姜秋香,吳云星,王子龍,歐陽興濤,李鑫瑩,何曉龍
(東北農業大學水利與土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150030)
水資源是基礎性的自然資源,是人類生存發展的物質基礎,是實現可持續發展的必要條件[1]。為了更準確地衡量一個地區對水資源的消耗,Hoekstra教授在“虛擬水”的基礎上提出了水足跡的概念[2],即任何已知人口(一個國家、區域或個人)在一定時間內消耗或生產的產品和服務所需要的水資源總量。水足跡從水源角度區分了生產活動所消耗水資源的類型,更加清晰地刻畫了水資源的取用與消耗[3-4]。根據水足跡理論,可以更精確地衡量水資源的消耗和污染量,有效改善水資源管理分配方式,最大程度滿足不同部門的水資源需求。自水足跡概念提出以來,其理論蓬勃發展、不斷完善,成為量化水資源消耗的一個重要手段。水足跡的研究經歷了從全球和國家尺度[5-7]到區域和流域尺度[8-10]的轉變。Hoekstra等[6]計算了1997—2001全球各國家的水足跡,得出全球平均水足跡為1 240 m3/a,而中國為700 m3/a,遠低于全球平均水平;郭相平等[11]對中國31個省份作物水足跡進行了研究,并利用通徑分析識別了人均純收入、人口密度、化肥施用量和降水量是影響水足跡時空分布的主要驅動因素;侯林秀等[12]對內蒙古地區1998—2018年的水足跡進行研究,得出了研究區水資源壓力較高但尚未出現水質性缺水的結論。目前研究主要集中在區域水足跡上,包括工業水足跡[13]、農業水足跡[14]和生活水足跡[15]等的核算和影響因素分析,得出不同部門對水足跡的需求,從而制定減少水足跡的合理策略,使水資源得到可持續利用。水足跡空間均衡指水足跡的空間分布與社會經濟的布局和生態環境的功能之間呈現的一種平衡狀態[16]。在區域發展水平、自然條件和人口數量等因素作用下,不同地區對水足跡的需求有較大差異。利用空間均衡理論定量分析水足跡區域間的差異,能夠制定更符合區域自身條件的水資源分配方案。目前研究僅針對灰水足跡進行空間均衡分析,藍水和綠水足跡空間均衡特征分析的缺失,易造成后續政策制定的不完善和應用性差等問題。
本文利用水足跡理論,對2000—2018年黑龍江省13個地級市水足跡進行量化,并分析其時空分布規律。在選取水足跡特征指標的基礎上,利用空間均衡理論進行水足跡的空間均衡分析,利用熵權法計算各指標權重,最終得出水足跡的空間均衡情況,以期為黑龍江省高效利用、合理分配水資源提供可行建議。
黑龍江省位于中國東北部,面積為45.25萬km2,約占全國面積的4.7%,位居全國第六。多年平均降水量為536 mm,折合水量為2 420億 m3,境內擁有黑龍江、烏蘇里江、松花江、綏芬河四大水系,是我國重要的糧食生產基地[17]。黑龍江省多年平均水資源總量為775億 m3,人均水資源量為2 067 m3,對地表水的利用率較低,多依賴于地下水資源,導致地表水的開發程度不高。黑龍江省水資源時空差異較大,年內年際分布不均,大體上呈現夏秋多、春冬少、邊緣多、腹地少等特點。黑龍江省作為農業大省,是中國糧食安全的壓艙石,保障農業用水至關重要。在中國“振興東北老工業基地”戰略指導下,發展工業,提高工業水平,滿足黑龍江省工業部門水資源需求是重中之重。研究黑龍江省各部門水足跡,確定各部門對水資源的實際需求量,可為制定區域水資源分配方案提供依據。
本文采用的社會經濟數據、氮肥施用量、畜禽存欄出欄量、養殖業產品產量和污染物排放量來源于《黑龍江統計年鑒》。水資源相關數據來源于《中國水資源公報》。農業氣象數據來自中國氣象數據網(http:∥data.cma.gov.cn/)。
2.1.1藍水足跡
藍水足跡是人類消耗的徑流,即由人類利用而不再回到原流域的徑流[18]??偹{水足跡包括區域內工業、農業、生活和生態部門的藍水足跡。其中,工業部門藍水足跡由于工業部門產品種類繁多、生產流程復雜,計算較為困難,采用工業用水量來代替[19];生活與生態部門主要消耗藍水,其藍水足跡可以用用水數據來代替[20]。農業部門藍水足跡由作物和養殖業藍水足跡組成,作物藍水足跡根據作物生長期間的蒸散發量計算[21],計算公式為
(1)
其中
ETbl=max(0,ETc-Peff)
ETc=KcET0
式中:Wb1為作物藍水足跡,m3;Cbl為作物生長期內消耗的藍水量,m3/hm2;d為作物生長期的時長,d;ETbl為生長期內藍水蒸散發量,mm;A為作物的種植面積,hm2;ETc為作物蒸散發總量,mm;Peff為作物生育期內的有效降水量,mm;Kc為作物系數;ET0為參照作物蒸散量,mm;β為轉換系數,本文中取β=10。
養殖業藍水足跡Wb2的計算公式為
(2)
式中:Vi為第i種畜產品虛擬水含量,m3/kg,取值參考文獻[6];Pi為第i種畜產品產量,kg。
2.1.2綠水足跡
綠水足跡表示生產過程中消耗的降水量[18]。利用作物生長時期的蒸散發量計算區域綠水足跡[22],計算公式為
(3)
其中
ETg=min(ETc,Peff)
式中:Wg為綠水足跡,m3;Cg為作物生長期內消耗的綠水量,m3/hm2;ETg為生長期內綠水蒸散發量,mm。
2.1.3灰水足跡
灰水足跡是將污染的水資源稀釋到一定標準所需要的水的體積[18]。結合研究區域具體情況將灰水足跡分為農業、工業和生活灰水足跡。
a.農業灰水足跡。農業生產過程中化肥與農藥的大量使用、畜牧業中畜禽糞便的排放以及其他農業過程排放的污染,都會導致不同程度的水資源污染。結合文獻[23],本文主要計算種植業灰水足跡和畜牧業灰水足跡。農作物生產過程中所使用的化肥與農藥除被植物吸收外,還會隨著徑流、入滲等方式進入水體,從而造成水污染。根據作物生長過程中施用肥料的不同含量,選取氮肥作為代表污染物對灰水足跡進行計算[24],計算公式為
(4)
式中:Wg1為種植業灰水足跡,m3;α為化肥淋失率,取為10%[25];U為化肥的使用量,kg;ρmax為污染物在水體中最大可容許質量濃度,kg/m3,硝酸鹽是農業過程中氮肥流失和水污染的主要原因,根據GB 3838—2022《地表水環境質量標準》[26]中Ⅲ類水質標準,將ρmax設定為0.01 kg/m3;ρnat為受納水體中污染物的自然本底質量濃度,kg/m3,由于真正的環境情況較為復雜,ρnat的獲取難度偏大且估值較低,因此令ρnat為0[18]。選取有代表性的畜禽(豬、牛、羊、家禽)作為污染來源,主要通過每年畜禽排放污染物進入水體的含量來計算養殖業灰水足跡。畜禽排放污染物中含量較高的是總氮(TN)和化學需氧量(COD)[26],因此選擇TN和COD作為計算的指標。由于受納水體可以同時對氮和COD進行稀釋,因此選取氮灰水足跡和COD灰水足跡中較大值為養殖業灰水足跡。具體公式為
(5)
式中:Wg2為養殖業灰水足跡,m3;L為進入到受納水體的污染物含量,kg。受納水體中COD的最大容許質量濃度為0.02 kg/m3。水體可以同時對多種污染物進行稀釋,如果直接將種植業與養殖業的灰水足跡相加,會導致重復計算。因此需要將相同的污染物含量累加,選出較大的為代表污染物,稀釋代表污染物所消耗的水資源即為農業灰水足跡。計算公式為
Wga=max[(Wg1TN+Wg2TN),Wg2COD]
(6)
式中Wga為農業灰水足跡,m3。

(7)
式中Wgr,in為工業灰水足跡,m3。
c.區域灰水足跡。由工業與生活灰水足跡計算結果可知,工業與生活灰水足跡的污染物中COD含量最大。由種植業和養殖業灰水足跡計算結果可知,農業部門灰水足跡的污染物中氮元素含量最大,將相同類型污染物消耗的水足跡進行累積,水足跡消耗最大者即為區域灰水足跡。
2.2.1空間均衡系數
水足跡空間均衡系數可以表示為水足跡在任意空間點或空間單元分布的均衡程度,取值范圍為[0,1]。越接近1表示空間分布越均衡,越接近0表示空間分布越不均衡[27-29]。計算公式為
(8)

2.2.2總體空間均衡度
水足跡總體空間均衡度可以表示為水足跡在整個區域分布的均衡程度,取值范圍為[0,1]。越接近1表示水足跡在整個空間上分布越均衡,越接近0表示水足跡在整個空間上分布越不均衡[27]。由于各空間點分布不均勻,故將指標j的空間均衡系數按區域i的面積比加權,計算指標j的總體空間均衡度Bj:
(9)
式中:Si為區域i的面積,m2;N為區域數;S為研究區總面積,m2。
采用熵權法[30]計算各指標權重,即各指標對水足跡總體空間均衡度的貢獻率,從而得出水足跡的總體空間均衡度B:
(10)
式中:J為指標的個數;wj為指標j的權重。
3.1.1時間演變規律
通過對2000—2018年黑龍江省藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡的計算,確定水足跡的組成及變化趨勢(圖1、圖2)。研究時段內黑龍江省總水足跡平均值為837億m3,其中藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡分別占總量的41.13%、33.02%和25.85%,藍水足跡的主導地位顯著。

年份

年份
由圖1可知,2000—2018年黑龍江省總水足跡呈現波動上升的趨勢。總水足跡變化可以分為2個階段,第一階段2000—2011年,從2000年逐漸增加,至2011年達到峰值986億m3,第二階段2012—2018年,從2012年又逐漸回落至2018年的752億m3。研究時段內黑龍江省積極響應“推動全社會節水,全面提高水資源利用效率”的國家政策,實施農業節水增效、工業和生活節水減排等措施。因此,黑龍江省總水足跡呈現逐漸下降趨勢。
由圖2可知,黑龍江省藍水足跡占總水足跡的比例在波動下降,從2000年的40.20%降到2018年的34.49%,說明黑龍江省采取水資源總量強度雙控和科技創新引領等節水措施取得較好成效。研究時段內灰水足跡的比例下降幅度較大(年均下降1.85%),黑龍江省控制污染物排放總量和實施減排重點工程等污水減排措施效果明顯。而綠水足跡的比例則在快速上升,在2018年達到51.22%,同時從2017年開始綠水足跡的比例首次超過藍水足跡。黑龍江省作為糧食主產區,種植面積在逐漸增加,且藍水和灰水足跡在下降,因此綠水足跡的比例不斷增加并成為主導。黑龍江省藍水足跡變化與總水足跡相近,均表現出兩階段變化的趨勢。在第一階段中2003年的藍水足跡最低,2003年作物種植面積下降,導致農業藍水足跡大幅下降。本文藍水足跡構成中,養殖業藍水為總藍水的66.72%,占據藍水足跡的主要部分。第一階段黑龍江省主要畜產品產量逐漸增加,由于黑龍江省部分地區施行禁牧政策,導致第二階段畜產品產量逐漸降低,由此使藍水足跡呈現出先增加后減少的變化趨勢。綠水足跡總體呈現增加的趨勢,黑龍江省作為“中華大糧倉”,糧食種植面積逐漸增加,對綠水的需求也在逐漸增加。受到枯水年、自然災害和農業供給側改革導致作物種植面積減少等因素的影響,2007、2011、2016和2017年黑龍江省綠水足跡略微下降。研究時段內黑龍江省灰水足跡逐年下降,其下降趨勢較為明顯,從261億m3降到108億m3,年均減少3.27%。該時段黑龍江省污水治理效果明顯,污染物排放量逐漸減少,因此灰水足跡也呈下降趨勢。本文灰水足跡主要由吸納工業和生活部門排放的COD所產生。在灰水足跡構成中,生活灰水足跡比例較大,占總灰水足跡的70%以上,最大為94.26%。因此下一步要做好生活污水減排工作。
3.1.2空間演變規律
根據水足跡計算方法,核算2000—2018年黑龍江省13個地級市的不同水足跡。根據各水足跡在研究時段內的變化特征,選取2000年、2003年、2007年、2011年、2016年和2018年作為代表年,利用ArcGIS繪制其藍水、綠水和灰水足跡空間分布。圖3為各代表年黑龍江省藍水足跡空間分布??梢姡邶埥”辈亢蜄|部藍水足跡較低,包括大興安嶺、鶴崗、伊春和七臺河,該區域藍水足跡之和僅占黑龍江省總藍水足跡的6.14%。其中大興安嶺地區的藍水足跡最低,為0.802億~1.68億m3。大興安嶺地區為黑龍江省最北部,人口數量最少,工業不發達,作物產量和畜牧業產量也較低,因此對藍水足跡的需求較低。位于黑龍江省西部和南部的齊齊哈爾、大慶、綏化和哈爾濱藍水足跡較高,其中哈爾濱最大,為52.2億~109.0億m3。哈爾濱的養殖業藍水足跡占總藍水足跡的69.85%,作為黑龍江省省會,其養殖業的產值和產量均最大,因此消耗較多藍水足跡。大慶的藍水足跡也較大,在其藍水構成中工業和養殖業藍水足跡占大慶藍水足跡的92.23%。大慶作為典型的工業城市,工業較為發達,養殖業產值在全省為中等水平,故藍水足跡較大。

(a)2000年
圖4為各代表年黑龍江省綠水足跡空間分布??梢姡G水足跡的低值地區主要在黑龍江省的北部和中部,包括大興安嶺、伊春和七臺河,影響綠水足跡的因素有作物蒸發條件、降雨條件和作物種植面積,這3個地區的降水量較為豐富,占全省的24.43%,但種植面積較低,僅占全省的4.85%,因此這些區域的綠水足跡較低。綠水足跡的高值地區主要分布在黑龍江省的西部和東部,包括黑河、綏化、哈爾濱、齊齊哈爾和佳木斯,這些區域降水量占全省的37.10%,種植面積則占全省的69.02%,在降水和種植面積的綜合作用下,這5個地區的綠水足跡較高。

(a)2000年
圖5為各代表年黑龍江省灰水足跡空間分布。可見,位于黑龍江省北部和東部地區的大興安嶺、伊春、鶴崗、雙鴨山和七臺河是灰水足跡低值區,該區域中生活灰水足跡占平均灰水足跡的85.14%,生活污水排放是決定灰水足跡空間特征的主要因素。然而該區域總人口數量僅為全省的13.9%,人口數量少,排放的生活污水較少,因此灰水足跡也較低。灰水足跡高值地區主要集中在齊齊哈爾、綏化、哈爾濱和大慶,哈爾濱灰水足跡占全省比例最大(22.98%~26.54%)。在哈爾濱灰水足跡構成中,生活灰水足跡占比為73.02%以上。哈爾濱人口最多,污水排放量較大,故灰水足跡較高。大慶由于工業水平發達,工業污水排放較多,導致灰水足跡較高,其工業灰水足跡占該區域總灰水足跡的56.03%。

(a)2000年
3.2.1水足跡特征指標總體空間均衡度分析
根據黑龍江省人口規模、產業結構和經濟發展特點等,選取水足跡強度、農業水足跡強度、生態環境藍水足跡、工業藍水足跡、人均水足跡和人均灰水足跡等作為水足跡特征指標。水足跡強度為總水足跡與地區生產總值的比值,反映不同經濟發展水平下所消耗的水資源量,水足跡強度越大,單位經濟產值消耗的水資源量也越多,對水資源的利用效率就越低。農業水足跡強度為農業水足跡與農業增加值的比值,反映農業用水水平,該值越大,農業用水水平越低。本文采用左其亭等[31]提出的空間均衡量化方法計算水足跡特征指標的空間均衡系數和總體空間均衡度(表1),進而分析黑龍江省13個地級市水足跡的空間均衡特征。
由表1可知,研究時段內水足跡強度、農業水足跡強度和人均水足跡的總體空間均衡度逐漸減少,空間差異在逐漸變大。其中人均水足跡的總體空間均衡度從2002年開始一直下降。隨著經濟的發展,發達地區對人口的吸引力越來越大,加劇了各地區的人口差異,并且我國又實施了最嚴格的水資源管理制度,而不同的地區對政策的響應也不同。因此導致了黑龍江省人均水足跡空間分布越來越不均衡。

表1 黑龍江省水足跡特征指標的總體空間均衡度
研究時段內黑龍江省生態環境藍水足跡的總體空間均衡度低于0.5,由于各地區對生態用水的重視程度不同,導致生態環境藍水足跡的分布有較大差異。工業藍水足跡和人均灰水足跡的總體空間均衡度波動上升,但工業藍水足跡的總體空間均衡度最大值僅為0.357,其空間分布仍存在較大差異。人均灰水足跡的總體空間均衡度最高,研究時段內平均值為0.835,黑龍江省污染治理效果明顯,對污水排放控制力度逐漸加強,人均灰水足跡的分布更為均衡。
3.2.2代表年水足跡特征指標空間均衡分析
為進一步分析水足跡特征指標在不同地區的空間均衡差異度,有針對性地制定區域水資源利用政策,以現狀2018年為代表年,分析各地區水足跡特征指標的空間均衡系數(表2)。

表2 2018年各地區水足跡特征指標的空間均衡系數
黑龍江省水足跡強度、農業水足跡強度和人均水足跡的總體空間均衡度較為接近,數值均大于0.5。由于各地區的水資源稟賦、經濟水平、種植結構、水資源的利用率和人口數量等因素差異較大,因此水足跡強度、農業水足跡強度和人均水足跡的空間分布仍不均衡。其中伊春和黑河的水足跡強度空間均衡系數相差4.08倍,黑河水足跡強度遠超全省平均值,水資源利用效率低下;伊春水足跡強度接近全省平均值,其積極響應國家節水政策,減少水足跡,水資源利用效率較高。齊齊哈爾、雞西、大慶和伊春的農業水足跡強度空間均衡系數較低,導致該指標總體空間均衡度較低,齊齊哈爾的空間均衡系數最低(0.451)。齊齊哈爾屬于干旱半干旱地區,農業產值位于全省前列,但農業用水較為粗放,對水資源的利用率低。人均水足跡空間均衡系數較低的區域有佳木斯、黑河和大興安嶺,這些區域的水足跡在全省處于中等水平,人口數量較少,因此人均水足跡偏離全省平均值較多。各地區應出臺相應的節水政策,提升水資源利用效率,并大力發展節水型農業,降低水足跡,使水足跡強度、農業水足跡強度和人均水足跡的分布更均衡。工業藍水足跡和生態環境藍水足跡的總體空間均衡度均低于0.5,說明黑龍江省工業和生態用水空間差異性較為顯著。哈爾濱工業水平發達,生態保護投入較大,因此其生態和工業藍水足跡遠高于全省平均值,導致其空間均衡系數都為0.000。大慶降水少,生態條件較差,但能保障生態供水,生態環境藍水足跡處于全省平均水平,因此其空間均衡系數接近1。大慶作為工業主導型城市,工業水平遠超全省大部分地區,故其工業藍水足跡的空間均衡系數為0.000。黑龍江省各地區工業水平相差較大,應積極響應國家振興東北老工業基地的政策,大力發展工業,減少工業耗水,縮小地區工業藍水足跡差異。黑龍江省對生態用水投入不足,應充分考慮生態用水需求,維護生態用水健康,使生態環境藍水足跡分布更均衡。除大慶外黑龍江省其他區域的人均灰水足跡空間均衡系數均超過0.9,說明人均灰水足跡的分布較為均衡,各地區對水污染的治理力度較大,污水治理效果明顯。而大慶的人均灰水足跡為全省平均的1.3倍,說明大慶污水排放量較大,治理力度不夠,應提高環保意識,響應國家“綠水青山就是金山銀山”的政策。
3.2.3水足跡總體空間均衡度分析
本文根據熵權法計算2000—2018年各水足跡特征指標的權重,其中水足跡強度、農業水足跡強度、生態環境藍水足跡、工業藍水足跡、人均水足跡和人均灰水足跡的權重分別為0.087、0.098、0.193、0.268、0.087、0.268,進而得出黑龍江省水足跡的總體空間均衡度隨時間變化趨勢(圖6)。由圖6可見,水足跡的總體空間均衡度在逐漸升高,說明黑龍江省水足跡空間分布的不平衡性在逐漸降低。水足跡總體空間均衡度在2002—2003年有明顯的上升,2000—2002年,黑龍江省對生態供水不足,導致各地區的水足跡分布差異較大,從2003年開始加大對生態環境藍水足跡的投入,使得水足跡的空間分布更為均勻。雖然水足跡的總體空間均衡度逐漸升高,但最大值仍未超過0.6,各地區水足跡仍有差異,還有較大的提升空間。黑龍江省應采用更為合理的水資源分配方式,減小水資源利用的區域差異,使區域發展更為均衡。

圖6 黑龍江省水足跡總體空間均衡度隨時間變化
a.黑龍江省藍水和灰水足跡在逐漸減少,表明中國實施最嚴格水資源管理制度在黑龍江省得到較好的響應,但是和全國平均水平仍有較大差距,應提升工業技術,采取科學的養殖、種植技術,加強污水處理,減少藍水、灰水足跡。藍水足跡中養殖業藍水足跡的占比最高,黑龍江省應堅持實施禁牧政策,引導、改善養殖方式,并推動養殖業轉型升級。黑龍江省生態環境藍水足跡只占總藍水足跡的0.76%,生態用水投入不足,應堅持“以水定綠,以水定產”的政策,加強生態環境保護。黑龍江省生活灰水足跡占總灰水足跡的82.75%,應控制生活污水點源污染,加強對生活用水的控制,鼓勵污水處理回用。
b.黑龍江省作為農業大省,在作物種植面積逐年增加、對綠水的需求也在逐漸增加的前提下,綠水足跡的比例越來越大,從2000年21.43%增加到2018年的51.22%。因此,黑龍江省應持續推進農業供給側改革,優化種植結構,提升灌溉水利用系數,減少水資源的消耗。
c.藍水、綠水和灰水足跡高值區主要集中在黑龍江省的西部和南部,由于人口數量、作物種植面積和畜牧業產量等都較高,導致藍水、綠水和灰水足跡高于其他區域;位于黑龍江省北部和東部的大興安嶺、伊春、七臺河、鶴崗和黑河等區域是藍水、綠水和灰水足跡低值區,該區域降水、人口數量和種植面積等較低,因此水足跡較少。黑龍江省應推動節水政策,加強污染控制,減少哈爾濱、大慶等高值地區的水足跡;發展水足跡低值區如伊春、鶴崗等地區的經濟,提升其工業、農業水平,合理利用水資源。
d.水足跡的總體空間衡度在逐漸上升,表明水足跡在黑龍江省的分布越來越均衡,但其中生態環境藍水足跡、工業藍水足跡的總體空間均衡度較低。黑龍江省應明確生態水權,合理分配生態用水量,提升生態環境藍水足跡,改進工業節水技術,確定節水目標,減少工業藍水,合理分配水資源,使水足跡分布更均衡,實現水資源的可持續利用。
a.在研究時段內,黑龍江省種植面積在逐漸增加,因此綠水足跡總體呈現出增加的趨勢,從2000年的146億m3增加到2018年的385億m3?;宜阚E一直在減少,人均灰水足跡從2000年的706.1 m3降到2018年300.7 m3,表明黑龍江省污水治理效果明顯,人均灰水足跡顯著減少。
b.由于各地區的降水情況、種植面積和工業水平等條件的不同,導致黑龍江省13個地級市的水足跡空間分布不均勻,水足跡盈余與匱乏同時存在。大興安嶺、伊春、七臺河和鶴崗水足跡較低,哈爾濱、綏化、大慶、齊齊哈爾和佳木斯的水足跡較高。
c.水足跡強度、生態環境藍水足跡和工業藍水足跡總體空間均衡度較低,社會經濟發展不均衡、工業水平差異較大和生態意識不同是導致差異較大的主要原因。人均灰水足跡的總體空間均衡度超過0.7,2016年以后超過0.9,表明各地區對污水治理的力度在不斷加強,因此人均灰水足跡的分布趨于均衡。
d.隨著黑龍江省各地區逐漸加大生態環境供水和堅持實施節水政策,導致水足跡的總體空間均衡度由0.317增加至0.570,水足跡的空間分布向更均衡方向發展,但區域差異仍較為明顯。黑龍江省應調整部門用水,加大對生態用水的投入,提升水資源利用效率。