苑清敏，孫愷溪

(天津理工大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)與企業(yè)可持續(xù)發(fā)展中心，天津 300384)

0 引 言

水是保證經(jīng)濟(jì)和生態(tài)安全不可或缺的資源。京津冀地區(qū)位于全國(guó)最缺水的海河流域，是水資源開發(fā)程度最高的地區(qū)，水資源稀缺和水污染正在成為制約發(fā)展的最大短板。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，京津冀區(qū)域人均水資源僅286 m3，遠(yuǎn)低于國(guó)際公認(rèn)的人均500 m3的“極度缺水標(biāo)準(zhǔn)”。2017年3月京津冀三地政協(xié)主席聯(lián)席會(huì)圍繞“三地協(xié)同保護(hù)水資源”主題開展討論，協(xié)同推進(jìn)水資源保護(hù)、水污染防治和已經(jīng)受到嚴(yán)重污染的水體治理。中國(guó)政府頒布《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》、《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等政策文件，并提出了2015、2020和2030年“三條紅線”控制指標(biāo)。可見，研究水資源承載力和水足跡對(duì)實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度和實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

水足跡指某個(gè)國(guó)家、地區(qū)或個(gè)人，在某段時(shí)間內(nèi)消費(fèi)的所有服務(wù)與產(chǎn)品需要消耗的水資源數(shù)量，反映人類對(duì)水資源的真實(shí)占用情況[1]。很多研究表明，直接利用實(shí)體水資源是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以間接方式存在所有服務(wù)和產(chǎn)品形式的虛擬水消費(fèi)[2,3]。本文認(rèn)為虛擬水足跡是指產(chǎn)品和服務(wù)生產(chǎn)過程中直接或間接所需要的水資源總和[4]。由于農(nóng)業(yè)用水量占總用水量比重之大，農(nóng)產(chǎn)品攜帶著大量的虛擬水，因此人類對(duì)農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)產(chǎn)生的虛擬水足跡就成為水足跡計(jì)算的主要部分?！毒┙蚣絽f(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》的實(shí)施需要把京津冀區(qū)域作為一個(gè)整體，進(jìn)行水資源整合利用和相關(guān)產(chǎn)業(yè)分工協(xié)作。農(nóng)業(yè)水足跡計(jì)量時(shí),采用單位產(chǎn)品虛擬水含量計(jì)算得到農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總量，并依據(jù)京津冀區(qū)域內(nèi)部供需平衡的關(guān)系，通過貿(mào)易交換以虛擬形式隱含在產(chǎn)品和服務(wù)中的水，得到虛擬水凈輸入量，最終獲得農(nóng)產(chǎn)品虛擬水足跡，較全面地展現(xiàn)地區(qū)所消耗的包括源自其他地區(qū)的水資源，得到各省市虛擬水足跡總和。根據(jù)虛擬水足跡，分析用于衡量地區(qū)間水資源的消費(fèi)狀況進(jìn)行合理的生態(tài)補(bǔ)償。

近年來，水資源約束下的城市與區(qū)域發(fā)展問題已經(jīng)成為社會(huì)和學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)之一。加快建立跨界水環(huán)境補(bǔ)償機(jī)制，盡快明確區(qū)域間水生態(tài)補(bǔ)償?shù)脑瓌t、范圍、補(bǔ)償形式和資金數(shù)額。學(xué)者們采用選擇試驗(yàn)法[5]、支付意愿法[6]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[7]、生態(tài)足跡[8]等方法確定生態(tài)補(bǔ)償額度。水足跡延于生態(tài)足跡概念，國(guó)外學(xué)者研究了西班牙農(nóng)業(yè)部門水足跡[9]、泰國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)水足跡[10]、地中海地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)水足跡[11]等。對(duì)于國(guó)內(nèi)水足跡研究，吳兆丹等[12]運(yùn)用多區(qū)域投入產(chǎn)出分析得到地區(qū)多種水足跡，減少水足跡不僅要重點(diǎn)降低水足跡主要部分，還要關(guān)注區(qū)域內(nèi)其他地區(qū)的貢獻(xiàn)因子。田園宏[13]測(cè)算了中國(guó)1978-2010年5種主要糧食作物的省際范圍、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)、國(guó)際貿(mào)易以及國(guó)內(nèi)消費(fèi)4種水足跡值。Feng等[14]從消費(fèi)角度評(píng)價(jià)了中國(guó)黃河流域水資源流動(dòng)和水足跡；Bocchiola等[15]對(duì)氣候變化影響到作物產(chǎn)量和玉米水足跡進(jìn)行了研究；潘安娥[16]基于水足跡視角，定量評(píng)價(jià)湖北省水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的協(xié)調(diào)關(guān)系。邵帥[17]以河源市為例，采用水足跡的理論與方法，評(píng)價(jià)水資源盈虧情況，解決水資源分配問題，為生態(tài)補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)并對(duì)不同盈虧狀況下的生態(tài)補(bǔ)償建立模型。總體而言，當(dāng)前大部分研究更多是水足跡變化和地區(qū)差異，很少有依據(jù)區(qū)域間水資源生態(tài)容量變化和虛擬水足跡比較得到的生態(tài)補(bǔ)償額度?；谔摂M水足跡模型，對(duì)京津冀行政區(qū)水足跡與水盈余/赤字的空間變化進(jìn)行研究，并構(gòu)建生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)模型，量化生態(tài)補(bǔ)償額度。在此基礎(chǔ)上，給出京津冀水資源合作補(bǔ)償量，完善生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制和協(xié)調(diào)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的共同治理，為京津冀生態(tài)環(huán)境共建共享提供參考。

1 研究方法和指標(biāo)的選取

1.1 計(jì)算虛擬水足跡模型

水足跡計(jì)算包括五個(gè)方面： ①農(nóng)業(yè)水足跡，包括3個(gè)地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品水足跡，采用單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量乘以生產(chǎn)總量計(jì)算得到；②工業(yè)水足跡，包括工業(yè)生產(chǎn)、建筑等用水量； ③居民生活水足跡，參見地區(qū)水資源公報(bào)相關(guān)用水量；④生態(tài)環(huán)境水足跡；⑤虛擬水貿(mào)易凈流量。計(jì)算農(nóng)作物對(duì)外貿(mào)易凈流量時(shí)，消費(fèi)地區(qū)剩余產(chǎn)品量乘其對(duì)應(yīng)農(nóng)作物單位虛擬水含量。

RWC=AWP+IWW+DWD+EWD+NVWI

(1)

式中：RWC為虛擬水足跡總量，m3；AWP為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量(即農(nóng)產(chǎn)品需水量)，m3；IWW為工業(yè)生產(chǎn)需水量，m3；DWD為居民生活需水量，m3；EDW為生態(tài)環(huán)境需水量，m3；NVWI為本地凈貿(mào)易量。

(1)農(nóng)產(chǎn)品虛擬水足跡。農(nóng)業(yè)是最大的用水大戶，因此農(nóng)產(chǎn)品含有大量虛擬水。對(duì)農(nóng)產(chǎn)品虛擬水足跡計(jì)算時(shí)，重點(diǎn)需要獲得單位產(chǎn)品虛擬水含量值[18]，計(jì)算出作物產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水含量?；跇?biāo)準(zhǔn)彭曼公式得到參考作物生長(zhǎng)期內(nèi)的蒸發(fā)蒸騰量，根據(jù)聯(lián)合國(guó)提出的CROPWAT模型計(jì)算出農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水資源消費(fèi)總量[19]。

AWP=VW×S

(2)

(3)

CWR=ETc×10

(4)

ETc=Kc×ET0

(5)

(6)

式中：AWP為某農(nóng)產(chǎn)品總虛擬水足跡，億m3；VM為農(nóng)產(chǎn)品單位虛擬水含量，m3/kg；CWR為農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)期需水量，m3/hm2；ETc為農(nóng)產(chǎn)品實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；ET0為為參考作物蒸發(fā)量，mm/d；Rn為地表凈輻射，MJ/(d·m2)；G為土壤熱通量，MJ/(d·m2)；T為2 m高處日平均氣溫，℃；U2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實(shí)際水氣壓，kPa；Δ為飽和水氣壓曲線效率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；Kc為作物系數(shù)(借鑒FAO推薦作物系數(shù))；S為某種農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)量，t；Y為每公頃土地的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，t/hm2。

(2)虛擬水貿(mào)易凈流量。由于缺乏農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),當(dāng)計(jì)算虛擬水貿(mào)易時(shí)只包括對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易, 忽略進(jìn)口產(chǎn)品后再出口的產(chǎn)品虛擬水含量。本文僅計(jì)算作物產(chǎn)品虛擬水凈流量，根據(jù)京津冀區(qū)域供需平衡的關(guān)系利用本地農(nóng)作物真實(shí)需求量和生產(chǎn)量之間的關(guān)系，滿足對(duì)本地區(qū)消費(fèi)后剩余水含量[20]。

1.2 基于虛擬水足跡的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)模型

雖然有南水北調(diào)中線和東線輸水工程，對(duì)京津冀三省市進(jìn)行供水。然而由于降雨量減少、地下水開采過度，以及城市規(guī)模擴(kuò)大和人口增加等原因，水資源短缺仍然十分嚴(yán)重，對(duì)臨近區(qū)域水資源依然具有很強(qiáng)的依賴性。河北省是京津冀眾多城市的重要供水水源地和水源涵養(yǎng)區(qū)，承擔(dān)著北京市81%、天津市93.7%的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水，需求量已突破了能提供水資源的紅線[21]。水資源極度短缺，為了保障京津冀水量供給和水質(zhì)改善，各地工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展受到諸多限制。

(1)京津冀三省市生態(tài)環(huán)境保護(hù)投入的確定。根據(jù)虛擬水足跡進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償量化,在于對(duì)京津冀各地保護(hù)水資源所花費(fèi)成本的核算。成本包括直接成本，即退耕還林、新造林等林業(yè)建設(shè)成本、水土流失治理成本、環(huán)境污染治理成本，也包括限制工農(nóng)業(yè)發(fā)展損失的間接成本。計(jì)算三地的機(jī)會(huì)成本，比較參照該省市居民的人均可支配收入和全國(guó)居民的人均可支配收入，計(jì)算得到本地居民收入水平的差異，反映地區(qū)機(jī)會(huì)成本[22]。

(7)

式中：TC為總保護(hù)投入成本；DC為直接成本；dck分別代表林業(yè)建設(shè)成本，水土流失治理成本和環(huán)境污染治理成本；IC為間接成本，即限制工農(nóng)業(yè)發(fā)展損失的機(jī)會(huì)成本。

對(duì)于各種工農(nóng)業(yè)限制導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失難以直接計(jì)算，故通過間接比較省市經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與京津冀地區(qū)及全國(guó)平均發(fā)展水平的方法得出限制經(jīng)濟(jì)發(fā)展的損失IC。

ICjjj=(UPCDIjjj-UPCDIi)×UPi+

(RPCNIjjj-RPCNIi)×RPi

(8)

ICc=(UPCDIc-UPCDIi)×UPi+(RPCNIc-RPCNIi)×RPi

式中：UPCDIjjj、UPCDIi和UPCDIc分別代表京津冀區(qū)域、i省市和全國(guó)的城鎮(zhèn)人均可支配收入；RPCNIjjj、RPCNIi和RPCNIc分別代表京津冀、i省市和全國(guó)的農(nóng)村人均純收入；UPi代表i省市城鎮(zhèn)總?cè)丝?；RPi代表i省市農(nóng)村總?cè)丝凇?/p>

由于并非整個(gè)省市的產(chǎn)業(yè)發(fā)展都受到保護(hù)水資源的影響，故取均衡因子r為0.01。

(2)根據(jù)恩格爾系數(shù)和生長(zhǎng)曲線計(jì)算經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平分?jǐn)傁禂?shù)Ri為：

(9)

式中：Li為補(bǔ)償能力。

(10)

將a，b都取值為1，ti為恩格爾系數(shù)的倒數(shù)，可得：

(11)

(3)基于虛擬水足跡的生態(tài)補(bǔ)償模型?；谒阚E計(jì)算生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的基于以下兩個(gè)前提[17]:①當(dāng)一個(gè)子區(qū)域水資源發(fā)生生態(tài)赤字時(shí),它所擠占的是其他區(qū)域的水資源供給量；相反,當(dāng)一個(gè)地區(qū)水資源利用呈現(xiàn)生態(tài)盈余時(shí),它將使其他地區(qū)享有更多的水資源可供給量；②各地區(qū)實(shí)際發(fā)生的生態(tài)環(huán)保投入和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平作為補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量依據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

農(nóng)產(chǎn)品虛擬水足跡時(shí)多個(gè)相關(guān)參數(shù)來自聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織CLIMWAT和CROP數(shù)據(jù)庫(kù)；農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、播種面積主要來源于京津冀三省市統(tǒng)計(jì)年鑒、河北農(nóng)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)年鑒和中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒，工業(yè)用水量、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水來自當(dāng)?shù)厮Y源公報(bào)和統(tǒng)計(jì)年鑒，限制產(chǎn)業(yè)發(fā)展損失的機(jī)會(huì)成本通過公式(8)計(jì)算可得。

2 結(jié)果分析

2.1 農(nóng)業(yè)虛擬水足跡分析

利用單位農(nóng)作物虛擬水含量，得到農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量?！毒┙蚣絽f(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》的實(shí)施需要把京津冀區(qū)域作為一個(gè)整體，進(jìn)行水資源整合利用和相關(guān)產(chǎn)業(yè)分工協(xié)作。因此，采用京津冀內(nèi)部區(qū)域供需平衡的方法，得到水貿(mào)易凈輸入量。并根據(jù)三地統(tǒng)計(jì)年鑒得到作物產(chǎn)品消費(fèi)量，與該地區(qū)本地作物產(chǎn)品產(chǎn)量進(jìn)行比較，得出農(nóng)產(chǎn)品使用水資源狀況，實(shí)現(xiàn)京津冀水資源協(xié)同。如表1所示。

表1 2014年京津冀地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品虛擬水足跡Tab.1 Virtual water footprint of agricultural products of beijing-tianjin-hebei region in 2014

注：“+”表示對(duì)外售出，“-”表示對(duì)外購(gòu)買。

2.2 京津冀地區(qū)多種水足跡分析

根據(jù)公式(1)公式和《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒2015》可得京津冀三地虛擬水足跡，并將三省市產(chǎn)生的水足跡與當(dāng)?shù)厮Y源容量進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 2014年京津冀虛擬水足跡 億m3

注：“+”表示對(duì)外售出，“-”表示對(duì)外購(gòu)買。

(1)京津冀虛擬水足跡中，河北省虛擬水足跡最高，其次是北京市，天津市，且天津市遠(yuǎn)低于其他兩地。與本地區(qū)所供應(yīng)的水資源容量相比，三地都處于水資源赤字水平，河北省最嚴(yán)重。種植農(nóng)作物消耗水資源多，大大會(huì)增加農(nóng)業(yè)水足跡。主要在于河北省是農(nóng)作物種植面積大，作為京津冀區(qū)域的主要農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)地。

(2)京津冀三省市農(nóng)業(yè)水足跡占比分別為82.41%、66.81%、80.70%，表明京津冀三地對(duì)降低農(nóng)業(yè)水足跡的緊迫性都較強(qiáng)，與吳兆丹等[12]研究結(jié)果一致。京津冀三地農(nóng)業(yè)需求中，北京市對(duì)外依賴性高，主要購(gòu)買其他地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品，因此北京市農(nóng)業(yè)虛擬水足跡高于本地產(chǎn)生實(shí)際水足跡；相反，天津市和河北省農(nóng)作物能夠滿足本地需求，兩地的虛擬水足跡低于實(shí)際水足跡。

(3)對(duì)于工業(yè)水足跡、生活水足跡和生態(tài)環(huán)境水足跡所占虛擬總足跡比重，天津市高于京冀兩地，并且多種水足跡比例差距小于北京市和河北省，表明天津市水資源利用差異小。

2.3 基于虛擬水足跡的區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)模型

(1)京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)投入的核算。根據(jù)公式(7)得到京津冀三地生態(tài)保護(hù)投入成本，如表3所示。

表3 2014年京津冀本地生態(tài)環(huán)境保護(hù)投入 億元

注：產(chǎn)業(yè)的發(fā)展損失的機(jī)會(huì)成本，不可能為負(fù)值。計(jì)算得到的機(jī)會(huì)成本是負(fù)值時(shí)，認(rèn)為是0。

隨著京津冀地區(qū)對(duì)環(huán)境保護(hù)的不斷重視，三地的保護(hù)投入成本不斷增加。對(duì)環(huán)境污染的加強(qiáng)治理，北京市投入最高，其次是河北省、天津市。河北省為保護(hù)水資源質(zhì)量限制污染大、耗水量大的工農(nóng)業(yè)發(fā)展，減少地區(qū)耕地面積。因此，河北省對(duì)于限制工農(nóng)業(yè)發(fā)展的機(jī)會(huì)成本為正值，京津兩地的產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到影響相對(duì)河北省較小。

表4 2014年京津冀三省市用水量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平分?jǐn)傁禂?shù)Tab.4 The water consumption and level of economic development contribution coefficient of Beijing-tianjin-hebei in 2014

在京津冀區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，河北省總用水量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩地，而天津市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是高于河北省，所以基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和用水量的分?jǐn)傁禂?shù)，京津冀三地所占比重差異不大。

(3)通過比較京津冀三地虛擬水足跡與當(dāng)?shù)厮Y源容量，三地水資源消耗呈現(xiàn)生態(tài)赤字狀況。根據(jù)耿涌[21]構(gòu)建不同情況的區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償模型，采用地區(qū)均為生態(tài)赤字的模型：

(12)

(13)

(14)

當(dāng)ECi>0時(shí),i地區(qū)支付補(bǔ)償,支付額度為|ECi|；當(dāng)ECi

利用用水量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平獲得的分?jǐn)傁禂?shù)，依據(jù)京津冀三省市為保護(hù)水資源進(jìn)行的生態(tài)環(huán)境保護(hù)投入，得到京津冀三地間生態(tài)補(bǔ)償金額，如表5所示。

根據(jù)分?jǐn)傁禂?shù)得到三地實(shí)際生態(tài)環(huán)保投入，從虛擬水足跡角度出發(fā)，北京市需要對(duì)津冀兩地支付生態(tài)補(bǔ)償，支付金額分別是199.74 億元、221.09 億元；天津市需要對(duì)河北省支付446.36 億元補(bǔ)償額度。

表5 2014年京津冀地區(qū)間虛擬水足跡的生態(tài)補(bǔ)償 億元

3 結(jié) 論

生態(tài)共建共享過程中，生態(tài)補(bǔ)償涉及的利益主體眾多，需要各方協(xié)調(diào)。為了保障京津冀區(qū)域水資源安全，需要減少虛擬水足跡。京津冀三省市應(yīng)重點(diǎn)降低其水足跡主要組成部分----農(nóng)業(yè)水足跡，以及農(nóng)業(yè)水足跡高于所屬經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)其他省區(qū)的主要貢獻(xiàn)因子。河北省其農(nóng)業(yè)水足跡最高，需要加強(qiáng)京津冀區(qū)域水資源協(xié)同，減少京津兩地對(duì)其依賴度，重點(diǎn)降低主要來源對(duì)應(yīng)水足跡，降低虛擬水足跡。

水生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)確定涉及很多方面，基于虛擬水足跡和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平確定京津冀生態(tài)補(bǔ)償關(guān)系中，河北省獲得由北京市和天津市支付的生態(tài)補(bǔ)償總量667.45億元。同時(shí)北京市向天津市支付生態(tài)補(bǔ)償額199.74億元。正確對(duì)待京津冀水資源生態(tài)環(huán)境保護(hù)與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系。京津冀是中國(guó)水資源嚴(yán)重緊缺地區(qū)，為了保證區(qū)域水資源安全，加強(qiáng)落實(shí)對(duì)河北省的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)水資源環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展雙贏，實(shí)現(xiàn)京津冀生態(tài)環(huán)境中水資源協(xié)同發(fā)展。

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