虛擬水理論在河北省的應(yīng)用

高太忠,龐會從,余國山,楊 柳

(河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

虛擬水理論在河北省的應(yīng)用

高太忠,龐會從,余國山,楊 柳

(河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

依據(jù)虛擬水的計量分析方法,對2005年河北省單一農(nóng)產(chǎn)品虛擬水量和動物產(chǎn)品的虛擬水量進行了計算,得出河北省2005年城鄉(xiāng)居民消費產(chǎn)品中的虛擬水含量為484.72億m3,為實體水利用量的2.3倍;5種動物產(chǎn)品虛擬水總含量為121.17億m3,單位產(chǎn)品虛擬水含量平均值為2 597.60m3/t,9種農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總含量為363.55億m3,單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量平均值為648.44m3/t,具有較大的虛擬水應(yīng)用潛力。依據(jù)2005年河北省的虛擬水、用水量及用水結(jié)構(gòu),分析了虛擬水戰(zhàn)略對河北省的影響及其發(fā)展?jié)摿?。認(rèn)為對于河北省這樣的缺水地區(qū),運用虛擬水手段可有效解決實體水調(diào)用的工程費用問題。建議密切結(jié)合自身的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、藥業(yè),適當(dāng)從鄰省調(diào)入糧食。

虛擬水;用水量;用水結(jié)構(gòu);河北省

水資源短缺是我國北方地區(qū)21世紀(jì)面臨的最主要的生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟問題之一,是制約區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、改善的瓶頸。據(jù)河北省水利廳2007年發(fā)布的水資源評價成果,河北省多年平均水資源總量為204.69億m3,是全國水資源總量的0.72%。多年人均水資源量為307m3,為全國人均水資源量的13.97%[1-2]。面對嚴(yán)峻的水資源現(xiàn)狀,如何實現(xiàn)河北省水資源的可持續(xù)利用和均衡分配是亟待解決的問題,需要更新水資源問題的研究思路。虛擬水理論是解決區(qū)域水資源短缺問題的有效工具,通過水—糧食—貿(mào)易的關(guān)系體現(xiàn)。在水資源短缺地區(qū),水資源短缺極大地影響區(qū)域內(nèi)的糧食生產(chǎn)和安全。虛擬水貿(mào)易是一種新的水資源供應(yīng)方式,可以作為一種調(diào)節(jié)工具來實現(xiàn)區(qū)域的糧食安全和水資源安全[3]。

1 虛擬水的概念

虛擬水是英國學(xué)者Tony Allan于20世紀(jì)90年代提出的新概念[4],是指生產(chǎn)產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源[5]。虛擬水不是真正意義上的水,而是以“虛擬”的形式包含在產(chǎn)品中的看不見的水,也被稱為“嵌入水”和“外生水”[4-9]。虛擬水概念是一個類似于“水資源”的元概念。

虛擬水戰(zhàn)略是指貧水國家和地區(qū)通過貿(mào)易方式從富水國家和地區(qū)購買水密集型農(nóng)產(chǎn)品(尤其是糧食)來獲得水和糧食安全[4-5,8-12]。國家和地區(qū)之間的農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易,實際上是以虛擬水的形式在進口或出口水資源[6,9-10]。從虛擬水的概念可以看出,虛擬水以“無形”的形式存在于其他商品中,相對于現(xiàn)實存在的水資源,其便于運輸?shù)奶攸c,使這種貿(mào)易變成了一種緩解水資源短缺的途徑。

虛擬水戰(zhàn)略是平衡區(qū)域尺度和水赤字的有效工具和戰(zhàn)略措施[13-14]。對于那些水資源緊缺的地區(qū)來說,虛擬水貿(mào)易不僅提供了水資源的一種替代供應(yīng)途徑,而且不會產(chǎn)生惡劣的環(huán)境后果,能較好地減輕局地水資源緊缺的壓力[5,8]。而對于水資源豐富的國家,通過虛擬水的出口同樣可以獲益,增強其經(jīng)濟實力。因此,國家與國家之間虛擬水交易被用作提高全球水利用效率和缺水地區(qū)獲得水安全的一個重要工具。

農(nóng)業(yè)用水是目前我國水資源消耗的主要形式。通過省際農(nóng)產(chǎn)品進出口情況,可以了解目前“虛擬水”在各地區(qū)流通的大致情況,因為農(nóng)產(chǎn)品是水密集型商品,其中隱含了大量的“虛擬水”。全國除臺灣、澳門、香港外31個省(市、區(qū))中,有20個省(市、區(qū))的農(nóng)產(chǎn)品進口大于出口,表現(xiàn)出進口“虛擬水”,10個省(市、區(qū))農(nóng)產(chǎn)品出口量大于進口量,表現(xiàn)為出口“虛擬水”。

2 虛擬水的計量方法

2.1 農(nóng)作物產(chǎn)品虛擬水含量計算

單一農(nóng)作物產(chǎn)品虛擬水含量可以根據(jù)以下公式計算:

式中:Vcn為區(qū)域n作物c單位質(zhì)量的虛擬水含量,m3/t;Wcn為區(qū)域n作物c的需水量,m3/hm2;Ycn為區(qū)域n作物c的產(chǎn)量,t/hm2[4-5,11,15-17]。

假設(shè)農(nóng)作物本身所包含的水分可以忽略不計,則作物需水即是作物在生長發(fā)育期間的累積蒸發(fā)蒸騰水量:

式中:ETC為累積蒸發(fā)蒸騰水量,t;ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰水量,t;KC為作物系數(shù)[4-6,8,11,15-17]。

式(2)計算ET0時,忽略了作物類型、作物發(fā)育和管理措施等因素對作物需水的影響,可根據(jù)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式計算修正,其計算過程如下:

式中:Δ為蒸氣壓力曲線斜率,kPa/℃;Rn為作物表面的凈輻射量,MJ/m2;G為土壤熱流量,MJ/m2;γ為干濕度常量,kPa/℃[5-6,11,15-19];t為平均氣溫,℃;v2為離地面2m高處的風(fēng)速,m/s;Pa為飽和狀態(tài)下的蒸氣壓力,kPa;Pd為實際蒸氣壓力,kPa。

2.2 動物產(chǎn)品虛擬水含量計算

圖1 動物產(chǎn)品虛擬水計算流程

要將活動物的虛擬水含量在動物產(chǎn)品間進行分配才能計算出不同動物產(chǎn)品的虛擬水含量(圖1)[4-6,11]。動物產(chǎn)品的虛擬水含量依賴于動物的類型、動物的飼養(yǎng)結(jié)構(gòu)和動物成長的自然地理環(huán)境(氣候條件)[12,16-17]。其虛擬水含量計算分兩個步驟:①計算活動物一生消耗的虛擬水量(包括飼料生產(chǎn)用水、生活飲用水、清洗圈舍用水);②活動物的虛擬水量加上加工用水在該動物的不同產(chǎn)品之間進行分配[6]。文獻[4-5,11-12,15-19]給出了第1類至第4類動物產(chǎn)品及相關(guān)問題的概念,即直接由活動物提供的產(chǎn)品稱為第1類動物產(chǎn)品,經(jīng)進一步加工變成第2類動物產(chǎn)品,第1類動物產(chǎn)品的虛擬水含量包括活動物的虛擬水和為得到不同第1類初級產(chǎn)品加工所需要的水資源量?？梢砸M產(chǎn)品比例因子和價值比例因子來計算在不同的第1類產(chǎn)品間分配活動物的虛擬水含量和加工需水。產(chǎn)品比例因子定義為從活動物得到的不同第1類動物產(chǎn)品的數(shù)量比例,價值比例因子是第1類產(chǎn)品的市場價值與所有第1類產(chǎn)品市場價值總和的比例。部分第1類產(chǎn)品的虛擬水和加工用水構(gòu)成了活動物的虛擬水,第2類初級產(chǎn)品間用水的分配同樣采用產(chǎn)品比例因子和價值比例因子進行分配,第3、4類動物產(chǎn)品的虛擬水含量分配依此類推。

3 計算和分析

3.1 單一農(nóng)產(chǎn)品虛擬水量計算

a.作物需水量。根據(jù)陳玉民等[20]的我國主要作物需水量等值線圖等研究結(jié)果,作物需水量(ET)調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 海河流域作物需水量調(diào)查結(jié)果 mm

b.作物產(chǎn)量。根據(jù)河北經(jīng)濟年鑒2005年統(tǒng)計數(shù)據(jù)[21],2005年河北省各類作物單產(chǎn)量統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 2005年河北省各類作物單產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果 kg/hm2

c.虛擬水含量計算。按照前述方法,首先計算單一農(nóng)作物初級產(chǎn)品生產(chǎn)的虛擬水含量,然后根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料和知識,獲得各類作物單產(chǎn)量,最終得到單位產(chǎn)品的虛擬水含量(表3)。需要指出的是,同虛擬水相比較,最終產(chǎn)品中的實體水和加工過程中所需要的實體水總是忽略的(如西紅柿中的水)。

3.2 動物產(chǎn)品的虛擬水計算

Hoekstra等[22]根據(jù)FAO和世界貿(mào)易組織(WTO)提供的數(shù)據(jù)資料,按照世界100多個國家單位重量動物產(chǎn)品的虛擬水含量估算中有關(guān)中國部分貢獻度大小的估計結(jié)果,計算2005年河北省居民生活消費的動物產(chǎn)品中的虛擬水含量(表3)。

表3 2005年河北省城鄉(xiāng)居民消費的虛擬水含量

從表3可見,2005年河北省主要農(nóng)產(chǎn)品和動物產(chǎn)品的虛擬水總量為484.72億m3,其中,5種動物產(chǎn)品總產(chǎn)量為280.55萬t,虛擬水總含量為121.17億m3,單位產(chǎn)品虛擬水含量平均值為2 597.60m3/t;9種農(nóng)產(chǎn)品的總產(chǎn)量為1096.6萬t,虛擬水總量為363.55億m3,單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量平均值為648.44m3/t,單位動物產(chǎn)品虛擬水含量約為單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量的 4倍。谷物的虛擬水總量達271.45億m3,占農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總量的74.7%。

在河北省這樣一個缺水大省,由于農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)的采用,谷物的單位質(zhì)量虛擬水含量應(yīng)該接近50%,所以計算結(jié)果可能有偏差。9種農(nóng)產(chǎn)品中,盡管蔬菜的單位質(zhì)量虛擬水含量很低,但是單產(chǎn)很高,單位面積需水量達813mm,是9種農(nóng)產(chǎn)品中需水量最大的。蔬菜作為一種日常生活食品,其需求量大是造成種植面積大的原因,也與河北省的地理條件有關(guān)。但是,如果適當(dāng)壓縮蔬菜的種植面積,并從鄰近地區(qū)進口部分蔬菜,可以減少水資源的消耗。河北省作為全國14個糧食主產(chǎn)省之一,每年出省糧食約在45萬t以上。河北省可調(diào)整糧食貿(mào)易結(jié)構(gòu),適當(dāng)減少單位產(chǎn)品虛擬水含量較高的谷物和棉花作物。

3.3 虛擬水與用水結(jié)構(gòu)分析

依據(jù)2005年河北省虛擬水與用水量計算結(jié)果(表4),分析河北省虛擬水與用水結(jié)構(gòu),對虛擬水戰(zhàn)略在河北省的應(yīng)用以及河北省的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整都具有指導(dǎo)意義。

表4 2005年河北省虛擬水與用水量計算結(jié)果

2005年河北省人均用水量為307m3,由農(nóng)產(chǎn)品和動物產(chǎn)品計算得出的人均虛擬水約為707.5m3,人均虛擬水是人均用水量的2.3倍。農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量大于農(nóng)業(yè)用水量,主要是因為單位質(zhì)量農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量并未包含最終產(chǎn)品中的實體水和加工過程中所需要的實體水。動物產(chǎn)品的虛擬水總量很大,一方面是因為動物產(chǎn)品虛擬水含量并非嚴(yán)格按照資料進行計算,而是采用Chapagain和Hoekstra的研究結(jié)果和虛擬水計算參考值;另一方面,動物產(chǎn)品的虛擬水包含了多種來源,而且動物產(chǎn)品具有儲水功能,可能包含了多年的累積消耗水量。

筆者只計算了農(nóng)產(chǎn)品和動物產(chǎn)品的虛擬水,并沒有計算工業(yè)產(chǎn)品的虛擬水。但是僅僅從這兩個方面的計算結(jié)果來看,生產(chǎn)和加工這些產(chǎn)品消耗了大量的水資源。由于工業(yè)產(chǎn)品的虛擬水含量計算尚處于起步階段,可借鑒的工業(yè)原材料虛擬水的數(shù)據(jù)較少,因此,計算模型還有待完善。從虛擬水及用水2個方面都可以看出,農(nóng)業(yè)用水高達161.76億m3,而河北省2005年的水資源可利用總量僅為170億m3,基本滿足農(nóng)業(yè)用水的需要。

在虛擬水戰(zhàn)略中,對于缺水地區(qū),最理想的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是讓有限的水資源用于耗水量小且產(chǎn)品附加值高的行業(yè)。低附加值行業(yè)一般是農(nóng)業(yè),如果城市化水平不高,農(nóng)村人口眾多,考慮到就業(yè)壓力及人民生活等問題,壓縮農(nóng)業(yè)的可能性不大。河北省是農(nóng)業(yè)大省,只能依靠提高水資源利用效率節(jié)約水資源,因此實施虛擬水戰(zhàn)略必須考慮地區(qū)的城市化發(fā)展水平。從省域經(jīng)濟綜合競爭力角度看,河北省列居全國第12位,但是采用虛擬水戰(zhàn)略的潛力仍然不足。特有的地理位置制約了河北省很多方面的發(fā)展。

4 結(jié)論與討論

筆者對河北省2005年主要農(nóng)產(chǎn)品和動物產(chǎn)品的虛擬水計算得出:虛擬水總量為484.72億m3,其中,5種動物產(chǎn)品虛擬水總含量為121.17億m3,單位產(chǎn)品虛擬水含量平均值為2 597.60m3/t;9種農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總含量為363.55億m3,單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量平均值為648.44m3/t。人均虛擬水含量為實體水利用量的2.3倍。產(chǎn)品中所包含的虛擬水總量是相當(dāng)可觀的,而且這部分水是可以通過貿(mào)易進行流通。虛擬水貿(mào)易提供了水資源的一種替代供應(yīng)方式,并且該方式不會產(chǎn)生惡劣的環(huán)境后果,可有效解決實體水調(diào)用的工程費用問題。虛擬水戰(zhàn)略的實際應(yīng)用中受地區(qū)的經(jīng)濟實力、城市化發(fā)展水平、生態(tài)平衡等許多因素的影響。貧水地區(qū)可以通過購買水密集型產(chǎn)品來替代自己生產(chǎn),從而緩解水資源短缺的壓力。盡管河北省是農(nóng)業(yè)大省,糧食作為戰(zhàn)略性資源,但仍可適當(dāng)考慮通過制定和實施虛擬水進口戰(zhàn)略,同時結(jié)合自身的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,發(fā)展輕工業(yè)、藥業(yè),適當(dāng)從鄰省調(diào)入糧食。

[1]程國棟.虛擬水:中國水資源安全戰(zhàn)略的新思路[J].中國科學(xué)院院刊,2003(4):260-265.

[2]劉雅翠.河北人均和畝均水資源量為全國1/7水資源形勢嚴(yán)峻[EB/OL].[2007-03-23].http://www.heb.chinanews.com.cn/news/shfz/2007-03-23/13828.shtml.

[3]QADIR M,BOERS T M,SCHUBERT S,et al.Agricultural water management in water-starved countries:challenges and opportunities[J].Agricultural Water Management,2003,62:165-185.

[4]張興榆,曹明明,雷敏.虛擬水域虛擬水戰(zhàn)略研究進展[J].水資源研究,2006,27(2):30-32.

[5]徐中民,龍愛華,張志強.虛擬水的理論方法及在甘肅省的應(yīng)用[J].地理學(xué)報,2003,58(6):861-869.

[6]于茜,瓦哈甫?哈力克,吳亞妮,等.虛擬水理論及其在新疆的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究,2007,23(2):141-145.

[7]崔亞楠.虛擬水理論與北京地區(qū)用水結(jié)構(gòu)分析[J].北京水利,2005(4):33-35.

[8]狄乾斌,韓增林,劉桂春.基于虛擬水消費的水足跡計算:以大連市為例[J].云南地理環(huán)境研究,2006,18(5):28-33.

[9]邢芳.解決水危機的新領(lǐng)域:虛擬水戰(zhàn)略[J].科技資訊,2008(3):153.

[10]吳普特,馮浩.中國節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略初探[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21(6):152-157.

[11]楊靜.遼西地區(qū)虛擬水戰(zhàn)略研究[D].遼寧:遼寧師范大學(xué),2006.

[12]王新華,張志強,龍愛華,等.虛擬水研究綜述[J].中國農(nóng)村水利水電,2005(1):27-30.

[13]ZIMMER D,RENAULT D.Virtual water in food production and globaltrade:review ofmethodologicalissuesand preliminary results[C]//HOEKSTRA A Y.Virtual Water Trade.IHE Delft:2003:93-107.

[14]DABO GUAN,KLAUS HUBACEK.Assessment of regional trade and virtual water flows in China[J].Ecological Economics,2007(1):159-170.

[15]龍愛華,徐中民,張志強.虛擬水理論方法與西北4省(區(qū))虛擬水實證研究[J].地球科學(xué)進展,2004,19(4):577-584.

[16]李吉玫,徐海量,張占江,等.不同情境下的虛擬水戰(zhàn)略對塔里木河流域水資源和生態(tài)環(huán)境的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2008,27(7):120-125.

[17]李吉玫,徐海量,葉茂,等.塔里木河流域2003年虛擬水計算初探[J].水土保持通報,2007,27(3):88-92.

[18]吳曉華.黑龍江省虛擬水研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2007.

[19]李明.長春市1994—2004年水足跡研究[D].沈陽:東北師范大學(xué),2007.

[20]陳玉民.中國主要作物需水量與灌溉[M].北京:水利電力出版社,1995.

[21]河北省人民政府辦公廳,河北省統(tǒng)計局,河北省社會科學(xué)院.河北經(jīng)濟年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2006.

[22]HOEKSTRA A Y,CHAPAGAIN A K.Water footprints of nations:water use by people as a function of their consumption pattern[J].Water Resource Management,2007,21:35-48.

Application of virtual water theory in Hebei Province

GAO Tai-zhong,PANG Hui-cong,YU Guo-shan,YANG Liu
(College of Environmental Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang050018,China)

Using a quantitative analysis method,the virtual water quantities of single farm products and animal products in Hebei Province in 2005were calculated.The virtual water quantity of urban and rural residential consumption products was 484.72 billion m3in Hebei Province in 2005.This was about 2.3 times the fresh water consumed.The virtual water of five animal productswas 121.17 billion m3,and the average virtual water per product was 2597.60m3/t.The virtual water of nine farm products was 363.55 billion m3,and the average virtual water per product was 648.44m3/t.There was large virtual water application potential.The influence of a virtual water strategy and its development potential in Hebei Province were analyzed according to virtual water,water quantity consumed,and water consumption structure in 2005.The engineering cost of water diversion can be resolved effectively by applying virtual water concepts in Hebei Province with water resources shortages.It is suggested that by using the industrial advantages in Hebei Province,hightech industry and medicine enterprises can be developed,and food can be transferred from neighboring provinces properly.

virtual water;virtual water quantity;water consumption structure;Hebei Province

TV213

A

1004-6933(2010)03-0079-04

河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室開放基金資助項目(2005409311);河北省環(huán)境工程重點學(xué)科項目(2009009)

高太忠(1957—),男,河北行唐人,教授,博士,從事水資源利用、保護與管理研究。E-mail:taizhonggao@163.com

2009-02-15 編輯:徐 娟)