廈門市資源水與虛擬水耦合代謝效率評價

黃初龍,于昌平, 高 兵,3,黃云鳳

1 中國科學院城市環(huán)境研究所,中國科學院城市環(huán)境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 泉州師范學院資源與環(huán)境科學學院, 泉州 362000 3 廈門市城市代謝重點實驗室, 廈門 361021 4 集美大學食品與生物工程學院, 廈門 361021

廈門市資源水與虛擬水耦合代謝效率評價

黃初龍1,2,3,于昌平1, 高 兵1,3,黃云鳳4,*

1 中國科學院城市環(huán)境研究所,中國科學院城市環(huán)境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 泉州師范學院資源與環(huán)境科學學院, 泉州 362000 3 廈門市城市代謝重點實驗室, 廈門 361021 4 集美大學食品與生物工程學院, 廈門 361021

自然水循環(huán)與社會水循環(huán)的關聯(lián)研究是制定系統(tǒng)性水代謝對策的前提。從水資源代謝過程與格局角度,用物質流分析法(MFA)剖析了亞熱帶季風氣候雨影區(qū)缺水城市枯水年份資源水與虛擬水耦合代謝的路徑、數(shù)量,提取代謝效率評價所需的過程與結構指標,以社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境效益最優(yōu)化為評價原則構建了城市水資源代謝效率評價指標體系,采用層次分析法賦權,評價了近10年來枯水年份廈門市資源水與虛擬水耦合代謝效率。結果表明,廈門水資源代謝效率呈加速提高趨勢,主要由用水效率類和水代謝過程與結構類指標驅動。說明提高水資源代謝效率的根本對策在于用水行為和用水過程與結構的改善。采用情景分析法設計主導驅動指標不同組合下水資源代謝效率情景方案,提高了方案的可操作性,可基于這些指標制定水資源管理對策?；贛FA結果提取指標豐富了指標體系構建理論。

資源水；虛擬水；水資源代謝效率；物質流分析(MFA)；指標體系；情景分析

水資源是輸入城市的主要資源之一,可分為生態(tài)水、災害水、資源水和虛擬水[1]。城市水系統(tǒng)可看作自然水循環(huán)與人工水循環(huán)過程疊加的代謝系統(tǒng)[2],主要由生產(chǎn)、消費和還原3個級別組成[1,3]。城市水問題生態(tài)實質是水資源代謝問題[4],水資源代謝效率評價是提高水代謝效率的前提。由于提高水代謝效率取決于人類行為,而資源水和虛擬水均受人類強烈調控[1]、同步輸入城市且交互作用,因而,客觀評價水資源代謝效率需要同步考慮資源水與虛擬水。

物質流分析(MFA)能追蹤社會經(jīng)濟系統(tǒng)中物質提取、處理、加工、消費、排放等物質流,可系統(tǒng)地量化社會經(jīng)濟系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)之間的物質交換[5- 6]。可見,MFA既可重現(xiàn)天然水流動過程與格局,也可追蹤虛擬水流動與分布,便于從水代謝過程與格局角度同步提取資源水流和虛擬水流代謝指標,從而構建可系統(tǒng)地評價水代謝效率的指標體系,既可為水資源管理提供指標依據(jù),也便于從不同學科深入認識社會水循環(huán)結構和過程,促進社會水循環(huán)與自然水循環(huán)的關聯(lián)研究。

1 研究區(qū)概況

中國東南沿海城市是我國城市缺水重點地區(qū)[7]。廈門位于該區(qū),陸地面積1699 km2,地形以山地、丘陵為主,境內河流水系分散,源短流急。沿海平原是人口密集區(qū),經(jīng)濟發(fā)達,需水量大；屬亞熱帶海洋性季風氣候,降水季節(jié)波動幅度大,以地表水為主的供水易受年際年內變化影響；且因位于臺灣山脈雨影區(qū),人均水資源量少,2009年僅276.5 m3[8-9]；又由于氣候、地形等因素影響,降水的空間分布也不均勻,由人口稀少的西北向人口密集的東南沿海遞減[8]。因此,伴隨城市規(guī)模持續(xù)擴張[10],廈門是資源型缺水典型城市,作為水資源代謝效率評價對象探討缺水對策,具有代表性。

1999年以來典型枯水年份分別為2003年、2009年、2011年,全市平均降水量分別為1206.4、1086.7、1290.1 mm,比多年平均值分別少21.3%、29.0%、15.7%[8],可作為水資源代謝效率評價年,其評價結果可為缺水對策制定提供依據(jù)。

2 研究方法

2.1 虛擬水核算

虛擬水是指已被人類經(jīng)濟社會系統(tǒng)利用、由部分資源水轉化而賦存于商品中的水,相當于特定社會經(jīng)濟技術條件下的用(耗)水量,即生產(chǎn)商品和服務所用水量,其水量大小可用商品重量來衡量,經(jīng)商品流通而自由流通,直接影響人類系統(tǒng)的生產(chǎn)功能與生活水平[1]。本研究以質量為單位核算各代謝過程虛擬水量,具體核算過程見圖1注釋。

圖1 廈門市資源水與虛擬水耦合代謝路徑示意Fig.1 A conceptual model for analysis of the integrated metabolism of available and virtual water for Xiamen city箭頭表示水流方向。鑒于數(shù)據(jù)來源,未考慮垃圾回用虛擬水流;圖中大寫字母及其下標字母為各指標代號,其中,Ct1,社會消費品零售總額所含虛擬水；Ct2,社會非消費品銷售總額所含虛擬水;上標字母說明：a: Ev=P-TFw；b: 即當年蓄水減少量；c: 包括污水處理回用量、雨水利用量等,其中,2003年污水回用量僅處理量1%,即65.4×104 m3 [20]；2011年污水回用量按再生水利用率10.7%[21] 計算,廢污水排放數(shù)據(jù)見文獻[22]；d: 主要用于火電廠冷卻和湖泊沖污等,均未經(jīng)淡化等處理直接利用,不納入虛擬水核算,其中,2003年海水取水量是全市工業(yè)用水總量與工業(yè)淡水取水量的差[22],但2009年海水取水量采用海水利用量[8](按2003年方法計算結果略大于海水利用量),2011年則采用工業(yè)取水量與工業(yè)淡水取水量的差值[8,22]；e: 出、入境虛擬水量分別為各年萬元GDP用水量和外貿出口、進口總額的乘積,萬元GDP用水量來自各年廈門水資源公報[8]；外貿進出口總額和社會消費品零售總額：2003年來自廈門市2003年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[23],2009年和2011年來自于廈門統(tǒng)計信息網(wǎng)[24-25]；美元兌換人民幣匯率按中國人民銀行公布的最接近相應年份最后一天的人民幣匯率中間價計算,即2004- 01- 02為1美元對人民幣8.2768,2009- 12- 31為1美元對人民幣6.8282元[26],2011- 12- 30為1美元對人民幣6.3009[27]；f: 包括淡水和海水,是工業(yè)用水的組成部分；g: Ec= TFw- Sc-(OFw-Ru)-GFw-Se-So-Sdd；h: 是總生活用水與生活污水排放量的差；i: 假定生活用水貯存量為0,工農(nóng)業(yè)用水貯存水量以虛擬水形式表示,不含海水；j: 其中,淡水取水量引自文獻[8]；k: Vwonet=VWo-VWi；l: C=A+IFw-IwwSTPs-DEFw-Vwonet；m: Ct=SFw+Vwi-Vwo-Ru=Ct1+Ct2；n: 是工業(yè)廢水排放量與IwwSTPs的差值(淡水)； 2011年,生活用水為城鎮(zhèn)生活用水總量與農(nóng)村生活用水之和[8,22]；o: 是當年所取用的總海水中除工業(yè)用海水外的利用與消耗

2.2 資源水與虛擬水耦合代謝分析方法

分別基于自然水循環(huán)、社會水循環(huán),分析資源水、虛擬水代謝流程與格局。進而,把不同統(tǒng)計口徑的數(shù)據(jù)資料統(tǒng)一轉化為以質量為單位,基于質量守恒定律,應用MFA分析各水資源代謝環(huán)節(jié)的水資源通量,合成資源水與虛擬水代謝流程圖,從而實現(xiàn)自然水循環(huán)與社會水循環(huán)的關聯(lián)分析。

2.3 水資源代謝效率變化驅動因素分析

城鎮(zhèn)化進程中水資源代謝效率變化的驅動因素復雜多變,主要因素篩選是評價水資源代謝效率的必要步驟。指標體系是反映復雜影響因素的良好工具[11],可用于評價資源水與虛擬水耦合代謝效率。進而采用相關分析、層次分析等方法分析不同城鎮(zhèn)化階段水資源代謝效率差異、發(fā)展趨勢及其成因。

2.4 水資源代謝效率評價指標體系構建方法

指標及指標體系的科學性與可操作性是獲得客觀評價結果的前提,而指標提取與指標體系構建方法常因研究目標、數(shù)據(jù)來源、研究角度而異,是各種評價研究的探討焦點[11-12]。為了確保指標體系的科學性與可行性,根據(jù)資源水與虛擬水耦合代謝過程與格局,采用MFA提取水資源代謝效率評價指標,根據(jù)評價目標篩選指標,兼顧資源水與虛擬水代謝過程與格局特征,按層次結構法組建指標體系。其中,指標篩選兼顧水資源流過程與格局特征、水資源代謝效率評價目標需要、數(shù)據(jù)來源的可靠性。

2.5 指標數(shù)據(jù)來源與標準化處理

主要數(shù)據(jù)來源于各評價年相對應的《廈門市水資源公報》、《廈門市環(huán)境統(tǒng)計手冊》、《廈門市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》、廈門統(tǒng)計信息網(wǎng)、《福建省統(tǒng)計年鑒》及電子文獻。

指標數(shù)據(jù)標準化處理時,先進行指標分類,再采用極差變換法對指標實際值進行標準化處理,即每個指標實際值Ci的去量綱：均按數(shù)據(jù)系列中的最大參考值與最小值之差為分母進行標準化處理[11]。

2.6 指標體系賦權與評價方法

層次分析法(AHP)是定性與定量相結合的可將復雜問題分解為若干層次和若干因素的一種系統(tǒng)化、層次化的多目標決策分析方法[13-14]。水代謝系統(tǒng)是一個由相互關聯(lián)的眾多因素構成的復雜而缺少定量數(shù)據(jù)的系統(tǒng),采用層次分析法有利于其復雜代謝問題層次化,在每一層次通過兩兩比較,確定各指標所反映因子的相對重要性,得出各指標對中間層、中間層對總目標的權重,再綜合排序,從而解決問題。根據(jù)文獻[13,15- 17]中方法進行指標體系賦權。賦權結果一致性檢驗參照文獻[18]的方法和參數(shù)。進而,為避免個別指標對指標體系整體功能產(chǎn)生影響,采用文獻[11]的加權求和法求水資源代謝效率。

2.7 資源水與虛擬水耦合代謝路徑設計

水資源代謝路徑剖析是科學評價水資源代謝效率的前提之一。代謝路徑剖析有利于明確代謝過程與格局,為水資源流分析提供框架,進而為水資源代謝過程與格局方面的水資源代謝效率評價指標的提取提供依據(jù)。近年來,水循環(huán)研究焦點已由自然水循環(huán)轉向社會水循環(huán),然而有些水代謝環(huán)節(jié)關注較少,如城市水循環(huán)中,城市區(qū)域內自然凈化的資源水在城市生活、生產(chǎn)、環(huán)境之間的循環(huán)利用,生活垃圾與工農(nóng)業(yè)固體廢物所隱含的虛擬水在生活中的回用[19]。因此,結合數(shù)據(jù)來源,可設計廈門市資源水與虛擬水耦合代謝路徑簡圖(圖1)。

2.8 水資源代謝效率情景方案設計

保證水資源代謝效率情景方案的科學性與可操作性,關鍵在于方案設計指標的科學性與可行性。這類指標采用兩步法提?。焊鶕?jù)MFA結果,先獲得枯水年水資源利用過程與格局方面主要指標,再根據(jù)研究區(qū)社會經(jīng)濟和環(huán)境用水現(xiàn)狀選取其他主要指標；再從主要指標與近10年廈門島水資源代謝效率變化的相關分析中,獲取水資源代謝效率變化的主導指標。從而,使水資源消費情景方案設計指標體現(xiàn)廈門市水資源代謝效率變化特征,既反映水資源代謝的客觀實際,又簡化了方案設計的指標數(shù)量,便于水資源規(guī)劃與管理對策的制定與執(zhí)行,使水資源代謝效率優(yōu)化方案能兼顧科學性與可行性。

3 基于MFA的廈門市枯水年資源水與虛擬水耦合代謝分析

基于水資源代謝路徑及數(shù)據(jù)來源(圖1),應用MFA,可進行1999年以來枯水年份水資源流質量平衡。結果表明(圖2),不僅資源水消耗持續(xù)增長,而且出境虛擬水始終高于入境虛擬水量。2003、2009、2011年的出入境虛擬水量的比值分別為1.29、1.77、1.55,說明廈門盡管缺水,卻依靠外來水源和城市系統(tǒng)內資源水向虛擬水的轉化,成為典型的水資源出口型城市。進一步說明了城市資源水與虛擬水耦合評價的必要性。

圖2 廈門市枯水年社會水循環(huán)資源水與虛擬水的耦合流動/(×107 kg)Fig.2 Integrated analysis of available and virtual water flows through social hydrologic cycles in Xiamen in dry years 圖中字母代號含義及其數(shù)據(jù)來源見圖1

4 廈門市水資源代謝效率評價

4.1 水資源代謝效率評價指標體系構建

4.1.1 水資源代謝效率評價指標庫構建

物質代謝效率評價指標的選擇沒有統(tǒng)一的標準,通常涉及“投入指標”和“產(chǎn)出指標”,包括資源消耗、環(huán)境污染、經(jīng)濟發(fā)展和社會福利4個方面[28]。但投入產(chǎn)出指標容易忽略系統(tǒng)內資源利用效率,為全面評價以生態(tài)、社會經(jīng)濟效益最優(yōu)化為目標的城市水資源代謝效率,按代謝過程與格局、社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)環(huán)境效益4個方面選取指標。

(1)反映水資源代謝過程與格局的指標

根據(jù)水資源流MFA分析結果(圖2),可提取兼顧水資源流動過程與格局特征的指標。從水資源流過程角度提取反映水資源流過程效率的指標,包括淡水、海水、虛擬水代謝過程指標(附表1)。從水資源流格局角度提取表征水代謝結構方面的指標,包括供、用、排3類結構指標(附表1)。

(2) 影響水資源代謝的社會經(jīng)濟及環(huán)境指標

社會經(jīng)濟發(fā)展所需資源水與虛擬水的變化量是水資源代謝的驅動力,水代謝效率主要由社會和經(jīng)濟各部門用水效率構成。主要指標包括產(chǎn)業(yè)發(fā)展指標、人口增長指標、人均收入與消費指標等(附表1)。

4.1.2 亞熱帶季風氣候雨影區(qū)水資源代謝效率評價指標體系組成

城市物質代謝是指城市系統(tǒng)中物質輸入、轉化、儲存以及廢棄物排放等代謝過程。城市物質代謝效率是指城市物質代謝過程中單位資源消耗和污染負荷所提供的社會服務量[29-30]。因而,水資源代謝效率可界定為“研究系統(tǒng)中水資源輸入、轉化、儲存及廢污水排放等代謝過程中水資源消耗或廢污水排放所提供的社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境服務量”,可由水資源代謝的社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境3方面效益加以表征,其評價指標體系可由反映這些效益的指標構成。據(jù)此,以保障居民生活用水需求、提高用水經(jīng)濟產(chǎn)出和改善生態(tài)環(huán)境質量為目標,結合研究區(qū)供、用、排水特征,并咨詢領域專家,廈門市水資源代謝效率評價指標體系應包括反映水資源代謝的過程與格局、社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)環(huán)境效益等4個指標群(表1)。此外,水污染也是廈門主要水問題,因此水資源代謝效率評價指標體系必須兼顧水量和水質指標。

4.2 指標體系賦權結果分析

賦權結果一致性檢驗CR均小于0.1,符合評價要求。以水資源代謝效率為目標的各領域權重中,社會領域最大,是因為城市生態(tài)系統(tǒng)以人為主體,其水代謝的社會效率最能體現(xiàn)城市用水的可持續(xù)性內涵；生態(tài)環(huán)境領域第二,是由于環(huán)境可持續(xù)性是人類圈用水可持續(xù)的基礎。過程與格局指標群中,體現(xiàn)代謝過程效率的淡水回用率、廢棄虛擬水回用率比其他指標高,是因為水代謝效率內涵側重過程而非結構效率。社會效益指標群中,單位用水社會消費品零售額的權重遠高于另兩個指標,是因為該指標直接反映了水代謝的社會影響。經(jīng)濟效益指標群中,單方水灌溉面積的權重較高,是由于農(nóng)業(yè)用水仍占總用水量一半以上,且用水效益提升空間遠大于工業(yè)用水效益。生態(tài)環(huán)境效益指標群中,水環(huán)境質量的權重大于其他指標,是因為水環(huán)境質量直接反映了人水關系。

4.3 評價結果與分析

根據(jù)賦權和標準化結果(表2),采用加權求和法求得2003、2009、2011年的廈門水資源代謝效率分別為0.424、0.480、0.610。與2003年相比,2009年、2011年代謝效率分別提高了13.1%、43.9%,表明：同為枯水年下,廈門水資源代謝效率加速提高。從各領域對水資源代謝效率的貢獻看,社會領域水代謝效率提高幅度最大,2009年、2011年分別比2003年提高59.6%、146.5%；過程與格局水代謝效率有較大提高,2009年、2011年分別比2003年提高13.8%、22.4%；經(jīng)濟領域水代謝效率也有提高,2009年、2011年分別比2003年提高6.9%、15.2%；生態(tài)環(huán)境領域的水代謝效率則略為下降,2009年、2011年分別比2003年下降15.2%、3.2%。表明：1)廈門水資源代謝效率的迅速提高主要取決于社會經(jīng)濟領域水代謝效率的提高；2)社會經(jīng)濟方面水資源代謝效率的提高是以犧牲生態(tài)環(huán)境效益為代價的；3)社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護仍不協(xié)調；4)2011年生態(tài)環(huán)境方面水資源代謝效率比2009年好,社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護有趨向協(xié)調的可能。

5 水資源代謝驅動機制及其優(yōu)化調控

5.1 水資源代謝驅動機制分析

由于自然水循環(huán)系統(tǒng)的復雜性、多變性及被人類干擾后變化的不確定性,人類對自然水循環(huán)系統(tǒng)的認識具有局限性、滯后性,例如人類對水壩和河流水泥護岸建設改變自然水系統(tǒng)導致的潛在危害的認識遠遠滯后于建設效益的認識。為此,水資源高效代謝的關鍵在于水循環(huán)過程中人類行為而不是自然過程的調整。

表1 廈門市資源水與虛擬水耦合代謝效率評價指標體系

IG:指標群indicator groups；ICU: 指標及其代號和單位indicators, codes, units；EQ: 計算公式equation；RM,remarks, 備注;PP: 過程與格局領域processes and patterns；SC: 社會領域society；EN: 經(jīng)濟領域economics；EC: 生態(tài)環(huán)境領域eco-environment; #指越小越優(yōu)型指標,即指標值越小對代謝效率的貢獻越高；其他均為越大越優(yōu)型指標,即指標值越大對代謝效率的貢獻越高IG: 指標群indicator groups；W: 權重weight；I: 指標indicators;指標群和指標代號含義見表1;#指越小越優(yōu)型指標；&指常住人口自然增長率,2003和2009年數(shù)據(jù)來源于廈門統(tǒng)計信息網(wǎng)[31],其中,2011數(shù)據(jù)來自電子文獻[32]；* 2003年數(shù)據(jù)來自文獻[33],2009年數(shù)據(jù)來自文獻[34], 2011年數(shù)據(jù)為2010年底數(shù)據(jù),來自文獻[35]

表2 指標體系賦權與評價結果

評價結果也表明,廈門水資源代謝效率加速提高關鍵在于社會經(jīng)濟領域的人類用水效率快速提高(表2)。供水和廢水處理是聯(lián)結自然水循環(huán)和社會水循環(huán)的樞紐環(huán)節(jié),也是虛擬水流和資源水流的耦合環(huán)節(jié)。因此,影響虛擬水和資源水耦合代謝效率的主要環(huán)節(jié)有：水生產(chǎn)、水消費、水排放。水生產(chǎn)和水排放又經(jīng)由水消費而形成循環(huán),直接取決于水消費狀況(圖2)。

水生產(chǎn)供給方面,包括虛擬水和生產(chǎn)生活用水的生產(chǎn)。虛擬水產(chǎn)品生產(chǎn)量與產(chǎn)品結構取決于研究區(qū)內虛擬水消費與虛擬水進出境狀況。如,人均水足跡遠大于農(nóng)村的城市或缺水區(qū)適宜發(fā)展低耗水高附加值產(chǎn)業(yè),通過虛擬水貿易進口高耗水產(chǎn)品滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求[36]。水稀缺條件下,虛擬水生產(chǎn)規(guī)劃應考慮各產(chǎn)業(yè)用水效率與機會成本,減少水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)作物生產(chǎn)規(guī)模,提高低耗水高附加值服務業(yè)在國民經(jīng)濟中所占比例[37]。廈門為虛擬水出口型城市(圖2),其虛擬水出境量多少取決于境外虛擬水供需平衡狀況。生產(chǎn)、生活供水量則取決于生產(chǎn)、生活用水效率。

水消費需求方面,虛擬水消費既受境內消費影響,也受境內外虛擬水貿易影響,因此虛擬水消費驅動機制分析既要考慮境內消費,也要考慮境內外虛擬水貿易量和貿易結構的影響[36,38-39]。如,2007年中國國內貿易所含虛擬水提取量和消費量分別占全國年淡水總取水量的38%、總水消費量的39%；而國際貿易所含虛擬水提取量和消費量僅分別占全國總取水量的17.4%、總水消費量的16.1%,其中,紡織品、服裝、皮革制品所含的虛擬水貿易量大于農(nóng)產(chǎn)品[39]。資源水消費則受經(jīng)濟發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)耗水結構、水資源稟賦和水資源可利用性與社會經(jīng)濟需水的空間匹配性等因素影響。

水排放方面,包括廢污水排放和隱含虛擬水的固體廢物排放。廢污水排放既是社會水循環(huán)可利用水量的消耗,也是自然水循環(huán)水體自凈負荷的增加。廢污水排放量與廢污水中污染物含量取決于水消費量與消費結構,也取決于水處理設施投入。其中,工業(yè)廢水排放取決于經(jīng)濟增長狀況和工業(yè)結構[40]。固廢排放既取決于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)清潔技術水平與循環(huán)利用能力,也取決于居民生活消費習慣、消費水平。

代謝效率評價值與各指標標準化值的Pearson相關分析結果表明(表3),影響水資源代謝效率的主導指標包括單方用水灌溉面積、淡水回用率、單方用水工業(yè)產(chǎn)值、單方用水社會消費品零售額、生態(tài)用水比例,這些指標與水資源代謝效率的Pearson相關系數(shù)達0.9以上；其他重要指標包括為人口發(fā)展水平、廢棄虛擬水回用率、單方用水支撐人口數(shù)、生產(chǎn)用水比例,這些指標與水資源代謝效率的Pearson相關系數(shù)達0.8以上?？梢?用水效率類指標與水代謝過程與格局類指標是水資源代謝效率變化的主要驅動指標,可作為水資源代謝優(yōu)化調控方案的制定依據(jù)。

表3 水資源代謝效率評價值與各指標標準化值的Pearson相關分析

指標代號含義見表1

5.2 水資源代謝優(yōu)化調控

以枯水年各驅動指標實際值年變化速度為代表(表2),假定低方案各驅動指標年變化速度為2003—2009年的年變化速度；高方案各驅動指標年變化速度為2009—2011年的年變化速度；中方案各驅動指標年變化速度為高低方案各指標年變化速度的平均值。則可得短期(2020年)、中期(2030年)、長期(2050年)的高、中、低方案廈門各驅動指標預測值(表4)。

驅動指標不同組合模式下水資源代謝效率情景方案設計與優(yōu)化：根據(jù)各驅動指標高、中、低方案的短、中、長期預測值(表4),假定其他指標值為基準年2011年實際值,則可求得短、中、長期的高、中、低方案廈門水資源代謝效率(表5)。

表4 驅動指標變化趨勢情景

Y: 預測年forecast years; 其他代號為各指標代號,含義見表1; 最小參照值均為零；Max:最大參照值,標準化后均為1;負值按0計算;回用率超過100%,表示循環(huán)回用導致的累計回用率;生態(tài)用水比例超過100%的按100%計,表示人類圈不取用生態(tài)水,僅需依靠資源水就可滿足需要,資源水含義見文獻[1];單方用水灌溉面積為負數(shù)時,按0計算基于現(xiàn)狀評價期水資源代謝效率年均增速的水資源代謝效率情景方案設計與優(yōu)化：以枯水年水資源代謝效率年變化為例(4.3 評價結果與分析),假定低方案水資源代謝效率年變化速度為2003—2009年的年變化速度,即水資源代謝效率年均增加2.2%；高方案水資源代謝效率年變化速度為2009—2011年的年變化速度,即水資源代謝效率年均增加13.6%；中方案水資源代謝效率年變化速度為高低方案年變化速度的平均值,即水資源代謝效率年均增加(2.2%+13.6%)/2 = 7.9%。則可得短、中、長期的高、中、低方案廈門水資源代謝效率(表5)。

表5 水資源代謝效率情景

BY: 基準年(2011)base year；G: 年增速annual growth rate(%);表中括號內數(shù)值為驅動指標不同組合模式下水資源代謝效率情景值；括號外數(shù)值為基于現(xiàn)狀評價期水資源代謝效率年均增速的水資源代謝效率情景值與2003—2011年水資源代謝效率年變化速度直接預測的短、中、長期的高、中、低方案廈門水資源代謝效率相比,驅動指標不同組合模式下水資源代謝效率情景均偏低,特別是比除中方案2020年外的中高方案水資源代謝效率情景值低3倍以上(表5)?？梢?驅動指標不同組合模式下水資源代謝效率情景設計更具可操作性。因此,可根據(jù)這些主導指標制定相應的水資源管理對策。如淡水回用率：淡水是社會經(jīng)濟用水的主要來源。淡水回用不僅具備顯著的社會經(jīng)濟效益[41]；也有利于減少天然水提取,改善生態(tài)環(huán)境質量。如,回用的淡水可用于沖側、灌溉、冷卻、洗滌、防災、農(nóng)產(chǎn)品加工、造紙、城市景觀用水、濕地用水、地下水空間維護等生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水等[42]。

6 結論

應用MFA從水代謝過程與格局角度同步提取資源水流和虛擬水流代謝指標,一方面可同步考慮研究系統(tǒng)邊界水資源輸入輸出特征和系統(tǒng)內部各環(huán)節(jié)的水代謝特征,另一方面便于同時反映資源水和虛擬水的代謝特征。因此,把這些指標納入水資源代謝效率評價指標體系,從而更系統(tǒng)地、全面地評價水代謝效率。評價結果表明,廈門近十年來水資源代謝效率迅速提高,主要依賴于社會經(jīng)濟領域水代謝效率的提高；然而,生態(tài)環(huán)境領域水代謝效率則略為下降,但下降幅度趨緩。評價結果與各指標值的相關分析表明,用水效率類指標和水代謝過程與結構類指標是廈門市水代謝效率變化的主要驅動指標,說明提高城市水代謝綜合效率主要取決于水資源消費行為的改善、水代謝過程與格局的合理規(guī)劃。依據(jù)這些主要指標設計城市水代謝效率改善對策,有利于提高對策的可操作性與綜合性。

因數(shù)據(jù)來源限制,本研究代謝系統(tǒng)內的資源水流與虛擬水流耦合環(huán)節(jié)較簡單,有待完善。然而,基于物質流圖的資源水與虛擬水耦合代謝分析為自然資源與虛擬資源的耦合分析提供了框架基礎,有利于獲取反映自然過程和社會經(jīng)濟過程中資源流全局特征的系統(tǒng)性指標,促進社會水循環(huán)與自然水循環(huán)的關聯(lián)研究,為制定一體化、綜合性資源管理對策提供依據(jù),也為水資源消費者與管理者的溝通提供簡潔、實用的指標工具。此外,基于物質流圖提取反映資源流過程與結構的指標,有利于完善資源評價指標體系構建理論與方法。

致謝：感謝中國科學院城市環(huán)境研究所陳少華研究員、崔勝輝研究員、唐立娜研究員,臺灣大學馬鴻文教授對本工作的幫助。

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附表1 指標庫

IG，指標群類別；I，指標類別；RM，指標意義;A，水代謝過程指標；B，水代謝結構指標；C，影響水代謝的社會經(jīng)濟環(huán)境指標;a.盡管海水取用量僅占海水總量的極微小的比例，不會影響海水對社會經(jīng)濟系統(tǒng)的支撐能力，但海水易腐蝕設備，且取水成本較高，因此，綜合性代謝效率評價指標也應考慮海水的利用效率，如循環(huán)利用率、投入產(chǎn)出比;b.各比例指標均指同一級層上分量占總量的比例，如入境虛擬水比例指入境虛擬水量占總供水量的比例

Assessment of urban water metabolism based on integrated analysis of available and virtual water: a case of Xiamen in China

HUANG Chulong1,2,3, YU Changping1, GAO Bing1,3, HUANG Yunfeng4,*

1KeyLaboratoryofUrbanEnvironmentandHealth,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China2DepartmentofResourcesandEnvironmentalSciences,QuanzhouNormalUniversity,Quanzhou362000,China3XiamenKeyLaboratoryofUrbanMetabolism,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China4SchoolofFoodandBiotechnologyEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021,China

The growing scarcity of freshwater represents an increasing risk to human society. Water scarcity is often presented as a systematic water scarcity, which is often caused by complex factors. Most previous researchers have focused on either available or virtual water in order to design strategies for mitigating water scarcity; however, herein, we argue that systematic water scarcity due to urbanization requires an assessment of the integrated metabolic efficiency of available and virtual water. In the case of Xiamen City, which is located in the shadow area of the rain belt in the subtropical monsoon climate, the dry years of 2003, 2009, and 2011 were selected for the assessment in order to implement the results in water management policies and mitigation measures for systematic water shortages. Material flow analysis (MFA) was employed to analyze integrated flows of urban available and virtual water in the dry years from the perspective of water metabolic processes or patterns. It was found that MFA could derive effective indicators for the integrated assessment, based on the comparable, comprehensive, and verifiable MFA charts, according to the effects of indicators in identifying critical pathways and links of the integrated flows. Using these MFA indicators, an indicator system could be formulated following the trade-off between socio-economic and environmental benefits. Finally, the indicator system was empowered by the analytic hierarchy process and was used in the integrated assessment. The results showed that improvement in efficiency of the integrated metabolism was accelerated in the past 10 years, and this was dominantly driven by key indicators that evaluated the socio-economic benefits of water use (irrigated area per cubic meter of water, industrial output per cubic meter of water, retail sales of consumer goods per cubic meter of water) and assessed the function of water metabolic processes or patterns (freshwater reuse rate, the proportion of water used in the ecosystem to that used in socio-economic system). These indicators show that the improvement in water metabolic efficiency was dependent on the positive adjustment of water use mode, structure, and process. Scenario Analysis was applied in the design of a better urban water metabolic management system, based on the key driving indicators derived from the integrated assessment results. The indicator system proved robust and operational, and reflects the interaction between natural and social water cycle. In addition, it allows dynamic interaction between water flow and the related socioeconomic or environmental processes to be analyzed, and therefore, could be used to formulate water management policies or developing urban water metabolic models with high efficiency. Establishment of indicator systems based on MFA results in this case study would open a new window for the development of operational efficient indicator systems.

available water; virtual water; water metabolic efficiency; material flow analysis (MFA); indicator system; scenario analysis

國家自然科學基金項目(31500391)；中國博士后科學基金會面上項目(2012M520402)；國家重大科學研究計劃項目(2014CB953801)；福建省中青年教師教育科研項目(JA13272)

2015- 07- 30;

2016- 07- 11

10.5846/stxb201507301608

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yfhuang@jmu.edu.cn

黃初龍,于昌平, 高兵,黃云鳳.廈門市資源水與虛擬水耦合代謝效率評價.生態(tài)學報,2016,36(22):7267- 7278.

Huang C L, Yu C P, Gao B, Huang Y F.Assessment of urban water metabolism based on integrated analysis of available and virtual water: a case of Xiamen in China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7267- 7278.