基于水足跡的北京市水資源開(kāi)發(fā)利用演變特征分析

徐晉軒，楊默遠(yuǎn)，潘興瑤，朱永華，歐陽(yáng)友,4，王 赫,4

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；4.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048)

北京市是我國(guó)政治中心和京津冀“首都經(jīng)濟(jì)圈”的核心，與城市高標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展需求相比，北京市水資源極度短缺、地下水超采、河道斷流、水生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題日益嚴(yán)重，成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸[1-4]。為了應(yīng)對(duì)水資源嚴(yán)重短缺的局面，北京市不斷優(yōu)化供用水結(jié)構(gòu)，供水端增加南水北調(diào)和再生水兩大水源，本地地表水和地下水得到有效涵養(yǎng)，用水端農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水量減少超過(guò)70%，生活和生態(tài)用水得到有效保障[5]。在支撐城市高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)上，水資源開(kāi)發(fā)利用情勢(shì)也在持續(xù)好轉(zhuǎn)。

2000年以來(lái)，北京市生產(chǎn)端農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水量減少近20億m3，同期商品消費(fèi)總量由1 213.2億元增加至11 640.2億元，兩者之間的差距主要通過(guò)商品貿(mào)易帶來(lái)的虛擬水凈輸入來(lái)彌補(bǔ)。Allan[6]定義虛擬水是隱含在產(chǎn)品中的水，2003年荷蘭學(xué)者Hoekstra將虛擬水理論拓展至生產(chǎn)某一產(chǎn)品所有環(huán)節(jié)所需水量的總和，認(rèn)為水足跡是區(qū)域內(nèi)消費(fèi)的商品與服務(wù)耗用的所有水資源量[7]。水足跡包括實(shí)體水和虛擬水凈輸入兩部分，可以通過(guò)引入水足跡來(lái)反映真實(shí)、全面的用水情況。陳俊旭等[8]基于2006年的水足跡核算結(jié)果對(duì)北京市進(jìn)行了水資源保障研究；程先等[9]研究了縣域尺度下京津冀地區(qū)水足跡時(shí)空變化規(guī)律；王艷陽(yáng)等[10]基于投入產(chǎn)出表計(jì)算了北京市2002年水足跡情況；Zhao等[11]分別從藍(lán)、綠、灰水3個(gè)方面計(jì)算了2012年京津冀地區(qū)水足跡；韓宇平等[12]基于通徑分析探究了1958—2016年影響海河流域冬小麥水足跡呈下降趨勢(shì)的主要因素；魏怡然等[13]使用投入產(chǎn)出模型對(duì)北京市2012年42個(gè)部門(mén)的虛擬水貿(mào)易與消費(fèi)情況進(jìn)行了分析。

此外，為了定量分析用水結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)演變特征，引入信息熵的概念來(lái)分析衡量用水系統(tǒng)的有序度。信息熵理論1948年由Shannon[14]提出，隨后被廣泛用于表征復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。信息熵理論在用水結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用較多，賈程程等[15]利用信息熵與平衡度方法定量分析了山東省用水演變規(guī)律與均衡度值；甘豐余等[16]利用信息熵原理定量分析了海南省生產(chǎn)用水結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變規(guī)律；易晶晶等[17]基于信息熵研究了廣東省1980—2015年的用水結(jié)構(gòu)時(shí)空演變規(guī)律。水足跡同樣具有復(fù)雜的演變規(guī)律，故可引入信息熵對(duì)其進(jìn)行研究。

現(xiàn)有北京市的水足跡研究大多針對(duì)某一特定時(shí)期，缺乏對(duì)水足跡長(zhǎng)序列演變過(guò)程的系統(tǒng)分析，同時(shí)在水足跡核算中未考慮用水效率提升對(duì)不同時(shí)期用水定額的影響，一定程度上可能高估了水足跡的增長(zhǎng)幅度。基于以上問(wèn)題，本文利用長(zhǎng)序列統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，以本地農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水效率作為修正系數(shù)，核算得到了北京市1988—2019年農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)4類(lèi)水足跡的年際變化過(guò)程，并利用信息熵方法對(duì)比分析了實(shí)體水和水足跡用水結(jié)構(gòu)的演變特征，為全面掌握北京市水資源開(kāi)發(fā)利用演變的內(nèi)在和外在驅(qū)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)行實(shí)體水與水足跡的水資源協(xié)同優(yōu)化配置提供依據(jù)。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 水足跡計(jì)算方法

計(jì)算區(qū)域水足跡時(shí)常用自下而上與自上而下兩種方法，前者主要用于計(jì)算特定生產(chǎn)部門(mén)的產(chǎn)品水足跡，后者主要用于開(kāi)展生產(chǎn)過(guò)程中相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門(mén)間的虛擬水關(guān)聯(lián)分析[18-21]。本文利用自下而上的方式，綜合計(jì)算農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水4類(lèi)水足跡。區(qū)域總水足跡計(jì)算公式為

W=Wl+We+Wa+Wi

(1)

式中:W為總水足跡，億m3；Wl、We、Wa、Wi分別為生活水足跡、生態(tài)水足跡、農(nóng)業(yè)水足跡、工業(yè)水足跡，億m3。其中，生活與生態(tài)水足跡主要包括供給公共事業(yè)、居民生活用水以及維持生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)正常運(yùn)作所必需的水資源，二者均為實(shí)體水[22]；農(nóng)業(yè)和工業(yè)水足跡分別指農(nóng)業(yè)和工業(yè)消費(fèi)品生產(chǎn)加工全過(guò)程中所消耗的水資源總量，均由虛擬水凈輸入量與本地實(shí)體水量?jī)刹糠纸M成。

1.1.1農(nóng)業(yè)水足跡核算

參考孫才志等[23-24]的研究成果，農(nóng)業(yè)水足跡核算時(shí)考慮糧食、蔬菜、油料、豬肉、牛肉、羊肉、蛋類(lèi)、奶類(lèi)、干果、鮮果共10類(lèi)代表性農(nóng)畜產(chǎn)品種類(lèi)。利用Penman公式與聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織Cropwat 8.0模型計(jì)算各類(lèi)農(nóng)作物產(chǎn)品虛擬水定額，計(jì)算公式為

Mp=VasSc/Ycs

(2)

其中

Vas=ETc·ΔtKc

式中：Mp為單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水定額，m3/t；Vas為作物生長(zhǎng)期內(nèi)所需水量，mm；Sc為作物種植面積，m2；Ycs為作物總產(chǎn)量，t；ETc為可能蒸發(fā)量，mm/d；Kc為調(diào)節(jié)系數(shù)；Δt為作物生長(zhǎng)周期，d。畜產(chǎn)品水足跡主要包括飼料用水、清潔用水、宰殺加工耗水等，單位產(chǎn)品的虛擬水定額計(jì)算十分復(fù)雜，所需數(shù)據(jù)量巨大且質(zhì)量不高[25]。參考以往研究，引用Hoekstra等[26-29]研究中有關(guān)中國(guó)地區(qū)的數(shù)據(jù)和方法得到各類(lèi)畜產(chǎn)品的虛擬水定額。

現(xiàn)有研究在核算農(nóng)業(yè)水足跡時(shí)，通常僅考慮單位農(nóng)畜產(chǎn)品的虛擬水定額，而未考慮農(nóng)畜業(yè)節(jié)水技術(shù)逐年推廣應(yīng)用對(duì)農(nóng)業(yè)用水效率提升的影響，在一定程度上高估了近年來(lái)的農(nóng)業(yè)水足跡[30-32]。因此，本文考慮到農(nóng)業(yè)用水效率(即本地農(nóng)業(yè)實(shí)際用水量Var與生產(chǎn)所需虛擬水Vav的比值)對(duì)農(nóng)業(yè)水足跡的修正，得到以下公式：

W′a=(Var/Vav)Wa

(3)

式中W′a為修正后的農(nóng)業(yè)水足跡，億m3。

1.1.2工業(yè)水足跡核算

工業(yè)產(chǎn)品種類(lèi)繁雜、生產(chǎn)原料用水統(tǒng)計(jì)困難、生產(chǎn)工藝差異較大，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確核算工業(yè)產(chǎn)品的水足跡。因此，現(xiàn)有研究在核算工業(yè)水足跡時(shí)大多僅考慮本地工業(yè)實(shí)體水部分，未考慮工業(yè)產(chǎn)品貿(mào)易帶來(lái)的工業(yè)虛擬水凈輸入[33]。本文嘗試從工業(yè)產(chǎn)品消費(fèi)額入手，結(jié)合年度萬(wàn)元工業(yè)增加值水耗核算消費(fèi)端全口徑的工業(yè)水足跡[34-35]。

1.2 基于信息熵的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析方法

參考相關(guān)研究[36-38]，本文引入信息熵定量分析實(shí)體水和水足跡用水結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。計(jì)算公式為

(4)

式中：H為信息熵；n為用水類(lèi)型總數(shù)；pi為第i種用水類(lèi)型的用水量占用水總量的比例。信息熵越大，表明單一用水類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)性越弱，用水結(jié)構(gòu)越均衡。以相鄰階段的熵增量ΔH來(lái)判斷系統(tǒng)的演變趨勢(shì)與均衡程度，當(dāng)ΔH>0時(shí)，系統(tǒng)演化為熵增過(guò)程，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增強(qiáng)，由非平衡態(tài)向平衡態(tài)發(fā)展，反之為熵減過(guò)程。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文收集整理了1988—2019年的水資源開(kāi)發(fā)利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)數(shù)據(jù)資料，主要包括4類(lèi)：①北京市年度水資源可利用量與農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水量，來(lái)源于《北京市水資源公報(bào)》；②農(nóng)業(yè)虛擬水計(jì)算中本地農(nóng)畜產(chǎn)品消費(fèi)量、生產(chǎn)量，來(lái)源于《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》《北京區(qū)域統(tǒng)計(jì)年鑒》以及北京市宏觀經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)；③Penman公式與Cropwat 8.0模型計(jì)算所需參數(shù)根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織推薦的北京地區(qū)參數(shù)計(jì)算，并與現(xiàn)有相關(guān)成果進(jìn)行對(duì)比修訂；④工業(yè)虛擬水計(jì)算中社會(huì)消費(fèi)額以及萬(wàn)元工業(yè)增加值水耗，來(lái)源于《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》《北京市水務(wù)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)體水開(kāi)發(fā)利用演變特征

2.1.1總體演變規(guī)律

1988年以來(lái)，北京市水資源可利用量在20億～60億m3范圍內(nèi)周期波動(dòng)，1990年左右達(dá)到最高值59.34億m3，2002年減少至歷史最低值16.42億m3。2010年左右，水資源可利用量逐步恢復(fù)至35億m3，2015年南水北調(diào)工程調(diào)水進(jìn)京后，年均水資源可利用量增加約10億m3，接近歷史最高水平。同水資源可利用量的波動(dòng)變化相比，用水總量的年際變化不顯著，維持在40億m3左右。

總體而言，北京市水資源開(kāi)發(fā)利用情勢(shì)得到不斷優(yōu)化，大致可以分為1988—2002年、2003—2014年和2015—2019年3個(gè)階段，水資源可利用量與實(shí)際開(kāi)發(fā)量逐步趨于平衡(圖1)。第一階段年均水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)量達(dá)9.55億m3，地表水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)累計(jì) 65.13億m3，北京市重要地表水源地密云水庫(kù)的蓄水量由32.59億m3減少到9.72億m3，地下水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)累計(jì)76.34億m3，地下水埋深由11.39 m下降至17.32 m。第二階段年均水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)量減少至6.15億m3，地表水資源基本收支平衡，地下水資源仍持續(xù)過(guò)度開(kāi)發(fā)，地下水埋深進(jìn)一步下降至25.66 m。第三階段南水北調(diào)工程調(diào)水進(jìn)京后，北京市水資源開(kāi)發(fā)利用情勢(shì)極大好轉(zhuǎn)，年均水資源結(jié)余7.94億m3，密云水庫(kù)蓄水量和地下水埋深分別恢復(fù)至25.72億m3和22.71 m，地表水、地下水資源得到有效涵養(yǎng)。

圖1 1988—2019年北京市本地實(shí)體水資源開(kāi)發(fā)利用情勢(shì)

2.1.2用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律

1988年以來(lái)北京市實(shí)體水的用水結(jié)構(gòu)變化如圖2所示，總體呈“兩減兩增”的變化規(guī)律。農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水量快速下降，分別由21.99億m3和14.04億m3減少至3.70億m3和3.30億m3，在實(shí)體水中的占比分別由51.83%和33.09%降低至8.87%和7.91%；生活和生態(tài)用水量增加顯著，分別上升至18.70億m3和16.00億m3。

圖2 北京市用水結(jié)構(gòu)年際變化

“兩減”充分說(shuō)明了北京市產(chǎn)業(yè)不斷向低耗水、高產(chǎn)值的方向發(fā)展。近年來(lái)北京逐步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，疏解高耗水、低附加值產(chǎn)業(yè)，第一和第二產(chǎn)業(yè)占GDP的比例分別由1988年的9.04%和53.95%降低至2019年的0.32%和16.16%，農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水量分別以0.57億m3/a和0.34億m3/a的速度逐年遞減。生活用水量的增加一方面由于常住人口的增加(由1988年1 061萬(wàn)人增加到2019年 2 153.6萬(wàn)人)，另一方面由于第三產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速增長(zhǎng)(占GDP比例由1988年的37.01%增加到2019年的83.52%)。與此同時(shí)，人均生活用水量得到有效控制，與1988年相比較僅增加26.51 m3。在用水總量基本穩(wěn)定的前提下，農(nóng)業(yè)和工業(yè)壓減的水量一方面支撐生活用水的適度增長(zhǎng)，另一方面被用于補(bǔ)充生態(tài)環(huán)境用水。得益于再生水規(guī)模的逐年增長(zhǎng)以及南水北調(diào)工程調(diào)水進(jìn)京對(duì)供水水源的擴(kuò)充，生態(tài)環(huán)境用水量由1999年的1.29億m3快速增加至2019年的16.00億m3，遠(yuǎn)超過(guò)農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水量之和，成為北京第二大用水類(lèi)型。

3個(gè)階段的用水結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。第一階段用水結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)用水為主(占比46.37%)；第二階段突出對(duì)生活用水的保障(占比由第一階段的24.46%提升至41.24%)；第三階段則加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境用水的投入(占比由第二階段的10.17%提升至31.99%)。總體而言，1988年以來(lái)北京市用水結(jié)構(gòu)基本完成了從初級(jí)階段向高級(jí)階段的發(fā)展，即從農(nóng)業(yè)用水占比高向各環(huán)節(jié)趨于合理的方向發(fā)展[39]，同時(shí)不同用水類(lèi)型的變化趨勢(shì)逐步穩(wěn)定。

表1 北京市用水結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1988年以來(lái)實(shí)體水系統(tǒng)信息熵如圖3和表1所示，第一和第二階段信息熵由1988年的0.99 nat快速增加至2013年的1.28 nat，增加速率為0.01 nat/a，直觀反映了由于生活用水和生態(tài)用水占比增加引起的用水結(jié)構(gòu)向平衡態(tài)的發(fā)展。第三階段信息熵快速減少至2019年的1.14 nat，下降速率為0.27 nat/a，反映了農(nóng)業(yè)和工業(yè)所削減的水資源被進(jìn)一步用于補(bǔ)充生態(tài)環(huán)境用水的過(guò)程，生活和生態(tài)用水已成為占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的用水類(lèi)型(兩者占比之和超過(guò)75%)。總體而言，第一階段的用水結(jié)構(gòu)中農(nóng)業(yè)用水占比較大，生態(tài)用水占比極小，不同用水類(lèi)型間差異較大；隨著用水結(jié)構(gòu)“兩增兩減”的逐步發(fā)展，不同用水類(lèi)型差異逐漸降低；第三階段北京市生活與生態(tài)用水總量不斷上升，農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水占比被進(jìn)一步壓縮，用水結(jié)構(gòu)的發(fā)展逐漸兩極分化。目前以生活和生態(tài)用水為主導(dǎo)的用水格局是對(duì)北京市以第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主導(dǎo)、水生態(tài)環(huán)境提升需求日益突出的響應(yīng)。

圖3 北京市實(shí)體水系統(tǒng)信息熵年際變化

2.2 水足跡演變特征

2.2.1整體演變規(guī)律

在系統(tǒng)分析北京市本地實(shí)體水開(kāi)發(fā)利用演變特征的基礎(chǔ)上，核算農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)水足跡，從消費(fèi)端出發(fā)，全面掌握水足跡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變過(guò)程。1988年以來(lái)，北京市實(shí)體水利用量穩(wěn)定在40億m3左右，而水足跡整體變化較為明顯(圖4)；第一階段在30億～40億 m3的范圍內(nèi)波動(dòng)變化；第二、三階段由38.43億m3快速增加至63.30億m3，增幅高達(dá)1.46億m3/a。

圖4 北京市水足跡與信息熵年際變化

水足跡系統(tǒng)信息熵整體呈現(xiàn)快速上升后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)(圖4)，由1988年的1.03 nat增加至2015年的1.36 nat，增加速率為0.01 nat/a(與實(shí)體水系統(tǒng)信息熵增加速率基本一致)，隨后信息熵趨于穩(wěn)定，說(shuō)明水足跡系統(tǒng)用水結(jié)構(gòu)逐漸趨于均衡，且目前已基本穩(wěn)定。水足跡系統(tǒng)在考慮實(shí)體水的基礎(chǔ)上將虛擬水引入其演變過(guò)程，信息熵值整體高于實(shí)體水系統(tǒng)，且在第三階段表現(xiàn)出與實(shí)體水系統(tǒng)信息熵(圖3)相反的演變趨勢(shì)，說(shuō)明采用水足跡的方法能夠全面反映消費(fèi)端的用水結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

2.2.2用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律

從消費(fèi)端核算的水足跡用水結(jié)構(gòu)變化過(guò)程如圖5所示，較實(shí)體水而言，水足跡用水結(jié)構(gòu)變化整體更加平穩(wěn)，農(nóng)業(yè)和工業(yè)水足跡分別在11億～17億m3和9億～14億m3的范圍內(nèi)波動(dòng)，農(nóng)業(yè)和工業(yè)虛擬水凈輸入的增加填補(bǔ)了本地實(shí)體水快速減少產(chǎn)生的水資源缺口。生活和生態(tài)水足跡持續(xù)增長(zhǎng)，占比分別由第一階段的27.21%和1.82%提升至第三階段的33.62%和23.26%(表2)。

圖5 北京市各用水類(lèi)型水足跡年際變化

表2 北京市各用水類(lèi)型水足跡平均占比

現(xiàn)有農(nóng)業(yè)水足跡核算研究表明[40-42]，北京市農(nóng)業(yè)水足跡高達(dá)百億m3量級(jí)，近年來(lái)仍居高不下。由于上述研究采用的單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水定額為固定值，未考慮農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用對(duì)單位產(chǎn)品虛擬水定額的影響。通過(guò)年鑒數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可得，北京市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量由1988年的586.96萬(wàn)t減少到2019年的228.60萬(wàn)t，同期農(nóng)業(yè)用水量由19.46億m3減少至3.69億m3，單位產(chǎn)量農(nóng)產(chǎn)品的綜合用水量降低了51.4%，農(nóng)業(yè)節(jié)水效果顯著(圖6)，2019年北京農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.747，處于全國(guó)前列。故在計(jì)算農(nóng)產(chǎn)品虛擬水時(shí)，需要引入式(3)中的修正系數(shù)以得到更加合理的農(nóng)業(yè)水足跡核算成果。

圖6 北京市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與農(nóng)業(yè)用水量年際變化

與農(nóng)業(yè)水足跡的變化規(guī)律類(lèi)似，1998年以來(lái)，北京市不斷進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，高耗水產(chǎn)業(yè)逐步向高產(chǎn)低耗的工業(yè)轉(zhuǎn)型。萬(wàn)元工業(yè)增加值水耗由1988年的634.33 m3減少至2019年的7.78 m3，總體降低98.8%，同期工業(yè)消費(fèi)額由150.9億元上升至11 640.2億元。故在滿足工業(yè)消費(fèi)需求快速增加的同時(shí)，北京市工業(yè)水足跡基本穩(wěn)定(圖7)。

圖7 北京市工業(yè)消費(fèi)額與萬(wàn)元工業(yè)增加值水耗年際變化

農(nóng)業(yè)和工業(yè)水足跡可以進(jìn)一步分為實(shí)體水供給和虛擬水凈輸入兩部分，由圖8可以看出，北京市農(nóng)業(yè)和工業(yè)實(shí)體水使用量不斷下降，虛擬水由凈輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閮糨斎霠顟B(tài)。隨著北京市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐漸由第一、第二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)和工業(yè)貿(mào)易由生產(chǎn)型向消費(fèi)型轉(zhuǎn)變，第一階段虛擬水年均凈輸出6.60億m3，第二階段年均凈輸入5.33億m3,而第三階段虛擬水年均凈輸入進(jìn)一步增加至14.79 億m3(表3)。虛擬水的凈輸入拓展了北京市消費(fèi)端的水資源供給，極大緩解了城市用水緊張局面，但北京市對(duì)虛擬水凈輸入的依賴(lài)程度在逐年增加，農(nóng)業(yè)、工業(yè)虛擬水使用量在農(nóng)業(yè)和工業(yè)水足跡中的占比分別增至64.3%和61.2%。

圖8 北京市農(nóng)業(yè)、工業(yè)虛擬水凈輸入量

表3 北京市農(nóng)業(yè)、工業(yè)虛擬水與實(shí)體水的使用量

2.3 水資源環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)

為了定量評(píng)估虛擬水不斷增長(zhǎng)的水資源環(huán)境效應(yīng)，參考水資源系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究的相關(guān)方法[43-45]，引入水資源壓力指數(shù)(水足跡與水資源可利用量的比值)，對(duì)北京市水資源環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，水資源壓力指數(shù)大于1.0時(shí)，水資源系統(tǒng)處于超載狀態(tài)(圖9)。

圖9 水資源壓力指數(shù)變化情況

由圖9可見(jiàn)，北京市水資源系統(tǒng)常年處于超載狀態(tài)。1988—1998年水資源壓力指數(shù)在1.0附近波動(dòng)，水資源系統(tǒng)處于超載的臨界狀態(tài)；1999—2003年水資源壓力指數(shù)均值為2.0，處于嚴(yán)重超載狀態(tài)；2004—2019年水資源壓力指數(shù)在1.2附近波動(dòng)，水資源系統(tǒng)的超載程度得到一定緩解。雖然2004—2019年北京市通過(guò)南水北調(diào)、再生水大規(guī)模利用等舉措顯著拓展了水資源可利用量，有效緩解了水資源系統(tǒng)嚴(yán)重超載的態(tài)勢(shì)，但由于水足跡的逐年增長(zhǎng)(圖4)，水資源壓力指數(shù)仍將處于波動(dòng)上升趨勢(shì)。故北京市在引入虛擬水緩解本地用水壓力的同時(shí)，需考慮水資源系統(tǒng)的生態(tài)安全與發(fā)展的可持續(xù)性，推動(dòng)水資源系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)相匹配，得到良性發(fā)展。另一方面，北京市通過(guò)不斷引入虛擬水以滿足本地生產(chǎn)、消費(fèi)各環(huán)節(jié)的水資源消耗，從而置換出部分本地實(shí)體水資源，并用于河湖補(bǔ)水、水生態(tài)恢復(fù)、地下水回補(bǔ)等，促進(jìn)了城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，獲得了顯著的資源生態(tài)環(huán)境效益。

2.4 討 論

與其他城市不同，北京市面臨的水資源壓力尤為明顯，隨著水足跡逐年上升，如今“緊平衡”的水資源情勢(shì)即將被打破。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)和節(jié)水技術(shù)水平的提升，2000年以來(lái)北京市的用水總量得到有效控制，用水結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，水資源開(kāi)發(fā)利用狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)。但由于北京市的第一、第二產(chǎn)業(yè)持續(xù)向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致本地農(nóng)業(yè)、工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)量銳減與消費(fèi)端需求量持續(xù)增長(zhǎng)的矛盾加劇，北京市對(duì)虛擬水輸入的依賴(lài)程度顯著增加[46]。在本地實(shí)體水開(kāi)發(fā)利用總量得到有效控制的基礎(chǔ)上，水足跡的持續(xù)增長(zhǎng)支撐了北京市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，但需重視水資源系統(tǒng)壓力超載問(wèn)題。因此，在北京市水資源相關(guān)研究中，不僅應(yīng)考慮實(shí)體水的開(kāi)發(fā)利用與優(yōu)化配置，還需重點(diǎn)關(guān)注虛擬水輸入對(duì)本地水置換、用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展支撐的作用以及過(guò)度依賴(lài)虛擬水可能引起的風(fēng)險(xiǎn)，以水足跡為對(duì)象開(kāi)展全口徑系統(tǒng)化研究。

另外，在虛擬水核算中，產(chǎn)品種類(lèi)選擇、虛擬水定額核定以及生產(chǎn)量、消費(fèi)量與貿(mào)易量確定等環(huán)節(jié)都涉及較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)資料收集與計(jì)算方法選取等問(wèn)題，主觀判斷對(duì)虛擬水核算結(jié)果影響較大。以孫艷芝等[41]和王麗川等[42]的計(jì)算結(jié)果為例，2012年水足跡核算結(jié)果分別為352.6億m3和116.49億m3，計(jì)算結(jié)果差異比較明顯。此外，現(xiàn)有基于固定用水定額的虛擬水核算方法不能反映用水效率提升的影響，可能導(dǎo)致對(duì)虛擬水的高估。因此，有必要基于各行業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒及投入產(chǎn)出表等權(quán)威數(shù)據(jù)，綜合國(guó)內(nèi)外虛擬水定額確定方法，考慮各類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)中的用水效率變化情況，探索出一套標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬水核算方法，為北京市水足跡研究提供更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 論

a.北京市實(shí)體水開(kāi)發(fā)利用情勢(shì)不斷優(yōu)化，大致可劃分為1988—2002年、2003—2014年和2015—2019年3個(gè)階段，由水資源年均過(guò)度開(kāi)發(fā)9.55億m3演變至年均結(jié)余7.94億m3。用水總量穩(wěn)定在40億m3左右，用水結(jié)構(gòu)總體呈“兩減兩增”的變化規(guī)律，形成了生活用水保障為主、生態(tài)用水需求提升為輔的用水格局，第三階段生活和生態(tài)用水占比達(dá)到77.93%。

b.北京市水足跡第一階段穩(wěn)定在35億m3左右，第二、第三階段分別快速增加至51.04億m3、63.30億m3。在農(nóng)業(yè)和工業(yè)實(shí)體水快速減少的背景下，虛擬水凈輸入的增加拓展了北京市消費(fèi)端的水資源供給，極大緩解了用水緊張局面，但北京市對(duì)虛擬水凈輸入的依賴(lài)程度逐年增加。第三階段的農(nóng)業(yè)、工業(yè)虛擬水在農(nóng)業(yè)、工業(yè)水足跡中的占比分別增至64.3%與61.2%，特別是2019年農(nóng)業(yè)虛擬水占比高達(dá)81.1%，農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)嚴(yán)重依賴(lài)外部輸入。水資源壓力指數(shù)高且仍有上升趨勢(shì)，水資源系統(tǒng)常年處于嚴(yán)重超載狀態(tài)。

c.實(shí)體水和水足跡系統(tǒng)信息熵在第一和第二階段同步增加，分別從0.99 nat和1.03 nat增至1.28 nat和1.34 nat，說(shuō)明用水結(jié)構(gòu)逐漸趨于均衡，隨后實(shí)體水系統(tǒng)信息熵在第三階段快速下降至1.14 nat，生活和生態(tài)用水成為占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的用水類(lèi)型，而水足跡系統(tǒng)信息熵在第三階段保持穩(wěn)定，水足跡的用水結(jié)構(gòu)較為均衡。