虚拟水理论与北京地区用水结构分析(崔亚楠)

摘要：应用虚拟水理论, 对北京市2002年主要农产品和动物产品的虚拟水含量进行了计算和分析, 结果表明:这些产品中所包含的虚拟水总全相当可观, 几乎是当年实体水用水的2倍。而且, 虚拟水是可以通过贸易进行流通, 说明北京地区可以通过购买水密集型产品来替代自己生产, 从而缓解水资源短缺的压力。另外, 提出实施虚拟水战略不仅需要考虑地区的经济实力, 还应该考虑地区的城市化水平和生态平衡, 前面两者为北京市以虚拟水为背景实施用水结构调整提供了空间, 后者则限制了这一空间的过分扩张。

关键词：虚拟水 用水结构 北京地区

北京是一座水资源严重短缺的城市, 年均可利用水资源量41.3亿m3,其中地下水可开采量26.3亿m3,地表水资源量15亿m3。全市人均占有水资源量不足300m3,仅为全国的1/8、世界的1/30,按国际标准认定的人均水资源量3000m3为缺水上限、1000m3为缺水下限, 北京的缺水程度极为严重。

北京地区水资源短缺的原因主要有以下几个方面;①尽管北京年平均降雨量约600mm, 为华北地区降雨最多的地区之一, 但是北京毕竟是半湿润地区, 相对湿润地区, 降雨量并不丰富。尤其是近5年出现持续干旱, 年平均降雨量仅425mm,水资源总量仅为16.6亿m3。②主要水源地官厅水库、密云水库来水量逐年减少, 以密云水库为例,20世纪60年代和70年代年平均来水量超过12亿m3,1980-1998年平均来水量为7亿m3,1999-2003年年均来水量则只有1.69亿m3, 占密云水库常年供水量4.6亿m3的36.7%;2004年,为了缓解北京市水资源危机, 白河堡水库先后次共计向密云水库输水约近1亿m3。③除了资源性缺水, 水质性缺水不仅造成水资源短缺, 更威胁到北京市的用水安全;官厅水库受上游大量工业和生活污水排放的影响, 水库水质不符合国家规定的饮用水水质要求,1997年被迫退出首都的重要城市生活水源地的地位。现在, 官厅水库的水质改善已经成为一个重大的研究课题。④北京经济和社会的快速发展, 带来了用水量的急剧增长。据专家分析, 2010年北京市按50%、75%、95%的不同保证率, 全市缺水量分别为12亿m3、16.4亿m3、20亿m3。

以上提到的水资源, 都是看得见的、实实在在存在于自然界中的水。水资源的开发利用必须以可持续发展为前提, 才能保证经济社会的健康发展。在经济社会发展的过程中, 其实还“嵌入”了另外一种水资源, 这就是近年来提出的“虚拟水”。

1 虚拟水理论

1.1 虚拟水的基本概念

虚拟水是指生产商品和服务所需要的水资源数量。虚拟水不是真实意义上的水, 而是以“虚拟”的形式包括在产品中“看不见”的水。虚拟水通过计算全球不同地区之间的水资源贸易, 为全球水资源系统提供了一个远程联结的纽带;虚拟水贸易同时也解释了人与自然耦合系统的相互作用和影响。如果一个地区向另一个地区出口一种水密集型产品, 那么实际上是以虚拟的方式出口水资源。中国的南水北调工程, 显然是以实体水的方式解决我国水资源南北分布不均的问题, 缓解华北水资源的紧缺。但是, 这样一个跨世纪的伟大工程经过了众多专家学者的多年论证,也只有在我们国家的宏观调控与统一部署下才能顺利实施。然而, 由于距离遥远和与之相关的成本问题, 在富水国家与贫水国家之间开展实体水贸易几乎是不可能的, 而通过产品进口和出口进行虚拟水贸易却是切实可行的。

虚拟水的定量定义通常有2种思路, 一种是从生产者的角度来定义, 虚拟水含量是指实际用于生产产品的水量(体积),它与生产条件密切相关, 包括生产的地区和时间以及水资源利用效率;另一种则是从消费者的角度来定义,虚拟水含量是产品进口地区生产该产品所需要的水量,它实际上涉及到这样一个问题, 即:如果我们进口一种产品而不是亲自生产它, 我们可以节约多少水?第2种定义还引发出另外一个问题:例如由于气候条件等因素, 进口产品的地区并不能生产这种产品, 那么该产品的虚拟水如何计算呢?在这种情形下,Renault建议采用一种合适的替代品的虚拟水含量来计算。

1.2 虚拟水的定量计算方法

由于工业产品的生产流程比较复杂, 虚拟水含量难于计算。因此, 虚拟水的定量计算研究主要涉及到2个方面,即农作物产品和动物产品的虚拟水计算。

1.2.1 农作物产品的虚拟水计算

农作物产品虚拟水计算的核心是参考作物蒸散发的计算和作物系数的确定。在相同的气候和土壤湿度条件下,不同农作物的蒸腾速率是不一样的。紫花首蓓和短草曾经被指定为参考作物, 以短草为例, 指定基于短草的参考作物蒸散发为Eto,那么,作物系数定义为:

kc=Et/Eto

式中:kc——特定作物在特定生长阶段的无量纲作物系数;

Et——该作物在相应生长阶段的蒸散发。

该作物在一个生长季中的作物需水CWR即为各个生长阶段蒸散发的总和。参考作物蒸散发Eto一般采用联合国粮农组织(FAO)推荐的修正标准Penman公式计算。

单位质量农作物产品的虚拟水含量VWCc由下式计算:

VWCc=CWR/CY

式中:CWR——作物需水量(m3/hm2);

CY——作物产量(t/hm2)。

当然, 农作物虚拟水计算还涉及到加工产品和副产品的虚拟水计算。

1.2.2 活动物及动物产品的虚拟水计算

活动物的虚拟水含量包括3个方面:用于种植和加工饲料的水量、饮用水量和清洁饲舍用水量。但是, 在产品贸易中, 涉及到的主要是动物产品(肉、奶、皮革等)的虚拟水含量。因此, 必须将活动物的虚拟水含量分配到各种动物产品中。动物产品则可以划分为不同的级别:直接从活动物获得的产品称为初级动物产品:如牛奶、牛屠宰后的畜体和皮;初级产品可以被加工成二级成品, 如干酪和黄油等。可见, 动物产品比农作物产品的虚拟水含量计算复杂。Chapagain和Hoekstra利用1995-1999年的数据, 对世界上100多个国家的128种动物或动物产品的单位质量虚拟水含量进行了计算,这些数据已经成为人们计算动物或动物产品虚拟水的依据。

2 北京市2002年虚拟水估算

本文的虚拟水估算采用第一种定量计算方式, 也就是根据北京市2002年的主要农产品产量和动物产品产量来计算虚拟水。单位质量动物产品的虚拟水含量仍然采用Chapagain等对中国部分的计算成果,考虑的动物产品则包括以下6种:猪肉、牛肉、羊肉、牛奶、鲜蛋和淡水鱼。

农产品的虚拟水含量计算虽然比动物产品简单, 但是本身需要考虑的气象数据也较多, 如净辐射、平均气温、风速、水气压等等, 而且需要考虑作物的生长阶段以及不同阶段的时间长度, 即使是同一种作物, 在不同地区的作物系数也应该是有差异的。因此, 本文通过2种途径来计算农作物的虚拟水含量。北京市的主要农作物产品有9种:冬小麦、夏玉米、稻谷、大豆、棉花、蔬菜、瓜类、薯类和花生。对于前面5种农产品, 可以根据中国科学院奕城、禹城综合试验站的农田实验数据推算农作物的单位质量虚拟水含量;对于后面4种产品, 由于缺乏实验数据, 采用Hoekstra等人有关中国部分的研究成果。

2002年北京市农产品和动物产品产量数据来源于北京市统计年鉴和中国统计年鉴中有关北京的统计数据。主要农产品和动物产品的虚拟水估算如表1所示。从表1可以看出, 2002年北京市主要农产品和动物产品的虚拟水总量为70.32亿m3,其中种动物产品总产量为120.29万t,虚拟水总含量为51.58亿m3,单位动物产品的虚拟水含量平均值为4288m3/t;9种农产品的总产量为674.01万t, 虚拟水总含量为18.75亿m3, 单位农产品的虚拟水含最平均值为278m3/t。单位动物产品虚拟水含量约为单位农产品虚拟水含量的15倍。

3 北京市虚拟水与用水结构分析

2002年北京市实体水用水量数据如表2所示。

2002年北京市人均用水量约为243m3,由农产品和动物产品计算得出的人均虚拟水约为494m3,人均虚拟水差不多是人均用水量的2倍。农产品虚拟水含量大于农业用水量,一方面是因为单位质量农产品虚拟水含量并非全部采用本地资料进行计算, 蔬菜、瓜类、薯类和花生采用的是Hoekstra等人有关中国部分的研究成果;另一方面, 农产品虚拟水含量中包含2部分:降水和灌概水, 而用水中并不包含农作物直接利用的降水资源。动物产品的虚拟水总量很大,当然也与采用数据的精确性有关;另一方面动物产品的虚拟水包含了多种来源, 而且动物产品具有储水功能, 可能包含了多年的累积消耗水量。

本文只计算了农产品和动物产品的虚拟水, 并没有计算工业产品的虚拟水。但是仅仅从这2个方面的计算结果来看, 生产和加工这些产品消耗了大量的水资源。从虚拟水及用水2个方面都可以看出,农业用水超过15亿m3,而2002年北京市的水资源总量仅为16.11亿m3,也就是说刚好满足农业用水的需求。2002年北京市工业和生活用水总量为19.17亿m3,也超过了水资源总量。

从表1得知蔬菜的虚拟水总量达11.46亿m3,占农产品虚拟水总量的61%。在北京这样一个缺水地区, 由于农业节水等措施的采用,蔬菜的单位质量虚拟水含量应该低于全国平均水平, 所以计算结果可能偏大。在9种农产品中,尽管蔬菜的单位质量虚拟水含量很低,但是单产很高(小麦的8.7倍),单位面积需水量接近1000mm,是9种农产品中需水量最大的。蔬菜作为一种日常生活食品,其需求量巨大是造成种植面积大的原因, 但是, 如果适当压缩蔬菜的种植面积, 利用北京市的经济优势, 更多地依靠从临近地区进口蔬菜, 可以部分减少水资源的消耗。

在虚拟水战略中, 对于缺水地区, 理想的产业结构应该是让有限的水资源用于耗水量小且产品附加值高的行业。但是, 以虚拟水为背景实施这种产业结构调整需要考虑多方面的因素。

(1)必须考虑地区的经济实力。我国西北地区也是水资源紧缺地区, 但是经济实力一般低于全国平均水平, 因此采用虚拟水战略的潜力较小, 但是北京市属于经济发达地区, 实施虚拟水战略的潜力应该很大。

(2)实施虚拟水战略还必须考虑地区的城市化发展水平。因为低附加值行业一般是农业, 如果城市化水平不高,农村人口众多, 考虑到就业压力及人民生活等问题, 压缩农业的可能性也不大, 只能依靠提高水资源利用效率节约水资源。2002年北京市农业人口为329.4万人, 约占总人口的23%,城市化水平在全国属于前列, 也为实施虚拟水战略提供了保证。

(3)实施虚拟水战略还应该考虑到生态平衡。如果一个地区过分抑制农业发展, 缺少农田或草地、森林生态系统, 会造成该地区的生态环境严重失衡。对于特定的时空范围, 必须维持生态系统与自然环境的正常功能。换言之,人与自然的和谐发展必须维持一定生态系统的存在, 只有在“三生(生活、生产、生态)”共享水资源的前提下, 才能维持区域的可持续发展。

因此, 从生态平衡的角度来看, 北京市的产业结构调整并不能完全依靠限制第一产业发展。对于第一产业, 可以适当压缩, 但是更应该从提高水资源利用效率的角度, 也就是实施节水灌溉的角度来减少农业用水。另外, 北京市可以利用其作为全国政治和文化中心的优势, 积极发展“知识经济”,特别是高新技术产业, 限制发展耗水量大的工业。

4 结语

虚拟水理论为水资源的可持续开发与利用提供了一个新的视角。虚拟水战略将水资源系统与社会经济系统联系在一起, 对区域水资源的互补和水资源平衡具有现实的指导意义。尽管虚拟水的计算不是非常精确, 但是本文对北京市2002年主要农产品和动物产品的虚拟水计算表明:产品中所包含的虚拟水总量是相当可观的, 而且这部分水是可以通过贸易进行流通, 也说明了贫水地区可以通过购买水密集型产品来替代自己生产, 从而缓解水资源短缺的压力。本文提出实施虚拟水战略不仅需要考虑地区的经济实力, 还应该考虑地区的城市化水平和生态平衡, 前面两者为北京市以虚拟水为背景实施用水结构调整提供了空间,后者则限制了这一空间的过分扩张。

参考文献

1 颜昌远.水惠京华——北京水利五十年[Z].中国水利水电出版社.

2 程国栋.虚拟水——中国水资源安全战略的新思路[J].中国科学院院刊,2003(4):260-265.

3 Hoekstra A.Y.Virtual water:An introduction.In:Hoekstra A.Y.(ed.)Virtral Water Trade:Proceedings of the international expert meeting on virtual water trade.Value of Water Research Report Series No.12.IHE DELFT,2003,13-23.

作者简介：崔亚楠（1978-）, 女, 助理工程师。

来源：《北京水利》2005年第4期