虚拟水计算方法及其在环境研究中的应用

由于农业用水占全球淡水总量的80%左右，因此农产品的虚拟水含量是虚拟水计算的最主要部分。虚拟水的计算主要包括：农作物虚拟水含量计算，动物产品虚拟水含量计算。

1.基于虚拟水计算过程的农产品分类

根据Zimmer和Renault的研究，农产品虚拟水含量具体的计算过程根据不同的产品分类而有所差异。Zimmer和Renault将农产品类型分为初级产品、加工产品、转化产品、副产品、多重产品及低耗水或不耗水产品6种主要类型（Zimmer，2003）。

（1）初级产品

初级产品是指直接从作物身上提取的产品，包括谷物、蔬菜、水果等。生产这类产品需要的水资源主要取决于农作物的类型、生长区域的自然地理条件、使用的灌溉系统及其管理方式等。首先，利用考虑气候影响因素计算的参考作物需水量乘以作物系数进行调整，得到单位面积作物需水量，然后通过单位面积作物需水量除单位面积作物产量得到单位质量初级产品的虚拟水含量。参照作物需水量采用联合国粮农组织（FAO）推荐的标准彭曼公式进行计算。FAO开发提供的计算软件为应用彭曼公式计算作物需水提供了大大的方便，将各地区气象站的气象资料输入到计算流程，根据各地区的实际情况，修改软件默认的计算因素的初值、作物类型和种植时间，就可以计算出各种作物的需水；作物系数由FAO建立的大型统计分析数据库提供。

（2）加工产品

加工产品的虚拟水含量取决于加工过程中初级产品的投入比例，通常按照初级产品投入重量比例加权得到，同时考虑加工转化效率。如果涉及与其他农作物产品一起加工处理时，就需要采用价值构成比例和产品重量比例因子来进行虚拟水含量分配计算。如生产1 kg菜籽油通常需要2～3kg的油菜籽，从而1kg菜籽油的虚拟水含量是1 kg油菜籽的2～3倍。

（3）转化产品

转化产品主要指动物产品，因为动物的生长过程中要利用原始的初级产品（如羊要吃草）。见动物产品的虚拟水计算。

（4）副产品

农产品的副产品是指该类农产品的提供主要是为了其他目的而不是它们的本身价值。如棉花的生产主要是为了提供纤维，但棉花种子可用来炼油，棉花种子炼油就属于副产品这一类型。主要有三种计算方法：①按提供的所有副产品重量比例来分配虚拟水价值，如1 kg棉花可以提供0.625 kg的纤维和0.375 kg的种子，虚拟水的价值就按照它们的重量比例分配。②按提供副产品的价值量比例进行分配。这种方法在应用上经常被优先考虑，但是应该注意的是这种方法本身存在缺陷。由于经济价值是随时空变化的，而且副产品的经济价值本身比较低，但是通常又不能为其他的产品所替代。③按营养均衡规律来进行分配。

（5）多重产品

有些农产品的种植本身就有多重目的，如海南的椰树，树本身提供的木材可以用来建房，果实可以用于制糖，还可以用于做椰汁，当然还有这里没有考虑的环境价值。因此像椰树这类产品水的消费应该分成许多部分，而没有哪一部分是占优的。动物产品通常具有多重产品的属性，如羊的喂养，不仅仅提供肉，还可以提供毛皮等。

（6）低耗水（非耗水）产品

这类产品主要指鱼类，海水鱼由于不消耗淡水，因此可以认为不需要水资源；淡水鱼消耗少量的淡水，主要指鱼直接消耗的水和鱼类作为食物消费的初级植物产品的虚拟水。在动物产品的分类计算中我们也可以发现这种类型，有些动物是用作物和家庭生活的残余物喂养的，如我国大约有80%的猪肉生产是这种类型。这种类型的产品，它的实体水消费相当低或几乎没有，估计这种类型产品的水消费相当困难。通常是采用营养物等值的原则来确定虚拟水的含量。

2.作物产品虚拟水计算的公式表达

每种作物单位产量的需水可根据每种作物需水和作物产量的数据计算。(www.xing528.com)

SWD［n，c］代表区域n作物c单位重量的水需求（m3/ton），CWR［n，c］指区域n作物c的需水，CY［n，c］是区域n作物c的产量。

作物需水采用联合国粮农组织推荐的标准彭曼公式计算，作物需水指作物在生长发育期间蒸发蒸腾所消耗的水资源量。考虑到面上计算土壤水分压迫的难度，没有进一步考虑水分压迫的调整系数。作物的需水仅考虑作物系数的调整：

ET0是参考作物的需水，通常参考适当的气象资料（气温、水汽压、日照时数和风速资料）按照彭曼公式就可以计算，主要是考虑了气象因素对作物需水的影响。Kc是作物系数，是区分作物下垫面与参考作物下垫面之间的差异而引入的一个系数，通常反映了实际的与参考作物表面植被覆盖和空气动力学阻力的差异，能反映与参考作物类型间作物生理和物理特征的差异。通常有4个区别于参考作物（草）的作物特征的综合反映指标（作物高度，土壤表面反射率，覆盖层阻力和土壤蒸发）。

参考作物的需水是指一个假想的作物参考面（作物高度12 cm，一个固定的表面阻力系数70 s/m，反射率为0.23，作物类型是草，全覆盖而且有充足的水），各种各样气候条件的影响融合在参考作物需水的影响中，而忽略了作物类型、作物发育和管理措施等对作物需水的影响。根据联合国粮农组织的推荐可采用修正的标准彭曼公式计算ET0。

ET0是参考作物的蒸发蒸腾（mm/day）。Δ是饱和水汽压与温度相关曲线的斜率（kPaoC-1），Rn是作物表面的净辐射（MJm-2day-1），G是土壤热通量（MJm-2day-1），T是平均空气温度（oC），U2是两米高的风速（ms-1），ea是饱和水汽压（kPa），ed是实测水气压（kPa），ea-ed是饱和水汽压与实际水汽压的差额（kPa），γ为湿度计常数。计算单位产量作物的需水流程如图6-1。

图6-1　作物需水计算流程图

3.动物产品虚拟水含量计算方法

动物产品虚拟水含量计算十分复杂，影响动物虚拟水含量的因素包括动物类型、动物饲养结构（饲养方式）和动物生长的自然地理环境等。动物产品虚拟水计算主要包括活动物虚拟水含量和动物产品的虚拟水含量。活动物虚拟水含量是指动物从出生到死亡的整个生命周期内所消耗的总水量，包括饲料所含的虚拟水、饮用水、动物饲舍清洁用水等。饲料消费中的虚拟水包括饲料作物中所包含的虚拟水和混合饲料作物所需的实体水两部分内容。饲料作物中不同成分作物的虚拟水含量采用前面介绍的方法计算，然后按照在饲料作物中的重量比例加权就得到饲料作物虚拟水的含量。动物的饮用水需要计算动物整个生存期间的饮用水。动物产品的虚拟水含量需要将活动物的虚拟水含量在动物产品间进行分配。

动物产品的虚拟水计算过程和步骤如图6-2。

图6-2　动物产品虚拟水计算流程图