虛擬水影響下區域水資源承載力評價

高玉琴，李媛媛，高 見，杜承霖，張 鳴，武 娟

(1.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省農村水利科技發展中心，江蘇 南京 210029；3.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635； 4.高淳區水資源管理中心，江蘇 南京 211300)

“水太少不夠用”和“水太臟用不了”是當前中國在處理用水問題中亟需解決的矛盾點。我國水資源總量位居世界前列，但由于人口眾多，人均水資源占有量排名靠后，缺水問題愈發凸顯。2019年下半年，長江中下游地區多省發生較為嚴重的夏秋冬連旱，給群眾生活和農業生產造成較大影響[1]。據預測，2050年我國人口將達16.23億，根據當前用水和經濟發展趨勢，若不合理利用水資源，屆時年需水量恐超過可利用淡水資源量，可用水資源將逐步被消耗殆盡[2-3]。

對于用水緊張問題，按照傳統思路，人們通常習慣從實體水資源角度出發尋求解決方案，但往往會受到地理和氣候等客觀因素的限制，而虛擬水作為一種“無形”的水資源，寄存于生產和運輸產品的過程中，通過貿易的手段引導高耗水產品流入本地市場，從而可以避免在生產中大量消耗水資源，這一舉措為用水緊張問題提供了新的應對策略。因此，將虛擬水與水資源承載力相結合進行研究，能更真實地反映區域水資源利用情況與實際水資源承載力水平，從而對產業結構調整、城市化規模調控等問題提供科學指導，保障國家水資源能夠被安全與合理地利用。

1 評價理論基礎

1.1 虛擬水概念及特征

當商品從一個地區轉移至另一地區時，攜帶著生產該產品所消耗的水資源一同流動，這種伴隨著商品進行流動的“看不見的水資源”稱作虛擬水，虛擬水的提出，使得從富水地區進口水密集型產品成為緩解用水緊張地區水資源短缺的有力措施[4]。隨后各學者將虛擬水的研究領域從農產品拓展到全領域商品中，與商品一樣，虛擬水有“進口量”和“出口量”，求得某產品虛擬水的進出口量差值即可衡量一個地區某項產品所蘊含的虛擬水量或虛擬水平衡狀況?；谏鲜龈拍?，虛擬水的主要特征有：①貿易性。虛擬水的產生和流動只有依托于商品或者服務的貿易才能進行。②非實在性。虛擬水以非實在的形式凝結于產品與服務之中，屬于不可見的水資源。③便利性。相較于實體水，虛擬水隨著各種產品從富水地區向貧水地區轉移，運輸調度的難度與成本大大降低。

1.2 虛擬水量化方法

某種產品的虛擬水量往往通過計算生產地在生產過程中消耗的水資源量，或是消費地生產該產品所將消耗的水資源量來確定。為保證數據的一致性，本文均從消費地角度出發，以消費地生產所消耗的水資源量作為計算依據來量化虛擬水。虛擬水量化計算主要考慮農、畜產品虛擬水以及工業虛擬水量的計算。

農、畜產品虛擬水選取糧食(稻谷、大豆)、經濟作物(糖蔗、煙葉、花生、木薯)、大型牲畜(豬肉、牛肉)等生活中的主要消費產品進行估算。量化農產品虛擬水時用單位面積農作物耗水量與其單位面積產量的比值來表示該種農作物單位質量所含的虛擬水量。因家畜消耗的水資源量由飲用水、飼料生長用水、環境清潔用水、畜產品加工用水組成[5]，所以一般釆用Chapagain等[6-7]提出的生產樹量化方法計算畜產品虛擬水。

工業虛擬水量從2個角度計算，一是研究區域內生產各規模以上主要工業產品所消耗的水資源量，即工業生產虛擬水；二是研究區域內人類消費活動中對工業產品及其原材料消耗時用掉的水資源量，即消費虛擬水，它又可細分為生活工業品消費用水和總工業原料消費用水。

2 評價指標體系

2.1 評價指標體系構建

對區域水資源承載力進行評價時，應對社會經濟系統、自然水循環系統、生態環境系統三者協調情況進行客觀準確的描述與周全的考慮[8-9]，因此需要構建一個合理的評價指標體系對其進行反映。虛擬水將生產過程、消費品數量與水資源承載力之間建立了關聯，將虛擬水對水資源產生影響的相關因素作為指標，納入水資源承載力評價指標體系，能夠對區域水資源的承載力水平和利用情況進行更加全面的了解和剖析。按照科學性、層次性、整體性、可操作性、可比性、定性定量結合的原則[10]，從社會經濟、自然水循環、生態環境三者組成的復合系統角度出發，探求分析內在聯系，綜合考慮各影響因素與虛擬水發展狀況，構建水資源量、虛擬水、生態環境和社會經濟4個維度的區域水資源承載力評價指標體系[11-12]，通過Delphi法初選、主成分分析法優選得到的評價指標體系如圖1所示，篩選后的體系能夠通過合理性檢驗。

圖1 水資源承載力評價指標體系

2.2 評價標準

根據區域水資源承載力的特點，綜合分析前人研究成果，并通過對研究區域的社會發展程度與水資源承載力本身進行分析，最終確定水資源承載力評價指標體系對應不同等級(可承載、弱可承載、臨界、超載和嚴重超載)的劃分標準(表1)[13-15]。其中，Ⅴ級為可承載狀態，表示研究區域水資源量較為充足，開發潛力大，水資源承載力水平高；Ⅳ級為弱可承載狀態，表示研究區域水資源量基本能夠滿足自然水的循環、社會經濟發展的使用以及生態系統的正常運作，已進行了一定程度上的開發，水資源承載力水平較好，是一種過渡級別，進一步的開發或保護措施都會影響其向著臨近等級變化；Ⅲ級為臨界承載狀態，表示研究區域的水資源處于供需平衡的臨界狀態，其開發水平已趨于飽和，水資源承載力水平一般；Ⅱ級為超載狀態，表示研究區域水資源量較為緊缺，水資源系統被過度開發，處于不穩定狀態，需要及時制定相關政策與方案進行改善；Ⅰ級為嚴重超載狀態，表示研究區域的水資源已面臨十分惡劣的境況，由于過度的開發利用，水資源系統已遭到嚴重破壞。

表1 水資源承載力評價指標等級劃分

3 改進物元可拓模型

物元可拓法是一種廣泛應用于水資源承載力評價領域的多指標決策方法[16-17]。然而傳統物元可拓模型在反映評價等級時只考慮隸屬度向量中的最大分量，忽略了除去最大分量以外的部分，針對這一缺點，選用擇近原則替代，并引入貼近度代替關聯度來反映評價等級；針對其利用常權法確定指標權重難以表現指標數值水平分布發生的變化這一缺陷，利用變權法作為替代。

3.1 待評價物元、經典域、節域的建立

利用物元三元素，即事物名稱N、特征C及量化的數值X來描述研究對象，通過有序一元物元R=(N，C，X)的形式來表現。所研究的事物對象若具有多種特征，則可以稱為n維物元：

(1)

式中：N代表物，用來表示不同系統中的研究對象；C代表特征，用來表示研究對象的特征以及研究對象間的作用關系；X代表實數量值，用來表示研究對象關于特征所具有的數量范圍；Cn表示所研究事物對象N的第n個特征；Xn指所研究事物對象N關于某個特征Cn所表示的實數量值。

用關系元Rj來表示評價體系中某個評價等級Nj(j=1,2,…,m)的取值范圍，即經典域：

(2)

式中：Cj為水資源承載力等級Nj所具有的特征，即相應評價狀況等級的特征；Xj=[aji，bji]表示評價等級Nj關于Cj所劃分的取值范圍，其中[aji，bji](i=1,2,…,n)即為經典域。

用關系元Rp來表示指標特征值取值范圍所構成的矩陣，即節域：

Rp=(Np,C,Xp)=

(3)

式中Xpi=[api，bpi](i=1,2,…,n)為Np關于C的取值范圍，其中Np為評價等級的全體，Xj∈Xp。

3.2 變權法確定評價指標權重

(4)

其中

式中α為均衡參數，反映決策人對指標的均衡要求。

當α>0、α=0、α<0時，模型分別為n維激勵型、常權型、n維懲罰型，常權分量wk(k=1,2，…,n)取相同值以保證賦值客觀。利用各評價指標的實測值與節域區間來表示狀態變權向量，指標權重為

(5)

其中dimax=max(|Xi-aNi|,|bNi-Xi|)

dimin=min(|Xi-aNi|,|bNi-Xi|)

式中：Xi為所研究事物N關于某個特征Ci的實數量值；aNi、bNi分別為特征Ci取值范圍內的最小值、最大值。

表2 2019年粵港澳大灣區9市主要農、畜產品虛擬水總量

3.3 貼近度計算

傳統物元可拓模型通過計算指標與評價對象之間的關聯度反映評價等級，忽略了隸屬度向量中除去最大分量以外的部分，從而使最終評價結果不夠合理周全。張曉平[19]選用擇近原則作為替代方法，提出貼近度的概念，待評價物元對于指標各評價等級的貼近度為

(6)

3.4 等級評價

(7)

得到

(8)

式中j*為待評價物元R的等級變量特征值。

4 實例應用

4.1 研究區概況及數據來源

研究區位于廣東省東、西、北三江下游區域，包括粵港澳大灣區9市，涵蓋東、西、北三江和珠江三角洲諸河共4大水系，河網密布，相互貫通，各支流經虎跳門、磨刀門等八大口門后匯入中國南海。研究區為亞熱帶海洋季風氣候，雨熱同期，年均降雨量為1 600～2 300 mm，4—9月為汛期，夏季高溫多雨，冬季溫暖宜人；水資源總量3 742億m3，承接東、西、北三江過境水量合計2 941億m3。雖然降雨量較為充沛，但在社會發展與經濟建設過程中，累積了大量用水超標問題，使得該區域水資源脆弱性處于較高水平，因此開展粵港澳大灣區9市水資源承載力評價對于指導地區合理高效配置水資源具有重要意義。研究數據來源于《廣東省用水定額》《廣東省統計年鑒》及粵港澳大灣區9地市的《統計年鑒》。研究區地理位置如圖2所示。

圖2 研究區地理位置示意圖

4.2 虛擬水量化計算

4.2.1主要農、畜產品虛擬水計算

選擇消費地生產時所消耗的水資源量作為計算依據量化虛擬水，綜合2019年粵港澳大灣區9市的主要農、畜產品總量和單位農、畜產品虛擬水含量，計算可得農、畜產品虛擬水總含量(表2)。2019年廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶主要農、畜產品虛擬水總量分別為29.085億m3、0.854億m3、12.451億m3、39.860億m3、23.850億m3、3.181億m3、18.292億m3、45.395億m3和63.498億m3。

4.2.2主要工業產品虛擬水計算

由于工業產品種類繁多，數據收集存在一定難度，因此主要分析常見規模以上工業產品，計算中考慮單一產品用水量占規模以上產品用水量的比例和各區域規模以上工業產品用水量占總產品用水量的比重。研究區工業生產虛擬水用量、工業消費虛擬水用量以及凈進口虛擬水量見表3。

表3 2019年粵港澳大灣區9市工業虛擬水總用水量 單位：億m3

分析表3可知，研究區工業消費用水為5 155.97億m3，工業凈進口水量為5 090.17億m3，工業生產虛擬水總量合計約為65.75億m3，其中廣州市和東莞市對工業虛擬水的進口較為依賴。在工業消費用水結構中，工業原料虛擬用水是其主要組成部分，主要是因為研究區在擴大其經濟發展規模的過程中，需要消耗大量的原材料用于工業生產，以帶動第二、三產業經濟的快速發展。生活工業虛擬水對工業消費虛擬水的影響程度受到生產結構的影響。當研究區域人口數量上升，客觀上相應的食物需求量會增加，從而促進食品飲料業的發展，此時以農產品作為工業原材料的消耗量會增大，工業消費虛擬水量增大的同時，生活工業虛擬水在工業消費虛擬水中所占的比例因此上升，此時工業消費虛擬水量與研究區域的人口數量和消費意愿強度呈正相關性。這對當地水資源承載力造成了巨大的壓力，通過對這類水密集型的農業原材料或工業加工品采取進口貿易的手段，增加虛擬水凈進口量，可以緩解當地用水壓力，從而間接提高水資源承載力。

4.2.3水資源承載力的評價結果及分析

應用改進物元可拓模型對2019年粵港澳大灣區9市的區域水資源承載力進行計算評價。根據變權法計算得到各指標權重，C1～C17的權重分別為0.056、0.073、0.091、0.055、0.085、0.067、0.054、0.057、0.044、0.042、0.049、0.064、0.061、0.052、0.048、0.056、0.046。各評價指標的貼近度函數值與等級變量特征值見表4。

表4 等級貼近度和等級變量特征值

各市等級貼近度的最大值對應的評價等級即為各市水資源承載力等級，廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶的水資源承載力等級分別為臨界、超載、弱可承載、臨界、可承載、弱可承載、弱可承載、可承載、可承載。

深圳水資源承載力為Ⅱ級，處于超載狀態，主要是人均水資源占有量過低、水資源開發利用率過高導致的，這與深圳城鎮化水平高、人口密度大有關；佛山和廣州水資源承載力為Ⅲ級臨界承載。這些地區社會人口、經濟發展過快，影響其水資源承載力評價結果的主要指標為人均水資源占有量、水資源開發利用率，相較于水資源量要素指標，虛擬水要素指標對這些地區的水資源承載力影響較弱。未來應在提高水資源利用效率、保護水環境、改善城區水質等方面采取合理的措施，以保證經濟-環境-水資源的可持續協調發展。

東莞水資源承載力為Ⅳ級弱可承載，影響東莞水資源承載力的主要因素為人均水資源占有量、水資源開發利用率，因其人口密度、經濟發展水平低于深圳、廣州等城市，故水資源承載力水平略高；中山水資源承載力為Ⅳ級弱可承載，除受人均水資源占有量、水資源開發利用率影響外，虛擬水土地密度也是降低其水資源承載力的主要原因，這是由于中山工業用水集中于服裝業和造紙業，出口較多，故工業虛擬水流出較多；珠海水資源承載力為Ⅳ級弱可承載，其中人均水資源占有量、水資源開發利用率對珠海水資源承載力影響較大。這些地區目前能夠基本保證區域內人口、經濟、環境、資源的協調發展，水資源開發利用程度中等。

肇慶、惠州、江門水資源承載力為Ⅴ級可承載，其中人工生態環境補水率都處于超載等級，但因該項指標權重較輕，故對水資源承載力影響不大。區域內人口、經濟、環境、資源的協調發展，水資源開發利用程度較小，潛力較大，具有較強的承載能力，能夠較好地滿足社會發展的需求，但工、農業及居民生活用水效率低下，耗水率高，導致水資源未得到充分利用，建議采取科學的技術管理手段，調整經濟結構與產業布局，對水資源配置與利用進行優化，從而提高水資源的利用效率，增強區域水資源承載力的水平。

5 結 論

a.采用改進物元可拓模型構建水資源承載力評價模型，結合虛擬水新概念及其特性，對粵港澳大灣區9市水資源承載力進行了綜合評價。評價結果表明，深圳水資源超載，廣州、佛山為臨界超載，其他地市為弱可承載或可承載。

b.改進物元可拓模型適用于虛擬水影響下水資源承載力評價，粵港澳大灣區9市的應用結果，表明該模型應用于虛擬水影響下水資源承載力評價有較好的推廣價值。

c.深圳、佛山、廣州應加強水資源管理，保護水環境，改善城區水質，嚴格落實最嚴格水資源管理制度，加強用水過程監管；肇慶、惠州、江門應采取科學的技術管理手段，調整經濟結構與產業布局，對水資源配置與利用進行優化。