虚拟水与水足迹对比研究
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作者: 诸大建 田园宏
摘要：虚拟水与水足迹将水资源研究从环境范畴拓展到了社会经济领域，是有效的水资源管理工具，但是两者既有联系又有区别。因此采用对比研究的方法，对虚拟水和水足迹的研究范围、研究对象、研究视角、计算方法和研究意义进行对比。结果发现在作物生长和气候条件已知的条件下计算农产品生产消耗的水量，虚拟水比水足迹更简便；与虚拟水相比水足迹应用范围更广。对于虚拟水和水足迹的辨析，有利于正确运用两种工具进行深化研究，以方便其在水资源利用中的应用。
关键词：虚拟水；水足迹；对比研究
中图分类号：F831.59 文献标识码：A 文章编号：1009—3060（2012）04—0043-07
虚拟水和水足迹之前的水资源研究着眼于进行给水排水的技术改进或采用价格杠杆提高用水效率，却无力应对因水稀缺与水污染带来的水资源危机。虚拟水和水足迹从社会经济角度度量人类活动对于水资源系统影响，将水资源研究从环境领域拓展至社会经济领域；它们能够运用经济学与管理学工具从战略角度探讨水资源利用，对于应对水资源危机具有现实意义。1997年虚拟水概念提出，五年后水足迹概念提出并在虚拟水研究的基础上重点着眼于生产与消费过程中消耗的水资源与产生的污染量进行研究。两者有联系，但是也存在诸多不同，本文深入探讨了虚拟水与水足迹研究的联系与区别，以便于更好地运用这两种工具进行水资源研究。首先，回顾了虚拟水和水足迹的研究脉络；然后从研究对象、计算方法、研究角度、研究范围和研究意义等方面对两者进行了详细比较；最后述评并展望了虚拟水和水足迹深化研究的方向。
一、引言
中东与北非地区是世界上第一个耗尽了水资源的地区，为了应对这一地区的水资源危机，学者们积极探索各种解决方法。在1997年之前，水资源研究侧重进行技术改进和水价调控提高用水效率以应对水资源稀缺，但实践效果不明显；而自1997年Allan提出虚拟水概念和2002年Hokestra等专家提出水足迹概念后，学界将研究从环境领域拓展到了社会经济领域，深入研究生产与消费过程中消耗的水资源与产生的污染量，实践应用效果显著。
具体来讲，1997年Allan提出“虚拟水”概念，即某种产品在生产时的用水量。它站在战略高度研究农产品和畜牧产品贸易的水资源管理，其提出之初的目的是引导中东与北非地区政府制定有效的水资源政策，以解决中东与北非地区的水资源匮乏。虚拟水从生产者角度研究用水，是一维的水资源研究指标。
2002年在世界水贸易专家会议上Hokestra首次提及“水足迹”概念，它指从个人、家庭、部门、某行业、城市到整个国家在生产或者消费的产品中包含的虚拟水数量。水足迹可以计算生产中或消费的水的种类（蓝水、绿水和灰水），以及何时何地产生了这些水足迹。水足迹从生产者和消费者角度研究用水，是多维的水资源研究指标。水足迹打破了将水资源管理局限在某地区或者流域内的局限，人们开始将全球水资源一起作为研究对象；寻求人类消费、全球贸易与水资源利用之间的关系。
此前的研究表明虚拟水适用于农产品生产中的理论用水量研究，在农作物气候、湿度、作物生长条件等条件已知时可以计算虚拟水量；而水足迹建立在虚拟水的基础上并将研究范围进行了拓展，因此除此之外它还能够计算消费者消耗的水资源数量、产生的污水量。明确虚拟水和水足迹的异同是正确运用这两种指标进行水资源研究的前提。因此本文对虚拟水和水足迹的研究进行比较研究，阐述了两者的联系与区别，并在此基础上探讨了未来的虚拟水和水足迹需要完善的领域。
二、虚拟水与水足迹的联系与区别
水足迹最初在关于虚拟水的国际论坛上被提出，由此可见水足迹沿袭了虚拟水研究。但是其后对两者分别展开的研究使两者有了区别，它们的研究范围、研究对象、计算方法、研究角度、研究意义均存在不同，如表1所示。
1.研究脉络
虚拟水是生产某产品的各个环节所消耗的水资源，“虚拟”既说明参与贸易的产品并非实体的水资源但需要由水资源生产，又表明在生产中消耗的水资源大多数并没有包含在产品中，因此虚拟水可以取代真实的水资源成为研究对象。虚拟水研究大致经历了三个阶段，第一阶段是虚拟水概念提出后至2000年，虚拟水研究意义的讨论；第二阶段是虚拟水计算方法的完善，以及世界各地虚拟水贸易量的计算；第三阶段，虚拟水与国际贸易理论结合，研究国际贸易中的虚拟水的比较优势，为从战略高度管理水资源提供建议。在此期间，召开了数次虚拟水国际论坛进行专题讨论。2002年第一次国际虚拟水专家会议回顾了该领域的发展，2003年第三次世界水论坛讨论了虚拟水贸易与地缘政治学，2006年第四次世界水论坛讨论了阿拉伯地区的虚拟水贸易。
在水足迹十年的研究历史中，涉及了计算、影响因素分析、情景分析、水足迹对政策制定的影响等方面。这一期间召开的数次国际性的水资源论坛上对水足迹的讨论推动了水资源研究的开展。2002年代夫特水资源专家会议上首次提出水足迹概念，随后2003年日本举行的第三届世界水论坛、2003年世界水环境署召开的主题为“虚拟水贸易与政治地理学”会议、2005年德国发展研究院召开的虚拟水贸易专家会议、2006年第四届水资源论坛、2006年在波恩由世界水资源系统项目举办的主题为“全球水资源政府治理”会议和在法兰克福由社会经济研究所举行的“虚拟水贸易”等会议上都对水足迹展开了讨论。
与其他用水指标相比水足迹有三个不同点：第一，可以度量整个产品生产或者服务提供过程中的直接与间接水资源消耗；第二，可以将某地区水资源消耗与全球水资源配置联系起来；第三，除去度量蓝水和绿水使用外，还可以度量灰水足迹，量化了产生的污染数量。其独特性使水足迹在三次产业尤其是农业中应用广泛，对于农产品贸易以及农产品种植的指导作用明显。
2.研究范围
虚拟水研究参与农产品交易商品中的理论用水量。如Hoekstra和Hung计算出了不同国家生产不同种类农作物所需虚拟水量。Naota等依据ICOLD提供的世界范围内的水坝供水量，将蓝水进一步细分为河水、中等水坝水、非再生以及非过境水三种，然后利用运用物理、水文和人类学原理建立的H08模型计算出了2000年全球五种农作物和三种畜产品的虚拟水交易量。Mark和Allan计算了1998年到2004年间尼罗河流域各个国家间农产品的虚拟水贸易，为保障尼罗河水资源供应安全提供参考。 水足迹则试图通过研究从个人、家庭、部门、某行业、城市到整个国家生产或者消费的产品中包含的虚拟水数量，揭示生产或者消费方式和国际贸易与水资源管理之间的关系。Hokestra等估算了1997—2001年间的全球生产过程中产生的水足迹。Hubacek等运用投入产出法计算了中国1997年产生的水足迹。Feng等对投入产出法进行了改进，采用多地区投入产出法计算了英国不同地区各消费阶层的水足迹。
3.研究对象
虚拟水计算蓝水与绿水足迹，水足迹除此之外还增加了灰水计算，可以度量生产或消费过程中产生的污染量，是更加完善的用水指标。灰水是生产某产品产生的污水数量，或者稀释生产或者消费过程中的污染物至某一标准需要的最大水量，控制产生灰水量最大的污染物数量产出能明显减少灰水足迹，所以灰水足迹可作为进行技术改进、减少污染量的依据。灰水计算比蓝水和绿水计算复杂，需要不同地区的数据。Dabrowski等、Ercin等、Gerbens和Hokestra、Van等、Aldaya和Hokestra、Bulsink等对多种产品的灰水足迹进行了计算。
4.计算方法
虚拟水计算采取自下而上方法；水足迹还可以采用自上而下法计算。自下而上的方法是将生产某种商品或者服务从最初环节到最终环节所消耗的水资源加总；自上而下的方法是将一国用水总量加上该国虚拟水进口量减去虚拟水出口量。全生命周期法是一种自下而上计算方法，环境投入产出法是一种自上而下计算方法。两种方法相比各有利弊，以水足迹计算为例，以自下而上法除了可以计算国家水足迹外，还应用于个人、社区、城市等消耗的水足迹，计算范围广泛，但是需要具体到各计算环节的数据，计算量大并且容易在中间环节产生误差。自上而下方法计算水足迹更常用，它具有如下优点：第一，从投入产出的角度考虑，能够完全反映在整个过程中的水资源消耗，并且都是最终消费的水资源，既能够避免中间多个环节进行运算产生的误差，又能够减少表面耗水而非最终耗水的影响，适用于消费中的直接与间接水足迹；第二，多地区水足迹值的计算可以为产品国际贸易的优化提供依据。
Chapagain和Hoekstra最先提出了虚拟水的计算方法，计算了不同国家农产品和畜产品中的虚拟水量；其研究团队还完善了水足迹的计算方法。对于计算所需数据，联合国粮农组织FAO提供各个流域的年降水量、径流量、土壤水消耗量、地下水量和国家每年种植各种农作物的单位标准耗水量；ICOLD提供世界范围内各个水坝年供水量；国家农牧业部门提供耕地量和农作物年产量；国家统计局提供不同农作物的需水量；国家进出口贸易局提供各种参与虚拟水贸易产品数量数据。
5.研究角度
虚拟水从生产者角度研究从产品生产之初到产品成型所消耗的水量，在不同国家或地区生产某种商品所消耗的虚拟水量不同，因此国家或地区间的虚拟水贸易可以缓解因地区间水资源分布不均或者水资源生产率不同而造成的水资源短缺或者水资源使用低效率、解决因此而引发的地区冲突，实现水资源和粮食供应安全。
水足迹在虚拟水研究的基础上，将研究角度拓展到了消费者。不同地区消费理念与消费方式的差异也是影响水足迹值的原因之一。Feng等研究了英国不同地区内居民的收入水平与水足迹的关系，发现两者线性相关；因此水足迹值能够反映不同地区的用水和污水量、具有地理指标的功能，可以在小范围内改进水资源消费模式以减少水足迹。
6.研究意义
对于虚拟水研究的意义，目前学界并没有达成一致意见。支持者认为虚拟水能够缓解水资源紧缺，实现供水安全和粮食安全。Dennis运用比较优势理论研究了埃及虚拟水贸易对于实现供水安全的意义。反对者同样运用比较优势理论进行反驳，Erik运用俄林模型证明虚拟水贸易并无上述作用。Dinesh对131个国家农产品虚拟水贸易量和该国耕地量、农业用水量等七个变量之间进行了回归分析，发现自变量和因变量之间并无线性关系，从实证角度质疑了虚拟水贸易的作用。有学者认为出现上述争议的原因是目前的虚拟水研究局限在少数国家之间，若研究范围扩大，其对于供水安全的意义将显现。也有学者认为，相比水资源禀赋，可耕地数量是影响虚拟水贸易、保障供水安全的更关键因素。
计算地区内或者地区间的虚拟水贸易量可为政策制定提供参考。Esther计算了西班牙安大卢西亚的农产品虚拟水贸易量后，认为制定政策改变该地区内进出口农产品的种类、减少出口大量耗水产品转而进口耗水多的产品能够缓解当地的水稀缺。尽管大多数人认为相对于绿水来讲，蓝水对于虚拟水贸易意义更大，Aldaya与Allan等人通过计算全球农产品虚拟水中的绿水贸易，发现绿水较少产生环境污染并且可再生性强，因此应该提高绿水使用效率，而计划经济的实施能够提高绿水使用效率。Dabrowski等计算了稀释南非五种作物种植过程中所产生的富营养物质需要的水，发现该数值大于种植农作物所耗费的水，并且所需水量受稀释水中的蓝水与绿水比例影响。由此可见制定用水政策调节农产品生产过程中的蓝水和绿水比例颇具意义。
除具备上述意义外，水足迹还可以调节地区水资源消费以优化全球水资源配置。首先，水资源最终由消费者消费，因此将消费者所消费产品的水足迹计算出来，横向比较世界范围内不同地区间为了提供某种产品或者服务产生的水足迹，可以鼓励该地区制定合理的产业政策生产耗水最少的产品。Erctn等计算了世界不同国家饮料生产过程的水足迹值，包括生产饮料原材料、生产饮料工人的消耗、运输饮料过程，发现生产饮料的农产品水足迹值是影响最终水足迹值的重要原因，因此对世界各国而言减少原料生产过程中的水足迹值才是减少饮料水足迹的关键。其次，一地居民既消耗本地供水即内部水资源，也消耗外地供水即外部水资源。为了评价用水模式对内部和外部水资源的影响，Feng等研究了英国不同地区内居民的收入水平与水足迹的关系，发现两者线性相关。这些研究为改善本地用水模式、提高全球水资源配置效率提供参考。
三、研究展望 水足迹相对于虚拟水研究存在改进，但是有学者也认为其研究存在不足。未来研究中需要在不同的研究条件下在虚拟水和水足迹中选择其一作为研究工具；其次研究要与资源生产率、消费者行为理论结合；在研究中将引入有效的管理学工具，使虚拟水和水足迹的研究成果能够在现实应用中发挥作用。
若夯实虚拟水与水足迹研究的理论基础，需要将影响虚拟水与水足迹的因素与其他因素结合，如考虑土地因素运用比较优势理论指导农产品虚拟水国际贸易。或者将虚拟水与水足迹作为一种工具，验证提高资源生产率的相关理论是否合理等。目前已有学者通过计算出虚拟水或者水足迹的值，验证“资源咒诅”理论是否存在，检验IPAT中的各个因素对于水资源利用的影响等。
虚拟水与水足迹是有用的水资源管理工具，它既可以计算全行业中的耗水数值，也可以衡量小到个人大到一个国家的用水数值，利用这些计算结果，可以分别从生产者和消费者角度出发考虑如何改进用水效率。但是当前其研究领域从研究行业、研究角度到研究方法一直都局限在一定范围内使其潜能未发挥出来。未来虚拟水与水足迹的研究将由重点侧重农业转向关注全行业、由着重于生产者角度转向消费者角度、由大量计算转变为详细的数据分析、运用计量工具同时借助于管理学工具。
首先，将研究行业从农业拓展至第二、三产业。农产品是工业与服务业的原材料，农产品的生产会受到工业与服务业产业政策的影响，所以尽管工业与服务业直接耗水量相对于农业少，但是它们的间接耗水量却包括了农业耗水。因此，研究这些行业的水足迹、制定高水资源生产率的产业政策同样有意义。如Elena等计算了西班牙采用生物燃料需要消耗的虚拟水，预测了该新能源产业的发展将对供水产生的影响。全行业研究使将使水资源配置更加合理。
其次，研究消费者水足迹。水资源的使用受两大因素的影响，生产者的产业布局、用水效率和消费者的消费方式。此前对于水足迹的研究延续了虚拟水研究，一般从生产者角度出发，阐述不同国家或者地区生产某种产品所耗费的水足迹值。由于所有的用水都可以归结为消费者的最终消费，因此研究不同的收入阶层、消费方式下消费者的水足迹，深入研究个人、家庭、社区等较小的单位才能更有效发挥作用，更加有效地指导用水。
第三，运用经济学和管理学知识。目前虚拟水与水足迹研究大部分是从农业、环境或者地理学角度出发，未来运用经济学知识如国际贸易理论，并将研究出来的成果运用管理学工具如水资源政策工具等进行解释，将促使研究成果从实践层面发挥作用。
四、结论
虚拟水和水足迹这两种水资源研究工具将研究范畴从环境领域扩大到了社会经济领域。以其为工具，计算产品生产中消耗的蓝水和绿水数量之后，分析该数量变化的经济、人口、贸易、技术等原因并采取改进策略，能够有效提高水资源利用效率。因此它们在利用水资源、缓解地区与国家水资源紧张、保障供水安全与粮食安全中发挥了效用。
与虚拟水相比，水足迹研究的研究角度从生产者扩展到了消费者、研究对象从蓝水和绿水足迹扩展到了灰水足迹、研究范围从某种农产品扩展到了一国或者全球的工业积极服务业产品，这是两者的不同之处。
虚拟水适用于农产品生产中的理论用水量研究，在农作物气候、湿度、作物生长条件等条件已知时计算虚拟水数量比计算水足迹值方便，而在计算生产中的污染数量、消费者消费的水资源数量的时候，需要采用水足迹值。明确两种计算工具适用的场合是有效运用这两种工具的前提。
尽管水足迹计算在虚拟水基础上进行了扩展，其研究也存在不足。水足迹缺乏区分水资源可持续与不可持续的能力，并且其研究中多计算而较少经济学或者管理学分析，使研究成果无法指导政策分析与制定、研究成果无法投入现实应用。若改变这种状况，未来虚拟水与水足迹的研究领域将会由农业拓展至其他产业，会由关注中东、北非、欧洲等地区拓展至关注世界各国，研究方法也会在地理、环境资源的基础上加入经济学运算与管理学政策理论与方法。
（责任编辑：谢闽）
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