基于農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)品和生活用水的京津冀地區(qū)水足跡時(shí)空特征研究

程 先,孫然好,陳利頂,孔佩儒

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

水資源是一切生物賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),也是支撐一個(gè)國(guó)家和地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的限制性因素和戰(zhàn)略性資源[1- 2]。在對(duì)水資源及其提供產(chǎn)品和服務(wù)的消費(fèi)過(guò)程中,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源的諸多問(wèn)題產(chǎn)生了深刻影響[3]。正確衡量人類(lèi)對(duì)水資源的真實(shí)需求和消費(fèi),對(duì)水資源的合理利用發(fā)揮著關(guān)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(gè)國(guó)家、一個(gè)地區(qū)或者一個(gè)人)在一定時(shí)間內(nèi)所消費(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量[5- 6]。這部分水資源量既包括日常生活實(shí)體用水,又包括工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)中的虛擬水和為人類(lèi)提供生態(tài)服務(wù)功能的用水[7- 8]。其中,以產(chǎn)品和服務(wù)形式的虛擬水消費(fèi)是人類(lèi)對(duì)水資源的主要消費(fèi)形式[9]。水足跡理論從水資源消費(fèi)角度出發(fā),將實(shí)體水消費(fèi)和虛擬水消費(fèi)聯(lián)系起來(lái), 能較真實(shí)地反映水資源利用的分配狀況,提供了水資源消費(fèi)和居民消費(fèi)之間定量關(guān)系研究的方法[3, 10-11]。

京津冀地區(qū)屬于嚴(yán)重資源型缺水區(qū)域。2014年,京津冀地區(qū)平均人均水資源量為124 m3/人,僅為全國(guó)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(huà)京津冀地區(qū)的水資源利用狀況,例如Zhao等[2]從藍(lán)水、綠水、灰水三個(gè)方面計(jì)算了京津冀地區(qū)2010年水足跡,王艷陽(yáng)等[8]基于投入產(chǎn)出表計(jì)算了北京市2002年水足跡,韓玉等[13]運(yùn)用產(chǎn)品虛擬水研究方法計(jì)算了河北省2010年水足跡等。但上述研究中的水足跡計(jì)算多停留在省級(jí)尺度上,缺乏更小尺度(如市級(jí)、區(qū)縣級(jí))的研究。此外,前人的研究多關(guān)注于某一年份水足跡的計(jì)算,缺少長(zhǎng)時(shí)間序列的水足跡的比較和變化趨勢(shì)的分析。基于此,本研究嘗試從市級(jí)、區(qū)縣兩個(gè)尺度定量研究京津冀地區(qū)水足跡與人均水足跡,并分析其在較長(zhǎng)一段時(shí)間序列內(nèi)的變化特征,以期為研究京津冀地區(qū)城鎮(zhèn)化對(duì)水資源的脅迫效應(yīng)提供數(shù)據(jù)參考與依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 水足跡計(jì)算方法

水足跡一般可以通過(guò)兩種方法進(jìn)行估算。一種是自上而下的方法,該方法將一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的水足跡表示為生產(chǎn)當(dāng)?shù)鼐用袼M(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)的水資源需求總量與該國(guó)家或地區(qū)凈虛擬水的進(jìn)口量的總和,公式如下[5, 14]:

WF=PVW+RW+ENV+NVWI

(1)

式中,WF是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的水足跡;PVW是本地產(chǎn)品消費(fèi)的虛擬水含量;ENV是生態(tài)環(huán)境用水;NVWI是凈進(jìn)口虛擬水消費(fèi)量。該方法將水足跡分解成了內(nèi)部水足跡和外部水足跡,并在此基礎(chǔ)上,可以分析水資源自給率、水資源進(jìn)口依賴(lài)度等[1, 5, 15]。由于該方法需要有研究區(qū)較詳細(xì)的匯入和流出產(chǎn)品的數(shù)據(jù)記錄,適用于計(jì)算國(guó)家等大尺度單元的水足跡,而省市等小尺度區(qū)域因貿(mào)易數(shù)據(jù)不易獲取,限制了該方法在省市尺度上的應(yīng)用[7, 16]。

水足跡另一種計(jì)算方法是采用自下而上的方法,公式表達(dá)式為[7, 17]:

(2)

式中,WF是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)水資源的足跡;DU為生活用水量;Pi為第i種產(chǎn)品消費(fèi)量;VWPi為第i種產(chǎn)品的單位產(chǎn)品的虛擬水量;ENV是生態(tài)環(huán)境用水量。該方法相對(duì)簡(jiǎn)單,所需的消費(fèi)資料可以從統(tǒng)計(jì)年鑒上獲得,但存在數(shù)據(jù)不全的缺陷。本文考慮到京津冀的區(qū)域特點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可獲得性,采用第二種方法計(jì)算京津冀地區(qū)的水足跡。

1.2 主要產(chǎn)品虛擬水

農(nóng)作物產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水是目前虛擬水計(jì)算中最主要的部分[17]。單位農(nóng)作物產(chǎn)品的虛擬水含量主要參考姜莉等人[17]在本研究區(qū)的研究成果。農(nóng)作物虛擬水含量為農(nóng)作物單位面積虛擬水量與單位面積實(shí)際產(chǎn)量的比值。作物單位面積虛擬水量的獲取主要參照《中國(guó)主要農(nóng)作物需水量等值線圖研究》中關(guān)于京津冀三省市的研究成果和研究區(qū)內(nèi)已有的研究文獻(xiàn)。同時(shí)根據(jù)《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》、《天津統(tǒng)計(jì)年鑒》、《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》等相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),計(jì)算京津冀單位產(chǎn)品虛擬水含量。本研究選取了京津冀主要的糧食作物類(lèi)(小麥、水稻)和經(jīng)濟(jì)作物類(lèi)(水果、蔬菜)共4種為研究對(duì)象,其單位質(zhì)量的虛擬水含量如表1所示。

表1 京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物單位質(zhì)量的虛擬水含量[17]/(m3/kg)

由于計(jì)算動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水含量需要的數(shù)據(jù)很多,并且這些數(shù)據(jù)通常難以獲得,因此,筆者參考Chapagain和Hoekstra根據(jù)FAO和WTO提供的數(shù)據(jù)資料,按照貢獻(xiàn)度大小對(duì)世界100多個(gè)國(guó)家單位質(zhì)量動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水估算中有關(guān)中國(guó)部分的估算結(jié)果[5]。考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性和連續(xù)性,本文選取了京津冀地區(qū)7 種主要?jiǎng)游锂a(chǎn)品,分別是豬肉、牛肉、羊肉、家禽肉、禽蛋、奶類(lèi)、水產(chǎn)品,其單位質(zhì)量虛擬水量如表2所示。

表2 主要?jiǎng)游锂a(chǎn)品單位質(zhì)量的虛擬水含量/(m3/kg)

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

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

京津冀地區(qū)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(tái)、保定、張家口、承德、滄州、廊坊、衡水共13個(gè)城市(圖1、表3)。區(qū)域面積為21.6萬(wàn)km2,約占全面總面積的2.3%,2014年區(qū)域內(nèi)常住人口為1.196億人。2012年人均GDP為45302.5元,城鎮(zhèn)化率為58.93%。其中,北京、天津、河北城鎮(zhèn)化率分別為86.2%、81.55%、46.8%[18]。京津冀地區(qū)共劃分為203個(gè)縣級(jí)(區(qū)、縣級(jí)市、礦區(qū))行政單元(截止2014)。

本研究所需數(shù)據(jù)來(lái)源如表4所示。京津冀市級(jí)、區(qū)縣城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村常住人口數(shù)據(jù)來(lái)自北京、天津統(tǒng)計(jì)年鑒、河北經(jīng)濟(jì)年鑒和河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒。由于受可獲得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的限制,城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村居民主要食品人均年消費(fèi)量只能收集到省級(jí)尺度。其中,對(duì)于北京、天津、河北統(tǒng)計(jì)年鑒中城鄉(xiāng)居民主要食品人均年消費(fèi)量統(tǒng)計(jì)缺失的年份,參照中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒中的全國(guó)城鄉(xiāng)居民主要食物消費(fèi)量,按照北京、天津、河北城鄉(xiāng)居民食品消費(fèi)支出與全國(guó)城鄉(xiāng)居民平均食品支出之比,計(jì)算出京津冀城鄉(xiāng)居民主要食物人均年消費(fèi)量。京津冀地區(qū)生活用水量和生態(tài)環(huán)境用水量來(lái)自于北京、天津、河北省水資源公報(bào),數(shù)據(jù)收集到市級(jí)尺度,并按照區(qū)縣總?cè)丝跀?shù)量,分配至區(qū)縣行政單元。

2 主要結(jié)果

2.1 市級(jí)尺度水足跡

根據(jù)公式(2),計(jì)算出京津冀13個(gè)城市2000—2014年水足跡(圖 2、表5)。結(jié)果表明,京、津兩個(gè)直轄市由于人口總量大,且城鎮(zhèn)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(gè)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(gè)地級(jí)城市中,保定市和石家莊市是僅有的兩個(gè)人口過(guò)千萬(wàn)的城市,2014年常住人口分別為1124.52萬(wàn)、1268.52萬(wàn),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(shù)量最少的地級(jí)市(2014年常住人口306.45萬(wàn)),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(qū)的承德市、張家口市和中南部的衡水市,由于人口數(shù)量相對(duì)較少,且城鎮(zhèn)化水平較低,水足跡相對(duì)較低。在時(shí)間上,京津冀市級(jí)尺度水足跡總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),13個(gè)城市的平均水足跡由2000年的35.88億m3增長(zhǎng)為2014年的50.82億m3。主要驅(qū)動(dòng)因素是人口數(shù)量增加、城市發(fā)展及經(jīng)濟(jì)水平的提高[3]。其中,天津市、北京市增長(zhǎng)幅度最大,增長(zhǎng)率分別為96.60%、62.32%。主要是因?yàn)榫⒔騼芍陛犑谐擎?zhèn)化水平最高,城市人口增加數(shù)量最多。石家莊、邯鄲市水足跡增長(zhǎng)幅度相對(duì)較大,增長(zhǎng)率均超過(guò)了30%。

表3 京津冀地區(qū)2014年常住人口與縣級(jí)行政單元數(shù)量

表4 主要數(shù)據(jù)來(lái)源

表5 京津冀市級(jí)2000—2014年水足跡/(億m3)

京津冀地區(qū)13個(gè)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(duì)較高,均超過(guò)了500 m3/人。衡水市、邢臺(tái)市人均水足跡相對(duì)較低,其中衡水市人均水足跡低于450 m3/人。

圖2 京津冀市級(jí)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(jí)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(qū)縣尺度水足跡

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

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

圖4 京津冀區(qū)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(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)組成分析

如前文所述,水足跡主要由生活用水、虛擬水消費(fèi)和生態(tài)環(huán)境用水組成。其中虛擬水消費(fèi)包括農(nóng)產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水消費(fèi)。本文以2014年為例,分析京津冀13個(gè)城市水足跡的結(jié)構(gòu)組成(圖7)。結(jié)果表明,京津冀地區(qū)水足跡的組成比例從大到小依次是消費(fèi)虛擬水量、生活用水量和生態(tài)環(huán)境用水量。消費(fèi)虛擬水量約占水足跡的90%,這與王艷陽(yáng)、曹永強(qiáng)等[7-8]計(jì)算出的虛擬水消費(fèi)所占水足跡的比例一致。在虛擬水消費(fèi)中,除北京、天津、石家莊、秦皇島消費(fèi)的動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水所占比例高于該市消費(fèi)的農(nóng)產(chǎn)品虛擬水外,其余城市消費(fèi)的動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水比例略低于農(nóng)產(chǎn)品虛擬水或與之持平。

生態(tài)環(huán)境用水量能反映一個(gè)城市或地區(qū)對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與修復(fù)的投入程度。本文計(jì)算了2000—2014年京津冀三省市生態(tài)環(huán)境用水所占各自省市水足跡比例(圖8)。結(jié)果表明,北京市生態(tài)環(huán)境用水所占水足跡的比例高于天津市和河北省。同時(shí),京津冀生態(tài)環(huán)境用水所占水足跡比例總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),表明京津冀地區(qū)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(tài)環(huán)境用水所占水足跡比例在2004年到2008年期間增長(zhǎng)幅度高于其他年份,原因是北京市為了籌備2008年奧運(yùn)會(huì),進(jìn)一步加大了對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度。

圖7 京津冀市級(jí)2014年水足跡結(jié)構(gòu)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(tài)環(huán)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(qū)需要提高水資源利用和分配效率。京津冀市級(jí)、區(qū)縣水足跡、人均水足跡均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),表明隨著城鎮(zhèn)化水平的提高,城鎮(zhèn)化對(duì)水資源的脅迫和壓力越來(lái)越大。京津冀地區(qū)是我國(guó)水資源最為短缺的地區(qū)之一,城市的擴(kuò)張和城鎮(zhèn)人口的增長(zhǎng)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(diào)工程正式通水運(yùn)行以來(lái),京津冀地區(qū)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(diào)水資源也是一個(gè)重要的課題。本文水足跡的研究成果,可為南水北調(diào)水資源在京津冀地區(qū)的合理分配提供參考。對(duì)于水足跡較大且本地水源供應(yīng)不足的市和區(qū)縣,在使用南水北調(diào)水資源時(shí),應(yīng)該予以?xún)?yōu)先保障。

(2)京津冀地區(qū)需要提高生態(tài)環(huán)境用水所占比例,進(jìn)一步加大生態(tài)環(huán)境投入力度。本地區(qū)生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境用水所占比例略高(超過(guò)3%)外,其余城市均較低(圖 7)。京津冀地區(qū)是我國(guó)水污染最為嚴(yán)重的地區(qū)之一,前人研究表明,京津冀地區(qū)水體總體呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化,其中44%的主要河流處于極度富營(yíng)養(yǎng)化水平[19]。環(huán)保部發(fā)布的2014年中國(guó)空氣質(zhì)量最差的10位城市中,河北省占據(jù)7席。因此,京津冀地區(qū)需要進(jìn)一步提高生態(tài)環(huán)境用水量,通過(guò)城鎮(zhèn)綠地灌溉、環(huán)境衛(wèi)生清潔和河湖、濕地補(bǔ)水等措施,可以在一定程度上減輕本區(qū)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(guò)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(jìn)一步增強(qiáng)節(jié)水意識(shí),降低生活用水所占比例。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用自下而上的方法,基于消費(fèi)虛擬水量、生活用水量和生態(tài)環(huán)境用水量等指標(biāo),計(jì)算并分析了京津冀地區(qū)2000—2014年市級(jí)、區(qū)縣水足跡、人均水足跡的時(shí)空變化特征,可為研究該區(qū)域城鎮(zhèn)化對(duì)水資源量的脅迫效應(yīng)提供參考與依據(jù)。結(jié)果表明,(1)市級(jí)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(duì)較高,衡水市水足跡、人均水足跡均相對(duì)較低。京津冀市級(jí)平均水足跡由2000年的35.88億m3增長(zhǎng)到2014年的50.82億m3,天津市、北京市增長(zhǎng)幅度最大。(2)區(qū)縣尺度上,北京市主城六區(qū)水足跡、人均水足跡最高,北京市其他市轄區(qū)和天津市主城六區(qū)、濱海新區(qū)水足跡、人均水足跡次之,石家莊市主城區(qū)水足跡、人均水足跡也相對(duì)較高。北部燕山山區(qū)、西部太行山區(qū)及衡水市所轄區(qū)縣水足跡、人均水足跡最低。京津冀區(qū)縣平均水足跡由2000年的2.30億m3增長(zhǎng)為2014年的3.16億m3。北京市市轄區(qū)水足跡增長(zhǎng)幅度最大,天津市市轄區(qū)次之。 (3) 水足跡的構(gòu)成比例從大到小依次是消費(fèi)虛擬水量、生活用水量和生態(tài)環(huán)境用水量,消費(fèi)虛擬水量約占水足跡的90%。京津冀生態(tài)環(huán)境用水所占水足跡比例總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),北京市生態(tài)環(huán)境用水所占水足跡的比例高于天津市和河北省。

由于工業(yè)產(chǎn)品種類(lèi)繁多且生產(chǎn)工藝過(guò)程復(fù)雜多樣,工業(yè)產(chǎn)品虛擬水核算框架很難構(gòu)建,且缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)支持[20- 21],本文計(jì)算的虛擬水消費(fèi)量不包括工業(yè)產(chǎn)品。然而,大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程不僅需要消耗大量的水資源,還排放大量的生產(chǎn)廢水。因此,在未來(lái)的研究中,可以選取少數(shù)代表性的工業(yè)產(chǎn)品,估算京津冀地區(qū)工業(yè)產(chǎn)品的虛擬水量。同時(shí),受制于數(shù)據(jù)的局限,本文沒(méi)有考慮京津冀地區(qū)虛擬水的進(jìn)口與出口情況。然而,京津冀地區(qū)消費(fèi)的農(nóng)作物產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品除了來(lái)自本區(qū)域外,還來(lái)自于全國(guó)或全球其他區(qū)域。因此,在下一步的研究中,虛擬水的貿(mào)易情況需要關(guān)注。