高向龍,石 輝,黨小虎

1 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院, 西安 710055 2 西安建筑科技大學(xué)安德學(xué)院, 西安 710311 3 西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 西安 710054

生產(chǎn)中,通常從生產(chǎn)側(cè)的實(shí)體水資源數(shù)量和利用效率制定區(qū)域的節(jié)水政策、確定節(jié)水關(guān)鍵環(huán)節(jié),并通過調(diào)水工程解決區(qū)域?qū)嶓w水資源的供需矛盾。然而研究表明,以調(diào)水工程轉(zhuǎn)移的實(shí)體水僅占全國(guó)供水量的小部分,但通過貿(mào)易流動(dòng)的虛擬水轉(zhuǎn)移量卻超過了供水總量的1/3[5]。其中,輕工業(yè)和服務(wù)業(yè)是造成虛擬水貿(mào)易順差的主要部門,農(nóng)業(yè)、重工業(yè)是造成虛擬水貿(mào)易逆差的主要部門[6],各個(gè)區(qū)域的虛擬水流動(dòng)格局差異明顯。在宏觀上,我國(guó)虛擬水主要由內(nèi)陸地區(qū)向沿海地區(qū)輸送,其空間的轉(zhuǎn)移主要受人口遷移因素的影響[7],不同省份的虛擬水流動(dòng)情況差異顯著。北京市作為虛擬水凈流入地區(qū),主要的凈進(jìn)口虛擬水部門為農(nóng)業(yè)和制造業(yè)[8],其中的農(nóng)業(yè)-制造業(yè)、農(nóng)業(yè)-服務(wù)業(yè)虛擬水輸出-輸入關(guān)系顯著[9]。從京津冀尺度來看,農(nóng)業(yè)部門用水強(qiáng)度最高[10],河北省的農(nóng)業(yè)部門向京津冀各部門輸送了大量虛擬水[11]。即使在降水豐富的廣東[12]、江蘇[13]也存在著虛擬水的輸入,然而同為降水豐富的貴州省,則為虛擬水凈輸出地[14],表現(xiàn)出落后地區(qū)向發(fā)達(dá)地區(qū)虛擬水輸出的現(xiàn)象。

黃河流域在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位,水資源的不足又成為限制黃河流域發(fā)展的主要因素,然而黃河中游又是水資源壓力轉(zhuǎn)移的中間節(jié)點(diǎn)。從圍繞黃河“幾字彎”區(qū)域的五省區(qū)來看,其主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)和比較優(yōu)勢(shì)主要在農(nóng)產(chǎn)品和資源開發(fā),但這些恰恰是需要實(shí)體水較多的行業(yè)和部門；這些產(chǎn)品的輸出,導(dǎo)致虛擬水大量輸出從而增加區(qū)域水資源的壓力[15]。寧夏是我國(guó)水資源最為貧乏的區(qū)域之一,但其虛擬水呈凈輸出量為11.9億m3,而農(nóng)業(yè)部門年輸出虛擬水高達(dá)24.6億m3[16]；甘肅省虛擬水凈輸出量為24.5億m3,農(nóng)業(yè)高達(dá)28.8億m3[17]；陜西省虛擬水凈輸出9.8億m3,農(nóng)業(yè)流出14.5億m3[18]；表現(xiàn)出農(nóng)產(chǎn)品中虛擬水的輸出加劇了用水矛盾[19]。但與此相反的是,內(nèi)蒙古虛擬水凈流出量高達(dá)146.1億m3,但其第一產(chǎn)業(yè)所占比重僅為10%[20]；山西省的第一產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)為虛擬水的凈流入,達(dá)到4.9億m3[21]。一些專家認(rèn)為,依靠跨省虛擬水的輸入輸出可緩解黃河流域的水資源壓力[22—23]；但是黃河中下游虛擬水貿(mào)易密切,中上游虛擬水貿(mào)易關(guān)系較弱[24]。

2021年10月,中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》,構(gòu)建形成黃河流域“一軸兩區(qū)五極”的發(fā)展動(dòng)力格局,其中的“五級(jí)”就包括黃河“幾字彎”在內(nèi)的五大城市群。作為黃河流域水資源管理的關(guān)鍵地帶,“幾字彎”流域是實(shí)現(xiàn)中西部崛起的關(guān)鍵區(qū)域、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。近年來,“幾字彎”周邊城市處于快速發(fā)展階段,城市群的建設(shè)初具規(guī)模,研究城市群內(nèi)部和外部的虛擬水流動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)因素,可從消費(fèi)拉動(dòng)的角度對(duì)水資源壓力進(jìn)行溯源,為區(qū)域內(nèi)水資源優(yōu)化配置、區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和未來施政方向提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

“幾字彎” 區(qū)域地處黃河中游,涉及甘肅省蘭州、白銀2市,寧夏自治區(qū)的中衛(wèi)、銀川、吳忠、石嘴山4市,內(nèi)蒙自治區(qū)的鄂爾多斯、包頭、呼和浩特、烏海、巴彥淖爾5市,陜西省的榆林、延安、渭南3市,和山西省的忻州、呂梁、臨汾、運(yùn)城4個(gè)市(圖1),全區(qū)總面積45.8萬km2。該區(qū)域的氣候從半濕潤(rùn)的季風(fēng)氣候到干旱的大陸性氣候,大部區(qū)域年均降水量150—650 mm,表現(xiàn)為東多西少,在時(shí)間分配上雨熱同季年均降水量在250—650 mm之間。截止2019年,“幾字彎”區(qū)域人口4951.2萬人,年GDP總量30420.2億元,人均GDP為61440元,與全國(guó)人均GDP相當(dāng)；區(qū)域城市GDP的年增速大部分超過全國(guó)平均水平,各城市發(fā)展有著不同的要素稟賦,形成了各自的優(yōu)勢(shì),經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)頭良好[25]。

從地理位置上看,“幾字彎”是西部大開發(fā)和陸上絲綢之路的戰(zhàn)略疊加區(qū),該區(qū)域正好位于絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶東邊亞太經(jīng)濟(jì)圈與西邊歐洲經(jīng)濟(jì)圈的核心地段；從歷史發(fā)展上看,“幾字彎”具有邊疆地區(qū)、革命地區(qū)、貧困人口相對(duì)集中地區(qū)、少數(shù)民族集中區(qū)、能源富集區(qū)、傳統(tǒng)特色農(nóng)牧區(qū)、民族文化主要發(fā)祥區(qū)等“七區(qū)合一”的顯著特點(diǎn),在國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展中具有獨(dú)特的地位。但是,“幾字彎”地區(qū)水資源匱乏、季節(jié)性干旱頻發(fā)、水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱[26]?！皫鬃謴潯眳^(qū)域的水資源總量?jī)H為183.1億m3,區(qū)域內(nèi)人均水資源量?jī)H為全國(guó)平均水平的18%,區(qū)域內(nèi)人均用水量略高于全國(guó)平均水平431.7 m3/人。農(nóng)業(yè)是“幾字彎”區(qū)域的第一用水大戶,農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的78.6%,高于全國(guó)平均值62.3%；工業(yè)用水量卻僅占總用水量的12.2%,遠(yuǎn)低于全國(guó)平均值21.1%。在該區(qū)域的大型水利工程建設(shè)和以節(jié)水為特色的水資源利用效率提高,使得區(qū)域的缺水問題得到了一定的改善,但區(qū)域內(nèi)的用水矛盾依然存在。

圖1 黃河“幾字彎”地區(qū)18個(gè)城市的分布圖Fig.1 The location of 18 cities in Jiziwan section of Yellow River Basin

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)主要來源于2007年、2012年、2017年山西、內(nèi)蒙、陜西、甘肅、寧夏五省級(jí)行政區(qū)的《投入產(chǎn)出表》。其中,農(nóng)業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)來源于相應(yīng)年份五省(自治區(qū))的《水資源公報(bào)》,其它分行業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)來源于《2008年中國(guó)經(jīng)濟(jì)普查年鑒》(能源卷),各市GDP、部門的從業(yè)人員數(shù)、部門崗位平均工資來源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》(2007年、2012年、2017年)、《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2007年、2012年、2017年)。

由于各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不能完全匹配,因此將統(tǒng)計(jì)資料中的行業(yè)類別歸結(jié)為具有通識(shí)性的7個(gè)類別,農(nóng)業(yè)、采礦業(yè)、制造業(yè)、能源供應(yīng)業(yè)、建筑業(yè)、運(yùn)輸郵電業(yè)、服務(wù)業(yè)。7部門與原始投入產(chǎn)出表的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。其中,農(nóng)業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)來源于研究年份的《水資源公報(bào)》；以《2008年中國(guó)經(jīng)濟(jì)普查年鑒》(能源卷)提供的各省用水?dāng)?shù)據(jù)同比例推算研究年份采礦業(yè)、制造業(yè)、能源供應(yīng)業(yè)的用水量,按照各省相應(yīng)年份《水資源公報(bào)》中對(duì)應(yīng)城市工業(yè)部門的用水量進(jìn)行校正；并以全國(guó)建筑業(yè)、運(yùn)輸郵電業(yè)、服務(wù)業(yè)用水總量及各省相應(yīng)部門總產(chǎn)出所占比例,同比例推算研究年份建筑業(yè)、運(yùn)輸郵電業(yè)、服務(wù)業(yè)用水量[10,27]。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)生活環(huán)境、生活質(zhì)量及舒適度的要求越來越高，我國(guó)的能源消耗總量也不斷增加。熱水能耗是我國(guó)能源消耗的一個(gè)重要方面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)民用建筑熱水能耗占建筑總能耗的15%～20%[1]，商業(yè)建筑熱水能耗占建筑總能耗的20%～40%[2]。生活熱水的使用已經(jīng)成為衡量社會(huì)文明程度和人民生活水平的一個(gè)重要標(biāo)志。目前，我國(guó)城鎮(zhèn)人均生活熱水用量仍遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家?？梢灶A(yù)見，人們對(duì)生活熱水的需求必將越來越大，因此，尋求更為合理的熱水供應(yīng)方式，減少能源浪費(fèi)，提高能源利用效率是十分必要的。

就區(qū)域經(jīng)濟(jì)而言,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與從業(yè)人員數(shù)的增加有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系[28],從業(yè)人員數(shù)量反映了區(qū)域的經(jīng)濟(jì)規(guī)模；從業(yè)人員薪酬收入與勞動(dòng)生產(chǎn)率具有密切、正向互動(dòng)的關(guān)系[29],反映了生產(chǎn)的效率。在我國(guó),由于政府公布的投入產(chǎn)出表僅以國(guó)家、省為單元發(fā)布,缺少地市層面的投入產(chǎn)出關(guān)系。因此,以《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》中各城市的農(nóng)業(yè)、采礦業(yè)、制造業(yè)、能源供應(yīng)業(yè)、建筑業(yè)、運(yùn)輸郵電業(yè)、服務(wù)業(yè)7個(gè)行業(yè)從業(yè)人員占省級(jí)對(duì)應(yīng)部門的比例,反映研究區(qū)域生產(chǎn)規(guī)模對(duì)部門產(chǎn)出的影響；對(duì)于同一行業(yè)部門,利用薪酬反應(yīng)生產(chǎn)效率對(duì)部門產(chǎn)出的影響；以此分配得到市級(jí)層面的部門產(chǎn)出量：

(1)

2.2 虛擬水計(jì)算

各部門實(shí)體水量和虛擬水用量與投入產(chǎn)出表存在以下關(guān)系[30]：

VWdj=DWCj×Xj (2)

式中,VWdj、VWtj分別為j部門的用水量、虛擬水量(億m3); DWCj為直接用水系數(shù), TWCj為j部門的虛擬水系數(shù)(也稱完全用水系數(shù))(億m3/萬元)；Xj為j部門的總產(chǎn)出(萬元)。中間產(chǎn)品的直接消耗系數(shù)aij表示生產(chǎn)一個(gè)單位第j部門的產(chǎn)品所直接消耗的第i部門產(chǎn)品的數(shù)量,用A表示這個(gè)系數(shù)矩陣；虛擬水系數(shù)TWCj與系數(shù)矩陣的關(guān)系可由公式(5)表示[31]。

(4)

TWC1×n=DWC1×n×(I-A)-1

(5)

對(duì)于一個(gè)城市來說,其虛擬水總量不僅包括各個(gè)生產(chǎn)部門所需求的虛擬水,還包括商品流通中各種商品所攜帶的虛擬水,因此城市的虛擬水總量可以通過式(6)計(jì)算：

VW=∑VWj+∑VWEj-∑VWOj

(6)

式中,VW為某個(gè)城市的虛擬水總量,VWj為城市內(nèi)部生產(chǎn)過程中生產(chǎn)部門j所需要的虛擬水,VWEj和VWOj分別為城市外部為j部門生產(chǎn)而流入和流出的虛擬水量。

對(duì)于市域內(nèi)流入的虛擬水,難以區(qū)分外部流入產(chǎn)品的來源區(qū)域和各自的用水系數(shù),來源復(fù)雜,因此主要采用全國(guó)的各個(gè)行業(yè)部門的用水系數(shù)計(jì)算虛擬水；而市域內(nèi)流出的虛擬水,采用市域內(nèi)各個(gè)部門的用水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 虛擬水特征

在2007年,“幾字彎”18個(gè)城市年虛擬水用量為648.5億m3,平均為36億m3,最高的為包頭市88.6億m3,最低為延安市7.2億m3,最高與最低相差10倍；2012年,“幾字彎”18個(gè)城市年虛擬水用量為772.8億m3,平均為42.9億m3,較2007年增加19.2%,最高的為蘭州市70.1億m3,最低依舊為延安市8.3億m3；2017年,18個(gè)城市年虛擬水用量為778.4 億m3,平均為43.2億m3,較2012年僅增加0.7%,虛擬水增速放緩,虛擬水最高與最低的城市分別為蘭州市115.2億m3,忻州市13.6億m3,相差9倍。10年時(shí)間,18個(gè)城市的年虛擬水總量增加了20%；最高用量增加30%,最低用量增加90.5%；整體上各城市的年虛擬水用量均在增加,特別是以往虛擬水用量較低的城市增長(zhǎng)更快(圖2)。這說明,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,從消費(fèi)側(cè)對(duì)水資源的需求急劇增加。在2007—2017年中,由于“幾字彎”18個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速率不同和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,導(dǎo)致不同的城市虛擬水增長(zhǎng)類型差異較大。陜西的渭南、榆林、延安10年時(shí)間虛擬水的用量增加巨大,分別為112.9%、242.9%和260.4%；而石嘴山、蘭州、白銀、忻州、呂梁、銀川、運(yùn)城分別為60.3%、53.4%、29.5%、29.0%、27.6%、26.4%和37.6%,有了顯著的增加；鄂爾多斯、吳忠和臨汾,虛擬水用量增加幅度較小,分別為16.1%、7.5%和6.1%；而烏海、巴彥淖爾、包頭、呼和浩特和中衛(wèi),虛擬水用量在減少,分別減少8.6%、14.0%、15.9%、18.0%和22.1%(圖2)。

圖2 黃河“幾字彎”18個(gè)城市的虛擬水用量Fig.2 The virtual water consumption of 18 cities in Jiziwan section of Yellow River Basin

3.2 實(shí)體水特征

長(zhǎng)期以來,實(shí)體水的開源節(jié)流及再分配是解決區(qū)域水資源短缺的主要手段[32]。在2007年,“幾字彎”18個(gè)城市年實(shí)體水用量為237.9億m3,平均為13.2億m3,最高的為巴彥淖爾市49.6億m3,最低的陜西省的延安市2.4億m3,最高與最低相差21倍；2012年,18個(gè)城市實(shí)體水用量為244.4億m3,平均為13.6億m3,較2007年增加2.7%；到了2017年,18個(gè)城市年實(shí)體水用量為236.9億m3,平均為13.2億m3,較2012年減小-3.2%；最高最低為巴彥淖爾市和烏海市,分別為49.4、2.6億m3。2007—2017年的10年間,18個(gè)城市的年實(shí)體水總量變化不大,僅減少了0.04%,但各城市實(shí)體水用量的變化存在明顯不同。10年間,各城市實(shí)體水變化率在24.4%到43.0%之間。實(shí)體水用量增加的城市主要集中在“幾字彎”下游。運(yùn)城市的實(shí)體水用量10年從11.4億m3增加到16.3億m3,增加了43.0%；其次為忻州市,從5.1億m3增加到6.7億m3,增加29.5%,榆林市和呂梁市分別增加21.6%和20.6%。臨汾、延安、渭南、白銀4個(gè)城市的實(shí)體水增長(zhǎng)較為緩慢,增長(zhǎng)率分別為14.1%、13.6%、8.9%和3.0%。實(shí)體水用量下降的城市全部分布在“幾字彎”中上游段的甘肅、寧夏、內(nèi)蒙三省。其中,下降最多的為蘭州市,下降了-24.4%；核心原因在于2005—2019年間蘭州的工業(yè)用水效率大幅提升,工業(yè)用水量下降了54.0%,農(nóng)業(yè)大規(guī)模推廣節(jié)水灌溉技術(shù),農(nóng)業(yè)用水量下降-39.3%[33]。鄂爾多斯、巴彥淖爾、呼和浩特、石嘴山、銀川、中衛(wèi)、包頭、吳忠、烏海各市實(shí)體水的下降幅度在0.3%—13.6%之間。作為研究區(qū)域的核心工業(yè)城市,包頭市2007、2017年實(shí)體水用量分別為10.7億m3、9.9億 m3,下降8.0%,這與包頭市虛擬水用量減少的趨勢(shì)相同；此外,巴彥淖爾、呼和浩特、中衛(wèi)、烏海實(shí)體水與虛擬水均出現(xiàn)了下降。以“幾字彎”中段為分界線,實(shí)體水用水量的變化表現(xiàn)出了中上游減少,下游增加的空間分布特征(圖3)。

圖3 “幾字彎”地區(qū)18個(gè)城市實(shí)體水特征Fig.3 The entity water consumption in18 cities in Jiziwan section of Yellow River Basin

3.3 用水的結(jié)構(gòu)特征

實(shí)體水是當(dāng)?shù)啬軌驅(qū)嶋H使用的水資源量,而虛擬水從消費(fèi)側(cè)反映了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水的消耗,實(shí)體水/虛擬水比值被定義為用水結(jié)構(gòu)。一個(gè)地區(qū),經(jīng)濟(jì)規(guī)模一定的情況下,生產(chǎn)側(cè)實(shí)體水用量越小,消費(fèi)側(cè)虛擬水用量越高,即實(shí)體水/虛擬水越小,表明城市用水的投入量就越低,單位用水量創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值就越高。在2007—2017年年間,“幾字彎”18個(gè)城市實(shí)體水/虛擬水的比值從41.7%降低到37.7%,再到 34.8%；表現(xiàn)出該區(qū)域的水資源利用效率在逐步提高。在2007年,蘭州、呼和浩特、包頭和烏海的實(shí)體水/虛擬水的比值為22.1%、15.8%、12.1%、8.2%,表現(xiàn)出較高的實(shí)體水利用效率；石嘴山、忻州、銀川、臨汾、運(yùn)城、呂梁、延安為49.0%、48.7%、45.2%、41.3%、38.0%、36.9%、32.9%,利用效率中等；而巴彥淖爾、吳忠、渭南、白銀、中衛(wèi)、榆林實(shí)體水/虛擬水的比值為較高,分別為77.2%、65.5%、64.4%、56.8%、53.2%、52.4%,實(shí)體水利用效率較低,特別是巴彥淖爾市。2012年,總體的實(shí)體水/虛擬水的比值在降低,蘭州、呼和浩特、包頭和烏海仍是最低,但中衛(wèi)、吳忠、巴彥淖爾和渭南的比值在50%以上,分別為69.8%、63.6%、55.9%和51.9%,仍處于實(shí)體水資源利用效率較差的水平。2017年,實(shí)體水/虛擬水比值低于20%的有呼和浩特、榆林、包頭、蘭州、延安、烏海6座城市；高于50%的有巴彥淖爾、中衛(wèi)、吳忠,特別是巴彥淖爾,這一比值高達(dá)89.5%。這說明巴彥淖爾、中衛(wèi)、吳忠、忻州、白銀等城市的實(shí)體水利用效率有很大的提升空間(圖4)。

圖4 18個(gè)城市實(shí)體水/虛擬水比值特征Fig.4 The ratio of entity water consumption/virtual water consumption about 18 cities in “Jiziwan” section of Yellow River Basin

從行業(yè)來看,農(nóng)業(yè)是實(shí)體水用水大戶。2007年,農(nóng)業(yè)部門實(shí)體水用量為193.6億m3,采礦業(yè)為4.3億m3、制造業(yè)為17.1億 m3、能源供應(yīng)業(yè)為8.9億m3、建筑業(yè)為1.9億m3、交通運(yùn)輸業(yè)為0.2億 m3、服務(wù)業(yè)為11.9億m3,農(nóng)業(yè)的實(shí)體水占據(jù)了總體的81.4%。2012年農(nóng)業(yè)部門實(shí)體水用量為193.2億m3,與2007年持平,但占比由81.4%下降至79.1%；建筑業(yè)和運(yùn)輸郵電業(yè)的實(shí)體水用量劇增,分別達(dá)到6.6億m3和2.9億m3,分別為2007年的3.6和13倍。2017年農(nóng)業(yè)部門實(shí)體水用量為186.3億m3,出現(xiàn)下降趨勢(shì),占總實(shí)體水量為78.6%；這個(gè)時(shí)段建筑業(yè)和運(yùn)輸郵電業(yè)的實(shí)體水量用量出現(xiàn)了下降,但服務(wù)業(yè)的實(shí)體水用量出現(xiàn)了劇增,與2012年相比增加73.6%。農(nóng)業(yè)和制造業(yè)是虛擬水利用大戶,2007年,農(nóng)業(yè)部門虛擬水用量為239.6億m3,制造業(yè)為367.8億 m3。采礦業(yè)、能源供應(yīng)業(yè)、建筑業(yè)、運(yùn)輸郵電業(yè)、服務(wù)業(yè)分別為22.0億m3、20.8億m3、61.8億m3、22.6億m3、63.9億m3。2012年,農(nóng)業(yè)部門虛擬水用量下降,為230.2 億m3,在虛擬水中的占比由30%下降至26.2%；采礦業(yè)、制造業(yè)、建筑業(yè)虛擬水用量上升,虛擬水用量分別為39.5億m3、398.9億m3、98.7億m3；能源供應(yīng)業(yè)、運(yùn)輸郵電業(yè)、服務(wù)業(yè)虛擬水用量變化不明顯,分別為23.8億m3、21億m3、66.5億m3。2017年農(nóng)業(yè)部門虛擬水用量依舊呈下降趨勢(shì),為222.4億m3；采礦業(yè)、制造業(yè)虛擬水用量下降,分別為26.7億m3、313.3億m3。該時(shí)段建筑業(yè)虛擬水用量增加,為120.6億m3,與實(shí)體水用量減少趨勢(shì)相反,服務(wù)業(yè)虛擬水用量增加,為108.9億m3,與實(shí)體水用量增加趨勢(shì)相同；能源供應(yīng)業(yè)、運(yùn)輸郵電業(yè)虛擬水用量較2012年持平(圖5)。

圖5 各部門用水組成結(jié)構(gòu)變化情況Fig.5 The entity and virtual consumption in 7 different industrial sectors among 18 cities in Jiziwan section of Yellow River Basin

3.4 虛擬水流動(dòng)變化特征

2007、2012、2017年流入的虛擬水為106.4億m3、178.8億m3和219.1億m3；流出的為297.3億m3、284.6億m3、312.5億m3。流入的虛擬水有增大的趨勢(shì),但流出的虛擬水是流入的1.4—2.8倍,表現(xiàn)出缺水地區(qū)虛擬水外流的共同特點(diǎn)[34]。從部門來看,制造業(yè)流出量最大,分別為188.9億m3(2007年)、189.1億m3(2012年)、196億m3(2017年),其次是農(nóng)業(yè),分別為75億m3(2007年)、30.5億m3(2012年)、64.9億m3(2017年)；其余各部3年流出量均在30億m3以下。流入量最高的是制造業(yè),分別為65.2億m3(2007年)、108.9億m3(2012年)、93.1億m3(2017年)；“幾字彎”作為黃河流域重要的工業(yè)基地,能源供應(yīng)業(yè)用水是支撐工業(yè)生產(chǎn)的重要保障,2007年和2017年,能源供應(yīng)業(yè)虛擬水的流入量分別為4.1億m3,57億m3,增加了13.7倍。10年間,農(nóng)業(yè)部門流出量降低10.1億m3、流入量增加27.6億m3,采礦業(yè)虛擬水流出量增加8.1億m3、流入量增加3.2億m3,制造業(yè)虛擬水流出量增加7.1億m3、流入量增加27.8億m3、能源供應(yīng)業(yè)虛擬水流入量增加量顯著高于流出量,虛擬水流出量增加5.9億m3、流入量增加54.1億m3,建筑業(yè)虛擬水流出量增加7億m3、流入量降低5億m3,運(yùn)輸郵電業(yè)虛擬水流出量降低7.9億m3、流入量降低1.6億m3,服務(wù)業(yè)虛擬水流出量增加5.1億m3、流入量增加6.6億m3(圖6)。

圖6 各部門虛擬水流動(dòng)情況Fig.6 The flow of virtual water in different sectors

從城市來看, 2007年到2017年間,虛擬水流入量與流出量均增加的城市有中衛(wèi)、吳忠、銀川、石嘴山、烏海、鄂爾多斯、榆林、延安、渭南、呂梁、運(yùn)城,這些城市虛擬水流動(dòng)強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)。其中,榆林市虛擬水流入流出總量增加最大,虛擬水流入量與流出量分別增加30.8億m3、6.6億m3。蘭州、白銀、呼和浩特虛擬水流入流出量均減小,蘭州減小最多,流入量減小6.6億m3、流出量減小13.3億m3。巴彥淖爾、包頭、忻州、臨汾虛擬水流入量增加,流出量減小。巴彥淖爾和包頭流出量分別減小8.9億m3、8.9億m3,流入量分別增加0.7億m3、3.1億m3。忻州和臨汾流出量分別減小0.02億m3、0.2億m3,流入量分別增加1.6億m3、2億m3(圖7)。

圖7 各城市虛擬水流動(dòng)情況Fig.7 The flow of virtual water in different cities

4 討論

2007年、2012年、2017年“幾字彎”區(qū)域的實(shí)體水用量由分別為238億m3、244.4億m3和236.9億m3,分別增加2.7%和-0.4%,變化并不明顯；同期,虛擬水的用量分別增加了19.2%和0.7%。在此期間,“幾字彎”區(qū)域18個(gè)城市的GDP總量由2007年的9576.1億元增加到2012年的24000.4億元和2017年的29794億元,分別增加了1.5倍和2.1倍。將2017年的GDP數(shù)據(jù)與實(shí)體水用水系數(shù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)隨GDP的增加實(shí)體水的用水系數(shù)(直接用水系數(shù))出現(xiàn)了冪函數(shù)下降關(guān)系(圖8)。這說明在黃河“幾字彎”區(qū)域,經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展并沒有引起實(shí)體水的用量劇烈增加,這為實(shí)體水用量較高的城市節(jié)水提供了理論依據(jù)。

2017年,“幾字彎”18個(gè)城市直接用水系數(shù)的平均值為63.7m3/萬元,最大是巴彥淖爾的303.5m3/萬元,最小值是延安的7.2m3/萬元,大于平均值的僅有巴彥淖爾、中衛(wèi)、吳忠、石嘴山和白銀市；但其GDP在18個(gè)城市中相對(duì)較低,中衛(wèi)、白銀、吳忠、石嘴山4市墊底。因此,巴彥淖爾、中衛(wèi)、吳忠、石嘴山和白銀市可作為“幾字彎”城市中節(jié)水的主要對(duì)象,當(dāng)其直接用水系數(shù)降低至平均值63.7m3/萬元時(shí),根據(jù)圖8的回歸方程,可以計(jì)算出此時(shí)的GDP為685.8億元,相應(yīng)的GDP增量為-229.5億元、311.7億元、177.9億元、150.9億元和235.3億元。說明直接用水系數(shù)的降低,不僅沒有影響反而促進(jìn)了中衛(wèi)、吳忠、石嘴山和白銀市4市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。巴彥淖爾市實(shí)體水的利用系數(shù)接近平均值的5倍,其用水系數(shù)降低到平均值,GDP僅降低25.1%,說明用水效率具有巨大的提高潛力,這與巴彥淖爾市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有密切的關(guān)系。

圖8 各城市實(shí)體水用水系數(shù)與GDP的關(guān)系 Fig.8 The relationship between GDP and entity water use coefficient about 18 cities in Jiziwan region

2017年,巴彥淖爾、中衛(wèi)、吳忠、石嘴山、白銀市5市的農(nóng)業(yè)實(shí)體水用量分別為47.5億m3、11.6億m3、16.1億m3、9.8億m3、8.1億m3,占區(qū)域農(nóng)業(yè)用水總量的50%,農(nóng)業(yè)實(shí)體水用量占比均在80%以上,分別為96.1%、90.1%、93%、83.9%、82.4%,農(nóng)業(yè)虛擬水消耗量分別為51.4億m3、13.9億m3、19.2億m3、11.6億m3、9.7億m3,占當(dāng)?shù)靥摂M水消耗量的93.1%、69.2%、61.5%、29%、44.3%,用于生產(chǎn)的實(shí)體水占比與消費(fèi)過程中消耗的虛擬水占比并不匹配,特別是中衛(wèi)、吳忠、石嘴山、白銀4市,水資源的投入量比重遠(yuǎn)高于水資源的產(chǎn)出量比重。從經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)來看,5市第一產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)出僅占當(dāng)?shù)乜偖a(chǎn)出的15.5%、15%、7.6%、2%、4.3%(表2),農(nóng)業(yè)作為這5市的主要用水產(chǎn)業(yè),經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出十分有限。繼續(xù)保持農(nóng)業(yè)部門現(xiàn)有的水資源投入產(chǎn)出量會(huì)限制當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展；白銀、吳忠、石嘴山3市產(chǎn)出最高的部門為制造業(yè),制造業(yè)產(chǎn)出占比為38.3%、34.8%、57.3%,其實(shí)體水所占比例僅為5.7%、1.6%、5.8%,而對(duì)應(yīng)的虛擬水占比卻高達(dá)37.4%、32.4%、93.5%,說明這3個(gè)城市的制造業(yè)水資源的投入產(chǎn)出比非?？捎^,具有較高的用水效率。中衛(wèi)和巴彥淖爾市產(chǎn)出最高的部門為服務(wù)業(yè),服務(wù)業(yè)產(chǎn)出占總產(chǎn)出的30.7%、42.7%,實(shí)體水消耗量占比分別為5.4%,1.8%,虛擬水消耗量占比分別為11.3%、10.6%,說明中衛(wèi)和巴彥淖爾市的服務(wù)業(yè)用水效率較高。因此,在“幾字彎”18個(gè)城市的規(guī)劃與發(fā)展中,首先應(yīng)該將巴彥淖爾、中衛(wèi)、吳忠、石嘴山和白銀市5個(gè)城市作為節(jié)水的重點(diǎn)城市,其水資源利用效率的提高對(duì)于“幾字彎”區(qū)域水資源的利用具有重要的影響。在這些城市內(nèi)部,農(nóng)業(yè)是重要的節(jié)水行業(yè)和節(jié)水的重點(diǎn),白銀、吳忠、石嘴山3市的比較優(yōu)勢(shì)是制造業(yè),中衛(wèi)和巴彥淖爾市的比較優(yōu)勢(shì)是服務(wù)業(yè)。

虛擬水總量反映了區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平,是實(shí)體水生產(chǎn)和物質(zhì)流通中的增值服務(wù)總和；虛擬水的輸入輸出可作為水資源調(diào)控的機(jī)制。2017年,“幾字彎”18城市虛擬水凈流出57.8億m3；其中鄂爾多斯、包頭、石嘴山、巴彥淖爾、烏海虛擬水凈流出量大,分別為39.5億m3、22.3億m3、21.7億m3、19.6億m3、14.1億m3,相當(dāng)于向外分別流出了9.3億m3、3億m3、6.3億m3、17.6億m3、1.1億m3的實(shí)體水。蘭州、白銀、中衛(wèi)、吳忠、呼和浩特虛擬水凈流出量在1.3—8.2億m3；銀川、忻州、呂梁、臨汾、運(yùn)城呈虛擬水凈流入狀態(tài),流入量在1.2—7.8億m3,榆林、延安、渭南虛擬水流入量較高,分別為28.6億m3、20.3億m3、18.7億m3,相當(dāng)于向內(nèi)分別流入5.3億m3、2.1億m3、6.1億m3的實(shí)體水(圖7)。鄂爾多斯、包頭、石嘴山、巴彥淖爾、烏海及榆林、延安、渭南的用水結(jié)構(gòu)受虛擬水流動(dòng)影響較大(表3)。鄂爾多斯市制造業(yè)、采礦業(yè)虛擬水凈流出量為總凈流出量的59.6%和20.1%,產(chǎn)出占當(dāng)?shù)乜偖a(chǎn)出的22.7%和34.6%。鄂爾多斯的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)是采礦業(yè),但制造業(yè)是虛擬水凈流出量最高的部門,對(duì)于鄂爾多斯市而言,可壓縮制造業(yè)用水,并向采礦業(yè)供水傾斜。制造業(yè)也是包頭、石嘴山、烏海凈流出量最高的部門,占比分別79.8%、103.6%、82.5%,其產(chǎn)出占當(dāng)?shù)乜偖a(chǎn)出的42.6%、57.3%、36.1%。3市制造業(yè)虛擬水凈流出量所占比例均高于產(chǎn)出所占的比例。從3市部門水資源的投入產(chǎn)出效率來看,制造業(yè)實(shí)體水消耗量分比為1.9億m3、0.7億m3、0.4億m3,分別占各市實(shí)體水消耗總量的18.9%、16.4%、5.8%,制造業(yè)虛擬水的消耗量分比為55.9億m3、37.4億m3、24億m3,分別占各市虛擬水消耗總量的37.4%、32.4%、93.5%,水資源的投入產(chǎn)出比均非?？捎^,尤其是石嘴山,制造業(yè)虛擬水凈流出量高于當(dāng)?shù)乜偭鞒隽?但生產(chǎn)過程中消耗的實(shí)體水占比卻很低,表現(xiàn)出該市制造業(yè)水資源利用效率高的特征。巴彥淖爾農(nóng)業(yè)部門虛擬凈流出量17.3億m3,相當(dāng)于流出了15.5億m3的實(shí)體水,占實(shí)體水總量的31.4%。因此,收縮巴彥淖爾向外流出的農(nóng)產(chǎn)品總量可有效減緩當(dāng)?shù)厮Y源壓力。榆林、延安、渭南3市實(shí)體水用水系數(shù)高的農(nóng)業(yè)部門表現(xiàn)出虛擬水向內(nèi)流的形式,其中榆林、延安2市實(shí)體水比重較其它城市更低,分別59.4%、41.6%；3市農(nóng)業(yè)部門產(chǎn)出占總產(chǎn)出的11.1%、8.9%、14.9%,與農(nóng)業(yè)相比,采礦業(yè)、制造業(yè)、服務(wù)業(yè)作為3市的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè),3部門產(chǎn)出占當(dāng)?shù)乜偖a(chǎn)出的73.7%、76.3%、68%。這3市高耗水、低產(chǎn)出的農(nóng)業(yè)部門通過虛擬水流入得到了水資源補(bǔ)償,且其自身農(nóng)業(yè)實(shí)體水占比也相對(duì)較低,而單位用水效益高的產(chǎn)業(yè)又為當(dāng)?shù)刂饕慕?jīng)濟(jì)支撐,這種實(shí)體水與虛擬水的分布格局,更有利于保障區(qū)域的水資源安全,促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。

表2 巴彥淖爾、中衛(wèi)、吳忠、石嘴山和白銀市5市用水結(jié)構(gòu)

表3 鄂爾多斯、包頭、石嘴山、巴彥淖爾、烏海、榆林、延安和渭南8市虛擬水流動(dòng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

本文分析了黃河“幾字彎”實(shí)體水與虛擬水的數(shù)量、流入流出的關(guān)系以及行業(yè)特征與經(jīng)濟(jì)發(fā)展,得到以下主要結(jié)論：

(1)在2007—2017年,“幾字彎”區(qū)域18個(gè)城市的虛擬水增加20%,但實(shí)體水總量變化不大,不同城市之間存在顯著差異。延安、榆林、渭南、忻州、呂梁、運(yùn)城、臨汾、白銀8個(gè)城市虛擬水用量隨實(shí)體水增加而增加,烏海、巴彥淖爾、包頭、呼和浩特、中衛(wèi)5個(gè)城市虛擬水用量隨實(shí)體水用量減小而降低；石嘴山、銀川、吳忠、鄂爾多斯、蘭州5個(gè)城市實(shí)體水用量減少,虛擬水用量增加。

(2)“幾字彎”18個(gè)城市實(shí)體水占虛擬水的比例由2007年41.7%下降至2017年的34.8%,水資源利用效率在逐步提高。農(nóng)業(yè)仍是實(shí)體水用水大戶,農(nóng)業(yè)中實(shí)體水所占比例雖然由2007年的81.4%下降到2017年的78.6%,但農(nóng)業(yè)依然具有較高的節(jié)水潛力。2007—2017年,服務(wù)業(yè)實(shí)體水和虛擬水用量劇增,分別為79.1%和70.4%,是供水需求增長(zhǎng)最快的部門。制造業(yè)是虛擬水用水大戶、實(shí)體水利用相對(duì)較少。

(3)從虛擬水流動(dòng)的角度來看,虛擬水流入量增長(zhǎng)明顯,但整體依舊呈虛擬水凈流出狀態(tài)。2007年—2017年,流出的虛擬水是流入的1.4—2.8倍,表現(xiàn)出缺水地區(qū)虛擬水外流的共同特點(diǎn)。

(4)巴彥淖爾、中衛(wèi)、吳忠、石嘴山和白銀市5個(gè)城市水資源利用效率較低,可作為今后一段時(shí)間內(nèi)節(jié)水的主要對(duì)象；5個(gè)城市的農(nóng)業(yè)用水比重較大,產(chǎn)出較低,是今后節(jié)水的重點(diǎn)。鄂爾多斯、包頭、石嘴山、烏海虛擬水凈流出最高的部門為制造業(yè),是當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)；巴彥淖爾虛擬水凈流出最高的部門為農(nóng)業(yè),而當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)為服務(wù)業(yè)；通過對(duì)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)的供水傾斜、提高比較優(yōu)勢(shì),可促進(jìn)“幾字彎”區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

對(duì)于特定的區(qū)域,由于受自然、人文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素的影響,實(shí)體水資源利用效率存在上限,因此節(jié)水不可能無限進(jìn)行。而虛擬水消耗量較大的部門往往是該地區(qū)具有比較優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)業(yè),這種比較優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)通過流通表現(xiàn)為缺水地區(qū)的水資源流出,特別是對(duì)落后地區(qū)而言,反而體現(xiàn)在耗水較多的產(chǎn)業(yè)上。為了區(qū)域水資源的合理利用,必須綜合考慮生產(chǎn)側(cè)的實(shí)體水和消費(fèi)側(cè)的虛擬水,以此保證區(qū)域經(jīng)濟(jì)和水資源的高效利用。