基于虛擬水足跡的京津冀合作生態(tài)補償機制研究

苑清敏，孫愷溪

(天津理工大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟與企業(yè)可持續(xù)發(fā)展中心，天津 300384)

0 引 言

水是保證經(jīng)濟和生態(tài)安全不可或缺的資源。京津冀地區(qū)位于全國最缺水的海河流域，是水資源開發(fā)程度最高的地區(qū)，水資源稀缺和水污染正在成為制約發(fā)展的最大短板。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，京津冀區(qū)域人均水資源僅286 m3，遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的人均500 m3的“極度缺水標(biāo)準(zhǔn)”。2017年3月京津冀三地政協(xié)主席聯(lián)席會圍繞“三地協(xié)同保護水資源”主題開展討論，協(xié)同推進水資源保護、水污染防治和已經(jīng)受到嚴(yán)重污染的水體治理。中國政府頒布《關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》、《水污染防治行動計劃》等政策文件，并提出了2015、2020和2030年“三條紅線”控制指標(biāo)。可見，研究水資源承載力和水足跡對實施最嚴(yán)格水資源管理制度和實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

水足跡指某個國家、地區(qū)或個人，在某段時間內(nèi)消費的所有服務(wù)與產(chǎn)品需要消耗的水資源數(shù)量，反映人類對水資源的真實占用情況[1]。很多研究表明，直接利用實體水資源是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以間接方式存在所有服務(wù)和產(chǎn)品形式的虛擬水消費[2,3]。本文認(rèn)為虛擬水足跡是指產(chǎn)品和服務(wù)生產(chǎn)過程中直接或間接所需要的水資源總和[4]。由于農(nóng)業(yè)用水量占總用水量比重之大，農(nóng)產(chǎn)品攜帶著大量的虛擬水，因此人類對農(nóng)產(chǎn)品消費產(chǎn)生的虛擬水足跡就成為水足跡計算的主要部分。《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》的實施需要把京津冀區(qū)域作為一個整體，進行水資源整合利用和相關(guān)產(chǎn)業(yè)分工協(xié)作。農(nóng)業(yè)水足跡計量時,采用單位產(chǎn)品虛擬水含量計算得到農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總量，并依據(jù)京津冀區(qū)域內(nèi)部供需平衡的關(guān)系，通過貿(mào)易交換以虛擬形式隱含在產(chǎn)品和服務(wù)中的水，得到虛擬水凈輸入量，最終獲得農(nóng)產(chǎn)品虛擬水足跡，較全面地展現(xiàn)地區(qū)所消耗的包括源自其他地區(qū)的水資源，得到各省市虛擬水足跡總和。根據(jù)虛擬水足跡，分析用于衡量地區(qū)間水資源的消費狀況進行合理的生態(tài)補償。

近年來，水資源約束下的城市與區(qū)域發(fā)展問題已經(jīng)成為社會和學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的熱點之一。加快建立跨界水環(huán)境補償機制，盡快明確區(qū)域間水生態(tài)補償?shù)脑瓌t、范圍、補償形式和資金數(shù)額。學(xué)者們采用選擇試驗法[5]、支付意愿法[6]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[7]、生態(tài)足跡[8]等方法確定生態(tài)補償額度。水足跡延于生態(tài)足跡概念，國外學(xué)者研究了西班牙農(nóng)業(yè)部門水足跡[9]、泰國能源生產(chǎn)與消費水足跡[10]、地中海地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)水足跡[11]等。對于國內(nèi)水足跡研究，吳兆丹等[12]運用多區(qū)域投入產(chǎn)出分析得到地區(qū)多種水足跡，減少水足跡不僅要重點降低水足跡主要部分，還要關(guān)注區(qū)域內(nèi)其他地區(qū)的貢獻因子。田園宏[13]測算了中國1978-2010年5種主要糧食作物的省際范圍、國內(nèi)生產(chǎn)、國際貿(mào)易以及國內(nèi)消費4種水足跡值。Feng等[14]從消費角度評價了中國黃河流域水資源流動和水足跡；Bocchiola等[15]對氣候變化影響到作物產(chǎn)量和玉米水足跡進行了研究；潘安娥[16]基于水足跡視角，定量評價湖北省水資源利用與經(jīng)濟增長的協(xié)調(diào)關(guān)系。邵帥[17]以河源市為例，采用水足跡的理論與方法，評價水資源盈虧情況，解決水資源分配問題，為生態(tài)補償提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)并對不同盈虧狀況下的生態(tài)補償建立模型。總體而言，當(dāng)前大部分研究更多是水足跡變化和地區(qū)差異，很少有依據(jù)區(qū)域間水資源生態(tài)容量變化和虛擬水足跡比較得到的生態(tài)補償額度。基于虛擬水足跡模型，對京津冀行政區(qū)水足跡與水盈余/赤字的空間變化進行研究，并構(gòu)建生態(tài)補償標(biāo)準(zhǔn)模型，量化生態(tài)補償額度。在此基礎(chǔ)上，給出京津冀水資源合作補償量，完善生態(tài)補償機制和協(xié)調(diào)機制，實現(xiàn)區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的共同治理，為京津冀生態(tài)環(huán)境共建共享提供參考。

1 研究方法和指標(biāo)的選取

1.1 計算虛擬水足跡模型

水足跡計算包括五個方面： ①農(nóng)業(yè)水足跡，包括3個地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品水足跡，采用單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量乘以生產(chǎn)總量計算得到；②工業(yè)水足跡，包括工業(yè)生產(chǎn)、建筑等用水量； ③居民生活水足跡，參見地區(qū)水資源公報相關(guān)用水量；④生態(tài)環(huán)境水足跡；⑤虛擬水貿(mào)易凈流量。計算農(nóng)作物對外貿(mào)易凈流量時，消費地區(qū)剩余產(chǎn)品量乘其對應(yīng)農(nóng)作物單位虛擬水含量。

RWC=AWP+IWW+DWD+EWD+NVWI

(1)

式中：RWC為虛擬水足跡總量，m3；AWP為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量(即農(nóng)產(chǎn)品需水量)，m3；IWW為工業(yè)生產(chǎn)需水量，m3；DWD為居民生活需水量，m3；EDW為生態(tài)環(huán)境需水量，m3；NVWI為本地凈貿(mào)易量。

(1)農(nóng)產(chǎn)品虛擬水足跡。農(nóng)業(yè)是最大的用水大戶，因此農(nóng)產(chǎn)品含有大量虛擬水。對農(nóng)產(chǎn)品虛擬水足跡計算時，重點需要獲得單位產(chǎn)品虛擬水含量值[18]，計算出作物產(chǎn)品和動物產(chǎn)品虛擬水含量。基于標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式得到參考作物生長期內(nèi)的蒸發(fā)蒸騰量，根據(jù)聯(lián)合國提出的CROPWAT模型計算出農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水資源消費總量[19]。

AWP=VW×S

(2)

(3)

CWR=ETc×10

(4)

ETc=Kc×ET0

(5)

(6)

式中：AWP為某農(nóng)產(chǎn)品總虛擬水足跡，億m3；VM為農(nóng)產(chǎn)品單位虛擬水含量，m3/kg；CWR為農(nóng)產(chǎn)品生長期需水量，m3/hm2；ETc為農(nóng)產(chǎn)品實際蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；ET0為為參考作物蒸發(fā)量，mm/d；Rn為地表凈輻射，MJ/(d·m2)；G為土壤熱通量，MJ/(d·m2)；T為2 m高處日平均氣溫，℃；U2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實際水氣壓，kPa；Δ為飽和水氣壓曲線效率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；Kc為作物系數(shù)(借鑒FAO推薦作物系數(shù))；S為某種農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)量，t；Y為每公頃土地的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，t/hm2。

(2)虛擬水貿(mào)易凈流量。由于缺乏農(nóng)作物經(jīng)濟貿(mào)易的統(tǒng)計數(shù)據(jù),當(dāng)計算虛擬水貿(mào)易時只包括對外經(jīng)濟貿(mào)易, 忽略進口產(chǎn)品后再出口的產(chǎn)品虛擬水含量。本文僅計算作物產(chǎn)品虛擬水凈流量，根據(jù)京津冀區(qū)域供需平衡的關(guān)系利用本地農(nóng)作物真實需求量和生產(chǎn)量之間的關(guān)系，滿足對本地區(qū)消費后剩余水含量[20]。

1.2 基于虛擬水足跡的生態(tài)補償標(biāo)準(zhǔn)模型

雖然有南水北調(diào)中線和東線輸水工程，對京津冀三省市進行供水。然而由于降雨量減少、地下水開采過度，以及城市規(guī)模擴大和人口增加等原因，水資源短缺仍然十分嚴(yán)重，對臨近區(qū)域水資源依然具有很強的依賴性。河北省是京津冀眾多城市的重要供水水源地和水源涵養(yǎng)區(qū)，承擔(dān)著北京市81%、天津市93.7%的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水，需求量已突破了能提供水資源的紅線[21]。水資源極度短缺，為了保障京津冀水量供給和水質(zhì)改善，各地工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展受到諸多限制。

(1)京津冀三省市生態(tài)環(huán)境保護投入的確定。根據(jù)虛擬水足跡進行生態(tài)補償量化,在于對京津冀各地保護水資源所花費成本的核算。成本包括直接成本，即退耕還林、新造林等林業(yè)建設(shè)成本、水土流失治理成本、環(huán)境污染治理成本，也包括限制工農(nóng)業(yè)發(fā)展損失的間接成本。計算三地的機會成本，比較參照該省市居民的人均可支配收入和全國居民的人均可支配收入，計算得到本地居民收入水平的差異，反映地區(qū)機會成本[22]。

(7)

式中：TC為總保護投入成本；DC為直接成本；dck分別代表林業(yè)建設(shè)成本，水土流失治理成本和環(huán)境污染治理成本；IC為間接成本，即限制工農(nóng)業(yè)發(fā)展損失的機會成本。

對于各種工農(nóng)業(yè)限制導(dǎo)致的經(jīng)濟損失難以直接計算，故通過間接比較省市經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r與京津冀地區(qū)及全國平均發(fā)展水平的方法得出限制經(jīng)濟發(fā)展的損失IC。

ICjjj=(UPCDIjjj-UPCDIi)×UPi+

(RPCNIjjj-RPCNIi)×RPi

(8)

ICc=(UPCDIc-UPCDIi)×UPi+(RPCNIc-RPCNIi)×RPi

式中：UPCDIjjj、UPCDIi和UPCDIc分別代表京津冀區(qū)域、i省市和全國的城鎮(zhèn)人均可支配收入；RPCNIjjj、RPCNIi和RPCNIc分別代表京津冀、i省市和全國的農(nóng)村人均純收入；UPi代表i省市城鎮(zhèn)總?cè)丝冢籖Pi代表i省市農(nóng)村總?cè)丝凇?/p>

由于并非整個省市的產(chǎn)業(yè)發(fā)展都受到保護水資源的影響，故取均衡因子r為0.01。

(2)根據(jù)恩格爾系數(shù)和生長曲線計算經(jīng)濟發(fā)展水平分?jǐn)傁禂?shù)Ri為：

(9)

式中：Li為補償能力。

(10)

將a，b都取值為1，ti為恩格爾系數(shù)的倒數(shù)，可得：

(11)

(3)基于虛擬水足跡的生態(tài)補償模型。基于水足跡計算生態(tài)補償標(biāo)準(zhǔn)的基于以下兩個前提[17]:①當(dāng)一個子區(qū)域水資源發(fā)生生態(tài)赤字時,它所擠占的是其他區(qū)域的水資源供給量；相反,當(dāng)一個地區(qū)水資源利用呈現(xiàn)生態(tài)盈余時,它將使其他地區(qū)享有更多的水資源可供給量；②各地區(qū)實際發(fā)生的生態(tài)環(huán)保投入和經(jīng)濟發(fā)展水平作為補償標(biāo)準(zhǔn)測量依據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

農(nóng)產(chǎn)品虛擬水足跡時多個相關(guān)參數(shù)來自聯(lián)合國糧農(nóng)組織CLIMWAT和CROP數(shù)據(jù)庫；農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、播種面積主要來源于京津冀三省市統(tǒng)計年鑒、河北農(nóng)產(chǎn)品統(tǒng)計年鑒和中國農(nóng)業(yè)年鑒，工業(yè)用水量、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水來自當(dāng)?shù)厮Y源公報和統(tǒng)計年鑒，限制產(chǎn)業(yè)發(fā)展損失的機會成本通過公式(8)計算可得。

2 結(jié)果分析

2.1 農(nóng)業(yè)虛擬水足跡分析

利用單位農(nóng)作物虛擬水含量，得到農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量。《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》的實施需要把京津冀區(qū)域作為一個整體，進行水資源整合利用和相關(guān)產(chǎn)業(yè)分工協(xié)作。因此，采用京津冀內(nèi)部區(qū)域供需平衡的方法，得到水貿(mào)易凈輸入量。并根據(jù)三地統(tǒng)計年鑒得到作物產(chǎn)品消費量，與該地區(qū)本地作物產(chǎn)品產(chǎn)量進行比較，得出農(nóng)產(chǎn)品使用水資源狀況，實現(xiàn)京津冀水資源協(xié)同。如表1所示。

表1 2014年京津冀地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品虛擬水足跡Tab.1 Virtual water footprint of agricultural products of beijing-tianjin-hebei region in 2014

注：“+”表示對外售出，“-”表示對外購買。

2.2 京津冀地區(qū)多種水足跡分析

根據(jù)公式(1)公式和《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒2015》可得京津冀三地虛擬水足跡，并將三省市產(chǎn)生的水足跡與當(dāng)?shù)厮Y源容量進行比較，如表2所示。

表2 2014年京津冀虛擬水足跡 億m3

注：“+”表示對外售出，“-”表示對外購買。

(1)京津冀虛擬水足跡中，河北省虛擬水足跡最高，其次是北京市，天津市，且天津市遠(yuǎn)低于其他兩地。與本地區(qū)所供應(yīng)的水資源容量相比，三地都處于水資源赤字水平，河北省最嚴(yán)重。種植農(nóng)作物消耗水資源多，大大會增加農(nóng)業(yè)水足跡。主要在于河北省是農(nóng)作物種植面積大，作為京津冀區(qū)域的主要農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)地。

(2)京津冀三省市農(nóng)業(yè)水足跡占比分別為82.41%、66.81%、80.70%，表明京津冀三地對降低農(nóng)業(yè)水足跡的緊迫性都較強，與吳兆丹等[12]研究結(jié)果一致。京津冀三地農(nóng)業(yè)需求中，北京市對外依賴性高，主要購買其他地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品，因此北京市農(nóng)業(yè)虛擬水足跡高于本地產(chǎn)生實際水足跡；相反，天津市和河北省農(nóng)作物能夠滿足本地需求，兩地的虛擬水足跡低于實際水足跡。

(3)對于工業(yè)水足跡、生活水足跡和生態(tài)環(huán)境水足跡所占虛擬總足跡比重，天津市高于京冀兩地，并且多種水足跡比例差距小于北京市和河北省，表明天津市水資源利用差異小。

2.3 基于虛擬水足跡的區(qū)域生態(tài)補償標(biāo)準(zhǔn)模型

(1)京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護投入的核算。根據(jù)公式(7)得到京津冀三地生態(tài)保護投入成本，如表3所示。

表3 2014年京津冀本地生態(tài)環(huán)境保護投入 億元

注：產(chǎn)業(yè)的發(fā)展損失的機會成本，不可能為負(fù)值。計算得到的機會成本是負(fù)值時，認(rèn)為是0。

隨著京津冀地區(qū)對環(huán)境保護的不斷重視，三地的保護投入成本不斷增加。對環(huán)境污染的加強治理，北京市投入最高，其次是河北省、天津市。河北省為保護水資源質(zhì)量限制污染大、耗水量大的工農(nóng)業(yè)發(fā)展，減少地區(qū)耕地面積。因此，河北省對于限制工農(nóng)業(yè)發(fā)展的機會成本為正值，京津兩地的產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到影響相對河北省較小。

表4 2014年京津冀三省市用水量和經(jīng)濟發(fā)展水平分?jǐn)傁禂?shù)Tab.4 The water consumption and level of economic development contribution coefficient of Beijing-tianjin-hebei in 2014

在京津冀區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展中，河北省總用水量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩地，而天津市的經(jīng)濟發(fā)展水平是高于河北省，所以基于經(jīng)濟發(fā)展水平和用水量的分?jǐn)傁禂?shù)，京津冀三地所占比重差異不大。

(3)通過比較京津冀三地虛擬水足跡與當(dāng)?shù)厮Y源容量，三地水資源消耗呈現(xiàn)生態(tài)赤字狀況。根據(jù)耿涌[21]構(gòu)建不同情況的區(qū)域生態(tài)補償模型，采用地區(qū)均為生態(tài)赤字的模型：

(12)

(13)

(14)

當(dāng)ECi>0時,i地區(qū)支付補償,支付額度為|ECi|；當(dāng)ECi

利用用水量和經(jīng)濟發(fā)展水平獲得的分?jǐn)傁禂?shù)，依據(jù)京津冀三省市為保護水資源進行的生態(tài)環(huán)境保護投入，得到京津冀三地間生態(tài)補償金額，如表5所示。

根據(jù)分?jǐn)傁禂?shù)得到三地實際生態(tài)環(huán)保投入，從虛擬水足跡角度出發(fā)，北京市需要對津冀兩地支付生態(tài)補償，支付金額分別是199.74 億元、221.09 億元；天津市需要對河北省支付446.36 億元補償額度。

表5 2014年京津冀地區(qū)間虛擬水足跡的生態(tài)補償 億元

3 結(jié) 論

生態(tài)共建共享過程中，生態(tài)補償涉及的利益主體眾多，需要各方協(xié)調(diào)。為了保障京津冀區(qū)域水資源安全，需要減少虛擬水足跡。京津冀三省市應(yīng)重點降低其水足跡主要組成部分----農(nóng)業(yè)水足跡，以及農(nóng)業(yè)水足跡高于所屬經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)其他省區(qū)的主要貢獻因子。河北省其農(nóng)業(yè)水足跡最高，需要加強京津冀區(qū)域水資源協(xié)同，減少京津兩地對其依賴度，重點降低主要來源對應(yīng)水足跡，降低虛擬水足跡。

水生態(tài)補償標(biāo)準(zhǔn)確定涉及很多方面，基于虛擬水足跡和經(jīng)濟發(fā)展水平確定京津冀生態(tài)補償關(guān)系中，河北省獲得由北京市和天津市支付的生態(tài)補償總量667.45億元。同時北京市向天津市支付生態(tài)補償額199.74億元。正確對待京津冀水資源生態(tài)環(huán)境保護與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系。京津冀是中國水資源嚴(yán)重緊缺地區(qū)，為了保證區(qū)域水資源安全，加強落實對河北省的生態(tài)補償機制，從而實現(xiàn)水資源環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展雙贏，實現(xiàn)京津冀生態(tài)環(huán)境中水資源協(xié)同發(fā)展。

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