山東省生產水足跡綜合評價

摘要：山東省是經濟和人口大省，同時也是水資源緊缺省份。水足跡是認識水資源的新視角，能夠揭示對水資源的真實占用。基于水足跡視角構建生產水足跡測度模型和評價體系能對2010—2021年山東省水資源利用情況進行評價。結果表明：2010—2021年山東省生產水足跡波動上升，表現為西部和中南部高、東部和中北部低，藍、綠、灰水足跡均呈增長趨勢。在所有核算賬戶中，農業占比最大。從綜合評價角度看，生產水足跡的經濟效益逐漸增長，但單位生產水足跡的人口承載力較差，水資源壓力指數較大。山東省總體表現為水資源不可持續，水資源壓力較大，應及時采取調整產業結構、提高節水技術、增強污染防治等措施以緩解用水緊張的現狀。

關鍵詞：生產水足跡；時空格局；結構差異；綜合評價；山東省

中圖分類號：TV213.4 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）04-0107-09

Comprehensive Evaluation of Production Water Footprint in Shandong Province

ZHANG Min¹，ZHANG Yu^1，2，3*，TIAN Qing¹，WANG Mengfan¹

（1.School of Geography and Tourism，Qufu Normal University，Rizhao 276826，China;

2.Institute of Yellow River Ecology，Qufu Normal University，Qufu 273165，China;

3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Beijing 100101，China）

Abstract： As a significant economic and populous region，Shandong Province also grapples with water scarcity.The water footprint concept provides a fresh understanding of water resources，revealing the true utilization extent of the resources.A model and evaluation system for measuring the production water footprint is established to assess water resource utilization in the province from 2010 to 2021.The results indicate that the production water footprint in the studied region experiences fluctuations and presents an overall increasing trend during this period，with higher levels in the western and southern regions and lower ones in the eastern and northern areas.The blue，green，and grey water footprints all display a rising trend.Agriculture accounts for the largest proportion among all the sectors.From a comprehensive perspective，the economic benefits of the production water footprint steadily increase，but the per capita carrying capacity of the production water footprint is relatively poor，with a relatively large water resource pressure index.Generally，Shandong faces unsustainable water resources and considerable water pressure，which highlights the need for timely measures to adjust the industrial structure，enhance water-saving technologies，and improve pollution prevention and control to alleviate current water scarcity.

Keywords：production water footprint;spatio-temporal pattern;structural differences;comprehensive evaluation;Shandong Province

隨著近年來水資源供需矛盾日益加重，如何對水資源利用情況進行測度和評價成為了學者們關注的話題。水足跡包括實體水和虛擬水的特性，使其成為國家或區域水資源可持續利用評價、水資源壓力評價的新視角。山東省水資源嚴重短缺，嚴重制約經濟社會可持續發展，故基于生產水足跡對山東省進行水資源利用狀況進行測度和評價，有利于為山東省水資源管理提供決策參考。

2002年荷蘭學者Hoekstra將實體水與虛擬水相聯系，提出“水足跡”的概念，即在一定物質標準下，生產一定區域的人群所消耗的產品和服務需要的水資源數量^［1］。近幾年國內外對于水足跡的研究較豐富，研究尺度涉及全球^［2-3］、國家^［4］、流域^［5］、省域或特定地區^［6-7］等。國內主要集中在水足跡時空演變及影響因素分析^［8］、區域農業用水評價^［9-10］、農業生產結構調整^［11］、糧食作物水足跡核算^［12］和區域間差異^［13］等方面。近幾年省域尺度的研究成果不斷涌現，如劉巍等^［14］、王月英等^［15］分別對黑龍江省、陜西省進行了研究。在基于水足跡理論的水資源評價方面，主要從水足跡的經濟效益、生態指標和水資源可持續性等角度構建指標體系評價水資源利用狀況，如商慶凱等^［16］衡量了青海省的進口、出口、農業、工業、居民生活和生態水足跡，選取人均水足跡、水資源匱乏度、水資源壓力指數、水資源進口依賴度等指標對水資源利用狀況進行評價。

本文從生產水足跡理論出發，在已有研究基礎上架構生產水足跡測度模型和區域生產水足跡評價體系，以山東省為研究對象，從省域、市域、分賬戶水足跡、不同水資源類型等角度分析山東省2010—2021年生產水足跡的時空格局和結構差異，并從效益、生態和可持續性3個指標層面綜合評價山東省水資源利用情況，以期為山東省水資源科學管理和可持續發展提供有益參考。

1 研究區與數據

1.1 研究區域

山東省是工農業和人口大省，經濟發展居全國前列，其中農業用水常年占總用水量的60%以上。但山東省水資源年際、區域分布不均，水資源緊缺是基本省情，2021年全省水資源總量為525.33億m³，僅占全國水資源總量的1.77%。同時，旱澇災害頻發、嚴重依賴黃河水、地下水超采等問題^［17］也是制約工農業發展和生活用水的重要瓶頸。所以本文從生產水足跡視角出發綜合評價山東省2010—2021年水資源利用情況，以期為緩解山東省水資源緊張及促進水資源合理分配提供理論和數據支持。

1.2 數據來源

研究時段為2010—2021年，農產品產量、工業用水、城鎮公共用水、居民生活用水、生態用水、污染物排放量、農業總產值、人口等數據來自《山東省統計年鑒》《山東省水資源公報》、各市統計年鑒和水資源公報。農業生產水足跡涉及種植業、畜牧業、林業和漁業四大農業部門共34種產品，單位產品水足跡數據參考Mekonnen等^［2-3］有關中國的研究成果。部分畜牧業產品數據在此基礎上通過山東省飼料用谷物水足跡與全國平均比值以及全國畜牧產品平均水足跡得出，牛奶和淡水產品參考程雨菲等^［18］的研究。此外，因2019年萊蕪劃入濟南，所以本文統一將萊蕪各項數據納入濟南計算。

2 研究方法

2.1 生產水足跡測度

本文構建了生產水足跡測度模型，包括農業、工業、居民生活以及城鎮公共用水和生態環境用水，即式（1）：

WF_prod=WF_agriculture+WF_industry+WF_domestic+WF_public+WF_environment（1）

式中 WF_prod——總生產水足跡，m³；WF_agriculture——農業生產水足跡，m³；WF_industry——工業生產水足跡，m³；WF_domestic——居民生活水足跡，m³；WF_public——城鎮公共用水量，m³；WF_environment——生態環境用水量，m³。

其中，農業生產水足跡測度見式（2）：

式中 P_i——第i種農產品產量；VW_i——單位產品水足跡。

工業生產水足跡包括工業用水和工業灰水足跡。工業灰水足跡指生產過程中排放的污染物達到自然濃度或水質標準所需吸收淡水的理論體積，本文采用廢水中主要污染物（COD和氨氮排放量）為衡量指標，取兩者最大值作為灰水足跡，見式（3）—（6）：

WF_industry=GWF_industry+Water_industry（3）

其中：

GWF_industry=max（GWF_{industry（COD）}，GWF_{industyr（NH}⁺_4－N））（4）

式中 WF_industry——工業生產水足跡，m³；Water_industry——工業用水量，m³；GWF_industry——工業灰水足跡，m³；GWF_{industry（COD）}——COD的灰水足跡，m³；GWF⁺_{industry（NH4-N）}——NH⁺₄-N的灰水足跡，m³；L_{industry（COD）}——COD的排放負荷，kg；L⁺_{industry（NH4-N）}——NH⁺₄-N的排放負荷，kg；C_max——環境水質標準允許的污染物濃度，kg/m³，根據GB 8979—1996《污染物綜合排放標準》，C_max（COD）和C⁺_{max（NH4-N）}分別取0.060、0.015 kg/m³；根據《水足跡評價手冊》，C_nat取0 kg/m³。

居民生活水足跡包括居民生活用水和生活灰水足跡，計算方法同工業。

2.2 綜合評價體系

參考前人研究成果^［19］，從效益、生態和可持續性層面構建了基于生產水足跡的水資源利用評價體系（表1）。水資源可持續指數等級見表2。

3 結果與討論

3.1 生產水足跡時空差異

3.1.1 年際變化

2010—2021年山東省生產水足跡為27 722.39億m³，整體呈波動上升趨勢（圖1）。農業生產水足跡變化趨勢與總生產水足跡保持一致，反映了農業作為用水大戶的主導作用。2011—2016年波動下降，2017年回升。2016年生產水足跡下降為2 219.76億m³，原因可能是2016年山東省的低溫受凍、風雹、旱澇等自然災害造成了農產品大量減產^［23］，生產水足跡大幅減少。具體來看，煙臺、臨沂、濱州、菏澤上升幅度較大，而濟南、濟寧、泰安和濟寧顯著減少。

3.1.2 空間格局

本文利用ArcGIS繪制了山東省生產水足跡空間分布（圖2）。生產水足跡分布不均，整體呈西部、中南部高，東部、中北部低的特征。年均生產水足跡為2 310.20億m³，超200億m³的有菏澤、濰坊、臨沂、德州。這些地區均為農業生產大市，種植業發達，農業生產水足跡多。而日照、威海、東營和淄博較少，其農業種植面積和產量較低，未消耗較多水資源。與之相對，其工業和居民生活生產水足跡占比較高。

山東省2010—2021年人均生產水足跡為2 335.49 m³，與前人研究差距較大^［24］，原因是研究年份不同、不同學者測算農業生產水足跡方法和范圍不同，且不同學者也可能會采取不同污染物濃度標準測算工業灰水。各市人均生產水足跡由高到低為德州、濱州和聊城，均在3 000 m³以上，原因在于其地形平坦，耕地資源豐富，氣候及土地條件適宜農業生產^［6］，第一產業比重大。較低的為淄博、青島和濟南。淄博和濟南地處魯中山區，年際、年內降水分配不均，不利于作物生產，且相對耕地較少。青島多山地丘陵，耕地少，農作物種植面積小。另外，青島和濟南是山東經濟中心，經濟重心為第二、三產業，且人口較多，所以人均生產水足跡較低。

3.2 生產水足跡結構差異

3.2.1 水足跡結構

山東省藍、綠、灰水足跡與生產水足跡變化趨勢相同（圖3），呈波動上升趨勢，占比分別為13.41%、61.91%和24.68%。各市生產水足跡中藍、綠、灰水足跡的構成比例與山東省一致，均為綠水足跡＞藍水足跡＞灰水足跡（圖4）。綠水和灰水足跡較高的依次為濰坊、菏澤、臨沂，較低的依次為日照、東營和威海。藍水足跡較高的是菏澤、德州、濟寧，威海最低。

綠水足跡占主體且增速最快。綠水全部由農業貢獻，主要來自種植業和林業消耗的有效降水及畜牧業和漁業飼料中的綠水^［25］。山東省綠水足跡波動增加，表明山東省對綠水的利用更加充分，有效緩解了藍水壓力。

藍水足跡雖增速較慢，但目前山東省地下水超采問題仍然存在，地下漏斗得不到有效恢復^［17］。水資源問題仍較嚴重。山東省應大力發展多水源利用技術，提升節水潛力，做好“開源節流”^［26］，一方面要充分利用土壤水和雨洪水資源；另一方面要大范圍推廣節水灌溉和新型工農業節水技術，建設高標準節水工程，保證藍水可持續利用。

灰水足跡波動增加但增速較緩。農業和生活灰水波動增長，工業灰水逐年減少。農業灰水增加表明農藥化肥及其他廢棄物導致水污染加重。因此需加快建設污染處理系統，加大對農業污染物處理的監管力度。生活灰水主要來自廚房、洗滌等。面對經濟發展和人口增加的用水需求和污水排放壓力，山東省需進一步通過水價改革、提高生活污水處理技術等方式提高生活用水使用率和回收率，降低生活灰水。工業灰水逐年減少，原因在于山東省增加了工業污染治理投資和治污設施運行費用投入^［27］，工業水污染逐漸減少。未來山東省應繼續提高工業廢物處理技術，進一步減少工業污染。

3.2.2 核算賬戶結構

山東省各核算賬戶生產水足跡占比由高到低為農業、生活、工業、生態和城鎮公共用水（表3），占比分別為92.86%、4.22%、2.17%、0.43%和0.32%。

農業各部門生產水足跡由高到低依次是種植業、畜牧業、漁業和林業。種植業、林業、畜牧業波動上升，漁業波動下降。種植業呈波動增長，但農業用水量占比持續降低，原因在于近幾年山東省大力發展節水農業，采用節水工藝和機械化作業，節水灌溉面積增加^［28］，用水效率提升。畜牧業年均占比為30.99%，畜產品單位產品水足跡較高使得畜牧業以約7.62%的產量貢獻了近1/3的水足跡。畜牧業生產水足跡增加是山東省近年來畜牧業機械化的成果，而且隨著經濟發展水平的提高，人民生活水平提升，對生活品質有了更高要求，增加了畜產品等高水足跡產品需求。漁業和林業水足跡年均占比分別為3.23%和0.57%，且年際變化較小。所以減少農業水足跡應主要從種植業和畜牧業入手。如優化種植結構，減少高耗水作物種植，種植蔬菜、水果等經濟產值高且耗水少的產品；充分利用虛擬水貿易進口高耗水的畜禽肉、蛋奶產品來緩解水資源短缺壓力。

工業生產水足跡呈下降趨勢。工業藍水足跡波動上升，工業灰水足跡大幅下降，反映了近年來山東省工業轉型的巨大成效，工業灰水減少量大于工業藍水增加量，使得山東省工業生產水足跡緩慢降低。工業藍水足跡增加表明隨著工業發展消耗了較多水資源，所以山東省需要在大力發展工業生產的同時大力應用工業節水技術。工業灰水足跡由2010年的49%下降至2021年的33%，表明隨著工業產業結構優化，山東省加強了工業水污染管理，將灰水足跡控制在較低水平。

居民生活水足跡波動上升。藍水足跡平穩增加，2010—2015年較穩定，2016年后增長較快，主要原因在于經濟發展和城鎮化進程推動了用水人口和需求增加，居民生活用水量增加。生活灰水足跡波動增加，灰水足跡約為藍水足跡的2.5倍，所以相對于節水，控制廢水中污染物的排放和治理是重中之重。

城鎮公共用水和生態用水均波動增加。城鎮公共用水年均增長率為1.04%，這是山東省城鎮化加快的結果^［29］，城鎮化帶來了城市人口膨脹和城鎮用地規模擴張，對城鎮公共建設用水需求增大。雖然生態用量總量較少，但增長最快，年均增長13.81%，因生態文明建設提出之后，山東省提高了生態意識，保證了生態環境蓄水量，注重生態建設與經濟發展的協調。在城鎮化進程中，山東省應重視發展節水技術，減少空間延展導致的水量損失，提高水資源利用率，同時注意避免城鎮化建設中生態環境用水被擠占，保障生態用水供應量。

3.3 綜合評價

3.3.1 效益指標

首先，2010—2021年山東省生產水足跡經濟效益整體上升（表4），說明生產水足跡在經濟發展中的作用不斷提高，即生產水足跡經濟產出逐年增加。青島和濟南經濟效益較高，菏澤、德州和聊城較低，這與各市產業結構有關。但山東省年均僅為27.4元/m³，明顯低于其他地區水足跡的經濟效益^［30］，所以不斷提高水資源利用率和單位經濟價值是未來努力的方向。其次，山東省生產水足跡人口效益略有波動，保持在4.11～4.48人/萬m³，年均4.28人/萬m³，說明山東省生產水足跡人口承載力較穩定，2010—2016年波動上升，2017—2021年波動下降。但劉燦輝等^［5］計算的太湖流域生產水足跡人口密度值為16.46～19.23人/萬m³，約為山東省的4倍，即山東省生產水足跡的人口效益較低，單位水足跡人口承載力較差。山東省的低人口承載力表明生產消耗的水資源在區域內起到的有效作用力較差^［19］，有關部門需引起重視并采取有效措施提高用水效率，從而提升人口效益。最后，水資源負載指數均大于10，呈先波動上升后波動下降的趨勢，即山東省水資源開發利用水平較高，日后開發困難，需要依靠跨流域調水補充水資源。

3.3.2 生態指標

山東省生產水足跡壓力指數年均值為9.11（表4），表明山東省生產耗水量遠超地區可利用水資源量，即水資源長期處于負均衡的超載狀態，水資源消耗量遠超可利用水資源量，在一定程度上反映了山東省地下水超采問題依然存在。從變化趨勢角度看，山東省總體呈現先增加后波動降低的趨勢，隨著農業節水灌溉面積不斷擴大、工業節水技術進步和南水北調工程的推動^［31-32］，地下水超采問題得以緩解，水資源緊張狀態有所緩和，但仍面臨巨大壓力。2021年的水資源壓力指數最低，2021年受大氣環流異常等的影響，山東省降水量大幅增加，比多年平均偏多24.5%，屬于豐水年份^［33］。2014年水資源壓力最高，原因在于2014年屬于大旱之年^［34］。即山東省水資源壓力不僅與本年度生產水足跡有關，也與降水補給程度有極大的關系，所以山東省在采取措施減少生產水足跡的同時，還應通過植樹造林、恢復植被、修建水庫和水利工程、退田還湖等人類活動增加空氣濕度，進而增加降水量。

3.3.3 可持續性指標

山東省生產水足跡增長指數年均為0.54%，其中2012—2013、2015—2016、2018年為負值。可利用水資源增長指數年均為12.41%，年際波動較大，原因在于山東省降水量年際變化較大，導致地表水和地下水資源量變動幅度較大。山東省水資源可持續指數年均為12.31%，年際變化為先下降后上升，除2021年為中不可持續外，其余年份均為強不可持續。這表明山東省水資源可持續性處于危機狀態，水資源壓力和水資源緊張狀況必須引起重視。所以山東省必須因地制宜，合理調整產業結構，降低高耗水工業和農業的生產水足跡比重，提高節水能力和污水處理技術，同時完善水利設施，保障調水和蓄水，緩解地下水開發壓力，發展節水技術。

4 結論

本文基于水足跡理論，對山東省及其16地市生產水足跡年際變化、空間格局和結構差異進行研究，從效益、生態和可持續性3個層面構建了區域生產水足跡評價體系并對山東省水資源利用狀況進行實證研究。

a）時空格局。年際變化角度，2010—2021年山東省生產水足跡整體呈波動上升趨勢，各市變化特征與山東省保持一致。空間格局角度，生產水足跡整體呈現西部、中南部高，東部、中北部低的分布特征；西北部和西南部人均生產水足跡較高；山東省年均生產水足跡為2 310.20億m³。

b）結構差異。水資源結構角度，山東省藍、綠、灰水足跡均呈增長趨勢，占比分別為13.41%、61.91%和24.68%，綠水足跡增長速率最快；各市藍綠灰水足跡比例與全省基本一致。核算賬戶結構上，由高到低為農業、生活、工業、生態和城鎮公共用水，農業占比高達92.86%。

c）綜合評價。2010—2021年山東省生產水足跡經濟效益逐漸增長，單位水足跡人口承載力較差，水資源壓力指數均較大，山東省水資源利用總體表現為強不可持續，水資源壓力較大，應及時采取調整產業結構、提高節水技術、增強污染防治等措施以緩解農業用水緊張的現狀。

參考文獻：

［1］HOEKSTRA A，HUNG P Q.Virtual water trade：A quantification of virtual water flows between nations in relation to international crop trade［J］.Water Science and Technology，2002，49：203-209.

［2］MEKONNEN M M，HOEKSTRA A Y.The green，blue and grey water footprint of crops and derived crop products，Value of Water Research Report Series No.47［R］.Netherlands：Delft，2010.

［3］MEKONNEN M M，HOEKSTRA A Y.The green，blue and grey water footprint of farm animals and animal products，Value of Water Research Report Series No.48［R］.Netherlands：Delft，2010.

［4］孫世坤，王玉寶，劉靜，等.中國主要糧食作物的生產水足跡量化及評價［J］.水利學報，2016，47（9）：1115-1124.

［5］劉燦輝，金文龍，孫英杰，等.水足跡視角下的太湖流域水資源利用評價［J］.中國農村水利水電，2022（8）：70-77.

［6］余灝哲，韓美.基于水足跡的山東省水資源可持續利用時空分析［J］.自然資源學報，2017，32（3）：474-483.

［7］鄭亨，杜海龍，黃靖.杭州市2010—2016年水足跡分析研究［J］.人民珠江，2019，40（5）：69-75.

［8］郭相平，高爽，吳夢洋，等.中國農作物水足跡時空分布與影響因素分析［J］.農業機械學報，2018，49（5）：295-302.

［9］王旭，高翔，曹蕾，等.水足跡視角下的寧夏中衛市農業水資源利用評價［J］.蘭州大學學報（自然科學版），2015，51（5）：619-624.

［10］操信春，任杰，吳夢洋，等.基于水足跡的中國農業用水效果評價［J］.農業工程學報，2018，34（5）：1-8.

［11］侯慶豐.基于水足跡的甘肅省農作物種植結構優化分析［J］.中國沙漠，2013，33（6）：1921-1927.

［12］田園宏，諸大建，王歡明，等.中國主要糧食作物的水足跡值：1978—2010［J］.中國人口·資源與環境，2013，23（6）：122-128.

［13］孫世坤，王玉寶，吳普特，等.小麥生產水足跡區域差異及歸因分析［J］.農業工程學報，2015，31（13）：142-148.

［14］劉巍，李雨晴，付強，等.黑龍江省糧食水足跡時空分布規律與影響因素分析［J］.農業機械學報，2020，51（8）：214-222，335.

［15］王月英，劉科偉.陜西省農業水足跡量化及對水資源的影響分析［J］.河北農業大學學報，2019，42（4）：109-116.

［16］商慶凱，陰柯欣，米文寶.基于水足跡理論的青海省水資源利用評價［J］.干旱區資源與環境，2020，34（5）：70-77.

［17］董亞楠，邢立亭，張欣慧，等.地下水超采區評價法及其應用［J］.地質與勘探，2019，55（2）：641-648.

［18］程雨菲，曹升樂，楊裕恒，等.山東省農業水足跡周期及趨勢變化分析［J］.南水北調與水利科技，2018，16（4）：169-175.

［19］戚瑞，耿涌，朱慶華.基于水足跡理論的區域水資源利用評價［J］.自然資源學報，2011，26（3）：486-495.

［20］史利潔，吳普特，王玉寶，等.基于作物生產水足跡的陜西省水資源壓力評價［J］.中國生態農業學報，2015，23（5）：650-658.

［21］劉獻，袁旦，韓軼菲，等.基于水足跡理論的甘肅省水資源利用與經濟增長脫鉤分析研究［J］.人民珠江，2022，43（7）：52-60.

［22］甘容，李旖旎，楊峰，等.基于三維水足跡模型的河南省水資源可持續利用水平評價［J］.水資源與水工程學報，2023，34（1）：30-39.

［23］于小兵，陳虹，吉中會，等.山東省農業氣象災害與主要農作物產量的灰色關聯分析［J］.災害學，2019，34（3）：103-108.

［24］何治韋.基于水足跡的生態補償機制研究［J］.水利科技與經濟，2019，25（11）：26-32.

［25］賈浩，李碩，宋英杰，等.滄州市農業水足跡變化特征與驅動因素分析［J］.中國農業大學學報，2018，23（6）：1-14.

［26］杜貞棟，王昕，周榮星.山東省農業適水發展對策研究［J］.山東水利，2021（1）：1-4，11.

［27］宋雪青.高技術產業技術創新能力及影響因素研究［D］.廣州：廣東財經大學，2022.

［28］李明輝.山東糧食生產水資源配置及優化策略研究［D］.濟南：山東農業大學，2019.

［29］王迎婧.城鎮居民采用節水器具的影響因素研究［D］.西安：西安理工大學，2022.

［30］焦士興，郭力菲，王安周，等.基于水足跡理論的河南省水資源利用評價［J］.人民黃河，2021，43（11）：87-91，96.

［31］馬承新，鄧海燕，王維平.山東省與其他區域間虛擬水貿易定量研究［J］.灌溉排水學報，2015，34（7）：54-56.

［32］楊亞鋒，高媛媛，許新宜，等.水資源生態安全的時空分異特征：以南水北調東線山東段為例［J］.南水北調與水利科技（中英文），2022，20（5）：833-841.

［33］山東省水利廳.山東省水資源公報［M］.濟南：山東出版社，2010—2021.

［34］盧書梅，楊傳國，谷黃河.1959—2018年山東省降水時空分布特征與洪旱演變規律［J］.水資源與水工程學報，2020，31（6）：60-66.

（責任編輯：程 茜）