基于水足迹理论的玛纳斯河流域水资源评价

(石河子大学 理学院，新疆 石河子 832000)

1 研究背景

水足迹理论模型由A.Y Hoekstra[1]于2002年首次提出，经过16 a的发展，该模型目前已被完善为一种能够全面核算人类活动对水资源真实占用情况的综合指标，从而为维护流域水资源安全、提高区域水资源利用效率提供了重要的科学依据[2]。与传统的水资源消费计算方法相比，水足迹核算方法连接了生产者与消费者的足迹，反映了消耗和污染消纳的需水量，能够全面真实地反映产品与服务所消耗的水资源数量[3]。众多学者已以水足迹理论为指导，对新疆水资源状况进行了相关研究[4-6]，然而这些研究主要是集中在省域的水足迹分析、水资源安全和水资源可持续性评价方面，在流域尺度方面的研究较少。

玛纳斯河流域是新疆天山北坡经济带最活跃的区域之一[7]，同时也是水资源供不应求的区域[8-9]。伴随着社会经济的快速发展，玛纳斯河流域水资源的供需矛盾进一步激化，但是针对该流域水资源评价方面的研究却较少。本文以水足迹理论为指导思想，选取1990，1995，2000，2005，2010年和2015年为时间序列，对玛纳斯河流域的水足迹进行测算和分析；同时，利用水资源集约利用度、水资源进口依赖度以及社会化水资源稀缺指数，对该流域的水资源状况进行客观评价。

2 研究区概况

玛纳斯河流域(以下简称玛河流域)位于43°27′N～45°21′N，85°01′E～86°31′E，地处天山北坡经济带中心，准噶尔盆地南缘，是新疆重要的商品棉和粮食生产基地。该河流域总面积为2.65万km2，行政范围上包括石河子市、玛纳斯县、沙湾县、新湖总场以及克拉玛依市的小拐乡[10]；流域内有塔西河、玛纳斯河、宁家河、金沟河、大小南沟河以及巴音沟河6条相互独立的河流[11]。20世纪50年代以来，流域内的农业生产规模不断扩大，人口数量不断上升，经济活动强度不断加大，农业生产用水量随之也迅速增加。此外，流域内水资源供给由于越来越受到上游污染、工业与城市挤占等一系列不利因素的影响，致使水资源供需矛盾日益突出。目前，水资源短缺已经成为制约区域社会发展的瓶颈，严重地影响到了经济的发展[12-13]。因此，对玛河流域水资源利用状况进行分析评价，并提出促进水资源可持续利用的策略显得极为必要。

3 研究方法与评价指标

3.1 水足迹模型

水足迹是以虚拟水为基础，从消费角度来衡量一个国家或地区对水资源的真实需求和占用情况的理论。它考虑到了水资源的自然属性和社会属性，构建了水资源利用与人类生活消费结构的关系，为水资源可持续利用研究提供了一个简单、直观的方法[14]。本文采用自上而下的方法来计算玛河流域的水足迹，其账户构成如表1所列。

3.2 评价指标

3.2.1水资源集约利用度

水资源集约利用度可以用单位水足迹创造的GDP来测度，主要是用来衡量一个国家或地区水资源利用的程度和效率，反映区域经济发展所付出的水资源代价。水资源集约利用度越大，说明该国或该地区的水资源利用效率高，其产生的经济效益也高；反之，表明该国或该地区的水资源利用效率低，产生的经济效益也低[15-16]。计算公式如下[17]：

(1)

3.2.2水资源进口依赖度

水资源进口依赖度，也就是指区域外部水足迹与该区域水足迹的比值。由于区域之间会进行进出口贸易，其中净进口的产品越多且虚拟水含量越大，则该区域对水资源的进口依赖度就越大。因此WD百分比越大，区域对进口水资源的依赖程度也就越高。其计算公式如下[18]：

(2)

3.2.3社会化水资源稀缺指数

社会经济的不断发展使得水资源稀缺形式变得更加多样，以往集中于水文等自然因素和水资源利用效率的评价，已不能全面客观地反映当前水资源的稀缺情况。因此，引入了社会适应性能力，将水资源稀缺评价问题拓展到了社会经济领域。计算公式如下[19]：

SWSI=(HWSI/SAC)×AI

(3)

式中，SWSI为社会化水资源稀缺指数；HWSI为水文水资源稀缺指数(1万m3水支撑的人口数)；SAC代表社会适应性能力指数，与人类发展指数数值相当；AI是调整指数。HSWI和SWSI的划分标准为[21-22]：0～6表示相对富余；6～10表示有压力；10～20表示紧缺；>20表示极度紧缺。

3.3 数据来源

根据玛河流域的实际情况及数据的可获得性，数据来源包括以下几个方面：

(1) 联合国粮农组织的CLIMATE数据库和CROP数据库(http://www.fao.org)；

(2) 国际上有关虚拟水研究的中国动物产品虚拟水含量计算成果[3]及中国单位产品虚拟水含量数据和计算结果[22-23](见表2)；

(3) 1990～2015年间，石河子、沙湾、玛纳斯3个县市的统计年鉴、新疆统计年鉴、中国环境统计年鉴以及新疆水资源公报；

(4) 联合国开发计划署公布的中国1990～2015年人类发展指数(http://www.un.org/)。

4 结果与分析

4.1 玛纳斯河流域水足迹分析

“水足迹”是指任何已知人口(一个国家或地区或一个人)在一定时间内消耗的所有产品和服务所需要的水资源的数量[24]。

表1 水足迹账户构成Tab.1 The composition of the water footprint account

表2 主要农-畜产品的单位质量虚拟水含量Tab.2 Virtual water contents in the primary crops-livestock products m3/kg

依据“水足迹”概念，搜集了玛河流域的生活用水量、工业用水量、生态环境用水量、农业生产用水量以及虚拟水进出口量共5个用水方面的指标。其中，前3项指标数据是从统计年鉴和水资源公报上获取；农业生产用水量由单位农畜产品的虚拟水含量乘以农畜产品的产量得到；由于缺乏经济贸易数据，虚拟水进出口量由新疆人均虚拟水进出口量乘以玛河流域人口数量得到。根据表1中的公式，对玛纳斯河流域水足迹进行了测算。测算结果表明：玛河流域的水足迹总量呈上升趋势(详见图1)，由1990年的15.000亿m3上升到2015年的48.100亿m3，在25 a内增加了3.2倍。其中，输出的虚拟水量由1990年的0.710亿m3上升到2015年的8.400亿m3，内部水足迹由1990年的14.470亿m3上升到2015年的48.030亿m3，净进口虚拟水量也由1990年的0.570亿m3上升到了2015年底的2.330亿m3。玛河流域的人均水足迹也呈现出了同步增长的趋势，由1990年的1 606.500 m3/人上升到了2015年的4 730.500 m3/人，在25 a内增长了近3.0倍。

图1 玛纳斯河流域水足迹总量和人均水足迹量Fig.1 The total water footprint and per capita water footprint of the Manas River Basin

从水足迹的成分可以看出(见图2)：① 农业用水量所占的比例最高，而且呈现出了明显的增长趋势，从1990年的14.230×108m3上升到了2015年的53.020×108m3；② 工业用水量较稳定，变化范围在-0.081×108m3到0.109×108m3之间；③ 生活用水量呈现为明显的波动变化，变化率波动幅度在-69.7%～119.4%之间；④ 生态用水量由于1990年和1995年数据未能获取，其在2000年后为不断增加，这与居民环保意识的不断增强关系密切。

图2 玛纳斯河流域水足迹各成分用水量(单位：亿m3)Fig.2 Water consumption of various components of the Manas River Basin water footprint

将各部门的用水量及其占总水足迹的百分比按从大到小进行排序，然后逐次计算累计百分比，最后以部门代码为横坐标，累计百分比为纵坐标，连成一个上凸的曲线，即玛纳斯河流域水足迹构成的洛伦兹曲线(见图3)。洛伦兹曲线的上凸程度，就表示玛河流域水足迹构成的部门集中化程度，上凸程度越大，即表示玛纳斯河流域水足迹的构成越是集中于某些部门。由图3可知，从1990年到2015年，洛伦兹曲线的上凸程度为逐渐减弱，表明集中化程度在减弱，亦即水资源的使用越来越趋向于均衡。总体来说，玛河流域的用水结构失衡，但是情况有所好转。

注：部门代码：1为农作物生产用水量；2为动物产品生产用水量；3为工业用水量；4为生活用水量；5为生态用水量；6为虚拟水交易量图3 玛纳斯河流域水足迹构成的洛伦兹曲线Fig.3 Lorenz curve of the water footprint component of the Manas River Basin

4.2 水资源集约利用度和进口依赖度分析

水资源集约利用度和水资源进口依赖度均是从社会角度来对水资源进行的评价。前者是从经济角度出发，用单位水足迹所创造的经济价值来评价水资源的利用充分程度，也被称为水足迹经济效益值[25]；后者是从贸易角度出发，用净进口产品所含的虚拟水量所占总水足迹的百分比来判断区域对外部水资源的依赖程度。利用公式(1)和公式(2)分别对其进行了计算。计算结果显示：玛纳斯河流域的水资源集约利用度在不断上升，由1990年的1.12 元/m3上升到了2015年的13.34元/m3(见图4)；说明单位水足迹所创造的经济效益在不断增加，对水资源的利用程度愈加充分。水资源的进口依赖度则呈现出明显的波动变化，其平均值为5.1%，说明玛纳斯河流域水资源的自给率较高，对外依赖程度较低。

图4 玛纳斯河流域水资源集约利用度和水资源进口依赖度Fig.4 Intensive utilization and import dependence of water resources in the Manas River Basin

4.3 社会化水资源稀缺指数分析

借助于公式(3)，对玛河流域的社会化水资源稀缺指数(SWSI)进行了计算。社会适应性能力主要受经济发展、教育水平和制度能力等因素的影响，尚无完整的指标体系；而人类发展指数是由人均收入、人口平均预期寿命和教育水平3项基本指标构成，二者之间存在着较高的契合度，因此，可以用人类发展指数间接反映社会适应性能力[26]。在计算过程中，社会适应性能力指数(SAC)由对应年份的中国人类发展指数代替，调整指数(AI)取0.62。由表3可知，玛纳斯河流域的社会化水资源稀缺指数在1990年和2005年处于有压力状态，在1995年处于紧缺状态，而在2000，2010年和2015年则处于相对富余状态，说明玛纳斯河流域水资源利用还有一定的空间。但是这与玛纳斯河流域的用水结构失衡[27]、供需矛盾突出[8，28]、地下水位不断下降[29]以及生态安全状态较差[30]的实际情况相悖。经分析，主要有以下原因：

(1) 在计算过程中，社会适应性能力指数是以中国人类发展指数代替，而实际上人类发展指数在我国省际间的差异较大[31]，全国的人类发展指数高于新疆[32-34]，因此，导致计算结果偏小。

(2) 对于玛河流域生产、生活所排放的污水、废水，由于缺乏数据未进行计算，致使水文水资源稀缺指数偏小，从而导致计算结果小于实际情况。

表3 玛纳斯河流域水文水资源稀缺指数和社会化水资源稀缺指数Tab.3 Hydrology water scarcity index and social water scarcity index in the Manas River Basin

5 结论与讨论

5.1 结 论

本文运用水足迹模型，对玛河流域1990,1995,2000,2005,2010年和2015年的水足迹进行了测算和分析，并利用水资源集约利用度、水资源进口依赖度和社会化水资源稀缺指数，对该流域的水资源状况进行了客观评价。评价结果表明：

(1) 在研究时段内，玛纳斯河流域的总水足迹和人均水足迹均呈现出同步增长的趋势。总水足迹由1990年的15.000亿m3上升到了2015年的48.100亿m3，在25 a内增加了3.2倍；人均水足迹由1990年的1 606.500 m3/人上升到2015年的4 730.500 m3/人，在25 a内增长了近3.0倍。

(2) 从水足迹的成分来看，玛河流域的用水结构失衡。其中，农业用水量所占比例最高，而且呈现出明显的增长趋势，工业用水量较稳定，生活用水量呈现出明显的波动变化，生态用水量在2000年后不断增加，但是总体情况有所好转。

(3) 玛纳斯河流域的水资源集约利用度不断上升，水资源利用程度愈加充分，单位水足迹所创造的经济效益不断上升。水资源集约利用度由1990年的1.12元/m3上升到了2015年的13.34元/m3。玛纳斯河流域水资源自给率较高，水资源的进口依赖度呈现出明显的波动变化，年平均值为5.1%，对外依赖程度较低。

(4) 玛纳斯河流域的社会化水资源稀缺指数在1990年和2005年处于有压力状态，在1995年处于紧缺状态，在2000，2010年和2015年处于相对富余状态，表明玛纳斯河流域水资源的利用还存在一定空间。但是社会适应性能力指数在省际间的差异较大，以及污水、废水数据的缺乏，致使计算结果小于实际情况。

5.2 讨 论

提高水资源的利用效率和人类发展指数分别是缓解水资源短缺在自然方面和社会方面的润滑剂。为了促进玛河流域的水资源能够得到可持续利用，针对上述分析，研究并提出以下建议：

(1) 优化产业结构，提高水资源利用效率，降低第一产业比例，大力发展第三产业。

(2) 推进节水型社会建设，加大节水技术研发，推广节水农业种植技术，发展节水产业。

(3) 增强防污、治污能力，提高生活水、工业水的重复利用率。

(4) 坚持走可持续发展的道路，推进绿色发展，提高人类发展指数。

本文在评价玛纳斯河流域水资源的过程中，仍存在一些不足之处，比如：

(1) 主要农-畜产品的单位质量虚拟水含量采用的是国内外学者的研究成果，而实际上单位质量虚拟水含量与气象要素、地表状况、作物产量有关，因此年际间存在着差异。

(2) 在社会化水资源稀缺指数的计算过程中，调整指数(AI)虽然对评价结果起到了放大或缩小的作用，使得社会适应能力的作用更加凸显，但是存在着一定的主观性。

因此，为了进一步提高水足迹理论在评价水资源方面的精确性，未来可以从社会经济、教育水平、人类平等、科技实力以及制度能力(尤其是水资源的管理能力)等维度构建社会适应性能力的综合指标，对于调整指数的确定，则需要综合考虑到区域自然资源和社会发展两个方面的实际状况。