虛擬水貿易應用在子牙河流域的可行性

王 磊

(河北省子牙河河務管理處，河北 衡水 000000)

水資源是各種生物賴以生存的基礎性自然資源，同時也是人類社會經濟發展所需的重要戰略性資源。隨著子牙河流域內人口增長，社會經濟的快速發展以及生態環境的改善，水資源的供需矛盾日益突出，水資源已成為制約流域內經濟社會發展的短板。目前，流域內各市根據實際情況，通過南水北調、引黃入冀(津)等工程引調外水，開展平原區地下水壓采，提高水資源利用率等方式開源節流，在很大程度上改善了流域內缺水狀況。為進一步緩解子牙河流域水資源緊張現狀，促進本流域快速發展，本文通過分析流域內水資源利用結構，在引入外水和壓采地下水等方式基礎之上，討論利用虛擬水貿易進口水密集型產品間接滿足區域水資源需求[1]以緩解子牙河流域水資源短缺現狀的可行性。

1 水資源概況及利用結構

子牙河流域由滏陽河、滹沱河兩大支流組成，位于海河流域的中南部，西至太行山，東到渤海灣，南北分別與漳衛河和大清河系相連，涉及山西、河北、天津3省市70多個縣(市、區)，流域面積46868km2。子牙河流域地處半濕潤半干旱區，屬暖溫帶大陸性季風氣候，流域多年平均降雨量約為540mm，其中衡水、滄州兩市平原區降雨量約為500m，降雨量年內分布不均且地區分布差別較大。自上世紀70年代至今，流域內社會經濟快速發展，人口保持增長態勢，城市化率不斷提高。截止2016年，流域內人口總數量約為2000萬人，工業、農業及城鎮、農村用水量急劇增加。為此，流域內大量使用地表水和開采地下水。根據《海河流域水文資料》(子牙河水系年鑒)統計，上世紀70年代(1972—1979年)流域年平均徑流量為6.83億m3，21世紀初(2006—2011年)流域平均徑流量為2.97億m3，流域內徑流量呈逐年減少趨勢。由于地表水無法滿足社會發展需要，子牙河流域各市大量超采地下水。21世紀初流域內地下水平均埋深較90年代同期平均下降近18m，其中冀棗衡漏斗在2003年底埋深為71.79m，比20世紀80年代下降了24.05m[2]，地下水資源超采嚴重，可開采量持續減少。目前，子牙河流域地表水利用率在90%以上，超過國際標準2倍多，淺層地下水開發利用率達到1.49，水資源供需矛盾十分突出。

根據海河流域水資源公報(1998—2017)統計，近20年來，農業用水占流域總用水量的68%左右，工業用水占總用水量的15.8%左右，生活用水占總用水量13.8%左右，其余為生態用水，占總用水量的3.22%。

2 主要農、畜產品虛擬水含量

在工農業生產過程和服務中所消耗的水被認為是嵌入在產品、服務中的虛擬水[3- 4]。虛擬水不是真正的水，是指依附于某一物品中的，看不見摸不著的水，但卻又是生產這種產品和服務所必需的水。農業生產中，種植農作物、養殖畜產品全過程周期所需要的總水量為依附于農產品中的虛擬水。通過計算單位農作物產品的虛擬含水量可以看出該產品的實際耗水程度[5]。子牙河流域光照條件好，土地平整集中，適合大規模農作物種植，是我國主要的糧棉基地。在流域用水結構中，農業用水量占比最大，因此本文重點分析流域內主要農產品的虛擬水含量。

2.1 主要農產品虛擬水含量

按上段所述虛擬水定義可知，農產品虛擬水含量是單位面積需水量與單位面積產量的比值。農產品需水量指在正常生育狀況和理想土壤、水分、肥料、技術措施條件下，在作物全生長周期，作物消耗于蒸散的水量，由作物生理和田間生態用水組成。影響作物需水量的因素有多種，其中氣象、土壤、作物種類等因素是主要因素。氣候因素對作物需水量的影響可用作物水分潛在蒸散發量來表示，作物的生物學特征(主要包括作物的種類、品種、生長發育節律等)及其生長發育狀況對作物需水量的影響一般采用作物系數KC來表示[6]。在實際工作中，為便于計算，通常使用聯合國糧農組織修訂的penman公式進行水分潛在蒸散發量的計算來反映氣象條件對需水量的影響。

(1)

式中，ET0—作物水分潛在蒸散發量，mm；P0—海平面標準大氣壓，mbar，P—計算地點實際氣壓，mbar，Δ—飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率，mbar/℃；r—溫度計常數，mbar/℃；ea—空氣實際水汽壓，mbar；es—飽和水汽壓，mbar；u2—2m高處風速，m/s，C—風速修正系數。

作物需水量計算公式為：

E=Kc×ET0

(2)

式中，E—作物需水量，mm，KC—作物系數(采用聯合國糧農組織推薦的作物系數表)，ET0—作物水分潛在蒸散發量，mm。

農作物單位質量虛擬水含量計算公式為：

(3)

式中，SWD(n，c)—區域n作物C的虛擬含水量，m3/t；CWR(n，c)—區域n作物C生長期內每公頃的需水量，m3/hm2；CY(n，c)—區域n作物C的產量，t/hm2。

選取流域內常見的冬小麥、夏玉米、棉花、蔬菜、薯類、水果等農作物產品進行虛擬水含量分析。計算農作物虛擬水含量首先計算流域內農作物水分潛在蒸散發量，乘以相應作物系數，得出作物全過程期的需水量。然后通過單位面積產量，得出農作物單位產品虛擬水含量。根據2000—2010年《河北省經濟統計年鑒》等數據計算出流域內主要農作物產品單位虛擬水含量，詳見表1。

表1 子牙河流域主要農作物產品單位虛擬水含量表 單位：m3·kg-1

2.2 部分畜產品虛擬水含量

畜產品的虛擬水含量首先需要確定動物對水資源的消耗，然后再在不同動物產品之間進行分配。直接由動物提供的產品稱為第一類動物產品，由第一類動物產品加工得到的產品，稱為第二類產品，在此只計算第一類動物產品的含水量[7]。第一類動物產品虛擬水量由動物飲用水、飼料所含虛擬水量、必要的清潔水量等部分組成。根據2000—2010年《河北省經濟統計年鑒》等數據，利用上述方法綜合計算出流域內主要牲畜單位產品虛擬水含量，詳見表2。

表2 子牙河流域主要畜產品單位虛擬水含量表 單位：m3·kg-1

通過表1、表2可以發現，畜產品的單位產品虛擬含水量明顯高于農作物，而農作物中冬小麥、夏玉米和棉花虛擬含水量較多，因此選擇冬小麥、夏玉米、棉花三種農作物和豬、牛、羊三種畜產品進行虛擬水量計算。根據流域內相關市經濟年鑒統計，2009年流域主要內冬小麥、夏玉米、棉花產量及豬、牛、羊肉產量見表3。

表3 2009年子牙河流域主要農作物、肉類總產量表 單位：萬t

通過主要農作物冬小麥、夏玉米、棉花、肉類總產量和單位虛擬水含量可算出2009年子牙河流域內冬小麥虛擬水總量為93.85×108m3，夏玉米虛擬水總量為73.58×108m3，棉花虛擬水總量為40.13×108m3，豬、牛、羊的虛擬水總量分別為37.23×108m3、35.47×108m3、5.12×108m3。2009年子牙河流域實體水供水量約為54億m3，其中農業用量約為37.77億m3，主要農作物及畜產品虛擬水量是農業用水量的7.56倍。

3 農業產業結構調整與虛擬水貿易

3.1 調整農業產業結構的必要性與可行性

子牙河流域地處溫帶半濕潤半干旱性大陸季風氣候區，光照條件充足，適宜大部分農作物種植，是河北省重要的糧棉產區，同時也是河北省乃至全國的嚴重缺水地區，流域水資源量只占海河流域總資源量的16%左右，占全國人均水資源量7%左右。因此子牙河流域應在保證糧食產量安全的前提下，測算主要農作物及畜產品虛擬水含量，適當調整種植結構，以達到節約水資源的目的是必要的。

流域內6—9月份氣溫較高，雨量相對其它月份充沛，且與夏玉米、棉花、薯類等農作物生長期基本一致，氣象條件有利于大部分農作物生長；近年來隨著地下水壓采工程陸續實施，改變了原來田間大水澆灌模式，加之政府鼓勵種植經濟價值較高、節水效益明顯的作物，因此在子牙河流域調整農業產業結構是可行的。

3.2 調整優化農產品結構節水效益分析

一個國家人均糧食占有量越大，表示糧食安全水平越高。一般認為糧食人均占有量為400kg左右，即屬安全范疇[8]。2009年流域內冬小麥產量為823.21萬t，夏玉米產量為791.13萬t，夏玉米65%用于飼料，則綜合統計糧食人均占有量為550kg，高于糧食人均占有量400kg的安全標準。流域內主要農作物種植面積從大到小依次為冬小麥、夏玉米和棉花，其中全生育期冬小麥需水量約3500m3/hm2，全生長期從10月至次年6月，共8個月，且處于降水量少的月份；夏玉米需水量約2700m3/hm2，全生長期為6—9月，共3個月；棉花需水量約4100m3/hm2，全生長期為4—10月份，其中7—8月份需水較多。觀察上述三種農作物全生長期內需水量與降水量，發現冬小麥生長期與雨季不重合，生長期需水量中灌溉用水占絕大部分，夏玉米和棉花生長期與雨季基本重合，生長期需水量則可利用自然降水進行補給。因此初步設想通過縮減冬小麥種植面積，增加棉花種植面積，以達到節水目的。依據《河北省地方標準<用水定額>》(DB13T1161—2016農業)，按50%保證率計算，流域內主要農作物基本灌溉用水定額與虛擬水資源量對比見表4。

表4 子牙河流域主要農作物灌溉用水量與虛擬水資源量對比表 單位：m3·hm-2

通過表4可以看出，棉花比冬小麥灌溉用水量少975m3·hm-2，流域內耕地面積約為303.6萬hm-2，如將其中10%改種棉花，則可節水2.69億m3，人均糧食占有量約為509kg；20%改種棉花，可節水5.38億m3，人均糧食占有量約為468kg，仍然滿足糧食安全要求。通過調整冬小麥種植面積，在保證糧食安全的前提下，節水效益明顯。在進行農作物結構調整同時，優化養殖種類，減少大型牲畜養殖數量；調整作物播種期，使降雨高峰與作物需水高峰盡量重迭或接近[9]；利用節水技術，進一步降低冬小麥、玉米的單位虛擬水含量，可進一步擴大節水效益。

3.3 發展虛擬水貿易

發展農業節水不僅要在區域內部大力實施節水，切實提高用水效率，調整種植結構，還應從全局角度出發，考慮如何應用外部資源，緩解區域用水緊張局面[10- 11]，虛擬水貿易便是在此背景下應運而生的。虛擬水貿易(Virtual Water Trade)是指國家或地區通過進、出口水密集、水稀疏型產品來達到進、出口水資源的目的。不同地區、相同農作物虛擬水含量的差異為區域間的虛擬水貿易提供了基礎，虛擬水貿易又成為水資源流動的新形式，因此形成了人與糧食、貿易之間特殊的關系。虛擬水貿易戰略強調量水而行，以水定產[12]，從區域角度看，利用虛擬水戰略不僅可以提高單位水資源的利用效益，而且可以保證糧食安全[13、14]。河北省糧食對外貿易主要集中在小麥、玉米、大豆和大米[15]，自21世紀以來，流域內各地市玉米出口量持續減少，而高耗水的豆類進口量卻持續增加，大米基本為凈進口，小麥交易量略有波動，但總體進口大于出口，造成流域內虛擬水進口量持續增長，緩解了流域水資源壓力。因此，流域內各市可通過調整種植、養殖結構，向外推銷蔬菜、水果等經濟價值較高的水稀疏型產品；從優質產糧省份、畜牧業大省(如黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古等)購入所需的糧食和畜牧產品等水密集型產品，加強虛擬水貿易，增加流域外水資源消費，以達到節約水資源的目的，促進流域的可持續性發展。

4 結語

通過測算子牙河流域內主要農產品虛擬水含量，在保證糧食安全前提下，分析調整不同品種種植面積可以節約的水資源量，以此為依據進而優化種植、養殖結構并結合虛擬水貿易來緩解水資源短缺壓力。虛擬水調入與從流域外調水或開采地下水相比，可在不新建水利設施、不會造成引入區或輸出區生態環境破壞的同時，達到節約水資源的目的。但同時應看到，虛擬水及相關貿易是一個系統工程，受經濟、社會、環境生態等多方面影響，是具有局限性的，不應隨意擴大虛擬水的應用范圍。虛擬水方法為節約水資源提供了新的管理理念，因此通過虛擬水及適當范圍內的貿易緩解子牙河流域水資源短缺現狀是可行的。