秦智雅，俞潔，孫國(guó)金，王飛兒，4*

（1.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，浙江 杭州 310012；3.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018；4.浙江生態(tài)文明研究院，浙江 安吉 313300）

基于水足跡的嘉興市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

秦智雅1，俞潔2，孫國(guó)金3，王飛兒1，4*

（1.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，浙江 杭州 310012；3.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018；4.浙江生態(tài)文明研究院，浙江 安吉 313300）

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是決定農(nóng)業(yè)用水效率的重要因素之一。相較于傳統(tǒng)用水評(píng)價(jià)，基于水足跡的評(píng)價(jià)能更全面地反映水資源的過(guò)程消耗。在對(duì)嘉興市農(nóng)業(yè)藍(lán)水、綠水及灰水足跡核算基礎(chǔ)上，用農(nóng)業(yè)水資源壓力指數(shù)（AWSI）評(píng)估區(qū)域農(nóng)業(yè)用水壓力，構(gòu)建了基于水足跡的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，分析了節(jié)水型、均衡型和發(fā)展型3種農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整情景。結(jié)果表明，嘉興市農(nóng)業(yè)水足跡以綠水為主，藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡的占比分別為11.6%，51.7%和36.8%，AWSI為0.45，存在較高的水資源壓力；通過(guò)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，3種目標(biāo)情景下的農(nóng)業(yè)水足跡及經(jīng)濟(jì)效益均實(shí)現(xiàn)了不同程度優(yōu)化，AWSI分別降低4.54%，3.89%和0.74%，有效減輕區(qū)域水資源壓力。研究表明，通過(guò)基于水足跡的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，有效提高了區(qū)域集約化用水效率，減輕了用水壓力。研究可為農(nóng)業(yè)水資源管理決策提供參考。

農(nóng)業(yè)水足跡；產(chǎn)業(yè)調(diào)整；多目標(biāo)優(yōu)化

水資源短缺是全球十大環(huán)境問(wèn)題之一［1］。農(nóng)業(yè)的耗水量最大，僅灌溉的用水量就占全球可用水資源量的70%以上［2］，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水占比高達(dá)63%［3］。隨著點(diǎn)源污染控制的強(qiáng)化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)高強(qiáng)度經(jīng)營(yíng)，農(nóng)業(yè)面源污染逐漸成為我國(guó)水環(huán)境污染的重要來(lái)源之一［4］。提高農(nóng)業(yè)用水效率，是推進(jìn)區(qū)域節(jié)水、控制面源污染的重要對(duì)策。

采用滴灌、水肥一體化等工程和技術(shù)手段是推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水及污染控制的重要措施［5-6］，此外，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也是推進(jìn)農(nóng)業(yè)用水格局改變、提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率的重要途徑［7］，藺雪芹等［8］通過(guò)定性分析，提出若干農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整措施以推進(jìn)武威市節(jié)水型城市建設(shè)；張?jiān)铺O(píng)等［9］采用多目標(biāo)規(guī)劃模型，得到沾化縣（現(xiàn)為沾化區(qū)）小麥、玉米、棉花和冬棗的合理種植比例，緩解了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水資源在時(shí)間上分配不均的問(wèn)題。

然而，現(xiàn)有研究大多關(guān)注農(nóng)作物灌溉水量等農(nóng)業(yè)直接用水問(wèn)題，較少考慮間接用水問(wèn)題?！八阚E”是指生產(chǎn)或消費(fèi)過(guò)程中所有產(chǎn)品和服務(wù)所需的水資源量［10］，除直接從地下水和地表水獲取水量（藍(lán)水足跡）外，還包括植物利用中的有效降水（綠水足跡）以及稀釋污染物需要的水量（灰水足跡）［11］。相較于傳統(tǒng)用水評(píng)價(jià)，基于水足跡的評(píng)價(jià)將間接用水納入水資源管理，能全面反映水資源的過(guò)程消耗。因此，基于農(nóng)業(yè)水足跡開(kāi)展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，能更全面考量農(nóng)業(yè)實(shí)際用水狀況，提升農(nóng)業(yè)水資源的利用效率。

現(xiàn)有基于水足跡的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整研究，基本圍繞種植業(yè)開(kāi)展［12-15］，缺乏將種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行綜合調(diào)控的研究。此外，大部分研究［13-14］只涉及藍(lán)水和綠水足跡，未核算灰水足跡。隨著農(nóng)業(yè)面源污染控制的加強(qiáng)，將灰水足跡納入水資源管理對(duì)于優(yōu)化管理方案、提升水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要作用。已有實(shí)踐應(yīng)用主要集中于甘肅省等干旱區(qū)［12-13］，濕潤(rùn)區(qū)的農(nóng)業(yè)用水壓力雖然較干旱區(qū)小，但面臨農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重、農(nóng)業(yè)與其他產(chǎn)業(yè)爭(zhēng)水等問(wèn)題，因此在濕潤(rùn)區(qū)開(kāi)展基于水足跡的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整研究，對(duì)提升濕潤(rùn)區(qū)水資源集約化利用、削減面源污染有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以嘉興市為例，在對(duì)農(nóng)林牧漁業(yè)按藍(lán)水、綠水和灰水足跡進(jìn)行核算基礎(chǔ)上，用優(yōu)化的農(nóng)業(yè)水資源壓力指數(shù)（AWSI）評(píng)估區(qū)域農(nóng)業(yè)用水壓力，構(gòu)建了基于水足跡的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。研究結(jié)果可為決策者提供參考，推進(jìn)區(qū)域水資源可持續(xù)利用，減輕區(qū)域水資源壓力。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

嘉興市地處浙江省東北部、長(zhǎng)江三角洲南翼，下轄7個(gè)縣（市、區(qū)），總面積4 223 km2，2017年常住人口465.6萬(wàn)。嘉興市雨量豐沛，2017年區(qū)域平均降水量1 334.1 mm，區(qū)域產(chǎn)水量27.3116×108m3，人均產(chǎn)水占有量?jī)H586.6 m3。嘉興市入境水量豐富，2017年為51.73×108m3，補(bǔ)充了當(dāng)?shù)乜捎盟?，但入境水水質(zhì)不佳，Ⅳ類～劣Ⅴ類水占89.5%。同時(shí)，作為“浙北糧倉(cāng)”，嘉興市農(nóng)業(yè)耗水量大，農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，成為當(dāng)?shù)厮|(zhì)的重要污染源［16］。

1.2 模型與方法

1.2.1 農(nóng)業(yè)水足跡核算

1.2.1.1 農(nóng)作物水足跡核算

采用自下而上的方法核算農(nóng)作物水足跡，農(nóng)作物水足跡等于農(nóng)作物產(chǎn)量與單位質(zhì)量水足跡相乘之和。

農(nóng)作物單位質(zhì)量藍(lán)水和綠水足跡采用聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）推薦的CROPWAT 8.0模型的“作物需水量”模塊核算［17］。該方法假定作物在最優(yōu)條件下生長(zhǎng)，作物需水量等于作物蒸散發(fā)量。作物單位質(zhì)量藍(lán)水足跡（VWCblue）、綠水足跡（VWCgreen）可分別根據(jù)單位藍(lán)水、綠水蒸散發(fā)量求得：

其中，CWRblue，CWRgreen分別為單位面積藍(lán)水、綠水需水量；ETblue，d，ETgreen，d分別為第d天的藍(lán)水、綠水蒸散發(fā)量；n為生育天數(shù)；Y為作物單位面積產(chǎn)量；10為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

藍(lán)水、綠水蒸散發(fā)量均由作物蒸散發(fā)量和有效降水量決定：

ETgreen，d= min（Peff，ETc），（3）

ETblue，d= IR= max（0，ETc-Peff），（4）

其中，Peff為有效降水量；IR為灌溉需水量；ETc為作物蒸散發(fā)量。

作物蒸散發(fā)量依據(jù)參考作物的蒸散發(fā)量ET0得到，ET0由改良的彭曼-蒙斯特公式計(jì)算得到：

其中，Kc為作物系數(shù)。

采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局（USDA SCS）提出的方法計(jì)算有效降水量：

其中，P為旬降水量。

灰水足跡是指將污染物稀釋至可接受的最高濃度時(shí)所需的水資源量，通常采用臨界稀釋體積法［17］計(jì)算，單位質(zhì)量灰水足跡的計(jì)算式為

其中，VWCgrey為單位質(zhì)量灰水足跡；Lp為單位產(chǎn)量排放的污染物的負(fù)荷；Cpm為水體中污染物的目標(biāo)濃度；Cpn為水體中污染物的自然背景濃度，通常假定為0［18］。

因缺乏具體作物的排污系數(shù)，農(nóng)作物單位質(zhì)量灰水足跡計(jì)算時(shí)參考了MEKONNEN等［19］的研究結(jié)果，即將10%淋濕率的氮肥產(chǎn)生的硝態(tài)氮稀釋至10 mg·L－1所需的水量（表1）。

農(nóng)作物單位質(zhì)量藍(lán)、綠、灰水足跡的計(jì)算流程如圖1所示。

表1 嘉興市主要農(nóng)作物單位質(zhì)量灰水足跡Table 1 Grey water footprint coefficients of main crops in Jiaxing

圖1 農(nóng)作物單位質(zhì)量水足跡計(jì)算流程Fig.1 Calculation process of crop water footprint coefficient

1.2.1.2 畜牧漁產(chǎn)品水足跡核算

畜牧漁產(chǎn)品水足跡用產(chǎn)品產(chǎn)量與單位質(zhì)量水足跡相乘之和核算。畜牧漁產(chǎn)品單位質(zhì)量水足跡通常采用生產(chǎn)樹(shù)法［20］計(jì)算，由單位動(dòng)物生存時(shí)期水足跡與單位產(chǎn)品加工過(guò)程水足跡兩部分組成。本文畜牧漁產(chǎn)品單位質(zhì)量藍(lán)水、綠水足跡的計(jì)算參考孫才志等［21］、趙銳等［22］、MEKONNEN等［23］的研究結(jié)果（表2）。

在計(jì)算畜牧漁產(chǎn)品單位質(zhì)量灰水足跡時(shí)，以稀釋CODcr、總氮、總磷至目標(biāo)濃度的最大需水量為計(jì)算依據(jù)，污染物負(fù)荷（Lp）在參考李萍萍等［24］的研究結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行質(zhì)量折算，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染處理率按90%計(jì)，同時(shí)以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）》中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為目標(biāo)濃度（Cpm），最終由式（7）得到畜牧漁產(chǎn)品單位質(zhì)量灰水足跡。

表2 嘉興市主要畜牧漁產(chǎn)品單位質(zhì)量藍(lán)水、綠水足跡Table 2 Blue and green WF coefficients of major livestock and fishery products in Jiaxing

1.2.2 農(nóng)業(yè)水資源壓力指數(shù)

在傳統(tǒng)用水管理中，常用水資源壓力指數(shù)（WSI）評(píng)價(jià)區(qū)域缺水狀況［25］。采用優(yōu)化后的基于水足跡的農(nóng)業(yè)水資源壓力指數(shù)（AWSI）評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)缺水情況，計(jì)算式為

其中，AWF為農(nóng)業(yè)水足跡，AWFgreen為農(nóng)業(yè)綠水足跡，AWR為農(nóng)業(yè)可用水資源量，SW為區(qū)域自產(chǎn)水可用量，TW為過(guò)境水量，AWU為區(qū)域農(nóng)業(yè)供水量，WU為區(qū)域總供水量。

因綠水的機(jī)會(huì)成本較低，對(duì)環(huán)境負(fù)面影響較?。?6］，故計(jì)算時(shí)從農(nóng)業(yè)水足跡中去除，在計(jì)算可用水量時(shí)也不考慮可用綠水量。此外，農(nóng)業(yè)用水除本地水資源外，過(guò)境水也是重要的用水來(lái)源，因此將過(guò)境水納入可用水量。

根據(jù)AWSI的大小，將水資源壓力分為無(wú)（lt;0.1）、低［0.1，0.2）、中度［0.2，0.4）、較高［0.4，0.8）和高（≥0.8） 5個(gè)等級(jí)［25， 27］。

1.2.3 多目標(biāo)規(guī)劃模型

1.2.3.1 目標(biāo)函數(shù)

以嘉興市農(nóng)業(yè)藍(lán)水足跡和灰水足跡最小化、產(chǎn)值最大化作為調(diào)控目標(biāo)：

1.2.3.2 約束條件

為使模型解收斂，將3個(gè)調(diào)控目標(biāo)均以優(yōu)于2017年基準(zhǔn)值作為限制條件之一。由于環(huán)境約束和經(jīng)濟(jì)約束具有區(qū)域性，因此各地區(qū)分別設(shè)定硬性指標(biāo)；考慮藍(lán)水足跡和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值在嘉興市內(nèi)較易實(shí)現(xiàn)交易與流轉(zhuǎn)，故僅設(shè)定嘉興市總體指標(biāo)。

（1）藍(lán)水足跡約束

（2）灰水足跡約束

（3）農(nóng)業(yè)產(chǎn)值約束

（4）產(chǎn)品供應(yīng)保障約束

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整應(yīng)保證當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求，根據(jù)《浙江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》及《浙江省畜牧業(yè)區(qū)域布局調(diào)整優(yōu)化方案》等，將嘉興市居民口糧、蔬菜、水果、肉類、禽蛋的自給率分別設(shè)為100%，70%，50%，60%和35%，則有

其中，m1，m2，m3，m4，m5分別為嘉興市居民口糧、蔬菜、水果、肉類、禽蛋的年人均需求量；P為嘉興市2017年常住人口數(shù)。

（5）生產(chǎn)資源約束

在去除復(fù)種影響下，作物耕種面積應(yīng)不大于目前耕地保有量；全市旱地面積應(yīng)不小于耕地面積的10%。

（6）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例約束

受農(nóng)業(yè)用地分類管控影響，部分經(jīng)濟(jì)效益較好的農(nóng)作物（如水果）生產(chǎn)不會(huì)得到無(wú)節(jié)制擴(kuò)展。因此結(jié)合嘉興市種植業(yè)現(xiàn)狀、土地資源類型等因素，各地果園種植面積的漲幅應(yīng)控制在10%以內(nèi)。

其中，Ai9為當(dāng)前區(qū)域i果園的種植面積。

隨著人們生活水平的提高，肉類的消費(fèi)結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生改變，引導(dǎo)了供給側(cè)結(jié)構(gòu)的變化，嘉興市羊肉產(chǎn)量在肉類中的占比應(yīng)大于5%，禽肉產(chǎn)量占比應(yīng)大于25%。

（7）正數(shù)數(shù)值約束

1.3.2.3 模型求解

采用線性加權(quán)法，將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)，進(jìn)行最優(yōu)化求解。先通過(guò)min-max歸一化方法對(duì)各目標(biāo)進(jìn)行特征縮放和無(wú)量綱化處理，然后對(duì)各目標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。公式為

其中，F(xiàn)overall為線性組合后的目標(biāo)函數(shù)；f1，f2，f3分別為藍(lán)水足跡目標(biāo)、灰水足跡目標(biāo)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)；fimax，fimin分別為上述目標(biāo)fi在可行域下的最大值、最小值；wi（i=1，2，3）為各目標(biāo)的權(quán)重。

各目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)由層次分析法（AHP）確定。設(shè)置節(jié)水型、均衡型與發(fā)展型3種情景，各情景對(duì)藍(lán)水足跡、灰水足跡和經(jīng)濟(jì)效益3個(gè)目標(biāo)按1～9標(biāo)度法建立判斷矩陣并進(jìn)行層次單排序，計(jì)算判斷矩陣的最大特征值和特征向量，經(jīng)一致性檢驗(yàn)后將特征向量中的值作為各因素的權(quán)重［28］，各情景的判斷矩陣和權(quán)重見(jiàn)表3。

表3 3種典型情景的判斷矩陣和權(quán)重Table 3 Judgment matrix and weights of three typical scenarios

注C1，C2，C3分別表示藍(lán)水足跡目標(biāo)、灰水足跡目標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

在水足跡核算涉及的氣象數(shù)據(jù)中，2005—2017年嘉興市各地區(qū)的最高氣溫、最低氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和日照時(shí)長(zhǎng)及各站點(diǎn)經(jīng)緯度來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。2005—2017年嘉興市各地區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)由浙江省水文管理中心提供。作物生長(zhǎng)資料來(lái)自FAO全球數(shù)據(jù)庫(kù)、《中國(guó)農(nóng)業(yè)物候圖集》及相關(guān)文獻(xiàn)［29-30］。農(nóng)產(chǎn)品單位產(chǎn)值在2017年嘉興市總產(chǎn)值及耕種、養(yǎng)殖規(guī)模基礎(chǔ)上，結(jié)合歷年《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》農(nóng)產(chǎn)品成本與收益分表、當(dāng)前市場(chǎng)交易價(jià)格等資料經(jīng)修正得到。主要食品人均需求量來(lái)自《國(guó)家糧食安全中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要（2008—2020年）》《中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng)發(fā)展綱要（2014—2020年）》及《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》（2018年）。農(nóng)作物播種面積、農(nóng)產(chǎn)品單位產(chǎn)量、耕地復(fù)種指數(shù)、畜牧漁產(chǎn)品產(chǎn)量等主要來(lái)自《嘉興市統(tǒng)計(jì)年鑒》（2018年）。

2 結(jié)果與討論

2.1 嘉興市農(nóng)業(yè)水足跡特征分析

2017年嘉興市農(nóng)業(yè)總水足跡為41.51×108m3，AWSI為0.45，水資源壓力屬于“較高”一級(jí)。在農(nóng)業(yè)總水足跡構(gòu)成中（圖2），綠水足跡約占總水足跡的一半（51.7%），藍(lán)水足跡僅占11.6%，主要由于嘉興市豐沛的降水量等天然條件為作物提供了豐富的可利用綠水資源，作物生長(zhǎng)直接利用綠水，導(dǎo)致藍(lán)水用量相對(duì)較低。在所有產(chǎn)品中，稻谷是農(nóng)業(yè)藍(lán)水足跡的主要消耗者（占總藍(lán)水足跡的71.5%），一方面因水稻需淹水生長(zhǎng)，單位質(zhì)量藍(lán)水足跡較高，另一方面嘉興市水稻種植面積最廣。嘉興市農(nóng)業(yè)灰水足跡占比較大（36.8%），超過(guò)藍(lán)水足跡，說(shuō)明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面源污染稀釋需水量高于農(nóng)業(yè)灌溉需水量。在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，漁業(yè)生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖以及蔬菜種植對(duì)灰水足跡貢獻(xiàn)較大，貢獻(xiàn)率均在25%以上。

從農(nóng)業(yè)水足跡的產(chǎn)業(yè)構(gòu)成看，農(nóng)作物、畜禽產(chǎn)品和水產(chǎn)品的水足跡貢獻(xiàn)率分別為48.8%，25.3%和25.9%。作為“魚(yú)米之鄉(xiāng)”的嘉興市，水稻種植和淡水養(yǎng)殖規(guī)模均較大，且單位質(zhì)量水足跡較高，二者共貢獻(xiàn)了46.3%的農(nóng)業(yè)總水足跡。

圖2 2017年嘉興市農(nóng)業(yè)水足跡構(gòu)成Fig.2 Composition of agricultural water footprint of Jiaxing city in 2017

從農(nóng)業(yè)水足跡的區(qū)域分布看，嘉興市各地區(qū)農(nóng)業(yè)水足跡相近，各縣（市、區(qū)）農(nóng)業(yè)水足跡占全市的比例集中在13%～15%。其中桐鄉(xiāng)市最高，占全市水足跡的19.3%，這主要因?yàn)橥┼l(xiāng)為農(nóng)業(yè)大縣，玉米、豆類和蔬菜等作物種植面積均高于其他縣市，羊肉、禽蛋產(chǎn)量也位居嘉興市首位，因此桐鄉(xiāng)市成為嘉興市農(nóng)業(yè)水足跡最高的地區(qū)。平湖市農(nóng)業(yè)水足跡略低，占嘉興市農(nóng)業(yè)水足跡的10.0%，這與平湖市畜牧業(yè)、漁業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模較小有關(guān)。

2.2 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控結(jié)果

2.2.1 綜合調(diào)控成效分析

理論上，決策者可選擇由多目標(biāo)規(guī)劃求得的任何非劣解（帕累托解）［31］，但在實(shí)際應(yīng)用中，決策者應(yīng)根據(jù)農(nóng)民和其他利益相關(guān)者的偏好選擇最優(yōu)的帕累托解。本文設(shè)置節(jié)水型、均衡型和發(fā)展型3種情景開(kāi)展農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整研究，求得各情景下的帕累托最優(yōu)解。但由于目標(biāo)優(yōu)先級(jí)設(shè)置不同，相對(duì)于2017年的基準(zhǔn)值，各結(jié)果呈現(xiàn)梯度變化（表4），其中，節(jié)水型、均衡型和發(fā)展型3種情景的藍(lán)水足跡較2017年的基準(zhǔn)值分別削減了6.13%，5.97%和4.36%；灰水足跡較2017年的基準(zhǔn)值分別削減了4.42%，3.62%和0；經(jīng)濟(jì)效益較2017年的基準(zhǔn)值分別增長(zhǎng)了0，1.73%和4.10%。同時(shí)，節(jié)水型、均衡型和發(fā)展型情景的ASWI較2017年的基準(zhǔn)值分別降低了4.54%，3.89%和0.74%，說(shuō)明產(chǎn)業(yè)調(diào)控方案減輕了區(qū)域水資源壓力。

表4 3種調(diào)控情景的目標(biāo)結(jié)果變化Table 4 Changes in objectives in three scenarios

從各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)果看（圖3），在種植業(yè)中，薯類因較低的單位質(zhì)量水足跡和較高的產(chǎn)值，在3種情景中種植面積均有較明顯增加；蔬菜、水果（葡萄）單位水足跡產(chǎn)值與單位面積產(chǎn)值均較高，因此在均衡型與發(fā)展型情景中種植面積明顯增加；稻谷因較高的單位質(zhì)量水足跡，在3種情景中水稻的種植面積均有一定程度下降；大麥、豆類與油菜籽的單位水足跡產(chǎn)值均處于中等水平，因單位面積產(chǎn)值較低，故種植面積整體呈下降趨勢(shì)。

圖3 嘉興市農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案變化情況Fig.3 Changes in the agricultural structure adjustment plan of Jiaxing

在畜禽養(yǎng)殖中，羊肉因具有較低的單位質(zhì)量水足跡和較高的產(chǎn)值，在3種情景中產(chǎn)量均有大幅上調(diào)；豬肉具有產(chǎn)值較優(yōu)而單位質(zhì)量水足跡亦較高的特征，在節(jié)水型與均衡型情景中產(chǎn)量略有增加，在發(fā)展型情景中提升幅度較大；禽肉和禽蛋由于單位水足跡產(chǎn)值較低，在3種情景中產(chǎn)量均有明顯下調(diào)。

由于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的單位質(zhì)量水足跡與產(chǎn)值均較高，因此在節(jié)水型與均衡型情景中有小幅下調(diào)，在發(fā)展型情景中有小幅上調(diào)。

2.2.2 區(qū)域調(diào)控結(jié)果分析

嘉興市各縣市調(diào)控方案總體較為一致，但由于各縣市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不同，目標(biāo)變化率呈一定差異。由表5知，調(diào)控方案對(duì)桐鄉(xiāng)市、海寧市及海鹽縣的節(jié)水與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)均有較好的優(yōu)化效果。調(diào)控結(jié)果主要受相關(guān)產(chǎn)業(yè)調(diào)控比例（與單位水足跡產(chǎn)值有關(guān)）和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；鶖?shù)影響。3種調(diào)控方案均大幅度提高了羊肉生產(chǎn)、降低了禽肉和禽蛋生產(chǎn)，而在基準(zhǔn)年，桐鄉(xiāng)市的羊肉和禽蛋產(chǎn)量均居嘉興市首位，海寧市的羊肉、禽肉及禽蛋產(chǎn)量均位列嘉興市前三，海鹽縣是嘉興市最大的禽肉生產(chǎn)地，因此上述市（縣）呈現(xiàn)的調(diào)控結(jié)果更優(yōu)。

表5 嘉興市各地區(qū)調(diào)控目標(biāo)變化率Table 5 Rate change of regulation objectives in various regions of Jiaxing

2.3 討論

以嘉興市為例，將水足跡作為重要指標(biāo)納入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整模型，實(shí)現(xiàn)了有形水資源與虛擬水資源的協(xié)同，更加真實(shí)全面地反映了水資源的利用情況。因受數(shù)據(jù)獲取限制，本研究主要關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡，未核算農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易引起的水足跡輸出情況［32］，農(nóng)業(yè)水足跡區(qū)域間交換有待進(jìn)一步研究。

多目標(biāo)規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)方案決策的重要手段，而方案的選擇最終受各目標(biāo)權(quán)重的影響。研究設(shè)置了3種典型情景，研究結(jié)果較好地適應(yīng)了不同情景下的決策。在實(shí)際應(yīng)用中，不同管控階段目標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)不同，可通過(guò)調(diào)整目標(biāo)權(quán)重實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的決策。此外，在節(jié)水型、均衡型及發(fā)展型3種情景下，嘉興市糧食作物與經(jīng)濟(jì)作物的種植面積比由1.53分別降至1.44，1.41及1.40，在干旱區(qū)種植業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整研究中也出現(xiàn)糧經(jīng)作物面積比降低的結(jié)果［13］，這是由于單位水資源（水足跡）產(chǎn)值起了主導(dǎo)作用。在進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，為確保糧食安全，在調(diào)控時(shí)應(yīng)注意約束條件的設(shè)定，以保障糧食等作物的種植面積。

本研究的調(diào)控目標(biāo)以水資源利用效率及經(jīng)濟(jì)效益為導(dǎo)向，但目標(biāo)效率的設(shè)置是靜態(tài)的，未考慮市場(chǎng)因素引起的參數(shù)變化，也未考慮農(nóng)民行為對(duì)最終調(diào)控結(jié)果的影響。如當(dāng)水果或豬肉價(jià)格上漲時(shí)，農(nóng)民種植水果或養(yǎng)殖生豬的積極性也會(huì)提高，其生產(chǎn)行為將直接改變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，并最終影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源的配置情況。針對(duì)此問(wèn)題，未來(lái)一方面可嘗試將市場(chǎng)因素納入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，如設(shè)置農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格動(dòng)態(tài)調(diào)控參數(shù)，以更好地適應(yīng)實(shí)際情況；另一方面政府應(yīng)開(kāi)展產(chǎn)前補(bǔ)貼引導(dǎo)、產(chǎn)中統(tǒng)籌生產(chǎn)社會(huì)化服務(wù)、產(chǎn)后扶持對(duì)接市場(chǎng)等工作［33］，引導(dǎo)農(nóng)民有序生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)。

3 結(jié)論

提出了基于生產(chǎn)水足跡的農(nóng)林牧漁業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化模型，以嘉興市為研究對(duì)象，通過(guò)核算農(nóng)業(yè)水足跡，基于水資源利用效率及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)嘉興市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。主要結(jié)論如下：

3.1 嘉興市農(nóng)業(yè)藍(lán)水、綠水和灰水足跡分別占總水足跡的11.6%，51.7%和36.8%，農(nóng)業(yè)面源污染稀釋需水量超過(guò)農(nóng)業(yè)灌溉需水量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源壓力指數(shù)（AWSI）為0.45，存在較高的農(nóng)業(yè)水資源壓力。

3.2 通過(guò)模型在節(jié)水型、均衡型和發(fā)展型3種情景下的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，在保障經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)優(yōu)化了水足跡消耗，AWSI分別降低了4.54%，3.89%和0.74%，有效緩解了農(nóng)業(yè)水資源壓力。

3.3 根據(jù)3種情景下產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)果，建議嘉興市在相關(guān)規(guī)劃中注重農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化：適度提高蔬菜與水果的種植面積；漸次提升羊、豬等養(yǎng)殖規(guī)模，適度降低家禽養(yǎng)殖規(guī)模；加大農(nóng)業(yè)面源污染控制，有效降低農(nóng)業(yè)灰水足跡。

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Optimization model of agricultural industrial structure in Jiaxing city based on water footprint

QIN Zhiya1, YU Jie2, SUN Guojin3, WANG Feier1,4

（1. College of Environmental and Resource Sciences，Zhejiang University，Hangzhou310058，China；2. Zhejiang Environmental Monitoring Center，Hangzhou310012，China；3. Zhejiang University of Water Resources and Electric Power，Hangzhou310018，China；4. Zhejiang Ecological Civilization Academy，Anji313300，Zhejiang Province，China）

The structure of agricultural industry is an important factor that determines the efficiency of agricultural water use. Compared with traditional water use evaluation, water footprint reflects the process consumption of water resources more comprehensively. Based on the accounting of water footprints of agricultural blue water, green water and grey water in Jiaxing city, an optimization model of agricultural production structure based on water footprints was developed. The utilization status of water resource for agriculture was evaluated with the agricultural water resources stress index (AWSI). And the scenario analysis of Jiaxing agricultural industrial structure adjustment was conducted. The results showed that the majority of agricultural water footprints of Jiaxing were green water footprints. The proportion of blue, green and grey water footprints in the total water footprint was 11.6%, 51.7% and 36.8%, respectively. The AWSI showed that there was a high pressure on agricultural water resources with the value of 0.45. Under the three target scenarios of water-saving, balanced use and development, the agricultural water footprint and economic benefits could be optimized by industrial structure adjustment. The AWSI of these scenarios reduced by 4.54%, 3.89% and 0.74%, respectively, alleviating the regional water resources pressure. These results showed that the adjustment of agricultural industrial structure based on water footprint effectively improved the efficiency of intensive water use and reduced the regional water pressure. The research can provide reference for agricultural water resources management decision-making.

agricultural water footprint; industry adjustment; multi-objective optimization model

X 321

A

1008?9497（2022）05?613?10

2021?05?31.

國(guó)家重大科技專項(xiàng)（2017ZX07206-001）；浙江省基礎(chǔ)公益研究計(jì)劃項(xiàng)目（LGF19E090001）.

秦智雅（1995—），ORCID：https：//orcid.org/0000-0001-9332-9611，女，碩士研究生，主要從事環(huán)境規(guī)劃管理研究，E-mail：21714054@zju.edu.cn.

通信作者，ORCID：https：//orcid.org/0000-0003-0411-3494，E-mail：wangfeier@zju.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2022.05.013