿足新保護理念的需求，亟待以新環(huán)保視域來開展水資源的保護。

而水足跡作為一項綜合評價水資源占用的指標，有別于傳統(tǒng)取用水指標，創(chuàng)新性地將環(huán)境與人類消費活動密切結(jié)合起來量化水資源的消耗與轉(zhuǎn)移，是綜合體現(xiàn)：水資源消耗量、所消耗的水資源類別及各污染類型、污染量的多層次指標[2]。自水足跡的新資源消耗概念被提出以來，便受到了各界學(xué)者的關(guān)注，并將該理論與生態(tài)、經(jīng)濟及社會等領(lǐng)域研究相結(jié)合，不斷拓展其應(yīng)用范圍。水足跡核算不僅僅為各行業(yè)類別對水資源的消耗時空分析提供了新的思路及方法，也為進一步研究水資源可持續(xù)利用、水資源利用效率水資源保護研究提供了新的研究方向。本文通過對國內(nèi)外文獻進行分析，簡要介紹文獻發(fā)表情況，探討了水足跡理論發(fā)展過程、水足跡理論應(yīng)用趨勢以及水足跡核算方法進展，提出了如何運用水足跡推動環(huán)境保護，提高水資源利用率及推動高質(zhì)量發(fā)展的研究方向等對策建議。

2 文獻分析

通過對中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫、中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫/中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫、中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫中2004～2022年已發(fā)表的以“水足跡”為主題的1497篇文獻進行匯總分析可知，以“水足跡”為主題的文獻發(fā)文量逐年遞增，說明水足跡相關(guān)研究呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，主要文獻研究圍繞水利水電工程、資源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)與資源利用等30個學(xué)科展開，其衍生主題包括水足跡理論、水資源、水資源利用、水資源可持續(xù)發(fā)展、水資源承載力、虛擬水貿(mào)易等20個主題。目前，文獻主要集中于應(yīng)用基礎(chǔ)研究、工程研究、開發(fā)研究、政策研究、行業(yè)研究等5個研究層次，主要受國家自然科學(xué)基金及國家社會科學(xué)基金支持。

3 水足跡研究進展及趨勢

3.1 水足跡理論發(fā)展進程

2002年，荷蘭水資源研究專家Arjen Y．Hoekstra在荷蘭代爾夫特舉辦的水資源國際虛擬水貿(mào)易專項會議上首次提出了水足跡的概念[3]，其理論基于1993年英國學(xué)者John Anthony Allan提出的虛擬水概念所衍生而來[4]。具體是指在相應(yīng)的生產(chǎn)生活條件下，用于生產(chǎn)某一消費所需的產(chǎn)品及服務(wù)區(qū)域及人類的所需水資源量，即實際所需的水資源量。

理論發(fā)展初期，基于以往研究對水資源的認識，Hoekstra在2005年通過明確水足跡發(fā)生區(qū)域及時間，提出了藍水足跡(即產(chǎn)品在整體生產(chǎn)鏈對地表水及地下水的消耗)及綠水足跡(即土壤中自然降水的蒸散量)計算概念。后續(xù)為探索采用水足跡理念制定企業(yè)水戰(zhàn)略及構(gòu)建對特定地理環(huán)境下水資源管理可量化計算方法，在2008年，Hoekstra與Chapagain共同提出灰水足跡概念(即現(xiàn)行自然本底各指標濃度或水環(huán)境質(zhì)量標準下，將污染物濃度稀釋至本底濃度或某一質(zhì)量標準所需的淡水的體積)及水足跡可持續(xù)評價[5，6]。經(jīng)過水足跡網(wǎng)絡(luò)(Water Footprint Network)小組的持續(xù)研究，以宏觀角度對國家、區(qū)域及流域水足跡細化，以及對生產(chǎn)過程、消費者和產(chǎn)品、企業(yè)等水足跡核算方法的細化，匯總完成了專著《水足跡評價手冊》，為全球?qū)W者開展水足跡研究提供了參考和指導(dǎo)。

水足跡理論在全球?qū)W者的推動下不斷拓展其應(yīng)用領(lǐng)域、精進核算方法，我國學(xué)者龍愛華[7]2003年最早飲用水足跡核算方法，用以評價西北四省社會經(jīng)濟系統(tǒng)對水資源的消費利用狀況。而近幾年隨著各領(lǐng)域?qū)W者對水足跡理論的深入研究，白雪等[8]從產(chǎn)品、企業(yè)和過程等層面研究建立適合我國國情的水足跡量化、評價和報告等標準化方法學(xué)框架，完成了《產(chǎn)品水足跡評價和報告指南》等標準的制定，推動水足跡核算標準化。

3.2 水足跡理論應(yīng)用趨勢

通過將水資源的使用和污染整合到人類活動消耗的產(chǎn)品或服務(wù)的整個生產(chǎn)鏈中，可定性分析人類消費與全球水資源占用之間的內(nèi)在關(guān)系，進一步為有效利用水資源提供參考。目前，對消費產(chǎn)品及區(qū)域水足跡核算是水足跡研究的熱點之一。

區(qū)域水足跡評價可為流域水資源管理提供有效的管理途徑[9]，為實現(xiàn)評價區(qū)域的生態(tài)、社會和經(jīng)濟影響之間的關(guān)系，Hoekstra與Hung、Chapagain等共同合作定量核算了全球水足跡，用以分析各國虛擬水貿(mào)易平衡并進一步提升了核算精度[10，11]。各國學(xué)者也積極開展以國家、區(qū)域、流域等不同尺度下水足跡及其經(jīng)濟效益的時空匹配特征研究。針對各類特殊區(qū)域如阿拉善地區(qū)、渭河流域、疏勒河流域等水資源缺乏地區(qū)[12～14]，青藏高原地區(qū)、舟山群島新區(qū)、喀斯特峰叢洼地等標志性生態(tài)環(huán)境[15～17]，我國學(xué)者著重對“一帶一路”“人口-城鄉(xiāng)-就業(yè)”視角、城鎮(zhèn)化進程等社會經(jīng)濟政策下水資源利用預(yù)測以及農(nóng)業(yè)水土資源匹配、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟增長優(yōu)化配置展開分析[18，19]。近些年，以灰水足跡為切入點，研究其與居民消費、工業(yè)園區(qū)管理等因素相關(guān)性是區(qū)域水足跡評價研究的熱點[20，21]。

隨著水足跡理論的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域從環(huán)境、經(jīng)濟不斷向外拓展，廣泛被應(yīng)用于高水耗行業(yè)：如食品加工行業(yè)，用以核算甘蔗制糖、醬油制造整體工藝過程的總水足跡[22]；基于生命周期評價，對造紙業(yè)廢水、紡織工業(yè)毛氈、粘膠短纖維生產(chǎn)水環(huán)境進行水足跡核算與負荷評價[23～25]；在基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)用于探尋住宅建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)、鋼鐵生產(chǎn)水足跡模型及對高速公路基礎(chǔ)設(shè)施展開評價[26～28]；在能源電力行業(yè)，用于對鉛酸蓄電池全生命周期、微藻生物燃料及生物熱能等生物能源、煤電生產(chǎn)水足跡進行評價[29～31]；以及其他行業(yè)如通過碳足跡和水足跡評價鋁車身對環(huán)境影響[32]，用以了解本行業(yè)整體或部分生產(chǎn)供應(yīng)鏈水消耗情況，并研究如何降低生產(chǎn)水資源消耗對水環(huán)境質(zhì)量的影響。

由于水足跡可以量化產(chǎn)品整個生產(chǎn)供應(yīng)鏈中的用水量之和[33]，Mekonnen與Hoekstra等對全球主要糧食及其衍生產(chǎn)品的水足跡、畜產(chǎn)品的水足跡分別進行了核算[34，35]，目前著重對水產(chǎn)養(yǎng)殖水足跡[36]、森林水土生態(tài)服務(wù)功能綜合價值林產(chǎn)品[37]、國家、流域尺度下全球糧食作物水足跡進行評價[38～40]。此外，也有學(xué)者開展對小麥、棉花、大米的單個農(nóng)產(chǎn)品水足跡的規(guī)模及其構(gòu)成進行研究[41～43]，并將水足跡理論延伸到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中：如有機物料還田、減施氮肥、灌排模式、輪作機制對小麥、玉米、水稻等作物碳氮水足跡及經(jīng)濟效益的影響進行深入研究[44～47]。

3.3 水足跡核算方法進展

目前，“自上而下”法以及“自下而上”法是水足跡核算的主要方法。這兩種核算方法的視角不同，其中，“自上而下”法能較好地運用于區(qū)域水足跡研究，其模型類別主要包括：單區(qū)域、區(qū)域間及多區(qū)域三種主要投入產(chǎn)出模型。通過該方法可對水資源消耗進行直接或間接計算，并能夠較好地進行經(jīng)濟流的區(qū)分。其中MRIO模型能更好地闡明省際間水足跡的空間轉(zhuǎn)移模式，廣泛應(yīng)用于我國省級虛擬水貿(mào)易規(guī)模、結(jié)構(gòu)的定量分析以及定量分析消費型水足跡[48]。而另一種“自下而上”法主要運用計算各過程產(chǎn)品生產(chǎn)的水資源消耗，用以獲得相應(yīng)的產(chǎn)品生命整體周期內(nèi)對水資源的占有及消耗量，從而進一步衡量國家、區(qū)域及流域總水足跡的一種有效方法，這種方法相對簡單，但需要收集大量數(shù)據(jù)[49]。

隨著水足跡理論與各領(lǐng)域結(jié)合發(fā)展，運用數(shù)學(xué)線性及模糊理論，利用氣象、水文、作物等模型進行水足跡核算日趨興起。如采用STIRPAT擴展模型結(jié)合人口發(fā)展及經(jīng)濟等各驅(qū)動因素，進行水足跡變化主要影響因子的主成分分析[50]、基于對數(shù)分析法的LMDI模型可測度不同影響因子對于研究對象的影響程度及其驅(qū)動力的分析[51]，非徑向SBM-DEA模型可對區(qū)域治理效率進行評價[52]，時間序列模型可用于分析較長周期的水足跡變化[53]；農(nóng)業(yè)作物模型中CROPWAT 8.0、DEA-BCC等可通過收集作物生產(chǎn)條件數(shù)據(jù)有效分析作物水足跡[54，55]，Cobb-Douglas生產(chǎn)函數(shù)可用于研究典型作物生產(chǎn)水足跡驅(qū)動因素[56]，結(jié)合GIS、氮排放模型能較好表征分析農(nóng)業(yè)水足跡變異進程[57，58]。近些年來，水足跡核算方法研究已細化至行業(yè)系數(shù)選取的改進，如對水電站水足跡方法改進計算、對農(nóng)業(yè)部門和非農(nóng)部門水足跡使用的乘數(shù)效應(yīng)研究[59]。

4 展望

水足跡理論研究的持續(xù)深入，以及對產(chǎn)品、行業(yè)、區(qū)域水足跡的廣泛研究，揭示了各類別水足跡的量化及驅(qū)動因素，但如何運用水足跡推動環(huán)境保護，提高水資源利用率及推動高質(zhì)量發(fā)展[60]，是今后主要的研究方向。

(1)對于高耗水、高污染行業(yè)水足跡的核算以及產(chǎn)品水足跡的解析仍是水足跡研究的重點之一，可開展對高耗水、高污染行業(yè)水足跡減排低消耗化進行量化與評價，對行業(yè)及區(qū)域水足跡利用效率展開探討，用以推動水資源可持續(xù)利用與保護研究。

(2)學(xué)科交叉是水足跡研究的另一方向，運用經(jīng)濟學(xué)指標與水足跡相結(jié)合分析，能夠較好地統(tǒng)籌經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)環(huán)境狀況，用于判斷資源消費與配置的合理性，通過研究水足跡強度與高質(zhì)量發(fā)展經(jīng)濟效益關(guān)聯(lián)性，進一步應(yīng)用于提升水資源利用率促高質(zhì)量發(fā)展。

(3)運用三維立體模型、動態(tài)多目標優(yōu)化理論等新理論技術(shù)對水足跡進行量化建模，預(yù)測變化趨勢或減少水足跡消耗模擬，用以應(yīng)用于水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的“三水統(tǒng)籌”理念的持續(xù)推進。

(4)以足跡家族概念進行衍生，在碳減排、碳中和背景下，開展水足跡、碳足跡核算，進一步揭示行業(yè)或區(qū)域整體的資源消耗程度，推動資源綜合利用及生態(tài)環(huán)境保護。