基于水足跡的北京市水資源開發利用演變特征分析

徐晉軒，楊默遠，潘興瑤，朱永華，歐陽友,4，王 赫,4

(1.北京市水科學技術研究院，北京 100048；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；4.首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048)

北京市是我國政治中心和京津冀“首都經濟圈”的核心，與城市高標準發展需求相比，北京市水資源極度短缺、地下水超采、河道斷流、水生態環境惡化等問題日益嚴重，成為制約社會經濟發展的主要瓶頸[1-4]。為了應對水資源嚴重短缺的局面，北京市不斷優化供用水結構，供水端增加南水北調和再生水兩大水源，本地地表水和地下水得到有效涵養，用水端農業和工業用水量減少超過70%，生活和生態用水得到有效保障[5]。在支撐城市高質量發展的基礎上，水資源開發利用情勢也在持續好轉。

2000年以來，北京市生產端農業和工業用水量減少近20億m3，同期商品消費總量由1 213.2億元增加至11 640.2億元，兩者之間的差距主要通過商品貿易帶來的虛擬水凈輸入來彌補。Allan[6]定義虛擬水是隱含在產品中的水，2003年荷蘭學者Hoekstra將虛擬水理論拓展至生產某一產品所有環節所需水量的總和，認為水足跡是區域內消費的商品與服務耗用的所有水資源量[7]。水足跡包括實體水和虛擬水凈輸入兩部分，可以通過引入水足跡來反映真實、全面的用水情況。陳俊旭等[8]基于2006年的水足跡核算結果對北京市進行了水資源保障研究；程先等[9]研究了縣域尺度下京津冀地區水足跡時空變化規律；王艷陽等[10]基于投入產出表計算了北京市2002年水足跡情況；Zhao等[11]分別從藍、綠、灰水3個方面計算了2012年京津冀地區水足跡；韓宇平等[12]基于通徑分析探究了1958—2016年影響海河流域冬小麥水足跡呈下降趨勢的主要因素；魏怡然等[13]使用投入產出模型對北京市2012年42個部門的虛擬水貿易與消費情況進行了分析。

此外，為了定量分析用水結構的系統演變特征，引入信息熵的概念來分析衡量用水系統的有序度。信息熵理論1948年由Shannon[14]提出，隨后被廣泛用于表征復雜系統結構的演變規律。信息熵理論在用水結構研究中應用較多，賈程程等[15]利用信息熵與平衡度方法定量分析了山東省用水演變規律與均衡度值；甘豐余等[16]利用信息熵原理定量分析了海南省生產用水結構的時空演變規律；易晶晶等[17]基于信息熵研究了廣東省1980—2015年的用水結構時空演變規律。水足跡同樣具有復雜的演變規律，故可引入信息熵對其進行研究。

現有北京市的水足跡研究大多針對某一特定時期，缺乏對水足跡長序列演變過程的系統分析，同時在水足跡核算中未考慮用水效率提升對不同時期用水定額的影響，一定程度上可能高估了水足跡的增長幅度。基于以上問題，本文利用長序列統計年鑒數據，以本地農業和工業用水效率作為修正系數，核算得到了北京市1988—2019年農業、工業、生活和生態4類水足跡的年際變化過程，并利用信息熵方法對比分析了實體水和水足跡用水結構的演變特征，為全面掌握北京市水資源開發利用演變的內在和外在驅動過程，進行實體水與水足跡的水資源協同優化配置提供依據。

1 研究方法及數據來源

1.1 水足跡計算方法

計算區域水足跡時常用自下而上與自上而下兩種方法，前者主要用于計算特定生產部門的產品水足跡，后者主要用于開展生產過程中相關產業部門間的虛擬水關聯分析[18-21]。本文利用自下而上的方式，綜合計算農業、工業、生活、生態用水4類水足跡。區域總水足跡計算公式為

W=Wl+We+Wa+Wi

(1)

式中:W為總水足跡，億m3；Wl、We、Wa、Wi分別為生活水足跡、生態水足跡、農業水足跡、工業水足跡，億m3。其中，生活與生態水足跡主要包括供給公共事業、居民生活用水以及維持生態環境系統正常運作所必需的水資源，二者均為實體水[22]；農業和工業水足跡分別指農業和工業消費品生產加工全過程中所消耗的水資源總量，均由虛擬水凈輸入量與本地實體水量兩部分組成。

1.1.1農業水足跡核算

參考孫才志等[23-24]的研究成果，農業水足跡核算時考慮糧食、蔬菜、油料、豬肉、牛肉、羊肉、蛋類、奶類、干果、鮮果共10類代表性農畜產品種類。利用Penman公式與聯合國糧食及農業組織Cropwat 8.0模型計算各類農作物產品虛擬水定額，計算公式為

Mp=VasSc/Ycs

(2)

其中

Vas=ETc·ΔtKc

式中：Mp為單位農產品虛擬水定額，m3/t；Vas為作物生長期內所需水量，mm；Sc為作物種植面積，m2；Ycs為作物總產量，t；ETc為可能蒸發量，mm/d；Kc為調節系數；Δt為作物生長周期，d。畜產品水足跡主要包括飼料用水、清潔用水、宰殺加工耗水等，單位產品的虛擬水定額計算十分復雜，所需數據量巨大且質量不高[25]。參考以往研究，引用Hoekstra等[26-29]研究中有關中國地區的數據和方法得到各類畜產品的虛擬水定額。

現有研究在核算農業水足跡時，通常僅考慮單位農畜產品的虛擬水定額，而未考慮農畜業節水技術逐年推廣應用對農業用水效率提升的影響，在一定程度上高估了近年來的農業水足跡[30-32]。因此，本文考慮到農業用水效率(即本地農業實際用水量Var與生產所需虛擬水Vav的比值)對農業水足跡的修正，得到以下公式：

W′a=(Var/Vav)Wa

(3)

式中W′a為修正后的農業水足跡，億m3。

1.1.2工業水足跡核算

工業產品種類繁雜、生產原料用水統計困難、生產工藝差異較大，導致難以準確核算工業產品的水足跡。因此，現有研究在核算工業水足跡時大多僅考慮本地工業實體水部分，未考慮工業產品貿易帶來的工業虛擬水凈輸入[33]。本文嘗試從工業產品消費額入手，結合年度萬元工業增加值水耗核算消費端全口徑的工業水足跡[34-35]。

1.2 基于信息熵的系統結構分析方法

參考相關研究[36-38]，本文引入信息熵定量分析實體水和水足跡用水結構的演變規律。計算公式為

(4)

式中：H為信息熵；n為用水類型總數；pi為第i種用水類型的用水量占用水總量的比例。信息熵越大，表明單一用水類型的優勢性越弱，用水結構越均衡。以相鄰階段的熵增量ΔH來判斷系統的演變趨勢與均衡程度，當ΔH>0時，系統演化為熵增過程，系統結構的復雜性增強，由非平衡態向平衡態發展，反之為熵減過程。

1.3 數據來源

本文收集整理了1988—2019年的水資源開發利用和社會經濟發展相關數據資料，主要包括4類：①北京市年度水資源可利用量與農業、工業、生活、生態用水量，來源于《北京市水資源公報》；②農業虛擬水計算中本地農畜產品消費量、生產量，來源于《北京統計年鑒》《北京區域統計年鑒》以及北京市宏觀經濟與社會發展基礎數據庫；③Penman公式與Cropwat 8.0模型計算所需參數根據聯合國糧食與農業組織推薦的北京地區參數計算，并與現有相關成果進行對比修訂；④工業虛擬水計算中社會消費額以及萬元工業增加值水耗，來源于《北京統計年鑒》《北京市水務統計年鑒》。

2 結果與分析

2.1 實體水開發利用演變特征

2.1.1總體演變規律

1988年以來，北京市水資源可利用量在20億～60億m3范圍內周期波動，1990年左右達到最高值59.34億m3，2002年減少至歷史最低值16.42億m3。2010年左右，水資源可利用量逐步恢復至35億m3，2015年南水北調工程調水進京后，年均水資源可利用量增加約10億m3，接近歷史最高水平。同水資源可利用量的波動變化相比，用水總量的年際變化不顯著，維持在40億m3左右。

總體而言，北京市水資源開發利用情勢得到不斷優化，大致可以分為1988—2002年、2003—2014年和2015—2019年3個階段，水資源可利用量與實際開發量逐步趨于平衡(圖1)。第一階段年均水資源過度開發量達9.55億m3，地表水資源過度開發累計 65.13億m3，北京市重要地表水源地密云水庫的蓄水量由32.59億m3減少到9.72億m3，地下水資源過度開發累計76.34億m3，地下水埋深由11.39 m下降至17.32 m。第二階段年均水資源過度開發量減少至6.15億m3，地表水資源基本收支平衡，地下水資源仍持續過度開發，地下水埋深進一步下降至25.66 m。第三階段南水北調工程調水進京后，北京市水資源開發利用情勢極大好轉，年均水資源結余7.94億m3，密云水庫蓄水量和地下水埋深分別恢復至25.72億m3和22.71 m，地表水、地下水資源得到有效涵養。

圖1 1988—2019年北京市本地實體水資源開發利用情勢

2.1.2用水結構演變規律

1988年以來北京市實體水的用水結構變化如圖2所示，總體呈“兩減兩增”的變化規律。農業和工業用水量快速下降，分別由21.99億m3和14.04億m3減少至3.70億m3和3.30億m3，在實體水中的占比分別由51.83%和33.09%降低至8.87%和7.91%；生活和生態用水量增加顯著，分別上升至18.70億m3和16.00億m3。

圖2 北京市用水結構年際變化

“兩減”充分說明了北京市產業不斷向低耗水、高產值的方向發展。近年來北京逐步優化產業結構，疏解高耗水、低附加值產業，第一和第二產業占GDP的比例分別由1988年的9.04%和53.95%降低至2019年的0.32%和16.16%，農業和工業用水量分別以0.57億m3/a和0.34億m3/a的速度逐年遞減。生活用水量的增加一方面由于常住人口的增加(由1988年1 061萬人增加到2019年 2 153.6萬人)，另一方面由于第三產業規模的快速增長(占GDP比例由1988年的37.01%增加到2019年的83.52%)。與此同時，人均生活用水量得到有效控制，與1988年相比較僅增加26.51 m3。在用水總量基本穩定的前提下，農業和工業壓減的水量一方面支撐生活用水的適度增長，另一方面被用于補充生態環境用水。得益于再生水規模的逐年增長以及南水北調工程調水進京對供水水源的擴充，生態環境用水量由1999年的1.29億m3快速增加至2019年的16.00億m3，遠超過農業和工業用水量之和，成為北京第二大用水類型。

3個階段的用水結構統計結果如表1所示。第一階段用水結構以農業用水為主(占比46.37%)；第二階段突出對生活用水的保障(占比由第一階段的24.46%提升至41.24%)；第三階段則加強對生態環境用水的投入(占比由第二階段的10.17%提升至31.99%)。總體而言，1988年以來北京市用水結構基本完成了從初級階段向高級階段的發展，即從農業用水占比高向各環節趨于合理的方向發展[39]，同時不同用水類型的變化趨勢逐步穩定。

表1 北京市用水結構統計結果

1988年以來實體水系統信息熵如圖3和表1所示，第一和第二階段信息熵由1988年的0.99 nat快速增加至2013年的1.28 nat，增加速率為0.01 nat/a，直觀反映了由于生活用水和生態用水占比增加引起的用水結構向平衡態的發展。第三階段信息熵快速減少至2019年的1.14 nat，下降速率為0.27 nat/a，反映了農業和工業所削減的水資源被進一步用于補充生態環境用水的過程，生活和生態用水已成為占有絕對優勢的用水類型(兩者占比之和超過75%)。總體而言，第一階段的用水結構中農業用水占比較大，生態用水占比極小，不同用水類型間差異較大；隨著用水結構“兩增兩減”的逐步發展，不同用水類型差異逐漸降低；第三階段北京市生活與生態用水總量不斷上升，農業、工業用水占比被進一步壓縮，用水結構的發展逐漸兩極分化。目前以生活和生態用水為主導的用水格局是對北京市以第三產業發展為主導、水生態環境提升需求日益突出的響應。

圖3 北京市實體水系統信息熵年際變化

2.2 水足跡演變特征

2.2.1整體演變規律

在系統分析北京市本地實體水開發利用演變特征的基礎上，核算農業、工業、生活和生態水足跡，從消費端出發，全面掌握水足跡系統結構演變過程。1988年以來，北京市實體水利用量穩定在40億m3左右，而水足跡整體變化較為明顯(圖4)；第一階段在30億～40億 m3的范圍內波動變化；第二、三階段由38.43億m3快速增加至63.30億m3，增幅高達1.46億m3/a。

圖4 北京市水足跡與信息熵年際變化

水足跡系統信息熵整體呈現快速上升后趨于穩定的變化趨勢(圖4)，由1988年的1.03 nat增加至2015年的1.36 nat，增加速率為0.01 nat/a(與實體水系統信息熵增加速率基本一致)，隨后信息熵趨于穩定，說明水足跡系統用水結構逐漸趨于均衡，且目前已基本穩定。水足跡系統在考慮實體水的基礎上將虛擬水引入其演變過程，信息熵值整體高于實體水系統，且在第三階段表現出與實體水系統信息熵(圖3)相反的演變趨勢，說明采用水足跡的方法能夠全面反映消費端的用水結構變化規律。

2.2.2用水結構演變規律

從消費端核算的水足跡用水結構變化過程如圖5所示，較實體水而言，水足跡用水結構變化整體更加平穩，農業和工業水足跡分別在11億～17億m3和9億～14億m3的范圍內波動，農業和工業虛擬水凈輸入的增加填補了本地實體水快速減少產生的水資源缺口。生活和生態水足跡持續增長，占比分別由第一階段的27.21%和1.82%提升至第三階段的33.62%和23.26%(表2)。

圖5 北京市各用水類型水足跡年際變化

表2 北京市各用水類型水足跡平均占比

現有農業水足跡核算研究表明[40-42]，北京市農業水足跡高達百億m3量級，近年來仍居高不下。由于上述研究采用的單位農產品虛擬水定額為固定值，未考慮農業節水技術的發展和推廣應用對單位產品虛擬水定額的影響。通過年鑒數據統計分析可得，北京市農產品產量由1988年的586.96萬t減少到2019年的228.60萬t，同期農業用水量由19.46億m3減少至3.69億m3，單位產量農產品的綜合用水量降低了51.4%，農業節水效果顯著(圖6)，2019年北京農田灌溉水有效利用系數為0.747，處于全國前列。故在計算農產品虛擬水時，需要引入式(3)中的修正系數以得到更加合理的農業水足跡核算成果。

圖6 北京市農產品產量與農業用水量年際變化

與農業水足跡的變化規律類似，1998年以來，北京市不斷進行產業結構調整，高耗水產業逐步向高產低耗的工業轉型。萬元工業增加值水耗由1988年的634.33 m3減少至2019年的7.78 m3，總體降低98.8%，同期工業消費額由150.9億元上升至11 640.2億元。故在滿足工業消費需求快速增加的同時，北京市工業水足跡基本穩定(圖7)。

圖7 北京市工業消費額與萬元工業增加值水耗年際變化

農業和工業水足跡可以進一步分為實體水供給和虛擬水凈輸入兩部分，由圖8可以看出，北京市農業和工業實體水使用量不斷下降，虛擬水由凈輸出轉變為凈輸入狀態。隨著北京市產業結構逐漸由第一、第二產業向第三產業轉移，農業和工業貿易由生產型向消費型轉變，第一階段虛擬水年均凈輸出6.60億m3，第二階段年均凈輸入5.33億m3,而第三階段虛擬水年均凈輸入進一步增加至14.79 億m3(表3)。虛擬水的凈輸入拓展了北京市消費端的水資源供給，極大緩解了城市用水緊張局面，但北京市對虛擬水凈輸入的依賴程度在逐年增加，農業、工業虛擬水使用量在農業和工業水足跡中的占比分別增至64.3%和61.2%。

圖8 北京市農業、工業虛擬水凈輸入量

表3 北京市農業、工業虛擬水與實體水的使用量

2.3 水資源環境效應評價

為了定量評估虛擬水不斷增長的水資源環境效應，參考水資源系統評價研究的相關方法[43-45]，引入水資源壓力指數(水足跡與水資源可利用量的比值)，對北京市水資源環境效應進行評價，水資源壓力指數大于1.0時，水資源系統處于超載狀態(圖9)。

圖9 水資源壓力指數變化情況

由圖9可見，北京市水資源系統常年處于超載狀態。1988—1998年水資源壓力指數在1.0附近波動，水資源系統處于超載的臨界狀態；1999—2003年水資源壓力指數均值為2.0，處于嚴重超載狀態；2004—2019年水資源壓力指數在1.2附近波動，水資源系統的超載程度得到一定緩解。雖然2004—2019年北京市通過南水北調、再生水大規模利用等舉措顯著拓展了水資源可利用量，有效緩解了水資源系統嚴重超載的態勢，但由于水足跡的逐年增長(圖4)，水資源壓力指數仍將處于波動上升趨勢。故北京市在引入虛擬水緩解本地用水壓力的同時，需考慮水資源系統的生態安全與發展的可持續性，推動水資源系統與經濟社會相匹配，得到良性發展。另一方面，北京市通過不斷引入虛擬水以滿足本地生產、消費各環節的水資源消耗，從而置換出部分本地實體水資源，并用于河湖補水、水生態恢復、地下水回補等，促進了城市生態環境可持續發展，獲得了顯著的資源生態環境效益。

2.4 討 論

與其他城市不同，北京市面臨的水資源壓力尤為明顯，隨著水足跡逐年上升，如今“緊平衡”的水資源情勢即將被打破。隨著產業結構升級和節水技術水平的提升，2000年以來北京市的用水總量得到有效控制，用水結構持續優化，水資源開發利用狀況持續好轉。但由于北京市的第一、第二產業持續向第三產業轉移，導致本地農業、工業產品生產量銳減與消費端需求量持續增長的矛盾加劇，北京市對虛擬水輸入的依賴程度顯著增加[46]。在本地實體水開發利用總量得到有效控制的基礎上，水足跡的持續增長支撐了北京市的產業結構升級與社會經濟的快速發展，但需重視水資源系統壓力超載問題。因此，在北京市水資源相關研究中，不僅應考慮實體水的開發利用與優化配置，還需重點關注虛擬水輸入對本地水置換、用水結構優化和社會經濟發展支撐的作用以及過度依賴虛擬水可能引起的風險，以水足跡為對象開展全口徑系統化研究。

另外，在虛擬水核算中，產品種類選擇、虛擬水定額核定以及生產量、消費量與貿易量確定等環節都涉及較為復雜的數據資料收集與計算方法選取等問題，主觀判斷對虛擬水核算結果影響較大。以孫艷芝等[41]和王麗川等[42]的計算結果為例，2012年水足跡核算結果分別為352.6億m3和116.49億m3，計算結果差異比較明顯。此外，現有基于固定用水定額的虛擬水核算方法不能反映用水效率提升的影響，可能導致對虛擬水的高估。因此，有必要基于各行業統計年鑒及投入產出表等權威數據，綜合國內外虛擬水定額確定方法，考慮各類產品生產中的用水效率變化情況，探索出一套標準化的虛擬水核算方法，為北京市水足跡研究提供更準確的基礎數據支撐。

3 結 論

a.北京市實體水開發利用情勢不斷優化，大致可劃分為1988—2002年、2003—2014年和2015—2019年3個階段，由水資源年均過度開發9.55億m3演變至年均結余7.94億m3。用水總量穩定在40億m3左右，用水結構總體呈“兩減兩增”的變化規律，形成了生活用水保障為主、生態用水需求提升為輔的用水格局，第三階段生活和生態用水占比達到77.93%。

b.北京市水足跡第一階段穩定在35億m3左右，第二、第三階段分別快速增加至51.04億m3、63.30億m3。在農業和工業實體水快速減少的背景下，虛擬水凈輸入的增加拓展了北京市消費端的水資源供給，極大緩解了用水緊張局面，但北京市對虛擬水凈輸入的依賴程度逐年增加。第三階段的農業、工業虛擬水在農業、工業水足跡中的占比分別增至64.3%與61.2%，特別是2019年農業虛擬水占比高達81.1%，農產品消費嚴重依賴外部輸入。水資源壓力指數高且仍有上升趨勢，水資源系統常年處于嚴重超載狀態。

c.實體水和水足跡系統信息熵在第一和第二階段同步增加，分別從0.99 nat和1.03 nat增至1.28 nat和1.34 nat，說明用水結構逐漸趨于均衡，隨后實體水系統信息熵在第三階段快速下降至1.14 nat，生活和生態用水成為占絕對優勢的用水類型，而水足跡系統信息熵在第三階段保持穩定，水足跡的用水結構較為均衡。