高太忠,龐會(huì)從,余國(guó)山,楊 柳

(河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

虛擬水理論在河北省的應(yīng)用

高太忠,龐會(huì)從,余國(guó)山,楊 柳

(河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

依據(jù)虛擬水的計(jì)量分析方法,對(duì)2005年河北省單一農(nóng)產(chǎn)品虛擬水量和動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水量進(jìn)行了計(jì)算,得出河北省2005年城鄉(xiāng)居民消費(fèi)產(chǎn)品中的虛擬水含量為484.72億m3,為實(shí)體水利用量的2.3倍;5種動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水總含量為121.17億m3,單位產(chǎn)品虛擬水含量平均值為2 597.60m3/t,9種農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總含量為363.55億m3,單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量平均值為648.44m3/t,具有較大的虛擬水應(yīng)用潛力。依據(jù)2005年河北省的虛擬水、用水量及用水結(jié)構(gòu),分析了虛擬水戰(zhàn)略對(duì)河北省的影響及其發(fā)展?jié)摿ΑＵJ(rèn)為對(duì)于河北省這樣的缺水地區(qū),運(yùn)用虛擬水手段可有效解決實(shí)體水調(diào)用的工程費(fèi)用問(wèn)題。建議密切結(jié)合自身的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì),發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、藥業(yè),適當(dāng)從鄰省調(diào)入糧食。

虛擬水;用水量;用水結(jié)構(gòu);河北省

水資源短缺是我國(guó)北方地區(qū)21世紀(jì)面臨的最主要的生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題之一,是制約區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、改善的瓶頸。據(jù)河北省水利廳2007年發(fā)布的水資源評(píng)價(jià)成果,河北省多年平均水資源總量為204.69億m3,是全國(guó)水資源總量的0.72%。多年人均水資源量為307m3,為全國(guó)人均水資源量的13.97%[1-2]。面對(duì)嚴(yán)峻的水資源現(xiàn)狀,如何實(shí)現(xiàn)河北省水資源的可持續(xù)利用和均衡分配是亟待解決的問(wèn)題,需要更新水資源問(wèn)題的研究思路。虛擬水理論是解決區(qū)域水資源短缺問(wèn)題的有效工具,通過(guò)水—糧食—貿(mào)易的關(guān)系體現(xiàn)。在水資源短缺地區(qū),水資源短缺極大地影響區(qū)域內(nèi)的糧食生產(chǎn)和安全。虛擬水貿(mào)易是一種新的水資源供應(yīng)方式,可以作為一種調(diào)節(jié)工具來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域的糧食安全和水資源安全[3]。

1 虛擬水的概念

虛擬水是英國(guó)學(xué)者Tony Allan于20世紀(jì)90年代提出的新概念[4],是指生產(chǎn)產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源[5]。虛擬水不是真正意義上的水,而是以“虛擬”的形式包含在產(chǎn)品中的看不見(jiàn)的水,也被稱(chēng)為“嵌入水”和“外生水”[4-9]。虛擬水概念是一個(gè)類(lèi)似于“水資源”的元概念。

虛擬水戰(zhàn)略是指貧水國(guó)家和地區(qū)通過(guò)貿(mào)易方式從富水國(guó)家和地區(qū)購(gòu)買(mǎi)水密集型農(nóng)產(chǎn)品(尤其是糧食)來(lái)獲得水和糧食安全[4-5,8-12]。國(guó)家和地區(qū)之間的農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易,實(shí)際上是以虛擬水的形式在進(jìn)口或出口水資源[6,9-10]。從虛擬水的概念可以看出,虛擬水以“無(wú)形”的形式存在于其他商品中,相對(duì)于現(xiàn)實(shí)存在的水資源,其便于運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn),使這種貿(mào)易變成了一種緩解水資源短缺的途徑。

虛擬水戰(zhàn)略是平衡區(qū)域尺度和水赤字的有效工具和戰(zhàn)略措施[13-14]。對(duì)于那些水資源緊缺的地區(qū)來(lái)說(shuō),虛擬水貿(mào)易不僅提供了水資源的一種替代供應(yīng)途徑,而且不會(huì)產(chǎn)生惡劣的環(huán)境后果,能較好地減輕局地水資源緊缺的壓力[5,8]。而對(duì)于水資源豐富的國(guó)家,通過(guò)虛擬水的出口同樣可以獲益,增強(qiáng)其經(jīng)濟(jì)實(shí)力。因此,國(guó)家與國(guó)家之間虛擬水交易被用作提高全球水利用效率和缺水地區(qū)獲得水安全的一個(gè)重要工具。

農(nóng)業(yè)用水是目前我國(guó)水資源消耗的主要形式。通過(guò)省際農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)出口情況,可以了解目前“虛擬水”在各地區(qū)流通的大致情況,因?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品是水密集型商品,其中隱含了大量的“虛擬水”。全國(guó)除臺(tái)灣、澳門(mén)、香港外31個(gè)省(市、區(qū))中,有20個(gè)省(市、區(qū))的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)口大于出口,表現(xiàn)出進(jìn)口“虛擬水”,10個(gè)省(市、區(qū))農(nóng)產(chǎn)品出口量大于進(jìn)口量,表現(xiàn)為出口“虛擬水”。

2 虛擬水的計(jì)量方法

2.1 農(nóng)作物產(chǎn)品虛擬水含量計(jì)算

單一農(nóng)作物產(chǎn)品虛擬水含量可以根據(jù)以下公式計(jì)算:

式中:Vcn為區(qū)域n作物c單位質(zhì)量的虛擬水含量,m3/t;Wcn為區(qū)域n作物c的需水量,m3/hm2;Ycn為區(qū)域n作物c的產(chǎn)量,t/hm2[4-5,11,15-17]。

假設(shè)農(nóng)作物本身所包含的水分可以忽略不計(jì),則作物需水即是作物在生長(zhǎng)發(fā)育期間的累積蒸發(fā)蒸騰水量:

式中:ETC為累積蒸發(fā)蒸騰水量,t;ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰水量,t;KC為作物系數(shù)[4-6,8,11,15-17]。

式(2)計(jì)算ET0時(shí),忽略了作物類(lèi)型、作物發(fā)育和管理措施等因素對(duì)作物需水的影響,可根據(jù)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式計(jì)算修正,其計(jì)算過(guò)程如下:

式中:Δ為蒸氣壓力曲線(xiàn)斜率,kPa/℃;Rn為作物表面的凈輻射量,MJ/m2;G為土壤熱流量,MJ/m2;γ為干濕度常量,kPa/℃[5-6,11,15-19];t為平均氣溫,℃;v2為離地面2m高處的風(fēng)速,m/s;Pa為飽和狀態(tài)下的蒸氣壓力,kPa;Pd為實(shí)際蒸氣壓力,kPa。

2.2 動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水含量計(jì)算

圖1 動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水計(jì)算流程

要將活動(dòng)物的虛擬水含量在動(dòng)物產(chǎn)品間進(jìn)行分配才能計(jì)算出不同動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水含量(圖1)[4-6,11]。動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水含量依賴(lài)于動(dòng)物的類(lèi)型、動(dòng)物的飼養(yǎng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)物成長(zhǎng)的自然地理環(huán)境(氣候條件)[12,16-17]。其虛擬水含量計(jì)算分兩個(gè)步驟:①計(jì)算活動(dòng)物一生消耗的虛擬水量(包括飼料生產(chǎn)用水、生活飲用水、清洗圈舍用水);②活動(dòng)物的虛擬水量加上加工用水在該動(dòng)物的不同產(chǎn)品之間進(jìn)行分配[6]。文獻(xiàn)[4-5,11-12,15-19]給出了第1類(lèi)至第4類(lèi)動(dòng)物產(chǎn)品及相關(guān)問(wèn)題的概念,即直接由活動(dòng)物提供的產(chǎn)品稱(chēng)為第1類(lèi)動(dòng)物產(chǎn)品,經(jīng)進(jìn)一步加工變成第2類(lèi)動(dòng)物產(chǎn)品,第1類(lèi)動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水含量包括活動(dòng)物的虛擬水和為得到不同第1類(lèi)初級(jí)產(chǎn)品加工所需要的水資源量?？梢砸M(jìn)產(chǎn)品比例因子和價(jià)值比例因子來(lái)計(jì)算在不同的第1類(lèi)產(chǎn)品間分配活動(dòng)物的虛擬水含量和加工需水。產(chǎn)品比例因子定義為從活動(dòng)物得到的不同第1類(lèi)動(dòng)物產(chǎn)品的數(shù)量比例,價(jià)值比例因子是第1類(lèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值與所有第1類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)值總和的比例。部分第1類(lèi)產(chǎn)品的虛擬水和加工用水構(gòu)成了活動(dòng)物的虛擬水,第2類(lèi)初級(jí)產(chǎn)品間用水的分配同樣采用產(chǎn)品比例因子和價(jià)值比例因子進(jìn)行分配,第3、4類(lèi)動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水含量分配依此類(lèi)推。

3 計(jì)算和分析

3.1 單一農(nóng)產(chǎn)品虛擬水量計(jì)算

a.作物需水量。根據(jù)陳玉民等[20]的我國(guó)主要作物需水量等值線(xiàn)圖等研究結(jié)果,作物需水量(ET)調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 海河流域作物需水量調(diào)查結(jié)果 mm

b.作物產(chǎn)量。根據(jù)河北經(jīng)濟(jì)年鑒2005年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[21],2005年河北省各類(lèi)作物單產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2005年河北省各類(lèi)作物單產(chǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 kg/hm2

c.虛擬水含量計(jì)算。按照前述方法,首先計(jì)算單一農(nóng)作物初級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)的虛擬水含量,然后根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料和知識(shí),獲得各類(lèi)作物單產(chǎn)量,最終得到單位產(chǎn)品的虛擬水含量(表3)。需要指出的是,同虛擬水相比較,最終產(chǎn)品中的實(shí)體水和加工過(guò)程中所需要的實(shí)體水總是忽略的(如西紅柿中的水)。

3.2 動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水計(jì)算

Hoekstra等[22]根據(jù)FAO和世界貿(mào)易組織(WTO)提供的數(shù)據(jù)資料,按照世界100多個(gè)國(guó)家單位重量動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水含量估算中有關(guān)中國(guó)部分貢獻(xiàn)度大小的估計(jì)結(jié)果,計(jì)算2005年河北省居民生活消費(fèi)的動(dòng)物產(chǎn)品中的虛擬水含量(表3)。

表3 2005年河北省城鄉(xiāng)居民消費(fèi)的虛擬水含量

從表3可見(jiàn),2005年河北省主要農(nóng)產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水總量為484.72億m3,其中,5種動(dòng)物產(chǎn)品總產(chǎn)量為280.55萬(wàn)t,虛擬水總含量為121.17億m3,單位產(chǎn)品虛擬水含量平均值為2 597.60m3/t;9種農(nóng)產(chǎn)品的總產(chǎn)量為1096.6萬(wàn)t,虛擬水總量為363.55億m3,單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量平均值為648.44m3/t,單位動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水含量約為單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量的 4倍。谷物的虛擬水總量達(dá)271.45億m3,占農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總量的74.7%。

在河北省這樣一個(gè)缺水大省,由于農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)的采用,谷物的單位質(zhì)量虛擬水含量應(yīng)該接近50%,所以計(jì)算結(jié)果可能有偏差。9種農(nóng)產(chǎn)品中,盡管蔬菜的單位質(zhì)量虛擬水含量很低,但是單產(chǎn)很高,單位面積需水量達(dá)813mm,是9種農(nóng)產(chǎn)品中需水量最大的。蔬菜作為一種日常生活食品,其需求量大是造成種植面積大的原因,也與河北省的地理?xiàng)l件有關(guān)。但是,如果適當(dāng)壓縮蔬菜的種植面積,并從鄰近地區(qū)進(jìn)口部分蔬菜,可以減少水資源的消耗。河北省作為全國(guó)14個(gè)糧食主產(chǎn)省之一,每年出省糧食約在45萬(wàn)t以上。河北省可調(diào)整糧食貿(mào)易結(jié)構(gòu),適當(dāng)減少單位產(chǎn)品虛擬水含量較高的谷物和棉花作物。

3.3 虛擬水與用水結(jié)構(gòu)分析

依據(jù)2005年河北省虛擬水與用水量計(jì)算結(jié)果(表4),分析河北省虛擬水與用水結(jié)構(gòu),對(duì)虛擬水戰(zhàn)略在河北省的應(yīng)用以及河北省的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整都具有指導(dǎo)意義。

表4 2005年河北省虛擬水與用水量計(jì)算結(jié)果

2005年河北省人均用水量為307m3,由農(nóng)產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品計(jì)算得出的人均虛擬水約為707.5m3,人均虛擬水是人均用水量的2.3倍。農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量大于農(nóng)業(yè)用水量,主要是因?yàn)閱挝毁|(zhì)量農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量并未包含最終產(chǎn)品中的實(shí)體水和加工過(guò)程中所需要的實(shí)體水。動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水總量很大,一方面是因?yàn)閯?dòng)物產(chǎn)品虛擬水含量并非嚴(yán)格按照資料進(jìn)行計(jì)算,而是采用Chapagain和Hoekstra的研究結(jié)果和虛擬水計(jì)算參考值;另一方面,動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水包含了多種來(lái)源,而且動(dòng)物產(chǎn)品具有儲(chǔ)水功能,可能包含了多年的累積消耗水量。

筆者只計(jì)算了農(nóng)產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水,并沒(méi)有計(jì)算工業(yè)產(chǎn)品的虛擬水。但是僅僅從這兩個(gè)方面的計(jì)算結(jié)果來(lái)看,生產(chǎn)和加工這些產(chǎn)品消耗了大量的水資源。由于工業(yè)產(chǎn)品的虛擬水含量計(jì)算尚處于起步階段,可借鑒的工業(yè)原材料虛擬水的數(shù)據(jù)較少,因此,計(jì)算模型還有待完善。從虛擬水及用水2個(gè)方面都可以看出,農(nóng)業(yè)用水高達(dá)161.76億m3,而河北省2005年的水資源可利用總量?jī)H為170億m3,基本滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)用水的需要。

在虛擬水戰(zhàn)略中,對(duì)于缺水地區(qū),最理想的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是讓有限的水資源用于耗水量小且產(chǎn)品附加值高的行業(yè)。低附加值行業(yè)一般是農(nóng)業(yè),如果城市化水平不高,農(nóng)村人口眾多,考慮到就業(yè)壓力及人民生活等問(wèn)題,壓縮農(nóng)業(yè)的可能性不大。河北省是農(nóng)業(yè)大省,只能依靠提高水資源利用效率節(jié)約水資源,因此實(shí)施虛擬水戰(zhàn)略必須考慮地區(qū)的城市化發(fā)展水平。從省域經(jīng)濟(jì)綜合競(jìng)爭(zhēng)力角度看,河北省列居全國(guó)第12位,但是采用虛擬水戰(zhàn)略的潛力仍然不足。特有的地理位置制約了河北省很多方面的發(fā)展。

4 結(jié)論與討論

筆者對(duì)河北省2005年主要農(nóng)產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品的虛擬水計(jì)算得出:虛擬水總量為484.72億m3,其中,5種動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水總含量為121.17億m3,單位產(chǎn)品虛擬水含量平均值為2 597.60m3/t;9種農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總含量為363.55億m3,單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量平均值為648.44m3/t。人均虛擬水含量為實(shí)體水利用量的2.3倍。產(chǎn)品中所包含的虛擬水總量是相當(dāng)可觀的,而且這部分水是可以通過(guò)貿(mào)易進(jìn)行流通。虛擬水貿(mào)易提供了水資源的一種替代供應(yīng)方式,并且該方式不會(huì)產(chǎn)生惡劣的環(huán)境后果,可有效解決實(shí)體水調(diào)用的工程費(fèi)用問(wèn)題。虛擬水戰(zhàn)略的實(shí)際應(yīng)用中受地區(qū)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、城市化發(fā)展水平、生態(tài)平衡等許多因素的影響。貧水地區(qū)可以通過(guò)購(gòu)買(mǎi)水密集型產(chǎn)品來(lái)替代自己生產(chǎn),從而緩解水資源短缺的壓力。盡管河北省是農(nóng)業(yè)大省,糧食作為戰(zhàn)略性資源,但仍可適當(dāng)考慮通過(guò)制定和實(shí)施虛擬水進(jìn)口戰(zhàn)略,同時(shí)結(jié)合自身的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì),發(fā)展輕工業(yè)、藥業(yè),適當(dāng)從鄰省調(diào)入糧食。

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Application of virtual water theory in Hebei Province

GAO Tai-zhong,PANG Hui-cong,YU Guo-shan,YANG Liu
(College of Environmental Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang050018,China)

Using a quantitative analysis method,the virtual water quantities of single farm products and animal products in Hebei Province in 2005were calculated.The virtual water quantity of urban and rural residential consumption products was 484.72 billion m3in Hebei Province in 2005.This was about 2.3 times the fresh water consumed.The virtual water of five animal productswas 121.17 billion m3,and the average virtual water per product was 2597.60m3/t.The virtual water of nine farm products was 363.55 billion m3,and the average virtual water per product was 648.44m3/t.There was large virtual water application potential.The influence of a virtual water strategy and its development potential in Hebei Province were analyzed according to virtual water,water quantity consumed,and water consumption structure in 2005.The engineering cost of water diversion can be resolved effectively by applying virtual water concepts in Hebei Province with water resources shortages.It is suggested that by using the industrial advantages in Hebei Province,hightech industry and medicine enterprises can be developed,and food can be transferred from neighboring provinces properly.

virtual water;virtual water quantity;water consumption structure;Hebei Province

TV213

A

1004-6933(2010)03-0079-04

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)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(2005409311);河北省環(huán)境工程重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(2009009)

高太忠(1957—),男,河北行唐人,教授,博士,從事水資源利用、保護(hù)與管理研究。E-mail:taizhonggao@163.com

2009-02-15 編輯:徐 娟)