王 磊

(河北省子牙河河務(wù)管理處，河北 衡水 000000)

水資源是各種生物賴以生存的基礎(chǔ)性自然資源，同時也是人類社會經(jīng)濟發(fā)展所需的重要戰(zhàn)略性資源。隨著子牙河流域內(nèi)人口增長，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的改善，水資源的供需矛盾日益突出，水資源已成為制約流域內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展的短板。目前，流域內(nèi)各市根據(jù)實際情況，通過南水北調(diào)、引黃入冀(津)等工程引調(diào)外水，開展平原區(qū)地下水壓采，提高水資源利用率等方式開源節(jié)流，在很大程度上改善了流域內(nèi)缺水狀況。為進一步緩解子牙河流域水資源緊張現(xiàn)狀，促進本流域快速發(fā)展，本文通過分析流域內(nèi)水資源利用結(jié)構(gòu)，在引入外水和壓采地下水等方式基礎(chǔ)之上，討論利用虛擬水貿(mào)易進口水密集型產(chǎn)品間接滿足區(qū)域水資源需求[1]以緩解子牙河流域水資源短缺現(xiàn)狀的可行性。

1 水資源概況及利用結(jié)構(gòu)

子牙河流域由滏陽河、滹沱河兩大支流組成，位于海河流域的中南部，西至太行山，東到渤海灣，南北分別與漳衛(wèi)河和大清河系相連，涉及山西、河北、天津3省市70多個縣(市、區(qū))，流域面積46868km2。子牙河流域地處半濕潤半干旱區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風氣候，流域多年平均降雨量約為540mm，其中衡水、滄州兩市平原區(qū)降雨量約為500m，降雨量年內(nèi)分布不均且地區(qū)分布差別較大。自上世紀70年代至今，流域內(nèi)社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人口保持增長態(tài)勢，城市化率不斷提高。截止2016年，流域內(nèi)人口總數(shù)量約為2000萬人，工業(yè)、農(nóng)業(yè)及城鎮(zhèn)、農(nóng)村用水量急劇增加。為此，流域內(nèi)大量使用地表水和開采地下水。根據(jù)《海河流域水文資料》(子牙河水系年鑒)統(tǒng)計，上世紀70年代(1972—1979年)流域年平均徑流量為6.83億m3，21世紀初(2006—2011年)流域平均徑流量為2.97億m3，流域內(nèi)徑流量呈逐年減少趨勢。由于地表水無法滿足社會發(fā)展需要，子牙河流域各市大量超采地下水。21世紀初流域內(nèi)地下水平均埋深較90年代同期平均下降近18m，其中冀棗衡漏斗在2003年底埋深為71.79m，比20世紀80年代下降了24.05m[2]，地下水資源超采嚴重，可開采量持續(xù)減少。目前，子牙河流域地表水利用率在90%以上，超過國際標準2倍多，淺層地下水開發(fā)利用率達到1.49，水資源供需矛盾十分突出。

根據(jù)海河流域水資源公報(1998—2017)統(tǒng)計，近20年來，農(nóng)業(yè)用水占流域總用水量的68%左右，工業(yè)用水占總用水量的15.8%左右，生活用水占總用水量13.8%左右，其余為生態(tài)用水，占總用水量的3.22%。

2 主要農(nóng)、畜產(chǎn)品虛擬水含量

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程和服務(wù)中所消耗的水被認為是嵌入在產(chǎn)品、服務(wù)中的虛擬水[3- 4]。虛擬水不是真正的水，是指依附于某一物品中的，看不見摸不著的水，但卻又是生產(chǎn)這種產(chǎn)品和服務(wù)所必需的水。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，種植農(nóng)作物、養(yǎng)殖畜產(chǎn)品全過程周期所需要的總水量為依附于農(nóng)產(chǎn)品中的虛擬水。通過計算單位農(nóng)作物產(chǎn)品的虛擬含水量可以看出該產(chǎn)品的實際耗水程度[5]。子牙河流域光照條件好，土地平整集中，適合大規(guī)模農(nóng)作物種植，是我國主要的糧棉基地。在流域用水結(jié)構(gòu)中，農(nóng)業(yè)用水量占比最大，因此本文重點分析流域內(nèi)主要農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量。

2.1 主要農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量

按上段所述虛擬水定義可知，農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量是單位面積需水量與單位面積產(chǎn)量的比值。農(nóng)產(chǎn)品需水量指在正常生育狀況和理想土壤、水分、肥料、技術(shù)措施條件下，在作物全生長周期，作物消耗于蒸散的水量，由作物生理和田間生態(tài)用水組成。影響作物需水量的因素有多種，其中氣象、土壤、作物種類等因素是主要因素。氣候因素對作物需水量的影響可用作物水分潛在蒸散發(fā)量來表示，作物的生物學特征(主要包括作物的種類、品種、生長發(fā)育節(jié)律等)及其生長發(fā)育狀況對作物需水量的影響一般采用作物系數(shù)KC來表示[6]。在實際工作中，為便于計算，通常使用聯(lián)合國糧農(nóng)組織修訂的penman公式進行水分潛在蒸散發(fā)量的計算來反映氣象條件對需水量的影響。

(1)

式中，ET0—作物水分潛在蒸散發(fā)量，mm；P0—海平面標準大氣壓，mbar，P—計算地點實際氣壓，mbar，Δ—飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率，mbar/℃；r—溫度計常數(shù)，mbar/℃；ea—空氣實際水汽壓，mbar；es—飽和水汽壓，mbar；u2—2m高處風速，m/s，C—風速修正系數(shù)。

作物需水量計算公式為：

E=Kc×ET0

(2)

式中，E—作物需水量，mm，KC—作物系數(shù)(采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的作物系數(shù)表)，ET0—作物水分潛在蒸散發(fā)量，mm。

農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量計算公式為：

(3)

式中，SWD(n，c)—區(qū)域n作物C的虛擬含水量，m3/t；CWR(n，c)—區(qū)域n作物C生長期內(nèi)每公頃的需水量，m3/hm2；CY(n，c)—區(qū)域n作物C的產(chǎn)量，t/hm2。

選取流域內(nèi)常見的冬小麥、夏玉米、棉花、蔬菜、薯類、水果等農(nóng)作物產(chǎn)品進行虛擬水含量分析。計算農(nóng)作物虛擬水含量首先計算流域內(nèi)農(nóng)作物水分潛在蒸散發(fā)量，乘以相應(yīng)作物系數(shù)，得出作物全過程期的需水量。然后通過單位面積產(chǎn)量，得出農(nóng)作物單位產(chǎn)品虛擬水含量。根據(jù)2000—2010年《河北省經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》等數(shù)據(jù)計算出流域內(nèi)主要農(nóng)作物產(chǎn)品單位虛擬水含量，詳見表1。

表1 子牙河流域主要農(nóng)作物產(chǎn)品單位虛擬水含量表 單位：m3·kg-1

2.2 部分畜產(chǎn)品虛擬水含量

畜產(chǎn)品的虛擬水含量首先需要確定動物對水資源的消耗，然后再在不同動物產(chǎn)品之間進行分配。直接由動物提供的產(chǎn)品稱為第一類動物產(chǎn)品，由第一類動物產(chǎn)品加工得到的產(chǎn)品，稱為第二類產(chǎn)品，在此只計算第一類動物產(chǎn)品的含水量[7]。第一類動物產(chǎn)品虛擬水量由動物飲用水、飼料所含虛擬水量、必要的清潔水量等部分組成。根據(jù)2000—2010年《河北省經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》等數(shù)據(jù)，利用上述方法綜合計算出流域內(nèi)主要牲畜單位產(chǎn)品虛擬水含量，詳見表2。

表2 子牙河流域主要畜產(chǎn)品單位虛擬水含量表 單位：m3·kg-1

通過表1、表2可以發(fā)現(xiàn)，畜產(chǎn)品的單位產(chǎn)品虛擬含水量明顯高于農(nóng)作物，而農(nóng)作物中冬小麥、夏玉米和棉花虛擬含水量較多，因此選擇冬小麥、夏玉米、棉花三種農(nóng)作物和豬、牛、羊三種畜產(chǎn)品進行虛擬水量計算。根據(jù)流域內(nèi)相關(guān)市經(jīng)濟年鑒統(tǒng)計，2009年流域主要內(nèi)冬小麥、夏玉米、棉花產(chǎn)量及豬、牛、羊肉產(chǎn)量見表3。

表3 2009年子牙河流域主要農(nóng)作物、肉類總產(chǎn)量表 單位：萬t

通過主要農(nóng)作物冬小麥、夏玉米、棉花、肉類總產(chǎn)量和單位虛擬水含量可算出2009年子牙河流域內(nèi)冬小麥虛擬水總量為93.85×108m3，夏玉米虛擬水總量為73.58×108m3，棉花虛擬水總量為40.13×108m3，豬、牛、羊的虛擬水總量分別為37.23×108m3、35.47×108m3、5.12×108m3。2009年子牙河流域?qū)嶓w水供水量約為54億m3，其中農(nóng)業(yè)用量約為37.77億m3，主要農(nóng)作物及畜產(chǎn)品虛擬水量是農(nóng)業(yè)用水量的7.56倍。

3 農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與虛擬水貿(mào)易

3.1 調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的必要性與可行性

子牙河流域地處溫帶半濕潤半干旱性大陸季風氣候區(qū)，光照條件充足，適宜大部分農(nóng)作物種植，是河北省重要的糧棉產(chǎn)區(qū)，同時也是河北省乃至全國的嚴重缺水地區(qū)，流域水資源量只占海河流域總資源量的16%左右，占全國人均水資源量7%左右。因此子牙河流域應(yīng)在保證糧食產(chǎn)量安全的前提下，測算主要農(nóng)作物及畜產(chǎn)品虛擬水含量，適當調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，以達到節(jié)約水資源的目的是必要的。

流域內(nèi)6—9月份氣溫較高，雨量相對其它月份充沛，且與夏玉米、棉花、薯類等農(nóng)作物生長期基本一致，氣象條件有利于大部分農(nóng)作物生長；近年來隨著地下水壓采工程陸續(xù)實施，改變了原來田間大水澆灌模式，加之政府鼓勵種植經(jīng)濟價值較高、節(jié)水效益明顯的作物，因此在子牙河流域調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是可行的。

3.2 調(diào)整優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)節(jié)水效益分析

一個國家人均糧食占有量越大，表示糧食安全水平越高。一般認為糧食人均占有量為400kg左右，即屬安全范疇[8]。2009年流域內(nèi)冬小麥產(chǎn)量為823.21萬t，夏玉米產(chǎn)量為791.13萬t，夏玉米65%用于飼料，則綜合統(tǒng)計糧食人均占有量為550kg，高于糧食人均占有量400kg的安全標準。流域內(nèi)主要農(nóng)作物種植面積從大到小依次為冬小麥、夏玉米和棉花，其中全生育期冬小麥需水量約3500m3/hm2，全生長期從10月至次年6月，共8個月，且處于降水量少的月份；夏玉米需水量約2700m3/hm2，全生長期為6—9月，共3個月；棉花需水量約4100m3/hm2，全生長期為4—10月份，其中7—8月份需水較多。觀察上述三種農(nóng)作物全生長期內(nèi)需水量與降水量，發(fā)現(xiàn)冬小麥生長期與雨季不重合，生長期需水量中灌溉用水占絕大部分，夏玉米和棉花生長期與雨季基本重合，生長期需水量則可利用自然降水進行補給。因此初步設(shè)想通過縮減冬小麥種植面積，增加棉花種植面積，以達到節(jié)水目的。依據(jù)《河北省地方標準<用水定額>》(DB13T1161—2016農(nóng)業(yè))，按50%保證率計算，流域內(nèi)主要農(nóng)作物基本灌溉用水定額與虛擬水資源量對比見表4。

表4 子牙河流域主要農(nóng)作物灌溉用水量與虛擬水資源量對比表 單位：m3·hm-2

通過表4可以看出，棉花比冬小麥灌溉用水量少975m3·hm-2，流域內(nèi)耕地面積約為303.6萬hm-2，如將其中10%改種棉花，則可節(jié)水2.69億m3，人均糧食占有量約為509kg；20%改種棉花，可節(jié)水5.38億m3，人均糧食占有量約為468kg，仍然滿足糧食安全要求。通過調(diào)整冬小麥種植面積，在保證糧食安全的前提下，節(jié)水效益明顯。在進行農(nóng)作物結(jié)構(gòu)調(diào)整同時，優(yōu)化養(yǎng)殖種類，減少大型牲畜養(yǎng)殖數(shù)量；調(diào)整作物播種期，使降雨高峰與作物需水高峰盡量重迭或接近[9]；利用節(jié)水技術(shù)，進一步降低冬小麥、玉米的單位虛擬水含量，可進一步擴大節(jié)水效益。

3.3 發(fā)展虛擬水貿(mào)易

發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水不僅要在區(qū)域內(nèi)部大力實施節(jié)水，切實提高用水效率，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，還應(yīng)從全局角度出發(fā)，考慮如何應(yīng)用外部資源，緩解區(qū)域用水緊張局面[10- 11]，虛擬水貿(mào)易便是在此背景下應(yīng)運而生的。虛擬水貿(mào)易(Virtual Water Trade)是指國家或地區(qū)通過進、出口水密集、水稀疏型產(chǎn)品來達到進、出口水資源的目的。不同地區(qū)、相同農(nóng)作物虛擬水含量的差異為區(qū)域間的虛擬水貿(mào)易提供了基礎(chǔ)，虛擬水貿(mào)易又成為水資源流動的新形式，因此形成了人與糧食、貿(mào)易之間特殊的關(guān)系。虛擬水貿(mào)易戰(zhàn)略強調(diào)量水而行，以水定產(chǎn)[12]，從區(qū)域角度看，利用虛擬水戰(zhàn)略不僅可以提高單位水資源的利用效益，而且可以保證糧食安全[13、14]。河北省糧食對外貿(mào)易主要集中在小麥、玉米、大豆和大米[15]，自21世紀以來，流域內(nèi)各地市玉米出口量持續(xù)減少，而高耗水的豆類進口量卻持續(xù)增加，大米基本為凈進口，小麥交易量略有波動，但總體進口大于出口，造成流域內(nèi)虛擬水進口量持續(xù)增長，緩解了流域水資源壓力。因此，流域內(nèi)各市可通過調(diào)整種植、養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，向外推銷蔬菜、水果等經(jīng)濟價值較高的水稀疏型產(chǎn)品；從優(yōu)質(zhì)產(chǎn)糧省份、畜牧業(yè)大省(如黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古等)購入所需的糧食和畜牧產(chǎn)品等水密集型產(chǎn)品，加強虛擬水貿(mào)易，增加流域外水資源消費，以達到節(jié)約水資源的目的，促進流域的可持續(xù)性發(fā)展。

4 結(jié)語

通過測算子牙河流域內(nèi)主要農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量，在保證糧食安全前提下，分析調(diào)整不同品種種植面積可以節(jié)約的水資源量，以此為依據(jù)進而優(yōu)化種植、養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)并結(jié)合虛擬水貿(mào)易來緩解水資源短缺壓力。虛擬水調(diào)入與從流域外調(diào)水或開采地下水相比，可在不新建水利設(shè)施、不會造成引入?yún)^(qū)或輸出區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞的同時，達到節(jié)約水資源的目的。但同時應(yīng)看到，虛擬水及相關(guān)貿(mào)易是一個系統(tǒng)工程，受經(jīng)濟、社會、環(huán)境生態(tài)等多方面影響，是具有局限性的，不應(yīng)隨意擴大虛擬水的應(yīng)用范圍。虛擬水方法為節(jié)約水資源提供了新的管理理念，因此通過虛擬水及適當范圍內(nèi)的貿(mào)易緩解子牙河流域水資源短缺現(xiàn)狀是可行的。