虛擬水理論在河北省的應用

高太忠,龐會從,余國山,楊 柳

(河北科技大學環境科學與工程學院,河北石家莊 050018)

虛擬水理論在河北省的應用

高太忠,龐會從,余國山,楊 柳

(河北科技大學環境科學與工程學院,河北石家莊 050018)

依據虛擬水的計量分析方法,對2005年河北省單一農產品虛擬水量和動物產品的虛擬水量進行了計算,得出河北省2005年城鄉居民消費產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種動物產品虛擬水總含量為121.17億m3,單位產品虛擬水含量平均值為2 597.60m3/t,9種農產品虛擬水總含量為363.55億m3,單位農產品的虛擬水含量平均值為648.44m3/t,具有較大的虛擬水應用潛力。依據2005年河北省的虛擬水、用水量及用水結構,分析了虛擬水戰略對河北省的影響及其發展潛力。認為對于河北省這樣的缺水地區,運用虛擬水手段可有效解決實體水調用的工程費用問題。建議密切結合自身的產業優勢,發展高新技術產業、藥業,適當從鄰省調入糧食。

虛擬水;用水量;用水結構;河北省

水資源短缺是我國北方地區21世紀面臨的最主要的生態環境和社會經濟問題之一,是制約區域社會經濟發展和生態環境恢復、改善的瓶頸。據河北省水利廳2007年發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]。面對嚴峻的水資源現狀,如何實現河北省水資源的可持續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域水資源短缺問題的有效工具,通過水—糧食—貿易的關系體現。在水資源短缺地區,水資源短缺極大地影響區域內的糧食生產和安全。虛擬水貿易是一種新的水資源供應方式,可以作為一種調節工具來實現區域的糧食安全和水資源安全[3]。

1 虛擬水的概念

虛擬水是英國學者Tony Allan于20世紀90年代提出的新概念[4],是指生產產品和服務所需要的水資源[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。

虛擬水戰略是指貧水國家和地區通過貿易方式從富水國家和地區購買水密集型農產品(尤其是糧食)來獲得水和糧食安全[4-5,8-12]。國家和地區之間的農產品貿易,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,相對于現實存在的水資源,其便于運輸的特點,使這種貿易變成了一種緩解水資源短缺的途徑。

虛擬水戰略是平衡區域尺度和水赤字的有效工具和戰略措施[13-14]。對于那些水資源緊缺的地區來說,虛擬水貿易不僅提供了水資源的一種替代供應途徑,而且不會產生惡劣的環境后果,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獲得水安全的一個重要工具。

農業用水是目前我國水資源消耗的主要形式。通過省際農產品進出口情況,可以了解目前“虛擬水”在各地區流通的大致情況,因為農產品是水密集型商品,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)中,有20個省(市、區)的農產品進口大于出口,表現出進口“虛擬水”,10個省(市、區)農產品出口量大于進口量,表現為出口“虛擬水”。

2 虛擬水的計量方法

2.1 農作物產品虛擬水含量計算

單一農作物產品虛擬水含量可以根據以下公式計算:

式中:Vcn為區域n作物c單位質量的虛擬水含量,m3/t;Wcn為區域n作物c的需水量,m3/hm2;Ycn為區域n作物c的產量,t/hm2[4-5,11,15-17]。

假設農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育期間的累積蒸發蒸騰水量:

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

式(2)計算ET0時,忽略了作物類型、作物發育和管理措施等因素對作物需水的影響,可根據糧農組織(FAO)推薦的標準彭曼公式計算修正,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高處的風速,m/s;Pa為飽和狀態下的蒸氣壓力,kPa;Pd為實際蒸氣壓力,kPa。

2.2 動物產品虛擬水含量計算

圖1 動物產品虛擬水計算流程

要將活動物的虛擬水含量在動物產品間進行分配才能計算出不同動物產品的虛擬水含量(圖1)[4-6,11]。動物產品的虛擬水含量依賴于動物的類型、動物的飼養結構和動物成長的自然地理環境(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類動物產品及相關問題的概念,即直接由活動物提供的產品稱為第1類動物產品,經進一步加工變成第2類動物產品,第1類動物產品的虛擬水含量包括活動物的虛擬水和為得到不同第1類初級產品加工所需要的水資源量?？梢砸M產品比例因子和價值比例因子來計算在不同的第1類產品間分配活動物的虛擬水含量和加工需水。產品比例因子定義為從活動物得到的不同第1類動物產品的數量比例,價值比例因子是第1類產品的市場價值與所有第1類產品市場價值總和的比例。部分第1類產品的虛擬水和加工用水構成了活動物的虛擬水,第2類初級產品間用水的分配同樣采用產品比例因子和價值比例因子進行分配,第3、4類動物產品的虛擬水含量分配依此類推。

3 計算和分析

3.1 單一農產品虛擬水量計算

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

表1 海河流域作物需水量調查結果 mm

b.作物產量。根據河北經濟年鑒2005年統計數據[21],2005年河北省各類作物單產量統計結果見表2。

表2 2005年河北省各類作物單產統計結果 kg/hm2

c.虛擬水含量計算。按照前述方法,首先計算單一農作物初級產品生產的虛擬水含量,然后根據相關統計資料和知識,獲得各類作物單產量,最終得到單位產品的虛擬水含量(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 動物產品的虛擬水計算

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

表3 2005年河北省城鄉居民消費的虛擬水含量

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

在河北省這樣一個缺水大省,由于農業灌溉節水技術的采用,谷物的單位質量虛擬水含量應該接近50%,所以計算結果可能有偏差。9種農產品中,盡管蔬菜的單位質量虛擬水含量很低,但是單產很高,單位面積需水量達813mm,是9種農產品中需水量最大的。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。但是,如果適當壓縮蔬菜的種植面積,并從鄰近地區進口部分蔬菜,可以減少水資源的消耗。河北省作為全國14個糧食主產省之一,每年出省糧食約在45萬t以上。河北省可調整糧食貿易結構,適當減少單位產品虛擬水含量較高的谷物和棉花作物。

3.3 虛擬水與用水結構分析

依據2005年河北省虛擬水與用水量計算結果(表4),分析河北省虛擬水與用水結構,對虛擬水戰略在河北省的應用以及河北省的產業結構調整都具有指導意義。

表4 2005年河北省虛擬水與用水量計算結果

2005年河北省人均用水量為307m3,由農產品和動物產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。農產品虛擬水含量大于農業用水量,主要是因為單位質量農產品虛擬水含量并未包含最終產品中的實體水和加工過程中所需要的實體水。動物產品的虛擬水總量很大,一方面是因為動物產品虛擬水含量并非嚴格按照資料進行計算,而是采用Chapagain和Hoekstra的研究結果和虛擬水計算參考值;另一方面,動物產品的虛擬水包含了多種來源,而且動物產品具有儲水功能,可能包含了多年的累積消耗水量。

筆者只計算了農產品和動物產品的虛擬水,并沒有計算工業產品的虛擬水。但是僅僅從這兩個方面的計算結果來看,生產和加工這些產品消耗了大量的水資源。由于工業產品的虛擬水含量計算尚處于起步階段,可借鑒的工業原材料虛擬水的數據較少,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,農業用水高達161.76億m3,而河北省2005年的水資源可利用總量僅為170億m3,基本滿足農業用水的需要。

在虛擬水戰略中,對于缺水地區,最理想的產業結構應該是讓有限的水資源用于耗水量小且產品附加值高的行業。低附加值行業一般是農業,如果城市化水平不高,農村人口眾多,考慮到就業壓力及人民生活等問題,壓縮農業的可能性不大。河北省是農業大省,只能依靠提高水資源利用效率節約水資源,因此實施虛擬水戰略必須考慮地區的城市化發展水平。從省域經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展。

4 結論與討論

筆者對河北省2005年主要農產品和動物產品的虛擬水計算得出:虛擬水總量為484.72億m3,其中,5種動物產品虛擬水總含量為121.17億m3,單位產品虛擬水含量平均值為2 597.60m3/t;9種農產品虛擬水總含量為363.55億m3,單位農產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。產品中所包含的虛擬水總量是相當可觀的,而且這部分水是可以通過貿易進行流通。虛擬水貿易提供了水資源的一種替代供應方式,并且該方式不會產生惡劣的環境后果,可有效解決實體水調用的工程費用問題。虛擬水戰略的實際應用中受地區的經濟實力、城市化發展水平、生態平衡等許多因素的影響。貧水地區可以通過購買水密集型產品來替代自己生產,從而緩解水資源短缺的壓力。盡管河北省是農業大省,糧食作為戰略性資源,但仍可適當考慮通過制定和實施虛擬水進口戰略,同時結合自身的產業優勢,發展輕工業、藥業,適當從鄰省調入糧食。

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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

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