虚拟水理论（通用7篇）
虚拟水理论 篇1
摘要：本文从“虚拟水”的角度对三江平原地区单位农产品和畜产品包含的虚拟水含量进行了分析。在阐述“虚拟水”的概念内涵的基础上,对虚拟水量的计算流程、单位农产品虚拟水含量的计算方法进行了分析。通过比较三江平原和我国平均农作物虚拟水含量,找出三江平原单位农产品虚拟水含量较平均值低的原因,指出三江平原发展“虚拟水经济”的优势,最后提出了在虚拟水研究中存在的不足和我国粮食安全问题。
关键词：虚拟水,三江平原,农畜产品,粮食安全
水资源是构成自然生态环境的基本要素之一,也是人类生存和发展不可缺少的重要物质基础。随着经济社会的不断发展和人口的快速增长,生活、生产和生态的用水量必然会持续增加,水资源的供需矛盾将更加突出。所以,水资源短缺是中国21世纪可持续发展面临的最主要问题之一,解决区域性水资源短缺问题必须要有新思路、新举措[1]。“虚拟水”理论是上世纪90年代中提出的新概念,理论虽不成熟,但拥有巨大的发展潜力。
1 虚拟水理论和计算方法
1.1 虚拟水理论及内涵
“虚拟水”理论是由英国伦敦大学非洲和东亚研究学院的托尼·艾伦[2]教授于1993年首次创造性提出的新概念,现已成国际上与水资源相关专家谈论的热门话题。“虚拟水”是指生产商品(尤其是商品粮)和服务所需的水资源数量[3,4],如生产1kg粮食大约需要1t水资源,生产1kg奶酪和牛肉分别需要大约5t的水资源,这就是在产品背后看不见的水,它以这种形式蕴涵在各种产品当中。虚拟水的理论结合了农业科学和经济学的思想,强调了水是农业生产乃至整个经济社会发展的关键因素。
虚拟水具有非真实性的特点,所以又叫“嵌入水”和“外来水”,“嵌入水”是指特定的产品以不同的形式包含有一定数量的水,如:生产1t小麦需要耗费1000t的水资源,1t玉米需要耗费接近1200t的水资源,1t稻谷需要耗费2000t的水资源[5]等;“外来水”是指进口虚拟水的国家或地区通过贸易的方式使用了非本国或非本地区的水资源这一事实。鉴于“外来水”的特点而言,虚拟水具有社会交易性,可以通过商品交换来实现,而且它强调的是整个社会的商品交换,而不是个人的。由于虚拟水以无形的形式存在于其它商品中,相对于实体的水资源而言它具有方便运输的优点,在重新分配水资源中起到了重要作用,也起到了缓解缺水地区发展经济面临的水压力问题。
1.2 虚拟水的计算方法
目前计算虚拟水含量主要有两种方法:一种是由Chapagain提出的研究不同产品生产树的方法[6],另一种是由Zimmer等提出的基于对不同产品类型的区分的计算方法[7]。农作物产品生产需要的水资源主要取决于农作物的类型、生长区域的自然地理条件、灌溉条件和管理方式等。假设农作物本身所包含的水分可以忽略不计,因此作物需水即是作物在生长发育期间的累积蒸发蒸腾总量。影响作物需水量的主要因素包括气象因素,如:降水、气温、水气压、日照、风速和作物类型、土壤条件及种植时间等,其计算公式为:
式中:ETC为累积蒸发蒸腾总量;ET0是参考作物蒸发蒸腾水量;KC是作物系数,反映实际作物与参考作物表面植被覆盖与空气动力学阻力以及生理与物理特征的差异。在计算时不考虑作物的种类和管理措施等影响因素,把其看作是一种理想的作物,ETC可根据粮农组织(FAO)推荐并修正的标准彭曼公式计算[8,9]。其计算公式如下:
式中:Rn为作物表面的净辐射量(MJ/m2);G为土壤热流量(MJ/m2);T为平均气温(℃);V2为离地面2m高处的风速(m/s);Pa为实际蒸气压力(k Pa);Pa-Pd为蒸气压力差异(k Pa);Δ为蒸气压力曲线斜率(k Pa/℃);γ为干湿度常量(k Pa/℃)。在得到作物的需水量后,就可以计算单位作物所含的虚拟水量了,计算公式如下:Dn,c=Wn,c/Yn,c
式中,Dn,c表示n区域c作物的虚拟水含量(m3/t),Wn,c为n区域c作物的需水量(m3/hm2),Yn,c为n区域c作物的产量(t/hm2)。农作物虚拟水计算流程图如图1所示:
2 实例分析
三江平原水资源非常丰富,具有实施“虚拟水”贸易的巨大潜力。在水资源相对丰富的地区实施虚拟水贸易,可大大提高地区间水资源的有效利用率,缓解干旱地区水资源的短缺,达到保障干旱地区水安全、粮食安全、经济发展,减少水资源负担的目的,从而有利生态环境安全,减少水纠纷,增强国家安全。
2.1 三江平原实施虚拟水贸易的优势
三江平原属于温带湿润半湿润季风气候,光照充足,温度四季变化显著,降水集中于夏秋,在作物生长期内,光、热、水分状况适于种植小麦、大豆和水稻,生产潜力大。总面积1.08万km2,耕地近351万hm2。由于地势平坦,耕地连片,适宜机械化、集约化农业生产。
三江平原水资源丰沛,当地降水和过境水资源都很充足。年平均降水556mm,相当600亿m3水资源,有约27850亿m3过境水(主要来自黑龙江、松花江和乌苏里江),由于过境水资源具有流域共偿性,仅按10%计,即有2785亿m3水资源,为此二者合计约3385亿m3。再近80%用于农业用水,即为2708亿m3。由于本地区多为井灌,几乎没有多大损失(灌水渗漏部分仍可回归地下水,再作水资源用)。一般大田作物年农业需水(包括非生育期耗水),仅420mm(4200 m3/hm2),水稻640mm(6400m3/hm2),若全部耕地按种水稻计算,那么2708亿m3水可种水稻4100万hm2,即全部土地面积种水稻还绰绰有余。
三江平原土壤肥沃,有效积温2333-2724℃,有效生育期大于110d,适宜各种作物生长。如种水稻,若光能利用率按1%计,单产可达12000kg/hm2。
2.2 三江平原单位农产品虚拟水含量分析
单位农业产品虚拟水含量与产品生产过程中的许多因素有关,如:产品的产地、气候条件、生产方法和用水效率,以及中间产品用水量的计算方法等。通过比较三江平原和Hoeksrta[10]和Chapagain[11]等人对中国的单位农产品和畜产品包含的虚拟水含量中可看出三江平原在虚拟水贸易方面的优势,农产品虚拟水含量见表1,畜产品虚拟水含量见表2。
由以上单位农产品虚拟水含量对比可看出麦类、水稻、玉米、马铃薯、大豆五种作物虚拟水含量均低于我国平均水平,也就是说在三江平原种植这些作物比在其它干旱地区种植会节省大量的水资源。尤其是水稻,节水效果更为明显,可节水一半左右。如果在干旱地区种植水稻,不但要考虑到由于气温引起的蒸发、蒸腾量加大,还要考虑由于远距离引水产生的渗漏等问题,所以其水有效利用系数不足0.5,生产水稻需水1.3t/kg以上,是三江平原的2倍多。在三江平原由于多数大田为井灌,就不存在这种问题。三江平原生产1t水稻仅消耗水资源680t,而把这1t水稻卖到干早地区,就可以为干旱地区减少消耗1300t以上水资源。三江平原可以利用丰富的水资源种植高耗水粮食、牧草和农副产品出口,这样可提高区域水资源的有效利用率。
由表中的数据可看出在单位畜产品虚拟水含量中,三江平原虽不占绝对优势,但在牛羊肉的生产中也会节省大量的水资源。这是由于三江平原丰沛的降水和温暖的气候适宜牧草的大量生长,产量的提高使单位数量的牧草虚拟水含量降低,直接导致以牧草为饲料的牛养肉的虚拟水含量的降低。在三江平原大力发展畜牧业,可保证我国干旱、半干旱地区的畜奶产品供应和牧草供应,从而减轻干旱地区草原的载畜量,保护干旱、半干旱草原生态,防止沙漠化。
3 发展虚拟水贸易的意义
3.1 区域内合理分配水资源方面的意义
由于虚拟水以无形的形式存在于其它商品中,且具有社会交易性,可以通过商品交换来实现,我们交换的是含有虚拟水的商品而不是水资源本身,相对于实体的水资源而言具有方便运输的优点,而且在重新分配水资源中起到了重要作用,也起到了缓解缺水地区发展经济面临的水压力问题。以我省为例:吉林、辽宁地区水资源相对匮乏,东北地区原规划三江平原过境水资源向吉、辽两地调水,即所谓的“北水南调”,并已在筹措实施之中(如与现兴建尼尔基水库有关),现在若以“虚拟水”方式,由黑龙江向吉黑调水,与这种真正“北水南调”相比就有可能更加确实可行,调出1m3“虚拟水”相当等于2m3多水的作用,收到事半功倍效果。而真正的修建调水工程不仅工程造价高,而且水有效利用系数非常低。而调“虚拟水”容易且更有意义,不会产生运输方面的损失,也便于运输和保存。
我国现在实施的“南水北调”工程也是同样道理,现在我国对水资源的利用80%是用于粮食生产,尤其水稻是用水大户,若能考虑在南方水资源充足的地区大面积种植耗水大的农作物供应水资源相对匮乏的北方,可省去大量的人力物力。当然与这种真正的“南水北调”工程相比,还要进行多方面技术、经济、环境、生态等因素的论证。
3.2 自身区域生态环境保护方面的意义
在三江平原大力发展耗水作物的种植不仅有助于缓解区域内的水资源分配不均,还有助于改善自身的生态环境。因为三江平原发展的水田和草地都是人工湿地,具有调节水资源、抵御洪水、调节径流、蓄洪防旱、控制污染、保护三江平原湿地生态等方面发挥着不可替代的作用。所以三江平原发展“虚拟水经济”不仅可为我国的粮食安全和水资源安全作出贡献,而且也调节了自身的生态环境。
4 结论与讨论
综上所述,三江平原单位农产品和畜产品虚拟水含量普遍低于全国平均水平,也就是说农产品和畜牧产品的生产中,在数量一定的前提下,在三江平原种植和饲养比在干旱地区要节省大量的水资源,因此,在三江平原大量种植高耗水量的作物并发展畜牧业是可行的。如在三江平原生产1t水稻仅消耗水资源680t,而把这1t水稻卖到干旱地区,就可以为干旱地区减少消耗1300t以上水资源,虽然要考虑运费和加工保存等各种费用,但在水资源短缺的今天还是相对来说比较经济的。三江平原可以利用丰富的水资源种植高耗水粮食、牧草和农副产品出口,这样不仅可以提高区域水资源的有效利用率、为全国水资源的平衡作出贡献,另一方面,由于三江平原发展的水田和草地都是人工湿地,还能够改善自身的生态环境,可谓是一举两得。
虚拟水经济为我国水资源相对匮乏地区解决缺水问题提供了一种全新的思路,也为三江平原水资源和水经济研究开辟了新领域。缺水地区可以通过市场贸易的方式购进本区所需要的水资源密集型产品,而不必使用自身稀缺的水资源去高成本地生产这些产品。这对于统一管理水资源,以“虚拟水经济”实现水资源地区间互补具有重大意义。另一方面,由于虚拟水的研究刚刚兴起不久,理论和方法尚不成熟,目前关于虚拟水的研究只能说是虚拟水概念在部分领域的应用,而尚未涵盖虚拟水概念的全部内涵[12]。由于市场供给的不确定性和波动性,如果过分地依赖虚拟水贸易来解决本区水资源短缺问题可能会增加粮食安全风险。应准备好应对粮食安全风险的措施,如果这些应对措施不具备或不完善则可能导致新的问题产生。
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虚拟水理论 篇2
水资源缺乏、人口膨胀与水资源的不合理利用是造成当前区域水安全问题的主要原因, 水资源时空分布不均和水污染加剧了水安全危机。中国, 尤其在华北平原地区, 水资源短缺现象越来越严重。水安全被认为是制约中国社会经济可持续发展的重要因素, 并且可能引发粮食安全、国家安全等问题[1]。
目前, 水安全问题已成为国际社会共同的战略目标[2]。我国学者对水安全也做了许多研究[3,4]。水安全问题的核心主要集中于农业用水安全上, 这是因为:农业是我国最大的耗水产业, 其水资源利用状况直接决定着区域的水资源利用效率和整体水安全保障程度;农业用水安全与否又影响到区域粮食安全, 并最终决定着人类社会的稳定与发展。但是, 中国的农业正面临着水资源短缺和水质污染的双重威胁;同时, 农业还面临工业、生活等部门的用水竞争, 农业竞争力处于明显的弱势地位, 因此有必要研究区域的农业水安全状况及对策, 为农业及区域水安全问题的缓解寻求新的突破点。虚拟水战略是研究当前区域水安全问题的重要课题[5]。本研究依托于虚拟水理论, 通过农产品虚拟水供耗关系来研究区域的农业水安全状况, 根据对农产品虚拟水形成影响因素的分析, 提出提高区域农业水安全的策略。
1 农业水安全评价原理与方法
1.1 农业水安全指标体系构建
农业水资源安全包括水资源安全和粮食安全两个方面, 前者体现的是满足作物需水的自然属性和维持可持续发展要求的社会经济与人文属性, 后者体现的是满足人类生存需求的社会属性[6]。
1.1.1 指标的选择
农业水资源安全体现了水资源需、供、用各阶段及社会、经济、环境各用水单元之间的压力-状态-响应关系 (图1) 。在农业水安全的压力-状态-响应关系中, 缺水、多水、用水效率、粮食安全是与区域农业水安全关系最密切的几个指标。根据指标选择的原则, 本研究选取水资源安全度、水分生产效率、灌区地下水位下降幅度、农业耗水率、粮食满足指数与粮食自给度6个指标来综合评价区域农业水安全状况。由于地下水更新速度受农业灌溉影响较大, 而地表水资源的更新与渠系灌溉影响不大, 故主要对地下水资源更新状况进行评价。其中, 水资源安全度和粮食安全指数体现了农业生产和农业对社会稳定的保障程度;水分生产效率、灌区地下水位下降幅度和农业耗水率体现了农业水资源利用效率、水资源可持续利用能力和区域可持续发展能力;粮食自给度体现了农业对国家安全的保障程度。这6个指标基本上科学、独立、全面地代表了农业水安全的各个方面, 用来评价我国的区域农业水安全状况是可行的。
1.1.2 指标的量化
1.1.2.1 水资源安全指标
农业可供水量的多少对农业生产的正常进行起着至关重要的作用, 供需对比一直是评价农业用水满足程度的一项重要指标。而农业水安全又是区域水安全的组成部分, 因此农业水安全的另一层含义是资源的可持续利用性, 即水资源消耗的约束性。
(1) 水资源满足程度。对农业来说, 来水过多会造成洪涝盐渍灾害, 来水过少会造成旱灾病虫灾。所以农业供水多少对农业安全来说至关重要, 而衡量供水盈缺的一个重要指标是实际需水量, 通过供需之间的对比关系可以衡量区域农业水安全状况。文献[7]给出以下农业水资源安全评价模型。
式中:RD为农业水分满足指数, %;IR为农业可供用水量, 亿m3;P为有效降雨量, 亿m3;SWRm为作物潜在虚拟水生产量, 亿m3。
如果0≤RD≤1, 则RD越大越安全;1<RD, 则RD越小越安全;其中RD为1时表示充分供水, 满足植物的最佳生长状态, 此时最安全。SWRm不是实际耗水量, 而是在充分灌溉条件下的作物耗水量。
(2) 水分生产效率。农业水分生产效率η指的是单位水分所能生产出的农产品数量, 可以综合体现农业用水的效率。这里的水指的是从渠系引水口到最终作物产出消耗的总的水资源量, 包括降雨、灌溉和渠系渗漏、蒸发等。
(3) 灌区地下水位下降幅度。地下水位持续下降情况一方面限制了农业可持续发展能力, 一方面体现了农业用水对水生态平衡的破坏, 是农业水安全的重要保障指标。对于井灌区, 由地下水均衡计算获得式 (2) :对于渠灌区, 由于没有农业取水, 如水均衡计算结果小于0, 则评价中的地下水位下降幅度取0;井渠结合灌区按面积加权计算。
式中:Q补为浅层水的补给量, 万m3/a;Q降渗为大气降水入渗补给量, 万m3/a;Δh为水位变幅, m;F为均衡区面积, m2;Δt为均衡时段, a;μd为水位变动带的重力给水度。
(4) 农业耗水比例。受区域总的耗水约束, 农业耗水应该不能超过一定的限度, 本研究从农业耗水占可供水资源量多少的角度来衡量农业耗水的合理性。
式中:K为区域农业耗水比例, %;Q为区域可供水资源总量, 亿m3。
从资源消耗、可持续发展的角度来讲, K显然越小越好。区域农业耗水比例体现了农业用水的效率, 间接体现了区域水资源的可持续利用性。考虑到研究区当地水资源缺乏, 本研究考虑土壤水分胁迫的影响, 采用基于双作物系数法[8]公式计算。
1.1.2.2 粮食安全指标
(1) 粮食总量保障程度。区域农业水资源安全, 并不能保证区域粮食安全。这时我们引入另一个概念--粮食安全指数。用公式表示为:
式中:Sf为区域粮食安全指数, %;Y为粮食供应总量, 万t;Yc为粮食需求总量, 万t;SWR为虚拟水生产总量, 亿m3;Wc为虚拟水需求总量, 亿m3;VWF为虚拟水消费总量, 亿m3;T为虚拟水贸易总量, 亿m3, 正值表示净进口, 负值表示净出口;S为虚拟水安全储备量, 亿m3。
(2) 粮食自给程度。在特殊状况下, 如战争、粮食危机、大面积灾荒等情况下, 粮食自给关系到一个国家的独立自主和国家安全, 从长远考虑, 农业水安全的另一个限制因素就是区域粮食生产的自主保障能力。粮食自给度公式:
式中:Sf为区域粮食自给度, %;Ys为粮食生产总量, 万t。
区域粮食安全指数和粮食自给度体现了虚拟水生产与人类需求之间的关系。
1.2 基于层次分析的模糊综合评价方法
模糊-层次分析法 (Fuzzy-AHP) 的基本步骤详见文献[9]。在模糊运算的基础上, 对权重向量加上一定的量化标准得到综合评分H=∑CiSi, 其中, Si表示评价等级档次集所对应的量化评语集 (0.6, 0.8, 1.0) , 进而得到区域农业水安全量化结果与评价等级 (III级:0-0.6, II级:0.6-0.8;I级:0.8-1.0) 。
2 实例研究
郑州市降水量从1956-2000年呈减小的趋势。20世纪90年代降水量比20世纪80年代减少37.75 mm, 减幅为6.0%, 比20世纪70年代减少了39.6 mm, 减幅为6.3%, 比20世纪60年代减少了57.27 mm, 减幅为8.8%。降水量年内分配各年之间存在较大差异, 1996年汛期降水量462.1 mm, 占年降水量的73.5%, 1997年, 汛期降水量170.9 mm, 占全年降水量的44.9%。1998-2000年间, 工业和生活用水占总用水量比例由23%增加到45%, 农业则由77%下降为55%。浅层地下水严重超采, 2000年全市平均超采19.87%, 近几年 (2000-2003年) 全市平均超采26.55%。在农业用水日趋紧张, 地下水环境日趋恶化的情形下, 研究郑州市农业水安全所处水平及解决办法成为郑州市发展必须面对的一个现实问题。本研究以郑州市为例, 分别选取2010、2015年和2020年为代表的近、中、长期3个典型水平年, 对其在湿润年、平水降雨年、一般干旱年3种降雨水平下的农业水安全状况进行评价分析, 根据评价结果及影响因子, 提出提高未来年郑州市农业水安全状况的方案, 并对方案进行优选。
2.1 未来水平年水资源安全评价指标的计算
将计算的农产品虚拟水生产量、消费量、贸易量、滞留量、安全储备量、农田有效降雨量等因子代入式 (1) -式 (5) 中可求得2010、2015和2020年在25%、50%、75%降雨频率下的6个指标, 见表1。
2.2 未来年农业水安全评价
以区域农业水安全状况为目标层, 农业水安全评价的递阶层状结构见表2。
初始相对重要性对比的判断矩阵采用3标度法, 通过比较各层相对重要性并赋权, 经计算各层一致性检验均满足要求, 层次总排序结果为:A={0.346, 0.346, 0.062, 0.038, 0.146, 0.062 }。各指标等级划分的参照值及划分情况见表3。
将隶属度矩阵与层次总排序权重进行向量乘法运算得到各安全等级的组合权重, 并与评语集结合得到最终的综合评价 (表4) 。
2.3 结果分析
2.3.1 农业水安全水平分析
从农业水安全评价的3个安全级别的组合权重可以看出, III类 (不安全状况) 的组合权重在0.035～0.086之间变化, II类 (基本安全状况) 的组合权重在0.542～0.655之间变化, I类 (安全状况) 的组合权重在0.217～0.345之间变化, 在3个水安全等级中, I类的权重明显比II类和III类权重大, III类对农业水安全的影响不超过15%, 可以得出, 郑州市未来时期内农业水安全状况处于基本安全的水平, 但基本安全与安全之间还有一定的差距, 所以郑州的农业水安全保障程度仍有必要提高。
2.3.2 农业水安全趋势分析
由表4中的评价结果可以看出, 区域农业水安全状况从2010年到2020年逐渐变好。其原因是, 与2010年相比, 南水北调水通水后可为农业置换部分水资源;由层次分析结果得知, 农业水资源安全度对区域农业水安全的影响最大, 故2015年以后, 农业用水压力将得到一定程度的缓解, 从而使水安全状况有所好转;随着经济的发展和技术的革新, 农业用水效率及粮食产量稳步提高, 故2015、2020年农业水安全水平也逐步提高, 但这种变化趋势相对较小。
2.3.3 农业水安全影响因子分析
通过对郑州市农业水安全趋势分析表明, 近期水平年郑州市区域农业水安全不会存在太大威胁, 但农业水安全水平仍有待进一步提高。由层次分析法排序结果可知, 农业水分满足指数和农业水分生产效率是影响农业水安全的两个主要指标, 而节水技术改造、节水灌溉、优化种植结构、精确配水灌溉等措施是提高这两项指标的有效手段。
2.4 提高未来年农业水安全度的方案分析
以75%降雨水平年为例, 通过种植结构和灌溉制度的调整以及节水技术改造和节水灌溉几种措施下的方案组合, 优选出最佳的提高区域农业水安全水平的方案。以下方案不考虑南水北调中线供水工程开通情况。
方案一:10%小麦-玉米种植面积改种棉花+85%的灌溉定额+40%老化灌渠维修改造+新增40%节水灌溉面积+60%耕作面积的机械蓄水保墒;
方案二:15%小麦-玉米种植面积改种棉花+90%的灌溉定额+40%老化灌渠维修改造+新增30%节水灌溉面积+60%耕作面积的机械蓄水保墒;
方案三:5%小麦-玉米种植面积改种棉花+80%的灌溉定额+40%老化灌渠维修改造+新增30%节水灌溉面积+50%耕作面积的机械蓄水保墒。
以上方案的评价结果列于表5。
结果表明, 调整后的农业水资源安全水平有所提高, 其中方案一的效果最好, 作为最终优选方案。从虚拟水角度来看, 扩大低耗水产品种植, 减少高耗水作物生产, 通过实施虚拟水贸易战略减少农业耗水量等措施, 是未来时期内各国缓解区域水资源压力、实现可持续发展、维持粮食安全的重要途径。
3 结 语
本研究以虚拟水理论为基础, 对郑州市农业水安全问题进行评价研究。采用层次分析法对农业水安全影响因素分析, 得出对郑州市农业水安全制约最大的因素是农业水分满足程度和农业水分生产效率, 其次是粮食安全指数, 影响最小的是灌区地下水位下降幅度。农业水安全评价结果表明, 在现状发展水平下郑州市未来时期内农业水安全状况变化不大, 处于基本安全的水平, 所以郑州市农业水安全程度还有待提高。另外, 对农业水安全指标进行分解, 分析相应的影响因素及调控措施, 通过对各指标重要性排序, 优选出影响最大的方案集。在此基础上, 根据郑州市农业实际状况, 制定了提高未来年 (75%降雨频率年) 郑州市农业水安全水平的措施, 结果表明在种植结构调整+灌溉制度调整+灌渠维修改造+节水灌溉+机械蓄水保墒等综合措施下, 郑州市的农业水安全状况将会显著提高, 将由原来的II类安全水平提高到I类, 其中10%小麦-玉米种植面积改种棉花+85%的灌溉定额+40%老化灌渠维修改造+新增40%节水灌溉面积+60%耕作面积的机械蓄水保墒的方案效果最佳。
摘要：农业水安全是我国水安全与粮食安全的基础和前提。以虚拟水理论为依托, 从区域水安全、经济安全、粮食安全角度出发, 构建了由自然技术、经济环境、社会生活3个方面构成的区域农业水安全评价指标体系, 包括农业水分满足指数、水分生产效率、农业耗水比例、灌区地下水位下降幅度、粮食安全指数、粮食自给度等6项指标。基于层次分析的模糊综合评价方法, 以郑州市为例, 对其未来年农业水安全状况进行评价, 指出郑州市农业水安全状况、变化趋势及存在的突出问题。根据评价结果对影响因子进行排序, 提出了提高区域农业水安全的组合方案, 在情景分析的基础上优选出未来时期内提高郑州市农业水安全水平的优选方案。
关键词：虚拟水理论,农业水安全,指标体系
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虚拟水理论 篇3
虚拟水也被称为“嵌入水”和“外生水”[1],虚拟水不是真实意义上的水,而是以“虚拟”的形式包含在产品中的“看不见”的水。是英格兰伦敦大学Tony Allan教授于1993年首次创造性的提出,是指生产农产品所需要的水。1996年Tony Allan[2~3]教授正式界定了虚拟水的定义:生产商品或服务所需要的水资源量。虚拟水贸易是指贫水国家和地区通过进口丰水国家和地区的水密集型产品来利用商品贸易所携带的“虚拟水”,保证水资源安全的一种商业战略[4]。水资源贫乏的地区通过进口虚拟水可以减轻对本地水资源的压力,并且克服了真实水进口路途遥远、价格昂贵、缺乏生态安全性的缺点。虚拟水贸易将水资源丰富地区富余水的可利性与用缺水地区水赤字联系在一起,完成了水资源的二次调配。虚拟水贸易的实质是比较优势理论的应用[4]。
国际上许多国家经过实践都验证了虚拟水贸易对解决当地水资源缺乏的正面效应,如中东北非地区[6]、日本[7]、南部非洲共同体[8]、孟加拉国与印度[9]、埃及[10]。但目前关于虚拟水的理论探讨与实际应用基本上是以一个“国家”为单位分析虚拟水贸易对国家解决水资源问题,促进经济协调发展的作用机制和途径。从一个国家之内的“区域”角度分析虚拟水贸易与区域经济发展的相互关系尚是空白。而笔者认为,可以尝试在我们国家内部发展区域之间的虚拟水交易,富水地区向贫水地区输出高耗水的产品,从而缓解贫水地区的水资源短缺问题。因此,本文中笔者将对中国区域间虚拟水贸易的影响因素进行分析,从而对在中国推行区域虚拟水战略展开研究。
一、区域虚拟水贸易的经济因素
区域间虚拟水贸易的实质便是在区域分工的基础上根据各个地区的水资源禀赋的比较优势统一安排生产,通过区际交换实现其专业化部门生产的产品价值与满足自身对本区域不能生产或生产不利的产品的需求,从而扩大区域的生产能力,增进区域利益在全国范围内实现区域经济协调发展[13]。中国各地区在水资源要素禀赋上存在着很大的差异,国民经济的二元结构较明显,地区间生产要素的丰富程度和需求的差异也较大,这都为我们国家实行区域虚拟水战略提供了可能。但由于一些历史、制度、产业结构等方面的原因目前中国实行区域间虚拟水战略还存在以下几方面的经济影响因素:
(一)地区的经济实际影响区域虚拟水贸易
区域虚拟水战略的实施首先要考虑各地区的经济实际。水资源短缺的西、北部地区又恰好是经济落后的区域,它们根据水资源平衡情况,应该减少高耗水的产品的生产如农产品、矿产品,减少本土水资源的消耗。但是,由于其经济发展水平及生产技术相对落后,农产品及一些高耗水的初级工业产品又恰恰是这些地区生产总值的主要来源。所以一个比较现实的问题就是如果实行区域虚拟水战略,高耗水的农产品、初级工业品等大量减产转而从东南部地区购入,当地的经济情况能否承受。还要考虑农产品是受自然条件的影响极大,在西北部地区大量减产的情况下,如果东南部地区受自然因素影响某年农产品歉收,必将导致国内市场粮食价格的波动,甚至需要从国外市场进口补给。
(二)市场壁垒和地方保护主义制约区域虚拟水贸易
虚拟水贸易的实质是从全国角度调度水资源,总的来说可以节约和有效使用水资源。但是,各地区由于谋求本地经济利益最大化,往往忽视区域经济的整体利益,地区之间相互戒备、相互隔离,自觉或不自觉地搞地区封锁和地方保护主义。在具体制定贸易政策时对伴随着实物贸易产生的虚拟水资源的流动并不一定重视,他们往往从本地区经济发展、社会稳定、生态环境平衡等角度制定政策。尤其那些水资源丰富的潜在虚拟水输出的地区,它们在制定这些政策时未必会支持区域虚拟水贸易。而对于水资源贫乏的虚拟水输入地区而言,从保护本地区农业生产、保证农民就业等角度出发,制定的政策往往也会限制区域虚拟水的输入,不利于区域虚拟水贸易。这种对地区局部利益的追求就构成了基于区域间虚拟水贸易战略的产业结构调整的障碍。因此,强化区域经济理念,促进区域协调与融合,消除地方保护是虚拟水战略实施的必然要求。
(三)区域虚拟水贸易引起产业结构调整
实施区域虚拟水贸易战略,对于西、北部等缺水地区,需要减少对于水密集型产品的生产(农产品等),将有限的水资源投入到耗水量少,可产生经济价值高的产品生产中,最大化的发挥水资源的利用价值,这将对当地的农业产生巨大冲击,而对于东、南部富水地区则相反应增加对水密集型产品的生产。这就需要对现有各区域的生产格局和结构进行调整和优化。将基于虚拟水导向制定的政策联系起来,根据当地的实体水与虚拟水情况,制定出相应的贸易和生产政策,缓解实体水资源压力,保证食品安全和水安全,解决地理政治纠纷甚至水资源“战争”。在贫水地区积极进行农业产业结构调整。即以低耗水高价值的农产品代替水密集型产品。如果在采取虚拟水战略后没有相应的低水耗高价值替代品,则虚拟水战略对经济的促进作用是有限的,甚至可能因为虚拟水的进口而产生诸如失业、经济发展下滑等负面影响[13]。
(四)区域虚拟水贸易影响区际贸易差额
在中国实施区域虚拟水贸易战略,西北部地区从东南部富水地区大量购买农产批等高耗水的产品,改变了以往“北粮南输”的格局,这将导致东南部沿海地区和西北部内陆地区区际贸易差额进一步扩大。而区际贸易差额在GDP中占比较高,会带来地区经济发展的市场空间变化,引发区际利益矛盾,这不能说不是问题。如果财政分配高度统一,区际贸易差额对某些地区的不利影响可以通过中央财政再分配加以调解,但在目前中国实行的分税制财政体制下,区际贸易差额过大带来的不利影响很难通过财政分配得到调解,会成为一个关系区域经济发展的重要问题。
二、区域间虚拟水贸易的社会因素
(一)区域虚拟水贸易保证区域水安全
近年来,国内外普遍意识到全球的水资源短缺问题,水资源安全已经成为各国水资源管理的核心内容。联合国秘书长安南在世界水日献词《水安全———人类的基本需要和权利》中指出:“水安全是人类的基本需要。因此,也是人类的基本权利,让我们重申我们的承诺:为所有的人提供清洁、安全和有益健康的水。”安南的献词强调了水安全的重要性,把“卫生”和“公平用水”视为水安全。波恩国际淡水会议认为,以公平和持续的方式利用和保护世界淡水资源是各国政府迈向更加安全、公平和繁荣的过程中遇到的重要挑战。扶贫是实现公平和可持续发展的主要工作,水资源在人的健康、生活、经济增长以及维持生态系统等方面起到至关重要的作用。
由此可见,水资源安全涉及人口、资源、社会、经济、文化、科技、生态、环境等各类问题,水安全是社会稳定的必要条件。而实行区域虚拟水战略时,不仅对西北部等缺水地区的水资源安全有益,可以缓解国内的水资源压力和农产品的供给压力,有效利东南部富余的水资源,节约本地水资源以用于其他产业生产,促进本地区经济发展。
(二)区域虚拟水贸易影响居民收入
区际贸易对收入分配的影响对贸易带动经济增长的作用也是一个制约因素。开展贸易,会引起本地区生产要素收益发生变化。从短期看,贸易会引起出口行业的产品价格上升,因而出口行业的所有生产要素都会获益;同时,进口竞争行业的产品价格下降,因而这个行业的所有生产要素都会受损。从长期看贸易会引起生产要素在出口部门和进口竞争部门之间的重新配置,引起生产要素市场供求关系的变化,从而影响到生产要素的价格和收益。
尤其对于我们国家而言,一直以来都是东、南部地区发达,西、北部落后且缺水、生态环境不断恶化。如果我们采取区域虚拟水战略,即要减少西北部地区农产品等高耗水产业转而与东南部地区交易获得,那么会社会总产值进一步下滑,与东南部地区的差距进一步扩大等情况。为了解决上述可能出现的诸多社会问题,政府就必须采取适当的收入分配调节政策和措施,比如利用税收、补贴和转移支付等政策手段,使任何个人或阶层都不因对外贸易而蒙受收入水平绝对下降的负面影响。对贸易可能引起的收入分配格局的变化对社会产生影响,我们必须重视并加以引导控制。
(三)区域虚拟水贸易影响就业结构
虚拟水战略的采用也意味着贫水地区高水耗农业生产的萎缩,如果没有相应低水耗农业的引进,农村的社会福利没有相应的保障,则较多的农民在农村会面临生产生存问题。当大量农民涌入城市,由于农民一般受到正规的学校教育较少,找到较好就业机会的较少,进而导致贫穷、社会不稳定等问题。
虚拟水战略对富水地区的社会影响主要体现在对就业结构的影响上。推进虚拟水战略意味着农产品生产及加工相关产业的大力发展,而农产品的生产、加工相关产业一般都属于劳动密集型产业,因此农业相关产业的就业人数和比例都会相应增加,对整个社会的就业结构产生影响[11]。
三、区域间虚拟水贸易的生态因素
(一)虚拟水贸易具有“价值隐含性”和“环境友好性”
区域间的虚拟水贸易事实上是伴随着实物贸易产生的,通过“市场协调”解决了区域间水资源的调度,且对生态环境没有任何负面影响,弥补了“实体水”调度的诸多局限因素。贫水地区通过减少水密集型产品的生产,减少了当地水资源的消耗,同时减少废水的排放与环境的污染,有利于干旱贫水地区的生态环境修复[3]。
(二)区域虚拟水贸易影响生物多样性
生物多样性指所有动植物和微生物的种类、存在的变异及其生存环境,通常包括物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性,对粮食安全、生态健康以及农业经济有重要的影响。区域虚拟水交易导致一些高水耗的产品会减少甚至停止生产,而选择从其他地区输入或寻找替代品,这些生物可能面临灭绝的威胁,另外,由于生物圈的存在,进而会对其他生物的生存产生影响,进而对其他生物生存产生影响。农业产品的更改、生物多样性受到影响,必然会对当地的生态环境平衡产生影响[11]。
(三)区域虚拟水贸易影响土地利用结构
对于虚拟水输入地区高水耗农业生产的减少,将会产生大量闲置农田,如果没有以低水耗农业生产替代,而是向城市化方面发展,则可能导致地面的植被覆盖率会降低,引起土壤沙漠化、水土流失等现象,使生态环境恶化,就改变了我们希望通过区域虚拟水贸易解决当地水资源短缺,修复生态环境的初衷。
对于虚拟水输出地区的影响主要表现在对土地利用结构的影响、对水资源的消耗和对生态环境平衡的影响上。加强区域间虚拟水贸易意味着农业用地的增加,而同时意味着其他可耕种土地资源的减少,像森林土地资源、草地、沼泽地等等,对土地的利用结构产生影响,亦对生态环境产生影响。
四、总结
区域间虚拟水贸易是一个复杂事务的综合体,不仅涉及到水资源的平衡问题,还涉及到许多政治、经济、社会、生态、法律等等方方面面的因素,而中国要真正开辟一条有利于区域间虚拟水贸易的道路还需要更多相关部门的关注和深入探讨。
摘要：虚拟水、虚拟水贸易概念的提出引起了国际普遍关注。虚拟水贸易是一个复杂实物的综合体,涉及经济、社会和生态等多方面因素。从经济、社会、生态三方面对中国推行区域间虚拟水贸易的影响因素进行分析,为相关部门的决策提供理论支撑。
关键词：虚拟水,贸易,影响因素,中国,区域间
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北京市虚拟水战略环境影响评价 篇4
关键词：虚拟水战略,环境影响评价,北京市
虚拟水(virtual water)战略是一项宏观调控利用水资源以及相关产业结构的措施。许多国家和地区已在不同层面付诸了实施。根据国务院近期颁布实施的《规划环境影响评价条例》[1],为加强对规划的环境影响评价工作,提高规划的科学性,从源头预防环境污染和生态破坏,促进经济、社会和环境的全面协调可持续发展,要对工业、农业、畜牧业、林业、能源、水利、交通、城市建设、旅游、自然资源开发等有关专项规划,开展环境影响评价。因此对虚拟水战略展开环境影响评价势在必行。
1 研究背景
1.1 虚拟水、虚拟水贸易及虚拟水战略
虚拟水概念最早由英国学者Allan[1]于1993年提出,指生产商品和服务所需要的水资源量。之所以称为“虚拟”水,是因为它并不是真正意义上的水,而是以“虚拟”形式包含在产品或服务中的看不见的水,所以也称“嵌入水”。隐含在商品或服务中的水,通过商品或服务的贸易交换,就构成了虚拟水贸易。由于距离远、费用高等原因,在丰水和贫水地区间进行实体水贸易既不经济也不现实,而虚拟水易于运输和储存的特点,就为开展虚拟水贸易提供了便利。目前,虚拟水贸易已成为缓解水资源短缺的新途径而成为热门话题,并越来越受到相关国家和地区的重视[2,3]。
虚拟水战略是指贫水的国家或地区从富水的国家或地区进口水密集型的产品,以保障自己国家或地区内的水安全和粮食安全。
虚拟水战略为水资源管理与高效利用提供了新的思路,并已在水资源短缺的国家或地区如中东[4]和西班牙[5]等得到了一定的运用。虚拟水战略是平衡区域尺度水赤字的有效工具[6]。对于那些水资源紧缺的地区来说,虚拟水贸易提供了水资源的一种替代供应途径,并且不会产生恶劣的环境后果,能较好的减轻局部地区水资源紧缺的压力。对参与虚拟水贸易的国家或地区来说,还能增强这些国家和地区粮食安全的相互依赖与合作,减轻国家或地区之间因为水或粮食问题所引起的直接冲突,创造持久性合作关系。当世界或地区粮食价格低于缺水地区自身的生产成本的时候,虚拟水战略的优势就更加明显。由于运输距离长远、成本高昂,富水地区和缺水地区之间实体水贸易通常十分困难,因此,虚拟水战略日益引起了缺水国家和地区政府和水资源管理部门的重视,并开始在水资源战略管理中付诸实施。
1.2 战略环境影响评价
战略环境影响评价(以下简称SEA)是由英国的Lee等学者于20世纪70年代提出的,指对政策、计划、规划及其替代方案的环境影响进行系统和综合的评价[7]。它是在政策、计划、规划层面上及早协调环境与发展关系的一种决策和规划手段,也是实施可持续发展战略的有效工具和手段。随着可持续发展战略的实施,SEA日益受到重视和关注[8,9,10]。
1969年,美国《国家环境政策法》第一次将环境影响评价制度作为在环境管理中必须遵循的制度。之后,重大决策环境影响评价逐渐成为国际上环境影响评价制度的重要趋势[11]。瑞典、澳大利亚、日本、法国等国家都建立了本国的环境影响评价制度。1978年美国颁布了《国家环境政策实施程序的条例》,主要规定了战略环评的内容。1987年,荷兰政府建立了法定的战略环境影响评价制度,并且该制度与可持续发展紧密结合,并随后在1989年制定了国家环境政策规划。1991年新西兰政府也提出要求编制战略环境评价报告。到1996年,全世界大约有80多个国家制定了关于战略环境影响评价的法律。
我国从1979年开始,陆续制定颁布了若干环境保护的法律法规,其中都含有环境影响评价的内容。20世纪80年代中后期,又进一步提出了进行战略环评的必要性。2003年我国公布实施了《中华人民共和国环境影响评价法》。我国目前的环境影响评价制度主要以建设项目环境评价为主,但是建设项目处于整个决策链的末端,建设项目环评只能补救小范围的环境损害,无法从决策源头上保护环境[12]。考虑到建设项目环评的弊端,我国也开展了对战略环评的研究,并由此产生了一些具有里程碑意义的战略环评实例[13]。除此之外,我国对汽车、化工、木材等行业也进行了政策层面的战略环评探索[14,15,16]。
目前战略环境影响评价的程序主要包括:评价对象及其形式的确定、评价方案的制定、评价的实施以及报告书的编制[17]。
2 虚拟水战略环境影响评价
2.1 开展虚拟水战略环境影响评价的必要性
我国是一个农业大国,农业是国民根本和基础,粮食生产关系我国十几亿人民的基本生存问题。同时,农业用水是最主要的水资源消耗途径,粮食产品中隐含的虚拟水含量又很大,对国家整体的水资源消耗有重大影响。而我国不仅水资源短缺,空间分布差异也很大,为平衡地区间的水资源利用,国家每年都要花费大量的人力、物力、财力进行各种各样的水利工程建设(例如在建的南水北调工程,是一项耗费多、规模大、涉及地区多的工程)。虚拟水理论表明通过调整地区的水密集型商品,使得用较小的成本解决水资源分布不均衡成为可能。而最主要的水密集型商品就是农产品。因此,虚拟水战略对优化我国各地区之间的农产品结构、有效提高我国的水资源利用效率、平衡地区水资源、实现我国水资源可持续发展都具有积极意义。
但旨在政策层面提出虚拟水战略,只考虑其对水资源的积极意义是远远不够的,也不科学。因为任何战略的实施都可能会对生态环境、地方产业结构和社会经济生活等诸多方面产生影响。所以针对虚拟水战略开展环境影响评价是很有意义的,从源头减少和避免盲目决策引发的生态环境问题和其他影响,并为地区经济发展方向和具体规模提供依据和指导。
2.2 虚拟水战略环境影响评价的内涵和原则
虚拟水战略环评的内涵是实施可持续发展战略,预防因实施虚拟水战略对环境造成不良影响,促进经济、社会和环境的协调发展。
参照战略环境影响评价的原则,并考虑虚拟水战略的特点和要求,笔者提出虚拟水战略环评的基本原则。
a. 在规划虚拟水战略的同时,同步开始虚拟水战略的环境影响评价。
b. 环境保护优先原则。在进行虚拟水战略环境影响评价时,应将环境保护放在首位优先进行考虑。
c. 分层次原则。开展虚拟水战略环境影响评价时,应从宏观、中观、微观层次和区域、区块、单元层次等多层次进行环境影响分析与评价。
d. 整体性原则。即在开展虚拟水战略环境影响评价时,应从整体上进行系统化的、综合性的评价。
e. 突出重点原则。即在开展虚拟水战略环境影响评价时,突出重点产业、重点环境敏感区域等环境影响的评价[13,14,15]。
2.3 虚拟水战略环境影响评价的内容
虚拟水战略环境影响评价内容包括:对生态环境的影响、对社会环境的影响、对经济环境的影响以及对资源环境的影响、环境经济损益分析、决策的战略缺陷分析、突发性环境污染事故预测评价、公众参与等[18]。
评价的主要角度是:虚拟水战略与生态环境建设及生态环境安全、粮食安全、产业结构战略性调整、区域社会经济发展等之间的关系。例如:若以政策形式实施虚拟水战略,是否会导致经济和人口规模的更为高速的发展和过度膨胀,进而造成新的污染加剧、环境破坏等问题,是否会对虚拟水输出地过分依赖,是否会造成地方经济政策或产业结构不匹配,或其他可能增加的相应社会问题等。
2.4 虚拟水战略环境影响评价的步骤
参考战略环境影响评价的程序,设计虚拟水战略环境影响评价的步骤如下:规划方案、现状调查、必要性认识及可行性分析、确定评价范围、确定评价内容、环境影响识别与确定评价指标、对规划方案进行环境影响预测分析与评价、针对规划提出环境影响减缓措施、专家咨询与公众参与、修改规划方案或规划目标、得出评价结论、采纳环境影响可行的规划方案、放弃环境不可行的规划方案、编写报告书、实施监测与跟踪评价等步骤。技术路线如图1所示。
3 北京市的虚拟水战略环境影响评价
鉴于其具有强烈的区域性和特殊性,进行战略策略的环境影响评价分析时,首先要对研究区域进行概况分析。由于本文所提出的虚拟水战略环评为预测性质的前瞻性分析,因此要先预设政策的相关条款,再根据具体情况分别从不同角度分析其可能对环境产生的影响。
3.1 北京市概况
北京市地处华北平原北端,属半干旱大陆性季风气候,天然水资源有限,时空分布不均。近年来,随着城市规模扩大、人口增长以及生活水平的不断提高,北京市水资源供需矛盾日益尖锐,北京市已成为一个严重缺水城市。北京市人均水资源占有量不足300 m3/人,是全国平均水平的1/8,世界平均水平的1/30,缺水形势严峻。尽管北京市近年连续干旱,经济依然保持了高速发展的态势(图2)。
注:数据来源于北京市1999~2008年统计年鉴。
3.2 北京市实施虚拟水战略的必要性与可行性
水资源短缺制约着北京市社会经济的进一步发展,并导致生活用水挤占农业用水、经济用水挤占生态环境用水,使得原本就非常脆弱的生态环境进一步被破坏。为解决北京市水资源短缺问题,北京市在水资源管理、再生水利用、节水挖潜、工程建设等方面都做了大量的工作,也取得了一定的成效,基本保证了在多年连续干旱的条件下经济社会发展需要的基本用水。但是长远来看,北京市难以依靠自身完全解决水资源短缺的问题,迫切需要从外部引进水资源,减轻水资源短缺带来的不利影响。
总体上说,从外部引进水资源有2种方式。
a. 引进实体水。即利用水利工程的方式直接从富水地区调水,例如南水北调中线工程,但由于该项工程推迟至2014年,这无疑是给北京市水资源埋伏了更严重的短缺危机。
b. 引进虚拟水。即通过贸易进口水密集产品而实现间接的引进水资源。
随着水资源的日益短缺,虚拟水正受到世界各地越来越多的重视,已经成为制定水资源安全战略所考虑的重要因素之一。与实体调水相比,隐含在贸易中的水资源重视程度不足。
北京市已多年过度开采地下水以供应北京市居民用水,地下水平均年降1.2 m,水源地地下水位已达到39 m深。邻近的河北省已然是我国最为缺水省份之一,但为保证北京市用水依旧向北京市输送了3亿m3水。此外,北京市近些年加大了再生水的利用力度,现在回用再生水已达到4.8亿m3,占整体供水量的15%。北京市还加大了雨洪水的收集利用,但依旧不能使水资源短缺情况有明显改观。所以,对北京市而言,实施虚拟水贸易战略已成当务之急,其对优化北京市的水资源管理、更为高效合理的利用有限的水资源、保障社会经济持续发展具有现实意义。
同时,北京市拥有实施虚拟水战略的得天独厚的优势。有学者认为,能否采用虚拟水战略的关键取决于区域的经济实力,即是否具备购买能力[2]。
3.3 北京市的虚拟水战略
拟定的北京市虚拟水战略的总目标,即从富水地区(目前主要集中在国内)引进水密集型的产品,以减少在北京市内生产的用水,从而缓解北京市水资源短缺压力。
参考北京市现已实施的一些办法,并进一步考虑北京市的发展形势,笔者提出的北京市实施虚拟水战略的具体方法有:
a. 进一步压缩高耗水低产值的粮食作物的种植规模,粮食消费以进口为主。
b. 继续调整产业结构,缩减高耗水工业。
c. 进一步发展耗水少、科技含量高的高新产业和服务业,并在可能情况下输出高科技和服务产品。
d. 继续探索并实施与虚拟水战略相适应的产品流通体制和机制,设立专项基金用于补贴进口。
e. 增加林草地面积,通过林草地面积的扩大满足改善自然生态的目的。
f. 建立健全社会保障体系,在退耕还林还草、实施虚拟水战略管理等造成农民收益下滑、农村剩余劳动力增加时,以相应的就业保障体系和就业促进政策,减轻农民的经济负担、增加农民的收入。
g. 加强节约实体水的力度和宣传。
实际上,尽管没有明确的战略指导和政策说明,北京市已有实施虚拟水战略,从近年来北京市的产业调整就可见一斑;已有许多研究证明北京市是虚拟水的净输入地,并且随着城市的发展,北京市的虚拟水输入量还将继续增长[18,19,20]。首都钢铁厂(以下简称首钢)的迁出以及北京市粮食种植面积大幅度缩减,同时进口量逐渐上升。首钢在迁出之前是北京市的耗水大户,每年耗水量高达5.5亿m3,相当于25个昆明湖的水量。首钢迁出不仅可为北京市节省大量水资源,缓解水资源紧缺压力,还能减轻炼钢对环境造成的污染,并可将节省的水资源改用于生态建设及低耗水的高新服务产业,对创造生态效益及经济效益大有裨益,同时通过进口钢材还可为北京市引进虚拟水。20世纪80年代以来,北京市经济发展增速,城市化进程快速提升,建成区面积激增,相应耕地面积逐年减少。北京市农作物种植面积占全国农作物总面积的比重1980 年为0.451 %,2000年为0.337%,至2004年已减少到0.325%。其中粮食作物面积比重从1980年的0.471%降低到2004年的0.272%,蔬菜面积比重从1980年的1.619%降低到2004年的0.634%[21]。尽管科技进步粮食单产提高,但北京市粮食种植面积的锐减还是造成北京市粮食产量递减。从2003年开始,北京市稻谷的产量开始少于1万t(图3),并开始大量从外进口谷物产品,且增量明显(图4)。
注:数据来源于1985~2007年中国统计年鉴。
注:数据来源于北京市2008年统计年鉴。
3.4 北京市虚拟水战略的环境影响评价
评价的主要角度是虚拟水战略与生态环境建设及生态环境安全、粮食安全、产业结构战略性调整、区域社会经济发展等之间的关系。实际上,北京市通过调整产业结构优化水资源分配,已经具有虚拟水战略的特征。所以,对北京市的虚拟水战略环境影响评价要在考虑现有实施情况的基础上,分析预测可能产生的影响。
3.4.1 对生态环境建设及生态环境安全的影响
减少高耗水低产值粮食作物的种植规模,可减少农业用水量,尤其对保护地下水资源很有帮助(目前北京市农业灌溉用水主要来自自备井)。缩减种植规模,减少耕作面积,相应会增加土地裸露率,会造成水土流失等生态问题,将违背实施虚拟水战略保护生态环境的初衷。建议适当增加林草地面积以应对潜在的水土流失问题,实际上北京市也是这样做的。近年来北京市绿地面积稳步增加(图5),将减少粮食作物耕作节省下来的水用于浇灌林草等,是利于维护生态环境、增加水涵养能力的。
注:数据来据于北京市2008年统计年鉴。
3.4.2 对粮食安全的影响
由于北京市的特殊因素,保证粮食储备确保北京市粮食安全十分必要。但实施虚拟水战略无疑会对此产生负面影响。强真等[22]人曾对北京市耕地承载率和粮食自给率进行了分析,结果表明:北京市人口超载率从1990年的48.1%逐步提高到2004年的84.91%;而2000年以来北京市粮食生产总量仅能满足不到其20%人口的需求。即随着耕地面积减少、粮食生产规模下降,北京市粮食的对外依赖度升高。2003、2004年北京市所需粮食总量的90%、84.91%依赖于从外部进口。另有资料预计,未来北京市将以至少年均增加50万外来人口的速度继续发展,加之虚拟水战略的实施,北京市的粮食对外依赖度可能会进一步升高。所以,在坚持拟定虚拟水战略的同时,还需考虑在一定程度上维持北京市的粮食生产能力,并有计划的逐步扩大北京市的粮食储备,至少要能够保证北京市310万农业人口的粮食需求。
3.4.3 对产业结构及其调整的影响
实施虚拟水战略对产业结构影响很大。北京市虚拟水战略将缩减高耗水行业(农业以及纺织、钢铁冶炼、造纸、木材加工等行业)规模,鼓励发展高新技术产业,而北京市目前的城市规划、节水型社会建设规划等文件中也将此作为北京市未来发展的重点,这就是说虚拟水战略基本符合北京市近年来产业结构调整的趋势,并有利于北京市产业结构的进一步调整和优化。虚拟水战略与北京市产业调整和经济发展是协调共赢的。
第一产业方面,有研究指出:不同国家都须作出选择将水用于种植高附加值作物或谷物或苜蓿等的低价值作物的战略选择[23]。就北京市而言,实施虚拟水战略就是选择了把水从低价值农作物的生产中调到生产蔬菜、水果和鲜花等高附加值的经济作物。目前北京市已取消了水稻种植,小麦种植面积也在减少,而主要种植玉米。这使北京市农业总用水量逐年减少、用水效率显著提高[24],同时,进口农作物为北京市调入了大量虚拟水,有效保障了北京市地区的食用水安全。北京市第一产业已向节水型种植业结构方向发展,这是北京市产业调整和实施虚拟水战略的共同目标。
第二产业方面,北京市已在逐步淘汰三高产业,并向低耗水、少污染的高新技术产业发展。不仅在生产环节节省了水资源,还通过产业结构调整,用更少的水创造出了更多的经济价值。实际上,通过比较1990、1997、2000和2002年各工业增加值构成变化和各部门所占比重的变化,可以发现北京市近年来纺织业、木材加工业及家具制造业、金属冶炼等高耗水行业所占工业增加值比重下降,而科技含量高且耗水相对较小的通信、计算机、电子设备制造业,仪器仪表文化办公用机械制造业所占工业增加值比重呈上升趋势[25]。
总体来说,北京市通过结合实施虚拟水战略,对产业结构进行调整,可以实现出口自身有相对比较优势的产品、进口自身存在比较劣势的产品,谋得自身效益的最大化。
3.4.4 对农民收入及就业的影响分析
虚拟水战略实施后,北京市内部分的粮食市场被进口粮食挤占。根据年鉴统计,北京市每年进口的粮食产量约为50万t,可能会影响北京市农民的收入和进行粮食生产的积极性。但考虑到虚拟水战略是在充分发挥本地农民生产条件下仍不能满足粮食需求的一种解决水资源与粮食安全的战略,进口的粮食应是农民因水资源短缺无法生产的。即如果没有进口粮食,种粮农民也不会由此受益。相反,如上所述,进口粮食可以使农民使用有限的水资源生产高附加值的农产品。所以,虚拟水资源对改变种植结构是有利的,对农民增收也是机遇。另外,根据北京市农业发展的特点与北京市农业结构调整所面临的形势,北京市农业正由传统农业向高效化的“6种农业”(指籽种农业、设施农业、精品农业、加工农业、创汇农业和观光农业)转化[24]。发展观光农业,既可以增加农民的收入,还能够减轻农业和农民的压力,创造良性的循环机制。
3.4.5 与其他方案的比较
《北京市城市总体规划》中明确指出,南水北调工程是缓解北京市水资源短缺的根本措施。南水北调工程建成后,每年可向北京市供水10~12亿m3,可一定程度上缓解北京市的缺水压力,且南水北调进京后首先将补充地下水,能够间接改善生态环境。但各种原因导致南水入京推迟5年,这无疑会给北京市水资源带来前所未有的压力。所以,加快虚拟水战略的实施进程是极为重要的。即使将来南水北调工程顺利引水进京,虚拟水战略在经济上还是具有优势的。南水北调工程量大、投资多,工程风险和经济风险都很大,并由于引入实体水,还有较高的水质风险。相比而言,虚拟水战略通过直接购买产品的方式既减少了投资成本,又可有效避免各类风险的发生。
另外,北京市再生水计划的实施对缓解水资源短缺压力也有贡献。2007 年北京市污水处理率已达76.2%,未来污水处理率还会进一步增加。但对污水进行回用处理需要一定的成本,且此成本还会随水质要求的提升而大幅增加。虚拟水战略则不存在这样的问题。
4 讨 论
“虚拟水” 理论自20世纪90年代初提出后,已越来越受到国际社会的关注,但在我国,这方面的研究工作还很少。目前,西班牙是世界上唯一将虚拟水战略作为国家政策执行的国家,我国应该对此多加关注,并从中吸取经验和教训来发展我国的虚拟水贸易策略。
在开展我国虚拟水战略进行研究和实践的同时,不应忽略其对环境的影响。如上所述,尽管北京市实际上已经实施了虚拟水战略,但对其的环境影响分析却一直是空白。虚拟水战略环评应该受到重视,但目前国内外均没有开展这方面研究;不仅国家区域内的虚拟水战略没有开展环评,对具有更广泛意义的国际虚拟水贸易的战略环评也未见研究。
笔者只对虚拟水战略的环境影响评价进行了初步的探究,简单提出了虚拟水战略环评的概念、原则、内容、步骤,以及开展的必要性,仅起到抛砖引玉的作用。实际上,这一工作还需开展更为深入的探讨,比如明确虚拟水战略环评与国家规划环评、政策环评及其他环评之间的关系,如何对国际虚拟水贸易进行战略环境影响评价,如何有效建立虚拟水战略环境影响评价的指标体系,如何建立虚拟水战略环评的后评价制度等。
5 结 论
虚拟水理论 篇5
关键词：虚拟水战略,农业产业,空间布局,优化,宁夏
水资源是影响区域农业生产发展与空间布局的基础性资源。20世纪90年代初期,英国学者Allan提出虚拟水的新概念[1],认为虚拟水是指生产产品和服务中所需要的水资源数量,即凝结在产品和服务中的虚拟水量[2],这为水资源问题的深入研究开创了新领域。虚拟水战略是指贫水国家或地区通过贸易的方式从富水国家或地区购买水密集型农产品(尤其是粮食)来保障自己国家或地区内的水资源安全和粮食安全[3],它的提出为全球和地区解决水资源短缺问题提供了新思路。在全球和地区水资源短缺日益严峻的形势下,虚拟水战略越来越受到国家和地区政府以及水资源管理部门的重视,并开始在区域农业水资源开发利用和农产品贸易等方面付诸实施[4]。近年来,国内外学者对虚拟水问题的研究主要集中在虚拟水量化分析[5]、虚拟水贸易[6,7]、虚拟水战略内涵与实施[8,9,10]、虚拟水战略区划[11,12]、虚拟水战略与粮食安全[13]、虚拟水与农业空间布局[14,15]、区域水足迹研究[16,17]等方面。纵观国内外虚拟水研究成果,可以发现:在研究尺度上,国家尺度的研究居多,省(县)域尺度的研究较少;在研究内容上,主要以产品虚拟水的量化分析和水足迹的研究为重点,对虚拟水战略的应用研究仍显薄弱。宁夏地处西北内陆干旱地区,是全国水资源严重匮乏的省区之一,水资源短缺和空间配置不合理是制约区域农业生产与布局的主要限制性因素。基于此,本研究试图以虚拟水战略为背景,采用定性与定量相结合的方法,研究宁夏农业生产空间布局现状及存在的问题,探讨宁夏农业生产空间布局的理想模式,以期为优化区域水资源空间配置和农业空间布局,促进农业产业转型升级和结构调整提供参考。
1 研究区概况
宁夏回族自治区位于35°14′-39°23′N,104°17′-107°39′E之间,东邻陕西省,北接内蒙古自治区,南连甘肃省,处于东部季风区域与西北干旱区域的过渡地带,总面积5.19万km2。按自然地理特征划分为北部引黄灌区、中部干旱带和南部山区三大地理单元。平均海拔1 090-2 000 m,年平均气温5.3-9.9℃,年平均降水量183.4-677 mm。全区现有耕地面积110.35×104hm2,园地3.33×104 hm2,林地60.36×104hm2,牧草地233.09×104 hm2,其中,灌溉水田4.05×104hm2,水浇地36.99×104 hm2[18]。地表水资源拥有量84.47×108 m3,地下水资源拥有量215.42×108 m3。2012年,全区拥有总人口647.19万人,其中,农业人口402.94万人,农业总产值达到385.15亿元。农业生产耗水量287.36×108 m3,农村人畜耗水量6.29×108m3[19],共计占全区各行业耗水总量的89.9%。
2 研究数据与研究方法
2.1 指标体系构建
区域农业生产优势度评价指标体系是评价区域农业生产优势度的基础和依据,也是在虚拟水战略背景下研究宁夏农业生产空间布局的前提。根据虚拟水战略背景下区域农业生产优势度的内涵[8],立足宁夏农业生产实际,结合相关研究成果[15,20],在遵循科学性、系统性、可操作性、简洁性等原则的前提下,构建由资源禀赋、经济效益、社会效益、生态效益和技术保障5个一级指标共计17个二级指标构成的区域农业生产优势度评价指标体系(表1)。
注:表中“+”表示正指标,“-”表示逆指标;农业气象灾害指数值参考《西北地区国土主体功能区划研究》[21]中宁夏各县气象灾害指数值。
2.2 数据来源与处理
本研究的基础数据主要来源于:1《宁夏统计年鉴》(2013);2《中国区域经济统计年鉴》(2013)[22];3《2012宁夏回族自治区水资源公报》(总第二十七期);4国内外虚拟水研究成果中有关中国农作物产品和动物产品的虚拟水含量的研究成果[23,24];52012年宁夏各县市国民经济和社会发展统计公报。
为消除各样本指标的量纲差异,本研究采用极差标准化法对各指标原始数据进行无量纲化处理:
对正指标:
对逆指标:(1)
式中:xij、Xij分别指第i个样本第j个指标的原始值和标准化之后的数值分别指第j个指标所在序列的最大值和最小值。
2.3 研究方法
2.3.1虚拟水含量指数区域人均农村人口主要农产品虚拟水含量指数是表征当前区域农业生产布局现状和农业生产所贡献的虚拟水资源量的重要指标[25]。计算公式如下:
式中:Ai为区域人均农村人口主要农产品虚拟水含量指数,WFPi为区域主要农产品虚拟水总量,TPi为农村人口数量。
其中,区域主要农产品虚拟水含量由农作物产品虚拟水含量和动物产品虚拟水含量构成。在本研究中,农作物产品包括粮食(稻谷、小麦、玉米、大豆和薯类)、油料、药材、蔬菜和瓜果;动物产品包括牛肉、羊肉、猪肉、奶类、禽蛋和水产品。计算公式如下:
式中:WFc为农作物产品生产用水量,VWCc为单位质量农作物产品的虚拟水含量,Pc为第j类农作物产品的产量,n为农作物产品的类别数;WFl为动物产品生产用水量,VWCl为单位质量动物产品的虚拟水含量,Pl为第j类动物产品的产量。
2.3.2农业生产优势度区域农业生产优势度采用综合指数加权求和模型进行计算, 指标权重采用熵值法[26]确定。具体计算步骤如下:
1)计算指标比重。第i个样本第j项指标的比重:
式中,Kij为指标比重,Xij为标准化之后的数据,i为样本个数,j为指标个数。
2)计算指标熵值。第j项指标的熵值:
式中,ej为第j项指标的信息熵值,ln为自然对数,g=lnn, 0≤ej≤1(当Kij=0时,规定Kijln Kij=0)。
3)计算指标信息效用价值。
式中,dj为信息效用价值,ej为第j项指标信息熵值。
4)计算指标权重。第j项指标的权重值:
5)计算农业生产优势度。第i个样本的农业生产优势度:
式中:Sj为区域农业生产优势度,具体可分为五个等级,即:1低优势度(Sj≤0.3);2较低优势度(0.3<Sj≤0.4);3中等优势度(0.4<Sj≤0.5);4较高优势度(0.5<Sj≤0.6);5高优势度(Sj>0.6)。
2.3.3农业调整指数区域农业生产布局调整指数是判定虚拟水战略背景下地区农业生产贡献的虚拟水资源与其现实水土资源匹配程度的重要指标[25]。计算公式如下:
式中:Ti为调整指数,RSi为区域农业生产优势度排名,RAi为区域人均农村人口主要农产品虚拟水含量排名。当Ti>0时,说明该区域农业生产规模已经超出了其水土资源所能承受的合理范围,处于超载状态;当Ti<0时,说明该区域的水土资源优势并没有得到充分发挥,需要增加农业生产;当Ti=0时,说明该区域的农业生产规模与其水土资源的承受度基本一致,农业生产空间布局不需要作大的调整。具体包括三种类型:1生产布局合理型(-3≤Ti≤3);2生产布局过密型(Ti>3);3生产布局过疏型(Ti<-3)。
3 结果与分析
3.1 虚拟水战略背景下宁夏农业生产空间布局现状
根据公式(3)-(4),首先分别计算宁夏19个县市主要农产品虚拟水含量,再根据公式(2),求得宁夏各县市人均农村人口农产品虚拟水含量(表2)。在此基础上,借助Arc GIS 10.0软件绘制宁夏县域人均农村人口农产品虚拟水含量空间分布图(图1)。
根据表2和图1,可以看出宁夏县域人均农村人口农产品虚拟水含量空间分布存在如下特征。3.1.1人均农村人口虚拟水量呈现“北高南低”的空间分布格局宁夏县域人均农村人口农产品虚拟水含量空间差异显著,排名第1位的银川市人均农村人口虚拟水含量达到9 714.46 m3,而排名第19位的海原县人均农村人口虚拟水含量仅为1 378.27 m3。且人均农村人口农产品虚拟水含量的前9位县市全部位于北部引黄灌区;而人均农村人口虚拟水含量排名后5位的县市,除红寺堡区位于中部干旱带以外,其余各县市均位于南部山区。表明宁夏农业生产主要分布在北部平原地区,而中南部地区布局较少。这与宁夏农业生产布局的实际相一致。
3.1.2发达区域人均农村人口虚拟水含量高,欠发达区域人均农村人口虚拟水含量低宁夏北部引黄灌区各县市经济发展水平普遍高于中部干旱带和南部山区各县市,而这与宁夏县域人均农村人口虚拟水含量空间分布格局基本一致。具体来看,在研究区的19个县市中,位于北部引黄灌区的银川市经济发展水平最高,其人均农村人口虚拟水含量也最高。而位于南部山区欠发达区域的海原县经济发展水平相对较低,其人均农村人口虚拟水含量也最低。
3.1.3区域人均农村人口虚拟水量空间分布与降水量空间分布不匹配宁夏北部引黄灌区的银川市、平罗县、贺兰县、石嘴山市、利通区、永宁县、青铜峡市、灵武市的人均农村人口农产品虚拟水含量普遍较高,而中宁县、沙坡头区、盐池县、同心县居其次,南部山区的原州区、西吉县、彭阳县、隆德县、泾源县的人均农村人口虚拟水含量普遍较低。这与宁夏区域降水量分布由南向北逐步递减的规律并不匹配。
3.2 虚拟水战略背景下宁夏区域农业生产优势度
首先根据公式(1)对宁夏区域农业生产优势度各评价指标的原始数据进行标准化处理,在此基础上根据公式(5)-(8)确定各指标权重(表1),再根据公式(9)分别计算宁夏19个县市的农业生产优势度的综合评价得分(表3),并借助Arc GIS 10.0软件绘制出宁夏县域农业生产优势度空间分布图(图2)。
根据表3和图2,可以发现在虚拟水战略背景下,宁夏区域农业生产优势度空间差异显著,具体可从两方面分别分析:
1) 从虚拟水战略背景下宁夏区域农业生产优势度所属的等级来看,在研究区的19个县市中,低优势度等级的县市有7个,较低优势度等级的县市有7个,较高优势度等级的县市有2个,中等优势度等级的县市有3个,没有属于高优势度等级的县市。这种空间分布规律表明,在虚拟水战略背景下,宁夏区域农业生产优势度存在着较大差异。
2)从虚拟水战略背景下宁夏区域农业生产优势度等级空间分布结构看,整体呈现北部高,中南部偏低的宏观态势。其中,较高优势度和中等优势度区域主要分布于北部灌区的平罗县、贺兰县、永宁县、灵武市、青铜峡市等市县;低优势度区域主要分布于中南部地区的红寺堡区、同心县、原州区、西吉县、隆德县、彭阳县、海原县等县市。这种分布态势与传统的区域农业生产优势度的空间分布并不完全吻合。主要是因为在虚拟水战略背景下,区域农业生产优势度的影响因素与传统的农业生产优势度的影响因素存在一定差异,致使评价结果也不完全一致。
3.3 虚拟水战略背景下宁夏区域农业生产空间布局的调整
根据公式(10)计算宁夏区域农业生产布局调整指数(表4),借助Arc GIS 10.0软件绘制虚拟水战略背景下宁夏区域农业生产布局类型图(图3)。
根据表4和相关研究成果[15],立足宁夏农业发展的实际,遵循《宁夏回族自治区主体功能区规划》[27]所制定的区域农业发展方向,具体可作如下调整:3.3.1农业生产布局合理型农业生产布局合理型的县市包括灵武市、永宁县、贺兰县、平罗县、红寺堡区、盐池县、沙坡头区、中宁县、原州区、西吉县、彭阳县、隆德县和海原县13个县市。其中,平罗县和西吉县的农业生产布局调整指数为0,表明该区域在虚拟水战略背景下,基本不需要调整农业生产布局,平罗县因其优越的农业生产条件,在今后一段时期内,将继续为区域食物安全和虚拟水战略的实施服务。而西吉县因其属于国家级重点生态功能区,不宜扩大农业生产与布局;永宁县、贺兰县、灵武市、隆德县、沙坡头区、中宁县、海原县的调整指数为负值,说明区域农业地域资源优势还未发挥出来,在虚拟水战略背景下可以根据地区农业发展的实际,适度扩大农业生产;红寺堡区、盐池县、原州区、彭阳县的调整指数为正值,说明区域水土资源已经超载,在虚拟水战略背景下需要适度压缩农业生产规模,以减轻区域水土资源的压力。
3.3.2农业生产布局过密型农业生产布局过密型的县市包括银川市、石嘴山市、利通区和同心县4个市县。农业生产布局调整指数大,尤其是银川市,达到9,表明区域农业生产布局现状与虚拟水战略背景下农业生产布局现状不吻合,也就是说,在虚拟水战略背景下,这些县市在保障区域水资源和食物安全方面,做出的贡献已经远大于其应承担的责任。故此,在虚拟水战略背景下,这些区域应当对现有的农业生产布局进行合理调整,适当压缩高虚拟水含量农产品的生产,保证非农用水尤其是生态用水的安全。
对于地处宁夏北部平原地区,水土资源优越,经济发展水平较高的银川市、石嘴山市和利通区,今后的发展方向是实施虚拟水战略,提高水资源利用率,适当减少高耗水农产品的生产,保证生态用水、生活用水和工业用水的供应;对于地处中部干旱带的同心县,今后的发展方向是调整农业种植结构,发展旱作高效节水农业,减少高耗水农产品的生产,并根据区域发展的实际,探索实施虚拟水战略,弥补地区生态用水的不足,改善区域生态环境。
3.3.3农业生产布局过疏型农业生产布局过疏型的县市包括青铜峡市和泾源县2个市县。农业生产布局调整指数小,其中泾源县调整指数最小,为-12,表明区域农业生产布局与虚拟水战略背景下区域农业生产布局现状不吻合,即在虚拟水战略背景下,该县市在保障区域水资源和食物安全方面,做出的贡献远低于其应承担的责任。故此,在虚拟水战略背景下,这些县市应充分利用农业地域资源优势,积极发展农业特色优势产业[28],为保证区域食物和水资源安全做出其应有的贡献。对于经济发展水平较高的青铜峡市,今后的发展方向是提高农业集约化经营水平,大力发展高效农业和设施农业,优化农业生产布局和种养殖结构,促进农业经济健康发展;对于地处南部山区的泾源县,今后的发展方向是以水土保持和生态修复为重点,大力发展林果产业、中药材产业和畜牧养殖业等适合当地资源环境的特色农业,提高农业产业化水平,实现区域生态、经济和社会的协调发展。
4 结论
通过对虚拟水战略背景下宁夏农业生产空间布局现状和理想空间布局模式的研究,可以得出以下基本结论:
1)宁夏县域人均农村人口虚拟水量呈现“北高南低”的空间分布格局,发达区域人均农村人口虚拟水含量普遍高于欠发达区域人均农村人口虚拟水含量,农业生产以北部平原地区为主体进行布局,中南部地区布局较少,农业生产布局的密度与区域降水量之间并不协调。
2) 宁夏区域农业生产优势度空间差异显著,整体呈现北部地区高,中南部地区偏低的宏观态势。其中,高优势度区域主要分布于北部灌区的平罗县、贺兰县、永宁县、灵武市、青铜峡市等市县;低优势度区域主要分布于中南部地区的红寺堡区、同心县、原州区、西吉县、隆德县、彭阳县、海原县等县市。
3)宁夏区域农业生产布局可分为农业生产布局合理型、农业生产布局过密型和农业生产布局过疏型三种类型。其中,灵武市、永宁县、贺兰县、平罗县、红寺堡区、盐池县、原州区、西吉县、彭阳县、沙坡头区、中宁县和海原县13个县市为农业生产布局合理型;银川市、石嘴山市、利通区和同心县4个市县属于农业生产布局过密型;农业生产布局过疏型的县市包括青铜峡市和泾源县2个市县。
虚拟水理论 篇6
关键词：水资源管理,虚拟水,虚拟水战略,农产品,京津冀地区
水资源短缺是21世纪全球面临的主要问题之一。水资源的不均匀分布造成很多国家和地区水资源匮乏,并严重制约社会经济的发展。如何合理有效地利用水资源成为当前研究的热点。以前人们只关注研究区内的实体水资源,忽视了通过作物等利用的“隐式”水资源。1993年,Allan教授[1]提出了的虚拟水概念为国内外分析和研究水资源问题提供了新思路。程国栋院士[2]最先将虚拟水概念引入我国;随后,徐中民等[3]对甘肃2000年城乡居民消费虚拟水的数量进行估算;罗贞礼等[4]对郴州市农产品虚拟水进行量化分析;龙爱华等[5]对2000年我国西北四省区居民消费虚拟水的数量进行估算,提出应用虚拟水战略的前景和有关措施。本文结合海河流域京津冀3省市的实际情况,在可获得资料和数据的基础上,计算该研究区2003～2007年居民消费的虚拟水数量及虚拟水总量,旨在为该地区水资源战略的有效实施提供理论依据。
1 虚拟水及虚拟水战略的概念
水资源作为产品生产的最基本要素之一,大量蕴藏在各种产品及服务中。虚拟水指生产商品和服务过程中消费的所有水资源。顾名思义,虚拟水不是真实意义上的水,是以虚拟的形式包含在产品(主要指农、林、畜产品)中的看不见的水。虚拟水同时被称为“嵌入水”或“外生水”,这两种说法的侧重点有所区别,前者侧重特定产品以不同形式包含有一定数量的水,后者指进口虚拟水的国家或地区使用非本国或地区的水。例如生产1 kg粮食大约需要1～2 m3水;生产1 kg奶酪和牛肉分别需水大约5～5.5 m3和16 m3[6];根据Williams等[7]的研究成果,生产质量2g的32 M计算机芯片需要消耗0.32 m3水。
虚拟水战略指贫水国家或地区通过贸易方式,从富水国家或地区购买水资源密集型产品(尤其是农产品),以节约本国或本地区的水资源,从而获得水资源安全和粮食安全的战略[8]。虚拟水贸易对那些水资源紧缺的地区提供了水资源的一种替代供应途径,并且不会产生恶劣的环境后果,能较好地减轻当地水资源紧缺压力,而且对各个参与虚拟水贸易的国家或地区来说,还能增强这些国家和地区粮食安全的相互依赖性,减轻国家或地区之间因为水或粮食问题所引起的直接冲突,有利于创造持久的合作关系。
2 虚拟水研究方法简介
目前计算农作物虚拟水含量主要有两种方法,一种是Chapagain等[9]提出的研究不同产品“生产树”方法;另一种是Zimmer等[10]提出的基于对不同产品类型区分的计算方法。笔者采用第二种方法,依据作物需水量来推算农作物虚拟水含量。作物需水是指作物在生长发育期间蒸发蒸腾所消耗的水资源量,通常采用联合国粮农组织(FAO)推荐的标准彭曼公式进行计算。农作物需水量近似等于农作物在生长发育期间实际累积的蒸发蒸腾水量,主要是由于农作物的需水量很大程度上取决于其成长期间积累的蒸发蒸腾水量,而作物本身的含水量只占很少一部分,可以忽略不计。
注:①括号内数据分别为单位质量原粮产量和虚拟水含量,括号外数据分别为单位质量净粮食产量和虚拟水含量;②水稻的Kc和ET0数据获取参考文献[11]。
农作物需水量的计算公式为
式中:Wc为农作物需水量;ETc为某一农作物的在生长发育期间实际累积蒸发蒸腾水量;ET0为参考作物蒸发蒸腾水量;Kc为作物系数,反映实际作物与参考作物表面植被覆盖与空气动力学阻力及生理与物理特征的差异。
得到作物的需水量后,就可以计算出单位作物所含的虚拟水量,其计算公式为
式中:Dci表示i区域c作物单位质量的虚拟水含量,m3/t;Wci为i区域c作物的需水量,m3/hm2;Yci为i区域c作物的产量,t/hm2。
计算动物产品虚拟水含量需要的数据很多,并且这些数据通常难以获得,因此,笔者依据Chapagain等[9]等根据FAO和WTO提供的数据资料,按照贡献度大小对世界100多个国家单位质量动物产品的虚拟水含量估算的结果,选用其中有关中国的估算结果。
3 京津冀地区2003～2007年农产品虚拟水状况分析
海河流域,就行政范围而言,包括京、津、冀3省市和鲁北4地市(26个县市)、豫北6地市(27个县市)、山西5地市(40个县市)、内蒙古2个盟(6个县旗)。京津冀3省市在人口和经济规模方面居海河流域主要地位,考虑到统计资料获取完整性和可操作性,笔者仅以京津冀3省市的消费、生产等经济活动为研究对象,针对流域内典型区域的农产品虚拟水状况进行研究。
3.1 计算分析
根据京津冀地区相关的统计数据,利用式(1)和式(2),对京津冀地区主要农作物(玉米、小麦和水稻)单位产品的虚拟水含量进行计算,其计算结果见表1,其中单位质量原粮产出净粮食比为0.7;不同作物换算方法依据我国统计部门的折算方法。
以表1中的单位产品虚拟水含量为基础,依据京津冀地区城乡居民消费统计数据,可计算出2007年京津冀地区虚拟水数量及生产产品包含的虚拟水总量,结果见表2、表3和表4。2003～2007年京津冀地区生产产品的虚拟水总量见表5。
3.2 结果分析
a. 由表5可知,2003～2007年京津冀地区生产产品虚拟水总量呈上升趋势,虚拟水总量从2003年的1 633.45亿m3增长到2007年的1 698.15亿m3。从地区看,北京、河北、天津的生产产品虚拟水含量也呈现出逐年上升的态势。由此可见,虚拟水含量揭示了社会对水资源的真实消费状况,呈现出产品对水资源的巨大消耗量,对水资源战略管理起着不可忽视的重要作用。
b. 以2007年为例,研究区内全年消费虚拟水数量和实际生产产品中的虚拟水含量分别为571.36亿m3和1 698.15亿m3,是该区域2007年实际水资源总量(实体水)247.9亿m3的2.31倍和6.85倍,由此可见,区域间虚拟水贸易对调解地区间水资源供应平衡起着非常重要的作用。
c. 虚拟水含量计算的影响因素很多,笔者选取的是对虚拟水含量影响较大的12个生产产品因素,因此上面的计算结果仍然是保守估计结果,但从上述虚拟水的计算结果仍可以看出,虚拟水计算可以定量揭示对水资源的真实利用情况。
注:数据来自2008年《北京统计年鉴》、《天津统计年鉴》、《河北经济年鉴》。
注:由于北京市、河北省家禽肉实际产量和京津冀棉布及制品实际产量的统计数据缺失,家禽肉产品虚拟水量采用其消费的虚拟水总量代替;京津冀的棉布及制品实际产量采用棉花产量代替。
d. 从区域角度看,利用虚拟水战略可以提高单位水资源的利用效益;从全国角度看,虚拟水战略也将促进全国水资源的充分利用,从而平衡和提高水资源的利用效率。
4 虚拟水战略下的京津冀地区水资源战略对策
运用科学理论和区域政策体系对水资源管理进行虚拟水战略研究,可有效地提高水资源利用效率,解决地区间水资源平衡问题。笔者通过对京津冀地区虚拟水研究,提出以下提高水资源利用效率的对策。
a. 北京、天津、河北同处一个流域单元,其水资源环境是一个整体,需要统筹考虑,但目前在水资源开发、利用与保护方面,京津冀3省市还是各自为政,缺乏统一规划,缺乏协调发展和协作。改进水资源的管理体制,应在强化节水的基础上进行水资源统一优化配置研究,充分发挥水源的综合利用效益,平衡区域间水资源利用赤字。
b. 针对京津冀地区水资源严重短缺问题,运用虚拟水战略可以优化产业布局,减少高耗水产业,将有限的水资源投入到低耗水高效益产业,提高用水效率,并将节约下来的宝贵水资源运用到生态、经济建设上,从而缓解区域的水资源紧缺压力和环境恶化压力,实现资源的优化配置。
c. 河北省作为我国重要的农业大省,水资源消耗巨大,长期为京津两地提供水资源,因此应建立完善的水资源补偿机制,对河北省进行必要的补偿,以保障上游地区的特殊性发展,体现公平效率原则和平等协商机制。
虚拟水理论 篇7
水资源缺乏目前已经成为全球性的巨大问题。我国是世界上缺水国家之一,除总体水量缺乏以外我国水资源还面临着时空分布不均匀等问题,东南部水资源较为丰富,而西北部水资源短缺问题严峻。随着人口的增长、经济发展速度的加快水资源的瓶颈问题将更加突出。如何在保持生态环境用水量的基础上合理配置和充分利用我国现有的水资源量来促进社会、经济的健康发展是当今研究者与决策者关注的重要问题,虚拟水与水足迹概念的提出为分析和研究水资源问题提供了一种新的思路。
1 水足迹与虚拟水的概念
任何已知人口(某个人、一个城市、一个区域或全球) 的水足迹是(某个人、一个城市、一个区域或全球)生产的产品和提供消费服务所需要的水资源总量。水足迹即包括人类生活所必须的食物、各种日用品生产时所消耗的水资源和生活直接消耗的水资源。同时也包括为人类提供生态系统服务和功能的生态环境所消耗的水资源。因此, 水足迹可以真实地反映人口(某个人、一个城市、一个区域或全球)对水资源的真实需求和真实占用情况,反映了人类对水资源量的压力, 为科学利用有限的水资源提供决策依据。
与人类生活耗水概念——水足迹对应的产品生产和服务需水概念——虚拟水,在20世纪90年代由Tony.Allan教授第一次提出。生产产品或服务都需要水资源,虚拟水的概念,由此而产生。虚拟水的概念关系到水资源、食物供应和区域水市场的建立等方面的问题。
2 水资源需求量的衡量
水足迹与虚拟水是从两个不同的角度分析人类生产生活对水资源的需求量,故衡量人口需要水资源的数量可以通过两种形式进行计算[1]。
第一种形式从生产者的角度分析, 将产品虚拟水含量定义为实际生产单位产品所需的水量。这种方法下虚拟水的数量受作物生产的时间、地点和水资源利用效率等生产条件的影响。
第二种形式从消费者的角度, 将水足迹定义为被消费的产品消耗的水量。在进口替代和平衡区域水资源赤字的时候,这种方法忽略了两地生产条件的不同。这一概念提示决策者可以通过进口产品来节约当地的水资源,解决区域水资源赤字的问题。
3 水足迹与虚拟水具体计算
根据我国当前水资源时空分布不均的情况,这里分两种不同情况的地域对区域水足迹与虚拟水进行计算。①对水资源丰富地区江西省主要农产品虚拟水含量和城乡居民水足迹进行计算;②从前人[2,6]研究成果中得到水资源相对比较缺乏的西北地区甘肃省和陕西省虚拟水消费情况;③对以上三省居民主要消费品虚拟水含量情况进行比较分析。
3.1 数据来源
江西省水足迹与虚拟水计算数据来源:①FAO 的CLIMATE 数据库和CROP 数据库有关中国部分的数据;②国际虚拟水研究的中国动物产品虚拟水含量计算成果;③江西省统计2000年鉴和相关的研究成果。
甘肃和陕西省的水足迹与虚拟水的计算结果来源于徐中民、龙爱华、张志强等人的研究成果。
3.2 江西省水足迹与虚拟水的计算
3.2.1 江西省农产品虚拟水计算
农作物需水计算首先根据FAO 的CLIMATE 数据库和CROP 数据库有关中国部分的数据,采用联合国粮农组织推荐的标准彭曼公式进行计算。首先计算了江西省(区) 主要作物的需水, 分别根据各地区作物种植面积占各省比例进行加权调整, 得到不同初级作物产品生产的平均需水量, 考虑到单位面积作物产量与最终产品加工转化率后的产量有一定的变化,这里选用初级产品最终产品率这个指标(见表1第1项),从而得到最终农产品的虚拟水含量(见表1第4项),然后根据江西省2000年各种主要作物的产量(见表1第5项)计算出其虚拟水的消耗量(见表1第6项)。
计算结果表明:2000 年江西省每生产1 kg净粮食需要消耗1 760 kg 的虚拟水;生产1 kg油料需要消耗10 190 kg的虚拟水;生产1 kg棉花需要消耗17 890 kg的虚拟水;生产1 kg糖料需要消耗1 230 kg的虚拟水;生产1 kg蔬菜需要消耗270 kg的虚拟水;生产1 kg烟叶需要消耗8 310 kg的虚拟水。2000年江西省粮食作物的虚拟水含量最高占所计算作物虚拟水含量总量的83.91%,其次是油料和蔬菜,可见江西省农作物消耗水资源主要在粮食作物,更具体的说是水稻,说明的江西省是我国粮食作物水资源消耗量较大的省份。
3.2.2 江西省城乡居民水足迹计算
这里主要根据单位农产品虚拟水含量计算结果和相关统计年鉴数据, 计算了2000 年江西省城乡居民主要产品虚拟水消费量。由于动物产品虚拟水的计算需要的数据较多并且不容易获得, 单位动物产品虚拟水含量采用Chapagain 和Hoekstra 根据世界各国动物和动物产品贸易数据, 计算世界各国动物产品虚拟水含量研究中中国部分的数据成果[3]。
从表1中可以看出2000年江西省粮食作物的虚拟水含量为406.87×108 m3,在表2中江西省全省居民(包括农村居民和城乡居民)在粮食上占有水足迹为304.24×108 m3,占全省粮食作物虚拟水耗量的74.78%,考虑到往年存粮与当年粮食贮藏可以抵消,可以认为粮食除本年消耗外,其他粮食即102.63×108 m3虚拟水用于省外与国外出口,占江西省水资源总量的7.11%(江西省2000年水资源年报中水资源总量为1 443×108 m3)。
3.3江西、甘肃和陕西3省城乡居民生活消费虚拟水含量比较与分析
江西省是水资源丰富地区的典型,甘肃、陕西省属于西北地区,水资源比较缺乏,但三省经济发展情况差不多,可以对三省的居民消费情况进行比较。
对三省进行总体比较发现以下的现象:城乡居民人均消费粮食虚拟水含量都低于农村居民;其中江西省城乡居民的消费的虚拟水高于陕西、甘肃两省,而城乡居民消费粮食虚拟水含量低于陕西、甘肃两省;陕西、甘肃两省人均消费虚拟水含量与粮食虚拟水含量之间的差距不大且均小于江西省的情况。产生以上现象的一个主要原因是3个省份居民的消费模式和消费结构不同;农村与城乡消费模式和消费结构不同。
注: ①括号中为单位原粮虚拟水含量,括号外为单位净粮食虚拟水含量,单位原粮产出净粮食为0.7;不同作物换算成粮食的方法依据我国统计部门的折算方法;②这里假设每包卷烟折算成烟叶0. 1 kg;③单位需水的确定参考了文献[10,11]确定;④每米棉布折算成棉花纤维2 kg;⑤2000年江西省城镇人口为1 145×104人,农村人口为2 994×104[9]人;⑥缺少数据。
通过对2000年三省居民人均食用消费品中排列前五位的产品①和重量排列前五位的产品进行研究,发现:①人均消费产品中,无论从虚拟水含量还是重量角度来看城乡居民比农村分配均匀,且农村人均食用主要体现在粮食上百分比超过60%;②城市居民人均消费产品重量最高的是蔬菜,其次是粮食,而农村居民相反,农村与城市消费模式不同;③陕西省与甘肃省居民人均食用虚拟水消费结构相似,与江西省差距较大,江西省居民人均消费粮食比例比其他两省小10%左右。
江西省单位重量粮食虚拟水含量(2.52)是蔬菜虚拟水含量(0.2)的12.6倍,山西省单位重量粮食虚拟水含量(2.46)是蔬菜虚拟水含量(0.105)的23.45倍,甘肃省单位重量粮食虚拟水含量(2.63)是蔬菜虚拟水含量(0.135)的19.48倍,可见当人均消耗1 kg的粮食就相当于消耗12.6 kg(在江西)、23.35 kg(在陕西)或19.48 kg(在甘肃)的蔬菜。可见消费模式与消费结构的改善可以显著的降低虚拟水的消费量。从蔬菜和粮食虚拟水含量可以看出单位蔬菜的虚拟水含量远远小于粮食,但是在缺水地区的农民的意识中宁愿将更多的水资源投入到粮食中而不愿将水用于种植蔬菜,造成当地蔬菜短缺价格偏高,对于经济不发达的地区居民在消费时将更多的选择耗用水资源较多但价格较低的粮食,就更加造成消费结构的不协调。
4 结 语
虚拟水的概念为衡量区域水资源消费利用提供了一个新思路, 基于虚拟水消费的水足迹的衡量为人类占用水资源量提供了一个崭新的视角,更重要的是它们对全球性的水资源利用提出了战略性启示。 从上文计算中人均生活消费费产品虚拟水的含量的计算体现了各种消费产品与水资源的内在关系,从另一个角度说明了节约各种生活工作消费品,就是节约水资源,使人类对水资源的节约问题的认识提升到一个新的高度。
我国西北部两省与中部一省消费模式与消费结构的差异,以及我国农村居民与城乡居民消费模式与消费结构的差异,反映了目前我国在消费模式与消费结构方面存在的问题,故调整缺水地区的消费模式与消费结构可以显著地降低虚拟水的消费数量。消费与生产是紧密联系在一起的,生产结构决定消费结构,消费结构反作用于生产结构,所以必须将消费与生产两个环节联合起来共同调整来,降低各地区尤其是缺水地区虚拟水的消费数量。与此同时加强虚拟水贸易可以促进生产结构的调整和降低缺水地区的虚拟水消费数量。总之,对于我国缺水地区应采取区域内部生产与消费结构调整,进口区域外部虚拟水的内外水政策。
摘要：虚拟水是水资源管理领域提出的新概念,水足迹是继生态足迹以后的又一衡量资源占有量的新方法,这两个概念深刻的揭示了生产产品和居民生活消费所需要的水资源量。根据虚拟水与水足迹的计算方法对2000年江西省主要农产品虚拟水含量和城乡居民生活消费虚拟水含量进行计算,然后与陕西、甘肃两省城乡居民生活消费虚拟水含量进行比较分析,得出了调整区域生产与消费结构,增加虚拟水贸易,是缓解我国缺水地区水资源短缺与社会、经济发展矛盾的新途径的结论。
关键词：水资源,虚拟水,水足迹
参考文献
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