第一章 绪论
1.1 选题依据
1.1.1 项目支撑
本课题依托 2019 年中国科协“一带一路”国际科技组织平台建设项目“‘一带一路’和‘冰上丝绸之路’陆河连接可行性研究”，该项目为本课题“基于 GIS 的亚美寒区生产水足迹空间差异比较分析”的研究提供了良好的资料和资金支持。
1.1.2 研究背景
随着全球气候变暖对寒区水文影响的日益显著，近十几年来，寒区水文研究得到了广泛关注和重视，从野外观测到机理过程的认识，从遥感手段的应用到模型模拟精度的提升，寒区水文研究取得了突飞猛进的发展，也取得了大量研究成果。亚美寒区包括东北亚和西北美两大区域，地域辽阔、人口众多，在生产方面面临着日益严重的用水压力，要缓解这一矛盾，必须提高区域水资源管理水平，协调好农业、生态、生活用水和工业用水的关系。科学合理地评价区域用水的数量、类型和效率是实现这一目标的前提[1]。
水足迹是指任何已知人口在一定时期内消耗的所有产品和服务所需的水资源量。它是 20 世纪初出现的一种新的综合指数。它可以结合生产用水的数量、类型和效率，更全面地反映人类活动对水的实际需求和利用情况[2]。
本文基于生产和消费视角，需要将水足迹的两个相关概念进行区分。一是表示在当地消费的所有产品和服务消耗的水资源量的消费水足迹，它可以来自当地水和非地水；二是代表当地生产所消耗的水资源的量的生产水足迹，与消费水足迹不同的是，它只来自当地水。二者的关系如图 1-1。本文所计算的生产水足迹即为水资源在当地生产，在当地和外地消费的部分。
图 1-1 两地消费水足迹与生产水足迹的逻辑关系
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1.2 国内外研究进展及其存在的问题
1.2.1 寒区水文地理研究进展
水利的研究方向主要包括水文地理、防洪、供水以及水环境治理四个方面，水文地理的研究则是其他方向的基础，同时水文地理区划能够为防洪工程和供水工程的建设以及水环境治理方案的制定与实施提供一定的理论依据。
（1）大尺度寒区
寒区一般指气温低，固态降水比重大并存在永久冻土的区域，对于寒区概念而言，现在仍没有统一的定义。以加拿大寒冷地区作为例子来说，Koppen W 将加拿大特定的寒冷的地区定义为加拿大寒区，这些地区的最冷月平均气温需要比-3.0℃低，除此之外，平均气温高于 10℃的时间不超过 4 个月[3]；Gerdel R W 提出了一种用来划分加拿大寒区的方法，建议将划分标准确定为年平均气温 0℃的等温线[4]；Wilson C 则提出除了气温因素外，还有其他参数也需要参与划分划分的过程，比如降水量[5]；Hamelin 则认为目前已有的划分方法考虑因素还不全面，建议采用10 种参数指标来进行区划[6]。
从全球尺度来看，寒区占有相当大的面积，与人类的生产生活有着密切的联系，而大尺度的寒区水文地理区划在国内并不常见。从世界尺度上来看寒区面积广大，单就我国而言，杨针娘等首先提出中国寒区和它的划分方法，共有 4 个指标，包括最冷的月份的平均气温需要＜-3.0℃，一年中最多只能有 4 个月的平均气温可以>10℃，河流、湖泊一年中至少有 100 天是封冻期，一年中降水的形式一半以上为固态降水[7][8]；陈仁升等在杨针娘研究的基础上，将一年中最多只能有 4 个月的平均气温可以>10℃改为不超过 5 个月，并且增加了年平均气温≤5℃的指标，据此划分了中国寒区，得到了寒区面积为 417.4×104km2，占我国陆地面积的43.5%[3]。
虽然对寒区的定义到现在还没有完全统一，但寒区在全球所占面积比重不可忽视，俄罗斯大部分地区、美国阿拉斯加，加拿大部分地区，以及中国东北都是典型的寒区。
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第二章 生产水足迹计算模型构建
2.1 相关概念
2.1.1 生产水足迹
生产水足迹是在一定时间内，为满足当地最终需求、外地最终需求或当地居民生活直接用水需求，由当地所有产品和服务的生产所消耗的，源于当地水的水资源量[35]。这里需要与消费水足迹的概念进行区分，消费水足迹是在一定时间内，为满足当地最终需求或当地居民生活直接用水需求，由当地或外地生产，当地消费的，所有产品和服务的过程中消耗的，源于当地水的水资源量。
生产水足迹实际上等于当地生产所消耗的实际水和虚拟水总量[36]。“最终需求”即为投入产出分析中的最终需求，包括最终消费、资本形成以及出口，而不包括当地居民生活直接用水需求[37]。“居民生活直接用水”即为一般所称的“居民生活用水”，指的是当地居民日常生活所直接使用的水资源量[38]。“所有产品和服务”包括人类生活所必需的食物、日用工业消费品、生活直接消费的实体水资源和生态环境用水等[39]。
2.1.2 其他相关概念
2.1.2.1 直接用水系数、完全用水系数
直接用水系数表示某部门每增加单位产出所需水资源直接投入量；完全用水系数表示为满足某部门单位最终需求所需要投入的所有直接和间接水资源量之和。两者可被统称为“虚拟水强度”，用来反映部门产品或服务的水资源密集程度以及对水资源短缺的敏感程度。
2.1.2.2 生产水足迹乘数
该乘数可用来衡量为满足区域最终需求所发生的直接和间接用水这一供应链影响，即为完全用水系数，用来衡量为满足该区域当地和外地最终需求所消耗的当地所有直接和间接水资源量之和。
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2.2 计算模型
目前水足迹定量研究方法主要有“自下而上”法和“自上而下”法。
2.2.1 “自下而上”法
“自下而上”法是从消费者的角度考虑，这主要是由于以下事实：某种商品或服务消耗的水资源量水足迹由该地区所消耗的产品、服务数量与单位产品和服务的虚拟水含量相乘并求和得到。但釆用该方法存在以下缺点：
①对工业和第三产业产品的水足迹估算难度较大；
②对数据的要求较高，但由于研究区涉及国家和政区非常多，很难详尽的收集到所需要的准确数据；
③采用该方法分析水足迹时，将忽视各部门之间存在的相互影响的关系。
因此，“自下而上”法不适用于本研究。
2.2.2 “自上而下”法
“ 自 上 而 下 ” 法 是 以 生 产 的 角度 ，基于消费平衡理论进行。在这里，水足迹包括区域利用的水资源量，称为内部水足迹，和虚拟水净流入量，称为外部水足迹。可用于衡量研究区对区域外部水资源的依赖程度。
它的优点有：
①分析包括了所有产业的水足迹；
②不需要详细的居民消费产品和服务的数量，对数据要求低；
③可以体现研究区对外部水资源的依赖程度。
综上，本文选择“自上而下”法。
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第三章 基于 GIS 的亚美寒区区划 ..........................15
3.1 研究区的圈定 ......................................15
3.1.1 东北亚政区的圈定 ..........................16
3.1.2 西北美政区的圈定 ........................16
第四章 亚美寒区生产水足迹计算与比较 .............................32
4.1 行政分区生产水足迹计算 ........................32
4.1.1 中国部分 ....................................32
4.1.2 蒙古国、韩国、日本 ...........................35
第五章 结论与建议 .......................................84
5.1 主要结论 ...............................84
5.2 进一步研究建议 .........................85
第四章 亚美寒区生产水足迹计算与比较
4.1 行政分区生产水足迹计算
4.1.1 中国部分
4.1.1.1 部门合并
由于投入产出表中部门众多以及部门内部详细用水数据缺乏等原因，无法对每个部门进行计算分析。为了对各行业用水情况进行分析，需要统一调整上述数据之间的行业分类。根据国家统计局的《三次产业划分规定》和各部门属性，本文采用以合促统的手段，将分类详细的数据向分类较粗的数据口径统一，对投入产出表中的部门进行分类与合并[62]。2017 年黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古自治区均为 42 部门投入产出表，将 42 部门合并为三大产业 15 个部门，其中，第一产业合并为 1 个行业，第二产业合并为 12 个行业，第三产业合并为 2 个行业，具体合并情况如表 4-1 所示。
表 4-1 中国部分行业合并情况
目前可查阅的资料中，没有详细的历年的分行业用水数据。2017 年《中国水资源公报》中提供的用水数据包括农业用水数据、工业用水量、生活用水量和人工生态环境补水量，没有提供第二产业和第三产业中各行业的详细用水数据；《2008 年中国经济普查年鉴》（能源卷）只提供了 2008 年的除农业以外各行业的用水数据，以及各省区规模以上工业企业分行业用水量[63]。因此，第二产业和第三产业中各行业的具体用水数据需要根据上述数据进行相应的处理。
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第五章 结论与建议
5.1 主要结论
围绕“基于 GIS 的亚美寒区生产水足迹空间差异比较分析”这一问题，本文主要有以下成果：
第一，将亚美寒区作为整体讨论。亚美寒区一体化不仅在地理位置、气候特征、板块地质等方面具有科学的事实依据，而且符合人类命运共同体全球价值观，对响应国家战略，构建冰上丝绸之路和中蒙俄经济走廊具有重要的现实意义。
第二，进行了亚美寒区区划。本文基于 GIS 对亚美寒区进行了区划，形成了亚美寒区行政分区图、亚美寒区流域与海域分区图、2017 年亚美寒区各行政分区生产水足迹空间分布图共 3 幅图件，为进一步对亚美寒区的相关研究提供资料。
第三，比较分析了亚美寒区生产水足迹空间差异。以生产水足迹计算为基础，进行了政区之间、流域之间、流域内部的政区之间的空间差异比较分析，还计算了亚美寒区 8 国的水资源压力指标、生产水足迹强度和人均总水足迹，分析了各国水资源开发的安全情况、水资源利用效率等，为水文、水资源管理等进一步的研究提供参考。
在亚美寒区行政与地表水系区划的基础上，对亚美寒区的生产水足迹进行计算，对比分析计算结果可得到以下结论：
（1）由东北亚和西北美两大区域组成的亚美寒区，在地理位置、气候特征、板块地质构造等方面具有相似性和一致性，具有整体研究和对比研究的价值。
（2）形成了亚美寒区流域与海域分区图，得到了 31 个分区，其中亚美寒区陆域划分出 23 个分区，海域划分出 8 个分区；23 个分区中东北亚部分占 16 个，西北美部分占 7 个。
（3）得到了 2017 年亚美寒区各行政分区的生产水足迹，和 2017 年亚美寒区5 大流域分区的生产水足迹。从整体看，东北亚区域南部行政分区生产水足迹高于北部，西北美区域近海一侧的行政分区生产水足迹更高。
参考文献（略）