黃初龍,于昌平, 高 兵,3,黃云鳳

1 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,中國科學(xué)院城市環(huán)境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 泉州師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 泉州 362000 3 廈門市城市代謝重點實驗室, 廈門 361021 4 集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院, 廈門 361021

廈門市資源水與虛擬水耦合代謝效率評價

黃初龍1,2,3,于昌平1, 高 兵1,3,黃云鳳4,*

1 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,中國科學(xué)院城市環(huán)境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 泉州師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 泉州 362000 3 廈門市城市代謝重點實驗室, 廈門 361021 4 集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院, 廈門 361021

自然水循環(huán)與社會水循環(huán)的關(guān)聯(lián)研究是制定系統(tǒng)性水代謝對策的前提。從水資源代謝過程與格局角度,用物質(zhì)流分析法(MFA)剖析了亞熱帶季風(fēng)氣候雨影區(qū)缺水城市枯水年份資源水與虛擬水耦合代謝的路徑、數(shù)量,提取代謝效率評價所需的過程與結(jié)構(gòu)指標(biāo),以社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境效益最優(yōu)化為評價原則構(gòu)建了城市水資源代謝效率評價指標(biāo)體系,采用層次分析法賦權(quán),評價了近10年來枯水年份廈門市資源水與虛擬水耦合代謝效率。結(jié)果表明,廈門水資源代謝效率呈加速提高趨勢,主要由用水效率類和水代謝過程與結(jié)構(gòu)類指標(biāo)驅(qū)動。說明提高水資源代謝效率的根本對策在于用水行為和用水過程與結(jié)構(gòu)的改善。采用情景分析法設(shè)計主導(dǎo)驅(qū)動指標(biāo)不同組合下水資源代謝效率情景方案,提高了方案的可操作性,可基于這些指標(biāo)制定水資源管理對策?；贛FA結(jié)果提取指標(biāo)豐富了指標(biāo)體系構(gòu)建理論。

資源水；虛擬水；水資源代謝效率；物質(zhì)流分析(MFA)；指標(biāo)體系；情景分析

水資源是輸入城市的主要資源之一,可分為生態(tài)水、災(zāi)害水、資源水和虛擬水[1]。城市水系統(tǒng)可看作自然水循環(huán)與人工水循環(huán)過程疊加的代謝系統(tǒng)[2],主要由生產(chǎn)、消費和還原3個級別組成[1,3]。城市水問題生態(tài)實質(zhì)是水資源代謝問題[4],水資源代謝效率評價是提高水代謝效率的前提。由于提高水代謝效率取決于人類行為,而資源水和虛擬水均受人類強烈調(diào)控[1]、同步輸入城市且交互作用,因而,客觀評價水資源代謝效率需要同步考慮資源水與虛擬水。

物質(zhì)流分析(MFA)能追蹤社會經(jīng)濟系統(tǒng)中物質(zhì)提取、處理、加工、消費、排放等物質(zhì)流,可系統(tǒng)地量化社會經(jīng)濟系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)之間的物質(zhì)交換[5- 6]?？梢?MFA既可重現(xiàn)天然水流動過程與格局,也可追蹤虛擬水流動與分布,便于從水代謝過程與格局角度同步提取資源水流和虛擬水流代謝指標(biāo),從而構(gòu)建可系統(tǒng)地評價水代謝效率的指標(biāo)體系,既可為水資源管理提供指標(biāo)依據(jù),也便于從不同學(xué)科深入認(rèn)識社會水循環(huán)結(jié)構(gòu)和過程,促進社會水循環(huán)與自然水循環(huán)的關(guān)聯(lián)研究。

1 研究區(qū)概況

中國東南沿海城市是我國城市缺水重點地區(qū)[7]。廈門位于該區(qū),陸地面積1699 km2,地形以山地、丘陵為主,境內(nèi)河流水系分散,源短流急。沿海平原是人口密集區(qū),經(jīng)濟發(fā)達,需水量大；屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,降水季節(jié)波動幅度大,以地表水為主的供水易受年際年內(nèi)變化影響；且因位于臺灣山脈雨影區(qū),人均水資源量少,2009年僅276.5 m3[8-9]；又由于氣候、地形等因素影響,降水的空間分布也不均勻,由人口稀少的西北向人口密集的東南沿海遞減[8]。因此,伴隨城市規(guī)模持續(xù)擴張[10],廈門是資源型缺水典型城市,作為水資源代謝效率評價對象探討缺水對策,具有代表性。

1999年以來典型枯水年份分別為2003年、2009年、2011年,全市平均降水量分別為1206.4、1086.7、1290.1 mm,比多年平均值分別少21.3%、29.0%、15.7%[8],可作為水資源代謝效率評價年,其評價結(jié)果可為缺水對策制定提供依據(jù)。

2 研究方法

2.1 虛擬水核算

虛擬水是指已被人類經(jīng)濟社會系統(tǒng)利用、由部分資源水轉(zhuǎn)化而賦存于商品中的水,相當(dāng)于特定社會經(jīng)濟技術(shù)條件下的用(耗)水量,即生產(chǎn)商品和服務(wù)所用水量,其水量大小可用商品重量來衡量,經(jīng)商品流通而自由流通,直接影響人類系統(tǒng)的生產(chǎn)功能與生活水平[1]。本研究以質(zhì)量為單位核算各代謝過程虛擬水量,具體核算過程見圖1注釋。

圖1 廈門市資源水與虛擬水耦合代謝路徑示意Fig.1 A conceptual model for analysis of the integrated metabolism of available and virtual water for Xiamen city箭頭表示水流方向。鑒于數(shù)據(jù)來源,未考慮垃圾回用虛擬水流;圖中大寫字母及其下標(biāo)字母為各指標(biāo)代號,其中,Ct1,社會消費品零售總額所含虛擬水；Ct2,社會非消費品銷售總額所含虛擬水;上標(biāo)字母說明：a: Ev=P-TFw；b: 即當(dāng)年蓄水減少量；c: 包括污水處理回用量、雨水利用量等,其中,2003年污水回用量僅處理量1%,即65.4×104 m3 [20]；2011年污水回用量按再生水利用率10.7%[21] 計算,廢污水排放數(shù)據(jù)見文獻[22]；d: 主要用于火電廠冷卻和湖泊沖污等,均未經(jīng)淡化等處理直接利用,不納入虛擬水核算,其中,2003年海水取水量是全市工業(yè)用水總量與工業(yè)淡水取水量的差[22],但2009年海水取水量采用海水利用量[8](按2003年方法計算結(jié)果略大于海水利用量),2011年則采用工業(yè)取水量與工業(yè)淡水取水量的差值[8,22]；e: 出、入境虛擬水量分別為各年萬元GDP用水量和外貿(mào)出口、進口總額的乘積,萬元GDP用水量來自各年廈門水資源公報[8]；外貿(mào)進出口總額和社會消費品零售總額：2003年來自廈門市2003年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[23],2009年和2011年來自于廈門統(tǒng)計信息網(wǎng)[24-25]；美元兌換人民幣匯率按中國人民銀行公布的最接近相應(yīng)年份最后一天的人民幣匯率中間價計算,即2004- 01- 02為1美元對人民幣8.2768,2009- 12- 31為1美元對人民幣6.8282元[26],2011- 12- 30為1美元對人民幣6.3009[27]；f: 包括淡水和海水,是工業(yè)用水的組成部分；g: Ec= TFw- Sc-(OFw-Ru)-GFw-Se-So-Sdd；h: 是總生活用水與生活污水排放量的差；i: 假定生活用水貯存量為0,工農(nóng)業(yè)用水貯存水量以虛擬水形式表示,不含海水；j: 其中,淡水取水量引自文獻[8]；k: Vwonet=VWo-VWi；l: C=A+IFw-IwwSTPs-DEFw-Vwonet；m: Ct=SFw+Vwi-Vwo-Ru=Ct1+Ct2；n: 是工業(yè)廢水排放量與IwwSTPs的差值(淡水)； 2011年,生活用水為城鎮(zhèn)生活用水總量與農(nóng)村生活用水之和[8,22]；o: 是當(dāng)年所取用的總海水中除工業(yè)用海水外的利用與消耗

2.2 資源水與虛擬水耦合代謝分析方法

分別基于自然水循環(huán)、社會水循環(huán),分析資源水、虛擬水代謝流程與格局。進而,把不同統(tǒng)計口徑的數(shù)據(jù)資料統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為以質(zhì)量為單位,基于質(zhì)量守恒定律,應(yīng)用MFA分析各水資源代謝環(huán)節(jié)的水資源通量,合成資源水與虛擬水代謝流程圖,從而實現(xiàn)自然水循環(huán)與社會水循環(huán)的關(guān)聯(lián)分析。

2.3 水資源代謝效率變化驅(qū)動因素分析

城鎮(zhèn)化進程中水資源代謝效率變化的驅(qū)動因素復(fù)雜多變,主要因素篩選是評價水資源代謝效率的必要步驟。指標(biāo)體系是反映復(fù)雜影響因素的良好工具[11],可用于評價資源水與虛擬水耦合代謝效率。進而采用相關(guān)分析、層次分析等方法分析不同城鎮(zhèn)化階段水資源代謝效率差異、發(fā)展趨勢及其成因。

2.4 水資源代謝效率評價指標(biāo)體系構(gòu)建方法

指標(biāo)及指標(biāo)體系的科學(xué)性與可操作性是獲得客觀評價結(jié)果的前提,而指標(biāo)提取與指標(biāo)體系構(gòu)建方法常因研究目標(biāo)、數(shù)據(jù)來源、研究角度而異,是各種評價研究的探討焦點[11-12]。為了確保指標(biāo)體系的科學(xué)性與可行性,根據(jù)資源水與虛擬水耦合代謝過程與格局,采用MFA提取水資源代謝效率評價指標(biāo),根據(jù)評價目標(biāo)篩選指標(biāo),兼顧資源水與虛擬水代謝過程與格局特征,按層次結(jié)構(gòu)法組建指標(biāo)體系。其中,指標(biāo)篩選兼顧水資源流過程與格局特征、水資源代謝效率評價目標(biāo)需要、數(shù)據(jù)來源的可靠性。

2.5 指標(biāo)數(shù)據(jù)來源與標(biāo)準(zhǔn)化處理

主要數(shù)據(jù)來源于各評價年相對應(yīng)的《廈門市水資源公報》、《廈門市環(huán)境統(tǒng)計手冊》、《廈門市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》、廈門統(tǒng)計信息網(wǎng)、《福建省統(tǒng)計年鑒》及電子文獻。

指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理時,先進行指標(biāo)分類,再采用極差變換法對指標(biāo)實際值進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,即每個指標(biāo)實際值Ci的去量綱：均按數(shù)據(jù)系列中的最大參考值與最小值之差為分母進行標(biāo)準(zhǔn)化處理[11]。

2.6 指標(biāo)體系賦權(quán)與評價方法

層次分析法(AHP)是定性與定量相結(jié)合的可將復(fù)雜問題分解為若干層次和若干因素的一種系統(tǒng)化、層次化的多目標(biāo)決策分析方法[13-14]。水代謝系統(tǒng)是一個由相互關(guān)聯(lián)的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜而缺少定量數(shù)據(jù)的系統(tǒng),采用層次分析法有利于其復(fù)雜代謝問題層次化,在每一層次通過兩兩比較,確定各指標(biāo)所反映因子的相對重要性,得出各指標(biāo)對中間層、中間層對總目標(biāo)的權(quán)重,再綜合排序,從而解決問題。根據(jù)文獻[13,15- 17]中方法進行指標(biāo)體系賦權(quán)。賦權(quán)結(jié)果一致性檢驗參照文獻[18]的方法和參數(shù)。進而,為避免個別指標(biāo)對指標(biāo)體系整體功能產(chǎn)生影響,采用文獻[11]的加權(quán)求和法求水資源代謝效率。

2.7 資源水與虛擬水耦合代謝路徑設(shè)計

水資源代謝路徑剖析是科學(xué)評價水資源代謝效率的前提之一。代謝路徑剖析有利于明確代謝過程與格局,為水資源流分析提供框架,進而為水資源代謝過程與格局方面的水資源代謝效率評價指標(biāo)的提取提供依據(jù)。近年來,水循環(huán)研究焦點已由自然水循環(huán)轉(zhuǎn)向社會水循環(huán),然而有些水代謝環(huán)節(jié)關(guān)注較少,如城市水循環(huán)中,城市區(qū)域內(nèi)自然凈化的資源水在城市生活、生產(chǎn)、環(huán)境之間的循環(huán)利用,生活垃圾與工農(nóng)業(yè)固體廢物所隱含的虛擬水在生活中的回用[19]。因此,結(jié)合數(shù)據(jù)來源,可設(shè)計廈門市資源水與虛擬水耦合代謝路徑簡圖(圖1)。

2.8 水資源代謝效率情景方案設(shè)計

保證水資源代謝效率情景方案的科學(xué)性與可操作性,關(guān)鍵在于方案設(shè)計指標(biāo)的科學(xué)性與可行性。這類指標(biāo)采用兩步法提?。焊鶕?jù)MFA結(jié)果,先獲得枯水年水資源利用過程與格局方面主要指標(biāo),再根據(jù)研究區(qū)社會經(jīng)濟和環(huán)境用水現(xiàn)狀選取其他主要指標(biāo)；再從主要指標(biāo)與近10年廈門島水資源代謝效率變化的相關(guān)分析中,獲取水資源代謝效率變化的主導(dǎo)指標(biāo)。從而,使水資源消費情景方案設(shè)計指標(biāo)體現(xiàn)廈門市水資源代謝效率變化特征,既反映水資源代謝的客觀實際,又簡化了方案設(shè)計的指標(biāo)數(shù)量,便于水資源規(guī)劃與管理對策的制定與執(zhí)行,使水資源代謝效率優(yōu)化方案能兼顧科學(xué)性與可行性。

3 基于MFA的廈門市枯水年資源水與虛擬水耦合代謝分析

基于水資源代謝路徑及數(shù)據(jù)來源(圖1),應(yīng)用MFA,可進行1999年以來枯水年份水資源流質(zhì)量平衡。結(jié)果表明(圖2),不僅資源水消耗持續(xù)增長,而且出境虛擬水始終高于入境虛擬水量。2003、2009、2011年的出入境虛擬水量的比值分別為1.29、1.77、1.55,說明廈門盡管缺水,卻依靠外來水源和城市系統(tǒng)內(nèi)資源水向虛擬水的轉(zhuǎn)化,成為典型的水資源出口型城市。進一步說明了城市資源水與虛擬水耦合評價的必要性。

圖2 廈門市枯水年社會水循環(huán)資源水與虛擬水的耦合流動/(×107 kg)Fig.2 Integrated analysis of available and virtual water flows through social hydrologic cycles in Xiamen in dry years 圖中字母代號含義及其數(shù)據(jù)來源見圖1

4 廈門市水資源代謝效率評價

4.1 水資源代謝效率評價指標(biāo)體系構(gòu)建

4.1.1 水資源代謝效率評價指標(biāo)庫構(gòu)建

物質(zhì)代謝效率評價指標(biāo)的選擇沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),通常涉及“投入指標(biāo)”和“產(chǎn)出指標(biāo)”,包括資源消耗、環(huán)境污染、經(jīng)濟發(fā)展和社會福利4個方面[28]。但投入產(chǎn)出指標(biāo)容易忽略系統(tǒng)內(nèi)資源利用效率,為全面評價以生態(tài)、社會經(jīng)濟效益最優(yōu)化為目標(biāo)的城市水資源代謝效率,按代謝過程與格局、社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)環(huán)境效益4個方面選取指標(biāo)。

(1)反映水資源代謝過程與格局的指標(biāo)

根據(jù)水資源流MFA分析結(jié)果(圖2),可提取兼顧水資源流動過程與格局特征的指標(biāo)。從水資源流過程角度提取反映水資源流過程效率的指標(biāo),包括淡水、海水、虛擬水代謝過程指標(biāo)(附表1)。從水資源流格局角度提取表征水代謝結(jié)構(gòu)方面的指標(biāo),包括供、用、排3類結(jié)構(gòu)指標(biāo)(附表1)。

(2) 影響水資源代謝的社會經(jīng)濟及環(huán)境指標(biāo)

社會經(jīng)濟發(fā)展所需資源水與虛擬水的變化量是水資源代謝的驅(qū)動力,水代謝效率主要由社會和經(jīng)濟各部門用水效率構(gòu)成。主要指標(biāo)包括產(chǎn)業(yè)發(fā)展指標(biāo)、人口增長指標(biāo)、人均收入與消費指標(biāo)等(附表1)。

4.1.2 亞熱帶季風(fēng)氣候雨影區(qū)水資源代謝效率評價指標(biāo)體系組成

城市物質(zhì)代謝是指城市系統(tǒng)中物質(zhì)輸入、轉(zhuǎn)化、儲存以及廢棄物排放等代謝過程。城市物質(zhì)代謝效率是指城市物質(zhì)代謝過程中單位資源消耗和污染負(fù)荷所提供的社會服務(wù)量[29-30]。因而,水資源代謝效率可界定為“研究系統(tǒng)中水資源輸入、轉(zhuǎn)化、儲存及廢污水排放等代謝過程中水資源消耗或廢污水排放所提供的社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境服務(wù)量”,可由水資源代謝的社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境3方面效益加以表征,其評價指標(biāo)體系可由反映這些效益的指標(biāo)構(gòu)成。據(jù)此,以保障居民生活用水需求、提高用水經(jīng)濟產(chǎn)出和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo),結(jié)合研究區(qū)供、用、排水特征,并咨詢領(lǐng)域?qū)＜?廈門市水資源代謝效率評價指標(biāo)體系應(yīng)包括反映水資源代謝的過程與格局、社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)環(huán)境效益等4個指標(biāo)群(表1)。此外,水污染也是廈門主要水問題,因此水資源代謝效率評價指標(biāo)體系必須兼顧水量和水質(zhì)指標(biāo)。

4.2 指標(biāo)體系賦權(quán)結(jié)果分析

賦權(quán)結(jié)果一致性檢驗CR均小于0.1,符合評價要求。以水資源代謝效率為目標(biāo)的各領(lǐng)域權(quán)重中,社會領(lǐng)域最大,是因為城市生態(tài)系統(tǒng)以人為主體,其水代謝的社會效率最能體現(xiàn)城市用水的可持續(xù)性內(nèi)涵；生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域第二,是由于環(huán)境可持續(xù)性是人類圈用水可持續(xù)的基礎(chǔ)。過程與格局指標(biāo)群中,體現(xiàn)代謝過程效率的淡水回用率、廢棄虛擬水回用率比其他指標(biāo)高,是因為水代謝效率內(nèi)涵側(cè)重過程而非結(jié)構(gòu)效率。社會效益指標(biāo)群中,單位用水社會消費品零售額的權(quán)重遠(yuǎn)高于另兩個指標(biāo),是因為該指標(biāo)直接反映了水代謝的社會影響。經(jīng)濟效益指標(biāo)群中,單方水灌溉面積的權(quán)重較高,是由于農(nóng)業(yè)用水仍占總用水量一半以上,且用水效益提升空間遠(yuǎn)大于工業(yè)用水效益。生態(tài)環(huán)境效益指標(biāo)群中,水環(huán)境質(zhì)量的權(quán)重大于其他指標(biāo),是因為水環(huán)境質(zhì)量直接反映了人水關(guān)系。

4.3 評價結(jié)果與分析

根據(jù)賦權(quán)和標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果(表2),采用加權(quán)求和法求得2003、2009、2011年的廈門水資源代謝效率分別為0.424、0.480、0.610。與2003年相比,2009年、2011年代謝效率分別提高了13.1%、43.9%,表明：同為枯水年下,廈門水資源代謝效率加速提高。從各領(lǐng)域?qū)λY源代謝效率的貢獻看,社會領(lǐng)域水代謝效率提高幅度最大,2009年、2011年分別比2003年提高59.6%、146.5%；過程與格局水代謝效率有較大提高,2009年、2011年分別比2003年提高13.8%、22.4%；經(jīng)濟領(lǐng)域水代謝效率也有提高,2009年、2011年分別比2003年提高6.9%、15.2%；生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的水代謝效率則略為下降,2009年、2011年分別比2003年下降15.2%、3.2%。表明：1)廈門水資源代謝效率的迅速提高主要取決于社會經(jīng)濟領(lǐng)域水代謝效率的提高；2)社會經(jīng)濟方面水資源代謝效率的提高是以犧牲生態(tài)環(huán)境效益為代價的；3)社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護仍不協(xié)調(diào)；4)2011年生態(tài)環(huán)境方面水資源代謝效率比2009年好,社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護有趨向協(xié)調(diào)的可能。

5 水資源代謝驅(qū)動機制及其優(yōu)化調(diào)控

5.1 水資源代謝驅(qū)動機制分析

由于自然水循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性、多變性及被人類干擾后變化的不確定性,人類對自然水循環(huán)系統(tǒng)的認(rèn)識具有局限性、滯后性,例如人類對水壩和河流水泥護岸建設(shè)改變自然水系統(tǒng)導(dǎo)致的潛在危害的認(rèn)識遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于建設(shè)效益的認(rèn)識。為此,水資源高效代謝的關(guān)鍵在于水循環(huán)過程中人類行為而不是自然過程的調(diào)整。

表1 廈門市資源水與虛擬水耦合代謝效率評價指標(biāo)體系

IG:指標(biāo)群indicator groups；ICU: 指標(biāo)及其代號和單位indicators, codes, units；EQ: 計算公式equation；RM,remarks, 備注;PP: 過程與格局領(lǐng)域processes and patterns；SC: 社會領(lǐng)域society；EN: 經(jīng)濟領(lǐng)域economics；EC: 生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域eco-environment; #指越小越優(yōu)型指標(biāo),即指標(biāo)值越小對代謝效率的貢獻越高；其他均為越大越優(yōu)型指標(biāo),即指標(biāo)值越大對代謝效率的貢獻越高IG: 指標(biāo)群indicator groups；W: 權(quán)重weight；I: 指標(biāo)indicators;指標(biāo)群和指標(biāo)代號含義見表1;#指越小越優(yōu)型指標(biāo)；&指常住人口自然增長率,2003和2009年數(shù)據(jù)來源于廈門統(tǒng)計信息網(wǎng)[31],其中,2011數(shù)據(jù)來自電子文獻[32]；* 2003年數(shù)據(jù)來自文獻[33],2009年數(shù)據(jù)來自文獻[34], 2011年數(shù)據(jù)為2010年底數(shù)據(jù),來自文獻[35]

表2 指標(biāo)體系賦權(quán)與評價結(jié)果

評價結(jié)果也表明,廈門水資源代謝效率加速提高關(guān)鍵在于社會經(jīng)濟領(lǐng)域的人類用水效率快速提高(表2)。供水和廢水處理是聯(lián)結(jié)自然水循環(huán)和社會水循環(huán)的樞紐環(huán)節(jié),也是虛擬水流和資源水流的耦合環(huán)節(jié)。因此,影響虛擬水和資源水耦合代謝效率的主要環(huán)節(jié)有：水生產(chǎn)、水消費、水排放。水生產(chǎn)和水排放又經(jīng)由水消費而形成循環(huán),直接取決于水消費狀況(圖2)。

水生產(chǎn)供給方面,包括虛擬水和生產(chǎn)生活用水的生產(chǎn)。虛擬水產(chǎn)品生產(chǎn)量與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)取決于研究區(qū)內(nèi)虛擬水消費與虛擬水進出境狀況。如,人均水足跡遠(yuǎn)大于農(nóng)村的城市或缺水區(qū)適宜發(fā)展低耗水高附加值產(chǎn)業(yè),通過虛擬水貿(mào)易進口高耗水產(chǎn)品滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求[36]。水稀缺條件下,虛擬水生產(chǎn)規(guī)劃應(yīng)考慮各產(chǎn)業(yè)用水效率與機會成本,減少水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)作物生產(chǎn)規(guī)模,提高低耗水高附加值服務(wù)業(yè)在國民經(jīng)濟中所占比例[37]。廈門為虛擬水出口型城市(圖2),其虛擬水出境量多少取決于境外虛擬水供需平衡狀況。生產(chǎn)、生活供水量則取決于生產(chǎn)、生活用水效率。

水消費需求方面,虛擬水消費既受境內(nèi)消費影響,也受境內(nèi)外虛擬水貿(mào)易影響,因此虛擬水消費驅(qū)動機制分析既要考慮境內(nèi)消費,也要考慮境內(nèi)外虛擬水貿(mào)易量和貿(mào)易結(jié)構(gòu)的影響[36,38-39]。如,2007年中國國內(nèi)貿(mào)易所含虛擬水提取量和消費量分別占全國年淡水總?cè)∷康?8%、總水消費量的39%；而國際貿(mào)易所含虛擬水提取量和消費量僅分別占全國總?cè)∷康?7.4%、總水消費量的16.1%,其中,紡織品、服裝、皮革制品所含的虛擬水貿(mào)易量大于農(nóng)產(chǎn)品[39]。資源水消費則受經(jīng)濟發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)耗水結(jié)構(gòu)、水資源稟賦和水資源可利用性與社會經(jīng)濟需水的空間匹配性等因素影響。

水排放方面,包括廢污水排放和隱含虛擬水的固體廢物排放。廢污水排放既是社會水循環(huán)可利用水量的消耗,也是自然水循環(huán)水體自凈負(fù)荷的增加。廢污水排放量與廢污水中污染物含量取決于水消費量與消費結(jié)構(gòu),也取決于水處理設(shè)施投入。其中,工業(yè)廢水排放取決于經(jīng)濟增長狀況和工業(yè)結(jié)構(gòu)[40]。固廢排放既取決于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)清潔技術(shù)水平與循環(huán)利用能力,也取決于居民生活消費習(xí)慣、消費水平。

代謝效率評價值與各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值的Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明(表3),影響水資源代謝效率的主導(dǎo)指標(biāo)包括單方用水灌溉面積、淡水回用率、單方用水工業(yè)產(chǎn)值、單方用水社會消費品零售額、生態(tài)用水比例,這些指標(biāo)與水資源代謝效率的Pearson相關(guān)系數(shù)達0.9以上；其他重要指標(biāo)包括為人口發(fā)展水平、廢棄虛擬水回用率、單方用水支撐人口數(shù)、生產(chǎn)用水比例,這些指標(biāo)與水資源代謝效率的Pearson相關(guān)系數(shù)達0.8以上?？梢?用水效率類指標(biāo)與水代謝過程與格局類指標(biāo)是水資源代謝效率變化的主要驅(qū)動指標(biāo),可作為水資源代謝優(yōu)化調(diào)控方案的制定依據(jù)。

表3 水資源代謝效率評價值與各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值的Pearson相關(guān)分析

指標(biāo)代號含義見表1

5.2 水資源代謝優(yōu)化調(diào)控

以枯水年各驅(qū)動指標(biāo)實際值年變化速度為代表(表2),假定低方案各驅(qū)動指標(biāo)年變化速度為2003—2009年的年變化速度；高方案各驅(qū)動指標(biāo)年變化速度為2009—2011年的年變化速度；中方案各驅(qū)動指標(biāo)年變化速度為高低方案各指標(biāo)年變化速度的平均值。則可得短期(2020年)、中期(2030年)、長期(2050年)的高、中、低方案廈門各驅(qū)動指標(biāo)預(yù)測值(表4)。

驅(qū)動指標(biāo)不同組合模式下水資源代謝效率情景方案設(shè)計與優(yōu)化：根據(jù)各驅(qū)動指標(biāo)高、中、低方案的短、中、長期預(yù)測值(表4),假定其他指標(biāo)值為基準(zhǔn)年2011年實際值,則可求得短、中、長期的高、中、低方案廈門水資源代謝效率(表5)。

表4 驅(qū)動指標(biāo)變化趨勢情景

Y: 預(yù)測年forecast years; 其他代號為各指標(biāo)代號,含義見表1; 最小參照值均為零；Max:最大參照值,標(biāo)準(zhǔn)化后均為1;負(fù)值按0計算;回用率超過100%,表示循環(huán)回用導(dǎo)致的累計回用率;生態(tài)用水比例超過100%的按100%計,表示人類圈不取用生態(tài)水,僅需依靠資源水就可滿足需要,資源水含義見文獻[1];單方用水灌溉面積為負(fù)數(shù)時,按0計算基于現(xiàn)狀評價期水資源代謝效率年均增速的水資源代謝效率情景方案設(shè)計與優(yōu)化：以枯水年水資源代謝效率年變化為例(4.3 評價結(jié)果與分析),假定低方案水資源代謝效率年變化速度為2003—2009年的年變化速度,即水資源代謝效率年均增加2.2%；高方案水資源代謝效率年變化速度為2009—2011年的年變化速度,即水資源代謝效率年均增加13.6%；中方案水資源代謝效率年變化速度為高低方案年變化速度的平均值,即水資源代謝效率年均增加(2.2%+13.6%)/2 = 7.9%。則可得短、中、長期的高、中、低方案廈門水資源代謝效率(表5)。

表5 水資源代謝效率情景

BY: 基準(zhǔn)年(2011)base year；G: 年增速annual growth rate(%);表中括號內(nèi)數(shù)值為驅(qū)動指標(biāo)不同組合模式下水資源代謝效率情景值；括號外數(shù)值為基于現(xiàn)狀評價期水資源代謝效率年均增速的水資源代謝效率情景值與2003—2011年水資源代謝效率年變化速度直接預(yù)測的短、中、長期的高、中、低方案廈門水資源代謝效率相比,驅(qū)動指標(biāo)不同組合模式下水資源代謝效率情景均偏低,特別是比除中方案2020年外的中高方案水資源代謝效率情景值低3倍以上(表5)?？梢?驅(qū)動指標(biāo)不同組合模式下水資源代謝效率情景設(shè)計更具可操作性。因此,可根據(jù)這些主導(dǎo)指標(biāo)制定相應(yīng)的水資源管理對策。如淡水回用率：淡水是社會經(jīng)濟用水的主要來源。淡水回用不僅具備顯著的社會經(jīng)濟效益[41]；也有利于減少天然水提取,改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。如,回用的淡水可用于沖側(cè)、灌溉、冷卻、洗滌、防災(zāi)、農(nóng)產(chǎn)品加工、造紙、城市景觀用水、濕地用水、地下水空間維護等生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水等[42]。

6 結(jié)論

應(yīng)用MFA從水代謝過程與格局角度同步提取資源水流和虛擬水流代謝指標(biāo),一方面可同步考慮研究系統(tǒng)邊界水資源輸入輸出特征和系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)的水代謝特征,另一方面便于同時反映資源水和虛擬水的代謝特征。因此,把這些指標(biāo)納入水資源代謝效率評價指標(biāo)體系,從而更系統(tǒng)地、全面地評價水代謝效率。評價結(jié)果表明,廈門近十年來水資源代謝效率迅速提高,主要依賴于社會經(jīng)濟領(lǐng)域水代謝效率的提高；然而,生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域水代謝效率則略為下降,但下降幅度趨緩。評價結(jié)果與各指標(biāo)值的相關(guān)分析表明,用水效率類指標(biāo)和水代謝過程與結(jié)構(gòu)類指標(biāo)是廈門市水代謝效率變化的主要驅(qū)動指標(biāo),說明提高城市水代謝綜合效率主要取決于水資源消費行為的改善、水代謝過程與格局的合理規(guī)劃。依據(jù)這些主要指標(biāo)設(shè)計城市水代謝效率改善對策,有利于提高對策的可操作性與綜合性。

因數(shù)據(jù)來源限制,本研究代謝系統(tǒng)內(nèi)的資源水流與虛擬水流耦合環(huán)節(jié)較簡單,有待完善。然而,基于物質(zhì)流圖的資源水與虛擬水耦合代謝分析為自然資源與虛擬資源的耦合分析提供了框架基礎(chǔ),有利于獲取反映自然過程和社會經(jīng)濟過程中資源流全局特征的系統(tǒng)性指標(biāo),促進社會水循環(huán)與自然水循環(huán)的關(guān)聯(lián)研究,為制定一體化、綜合性資源管理對策提供依據(jù),也為水資源消費者與管理者的溝通提供簡潔、實用的指標(biāo)工具。此外,基于物質(zhì)流圖提取反映資源流過程與結(jié)構(gòu)的指標(biāo),有利于完善資源評價指標(biāo)體系構(gòu)建理論與方法。

致謝：感謝中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所陳少華研究員、崔勝輝研究員、唐立娜研究員,臺灣大學(xué)馬鴻文教授對本工作的幫助。

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附表1 指標(biāo)庫

IG，指標(biāo)群類別；I，指標(biāo)類別；RM，指標(biāo)意義;A，水代謝過程指標(biāo)；B，水代謝結(jié)構(gòu)指標(biāo)；C，影響水代謝的社會經(jīng)濟環(huán)境指標(biāo);a.盡管海水取用量僅占海水總量的極微小的比例，不會影響海水對社會經(jīng)濟系統(tǒng)的支撐能力，但海水易腐蝕設(shè)備，且取水成本較高，因此，綜合性代謝效率評價指標(biāo)也應(yīng)考慮海水的利用效率，如循環(huán)利用率、投入產(chǎn)出比;b.各比例指標(biāo)均指同一級層上分量占總量的比例，如入境虛擬水比例指入境虛擬水量占總供水量的比例

Assessment of urban water metabolism based on integrated analysis of available and virtual water: a case of Xiamen in China

HUANG Chulong1,2,3, YU Changping1, GAO Bing1,3, HUANG Yunfeng4,*

1KeyLaboratoryofUrbanEnvironmentandHealth,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China2DepartmentofResourcesandEnvironmentalSciences,QuanzhouNormalUniversity,Quanzhou362000,China3XiamenKeyLaboratoryofUrbanMetabolism,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China4SchoolofFoodandBiotechnologyEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021,China

The growing scarcity of freshwater represents an increasing risk to human society. Water scarcity is often presented as a systematic water scarcity, which is often caused by complex factors. Most previous researchers have focused on either available or virtual water in order to design strategies for mitigating water scarcity; however, herein, we argue that systematic water scarcity due to urbanization requires an assessment of the integrated metabolic efficiency of available and virtual water. In the case of Xiamen City, which is located in the shadow area of the rain belt in the subtropical monsoon climate, the dry years of 2003, 2009, and 2011 were selected for the assessment in order to implement the results in water management policies and mitigation measures for systematic water shortages. Material flow analysis (MFA) was employed to analyze integrated flows of urban available and virtual water in the dry years from the perspective of water metabolic processes or patterns. It was found that MFA could derive effective indicators for the integrated assessment, based on the comparable, comprehensive, and verifiable MFA charts, according to the effects of indicators in identifying critical pathways and links of the integrated flows. Using these MFA indicators, an indicator system could be formulated following the trade-off between socio-economic and environmental benefits. Finally, the indicator system was empowered by the analytic hierarchy process and was used in the integrated assessment. The results showed that improvement in efficiency of the integrated metabolism was accelerated in the past 10 years, and this was dominantly driven by key indicators that evaluated the socio-economic benefits of water use (irrigated area per cubic meter of water, industrial output per cubic meter of water, retail sales of consumer goods per cubic meter of water) and assessed the function of water metabolic processes or patterns (freshwater reuse rate, the proportion of water used in the ecosystem to that used in socio-economic system). These indicators show that the improvement in water metabolic efficiency was dependent on the positive adjustment of water use mode, structure, and process. Scenario Analysis was applied in the design of a better urban water metabolic management system, based on the key driving indicators derived from the integrated assessment results. The indicator system proved robust and operational, and reflects the interaction between natural and social water cycle. In addition, it allows dynamic interaction between water flow and the related socioeconomic or environmental processes to be analyzed, and therefore, could be used to formulate water management policies or developing urban water metabolic models with high efficiency. Establishment of indicator systems based on MFA results in this case study would open a new window for the development of operational efficient indicator systems.

available water; virtual water; water metabolic efficiency; material flow analysis (MFA); indicator system; scenario analysis

國家自然科學(xué)基金項目(31500391)；中國博士后科學(xué)基金會面上項目(2012M520402)；國家重大科學(xué)研究計劃項目(2014CB953801)；福建省中青年教師教育科研項目(JA13272)

2015- 07- 30;

2016- 07- 11

10.5846/stxb201507301608

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yfhuang@jmu.edu.cn

黃初龍,于昌平, 高兵,黃云鳳.廈門市資源水與虛擬水耦合代謝效率評價.生態(tài)學(xué)報,2016,36(22):7267- 7278.

Huang C L, Yu C P, Gao B, Huang Y F.Assessment of urban water metabolism based on integrated analysis of available and virtual water: a case of Xiamen in China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7267- 7278.