天津市水資源足跡趨勢預測與動態調節

李 健，張吉輝

(1．天津大學管理與經濟學部，天津300072;2．天津理工大學循環經濟研究院，天津300191)

我國雖然是一個水資源大國，但是人均量僅為世界人均水資源量的28%左右，且分布極度不均，近年常出現部分區域水災、冰災和雪災而其他區域卻出現旱災的現象，如何預測區域水資源趨勢，實現區域內、區域間的動態調節已經成為需要。隨著區域間貿易量的不斷擴大，通過實物交換帶來的區域間虛擬水資源貿易占比越來越大［1］，因此，從水資源足跡視角進行區域水資源趨勢預測和動態調節具有重要現實意義。“水資源足跡”(起源于生態足跡)由Hoekstra首次提出，Chapagain和Hoekstra(2004)研究出全球水足跡約為7．45×1012m3/年，人均水足跡為1 240 m3/年，而中國人均水足跡僅為700 m3/年［2］。Klaus Hubacek(2009)采用 IO 模型對2020年中國的水足跡情況、水足跡結構進行了預測，提出了區域間水足跡協調措施［3］。Chapagain(2009)以全球對西班牙番茄的消費為例對水足跡算法進行了改進［4］。Ridoutt(2010)以澳大利亞芒果為例對食物廢棄物中的水足跡進行了計算，實現了對水足跡測算范圍的補充［5］。Kathleen等(2010)引入了模糊IO模型對水足跡約束下的生態工業產業鏈優化進行了研究［6］。自水足跡概念引入我國以來，它在解決我國水資源短缺與糧食安全、生態環境等問題得到初步應用，王新華［7］、馬靜［8］、黃林楠［9］、譚秀娟［10］等學者也分別對水足跡的計算方法進行了研究。

國內外學者對國家、地區的水足跡研究主要集中于其來源和計算方法，較少對區域水資源足跡趨勢進行預測和調節。本研究以天津市為例，以2004—2009年水資源足跡計算數據為基礎，對其發展趨勢進行預測，并提出動態調節策略，使從新視角實現區域水資源可持續利用成為可能。

1 水資源足跡的內涵及其測度

1．1 水資源足跡的內涵

水資源足跡(water footprint，WF)是指生產已知區域內人口在一定時間內消耗的所有產品和服務所需要的水資源量［11］。水資源足跡根源于說明人類消費、水資源利用、貿易和水資源管理之間的隱性關系，包含藍水、綠水和灰水(藍水是指存在于江、河、湖泊及含水層中的地表水與地下水的總和，即通常所指的水資源;綠水是指通過作物蒸發消耗的非飽和水;灰水是指將排放水稀釋淡化到達標所需新鮮水量)［12］。

1．2 水資源足跡的測度

一個國家或地區的水資源足跡的測度有兩種方法:一種是自上而下的方法，即區域內水資源利用量加上虛擬水(virtualwater，是指生產商品和服務所需要的水資源數量［13］，通過產品貿易實現其在區域間的流動)凈輸入量(虛擬水進口量減去虛擬水出口量)，可以表示為

式中:WF為一個區域的水足跡;WU為區域內產品生產的總用水量，包括綠水和藍水;VWE為產品虛擬水出口量;VWI為產品虛擬水進口量［14］。另一種方法是自下而上的方法，它將該區域人口所消費的商品、服務數量與各自的單位產品虛擬水含量相乘求和得到。其公式為

式中:DU為生活用水量;EU為生態用水量;Pi為第i種產品消費量;VWCi為第i種產品虛擬水量。

2 天津市水資源足跡的測度及趨勢預測

2．1 天津市水資源概況

天津市地處華北平原東北部，東臨渤海，北枕燕山，與首都北京毗鄰，多年平均降水量為720～560 mm，6，7，8三個月降水量占全年的75%左右，天津是海河五大支流南運河、北運河、子牙河、大清河、永定河的匯合處和入海口，流經天津的一級河道有19條，總長度為1 095．1 km，二級河道有79條，總長度為1 363．4km，引灤入津工程建成后，灤河水已成為天津市重要供水水源，同時，天津市北部有一定量地下水源。近10年，天津市平均水資源總量為11．77億m3［15］，分布格局為北多南少。

2．2 天津市水資源足跡測度

本研究采用綜合計算方法:生活用水、生態用水和工業用水屬于藍水，其用水量約等于其水足跡，而農業用水足跡包含藍水和綠水，需采用自下而上的方法，此外，虛擬水貿易帶來的水足跡和灰水足跡 (按照污水排放量1∶1比例計算)單獨計算。2004—2009年天津市生產用水 (第一產業、第二產業、第三產業)、生活用水、生態用水和污水排放情況如表1所示［16］。2004—2009年天津市主要農副產品產量如表2所示。通過整理和計算可得2004—2009年天津市水足跡 (工農業用水足跡、虛擬水貿易和灰水足跡)情況如表3所示。

表1 2004—2009年天津市水資源使用情況 億m3Tab．1 W ater resources utilization of Tianjin in 2004—2009 108 m3

表2 2004—2009年天津市主要農副產品產量 萬tTab．2 M ain agricultural production of Tianjin in 2004—2009 104 t

2．3 天津市水資源足跡趨勢預測

從表3看出，2004—2009年天津市水足跡和人口變化量相對較小，總體趨勢均為緩慢上升，本研究采用線性函數對這兩個變量進行擬合和預測，二者的擬合函數、實際數據如圖1、圖2所示。水足跡擬合函數的精度為0．706，人口數量擬合函數的精度為0．968，相對較高，按照這兩個擬合函數對2010—2015年天津市水足跡和人口進行預測，計算人均水足跡，結果如表4所示。

表4 天津市人均水足跡預測表Tab．4 Water footprint per capita of Tianjin

3 天津市水資源足跡動態調節

從表3中數據可以看出，2004—2009年天津市的年度水足跡保持在65～80億m3之間，總量相對比較豐富，但是，人均水足跡處于620～660 m3之間，低于我國人均水足跡(700 m3)，約為世界人均水足跡的1/2(1 240 m3)，僅為美國人均水足跡的 1/4(2 480 m3)［17］。隨著人口規模的增長，天津市人均水足跡自2004年開始總體處于下降趨勢，而水足跡占比最大的兩項分別是農業水足跡和虛擬水貿易，農業用水足跡達到了80億m3左右，虛擬水貿易造成的年水足跡順差(凈輸出量)達到30億m3以上。從表4可看出，2010—2015年天津市水足跡和人口總量變化趨勢均為緩慢上升，但是由于人口基數較大，人均水足跡有小幅度下降，而且將成為一種長期趨勢。因此，天津市水足跡分配和利用現狀不盡合理，且未來人均水足跡偏低的狀況將更加嚴峻，急需進行動態調節。

(1)調整產業用水結構，實現農業用水向工業和服務業轉移。工業節水一直受到普遍關注，天津市在這一環節上處于全國前列，工業用水效率相對較高，但是仍然處于缺水狀態，應鼓勵農業逐步采取集約型灌溉方式，提高農業水資源利用效率，著力調整產業用水結構，實現水資源向利用效率更高的工業和服務業轉移。

(2)轉變虛擬水貿易策略，逐步實現虛擬水貿易逆差。盡量減少初級農產品和富水足跡產品輸出量，減少富水足跡產品的生產，增加其輸入量，實現凈輸入量由負轉正，通過這一策略提高區域水足跡總量。天津市每年由于虛擬水貿易造成水足跡流出30億m3以上，應從其他富水區域進口工業產品和虛擬水含量較高的農副產品，如肉類、棉花等，同時減少自身同類農產品的生產，有效解決區域缺水問題。

(3)優化產品消費結構，實現水足跡的合理分配。肉、奶制品、禽蛋類和水果等高水足跡產品消費量的增長造成農業相關水足跡較高，且城鄉居民分配不均，盡量優化這些產品消費結構，實現農業用水足跡、城鄉居民水足跡的合理分配。

(4)提高農業用水和生活污水排放達標率，從源頭減少灰水量。近年來，天津市農業廢水和生活污水排放達標率最高分別為70%和85%左右，遠低于工業近99．99%的達標率，需要重點關注。著力減少COD、氨氮、氮氧化物等化學污染物的排放量，從源頭上減少灰水量，從而減少水資源在生態環節的浪費。

(5)建立水足跡定期監控和預警機制，實現區域水足跡的科學調控。應該建立水足跡定期監控機制，根據數據掌握區域水足跡情況，與歷年數據進行比較，以獲得本區域水足跡實況，為水資源預警和用水調節策略的制定提供數據支持。天津市作為資源型缺水城市更應注重水足跡監控和預警，避免長期水足跡赤字，以保證本市經濟正常發展和人民正常生活。

4 結語

水資源足跡可測度一定時間維度和空間維度內的水資源分布情況，真實地衡量人類社會對水資源利用情況，以天津市為例，引入虛擬水貿易和水足跡赤字，從生產用水、生活用水、生態用水和污水排放等方面分別進行了水足跡計算，并用精度較高的擬合函數對未來幾年天津市水足跡趨勢和人口趨勢進行了預測，針對人均水足跡較低(2009年為657 m3)且仍將繼續下降的趨勢，提出了調整產業用水結構、轉變虛擬水貿易策略、優化產品消費結構、提高三大產業污水排放達標率、建立水足跡定期監控和預警機制等動態調節策略，以提高區域水資源調節的可操作性，為實現區域內、區域間水資源合理配置提供理論支持。

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