侯小洁，范 珂，何琴慧，黄志强

（商洛学院 化学工程与现代材料学院，陕西 商洛 726000）

水资源的可持续利用是指区域水资源与人口、环境、社会和经济协调发展，能够满足当代和后代发展所需的水资源。对水资源进行科学全面的评估，是实现水资源优化配置和可持续利用的前提［1］。水足迹理论是Hoekstra在虚拟水理论［2］的基础上提出的，该理论认为区域生产和消费的水资源总量除了直观、可见的直接用水量外，还包括所有生产和消费过程中所间接消耗的水资源量［3］。基于水足迹理论对区域的水资源可持续发展能力进行综合评估，能够更加真实地反映出水资源与区域社会经济发展的关系，为水资源可持续利用水平的提升开辟了新路径，为区域水资源规划、管理和决策提供了有效参考。

陕西省地处我国西北地区，干旱少雨，是我国水资源严重短缺的省份之一。随着人口的增长和城市化进程的加快，经济社会发展和水资源利用之间的矛盾更加突出。作为“一带一路”战略布局的重要省份，陕西省承担着为世界及沿线国家和地区搭建经济、政治、文化合作新平台的重任，而严峻的水问题已经成为制约“一带一路”战略实施的关键因素之一［4］。学者们对陕西省水资源利用情况进行了大量研究，主要集中在水资源承载力评估［5-9］、水资源脆弱性评价［10-11］和水资源生态足迹研究［12-15］等方面，这些研究虽各有侧重，但不能全面揭示区域水资源的利用情况，且只考虑了直接用水量，忽略了水资源的间接消费情况，无法反映区域水资源的真实消费构成。鉴于此，本研究基于水足迹视角，对陕西省2011—2020年水足迹账户进行了全面计算和分析，利用层次分析法构建了陕西省水资源评价指标体系，采用模糊综合评价法对陕西省水资源可持续利用情况进行了综合评价，以期为提高水资源可持续利用水平、有效缓解水资源短缺现状提供理论依据和数据参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

陕西省地处中国西北地区，横跨黄河、长江两大水系，位于31°41′～39°35′N，105° 29′～111° 15′E之间，总面积约20.56万km2。以秦岭为分界线，北部为黄土高原和关中平原，属黄河流域，面积广阔，但水资源总量少；南部为秦岭山地，属长江流域，面积小，水资源却十分丰富。受大陆性季风气候的影响，陕西冬季干燥，夏季多雨，加上南北跨度大，使得全省水资源时空分布严重不均，是全国较严重的缺水省份之一［16］。

1.2 数据来源

本研究中万元GDP用水量、工业用水量、居民生活用水量、生态环境用水量等数据来自2011—2020年《陕西省水资源公报》；总人口数、国民生产总值、进出口贸易总值、主要农产品产量等数据来自2011—2020年《陕西省统计年鉴》和《陕西省国民经济和社会发展统计公报》。

2 研究方法

2.1 水足迹量化方法

水足迹包括生产消费的直接耗水量和间接虚拟耗水量2个部分，计算公式为：

其中，WFP为总水足迹；IWFP为内部水足迹，即生产于本区域且用于本区域的水资源总量，不包括通过商品贸易出口给其他区域的虚拟水量；EWFP为外部水足迹，即生产于其他区域并被本区域所消费的水资源量，不包括从其他区域进口后再出口的虚拟水量；AWU为农业水足迹；IWW为工业水足迹；DWW为生活水足迹；EWW为生态水足迹；VWEdom为出口虚拟水足迹；VWI为进口虚拟水足迹；VWEre-export为进口再出口的虚拟水足迹。

2.1.1 农业水足迹农业消耗水资源最多，计算农业水足迹能够更加真实地反映出农业的水资源利用情况。根据水足迹理论，农业水足迹包括农作物虚拟水和动物虚拟水2个部分。农业虚拟水量可用农产品单位产品虚拟水含量与产量的乘积来计算。农作物的单位虚拟水含量采用世界粮农组织修正的标准彭曼公式来计算［3］。动物虚拟水含量包括动物整个生长过程中所消耗的水量和宰杀加工用水。因为核算复杂，动物的单位虚拟水含量参考相关文献中的研究成果［17-20］。

2.1.2 工业水足迹和贸易水足迹工业水足迹包括工业生产中用于制造、加工、洗涤、冷却等所有过程中的用水量。这里采用工业产品进出口贸易差值与工业产品万元GDP用水量来进行估算。贸易水足迹采用万元GDP用水量和进出口贸易总值的乘积进行估算。由于进口再出口的虚拟水量相对较少，且数据难以获得，因此本研究忽略了这部分虚拟水量。

2.1.3 生活和生态水足迹生活水足迹以城镇居民生活用水量和公共用水量的总和来表示。生态水足迹用水资源公报中的生态环境用水量来表示。

2.2 水资源可持续利用评价指标体系的构建

综合考虑陕西省水资源供需条件、社会经济发展情况以及生态环境保护情况，客观、全面、科学地选取相关指标，采用层次分析法将陕西省水资源可持续利用评价指标体系分为目标层、准则层和指标层3个层次，选择3个准则12个指标构建陕西省水资源可持续利用评价指标体系（表1）。区域水资源可持续状态判断流程如图1所示。

图1 区域水资源可持续性判断流程

表1 陕西省水资源可持续利用评价指标体系

2.3 模糊综合评价模型的构建

2.3.1 建立因子集根据陕西省水资源可持续利用评价指标体系将陕西省水资源可持续利用评价指标分为两级。一级准则层因素B=｛B1，B2，B3｝，二级指标层因素集C=｛C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12｝，其中B1=｛C1，C2，C3，C4，C5｝，B2=｛C6，C7，C8，C9，C10｝，B3=｛C11，C12｝。

2.3.2 确定评判集参考相关文献，结合陕西省水资源实际情况，将水资源可持续利用能力划分为3个等级：Ⅰ级(V1)表示水资源可持续发展能力较好，Ⅱ级(V2)表示水资源可持续发展能力有一定的潜力，Ⅲ级(V3)表示水资源可持续发展能力较差。由于等级V1、V2、V3的递减关系，利用综合评分值A= 0.95V1+0.5V2+0.05V3将评判等级进行量化，A值越高，代表水资源可持续利用水平越高。指标分级标准详见表2。

表2 陕西省水资源可持续利用评价等级标准

2.3.3 确定指标权重采用熵权法确定各评价指标权重。根据陕西省水资源可持续利用评价指标体系，选取2011—2020年的数据进行评价，则原始数据构成的矩阵为A=(aij)12×10。将水资源可持续利用评价指标分为正向和逆向2类指标。若指标值越大，水资源可持续利用水平越高，则为正向指标，反之为逆向指标。将原始数据进行归一化处理，得到归一化矩阵B=(bij)12×10，其中

以表1所构建的评价体系为基础，定义第i个指标的熵，计算公式为：

式中：

且当fij=0时，fij·ln( fij)=0。则第i个指标的熵权为：

2.3.4 确定隶属度函数针对单一影响因素Ci进行模糊评价，评价结果为Vi，则影响因素Ci对评价结果Vi的隶属度为rij。所有单一影响因素对其评价结果的隶属度组成模糊评价矩阵R=r(ij)12×10。

2.3.5 模糊综合评价根据权重集W和模糊评价矩阵R，采用加权平均的算法，得到目标因素对评价等级的隶属向量集合Di=Wi×Ri。对其进行归一化处理，依据表2选取相应的量化值组成向量V，通过公式E=D×VT可以得到最终的综合评价结果。

3 结果与分析

3.1 水足迹账户分析

3.1.1 水足迹变化趋势分析由图2和表3可知，2011—2020年陕西省总水足迹和内部水足迹总体呈上升趋势，均在2020年达到最高值，2018年有所下降，2018—2020年增长明显。原因在于农业水足迹占内部水足迹比重较大，研究时段内农业水足迹稳步增长，且在2018—2020年增速达到最大。2018年有所下降主要是因为出口贸易水足迹的明显增加和生态用水量的相对减少。2011—2013年，总水足迹和内部水足迹值十分接近，2014—2020年，随着进口贸易水足迹的逐年上升，两者之间的差距逐渐拉大。人均水足迹总体呈上升趋势，2016—2018年有所下降，2018年下降后以年均1.8%的速度迅速增长，远高于多年平均增长率0.6%，这与研究时段陕西省总人口增长速度密切相关。2011—2020年陕西省总人口数以年均0.5%的速度增长，2016—2018年平均增速高达0.7%，2019—2020平均增速下降到0.3%。受陕西省进口贸易总额的影响，外部水足迹总体呈上升趋势，其中2011—2013年相对较少，2014—2020年增长明显，平均增速同比增长9.7%。

图2 陕西省2011—2020年总水足迹、内部水足迹与人均水足迹的变化趋势

3.1.2 水足迹消费结构分析由表3可知，2011—2020年农业水足迹占总水足迹的比重最大，平均高达94.9%。其中农作物水足迹平均占比70.1%，动物产品水足迹平均占比24.8%，是需水量最大的2个项目，可见农业产品水足迹在陕西省水资源消费中占据主导地位。其次是工业水足迹、生活水足迹、生态水足迹和贸易水足迹，分别占总水足迹的2.2%、2.1%、0.8%和0.1%。由图3可知，研究时段内，农作物产品水足迹整体呈上升趋势，平均增速为1.8%，主要是因为陕西省主要经济作物如粮食、水果、蔬菜、油料等产量逐年增加。动物产品水足迹在2011—2015年逐渐增加，2015年以后有所下降，说明随着人口数量的增加和生活水平的提高，居民对肉蛋奶制品的需求总量逐年增加，但同时居民消费观念和健康意识也在不断提高，所以动物产品水足迹出现了小幅下降的情况。

表3 陕西省2011—2020年水足迹账户

图3 陕西省2011—2020年农产品水足迹

由图4可知，农作物产品中粮食作物的年平均水足迹最高，主要是因为陕西省粮食作物产量较高，远高于其他作物；其次是水果、蔬菜、油料、茶叶、烤烟、棉花、麻类和油料。水果和蔬菜的单位产量虚拟水含量不高，但产量较大，仅次于粮食作物。油料的产量位居第4位，单位产品虚拟水含量略低于粮食。茶叶的产量不多，但单位产量虚拟水含量最高，是粮食的6.5倍。麻类的单位产量虚拟水含量仅次于茶叶，但产量不大。

图4 陕西省2011—2020年主要农作物产品单位产量 虚拟水含量及年平均水足迹

由图5可知，年均水足迹从高到低依次是禽蛋、奶类、猪肉、牛肉、羊肉、蚕茧和蜂蜜。禽蛋、奶类和猪肉的产量位居前三，但单位产量虚拟水含量均不高。牛肉和羊肉产量分别位列第4、第5位，但单位产量虚拟水含量非常高。蚕茧和蜂蜜的产量相对较低，蚕茧单位产量虚拟水含量仅次于牛、羊肉，蜂蜜的单位产量虚拟水含量最低，仅为牛肉的1/10。结合虚拟水理论，从水资源优化配置角度来看，陕西省应减少对单位产量虚拟水含量较高农产品的生产和消费，可通过其他途径来补充需求。同时，适当增加单位产量虚拟水含量较低且经济价值高的农产品的种植规模，这样才能提高水资源的利用效率。即调整农业种植结构，适当增加水果和蔬菜等作物的种植规模，减缓增加茶叶和麻类作物的种植规模。同时加大蛋奶和猪肉的生产，减少对牛、羊肉的生产和消费。

图5 陕西省2011—2020年主要动物产品单位产量虚拟水含量及年平均水足迹

3.2 水资源可持续利用评价结果分析

依据表1计算2011—2020年陕西省水资源可持续利用评价指标，并用MATLAB软件计算得到各评价指标的权重，结果如表4所示。

表4 陕西省2011—2020年水资源可持续利用评价指标及权重计算结果

3.2.1 水资源发展水平分析由表4可知，陕西省2011—2020年水资源自给率较高，均在99%以上，说明陕西省水资源基本能够满足省内发展需要。但作为全国水资源较为紧缺的省份，过高的水资源供给率给陕西省水资源带来了较大的压力，水资源自给率除2016和2017年略有上升外，其他年份均处于下降状态。与之对应的水资源进口依赖度恰好相反，整体上处于上升趋势。这与陕西省进出口贸易水足迹的特点息息相关。陕西省进出口贸易水足迹均不高，进口贸易水足迹仅占总水足迹的7%，因此外部水足迹较低；出口贸易水足迹仅占总水足迹的6%，进出口贸易水足迹差额只有总水足迹的1%左右。但随着陕西省社会经济的不断发展，贸易流通量在逐年加大，进出口贸易水足迹均呈现逐年增加的趋势。

由图6可知，2011—2020年陕西省可用水资源增长指数变动幅度较大。可用水资源增长指数的大幅变动是由于年降水量分布不均导致的。水足迹增长指数整体呈下降趋势，最高值出现在2012年，最低值出现在2018年，为负增长。2013、2014、2016、2017、2018年水足迹增长指数小于研究时段的平均值，说明陕西省最严格水资源管理和水生态文明建设工作成效显著。水资源可持续指标定量反映了区域水资源可持续利用能力［23］。水资源可持续指标在2014年达到最高值，2013年也显著高于其他年份，且其他年份变化幅度不大。根据区域水资源可持续状态判断流程图（图1）可知，研究时段内，陕西省水资源仅2017和2019年处于可持续发展状态，可见陕西省水资源问题十分严峻。

图6 陕西省2011—2020年水资源可持续能力判断指标

3.2.2 水资源与经济社会发展协调水平分析结合图2和图7可知，研究时段内，虽然总水足迹和人口数量均呈增加趋势，但水足迹人口密度总体呈下降趋势，说明陕西省万吨水足迹承载人口能力在逐渐下降。水足迹土地密度在逐年增大，说明随着总水足迹的不断增加，单位土地面积的水足迹承载压力在增大。水资源贡献率总体呈上升趋势，说明研究时段内，陕西省水资源除了支撑本省的发展外，还不同程度地缓解了其他地区的水资源压力。尤其是2014年以后，随着陕西省经济的快速发展，更多的水资源通过出口的形式流通到了其他地区，创造了一定的经济价值。水足迹经济效益值在逐年上升，说明研究时段内，陕西省水资源利用效率在逐年增加，由水足迹带来的经济价值在逐年升高。这也为陕西省经济发展指明了方向，既要统筹规划水资源利用，同时加强对现有水资源的保护，让水资源在满足本省发展需求之外还能在一定程度上创造经济价值。水资源净贸易量总体呈上升趋势，说明研究时段内，陕西省水足迹贸易流通在不断增强，经济发展活力持续增强。

图7 陕西省2011—2020年水资源与经济社会发展协调水平分析

3.2.3 水资源安全水平分析由4表可以看出，研究时段内，陕西省的水资源匮乏指标和压力指数除2011年外，其他年份的对应值均在100%以上，其中2016年甚至高达200%以上。而依据水资源可持续利用状态分析结果可知，仅2017和2019年陕西省水资源呈现可持续利用状态，但对应的水资源匮乏指标和水资源压力指数也都超过了100%，可见陕西省水资源严重短缺，且省内生产需水量对可用水资源量作用强度极大，水资源系统已严重超载，水资源安全状况不容乐观。但2016年以后，随着陕西省省市县三级水资源管理体系的建立和最严格水资源管理制度的落实、“引汉济渭”“引红济石”等水利工程的建设、水生态文明建设的日益推进以及流域污染综合治理的进一步实施等，陕西省水资源匮乏指标和压力指数近年来有所下降，但改善水资源安全状况仍然迫在眉睫。

3.2.4 水资源可持续利用能力综合评判根据模糊评价模型，计算得到2011—2020年陕西省水资源可持续利用水平综合评价结果（表5）。由表5可以看出，2011、2014、2015、2017、2018、2019、2020年陕西省水资源可持续利用水平综合评价等级均为Ⅰ级，水资源可持续发展能力较好。2012、2013年评价等级为Ⅱ级，水资源可持续发展能力有一定的潜力。2016年评价等级为Ⅲ级，水资源可持续发展能力较差。

表5 陕西省2011—2020年水资源可持续利用水平综合评价结果 分

图8为2011—2020年陕西省水资源可持续利用综合评分变化图，可以看出研究时段内，陕西省水资源可持续利用水平综合评分呈现出曲折上升的发展态势，说明陕西省水资源综合利用水平向越来越高的方向发展。其中2012—2015、2018—2020年稳步上升，尤其是2018—2020年增速较快。2012年召开的陕西省第十二次党代会上确立了水利在基础设施建设中的重要位置，着力构建“五大体系”，建立“十大工程”。近10年来，陕西省省委、省政府坚持实行最严格的水资源管理制度，建设了多个水利工程和水利枢纽项目，启动农业灌溉设施建设和改造项目，积极开展水土保持和水生态修复工作，极大地保护了该省的水资源安全，提高了水资源利用效率。虽然陕西省水资源可持续利用水平有向好发展的趋势，但整体水平仍然偏低，仅有0.6左右，水资源利用水平还有很大的提升空间。

由图8可以看出，2012、2016年水资源可持续利用水平综合评分下降幅度较大。2012年出现拐点主要是因为2011年全省降水量偏高，比多年平均降水总量增加了近30%，而2012年降水量与多年平均值持平，可用水资源总量相比2011年减少了35%左右，且2012年生活用水、农业水足迹、工业水足迹、出口贸易水足迹等水资源消费项目均较2011年有所上升。2016年虽然属于下降水平，但汛期降水量偏少，地表径流量比多年平均值减少了37%，地下水量也有所下降，可用水资源增长指数低至-18.58%，显著低于其他年份，且水资源匮乏指数和压力指数达到200%以上。说明水资源持续利用水平受水资源条件影响较大，因此，必须从虚拟水的角度来统筹分配水资源供给，才能满足经济社会发展的需求，提高水资源可持续利用的水平。

图8 陕西省2011—2020年水资源可持续利用水平综合评分

4 结论

运用水足迹理论，采用层次分析法构建了陕西省2011—2020年水资源可持续利用评价指标体系，对研究时段内陕西省水资源可持续利用水平进行了模糊综合评价，主要结论如下：

（1）研究时段内，陕西省总水足迹和人均水足迹整体呈上升趋势。总水足迹中农业水足迹所占比重最大，高达94.8%。其次是工业水足迹、生活水足迹、生态水足迹和贸易水足迹。农作物产品的年均水足迹值由高到低依次是粮食、水果、蔬菜、油料、茶叶、烤烟、棉花、麻类和油料。其中，茶叶和麻类单位产量虚拟水含量较高。动物产品水足迹由高到低依次是禽蛋、奶类、猪肉、牛肉、羊肉、蚕茧和蜂蜜，其中牛肉和羊肉单位产量虚拟水含量较高。为提高水资源利用效率，减轻本地水资源供给压力，陕西省应调整农业种植结构，适当增加水果和蔬菜等作物的种植规模，减缓增加茶叶和麻类的种植规模，同时加大蛋奶和猪肉的生产，减少对牛、羊肉的生产和消费。

（2）研究时段内，陕西省水资源自给率较高，但水足迹显著高于可用水资源量，水资源承载压力较大。陕西省水资源仅2017和2019年处于可持续发展状态，可见陕西省的水资源发展水平不高，水资源问题依然严峻。研究时段内，陕西省万吨水足迹承载人口能力在逐渐下降，单位土地面积的水足迹承载压力在逐渐增大。水资源贡献率、水足迹经济效益值、水资源净贸易量总体呈上升趋势，说明陕西省水资源与经济社会发展协调水平在逐年提升。陕西省的水资源匮乏指标和压力指数较高，虽然2016年以后有所下降，但水资源系统仍然严重超载，水资源安全状况不容乐观。

（3）研究时段内，陕西省水资源综合利用水平呈现曲折上升状态，发展态势良好，但整体水平仍然偏低，水资源可持续利用水平受水资源条件影响较大。有30%的年份水资源可持续利用综合评价等级为Ⅱ级和Ⅲ级，水资源可持续利用状况不佳。陕西省亟需从水足迹视角出发来统筹分配水资源供给，采取有效措施调整产业结构、改变生产和消费构成，同时广泛开展节水活动，降低对本地水资源的耗费，不断提高水资源可持续利用水平，保障社会经济的高质量发展。