杭州市2010—2016年水足跡分析研究

鄭亨，杜海龍，黃靖

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州310014；2.湖北省宜昌市枝江市董市鎮人民政府，湖北宜昌443200)

改革開發以來，隨著人口增長、經濟發展以及農業人口逐漸向城市地區聚集，中國城市化進程一步步加快，并成為未來發展的必然趨勢[1]。城市化進程中日趨嚴重的水資源消耗問題成為城市發展的限制性因素。

中國水資源總量巨大，人均水資源量低，僅為世界平均水平的25%，水資源短缺問題嚴重，且隨著城市化進程加重。根據《中國水資源公報》，2016年全國水資源總量為32 466.4億m3，供水總量達到6 040.2億m3，占到水資源總量的18.6%。城鎮人均用水量220 L/d，農村人均用水量86 L/d，比2010年分別上升14.0%、3.6%。中國城鎮人均用水增加幅度大，在快速城市化進程中，水資源壓力進一步加重。

杭州市位于中國浙江省，簡稱“杭”，浙江省省會，屬水資源短缺城市。根據浙江省《2016年水資源公報》，杭州屬缺水性城市，全市人均水資源占有量1 596 m3，低于2013年全省人均的1 693 m3，也低于全國人均多年的2 020 m3，僅為世界人均水資源量的21%。根據2016年《杭州年鑒》，2016年城鎮化率達到76.2%，比2015年提高0.9個百分點，城鎮化率遠高于全省65.8%的平均水平。城鎮化進程將進一步加重杭州市水資源壓力，水資源供需矛盾將成為杭州市發展的阻礙，準確評估杭州市水資源情況將有助于分析杭州市發展情況。

水足跡(water footprint,WF)是以虛擬水理論為基礎，指在日常生活中公眾消費產品及服務過程所耗費的那些看不見的水。荷蘭學者Hoekstra類比生態足跡提出的水資源領域重要概念，對評估水資源短缺城市的可持續發展具有重大意義[2]。水足跡理論提出后，在世界范圍內得到廣泛的應用，Chapagain對全世界各國水足跡進行了計算：印度水足跡居全球首位，人均水足跡美國第一[3]。近年該理念甚至被應用于水電水足跡評估[4]。Tor Haakon Bakken等對挪威2座水電站進行水足跡評估并比較，最終表明該2座水電站單位發電水足跡遠低于世界同類水電站。在國內也得到了較為廣泛的應用，姜詩慧等利用水足跡評估方法對沈陽市2005—2012年水資源承載力進行分析，結果表明沈陽萬元GDP水足跡逐年下降，正逐漸從粗放型經濟增長模式向可持續發展模式轉型[5]；鄧曉軍等以上海市為例進行城市水足跡計算與分析，結果表明上海人均水足跡2005年達1 366 m3/(cap·a)，明顯上升，表明上海水資源利用呈不可持續狀態[6]。中國的水足跡研究主要針對水足跡計算的應用與城市水資源分析，對分析過程的不確定性缺乏考慮。

水資源是城市發展的基本條件，本研究基于水足跡分析方法對杭州2010—2016年的水足跡進行評估，并采用不確定性分析校正其確定性，提升其可信性，在其基礎上對杭州市水資源供需情況進行判斷，以期為杭州市可持續發展提供決策參考。

1 研究方法

1.1 研究目標

本研究以杭州市為研究對象，探索杭州市水資源承載力情況，分析杭州市可持續發展情況，為杭州市發展提供可參考的依據。

1.2 研究對象

杭州，簡稱“杭”，浙江省省會，東經118°21′—120°30′，北緯29°11′—30°33′，位于中國東南沿海、浙江省北部、錢塘江下游、京杭大運河南端，是浙江省的政治、經濟、文化、教育、交通和金融中心。轄區包括10個市轄區、2個縣、1個縣級市，面積1.659 6萬km2，截至2016年人口達918.8萬人，城鎮化率76.8%，是中國發展速度最快的地區之一，全國著名的森林城市。

1.3 系統邊界

城市水足跡指已知生產城市人口所需的所有資源所需要的水資源數量，包括食物、日用品、生活直接消費的水資源以及為人類提供生態系統服務功能的生態環境水消耗量[7]。城市水足跡主要可分為農業虛擬水消費量、工業虛擬水消費量、居民生活用水量、生態環境用水量、虛擬水貿易量五大部分，精簡為內部水足跡，表示該地區居民消費所有產品和服務的水資源；外部水足跡，表示該區域居民消費的那部分進口虛擬水。系統邊界見圖1。

圖1 城市水足跡系統邊界

1.4 計算方法

根據水足跡系統邊界，水足跡計算公式如下：

WF=IWF+EWF=WFcrop+WFindustry+WFlife+WFecology+WFtrade

(1)

式中WF——城市水足跡；IWF——內部水足跡；EWF——外部水足跡；WFcrop——農產品虛擬水消費量；WFindustry——工業虛擬水消費量；WFlife——居民生活用水量；WFecology——生態環境用水量；WFtrade——虛擬水貿易量。

a) 農產品虛擬水消費量。農產品虛擬水消費量因農作物不同而有所不同，與生長地區的環境具有較大的關系，因此本研究采用較為粗化的過程分析法得到農產品虛擬水消費量。農業虛擬水消費量以單位農產品虛擬含水量與農產品量乘積表述[5]。

b) 工業虛擬水消費量。工業虛擬水消費量主要用于工業活動，根據行業不同，水足跡差距較大[8]。本研究利用杭州市相關統計數據結合工業產值增加量用水額進行工業虛擬水消費量估算[9]，該方法能夠相對準確表述當地工業虛擬水消費量。

c) 居民生活用水量、生態環境用水量。參考《水資源公報》相關統計結果進行核算。

d) 虛擬水貿易量。各種貿易商品的虛擬水含量與以上對應產品的計算方法相同。但是由于統計困難, 國際貿易虛擬水量一般采用萬元產值用水量和工業用水定額進行估算[6]。

1.5 評價方法

a) 人均水足跡WFpc

(2)

式中N——當地常住人口數。

b) 平均產值水足跡WFpP

(3)

式中product——產值，萬元。

1.6 數據來源

本研究主要數據來源于《杭州年鑒》《杭州市人民政府公報》《杭州市國民經濟和社會發展統計公報》以及《浙江省水資源公報》。

2 水足跡清單

2.1 農產品虛擬水消費量

本研究主要從2007—2016年《杭州年鑒》提取所需的基礎數據進行農產品虛擬水計算，主要包括植物性產品與動物性產品，植物性產品水足跡主要指農作物消耗水與農作物消耗的間接水(如消納污染物、加工等)，動物性產品水足跡主要包括飼料生產、飲用水以及牲畜照料。由于其單位水足跡與地理因素、動、植物具體種類有較大的對應關系，本研究采用參數法進行估算，并在后文進行不確定性分析對其進行校正。參考M. M. Mekonnen等對農產品的水足跡研究成果，得到各種農產品虛擬水參數見表1[10-11]。

表1 主要農產品單位產品虛擬水含量 m3/kg

根據《杭州年鑒》提取相關農產品基礎數據結合文獻參數得到農產品虛擬水消費量清單見表2—6。杭州農業虛擬水足跡逐年下降，至2016年底，相比2010年已下降19.00%，植物性農產品水足跡下降比例達19.30%，動物性農產品下降18.70%，造成農產品水足跡下降的原因主要有以下幾方面：調整種植結構，降低傳統糧食種植量，如稻谷種植面積由80 780 hm2下降至44 580 hm2，增加了經濟類作物的種植面積；隨著城市化進程推進，種植總面積逐年降低，由2010年381 830 hm2下降至2016年底300 590 hm2。

表2 2007—2016年杭州市谷物水足跡消費量 106m3

表3 2007—2016年杭州市豆類水足跡消費量 106m3

表4 2007—2016年杭州市油料水足跡消費量 106m3

表5 2007—2016年杭州市棉麻水足跡消費量 106m3

表6 2007—2016年杭州市肉類水足跡消費量 106m3

2.2 工業虛擬水消費量、居民生活用水量、生態環境用水量

工業虛擬水消費量主要參考2010—2016年《杭州統計年鑒》，杭州市7 a來工業發展迅速，工業增加值穩步快速上升，結合《杭州市環境狀況公報》水利/森林資源章節的萬元工業增加值用水量得到工業虛擬水消費量見表7。工業虛擬水足跡消費量隨工業增加值上升反倒下降，表明杭州市在工業節水、產業調整方面取得較大成效；居民生活水足跡7 a來上升了70%，這是杭州市城市化推進的必然結果，表明杭州市城市人口增加，城區面積快速擴張，人民生活水平上升。

表7 工業虛擬水消費量、居民生活用水量、生態環境用水量清單

2.3 虛擬水貿易量

參考2010—2016年《杭州市國民經濟和社會發展統計公報》，得到虛擬水貿易量清單見表8。2010—2016年虛擬水貿易總量穩步上升，出口量增長迅速，取得較大的貿易逆差。隨著杭州工業生產的產業結構調整以及節能減排的政策推行，單位用水量明顯下降，在貿易總量增加的情況下，杭州虛擬水貿易量持續下降，表明杭州市的產業結構調整以及節能減排帶來明顯的效益。

表8 虛擬水貿易清單

2.4 杭州水足跡清單

通過計算得到杭州市7 a來水足跡見表9，水足跡呈下降趨勢，特別是《杭州市人民政府辦公廳關于實行最嚴格水資源管理制度考核暫行辦法的通知》出臺后，第1個考核期為2012—2015年，2015年起每5 a為1個考核期，在杭州各行各業嚴格執行節水政策后，從水足跡來看，2012年至2013年1 a降幅就達到8.3%，該通知取得較好的效果，經過產業調整、節水措施使用，杭州市水足跡明顯下降，2016年相比2010年下降比例達15.1%。人均水足跡由1 327.0 m3/(cap·a)下降至844.8 m3/(cap·a)，充分表明了杭州市節水、合理應用水資源的相關工作具有引領效果。

表9 2010—2016年杭州水足跡清單

a) 人均水足跡

b) 平均產值水足跡圖2 人均水足跡、平均產值水足跡年際變化

2010—2016年，人均水足跡逐年下降(圖2)，主要因為外來人口大量流入，給杭州帶來較大的水資源壓力；平均產值水足跡逐年上升，表明杭州市水資源利用效率較高，供給側改革效果顯著。

歷年水足跡分配情況見圖3，從比例上看，農產品虛擬水足跡、生態環境用水量所占比例基本持平，農業虛擬水消費量占到水足跡60%以上，是最重要的水足跡來源，農業虛擬水消費總量逐漸下降，表明杭州市調整了農業結構，節水效果明顯；工業虛擬水消費量逐年下降，表明工業改革，杭州市采取的供給側改革效果顯著，以互聯網等高科技企業及服務業為主的第三產業對節水有重大作用，節水策略得到較好的效果；居民生活用水量所占比例上升明顯，表明城市化進程提高了居民的生活水平，更多居民分享了杭州市發展帶來的紅利，居民生活水平穩步提升。

3 不確定性分析

水足跡計算伴隨較強的不確定性，涉及多方面的計算過程。產品和過程水足跡核算是區域水足跡核算的基礎和前提，且其規模和結構受地方生產條件影響顯著，不同地域同種產品的虛擬水含量差別較大。特別是農業水足跡消費量，相關水足跡根據地方氣候特點、種植特點、種植水平等會有較大的不同，計算過程易產生較大的誤差，甚至產生相反的評價結果。然而對水足跡進行不確定性分析在國內研究中鮮有涉及，造成國內研究成果的可比性、準確性大打折扣[12]。

針對不確定性問題，Endong Wang等專門討論了數據質量指標與不確定性隨機模擬相結合的分析

a) 2010年 b) 2011年 c) 2012年

d) 2013年 e) 2014年 f) 2015年

g) 2016年圖3 2010—2016年杭州各類水足跡分配情況

方法對足跡分析的應用，結果表明該方法能夠較好地校正足跡估算問題的不確定性[13]。該方法目前已廣泛應用于足跡研究問題[14-17]，能夠校正參數代表性不足的偏差問題。本文將該方法應用于水足跡不確定性分析方法，校正杭州市水足跡結果，增強其可信度。

該方法利用數據質量評分給數據設定數據概率分布(Beta 分布)，進一步進行蒙特卡洛分析，模擬清單的不確定性。本文選取2016年杭州市水足跡評價結果應用該方法進行分析。選取代表性、準確性、時間相關性、技術相關性、地理相關性五大類指標作為評價指標，得到綜合評分后將參數轉換為Beta 分布，進一步應用蒙特卡洛模擬分析方法得到結果分布情況。

a) 杭州市人均年水足跡概率分布(2016年)

b) 方差貢獻率圖4 杭州市人均年水足跡概率分布及方差貢獻

通過不確定分析得到2016年杭州市人均水足跡95%概率分布區間為816.33～873.53 m3/(cap·a)(圖4)。各類水足跡中植物性農產品虛擬水消費量方差貢獻率最大，達到32.10%；動物性農產品虛擬水消費量其次，達24.6%；工業虛擬水消費量、居民生活用水量、虛擬水貿易量方差貢獻率分別為21.2%、16.7%、5.3%；生態環境用水量方差貢獻率近似為0。

不確定性分析結果表明，2016年杭州市年人均水足跡略有波動，分布區間為816.33～873.53 m3/(cap·a)，低于全球平均水平1 243 m3/(cap·a)，高于中國平均水平702 m3/(cap·a)[6]。橫向來看，杭州市人均水足跡遠低于發達國家(圖5)，在國內也處于較低水平，屬于缺水型城市。從方差貢獻來看，在水資源有限前提下，繼續進行農業、工業改革降低其單位水足跡仍是杭州未來發展的主要策略。

圖5 世界及中國部分區域人均年水足跡情況(引用自鄧曉軍[6])

4 結論

a) 本研究計算了2010—2016年杭州市水足跡情況，人均年水足跡由1 327.00 m3/(cap·a)下降至844.80 m3/(cap·a)，主要原因是人口劇增，但平均居民生活用水不降反升，這表明杭州在快速城市化的進程中較好地保障了居民的生活水平。

b) 通過分析2010—2016年杭州市水足跡分布情況，杭州農業虛擬水消費量、工業虛擬水消費量穩步下降，但實際上杭州的GDP在快速上升，平均產值水足跡快速降低，由153.80 m3/萬元下降至70.24 m3/萬元，由此表明杭州的節水策略及供給側改革成就顯著，水資源利用效率較高。

c) 通過不確定性分析，得到2016年杭州市人均年水足跡為816.33～873.53 m3/(cap·a)，在全國范圍內仍屬于較低水平，僅與甘肅等西部地區相當，遠低于世界發達國家水平，表明杭州水資源相對不足，水資源仍是制約杭州未來發展的關鍵性因素，從不確定性分析的方差貢獻來看，未來的發展策略仍要以農業、工業節水提升水資源利用效率為主。