呼振穎

(沈陽利鑫土木工程有限責(zé)任公司， 遼寧 沈陽 110179)

1 概述

本溪市城市屬于溫帶,氣候溫暖而潮濕，農(nóng)作物主要有玉米、大豆、水稻、蔬菜、中草藥、油料、谷子等。本文選取以上主要作物，研究虛擬水理論利用各種作物的耕種面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，計算主要作物的虛擬水量。本研究的第二產(chǎn)業(yè)用水包括火(核)電、非火(核)電工業(yè)產(chǎn)業(yè)及建筑產(chǎn)業(yè)用水，第三產(chǎn)用水業(yè)為服務(wù)業(yè)用水。

2 農(nóng)作物虛擬水計算方法

本溪市農(nóng)作物的產(chǎn)量、種植面積等數(shù)據(jù)來自于本溪市統(tǒng)計局網(wǎng)站；氣象觀測數(shù)據(jù)(最高、最低氣溫溫度、濕度、光照、風(fēng)速、降水等)取自本溪市國家氣象站；作物數(shù)據(jù)(播種日期、收獲日期、作物系數(shù)、生長階段天數(shù)、根深、P-無水分脅迫下根層耗水量與土壤總有效水量之比[1]、Ky-產(chǎn)量響應(yīng)因子、株高等)根據(jù)前人相關(guān)研究成果進行取用。

虛擬水是指農(nóng)業(yè)或工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中消耗的水[2]，也就是產(chǎn)品和服務(wù)中凝結(jié)的虛擬水量，對改變生產(chǎn)者行為、對解決水資源問題，實現(xiàn)水和糧食安全很重要，故利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)土地與水發(fā)展司開發(fā)的Cropwat8.0軟件來計算作物需水量[3]。

其計算公式為：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸散量；Δ為飽和水蒸汽壓力與溫度曲線的斜率(kPa/℃)；Rn為農(nóng)作物表面凈輻射(MJ/m2·d)；G為土壤熱通量(MJ/m2·d)；Γ為干濕計常數(shù)(kPa/℃)；T為平均氣溫(℃)；ea為飽和水汽壓(kPa)；es為實際水汽壓(kPa)；U2為2 m高處的日平均風(fēng)速(m/s)。

作物需水量CWR計算公式為：

CWR=10·ETc=10·KcET0

(2)

式中：CWR為單位面積作物需水量(m3/hm2)；ETC為土壤蒸發(fā)量；ET0為作物生長期間的每日潛在蒸發(fā)量(mm/d)；KC為對應(yīng)的作物系數(shù)。

單位作物質(zhì)量的虛擬水計算公式：

(3)

式中：SWD為作物單位質(zhì)量虛擬水含量(m3/kg)；CY為農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量(m3/hm2)。

作物虛擬用水總量計算公式：

TVW=SWD×TCY

(4)

式中：TVW為作物虛擬用水總量(t)；TCY為當(dāng)年總產(chǎn)量(kg)

2.1 不同作物虛擬水量分析

利用CROPWAT軟件和上述公式計算出本溪市2018年主要農(nóng)作物的單位虛擬水含量，再根據(jù)當(dāng)年各種作物的單產(chǎn)計算單位產(chǎn)品的虛擬水總量，結(jié)果見表1所示。

表1 2018年本溪市主要農(nóng)作物虛擬水計算結(jié)果

比較主要作物單位面積虛擬水量發(fā)現(xiàn)，水稻生育期要維持一定時間的田間積水深度，因此虛擬水量最大；人參因為植株小、蒸發(fā)蒸騰量非常有限且種植密度較小，單位面積的虛擬水量最小。玉米和水稻的單位產(chǎn)量虛擬水量比較接近，對于每單位面積大豆的低產(chǎn)量，導(dǎo)致該值最大；與此相反的是蔬菜的單位面積產(chǎn)量遠(yuǎn)高于其他作物，單位產(chǎn)量虛擬水量最低；人參單位面積產(chǎn)量遠(yuǎn)低于其他作物，單位產(chǎn)量虛擬水量最高。根據(jù)各種作物的產(chǎn)量，計算出每種作物的虛擬水量。結(jié)果見表2。

表2 2018年本溪市主要農(nóng)作物各虛擬水總量

由表2可以看出，本溪市玉米種植面積最大，產(chǎn)量最高，玉米消耗的虛擬水總量是農(nóng)業(yè)虛擬水的絕對主體；水稻次之，剩余依次為蔬菜和大豆。人參為多年生作物，其產(chǎn)量低，單位產(chǎn)量虛擬水量高，因此虛擬水總量最小。上述各種作物中，玉米虛擬水總量是本溪市2018年所有主要農(nóng)作物虛擬水的主體，占比達到了的80%；水稻、大豆和蔬菜分別占比11.4%、1.8%、5.7%。

2.2 不同農(nóng)作物虛擬水變化趨勢分析

2010-2018年間本溪市各年及玉米、大豆、水稻、蔬菜、人參等作物單位產(chǎn)量虛擬水量計算，在明顯增長的趨勢下，大部分作物單位產(chǎn)量的虛擬水量有不同程度的減少，這說明作物單方虛擬水產(chǎn)量有一定的提高，農(nóng)業(yè)用水效率得以真正的提高。

對本溪市2010-2018年影響作物需水的氣溫和ET0兩個參數(shù)以及主要農(nóng)作物單位產(chǎn)量虛擬水量進行MK趨勢檢驗分析，結(jié)果見表3。

表3 本溪市及主要農(nóng)作物單位產(chǎn)量虛擬水MK趨勢分析

由表3可以看出，在氣溫極顯著增加的背景下(Z最低氣溫=1.73；Z最高氣溫=2.23)，本溪市的ET0也呈極其顯著的上升趨勢；而各種作物，玉米、水稻、大豆、人參等作物單位產(chǎn)量虛擬水量呈下降趨勢，其中,玉米和大米達到了顯著水平,人參達到極其顯著水平。上述變化與各種節(jié)水技術(shù)方法大量投入應(yīng)用，用水效率不斷提高有關(guān)。

2.3 不同農(nóng)作物虛擬水總量隨時間變化分析

根據(jù)本溪市2010-2018年的農(nóng)作物產(chǎn)量和單位產(chǎn)量虛擬水，對本溪市玉米、大豆、水稻、蔬菜、人參和農(nóng)業(yè)虛擬水總量進行計算，本溪市不同農(nóng)作物的用水規(guī)模有明顯差異，玉米的虛擬水總量明顯高于其他作物，其中2018年達到最大，達到了2.32億 m3；2014年最少，為1.64億 m3。大豆、蔬菜、人參的虛擬水總量隨時間變化較為穩(wěn)定。本溪市2010-2018年農(nóng)作物耗水量在3億 m3左右；2017年耗水量最大，達到3.08億 m3；2014年耗水量最少，為2.5億 m3。

對本溪市2010-2018年主要農(nóng)作物虛擬水總量、種植面積和作物產(chǎn)量進行MK趨勢檢驗分析，結(jié)果見表4?？梢钥闯鲇衩?、水稻虛擬水總量呈極其顯著上升趨勢；大豆、蔬菜、人參虛擬水總量呈極其顯著下降趨勢。其中影響虛擬水總量變化的主要原因在于本溪市農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)變化，大豆、蔬菜、人參栽培面積呈極顯著的下降趨勢，玉米種植面積呈非常顯著的上升趨勢，種植面積的變化進一步影響各作物產(chǎn)量，蔬菜產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著下降趨勢。由于玉米產(chǎn)量和種植面積基數(shù)大，其作物虛擬水總量增加值遠(yuǎn)大于其余作物虛擬水總量減少值，進而促使本溪市農(nóng)業(yè)虛擬水總量上升。同時本溪市農(nóng)業(yè)發(fā)展屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)與灌溉農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展，農(nóng)作物產(chǎn)量對地區(qū)降水量的依賴程度較大。2010-2018年本溪市降水量總體趨勢呈下降趨勢，尤其在2014年全年降水量降至最低，對當(dāng)?shù)靥摂M水量有著一定的波動性影響。

表4 本溪市主要農(nóng)作物虛擬水總量和種植面積MK趨勢分析

3 二、三產(chǎn)業(yè)虛擬水量分析

本文研究的第二產(chǎn)業(yè)用水包括火(核)電、非火(核)電工業(yè)產(chǎn)業(yè)及建筑產(chǎn)業(yè)用水，第三產(chǎn)用水業(yè)為服務(wù)業(yè)用水。根據(jù)本溪市第二、第三產(chǎn)業(yè)萬元GDP耗水量，同當(dāng)年各產(chǎn)業(yè)業(yè)產(chǎn)值的乘積，二、三產(chǎn)業(yè)的虛擬水量計算，二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和萬元GDP耗水量統(tǒng)計計算結(jié)果見表5。

表5 本溪市二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和萬元GDP耗水量

根據(jù)獲取得到的本溪市第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值及萬元GDP耗水量數(shù)據(jù)，采用上述公式，計算出本溪市二、三產(chǎn)業(yè)的虛擬水量見圖1所示。

圖1 本溪市2010-2018年二、三產(chǎn)業(yè)虛擬水量變化情況

第二產(chǎn)業(yè)虛擬水量在2014年到達峰值，為9519.22萬 m3；第三產(chǎn)業(yè)虛擬水量在2012年到達峰值，為684.84萬 m3。由于節(jié)水意識的逐漸提高和節(jié)水設(shè)備的投入使用，使得第二、三產(chǎn)業(yè)的虛擬水量呈下降趨勢。

3.1 生活虛擬水量分析

依據(jù)水足跡的理論，生活用水足跡分為城市居民和農(nóng)村居民，居民生活水足跡主要是對水的消耗，因此，虛擬生活用水量主要是指居民實際用水量。結(jié)果見圖2所示。

圖2 本溪市生活虛擬水量變化情況

由圖2可知，城鎮(zhèn)居民生活虛擬水量持續(xù)高于農(nóng)村居民生活虛擬水量，但兩者在2016年后都有大幅度下降的趨勢。農(nóng)村居民虛擬用水量呈下降趨勢，因此在2010年最高，2017年最低；城鎮(zhèn)居民虛擬水量在2016年之前呈平穩(wěn)且小幅增加的趨勢，因此在2016年達到最高，而在2017年大幅下降。

3.2 本溪市各年虛擬水總量

將本溪市2010-2018年各產(chǎn)業(yè)的虛擬水量核算結(jié)果進行匯總，結(jié)果見表6所示。

表6 本溪市各部門虛擬水量匯總表 億m3

通過表6可以看出，第一產(chǎn)業(yè)是本溪市虛擬水消耗的絕對主體；由于本溪市森林覆蓋率較高，森林又是第一產(chǎn)業(yè)虛擬水消耗的絕對主體。在2010-2018年間，本溪市虛擬水的年際變化有一定的波動性，但變化幅度較小。

根據(jù)計算得出的總虛擬水量與本溪市統(tǒng)計年的耗水量、用水量數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見表7所示。

表7 本溪市耗水、用水及虛擬水量對比 億m3

表中耗水量和用水量在2016年開始有顯著的減少，因此總體呈現(xiàn)減少趨勢，但由于森林虛擬水是虛擬水的主體水量，因此，虛擬水沒有明顯的下降趨勢。表中虛擬水量大幅高于實際的用水量和耗水量，是耗水量的8.8倍以上，是用水量的4.7倍以上。因為虛擬水是所有包含在產(chǎn)品和服務(wù)的“虛擬”形式中的水，且用水量和耗水量計算中并沒有包括森林水量的原因。

4 結(jié)語

研究流域健康評價成果可以為管理者提供科學(xué)有效的管理措施、制定管理方案，而且為修訂完善“一河一策”技術(shù)指南、河湖生態(tài)水量制定等相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為推進河湖修復(fù)與治理、維護河湖生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)確立科學(xué)的約束準(zhǔn)則。成果的推廣實施有效地提高了流域河湖健康管理水平，推動了管理體制由粗放式向科學(xué)化、系統(tǒng)化轉(zhuǎn)變，本文提出的基于虛擬水的水資源核算方式及水資源觀點豐富了水資源評價，特別是水資源用水評價理論，可以行業(yè)內(nèi)水資源評價相關(guān)工作提供了理論依據(jù)。