基于農牧業產品和生活用水的京津冀地區水足跡時空特征研究

程 先,孫然好,陳利頂,孔佩儒

1 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

水資源是一切生物賴以生存和發展的物質基礎,也是支撐一個國家和地區社會經濟可持續發展的限制性因素和戰略性資源[1- 2]。在對水資源及其提供產品和服務的消費過程中,人類活動對水資源的諸多問題產生了深刻影響[3]。正確衡量人類對水資源的真實需求和消費,對水資源的合理利用發揮著關鍵作用。Hoekstra和Hung[4]2002年提出了水足跡理論,將其定義為任何已知人口(一個國家、一個地區或者一個人)在一定時間內所消費的所有產品和服務所需要的水資源數量[5- 6]。這部分水資源量既包括日常生活實體用水,又包括工農業產品和服務中的虛擬水和為人類提供生態服務功能的用水[7- 8]。其中,以產品和服務形式的虛擬水消費是人類對水資源的主要消費形式[9]。水足跡理論從水資源消費角度出發,將實體水消費和虛擬水消費聯系起來, 能較真實地反映水資源利用的分配狀況,提供了水資源消費和居民消費之間定量關系研究的方法[3, 10-11]。

京津冀地區屬于嚴重資源型缺水區域。2014年,京津冀地區平均人均水資源量為124 m3/人,僅為全國平均水平的6%。其中,北京、天津、河北人均水資源量分別是94、74、143 m3/人[12]。水足跡方法能夠有效地刻畫京津冀地區的水資源利用狀況,例如Zhao等[2]從藍水、綠水、灰水三個方面計算了京津冀地區2010年水足跡,王艷陽等[8]基于投入產出表計算了北京市2002年水足跡,韓玉等[13]運用產品虛擬水研究方法計算了河北省2010年水足跡等。但上述研究中的水足跡計算多停留在省級尺度上,缺乏更小尺度(如市級、區縣級)的研究。此外,前人的研究多關注于某一年份水足跡的計算,缺少長時間序列的水足跡的比較和變化趨勢的分析。基于此,本研究嘗試從市級、區縣兩個尺度定量研究京津冀地區水足跡與人均水足跡,并分析其在較長一段時間序列內的變化特征,以期為研究京津冀地區城鎮化對水資源的脅迫效應提供數據參考與依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 水足跡計算方法

水足跡一般可以通過兩種方法進行估算。一種是自上而下的方法,該方法將一個國家或地區的水足跡表示為生產當地居民所消費的所有產品和服務的水資源需求總量與該國家或地區凈虛擬水的進口量的總和,公式如下[5, 14]:

WF=PVW+RW+ENV+NVWI

(1)

式中,WF是一個國家或地區的水足跡;PVW是本地產品消費的虛擬水含量;ENV是生態環境用水;NVWI是凈進口虛擬水消費量。該方法將水足跡分解成了內部水足跡和外部水足跡,并在此基礎上,可以分析水資源自給率、水資源進口依賴度等[1, 5, 15]。由于該方法需要有研究區較詳細的匯入和流出產品的數據記錄,適用于計算國家等大尺度單元的水足跡,而省市等小尺度區域因貿易數據不易獲取,限制了該方法在省市尺度上的應用[7, 16]。

水足跡另一種計算方法是采用自下而上的方法,公式表達式為[7, 17]:

(2)

式中,WF是一個國家或地區水資源的足跡;DU為生活用水量;Pi為第i種產品消費量;VWPi為第i種產品的單位產品的虛擬水量;ENV是生態環境用水量。該方法相對簡單,所需的消費資料可以從統計年鑒上獲得,但存在數據不全的缺陷。本文考慮到京津冀的區域特點和統計數據的可獲得性,采用第二種方法計算京津冀地區的水足跡。

1.2 主要產品虛擬水

農作物產品和動物產品的虛擬水是目前虛擬水計算中最主要的部分[17]。單位農作物產品的虛擬水含量主要參考姜莉等人[17]在本研究區的研究成果。農作物虛擬水含量為農作物單位面積虛擬水量與單位面積實際產量的比值。作物單位面積虛擬水量的獲取主要參照《中國主要農作物需水量等值線圖研究》中關于京津冀三省市的研究成果和研究區內已有的研究文獻。同時根據《北京統計年鑒》、《天津統計年鑒》、《河北經濟年鑒》等相關統計數據,計算京津冀單位產品虛擬水含量。本研究選取了京津冀主要的糧食作物類(小麥、水稻)和經濟作物類(水果、蔬菜)共4種為研究對象,其單位質量的虛擬水含量如表1所示。

表1 京津冀地區主要農作物單位質量的虛擬水含量[17]/(m3/kg)

由于計算動物產品虛擬水含量需要的數據很多,并且這些數據通常難以獲得,因此,筆者參考Chapagain和Hoekstra根據FAO和WTO提供的數據資料,按照貢獻度大小對世界100多個國家單位質量動物產品的虛擬水估算中有關中國部分的估算結果[5]。考慮到數據的可獲得性和連續性,本文選取了京津冀地區7 種主要動物產品,分別是豬肉、牛肉、羊肉、家禽肉、禽蛋、奶類、水產品,其單位質量虛擬水量如表2所示。

表2 主要動物產品單位質量的虛擬水含量/(m3/kg)

1.3 數據來源

圖1 京津冀地區Fig.1 The Beijing-Tianjin-Hebei region

京津冀地區包括北京市、天津市和河北省的石家莊、唐山、秦皇島、邯鄲、邢臺、保定、張家口、承德、滄州、廊坊、衡水共13個城市(圖1、表3)。區域面積為21.6萬km2,約占全面總面積的2.3%,2014年區域內常住人口為1.196億人。2012年人均GDP為45302.5元,城鎮化率為58.93%。其中,北京、天津、河北城鎮化率分別為86.2%、81.55%、46.8%[18]。京津冀地區共劃分為203個縣級(區、縣級市、礦區)行政單元(截止2014)。

本研究所需數據來源如表4所示。京津冀市級、區縣城鎮、鄉村常住人口數據來自北京、天津統計年鑒、河北經濟年鑒和河北農村統計年鑒。由于受可獲得統計數據的限制,城鎮、鄉村居民主要食品人均年消費量只能收集到省級尺度。其中,對于北京、天津、河北統計年鑒中城鄉居民主要食品人均年消費量統計缺失的年份,參照中國統計年鑒中的全國城鄉居民主要食物消費量,按照北京、天津、河北城鄉居民食品消費支出與全國城鄉居民平均食品支出之比,計算出京津冀城鄉居民主要食物人均年消費量。京津冀地區生活用水量和生態環境用水量來自于北京、天津、河北省水資源公報,數據收集到市級尺度,并按照區縣總人口數量,分配至區縣行政單元。

2 主要結果

2.1 市級尺度水足跡

根據公式(2),計算出京津冀13個城市2000—2014年水足跡(圖 2、表5)。結果表明,京、津兩個直轄市由于人口總量大,且城鎮化水平高,水足跡較高。北京市2000—2014年平均水足跡為138.99億m3,在京津冀13個城市中位居第一。天津市次之,2000—2014年平均水足跡為77.94億m3。在河北省11個地級城市中,保定市和石家莊市是僅有的兩個人口過千萬的城市,2014年常住人口分別為1124.52萬、1268.52萬,因此水足跡最高,2000—2014年平均水足跡分別為51.96、49.60億m3。作為河北省常住人口數量最少的地級市(2014年常住人口306.45萬),秦皇島市2000—2014年水足跡最低,僅為14.99億m3。位于京津冀北部燕山山區的承德市、張家口市和中南部的衡水市,由于人口數量相對較少,且城鎮化水平較低,水足跡相對較低。在時間上,京津冀市級尺度水足跡總體呈現增加的趨勢,13個城市的平均水足跡由2000年的35.88億m3增長為2014年的50.82億m3。主要驅動因素是人口數量增加、城市發展及經濟水平的提高[3]。其中,天津市、北京市增長幅度最大,增長率分別為96.60%、62.32%。主要是因為京、津兩直轄市城鎮化水平最高,城市人口增加數量最多。石家莊、邯鄲市水足跡增長幅度相對較大,增長率均超過了30%。

表3 京津冀地區2014年常住人口與縣級行政單元數量

表4 主要數據來源

表5 京津冀市級2000—2014年水足跡/(億m3)

京津冀地區13個城市2000—2014年人均水足跡如圖3所示。北京市人均水足跡最高,2000—2014年平均人均水足跡為814.92 m3/人。天津市次之,平均人均水足跡為683.90 m3/人。石家莊市、秦皇島市平均人均水足跡相對較高,均超過了500 m3/人。衡水市、邢臺市人均水足跡相對較低,其中衡水市人均水足跡低于450 m3/人。

圖2 京津冀市級2000—2014年水足跡Fig.2 Water footprint of the Beijing-Tianjin-Hebei cities from 2000 to 2014

圖3 京津冀市級2000—2014年人均水足跡Fig.3 Water footprint per capita of the Beijing-Tianjin-Hebei cities from 2000 to 2014

2.2 區縣尺度水足跡

京津冀區縣2000—2014年水足跡結果表明(圖4),北京市市轄區水足跡總體最高,朝陽區年均水足跡達26.38億m3,位居京津冀區縣第一,其次是海淀區,年均水足跡為24.87億m3。天津市市轄區水足跡低于北京市市轄區,濱海新區年均水足跡達12.05億m3,位居天津市市轄區第一。在河北省所轄區縣中,定州市年均水足跡最高,為5.43億m3。北部燕山山區與西部太行山區區縣由于人口總量相對較少,且城鎮化水平較低,因此,水足跡相對較低。如張家口、承德、邢臺等市所轄區縣。其中張家口市下花園區水足跡最低,年均水足跡僅為0.36億m3。衡水市所轄區縣水足跡也較低。在時間上,2000—2014年,由于人口總量,特別是城鎮人口的增加,京津冀區縣水足跡總體呈現增長趨勢,203個區縣平均水足跡由2000年的2.30億m3增長為2014年的3.16億m3。其中北京市市轄區水足跡增長幅度最大,天津市次之(圖5)。

京津冀區縣2000—2014年人均水足跡結果表明(圖6),北京市主城六區(東城、西城、朝陽、海淀、豐臺、石景山區)人均水足跡在京津冀區縣中最高,年平均人均水足跡超過860 m3/人。北京市其他市轄區和天津市主城六區(和平、南開、河北、河東、河西、紅橋區)、濱海新區人均水足跡次之,均高于700 m3/人。石家莊主城區人均水足跡也相對較高,均高于600 m3/人。邯鄲、邢臺、保定所轄山區區縣人均水足跡相對較低。衡水市所轄區縣人均水足跡也較低,均低于450 m3/人。

圖4 京津冀區縣2000—2014年水足跡Fig.4 Water footprint of the Beijing-Tianjin-Hebei counties from 2000 to 2014

圖5 京津冀三省市2000—2014年平均區縣水足跡Fig.5 Average water footprint of the Beijing-Tianjin-Hebei counties from 2000 to 2014

圖6 京津冀區縣2000—2014年人均水足跡Fig.6 Water footprint per capita of the Beijing-Tianjin-Hebei counties from 2000 to 2014

2.3 水足跡結構組成分析

如前文所述,水足跡主要由生活用水、虛擬水消費和生態環境用水組成。其中虛擬水消費包括農產品和動物產品的虛擬水消費。本文以2014年為例,分析京津冀13個城市水足跡的結構組成(圖7)。結果表明,京津冀地區水足跡的組成比例從大到小依次是消費虛擬水量、生活用水量和生態環境用水量。消費虛擬水量約占水足跡的90%,這與王艷陽、曹永強等[7-8]計算出的虛擬水消費所占水足跡的比例一致。在虛擬水消費中,除北京、天津、石家莊、秦皇島消費的動物產品虛擬水所占比例高于該市消費的農產品虛擬水外,其余城市消費的動物產品虛擬水比例略低于農產品虛擬水或與之持平。

生態環境用水量能反映一個城市或地區對生態環境建設與修復的投入程度。本文計算了2000—2014年京津冀三省市生態環境用水所占各自省市水足跡比例(圖8)。結果表明,北京市生態環境用水所占水足跡的比例高于天津市和河北省。同時,京津冀生態環境用水所占水足跡比例總體呈現增加的趨勢,表明京津冀地區對生態環境保護的重視和投入有所加大。北京市增加幅度最大,天津市次之。其中,北京市生態環境用水所占水足跡比例在2004年到2008年期間增長幅度高于其他年份,原因是北京市為了籌備2008年奧運會,進一步加大了對生態環境的保護力度。

圖7 京津冀市級2014年水足跡結構組Fig.7 Structural components of the water footprint of the Beijing-Tianjin-Hebei cities in 2014

圖8 京津冀三省市生態環境用水所占水足跡比例Fig.8 Percentage of ecological and environmental water and the Beijing-Tianjin-Hebei counties water footprint from 2000 to 2014

3 討論

(1)京津冀地區需要提高水資源利用和分配效率。京津冀市級、區縣水足跡、人均水足跡均呈現出增加的趨勢,表明隨著城鎮化水平的提高,城鎮化對水資源的脅迫和壓力越來越大。京津冀地區是我國水資源最為短缺的地區之一,城市的擴張和城鎮人口的增長必須考慮水資源這一重要的限制性因素,必須考慮到水資源的承載能力。雖然自2014年底南水北調工程正式通水運行以來,京津冀地區水資源壓力得到了一定程度的緩解。但是,如何更為高效地分配南水北調水資源也是一個重要的課題。本文水足跡的研究成果,可為南水北調水資源在京津冀地區的合理分配提供參考。對于水足跡較大且本地水源供應不足的市和區縣,在使用南水北調水資源時,應該予以優先保障。

(2)京津冀地區需要提高生態環境用水所占比例,進一步加大生態環境投入力度。本地區生態環境用水所占水足跡的比例雖然在不斷上升,但總體仍然偏低。以2014年為例,京津冀生態環境用水所占水足跡的平均比例僅為2.06%,除北京、石家莊生態環境用水所占比例略高(超過3%)外,其余城市均較低(圖 7)。京津冀地區是我國水污染最為嚴重的地區之一,前人研究表明,京津冀地區水體總體呈現富營養化,其中44%的主要河流處于極度富營養化水平[19]。環保部發布的2014年中國空氣質量最差的10位城市中,河北省占據7席。因此,京津冀地區需要進一步提高生態環境用水量,通過城鎮綠地灌溉、環境衛生清潔和河湖、濕地補水等措施,可以在一定程度上減輕本區域水體和大氣污染。京津冀生活用水所占水足跡比例為6.96%。其中,唐山、北京、秦皇島、廊坊、石家莊、承德等城市生活用水所占比例均超過了平均值。上述城市除石家莊外,均位于京津冀北部。因此,北部城市需要進一步增強節水意識,降低生活用水所占比例。

4 結論

本文運用自下而上的方法,基于消費虛擬水量、生活用水量和生態環境用水量等指標,計算并分析了京津冀地區2000—2014年市級、區縣水足跡、人均水足跡的時空變化特征,可為研究該區域城鎮化對水資源量的脅迫效應提供參考與依據。結果表明,(1)市級尺度上,北京市水足跡、人均水足跡最高,天津市次之。石家莊市水足跡、人均水足跡相對較高,衡水市水足跡、人均水足跡均相對較低。京津冀市級平均水足跡由2000年的35.88億m3增長到2014年的50.82億m3,天津市、北京市增長幅度最大。(2)區縣尺度上,北京市主城六區水足跡、人均水足跡最高,北京市其他市轄區和天津市主城六區、濱海新區水足跡、人均水足跡次之,石家莊市主城區水足跡、人均水足跡也相對較高。北部燕山山區、西部太行山區及衡水市所轄區縣水足跡、人均水足跡最低。京津冀區縣平均水足跡由2000年的2.30億m3增長為2014年的3.16億m3。北京市市轄區水足跡增長幅度最大,天津市市轄區次之。 (3) 水足跡的構成比例從大到小依次是消費虛擬水量、生活用水量和生態環境用水量,消費虛擬水量約占水足跡的90%。京津冀生態環境用水所占水足跡比例總體呈現增加的趨勢,北京市生態環境用水所占水足跡的比例高于天津市和河北省。

由于工業產品種類繁多且生產工藝過程復雜多樣,工業產品虛擬水核算框架很難構建,且缺乏相關的數據支持[20- 21],本文計算的虛擬水消費量不包括工業產品。然而,大規模的工業生產過程不僅需要消耗大量的水資源,還排放大量的生產廢水。因此,在未來的研究中,可以選取少數代表性的工業產品,估算京津冀地區工業產品的虛擬水量。同時,受制于數據的局限,本文沒有考慮京津冀地區虛擬水的進口與出口情況。然而,京津冀地區消費的農作物產品和動物產品除了來自本區域外,還來自于全國或全球其他區域。因此,在下一步的研究中,虛擬水的貿易情況需要關注。