水土保持对黄河流域水资源承载力的影响

作者简介：赵建民（1980-），男，河北乐亭人，博士，主要从事水土保持与生态环境研究。E-mail ：jianmin1980@tom.com

水

利学报SHUILI XUEBAO 2010年9月

第41卷第9期

文章编号：0559-9350（2010）09-1079-081研究背景

近30年来，黄土高原区的水土保持综合治理一方面改善了当地的生态环境，促进了粮食增产；另一方面，与每年减少多达3亿t 入黄泥沙相伴的是入黄径流量的显著减少，对黄河断流产生重要影响［1］。因此，如何系统的评价水土保持的减水、减沙、增产三方面交互作用对黄河水资源可持续利用的影响，一直是黄土高原水土保持生态环境影响研究中的热点与难点问题。

水资源承载力评价是水资源可持续利用研究中最常用的方法之一。水资源开发利用的强度只有控制在其承载力的范围内才可以认为是可持续的。水资源承载力可以理解为保持生态、社会、经济协调与可持续发展时，一个流域或地区水资源所能支持的最大的人口或经济规模［2-3］。

人类活动对水资源的消耗蕴含于流域降水、蒸发、入渗、汇流、地下水运动等水文过程中，这一方面是社会经济发展的重要基石，另一方面又严重地干扰了天然水文循环，产生许多水资源环境问题。天然水文循环与人工水文循环相互叠加、此消彼长的二元动态循环过程更增添了判断一个地区或流域水资源所能支持的最大的人口或经济规模的难度［4］

。因此，尽管水资源承载力评价的研究已有20多年的历史，但是大多数研究者仍只是将水资源承载力抽象定义为对社会经济系统的最大支持能力，具体化指标选择又因人而异，缺乏统一的、易被接受的指标，因此研究成果缺乏可比性［5］。

本文采用虚拟水与水足迹理论建立水资源承载力的评价模型，并应用该模型研究水土保持对黄河流域水资源承载力的影响。2虚拟水的基本理论与计算方法

虚拟水与水足迹理论为水资源承载力评价提供了一个新的思路。Tony Allan 于20世纪90年代初

提出了虚拟水（virtual water ）的概念［6-7］。虚拟水是指生产商品和服务所需要的水资源数量

［6-7］。在此基础上，A.Y.Hoekstra 提出了水足迹的概念，水足迹指一定数量人口（某一国家、地区或一个人）在一定时间内消费的所有产品和服务所蕴含的虚拟水［8］。如果知道了一个地区的水资源量与人均水足迹，

水土保持对黄河流域水资源承载力的影响

赵建民1，陈彩虹2，李靖1

（1.西北农林科技大学，陕西杨凌712100；2.河北工程大学，河北邯郸056038）

摘要：采用虚拟水理论建立了水资源承载力评价模型，并应用该模型评价了黄土高原水土保持对黄河流域水资源承载力的影响。计算结果表明：虽然水土保持将每年减少入黄径流8亿～21亿m 3，但是黄河流域每年可以因此减少输沙用水46.12亿m 3，增加蕴藏在农林牧产品中的“虚拟水”226.42亿m 3，总计272.54亿m 3，远大于水土保持减水量；扣除水土保持减水量，根据2000年我国人均水足迹，截至“九五”末期，黄土高原水土保持可以使黄河流域水资源多承载人口3974万～4179万，能大幅度提高黄河流域的水资源承载力。

关键词：水资源承载力；水土保持；黄河流域；虚拟水；水足迹

中图分类号：TV211.1文献标识码：A

就可以简便的推求出其可以承载的最大人口规模。

虚拟水一般由以下几部分构成：初级产品（包括农产品、园艺产品、林产品等）蕴含的虚拟水，次级产品（畜产品、工业品）蕴藏的虚拟水，副产品蕴含的虚拟水、非耗水产品中蕴含的虚拟水以及生活与服务耗水等［9］

。具体确定方法如下。2.1农产品虚拟水含量计算农产品虚拟水含量取决于农业的水分生产效率，单一农作物初级产品

虚拟水含量可以根据下式计算：V a =W a Y a （1）

式中：V a 为某一农作物的虚拟水含量（m 3

/kg ）；W a 为该作物单位面积的耗水量（m 3/hm 2）；Y a 为该作物单位面积的实际产量（kg/hm 2

）。作物耗水量采用作物需水量ET 0乘以作物系数K c 进行计算：

ET c =K c ×ET 0（2）

式中：ET c 为作物蒸发蒸腾耗水量（mm ）；ET 0为参考作物需水量（mm ），采用联合国粮农组织（FAO ）推荐的标准彭曼公式计算，1992年联合国粮农组织（FAO ）公布了彭曼公式的最新修正形式，即彭曼-蒙特斯公式，其计算公式如下［10］：

ET 0=0.408Δ()R n -G +γ

900T +273()e a -e d Δ+γ()1+0.34U 2（3）

式中：ET 0为参考作物需水量（mm /d ）；Δ为饱和水汽压与温度相关曲线的斜率（kPa/̊C ）；R n 为作物

表面的净辐射（MJ/（m 2·d ））；G 为土壤热通量（MJ/（m 2·d ））；γ为温度计常数（kPa/̊C ）；T 为温度

（̊C ）；（e a -e d ）为饱和水汽压与实际水汽压之差（kPa ）；U 2为离地表2m 高的风速(m/s)。但是参考作物需水量反映的是一种理想情况，即土壤水分充足、地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔矮草地的需水量，因此基于彭曼公式的虚拟水含量实际上也是一种标准虚拟水含量，反映了充分供水情况下生产单位农产品消耗的水资源数量，但是在实际生产中经常出现水分亏缺，农产品的虚拟水含量经常会偏离其标准值，而受气候和农业生产条件等因素影响较大。目前，对于我国农产品的虚拟水含量不同学者有不同的测算结果［11-16］，其间差异很大，详见表1。主要原因是不同研究间作物耗水量与产量各不相同，而且不同研究在按初级产品还是最终产品计算作物产量，以及作物耗水量的内涵（某些研究仅为作物田间的蒸发蒸腾量，而另外一些研究包括了灌溉水在进入田间中的损耗）等重大问题上也不尽一致，因此不同的研究成果间不能直接比较。

式（1）反映农产品虚拟水含量实质上是作物水分利用效率（WUE ）的倒数。WUE 一般有几种不同的表1我国农产品虚拟水含量的不同测算成果粮食

油料

棉花

水果

蔬菜

肉类

猪肉

牛肉

羊肉

禽肉

禽蛋

奶制品

水产品徐中民等［11-12］

2.6306.1949.7761.3760.135

3.56118.918.0053.1118.6512.2015.000马静等［13］1.01.00.16.7

4.31.9邓晓军等［14］1.4573.6071

5.5380.5380.1092.21112.5605.2023.6523.5505.000邓晓军等［15］1.0143.75111.0790.460.1023.94612.560

5.2023.6523.5501.0005.000赵军等［16］1.0394.4459.6101.3070.103（单位：m 3/kg ）

2.2林果与园艺产品虚拟水含量计算

目前，我国对林（果）和园艺产品水分生产率研究资料较少，难以直接推求其“虚拟水”量。段爱旺［17］在论述区域平均水分生产率计算方法时，曾经指出可以采用

一定的系数将不同类的产品相互折算。本文根据这种方法，通过粮食的平均水分生产率，折算出林果及园艺产品的水分生产率，并计算其虚拟水含量。根据《农业区域开发项目管理办法》［21］中不同农

产品的折粮系数，主要经济作物与园艺产品的虚拟水含量的计算值详见表2。目前尚无木材与粮食之间的折算系数，从区域产品平衡的角度分析，在退耕还林的同时为了不减少农产品产量，就要增加农业用水量，因此可以通过粮食单产与林木年材积生长量之间的比例关系来确定木材的折粮系数。

2.3畜产品虚拟水含量计算畜产品和工业产品的虚拟水含量则根据Chapagain 等［22］提出的生产树法，将生产过程消耗的饲料、原料、燃料所蕴含的虚拟水以及直接耗水量相加求和，再按照主副产品之间的质量比或价值比进行分配，获得各种产品具体的虚拟水含量。

畜产品中蕴含的虚拟水主要包括饲料所含的虚拟水、牲畜饮用水、清洁饲舍等生产用水以及畜产品加工过程中的耗水量等［22］。饲料所含的虚拟水等于饲料作物中所含的虚拟水和饲料加工过程中耗水量之和，其中饲料作物蕴含的虚拟水是畜产品虚拟水的主体。混合饲料虚拟水含量则要根据不同饲料作物的构成比例（重量）进行加权计算，饲料作物的虚拟水含量采用前面介绍的农产品虚拟水含量进行计算［22］

。以猪肉为例，料肉比为4.5∶1，饲料粮虚拟水含量1.07m 3/kg 计算，则蕴含在饲料粮中的虚拟水约为4.82m 3

/kg ；生猪日均耗15kg ，按存栏头数计，平均每头猪产肉90.67kg ［23］，生产过程

中的虚拟水为0.06m 3/kg ，二者合计肉类的虚拟水含量约为4.88m 3/kg 。同理，根据不同畜禽的饲料报表2农产品、园艺产品的虚拟水含量初级产品虚拟水含量

折算系数

最终产品虚拟水含量

粮食

1.070.81.34油料

2.460.386.48棉花6.960.51

3.92水果0.10.蔬菜0.1710.17糖料0.160.121.43木材＃12751

1275注：＃单位为m 3/m 3。（单位：m 3/kg ）形式，田间水分利用效率（WUE f ）、农田总供水利用效率（WUE a ）以及灌溉水利用效率（WUE i ）［17］。田间水分利用效率（WUE f ）仅仅考虑了作物在农田尺度因蒸发蒸腾而消耗掉的土壤水，但是在灌溉水由水源向田间土壤水转化的过程中，必然会伴随着蒸发、渗漏等损失，因此基于WUE f 的虚拟水含量必然会低估农业的实际耗水量。农田总供水利用效率（WUE a ）虽然考虑了农业生产中的全部耗水量，但农业耗水量由两部分组成，一部分是由降雨形成的土壤水，另一部分来源于灌溉，这与现行的水资源评价标准不尽相同，同时降雨直接形成的土壤水即使未被农业利用也会因地表蒸发而消散，不存在过度利用的问题，这一点与灌溉用水不同。为了实现发展农业生产、保证粮食供给与保护生产环境的双重目的，人们关注的实际上是灌溉水利用效率（WUE i ），因此笔者以灌溉水利用效率为标准，计算农作物的虚拟水含量，其含义是增加单位数量农产品所需要的灌溉用水量，即农业生产的边际水资源利用效率，这样做也可以实现与我国现行的水资源评价标准统一。

根据中华人民共和国水利部公布的《中国水资源公报》［18］，近年来我国总用水量约为5585亿m 3

/年，其中农业用水约为34亿m 3/年，总用水量中地表水量约为4511亿m 3

/年，地下水量约为1057亿m 3

/年，地下水用水量中约有40%（即423亿m 3

/年）来源于地表及地下水灌溉入渗，因此，我国农业净消耗灌溉水约为3221亿m 3/年，灌溉用水量中约有70%用于粮食生产，因此粮食生产约消耗灌溉用水量2255亿m 3/年。我国灌溉耕地面积约0.52亿hm 2，较灌溉前增产粮食约2.10亿t ［19-20］

，即全国平

均的粮食作物灌溉水生产效率约为0.93kg/m 3，虚拟水含量约为1.07m 3/kg ，详见表2。虚拟水含量肉类

4.88家禽3.21禽蛋3.42牛奶0.36水产品

5.94

表3

不同畜产品的虚拟水含量（单位：m 3/kg ）

酬率［24］，其他几种畜产品的测算结果见表3。

2.4工业产品、生活和服务用水的虚拟水含量计算

根据生产树方法，工业产品的虚拟水除生产过程直接消耗的水资源外，还包括原材料和燃料开采、生产、运输过程中消耗的水资源，以及生产过程中机械损耗折合的生产用水等，其中，生产过程耗水与蕴藏在原材料、燃料中的“虚拟水”居于主体地位。与农产品不同，工业生产中消耗的水资源是蕴藏在地表水体和地下含水层中的液态水，这与传统的水资源统计口径相同，而且工业品种类众多，在水足迹计算中，分门别类的核算显然是困难的。根据发达国家的经验，工业用水量及人均工业用水量与经济发展有一定的联系，当经济发展到一定的水平，人均工业用水的增长将减慢，直到保持不变，甚至会有下降，因此一般工业品的人均“水足迹”可以采用人均工业用水量来代替。

生活和服务业用水与工业用水相似，在水足迹计算中，也可以采用人均用水量来代替。

根据资料［25-26］，2000年我国人均工业用水量为90.3m 3，生活与服务业用水量为45.4m 3。

2.5非耗水产品虚拟水含量计算

非耗水产品即在生产过程中不消耗水资源的产品如海洋水产品、水电等，非耗水产品的虚拟水含量Renault 建议以可替代该种产品功效的产品的虚拟水含量来表示；确定食品类非耗水产品虚拟水含量时一般遵循营养均衡原则，即用营养价值相同的替代品中含有的虚拟水量来表示非耗水品含有的虚拟水，如可以根据含有相同能量或蛋白质的肉类计算水产品的虚拟水含量［9］

。3基于虚拟水的水资源承载力评价模型的建立

一般情况下，不论是何种水源只有进入根层土壤，转化为土壤水，才可以为作物吸收。而土壤水的来源不仅有引地表水和开采地下水进行灌溉，更主要的是雨水入渗以及潜水毛管上升等，但是现有的水资源评价体系中，并不包括雨水资源，因此为了和现有的水资源评价体系相一致，总水足迹应当减去由雨养农（林、牧、渔）业提供的那部分虚拟水量（可以称为非工程供水量），再与当地可供利用的最大地表水量与地下水量（最大工程供水量）进行比较，如果小于最大工程供水量即为水资源盈余，通过工程与管理措施，当地水资源尚可以满足经济社会进一步发展的需求，反之则为水资源赤字。可以表示如下

WD ＝WF t －（WS p ＋WS np ）

WC p ＝（WS p ＋WS np ）/WF p 式中：WD 为一个地区或流域的水资源赤字（m 3/a ）；WF t 为该地区或流域总的水资源足迹（m 3/a ）；WS p 为该地区或流域的工程供水量，即在考虑生态环境需求与工程调节能力的情况下由水利工程提供的

地表径流与可更新地下水的数量（m 3

/a ）；WS np 为非工程供水量，即由雨养农业、林业、畜牧业，水产

捕捞、水力发电等不消耗地表径流或地下水的非耗水行业提供的产品中所蕴含的虚拟水（m 3/a ）；WC p 为水资源人口承载力，即一个地区或流域水资源所能供养的人口的最大规模（人）；WF p 为人均水资源

足迹（m 3/a ）。由此可见，一个地区的水资源承载力除了受人均水足迹影响外，取决于该地区的工程供水量与非工程供水量，工程供水属于传统水利学、水文学的研究范畴，而非工程供水量由雨养农（林、牧）业和非耗水产业提供产品所蕴含的虚拟水量决定。

4水土保持对黄土高原水资源承载力影响的分析

水土保持是一项大规模的生态环境建设工程，对生态系统的生产能力与区域水文循环、水沙平衡都将产生影响，生态系统生产能力的改变将影响农林牧产品中蕴含的虚拟水，水文循环的变化将影响区域可供利用的水资源，因而水土保持对流域的非工程供水量与工程供水量都将产生影响，从而影响整个地区的水资源承载力。

（4）（5）

可以净增加工程与非工程供水量约为251.54亿~2.54亿m 3

/a 。4.2水土保持对水资源人口承载力的影响

按2000年人均消费水平［23］，我国居民人均农产品水足迹计算详见表5。2000年城市人口约占全国总人口的36.22％［23］，因此，我国的人均农产品水足迹约为498.17m 3/a 。同时，我国人均工业用水90.3m 3/a ，生活与服务业用水45.4m 3/a ，则总计人均总水足迹约为632.9m 3/a 。按此标准计算，黄土高原水土保持净增加的工程与非工程供水量可以承载人口约3974万~4179万，表明黄土高原水土保持对黄河流域水资源可持续利用的重要意义。虽然水土保持减少了入黄径流，

但水土保持减沙与增产效应可以起到“增水”（输沙用水减少意味着增加可利用水量）、“节水”（凝结农林牧产品中的“虚拟水”意味着减少了相同数量的灌溉用水）的作用，其效益远大于水土保持减水量，如果黄土高原不进行水土保持综合治理的话，黄河的水资源危机要比现在更加严重。消费项目

粮食

食用植物油

蔬菜

水果

糖

猪牛羊肉

家禽

禽蛋

奶及奶制品

水产品

食品小计

棉花

木材

农产品合计

单位产品虚拟水含量（m 3/kg ）1.076.480.170.1.434.883.213.420.365.13.921275＃＃各类产品消费数量/（kg /a ）

82.318.16114.7457.488.540.065.4411.2110.779.87348.542.50.053＃249.495.45111.9818.316.416.242.854.971.063.92420.672.50.053＃水足迹/（m 3/a ）110.152.919.536.812.2195.517.538.33.958.7422.834.867.6525.2267.035.319.011.79.279.39.117.00.423.3378.934.867.81.3

表5我国居民人均农产品水足迹

注：＃单位是m 3，＃＃单位是m 3/m 3；表中城市人口消费的是商品粮，虚拟水含量为1.34m 3/kg 。

4.1水土保持对黄土高原的非工程和工程供水量的影响截至“九五”末，黄土高原地区共兴修梯田400万hm 2、坝地33万hm 2，人工林保存16

5.1万hm 2，其中经济林50.2万hm 2

，天然林较“六五”期间增加42.9万hm 2，人工和改良草地达到82万hm 2，增产粮食70亿kg 、水果150亿kg 、饲草28.09亿kg ，

林木蓄积量年均增加413.75万m 3，载畜量增

加260.09万个羊单位，显示出极大的经济、

社会效益［27-30］。20世纪80—90年代按存栏

量计算，我国平均每只羊年产肉、奶、毛绒合计为22个畜产品单位（即1kg 带骨鲜肉）［23］，则水土保持草地每年可以提供肉类0.57亿kg 。则水土保持可使黄土高原的非工程供水量增加226.42亿m 3/a ，参见表4。与此同时，入黄泥沙每年约减少3.69亿t ［31-32］

，目前为了减少泥沙在水库和下游河道中的淤积，通过水库调水调沙用大量的径流输送泥沙

入海。黄河多年平均输沙量16亿t/a ，冲沙用水量200亿m 3，因此冲沙定额约为12.5m 3/t ，黄土高原水土保持每年可以减少黄河输沙用水46.12亿m 3。而且河流泥沙的减少，特别是汛期高含沙水量减少与

持续时间缩短，便于充分引用汛期水资源，发挥库渠结合工程的调节能力或回补地下含水层，提高

流域水资源的利用效率。以上两者合计为272.54亿m 3/a ，扣除每年8亿~21亿m 3［33］的水土保持减水量，黄土高原水土保持

表4黄土高原水土保持增加的非工程供水量注：#单位是104m 3，##单位是m 3/m 3。粮食

水果

肉类

木材

合计

产量×108/kg 701500.57413.75#虚拟水含量/（m 3/kg ）1.070.4.881275##虚拟水量×108/m 374.996.02.78

52.74226.42

4.3结果分析黄土高原水土保持可以将大量的水资源无效损失转化为凝结在农林牧产品中的“虚拟水”，从一定意义上讲，这是一种非工程供水量，可以节约生产相同数量农林牧产品所消耗的灌溉水量，其数值要远大于水土保持减水量，这主要是由于以下原因：（1）黄土高原土壤普遍存在水分亏缺，土壤水分状况一旦改善，作物产量和水分利用效率会有显著提高；（2）降水是一切水资源的源头，灌溉农业在形成田间土壤水分的过程中，水库和渠系渗漏、蒸发损失很大，黄土高原农田、森林、草地土壤水直接源于降水补给，无中间环节损失，如配合适当的保墒措施，可以达到较高的水资源利用效率。

黄土高原水土保持的非工程供水主要集中在农田和林地上，这不仅说明了水土保持在黄河流域粮食安全中的重要作用，而且指出黄土高原植被恢复虽然在一定程度上减少了入黄径流，但提供了大量的水果、木材和燃料，满足了人民生活的需要，可以在流域尺度内节约土地资源和水资源。草地的非工程供水量较少，主要是因为我国畜牧业生产水平还比较低，单位牲畜提供的畜产品不多，我国草地初级生产力（固定太阳能的能力）与美国相当，但次级生产力（提供社会需要的畜产品的能力）不及美国的10%［20］，但这也显示了草地增加非工程供水的潜力所在，即通过改良品种和生产方式来提高畜牧业的生产力水平。

5结论与建议

虚拟水理论为水资源承载力评价提供了新的思路。根据一个地区的工程供水量、非工程供水量以及人均水足迹，就可以简便的推求出当地水资源可以承载的最大人口规模。

水土保持可以改变流域生态系统生产力与水文过程，对工程与非工程供水量都将产生影响，从而影响整个地区的水资源承载力。目前黄土高原水土保持每年减少入黄径流8亿～21亿m3［33］，但是黄河流域因此每年可以减少输沙用水46.12亿m3，增加蕴藏在农林牧产品中的“虚拟水”226.42亿m3，合计为272.54亿m3，远大于水土保持减水量，从而显著地提高了黄河流域的水资源承载力。扣除水土保持减水量，按2000年我国人均水资源足迹计算，黄土高原水土保持可以增加3974万～4179万的水资源人口承载力。

随着黄土高原水土保持的发展，虽然入黄径流仍会在一定程度上趋于减少，但黄河流域总的水资源承载力将进一步增加，黄土高原地区通过果、牧、农、林等产品的形式向区外输出“虚拟水”，这对缓解黄河流域的缺水状况和全流域的可持续发展具有重要意义；但是下游地区因可引用水量减少，工农业生产和社会发展可能会受到不利影响，在加强节水的同时，需要在产业结构和水资源利用结构方面加以必要的调整，尽快改变片面依赖引黄的局面。

黄河下游降水量较黄土高原丰富，当地水资源特别是地下水，尚有一定的开发空间；沿黄城市污水回用的空间也较大，沿海地区还可以适度利用海水。同时，黄河下游地区经济相对发达，而且南水北调中、东线工程调水量大、技术简单、单位投资低，发展跨流域调水的资金和技术约束较小。由此可见，黄河下游地区获得替代水源相对容易，黄河流域应“高水高用”，黄土高原地区有限的降水优先用于当地经济社会生活和生态恢复，才可以有效提高水资源承载力与流域可持续发展能力。

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—Impacts of soil and water conservation on water resources carrying capacity

in Yellow River basin

ZHAO Jian-min1，CHEN Cai-hong2，LI Jing1

（1.Northwest A&F University，Yangling712100，China；2.Hebei University of Engineering，Handan056038，China）

Abstract：The model to evaluate water resources carrying capacity is established based on the theories of virtual water and water footprint，and used to evaluate the impacts of soil and water conservation in the Loess Plateau on the water carrying capacity in the Yellow River Basin.Although the decrease in annual runoff in the Yellow River due to soil and water conservation is0.8billion to2.1billion m3，the annual amount of water used for transporting sediment in the Yellow River decreases by4.612billion m3，and the “virtual water”embedded in products provided by agriculture，forestry and animal husbandry increases by22.2billion m3.These two parts of water amounted to27.254billion m3，which is far greater than the amount of runoff decreased by soil and water conservation.According to the Chinese per capita water carrying capacity in2000and the achievements acquired through soil and water conservation by the end of The Ninth-five-year Plan，the increase in population afforded by water resources in the Yellow River basin is39.74～41.79million.Thereby the water resources carrying capacity in the Yellow River basin has been significantly improved by soil and water conservation in the Loess Plateau.

Key words：water resources carrying capacity；soil and water conservation；Yellow River basin；virtual wa⁃ter；water footprint

（责任编辑：韩昆）