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(shè)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(zhèn)人民政府，湖北宜昌443200)

改革開發(fā)以來，隨著人口增長、經(jīng)濟發(fā)展以及農(nóng)業(yè)人口逐漸向城市地區(qū)聚集，中國城市化進程一步步加快，并成為未來發(fā)展的必然趨勢[1]。城市化進程中日趨嚴(yán)重的水資源消耗問題成為城市發(fā)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(yán)重，且隨著城市化進程加重。根據(jù)《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(zhèn)人均用水量220 L/d，農(nóng)村人均用水量86 L/d，比2010年分別上升14.0%、3.6%。中國城鎮(zhèn)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(jù)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(jù)2016年《杭州年鑒》，2016年城鎮(zhèn)化率達到76.2%，比2015年提高0.9個百分點，城鎮(zhèn)化率遠高于全省65.8%的平均水平。城鎮(zhèn)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(fā)展的阻礙，準(zhǔn)確評估杭州市水資源情況將有助于分析杭州市發(fā)展情況。

水足跡(water footprint,WF)是以虛擬水理論為基礎(chǔ)，指在日常生活中公眾消費產(chǎn)品及服務(wù)過程所耗費的那些看不見的水。荷蘭學(xué)者Hoekstra類比生態(tài)足跡提出的水資源領(lǐng)域重要概念，對評估水資源短缺城市的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[2]。水足跡理論提出后，在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)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(yīng)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(fā)電水足跡遠低于世界同類水電站。在國內(nèi)也得到了較為廣泛的應(yīng)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(jié)果表明沈陽萬元GDP水足跡逐年下降，正逐漸從粗放型經(jīng)濟增長模式向可持續(xù)發(fā)展模式轉(zhuǎn)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(jié)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(xù)狀態(tài)[6]。中國的水足跡研究主要針對水足跡計算的應(yīng)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(fā)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(chǔ)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(xù)發(fā)展提供決策參考。

1 研究方法

1.1 研究目標(biāo)

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(xù)發(fā)展情況，為杭州市發(fā)展提供可參考的依據(jù)。

1.2 研究對象

杭州，簡稱“杭”，浙江省省會，東經(jīng)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(jīng)濟、文化、教育、交通和金融中心。轄區(qū)包括10個市轄區(qū)、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(zhèn)化率76.8%，是中國發(fā)展速度最快的地區(qū)之一，全國著名的森林城市。

1.3 系統(tǒng)邊界

城市水足跡指已知生產(chǎn)城市人口所需的所有資源所需要的水資源數(shù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的生態(tài)環(huán)境水消耗量[7]。城市水足跡主要可分為農(nóng)業(yè)虛擬水消費量、工業(yè)虛擬水消費量、居民生活用水量、生態(tài)環(huán)境用水量、虛擬水貿(mào)易量五大部分，精簡為內(nèi)部水足跡，表示該地區(qū)居民消費所有產(chǎn)品和服務(wù)的水資源；外部水足跡，表示該區(qū)域居民消費的那部分進口虛擬水。系統(tǒng)邊界見圖1。

圖1 城市水足跡系統(tǒng)邊界

1.4 計算方法

根據(jù)水足跡系統(tǒng)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(nèi)部水足跡；EWF——外部水足跡；WFcrop——農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量；WFindustry——工業(yè)虛擬水消費量；WFlife——居民生活用水量；WFecology——生態(tài)環(huán)境用水量；WFtrade——虛擬水貿(mào)易量。

a) 農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量。農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量因農(nóng)作物不同而有所不同，與生長地區(qū)的環(huán)境具有較大的關(guān)系，因此本研究采用較為粗化的過程分析法得到農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量。農(nóng)業(yè)虛擬水消費量以單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬含水量與農(nóng)產(chǎn)品量乘積表述[5]。

b) 工業(yè)虛擬水消費量。工業(yè)虛擬水消費量主要用于工業(yè)活動，根據(jù)行業(yè)不同，水足跡差距較大[8]。本研究利用杭州市相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)合工業(yè)產(chǎn)值增加量用水額進行工業(yè)虛擬水消費量估算[9]，該方法能夠相對準(zhǔn)確表述當(dāng)?shù)毓I(yè)虛擬水消費量。

c) 居民生活用水量、生態(tài)環(huán)境用水量。參考《水資源公報》相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果進行核算。

d) 虛擬水貿(mào)易量。各種貿(mào)易商品的虛擬水含量與以上對應(yīng)產(chǎn)品的計算方法相同。但是由于統(tǒng)計困難, 國際貿(mào)易虛擬水量一般采用萬元產(chǎn)值用水量和工業(yè)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(dāng)?shù)爻Ｗ∪丝跀?shù)。

b) 平均產(chǎn)值水足跡WFpP

(3)

式中product——產(chǎn)值，萬元。

1.6 數(shù)據(jù)來源

本研究主要數(shù)據(jù)來源于《杭州年鑒》《杭州市人民政府公報》《杭州市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》以及《浙江省水資源公報》。

2 水足跡清單

2.1 農(nóng)產(chǎn)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(chǔ)數(shù)據(jù)進行農(nóng)產(chǎn)品虛擬水計算，主要包括植物性產(chǎn)品與動物性產(chǎn)品，植物性產(chǎn)品水足跡主要指農(nóng)作物消耗水與農(nóng)作物消耗的間接水(如消納污染物、加工等)，動物性產(chǎn)品水足跡主要包括飼料生產(chǎn)、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(yīng)關(guān)系，本研究采用參數(shù)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(nóng)產(chǎn)品的水足跡研究成果，得到各種農(nóng)產(chǎn)品虛擬水參數(shù)見表1[10-11]。

表1 主要農(nóng)產(chǎn)品單位產(chǎn)品虛擬水含量 m3/kg

根據(jù)《杭州年鑒》提取相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)合文獻參數(shù)得到農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量清單見表2—6。杭州農(nóng)業(yè)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(nóng)產(chǎn)品水足跡下降比例達19.30%，動物性農(nóng)產(chǎn)品下降18.70%，造成農(nóng)產(chǎn)品水足跡下降的原因主要有以下幾方面：調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，降低傳統(tǒng)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(jīng)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(yè)虛擬水消費量、居民生活用水量、生態(tài)環(huán)境用水量

工業(yè)虛擬水消費量主要參考2010—2016年《杭州統(tǒng)計年鑒》，杭州市7 a來工業(yè)發(fā)展迅速，工業(yè)增加值穩(wěn)步快速上升，結(jié)合《杭州市環(huán)境狀況公報》水利/森林資源章節(jié)的萬元工業(yè)增加值用水量得到工業(yè)虛擬水消費量見表7。工業(yè)虛擬水足跡消費量隨工業(yè)增加值上升反倒下降，表明杭州市在工業(yè)節(jié)水、產(chǎn)業(yè)調(diào)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(jié)果，表明杭州市城市人口增加，城區(qū)面積快速擴張，人民生活水平上升。

表7 工業(yè)虛擬水消費量、居民生活用水量、生態(tài)環(huán)境用水量清單

2.3 虛擬水貿(mào)易量

參考2010—2016年《杭州市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，得到虛擬水貿(mào)易量清單見表8。2010—2016年虛擬水貿(mào)易總量穩(wěn)步上升，出口量增長迅速，取得較大的貿(mào)易逆差。隨著杭州工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及節(jié)能減排的政策推行，單位用水量明顯下降，在貿(mào)易總量增加的情況下，杭州虛擬水貿(mào)易量持續(xù)下降，表明杭州市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及節(jié)能減排帶來明顯的效益。

表8 虛擬水貿(mào)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(guān)于實行最嚴(yán)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(yè)嚴(yán)格執(zhí)行節(jié)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(jīng)過產(chǎn)業(yè)調(diào)整、節(jié)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(jié)水、合理應(yīng)用水資源的相關(guān)工作具有引領(lǐng)效果。

表9 2010—2016年杭州水足跡清單

a) 人均水足跡

b) 平均產(chǎn)值水足跡圖2 人均水足跡、平均產(chǎn)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(chǎn)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(cè)改革效果顯著。

歷年水足跡分配情況見圖3，從比例上看，農(nóng)產(chǎn)品虛擬水足跡、生態(tài)環(huán)境用水量所占比例基本持平，農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)虛擬水消費總量逐漸下降，表明杭州市調(diào)整了農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，節(jié)水效果明顯；工業(yè)虛擬水消費量逐年下降，表明工業(yè)改革，杭州市采取的供給側(cè)改革效果顯著，以互聯(lián)網(wǎng)等高科技企業(yè)及服務(wù)業(yè)為主的第三產(chǎn)業(yè)對節(jié)水有重大作用，節(jié)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(fā)展帶來的紅利，居民生活水平穩(wěn)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(chǎn)品和過程水足跡核算是區(qū)域水足跡核算的基礎(chǔ)和前提，且其規(guī)模和結(jié)構(gòu)受地方生產(chǎn)條件影響顯著，不同地域同種產(chǎn)品的虛擬水含量差別較大。特別是農(nóng)業(yè)水足跡消費量，相關(guān)水足跡根據(jù)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(chǎn)生較大的誤差，甚至產(chǎn)生相反的評價結(jié)果。然而對水足跡進行不確定性分析在國內(nèi)研究中鮮有涉及，造成國內(nèi)研究成果的可比性、準(zhǔn)確性大打折扣[12]。

針對不確定性問題，Endong Wang等專門討論了數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)與不確定性隨機模擬相結(jié)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(yīng)用，結(jié)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(yīng)用于足跡研究問題[14-17]，能夠校正參數(shù)代表性不足的偏差問題。本文將該方法應(yīng)用于水足跡不確定性分析方法，校正杭州市水足跡結(jié)果，增強其可信度。

該方法利用數(shù)據(jù)質(zhì)量評分給數(shù)據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)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(jié)果應(yīng)用該方法進行分析。選取代表性、準(zhǔn)確性、時間相關(guān)性、技術(shù)相關(guān)性、地理相關(guān)性五大類指標(biāo)作為評價指標(biāo)，得到綜合評分后將參數(shù)轉(zhuǎn)換為Beta 分布，進一步應(yīng)用蒙特卡洛模擬分析方法得到結(jié)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(qū)間為816.33～873.53 m3/(cap·a)(圖4)。各類水足跡中植物性農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量方差貢獻率最大，達到32.10%；動物性農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量其次，達24.6%；工業(yè)虛擬水消費量、居民生活用水量、虛擬水貿(mào)易量方差貢獻率分別為21.2%、16.7%、5.3%；生態(tài)環(huán)境用水量方差貢獻率近似為0。

不確定性分析結(jié)果表明，2016年杭州市年人均水足跡略有波動，分布區(qū)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(fā)達國家(圖5)，在國內(nèi)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(xù)進行農(nóng)業(yè)、工業(yè)改革降低其單位水足跡仍是杭州未來發(fā)展的主要策略。

圖5 世界及中國部分區(qū)域人均年水足跡情況(引用自鄧曉軍[6])

4 結(jié)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(nóng)業(yè)虛擬水消費量、工業(yè)虛擬水消費量穩(wěn)步下降，但實際上杭州的GDP在快速上升，平均產(chǎn)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(jié)水策略及供給側(cè)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(nèi)仍屬于較低水平，僅與甘肅等西部地區(qū)相當(dāng)，遠低于世界發(fā)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(fā)展的關(guān)鍵性因素，從不確定性分析的方差貢獻來看，未來的發(fā)展策略仍要以農(nóng)業(yè)、工業(yè)節(jié)水提升水資源利用效率為主。