基于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的鄂爾多斯市虛擬水計(jì)算分析

鄭和祥，李和平，白巴特爾，佟長(zhǎng)福，暢利毛(.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 0000；.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，呼和浩特 0008)

20世紀(jì)90年代倫敦大學(xué)亞非研究院Tony Allan教授提出了虛擬水的概念，是指生產(chǎn)商品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量[1,2]。目前，虛擬水己成為國(guó)際上的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，一些學(xué)者對(duì)虛擬水的理論做了闡述和實(shí)例分析。2002年在Delft召開了第一次關(guān)于虛擬水的國(guó)際會(huì)議，荷蘭國(guó)際水文和環(huán)境工程研究所為虛擬水定量分析提供了一套方法體系[3-5]；AJlan(2003年)以中東為例對(duì)水資源現(xiàn)狀及虛擬水戰(zhàn)略進(jìn)行研究，結(jié)果表明中東國(guó)家每年通過貿(mào)易進(jìn)口的虛擬水量相當(dāng)于該地區(qū)所有可用淡水水量的25%，這極大地緩解了中東地區(qū)的缺水問題；王新華等(2005年)對(duì)我國(guó)的水足跡進(jìn)行了初步計(jì)算，得出青海省水足跡最大廣西最小[6]；Hoekstra等(2007年)對(duì)世界各國(guó)的水足跡進(jìn)行了計(jì)算，并指出消費(fèi)量、消費(fèi)結(jié)構(gòu)、氣候和用水效率是水足跡的主要影響因素[7]；楊阿強(qiáng)等(2008年)計(jì)算了我國(guó)與東盟的農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易中凈進(jìn)口虛擬水量[8]；蘇明濤等(2012年)開展了吉林省主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡研究，得出發(fā)展旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)是吉林省中西部發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的現(xiàn)實(shí)選擇[9]；嚴(yán)冬等(2014年)開展了基于虛擬水流動(dòng)均衡性的農(nóng)業(yè)用水綜合調(diào)控研究，建立融合了糧食流通模型的農(nóng)業(yè)用水綜合調(diào)控模型，通過調(diào)整糧食生產(chǎn)耗水和產(chǎn)量來改變糧食流通格局[10]。

綜合近年來學(xué)者及會(huì)議的研究成果，虛擬水的研究主要集中在糧食問題上，同時(shí)虛擬水的研究向食物消費(fèi)領(lǐng)域和流域水資源管理不斷拓展，但尚處于一個(gè)探索階段；由于虛擬水的概念剛出現(xiàn)十幾年，時(shí)間還比較短，不能期望建立十分完備的研究方法，該領(lǐng)域的大部分研究仍然不深入，大多數(shù)研究都集中在農(nóng)作物產(chǎn)品的虛擬水計(jì)算，只有少數(shù)研究包含了動(dòng)物、工業(yè)產(chǎn)品的虛擬水分析。本文在區(qū)域水資源優(yōu)化配置和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上對(duì)鄂爾多斯市虛擬水進(jìn)行系統(tǒng)的分析和量化計(jì)算。

1 計(jì)算方法

虛擬水計(jì)算內(nèi)容主要包括：農(nóng)作物生產(chǎn)用水量、動(dòng)物產(chǎn)品生產(chǎn)用水量、工業(yè)用水量、生活用水量、生態(tài)環(huán)境用水量和進(jìn)出口水資源量。

1.1 農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水計(jì)算方法

目前計(jì)算農(nóng)作物虛擬水含量主要有2種方法：一種是Chapagain等提出的研究不同產(chǎn)品“生產(chǎn)樹”方法；另一種是Zimmer等提出的基于對(duì)不同產(chǎn)品類型區(qū)分的計(jì)算方法。本文采用第2種方法，依據(jù)作物需水量來推算農(nóng)作物虛擬水含量，通常先用彭曼公式進(jìn)行計(jì)算[11-16]。

彭曼公式計(jì)算騰發(fā)量：

(1)

式中：ET0為參照作物騰發(fā)量，mm/d；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，kPa/℃；u2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa。

農(nóng)作物需水量的計(jì)算公式為：

ETc=KcET0

(2)

式中：Kc為各生育階段平均作物系數(shù)；ETc為時(shí)段內(nèi)的騰發(fā)量，mm/d；其他同上。

某一地域內(nèi)c產(chǎn)品的產(chǎn)量計(jì)算公式為：

Y=YcSc

(3)

式中：Y為區(qū)域總產(chǎn)量，kg；Yc為區(qū)域c產(chǎn)品的產(chǎn)量，t/hm2；Sc為區(qū)域c產(chǎn)品的種植面積，hm2。

得出作物的需水量后，就可以計(jì)算出單位作物所含的虛擬水量SWD，其計(jì)算公式為：

(4)

式中：SWD為單位產(chǎn)品的虛擬水含量，m3/kg；nc為c產(chǎn)品的初級(jí)產(chǎn)品成品率。

c產(chǎn)品的需水量與作物總產(chǎn)量(Y)相乘得出某一地域內(nèi)c產(chǎn)品的虛擬水總量(TSWD)。計(jì)算公式為：

TSWD=SWD·Y

(3)

1.2 動(dòng)物產(chǎn)品生產(chǎn)虛擬水計(jì)算方法

動(dòng)物產(chǎn)品生產(chǎn)用水包括活體動(dòng)物虛擬水含量和宰殺加工用水2部分，前者包括動(dòng)物整個(gè)生長(zhǎng)過程中消耗飼料的虛擬水含量、飲用水、圈舍清潔用水和加工飼料的用水量，其大小主要取決于該動(dòng)物的品種、飼養(yǎng)系統(tǒng)、飼料消耗量以及飼養(yǎng)地的氣候條件。由于計(jì)算需要的很多數(shù)據(jù)難以獲得，所以一般采用Chapagain和Hoekstra 2004年有關(guān)中國(guó)動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水的計(jì)算結(jié)果[7]。

1.3 工業(yè)生產(chǎn)虛擬水計(jì)算方法

工業(yè)生產(chǎn)過程中需要一定量水的參與，主要用于冷凝、稀釋和溶劑等作用。一方面，在水的利用過程中通過不同途徑進(jìn)行消耗；另一方面，又以廢水的形式排入自然界，參與正常水循環(huán)。所以工業(yè)產(chǎn)品的虛擬水量計(jì)算十分復(fù)雜，通常都是通過萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量來估算。本文工業(yè)產(chǎn)品虛擬水消費(fèi)的核算采用估計(jì)方法，采用社會(huì)消費(fèi)品零售總額中工業(yè)品與萬元工業(yè)產(chǎn)值用水相乘估算工業(yè)品虛擬水消費(fèi)量。

1.4 生活消費(fèi)虛擬水計(jì)算方法

由于生活用水基本上都是實(shí)體水消費(fèi)，可采用定額法進(jìn)行計(jì)算，居民生活用水包括城鎮(zhèn)居民生活用水和農(nóng)村居民生活用水。

生活虛擬水量計(jì)算公式為：

TSWD=KiPi

(6)

式中：Ki為人均用水定額；Pi為年人口數(shù)量。

1.5 生態(tài)環(huán)境虛擬水計(jì)算方法

城市生態(tài)環(huán)境虛擬水主要包括城市生態(tài)環(huán)境虛擬水和改善生態(tài)環(huán)境植被建設(shè)虛擬水。

(1)城市生態(tài)環(huán)境虛擬水計(jì)算。本文城市生態(tài)環(huán)境用水主要考慮綠地的生態(tài)需水量，包括3個(gè)部分：植被蒸散需水量、植物生長(zhǎng)制造有機(jī)物需水量、植被綠地環(huán)境的土壤含水量。

生態(tài)虛擬水計(jì)算公式為：

TSWD=WE+WP+WS

(7)

植被蒸散需水量為：

WE=AηEP

(8)

植物生長(zhǎng)制造有機(jī)物需水量為：

WP=WE/99

(9)

植被立地環(huán)境的土壤含水量為：

WS=Aαhsrsε

(10)

式中：WE為植被蒸散需水量，m3；Wp為植物生長(zhǎng)制造有機(jī)物需水量，m3；Ws為植被立地環(huán)境的土壤含水量；A為市區(qū)面積，hm2；η為不包含水面的城市綠化覆蓋率，%；Ep為植物蒸散量，mm/a；α為植被覆蓋土壤系數(shù)；hs為土壤深度，m；rs為土壤密度，g/cm3；ε為土壤最小含水系數(shù)，%。

(2)改善生態(tài)環(huán)境植被建設(shè)虛擬水計(jì)算。改善生態(tài)環(huán)境植被建設(shè)虛擬水計(jì)算主要包括風(fēng)沙源治理及工礦周邊生態(tài)環(huán)境植被建設(shè)。采用定額法計(jì)算：

Wj=Sjiqji

(11)

式中：Wj為生態(tài)建設(shè)虛擬水總量,萬m3；Sji為生態(tài)建設(shè)各類工程建設(shè)總面積，hm2；qji為各類工程綜合需水定額，m3/hm2。

2 結(jié)果分析

2.1 農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水計(jì)算結(jié)果

根據(jù)調(diào)研和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，鄂爾多斯市農(nóng)業(yè)產(chǎn)品主要包括小麥、薯類、玉米、高粱、牧草和林等。根據(jù)鄂爾多斯市騰發(fā)量等值線圖和FAO推薦的作物系數(shù)，采用式(1)和式(2)計(jì)算得出農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的需水量見表1。

表1 鄂爾多斯市農(nóng)業(yè)產(chǎn)品需水量Fig.1 The agricultural product virtual water of Ordos

結(jié)合規(guī)劃水平年(2020年)鄂爾多斯市的國(guó)民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)發(fā)展預(yù)測(cè)[17]，得出2020年鄂爾多斯市不同用水效率下的各指標(biāo)優(yōu)化值，包括種植面積、種植結(jié)構(gòu)、單位面積產(chǎn)量等[17]，結(jié)合計(jì)算得出的各單位產(chǎn)品的虛擬水含量，得出2020年鄂爾多斯市農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的單位產(chǎn)品虛擬水含量及虛擬水總量，2020年鄂爾多斯市農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬水總量為194 820.04萬m3，見表2。

表2 2020年鄂爾多斯市農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總量Fig.2 The total virtual water of Ordos in 2020 years

2.2動(dòng)物產(chǎn)品生產(chǎn)虛擬水計(jì)算

各單位產(chǎn)品的虛擬水含量采用Chapagain和Hoekstra 2004年有關(guān)中國(guó)動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水的計(jì)算結(jié)果[7]，結(jié)合2020年鄂爾多斯市的國(guó)民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)發(fā)展預(yù)測(cè)結(jié)果[17]，得出2020年鄂爾多斯市各動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水總量，其中羊肉虛擬水總量最高，為94 351.04萬m3，其次為豬肉、牛肉和牛奶，分別為35 421.83、18 058.55和11 614.27萬m3，2020年鄂爾多斯市所有動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水總量為176 002.69萬m3，見表3。

表3 2020年鄂爾多斯市動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水總量Fig.3 The animal products total virtual water of Ordos in 2020 years

2.3 工業(yè)生產(chǎn)虛擬水計(jì)算

通過對(duì)現(xiàn)狀年(2007年)工業(yè)用水量和萬元工業(yè)增加值用水量的綜合分析[17]，根據(jù)2020年鄂爾多斯市的國(guó)民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，確定2020年工業(yè)增加值為1 785.23億元。根據(jù)萬元工業(yè)增加值耗水量定額，計(jì)算得出2020年工業(yè)虛擬水總量為62 483.05萬m3，見表4。

表4 2020年鄂爾多斯市工業(yè)虛擬水總量Fig.4 The industrial virtual water of Ordos in 2020 years

2.4 生活消費(fèi)虛擬水計(jì)算

根據(jù)預(yù)測(cè)，2020年鄂爾多斯市人口將達(dá)到269.00萬人，其中城鎮(zhèn)人口達(dá)到216.34萬人，農(nóng)村人口達(dá)到52.66萬人。根據(jù)城鎮(zhèn)和農(nóng)村的用水定額，并考慮供水管網(wǎng)漏損率城鎮(zhèn)控制在12%，農(nóng)村控制在4%，計(jì)算得出2020年鄂爾多斯市的居民生活消費(fèi)的虛擬水總量為10 892.35萬m3，其中城鎮(zhèn)居民生活消費(fèi)的虛擬水總量為9 691.05萬m3，農(nóng)村居民生活消費(fèi)的虛擬水總量為12 01.31萬m3，見表5。

表5 2020年鄂爾多斯市居民生活虛擬水總量Fig.5 The living virtual water of Ordos in 2020 years

2.5 生態(tài)環(huán)境虛擬水計(jì)算

(1)城市生態(tài)環(huán)境虛擬水計(jì)算。根據(jù)2020年鄂爾多斯市的國(guó)民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，全市生態(tài)虛擬水計(jì)算的主要參數(shù)(見表6)，計(jì)算得出2020年鄂爾多斯市植被蒸散需水量為2 410.29 萬m3，植物生長(zhǎng)制造有機(jī)物需水量為24.35萬m3，植被立地環(huán)境的土壤含水量為2.70萬m3，將3個(gè)部分求和得到鄂爾多斯市生態(tài)需水總量為2 437.34萬m3，見表7。

(2)改善生態(tài)環(huán)境植被建設(shè)虛擬水計(jì)算。根據(jù)2020年鄂爾多斯市規(guī)劃數(shù)據(jù)，全市生態(tài)建設(shè)工程建設(shè)總面積87 894.70hm2，各類工程綜合需水量為1 725 m3/hm2，計(jì)算得出改善生態(tài)環(huán)境植被建設(shè)虛擬水總量為15 161.84萬m3，見表8。

表6 2020年鄂爾多斯市城市生態(tài)虛擬水計(jì)算參數(shù)Fig.6 The calculation parameters of the ecology virtual water of Ordos in 2020 years

表7 2020年鄂爾多斯市城市生態(tài)虛擬水總量 萬m3

表8 2020年鄂爾多斯市改善生態(tài)環(huán)境建設(shè)虛擬水總量Fig.8 The virtual water of improve ecology of Ordos in 2020 years

(3)生態(tài)環(huán)境虛擬水計(jì)算。鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境用水虛擬水為城市生態(tài)環(huán)境虛擬水與改善生態(tài)環(huán)境植被建設(shè)虛擬水之和，計(jì)算得出2020年鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境用水虛擬水總量為17 599.18萬m3，見表9。

表9 2020年鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境虛擬水總量 萬m3

2.6 虛擬水消耗總量計(jì)算

根據(jù)前述對(duì)農(nóng)作物、動(dòng)物產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品、生活和生態(tài)環(huán)境的虛擬水計(jì)算，計(jì)算得出2020年鄂爾多斯市農(nóng)作物實(shí)際消耗的虛擬水量為194 820.04萬m3，比2007年增加109 524.05萬m3，增加較多[17]；人均虛擬水總量為1 108.23 m3/(人·a)，比2007年略有減少。與2007年相同[17]，2020年鄂爾多斯市農(nóng)作物消耗的虛擬水量最大；其次是工業(yè)產(chǎn)品，消耗的虛擬水量為62 483.05萬m3；動(dòng)物產(chǎn)品消耗的虛擬水量為12 320.19萬m3，生活和生態(tài)環(huán)境消耗的虛擬水量分別為10 892.35和17 599.18 萬m3，見表10。

表10 2020年鄂爾多斯市消耗的虛擬水總量Fig.10 The total virtual water of Ordos in 2020 years

2.7 居民消費(fèi)產(chǎn)品的虛擬水量

根據(jù)多年統(tǒng)計(jì)資料，到2020年鄂爾多斯市居民消費(fèi)品結(jié)構(gòu)略有變化，居民消費(fèi)品主要包括糧食、大豆、油類、豬肉、牛肉、羊肉、牛奶、禽蛋、蔬菜、水果等，城鎮(zhèn)居民和農(nóng)牧民消費(fèi)各產(chǎn)品的數(shù)量見表11。計(jì)算得出2020年鄂爾多斯市居民實(shí)際消費(fèi)產(chǎn)品的虛擬水量為179 483.3萬m3，其中城鎮(zhèn)居民125 723.0 萬m3，農(nóng)牧民53 760.3萬m3。與現(xiàn)狀年不同，由于2020年城鎮(zhèn)化率的提高，農(nóng)牧民消費(fèi)的虛擬水總量明顯減少，而城鎮(zhèn)居民消費(fèi)的虛擬水總量顯著增大。

表11 2020年鄂爾多斯市主要消費(fèi)品虛擬水消費(fèi)量Fig.11 The total virtual water of consumer goods of Ordos in 2020 years

2.8 虛擬水結(jié)果分析

從虛擬水消耗總量分析，2020年鄂爾多斯市消耗的虛擬水消耗總量為298 114.81萬m3，而根據(jù)鄂爾多斯市水資源評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，該地區(qū)可利用水資源總量為201 706.00萬m3，尚有96 408.81 萬m3水量虧缺；通過虛擬水貿(mào)易數(shù)據(jù)得出生產(chǎn)該地區(qū)本地居民所消費(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)的水資源需求總量為207 974.82 萬m3，本地消費(fèi)的那部分進(jìn)口虛擬水總量為10 201.21萬m3，該指標(biāo)比2007年增加顯著，凈增109 524.05萬m3；但2020年本地區(qū)人均虛擬水量為1 108.23 m3/(人·a)，比2007年略有減少。

從虛擬水消費(fèi)結(jié)構(gòu)分析，鄂爾多斯市2020年農(nóng)作物消耗的虛擬水量最大，占消費(fèi)虛擬水總量的65.35%，其次是工業(yè)產(chǎn)品，占消費(fèi)虛擬水總量的20.96%。而農(nóng)作物產(chǎn)品消費(fèi)虛擬水消費(fèi)總量最高的是玉米，占農(nóng)作物消費(fèi)虛擬水總量的41.31%，其次是薯類，占農(nóng)作物消費(fèi)虛擬水總量的21.88%，但單位產(chǎn)品消費(fèi)虛擬水最多的是麻類，最少的是甜菜。由于該地區(qū)人口相對(duì)較少，居民生活用水比例很低，2020年鄂爾多斯市居民生活實(shí)際消費(fèi)產(chǎn)品的虛擬水量為10 892.35萬m3，僅占虛擬水總量的3.65%。改善居民生活環(huán)境是該地區(qū)的一項(xiàng)重要指標(biāo)和任務(wù)，因此用于生態(tài)環(huán)境的虛擬水量為17 599.18萬m3，占虛擬水總量的5.90%。由此可看出該地區(qū)虛擬水消費(fèi)仍以農(nóng)業(yè)為主，由于該地區(qū)針對(duì)工業(yè)有嚴(yán)格的用水控制，工業(yè)虛擬水消費(fèi)比例不高，虛擬水消費(fèi)總體合理。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)虛擬水生產(chǎn)的計(jì)算由于影響因素多，目前在計(jì)算方法上還多是保守的估算，有待于進(jìn)一步的完善，但從虛擬水角度分析區(qū)域尺度水資源利用情況為解決干旱地區(qū)水資源短缺問題提供了新的思路。

(2)針對(duì)鄂爾多斯市水資源短缺問題，運(yùn)用虛擬水理論分析各行業(yè)的水資源消費(fèi)情況，可以此優(yōu)化區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局，將有限的水資源投入到低耗水產(chǎn)業(yè)，提高水資源利用效率，從而緩解該區(qū)域的水資源緊缺壓力和環(huán)境惡化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。

(3)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，鄂爾多斯市2020年實(shí)際消耗的虛擬水總量為194 820.04萬m3，比2007年增加109 524.05 萬m3，增加較多；人均虛擬水量為1 108.23 m3/(人·a)。其中農(nóng)作物消耗的虛擬水量最大，為194 820.04萬m3，占消費(fèi)虛擬水總量的65.35%；依次是工業(yè)產(chǎn)品、動(dòng)物產(chǎn)品及生活生態(tài)環(huán)境消耗的虛擬水量。

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