基于虛擬水足跡的京津冀合作生態補償機制研究

苑清敏，孫愷溪

(天津理工大學循環經濟與企業可持續發展中心，天津 300384)

0 引 言

水是保證經濟和生態安全不可或缺的資源。京津冀地區位于全國最缺水的海河流域，是水資源開發程度最高的地區，水資源稀缺和水污染正在成為制約發展的最大短板。據數據統計表明，京津冀區域人均水資源僅286 m3，遠低于國際公認的人均500 m3的“極度缺水標準”。2017年3月京津冀三地政協主席聯席會圍繞“三地協同保護水資源”主題開展討論，協同推進水資源保護、水污染防治和已經受到嚴重污染的水體治理。中國政府頒布《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》、《水污染防治行動計劃》等政策文件，并提出了2015、2020和2030年“三條紅線”控制指標。可見，研究水資源承載力和水足跡對實施最嚴格水資源管理制度和實現區域經濟社會的可持續發展具有重要的現實意義。

水足跡指某個國家、地區或個人，在某段時間內消費的所有服務與產品需要消耗的水資源數量，反映人類對水資源的真實占用情況[1]。很多研究表明，直接利用實體水資源是遠遠低于以間接方式存在所有服務和產品形式的虛擬水消費[2,3]。本文認為虛擬水足跡是指產品和服務生產過程中直接或間接所需要的水資源總和[4]。由于農業用水量占總用水量比重之大，農產品攜帶著大量的虛擬水，因此人類對農產品消費產生的虛擬水足跡就成為水足跡計算的主要部分。《京津冀協同發展規劃綱要》的實施需要把京津冀區域作為一個整體，進行水資源整合利用和相關產業分工協作。農業水足跡計量時,采用單位產品虛擬水含量計算得到農產品虛擬水總量，并依據京津冀區域內部供需平衡的關系，通過貿易交換以虛擬形式隱含在產品和服務中的水，得到虛擬水凈輸入量，最終獲得農產品虛擬水足跡，較全面地展現地區所消耗的包括源自其他地區的水資源，得到各省市虛擬水足跡總和。根據虛擬水足跡，分析用于衡量地區間水資源的消費狀況進行合理的生態補償。

近年來，水資源約束下的城市與區域發展問題已經成為社會和學術界普遍關注的熱點之一。加快建立跨界水環境補償機制，盡快明確區域間水生態補償的原則、范圍、補償形式和資金數額。學者們采用選擇試驗法[5]、支付意愿法[6]、生態系統服務價值[7]、生態足跡[8]等方法確定生態補償額度。水足跡延于生態足跡概念，國外學者研究了西班牙農業部門水足跡[9]、泰國能源生產與消費水足跡[10]、地中海地區灌溉農業水足跡[11]等。對于國內水足跡研究，吳兆丹等[12]運用多區域投入產出分析得到地區多種水足跡，減少水足跡不僅要重點降低水足跡主要部分，還要關注區域內其他地區的貢獻因子。田園宏[13]測算了中國1978-2010年5種主要糧食作物的省際范圍、國內生產、國際貿易以及國內消費4種水足跡值。Feng等[14]從消費角度評價了中國黃河流域水資源流動和水足跡；Bocchiola等[15]對氣候變化影響到作物產量和玉米水足跡進行了研究；潘安娥[16]基于水足跡視角，定量評價湖北省水資源利用與經濟增長的協調關系。邵帥[17]以河源市為例，采用水足跡的理論與方法，評價水資源盈虧情況，解決水資源分配問題，為生態補償提供數據基礎并對不同盈虧狀況下的生態補償建立模型。總體而言，當前大部分研究更多是水足跡變化和地區差異，很少有依據區域間水資源生態容量變化和虛擬水足跡比較得到的生態補償額度。基于虛擬水足跡模型，對京津冀行政區水足跡與水盈余/赤字的空間變化進行研究，并構建生態補償標準模型，量化生態補償額度。在此基礎上，給出京津冀水資源合作補償量，完善生態補償機制和協調機制，實現區域水生態環境的共同治理，為京津冀生態環境共建共享提供參考。

1 研究方法和指標的選取

1.1 計算虛擬水足跡模型

水足跡計算包括五個方面： ①農業水足跡，包括3個地區農產品水足跡，采用單位農產品虛擬水含量乘以生產總量計算得到；②工業水足跡，包括工業生產、建筑等用水量； ③居民生活水足跡，參見地區水資源公報相關用水量；④生態環境水足跡；⑤虛擬水貿易凈流量。計算農作物對外貿易凈流量時，消費地區剩余產品量乘其對應農作物單位虛擬水含量。

RWC=AWP+IWW+DWD+EWD+NVWI

(1)

式中：RWC為虛擬水足跡總量，m3；AWP為農業生產需水量(即農產品需水量)，m3；IWW為工業生產需水量，m3；DWD為居民生活需水量，m3；EDW為生態環境需水量，m3；NVWI為本地凈貿易量。

(1)農產品虛擬水足跡。農業是最大的用水大戶，因此農產品含有大量虛擬水。對農產品虛擬水足跡計算時，重點需要獲得單位產品虛擬水含量值[18]，計算出作物產品和動物產品虛擬水含量。基于標準彭曼公式得到參考作物生長期內的蒸發蒸騰量，根據聯合國提出的CROPWAT模型計算出農產品的虛擬水資源消費總量[19]。

AWP=VW×S

(2)

(3)

CWR=ETc×10

(4)

ETc=Kc×ET0

(5)

(6)

式中：AWP為某農產品總虛擬水足跡，億m3；VM為農產品單位虛擬水含量，m3/kg；CWR為農產品生長期需水量，m3/hm2；ETc為農產品實際蒸發蒸騰量，mm/d；ET0為為參考作物蒸發量，mm/d；Rn為地表凈輻射，MJ/(d·m2)；G為土壤熱通量，MJ/(d·m2)；T為2 m高處日平均氣溫，℃；U2為2 m高處風速，m/s；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實際水氣壓，kPa；Δ為飽和水氣壓曲線效率，kPa/℃；γ為干濕表常數，kPa/℃；Kc為作物系數(借鑒FAO推薦作物系數)；S為某種農產品總產量，t；Y為每公頃土地的農產品產量，t/hm2。

(2)虛擬水貿易凈流量。由于缺乏農作物經濟貿易的統計數據,當計算虛擬水貿易時只包括對外經濟貿易, 忽略進口產品后再出口的產品虛擬水含量。本文僅計算作物產品虛擬水凈流量，根據京津冀區域供需平衡的關系利用本地農作物真實需求量和生產量之間的關系，滿足對本地區消費后剩余水含量[20]。

1.2 基于虛擬水足跡的生態補償標準模型

雖然有南水北調中線和東線輸水工程，對京津冀三省市進行供水。然而由于降雨量減少、地下水開采過度，以及城市規模擴大和人口增加等原因，水資源短缺仍然十分嚴重，對臨近區域水資源依然具有很強的依賴性。河北省是京津冀眾多城市的重要供水水源地和水源涵養區，承擔著北京市81%、天津市93.7%的工農業生產和生活用水，需求量已突破了能提供水資源的紅線[21]。水資源極度短缺，為了保障京津冀水量供給和水質改善，各地工農業生產發展受到諸多限制。

(1)京津冀三省市生態環境保護投入的確定。根據虛擬水足跡進行生態補償量化,在于對京津冀各地保護水資源所花費成本的核算。成本包括直接成本，即退耕還林、新造林等林業建設成本、水土流失治理成本、環境污染治理成本，也包括限制工農業發展損失的間接成本。計算三地的機會成本，比較參照該省市居民的人均可支配收入和全國居民的人均可支配收入，計算得到本地居民收入水平的差異，反映地區機會成本[22]。

(7)

式中：TC為總保護投入成本；DC為直接成本；dck分別代表林業建設成本，水土流失治理成本和環境污染治理成本；IC為間接成本，即限制工農業發展損失的機會成本。

對于各種工農業限制導致的經濟損失難以直接計算，故通過間接比較省市經濟發展狀況與京津冀地區及全國平均發展水平的方法得出限制經濟發展的損失IC。

ICjjj=(UPCDIjjj-UPCDIi)×UPi+

(RPCNIjjj-RPCNIi)×RPi

(8)

ICc=(UPCDIc-UPCDIi)×UPi+(RPCNIc-RPCNIi)×RPi

式中：UPCDIjjj、UPCDIi和UPCDIc分別代表京津冀區域、i省市和全國的城鎮人均可支配收入；RPCNIjjj、RPCNIi和RPCNIc分別代表京津冀、i省市和全國的農村人均純收入；UPi代表i省市城鎮總人口；RPi代表i省市農村總人口。

由于并非整個省市的產業發展都受到保護水資源的影響，故取均衡因子r為0.01。

(2)根據恩格爾系數和生長曲線計算經濟發展水平分攤系數Ri為：

(9)

式中：Li為補償能力。

(10)

將a，b都取值為1，ti為恩格爾系數的倒數，可得：

(11)

(3)基于虛擬水足跡的生態補償模型。基于水足跡計算生態補償標準的基于以下兩個前提[17]:①當一個子區域水資源發生生態赤字時,它所擠占的是其他區域的水資源供給量；相反,當一個地區水資源利用呈現生態盈余時,它將使其他地區享有更多的水資源可供給量；②各地區實際發生的生態環保投入和經濟發展水平作為補償標準測量依據。

1.3 數據來源

農產品虛擬水足跡時多個相關參數來自聯合國糧農組織CLIMWAT和CROP數據庫；農產品產量、播種面積主要來源于京津冀三省市統計年鑒、河北農產品統計年鑒和中國農業年鑒，工業用水量、生活用水和生態環境用水來自當地水資源公報和統計年鑒，限制產業發展損失的機會成本通過公式(8)計算可得。

2 結果分析

2.1 農業虛擬水足跡分析

利用單位農作物虛擬水含量，得到農產品虛擬水含量。《京津冀協同發展規劃綱要》的實施需要把京津冀區域作為一個整體，進行水資源整合利用和相關產業分工協作。因此，采用京津冀內部區域供需平衡的方法，得到水貿易凈輸入量。并根據三地統計年鑒得到作物產品消費量，與該地區本地作物產品產量進行比較，得出農產品使用水資源狀況，實現京津冀水資源協同。如表1所示。

表1 2014年京津冀地區農產品虛擬水足跡Tab.1 Virtual water footprint of agricultural products of beijing-tianjin-hebei region in 2014

注：“+”表示對外售出，“-”表示對外購買。

2.2 京津冀地區多種水足跡分析

根據公式(1)公式和《中國環境統計年鑒2015》可得京津冀三地虛擬水足跡，并將三省市產生的水足跡與當地水資源容量進行比較，如表2所示。

表2 2014年京津冀虛擬水足跡 億m3

注：“+”表示對外售出，“-”表示對外購買。

(1)京津冀虛擬水足跡中，河北省虛擬水足跡最高，其次是北京市，天津市，且天津市遠低于其他兩地。與本地區所供應的水資源容量相比，三地都處于水資源赤字水平，河北省最嚴重。種植農作物消耗水資源多，大大會增加農業水足跡。主要在于河北省是農作物種植面積大，作為京津冀區域的主要農產品供應地。

(2)京津冀三省市農業水足跡占比分別為82.41%、66.81%、80.70%，表明京津冀三地對降低農業水足跡的緊迫性都較強，與吳兆丹等[12]研究結果一致。京津冀三地農業需求中，北京市對外依賴性高，主要購買其他地區農產品，因此北京市農業虛擬水足跡高于本地產生實際水足跡；相反，天津市和河北省農作物能夠滿足本地需求，兩地的虛擬水足跡低于實際水足跡。

(3)對于工業水足跡、生活水足跡和生態環境水足跡所占虛擬總足跡比重，天津市高于京冀兩地，并且多種水足跡比例差距小于北京市和河北省，表明天津市水資源利用差異小。

2.3 基于虛擬水足跡的區域生態補償標準模型

(1)京津冀地區生態環境保護投入的核算。根據公式(7)得到京津冀三地生態保護投入成本，如表3所示。

表3 2014年京津冀本地生態環境保護投入 億元

注：產業的發展損失的機會成本，不可能為負值。計算得到的機會成本是負值時，認為是0。

隨著京津冀地區對環境保護的不斷重視，三地的保護投入成本不斷增加。對環境污染的加強治理，北京市投入最高，其次是河北省、天津市。河北省為保護水資源質量限制污染大、耗水量大的工農業發展，減少地區耕地面積。因此，河北省對于限制工農業發展的機會成本為正值，京津兩地的產業發展受到影響相對河北省較小。

表4 2014年京津冀三省市用水量和經濟發展水平分攤系數Tab.4 The water consumption and level of economic development contribution coefficient of Beijing-tianjin-hebei in 2014

在京津冀區域經濟發展中，河北省總用水量是遠遠高于其他兩地，而天津市的經濟發展水平是高于河北省，所以基于經濟發展水平和用水量的分攤系數，京津冀三地所占比重差異不大。

(3)通過比較京津冀三地虛擬水足跡與當地水資源容量，三地水資源消耗呈現生態赤字狀況。根據耿涌[21]構建不同情況的區域生態補償模型，采用地區均為生態赤字的模型：

(12)

(13)

(14)

當ECi>0時,i地區支付補償,支付額度為|ECi|；當ECi

利用用水量和經濟發展水平獲得的分攤系數，依據京津冀三省市為保護水資源進行的生態環境保護投入，得到京津冀三地間生態補償金額，如表5所示。

根據分攤系數得到三地實際生態環保投入，從虛擬水足跡角度出發，北京市需要對津冀兩地支付生態補償，支付金額分別是199.74 億元、221.09 億元；天津市需要對河北省支付446.36 億元補償額度。

表5 2014年京津冀地區間虛擬水足跡的生態補償 億元

3 結 論

生態共建共享過程中，生態補償涉及的利益主體眾多，需要各方協調。為了保障京津冀區域水資源安全，需要減少虛擬水足跡。京津冀三省市應重點降低其水足跡主要組成部分----農業水足跡，以及農業水足跡高于所屬經濟區域內其他省區的主要貢獻因子。河北省其農業水足跡最高，需要加強京津冀區域水資源協同，減少京津兩地對其依賴度，重點降低主要來源對應水足跡，降低虛擬水足跡。

水生態補償標準確定涉及很多方面，基于虛擬水足跡和經濟發展水平確定京津冀生態補償關系中，河北省獲得由北京市和天津市支付的生態補償總量667.45億元。同時北京市向天津市支付生態補償額199.74億元。正確對待京津冀水資源生態環境保護與地區經濟發展的關系。京津冀是中國水資源嚴重緊缺地區，為了保證區域水資源安全，加強落實對河北省的生態補償機制，從而實現水資源環境保護與經濟發展雙贏，實現京津冀生態環境中水資源協同發展。

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