天津市水資源足跡趨勢預(yù)測與動態(tài)調(diào)節(jié)

李 健，張吉輝

(1．天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津300072;2．天津理工大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院，天津300191)

我國雖然是一個水資源大國，但是人均量僅為世界人均水資源量的28%左右，且分布極度不均，近年常出現(xiàn)部分區(qū)域水災(zāi)、冰災(zāi)和雪災(zāi)而其他區(qū)域卻出現(xiàn)旱災(zāi)的現(xiàn)象，如何預(yù)測區(qū)域水資源趨勢，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間的動態(tài)調(diào)節(jié)已經(jīng)成為需要。隨著區(qū)域間貿(mào)易量的不斷擴(kuò)大，通過實(shí)物交換帶來的區(qū)域間虛擬水資源貿(mào)易占比越來越大［1］，因此，從水資源足跡視角進(jìn)行區(qū)域水資源趨勢預(yù)測和動態(tài)調(diào)節(jié)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。“水資源足跡”(起源于生態(tài)足跡)由Hoekstra首次提出，Chapagain和Hoekstra(2004)研究出全球水足跡約為7．45×1012m3/年，人均水足跡為1 240 m3/年，而中國人均水足跡僅為700 m3/年［2］。Klaus Hubacek(2009)采用 IO 模型對2020年中國的水足跡情況、水足跡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)測，提出了區(qū)域間水足跡協(xié)調(diào)措施［3］。Chapagain(2009)以全球?qū)ξ靼嘌婪训南M(fèi)為例對水足跡算法進(jìn)行了改進(jìn)［4］。Ridoutt(2010)以澳大利亞芒果為例對食物廢棄物中的水足跡進(jìn)行了計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對水足跡測算范圍的補(bǔ)充［5］。Kathleen等(2010)引入了模糊IO模型對水足跡約束下的生態(tài)工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化進(jìn)行了研究［6］。自水足跡概念引入我國以來，它在解決我國水資源短缺與糧食安全、生態(tài)環(huán)境等問題得到初步應(yīng)用，王新華［7］、馬靜［8］、黃林楠［9］、譚秀娟［10］等學(xué)者也分別對水足跡的計(jì)算方法進(jìn)行了研究。

國內(nèi)外學(xué)者對國家、地區(qū)的水足跡研究主要集中于其來源和計(jì)算方法，較少對區(qū)域水資源足跡趨勢進(jìn)行預(yù)測和調(diào)節(jié)。本研究以天津市為例，以2004—2009年水資源足跡計(jì)算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對其發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，并提出動態(tài)調(diào)節(jié)策略，使從新視角實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源可持續(xù)利用成為可能。

1 水資源足跡的內(nèi)涵及其測度

1．1 水資源足跡的內(nèi)涵

水資源足跡(water footprint，WF)是指生產(chǎn)已知區(qū)域內(nèi)人口在一定時間內(nèi)消耗的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源量［11］。水資源足跡根源于說明人類消費(fèi)、水資源利用、貿(mào)易和水資源管理之間的隱性關(guān)系，包含藍(lán)水、綠水和灰水(藍(lán)水是指存在于江、河、湖泊及含水層中的地表水與地下水的總和，即通常所指的水資源;綠水是指通過作物蒸發(fā)消耗的非飽和水;灰水是指將排放水稀釋淡化到達(dá)標(biāo)所需新鮮水量)［12］。

1．2 水資源足跡的測度

一個國家或地區(qū)的水資源足跡的測度有兩種方法:一種是自上而下的方法，即區(qū)域內(nèi)水資源利用量加上虛擬水(virtualwater，是指生產(chǎn)商品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量［13］，通過產(chǎn)品貿(mào)易實(shí)現(xiàn)其在區(qū)域間的流動)凈輸入量(虛擬水進(jìn)口量減去虛擬水出口量)，可以表示為

式中:WF為一個區(qū)域的水足跡;WU為區(qū)域內(nèi)產(chǎn)品生產(chǎn)的總用水量，包括綠水和藍(lán)水;VWE為產(chǎn)品虛擬水出口量;VWI為產(chǎn)品虛擬水進(jìn)口量［14］。另一種方法是自下而上的方法，它將該區(qū)域人口所消費(fèi)的商品、服務(wù)數(shù)量與各自的單位產(chǎn)品虛擬水含量相乘求和得到。其公式為

式中:DU為生活用水量;EU為生態(tài)用水量;Pi為第i種產(chǎn)品消費(fèi)量;VWCi為第i種產(chǎn)品虛擬水量。

2 天津市水資源足跡的測度及趨勢預(yù)測

2．1 天津市水資源概況

天津市地處華北平原東北部，東臨渤海，北枕燕山，與首都北京毗鄰，多年平均降水量為720～560 mm，6，7，8三個月降水量占全年的75%左右，天津是海河五大支流南運(yùn)河、北運(yùn)河、子牙河、大清河、永定河的匯合處和入海口，流經(jīng)天津的一級河道有19條，總長度為1 095．1 km，二級河道有79條，總長度為1 363．4km，引灤入津工程建成后，灤河水已成為天津市重要供水水源，同時，天津市北部有一定量地下水源。近10年，天津市平均水資源總量為11．77億m3［15］，分布格局為北多南少。

2．2 天津市水資源足跡測度

本研究采用綜合計(jì)算方法:生活用水、生態(tài)用水和工業(yè)用水屬于藍(lán)水，其用水量約等于其水足跡，而農(nóng)業(yè)用水足跡包含藍(lán)水和綠水，需采用自下而上的方法，此外，虛擬水貿(mào)易帶來的水足跡和灰水足跡 (按照污水排放量1∶1比例計(jì)算)單獨(dú)計(jì)算。2004—2009年天津市生產(chǎn)用水 (第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè))、生活用水、生態(tài)用水和污水排放情況如表1所示［16］。2004—2009年天津市主要農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)量如表2所示。通過整理和計(jì)算可得2004—2009年天津市水足跡 (工農(nóng)業(yè)用水足跡、虛擬水貿(mào)易和灰水足跡)情況如表3所示。

表1 2004—2009年天津市水資源使用情況 億m3Tab．1 W ater resources utilization of Tianjin in 2004—2009 108 m3

表2 2004—2009年天津市主要農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)量 萬tTab．2 M ain agricultural production of Tianjin in 2004—2009 104 t

2．3 天津市水資源足跡趨勢預(yù)測

從表3看出，2004—2009年天津市水足跡和人口變化量相對較小，總體趨勢均為緩慢上升，本研究采用線性函數(shù)對這兩個變量進(jìn)行擬合和預(yù)測，二者的擬合函數(shù)、實(shí)際數(shù)據(jù)如圖1、圖2所示。水足跡擬合函數(shù)的精度為0．706，人口數(shù)量擬合函數(shù)的精度為0．968，相對較高，按照這兩個擬合函數(shù)對2010—2015年天津市水足跡和人口進(jìn)行預(yù)測，計(jì)算人均水足跡，結(jié)果如表4所示。

表4 天津市人均水足跡預(yù)測表Tab．4 Water footprint per capita of Tianjin

3 天津市水資源足跡動態(tài)調(diào)節(jié)

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，2004—2009年天津市的年度水足跡保持在65～80億m3之間，總量相對比較豐富，但是，人均水足跡處于620～660 m3之間，低于我國人均水足跡(700 m3)，約為世界人均水足跡的1/2(1 240 m3)，僅為美國人均水足跡的 1/4(2 480 m3)［17］。隨著人口規(guī)模的增長，天津市人均水足跡自2004年開始總體處于下降趨勢，而水足跡占比最大的兩項(xiàng)分別是農(nóng)業(yè)水足跡和虛擬水貿(mào)易，農(nóng)業(yè)用水足跡達(dá)到了80億m3左右，虛擬水貿(mào)易造成的年水足跡順差(凈輸出量)達(dá)到30億m3以上。從表4可看出，2010—2015年天津市水足跡和人口總量變化趨勢均為緩慢上升，但是由于人口基數(shù)較大，人均水足跡有小幅度下降，而且將成為一種長期趨勢。因此，天津市水足跡分配和利用現(xiàn)狀不盡合理，且未來人均水足跡偏低的狀況將更加嚴(yán)峻，急需進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。

(1)調(diào)整產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水向工業(yè)和服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)移。工業(yè)節(jié)水一直受到普遍關(guān)注，天津市在這一環(huán)節(jié)上處于全國前列，工業(yè)用水效率相對較高，但是仍然處于缺水狀態(tài)，應(yīng)鼓勵農(nóng)業(yè)逐步采取集約型灌溉方式，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，著力調(diào)整產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水資源向利用效率更高的工業(yè)和服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)移。

(2)轉(zhuǎn)變虛擬水貿(mào)易策略，逐步實(shí)現(xiàn)虛擬水貿(mào)易逆差。盡量減少初級農(nóng)產(chǎn)品和富水足跡產(chǎn)品輸出量，減少富水足跡產(chǎn)品的生產(chǎn)，增加其輸入量，實(shí)現(xiàn)凈輸入量由負(fù)轉(zhuǎn)正，通過這一策略提高區(qū)域水足跡總量。天津市每年由于虛擬水貿(mào)易造成水足跡流出30億m3以上，應(yīng)從其他富水區(qū)域進(jìn)口工業(yè)產(chǎn)品和虛擬水含量較高的農(nóng)副產(chǎn)品，如肉類、棉花等，同時減少自身同類農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)，有效解決區(qū)域缺水問題。

(3)優(yōu)化產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水足跡的合理分配。肉、奶制品、禽蛋類和水果等高水足跡產(chǎn)品消費(fèi)量的增長造成農(nóng)業(yè)相關(guān)水足跡較高，且城鄉(xiāng)居民分配不均，盡量優(yōu)化這些產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水足跡、城鄉(xiāng)居民水足跡的合理分配。

(4)提高農(nóng)業(yè)用水和生活污水排放達(dá)標(biāo)率，從源頭減少灰水量。近年來，天津市農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排放達(dá)標(biāo)率最高分別為70%和85%左右，遠(yuǎn)低于工業(yè)近99．99%的達(dá)標(biāo)率，需要重點(diǎn)關(guān)注。著力減少COD、氨氮、氮氧化物等化學(xué)污染物的排放量，從源頭上減少灰水量，從而減少水資源在生態(tài)環(huán)節(jié)的浪費(fèi)。

(5)建立水足跡定期監(jiān)控和預(yù)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水足跡的科學(xué)調(diào)控。應(yīng)該建立水足跡定期監(jiān)控機(jī)制，根據(jù)數(shù)據(jù)掌握區(qū)域水足跡情況，與歷年數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以獲得本區(qū)域水足跡實(shí)況，為水資源預(yù)警和用水調(diào)節(jié)策略的制定提供數(shù)據(jù)支持。天津市作為資源型缺水城市更應(yīng)注重水足跡監(jiān)控和預(yù)警，避免長期水足跡赤字，以保證本市經(jīng)濟(jì)正常發(fā)展和人民正常生活。

4 結(jié)語

水資源足跡可測度一定時間維度和空間維度內(nèi)的水資源分布情況，真實(shí)地衡量人類社會對水資源利用情況，以天津市為例，引入虛擬水貿(mào)易和水足跡赤字，從生產(chǎn)用水、生活用水、生態(tài)用水和污水排放等方面分別進(jìn)行了水足跡計(jì)算，并用精度較高的擬合函數(shù)對未來幾年天津市水足跡趨勢和人口趨勢進(jìn)行了預(yù)測，針對人均水足跡較低(2009年為657 m3)且仍將繼續(xù)下降的趨勢，提出了調(diào)整產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變虛擬水貿(mào)易策略、優(yōu)化產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)、提高三大產(chǎn)業(yè)污水排放達(dá)標(biāo)率、建立水足跡定期監(jiān)控和預(yù)警機(jī)制等動態(tài)調(diào)節(jié)策略，以提高區(qū)域水資源調(diào)節(jié)的可操作性，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間水資源合理配置提供理論支持。

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