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水足迹研究进展及展望
作者:   时间:2014年12月15日 【字号: 】【打印本页】【关闭】

  

  刘俊国

  北京林业大学

  1.前言

  水资源已经成为影响全球经济与社会可持续发展的关键因素。目前全球三分之一的人口面临水资源短缺的威胁,到2030年全球可能有近一半的人口将面临水资源短缺问题(Vorosmarty et al., 2000; Oki and Kanae, 2006; Vorosmarty et al., 2010)。水资源危机对于全球经济具有深远的影响。达沃斯世界经济论坛《2014年全球风险报告》明确指出水资源危机是影响当今全球经济发展的主要风险,其对全球经济的影响程度居31项风险因子之首,是世界社会经济可持续发展的关键(World Economic Forum, 2014)。

  水足迹在水资源评价方面具有独特的视角。因此,水足迹的概念近年来引发了科学界、国际社会、各国政府及商界对水循环和水资源合理配置的重新思考,并逐步影响着人类水资源评价与管理的思维方式(Hoekstra et al., 2011)。评价全球、国家、流域和地区的水足迹近年来成为国际上水资源研究领域非常活跃的一个方向(Hoekstra and Chapagain, 2007;Zeng et al., 2012)。水足迹指生产消费者消费的产品和服务所消耗的水资源量(Hoekstra et al., 2011)。与传统的用水指标相比,水足迹具有四方面鲜明特点。第一,水足迹关注重点是耗水,在一定程度上水足迹比用水更能表征流域和区域实际的水资源消耗(Hoekstra, 2009);第二,水足迹不仅关注地表水和地下水(蓝水),还关注土壤水(绿水)以及水污染(灰水),为综合评价水资源提供了理想的理论框架和方法支持;第三,水足迹能够反映消费者对区域内部水资源(内部水足迹)和外部水资源(外部水足迹)的依赖程度,将水资源评价的视角从区域内部拓展到外部,为保障区域水资源安全提供了新的思路(Hoekstra,2009);第四,水足迹衡量从生产到消费整个供应链上的耗水,对于产业结构调整也是一个有效的工具(Ridoutt and Pfister, 2010)。

  本文重点阐述国内外近年来在水足迹领域的研究进展。在此基础上,结合京津冀水资源问题探讨京津冀一体化背景下水足迹的研究重点。

  2.国内外研究进展

2.1水足迹是当前水资源研究的热点

  水足迹是Hoekstra and Hung为了更好地评价人类各种生产和消费方式对水资源的影响而提出的(Hoekstra and Hung, 2005)。水足迹概念深植于人类对水生态系统的影响最终与其消费模式密切相关的理念。该概念的提出,为从生产、消费、贸易以及产品供应链角度评价人类对于水资源的消耗提供了崭新的视角(Hoekstra, 2014; Hoekstra and Mekonnen, 2012;Ridoutt and Pfister,2010),引发了科学界对水资源利用的重新思考,并逐步影响着人类水资源评价和管理的思维方式(Gerbens-Leenes et al., 2009; Hoekstra and Mekonnen, 2012;Yang et al., 2013)。

  虽然水足迹的概念体系和评价方法仍处于初期发展阶段,但水足迹评价已经在水文水资源领域得到了高度重视。联合国环境署(UNEP)、斯德哥尔摩国际水资源研究所(SIWI)、联合国粮食及农业组织(FAO)、世界自然基金会(WWF)等国际机构和组织都已致力于水足迹的研究。2008年由“水足迹之父”Hoekstra发起成立水足迹网络,标志着水足迹研究与应用进入了一个新的阶段。据Web of Science的统计,2008-2013年间出现了1451篇以“水足迹”为标题或关键词的科研论文,极大的推动了水足迹在科研及应用领域的发展。2012年Hoekstra and Mekonnen在PNAS上发表题为“人类水足迹”(The water footprint of humanity)的文章,从生产、消费和贸易三个方面对人类水足迹进行了系统的核算(Hoekstra and Mekonnen, 2012)。2014年,Hoekstra and Wiedmann (2014)在Science上面发表了题为“人类不可持续的环境足迹”(Human’s unsustainable environmental footprint)的文章。以上两篇文章的发表在一定程度上表明水足迹概念在科学研究领域得到广泛认可和高度关注,并成为水资源研究的热点。

2.2水足迹研究正由单纯的定量核算向可持续性评价方向发展,但可持续性评价尚未形成完善的理论方法体系

  水足迹研究初期以定量核算为主,研究内容主要集中在全球、国家、区域、流域、企业水足迹的核算(Hoekstra and Chapagain, 2007; Liu and Savenije, 2008; Gerbens-Leenes et al., 2009; Fader, et al., 2011; 盖力强等, 2010; 马静等, 2005; 龙爱华等, 2003)以及水足迹时空分布分析(Hoekstra and Mekonnen, 2012; Mekonnen and Hoekstra, 2010); Mekonnen and Hoekstra, 2010)。水足迹可持续性评价是目前水足迹研究的趋势之一(Hoekstra and Mekonnen, 2012; Zeng et al., 2012)。Hoekstra(2008)最早提出水足迹在量化之后,需进行可持续性评价。针对蓝水、绿水和灰水足迹,Hoekstra et al.(2011)提出了相应的可持续评价的模型和方法,并应用于全球蓝水足迹的可持续性评价。Pfister et al.(2009)构建了水资源压力指数(Water Stress Index),用于评价特定产品的水足迹对地区水资源产生的压力。作者的研究团队估算了我国黑河流域逐月的蓝水足迹,并通过与蓝水资源量进行比较,得出该流域一年中有8个月份蓝水资源利用不可持续的结论(Zeng et al., 2012)。

  目前水足迹可持续评价仍然处于初级发展阶段,研究内容主要集中在水量引发的蓝水足迹的可持续利用方面,综合考虑水量、水质的水足迹可持续性评价方法仍较为欠缺(Liu et al., 2012; 刘梅等, 2012),尚未形成完善的可持续性评价理论与方法体系。针对这一问题,作者的研究团队初步建立了基于灰水足迹的水资源短缺评价方法,并应用于北京市水量型和水质型水资源短缺的评价(Zeng et al., 2013)。结合该研究的思路,进一步研究水足迹对当地和外地水资源量及水环境的影响,有助于深化水足迹可持续性评价的基础研究,并有望在综合考虑水量、水质的水足迹可持续性评价方面取得科研突破。

2.3驱动机制分析是水足迹研究的新方向,但在驱动因子识别和驱动机制定量表达方面的研究基础尚非常薄弱

  为减少人类活动对水资源造成的压力,需要通过各种手段减少水足迹(Hoekstra et al., 2011)。制定水足迹减量目标迫切需要对引起水足迹变化的驱动因子进行深入剖析。驱动力分析可为流域和区域水资源可持续利用提供重要参考(Hoekstra and Chapagain, 2007))。近年来,水足迹演变的驱动机制分析成为水足迹研究的一个新的方向。Hoekstra and Chapagain(2007)提出影响一个国家水足迹的主要因素包括消费模式、气候条件和农业生产中的水利用效率,但没有对驱动机制进行定量研究。Zhao et al.(2010)在水足迹演变驱动力分析方面具有丰富的科研成果。我国学者曾应用指数分解方法将海河流域的水足迹强度(单位经济总产出的水资源用水量)分解为强度效应和结构效应两个因子。研究结果表明,海河流域各产业部门节水技术的提高(强度效应)是引起海河流域水足迹强度下降的主要原因,而产业结构调整(结构效应)也在一定程度上帮助减少水足迹强度。Zhang et al. (2012)采用结构分解方法将北京的水足迹按照技术进步、结构效应以及最终消费需求进行分解,指出最终消费需求增长是引起北京水足迹增加的主要原因。

  尽管在水足迹演变驱动力分析方面国内外开始出现了一些探索性的研究,但是驱动机制分析目前仍然存在以下几方面问题:驱动因子选择简单,没有充分考虑生产、消费、贸易、产业结构调整等综合因素的影响;驱动力分析方法选择科学依据不足(Zhang et al., 2012)。最重要的是,目前已有的水足迹驱动力研究均假设外部水足迹变化与内部水足迹变化有相同的驱动因素,这显然与实际情况不符。水足迹的“脚印”并非仅作用于区域内部,而且还通过产品贸易作用于区域外部。对于一个区域来说,其消费的外部进口产品所包含的水资源(外部水足迹)是对出口地区水资源的一种占用,也是对本地水资源压力的一种转移,而外部水足迹的变化是由出口地区的社会经济活动所决定的。因此,驱动力分析需综合考虑不同驱动因子的影响,并将研究边界从研究区内扩展到区外,构建更为合理的驱动因子识别及驱动机制分析体系。

2.4基于水足迹理念进行区域水资源调控成为水资源管理的新趋势,但如何调控尚缺乏科学支撑

  水足迹概念简单明了、易于理解,为国际组织、政府机构、企业以及公众提供了一个交流水资源可持续利用的有效工具(Yang et al., 2013)。但很多研究者也指出:水足迹在政策层面上的价值未得到充分体现(Chenoweth et al., 2013; Perry, 2014)。作为尝试,一些国家已将水足迹纳入其水资源管理政策。西班牙环境部要求流域规划中遵照欧盟水框架指令对流域水足迹进行探讨。荷兰众议院提出“政府在经济政策中应要求荷兰企业发布其水足迹,并且当水足迹对水资源短缺地区产生影响时,需要致力于减少这些地区的水足迹”。在印度,水足迹也包含在新的国家水政策中,并要求项目环境影响评价中包含水足迹分析。

  在目前已有的水资源政策中,水足迹发挥的作用仍然有限,较多是面向企业的一种限制性政策,尚不能充分用于区域水资源调控,以直接服务于水资源综合管理。由于水足迹研究起步较晚,相关基础研究仍然非常薄弱,如何基于水足迹理念进行区域水资源调控尚缺乏足够的科学支撑。2013年12月在英国利兹大学召开的水足迹国际研讨会上(Tillotson et al., 2014),20余名国际专家参会,呼吁水足迹研究应该从单纯的数量核算转向为水资源管理和生产实践服务,加强水足迹的基础与应用研究,为水资源可持续利用、产业结构调整及水政策制定提供分析方法。

  综上所述,水足迹的研究已经从单纯的数量核算向水足迹可持续性评价发展;从定性的驱动力分析向定量的驱动机制表达方向发展;从单纯的水足迹评价向服务于水资源合理利用和调控方向发展。但由于水足迹研究总体起步较晚,在水足迹演变驱动机制和可持续性评价方面研究基础非常薄弱。目前亟需进一步加强水足迹方面的基础研究,构建结合水足迹核算、驱动机制分析和可持续性评价的理论框架和方法体系,为区域水资源合理调控和配置提供理论依据和科学支撑。

  3.京津冀一体化背景下水足迹研究重点

  我国当前面临着严峻的水资源问题。2011年我国中央一号文件明确要求实施最严格的水资源管理制度,并将水安全提升到国家安全的战略高度。我国的水资源问题在京津冀地区尤为突出。北京、河北年人均水资源量约300m3,天津约为160m3,都远低于国际公认的1700m3的水资源短缺阈值(Falkenmark and Widstrand,1992)。由于水资源的过度开发利用以及与之伴生的污染物排放问题,京津冀地区正面临着地下水位持续下降、河道干涸、湖泊湿地萎缩、地表和地下水严重污染等一系列生态环境问题(王浩等,2004;杨志峰等, 2005;封志明和刘登伟,2006;夏军等,2006;严登华等, 2013)。)。

  京津冀土地面积只有21.6万km2,仅占全国的2%,但总人口占全国的8%,地区生产总值达全国的11%,进出口总额占全国的15%,是国家发展的重要一极。京津冀已成为继长三角、珠三角之后,第三个最具活力的城市群。但长久以来,京津冀三个地区的发展严重不平衡,河北相对落后,与北京和天津在产业上不对接,京津冀没有实现真正的一体化。今年2月,习近平总书记听取京津冀协同发展工作汇报时强调:实现京津冀协同发展是一个重大国家战略。中国国务院总理李克强在3月5日政府工作报告中指出:加强环渤海及京津冀地区经济协作。这标志着京津冀一体化已进入快速通道。

  面向京津冀一体化国家重大战略和区域水安全重大需求,揭示京津冀水足迹演变规律,阐明其驱动机制,并构建水足迹调控模式,有助于把握京津冀地区水资源合理利用方向,探讨水资源有效配置途径,这对于京津冀地区实施最严格水资源管理制度和保障区域水安全具有重大的现实意义。同时,由于京津冀地区水资源禀赋差、区内外贸易频繁、产业结构调整速度加快,在京津冀一体化背景下开展水足迹评价,有助于丰富和发展国际上水足迹的基础和应用研究。更为重要的是,目前我国在水足迹驱动力分析方面已开展大量的研究,在此基础上,进一步完善水足迹驱动机制表达和可持续性评价方面的理论框架和方法体系,有助于我国跻身水足迹研究的国际前沿。鉴于此,在京津冀一体化背景下,应重点加强水足迹在以下几方面的研究工作。

3.1 京津冀水足迹演变趋势和驱动机制研究

  京津冀地区属于严重缺水的地区,水资源短缺及其造成的生态环境问题,已成为制约京津冀经济、社会可持续发展的重要“瓶颈”。随着社会经济的快速发展,京津冀三省市用水量急剧增加,水资源供需矛盾日益加剧,京津冀地区间及周边省区的水事纠纷日趋突出。同时也导致了地下水位持续下降、河道干涸、湖泊湿地萎缩、地表和地下水严重污染、地面沉降、海水入侵等一系列严重后果。

  水是制约京津冀发展的“瓶颈”,也是联系京津冀发展的一条纽带。京津冀同处一个流域单元,其水资源是一个系统,生态环境是一个整体。统一规划、综合评价、协调治理京津冀的水问题,在京津冀一体化的背景下显得尤为重要。深入剖析水足迹的演变趋势和驱动机制,可为建立以水为纽带的区域发展模式提供理论依据和数据支持。

  国际上水足迹驱动力研究刚刚起步,相关研究驱动因子选择单一,驱动力分析方法简单,尚不能为理解水足迹演变驱动机制提供可靠分析。目前还未见考虑多区域产业间相互作用的水足迹驱动力分析。针对高度依赖外部水资源的京津冀地区,发展区域间多产业部门的投入产出分析模型,构建区域间水足迹驱动力分析框架,阐明内、外部区域驱动因子对研究区水足迹的影响机制,能够在水足迹高度外部化地区的水足迹演变驱动机制研究方法方面取得原始性创新。

3.2 京津冀区域间及其与外部区域水足迹相互影响机制

  长期以来,河北为北京和天津提供了大量的资源及原材料,以满足两地日益增长的消费需求,这也是导致河北水资源紧缺及水污染的重要原因。而由于河北与京津水系相连,河北的水问题也反过来作用到北京及天津。水足迹能够评估区域间由于贸易活动引起的一个区域对另一个区域水资源占用的情况。通过分析水足迹的时空分布规律,评价京津冀区域间的相互影响,以及京津冀整体与其他省区间的关系,为促进京津冀协同解决水资源及水环境问题提供理论基础。

  随着京津冀一体化政策的实施,京津冀地区的城市化水平进一步提高,无疑将增加地区水资源压力。2011年中央一号文件明确提出要“实施最严格的水资源管理制度”,并为水资源量、用水效率以及水质功能区设立了三条限制型“红线”。2013年“三条红线”被分配到各省级行政区。面向实施最严格水资源管理制度的重大需求,通过核算水足迹这一综合性水资源评价指标,可以识别引起水资源消耗的关键部门及其产业链;通过水足迹驱动力分析,能够识别导致水足迹演变的关键因素,可为京津冀地区实现最严格水资源管理制度提供科学支撑。

3.3 京津冀水足迹调控模式分析

  北京是世界上最为缺水的巨型城市之一。北京城市总体规划(2004年-2020年)已将水资源承载力作为限制北京城镇人口规模的重要因子。2012年北京人均水资源量仅为191m3,且自上世纪90年代以来,面临多年持续干旱。与此同时,1988至2012年,北京市的人口增长了195%,GDP增长了四倍。尽管北京的人均用水量较低,但其消费水足迹很高,所以北京不得不外部化其水足迹到天津、河北甚至其他省份和国家。北京每年外部水足迹占总水足迹的50%以上。因此综合北京的内部、外部水足迹,阐明区域内、区域外驱动因子对北京水足迹的影响,对制定北京水足迹减量目标至关重要。同时,探讨不同产业结构调整下的水足迹调控模式,可为首都寻求水足迹减量途径,缓解首都水资源压力,以及提高其水资源承载力提供理论基础和科学支持。

  水足迹不仅关注地表水和地下水(蓝水),还关注土壤水(绿水)以及水污染(灰水)。而且,水足迹能够反映消费者对区域内部水资源和外部水资源的依赖程度,将水资源评价的视角从区域内部拓展到外部,为保障区域水资源安全提供了新的思路。研究京津冀地区间及其与外部地区的水资源联系,分析京津冀地区产业结构调整方向和水资源调控模式,为水资源可持续利用、产业结构调整及水政策制定提供新的研究思路。

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