基于產業(yè)結構優(yōu)化的鄂爾多斯市虛擬水計算分析

鄭和祥，李和平，白巴特爾，佟長福，暢利毛(.水利部牧區(qū)水利科學研究所，呼和浩特 0000；.內蒙古自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測院，呼和浩特 0008)

20世紀90年代倫敦大學亞非研究院Tony Allan教授提出了虛擬水的概念，是指生產商品和服務所需要的水資源數(shù)量[1,2]。目前，虛擬水己成為國際上的一個前沿研究領域，一些學者對虛擬水的理論做了闡述和實例分析。2002年在Delft召開了第一次關于虛擬水的國際會議，荷蘭國際水文和環(huán)境工程研究所為虛擬水定量分析提供了一套方法體系[3-5]；AJlan(2003年)以中東為例對水資源現(xiàn)狀及虛擬水戰(zhàn)略進行研究，結果表明中東國家每年通過貿易進口的虛擬水量相當于該地區(qū)所有可用淡水水量的25%，這極大地緩解了中東地區(qū)的缺水問題；王新華等(2005年)對我國的水足跡進行了初步計算，得出青海省水足跡最大廣西最小[6]；Hoekstra等(2007年)對世界各國的水足跡進行了計算，并指出消費量、消費結構、氣候和用水效率是水足跡的主要影響因素[7]；楊阿強等(2008年)計算了我國與東盟的農產品貿易中凈進口虛擬水量[8]；蘇明濤等(2012年)開展了吉林省主要農作物的生產水足跡研究，得出發(fā)展旱作節(jié)水農業(yè)是吉林省中西部發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)的現(xiàn)實選擇[9]；嚴冬等(2014年)開展了基于虛擬水流動均衡性的農業(yè)用水綜合調控研究，建立融合了糧食流通模型的農業(yè)用水綜合調控模型，通過調整糧食生產耗水和產量來改變糧食流通格局[10]。

綜合近年來學者及會議的研究成果，虛擬水的研究主要集中在糧食問題上，同時虛擬水的研究向食物消費領域和流域水資源管理不斷拓展，但尚處于一個探索階段；由于虛擬水的概念剛出現(xiàn)十幾年，時間還比較短，不能期望建立十分完備的研究方法，該領域的大部分研究仍然不深入，大多數(shù)研究都集中在農作物產品的虛擬水計算，只有少數(shù)研究包含了動物、工業(yè)產品的虛擬水分析。本文在區(qū)域水資源優(yōu)化配置和產業(yè)結構優(yōu)化研究的基礎上對鄂爾多斯市虛擬水進行系統(tǒng)的分析和量化計算。

1 計算方法

虛擬水計算內容主要包括：農作物生產用水量、動物產品生產用水量、工業(yè)用水量、生活用水量、生態(tài)環(huán)境用水量和進出口水資源量。

1.1 農作物生產虛擬水計算方法

目前計算農作物虛擬水含量主要有2種方法：一種是Chapagain等提出的研究不同產品“生產樹”方法；另一種是Zimmer等提出的基于對不同產品類型區(qū)分的計算方法。本文采用第2種方法，依據(jù)作物需水量來推算農作物虛擬水含量，通常先用彭曼公式進行計算[11-16]。

彭曼公式計算騰發(fā)量：

(1)

式中：ET0為參照作物騰發(fā)量，mm/d；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度計常數(shù)(kPa/℃)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，kPa/℃；u2為2 m高處的風速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa。

農作物需水量的計算公式為：

ETc=KcET0

(2)

式中：Kc為各生育階段平均作物系數(shù)；ETc為時段內的騰發(fā)量，mm/d；其他同上。

某一地域內c產品的產量計算公式為：

Y=YcSc

(3)

式中：Y為區(qū)域總產量，kg；Yc為區(qū)域c產品的產量，t/hm2；Sc為區(qū)域c產品的種植面積，hm2。

得出作物的需水量后，就可以計算出單位作物所含的虛擬水量SWD，其計算公式為：

(4)

式中：SWD為單位產品的虛擬水含量，m3/kg；nc為c產品的初級產品成品率。

c產品的需水量與作物總產量(Y)相乘得出某一地域內c產品的虛擬水總量(TSWD)。計算公式為：

TSWD=SWD·Y

(3)

1.2 動物產品生產虛擬水計算方法

動物產品生產用水包括活體動物虛擬水含量和宰殺加工用水2部分，前者包括動物整個生長過程中消耗飼料的虛擬水含量、飲用水、圈舍清潔用水和加工飼料的用水量，其大小主要取決于該動物的品種、飼養(yǎng)系統(tǒng)、飼料消耗量以及飼養(yǎng)地的氣候條件。由于計算需要的很多數(shù)據(jù)難以獲得，所以一般采用Chapagain和Hoekstra 2004年有關中國動物產品虛擬水的計算結果[7]。

1.3 工業(yè)生產虛擬水計算方法

工業(yè)生產過程中需要一定量水的參與，主要用于冷凝、稀釋和溶劑等作用。一方面，在水的利用過程中通過不同途徑進行消耗；另一方面，又以廢水的形式排入自然界，參與正常水循環(huán)。所以工業(yè)產品的虛擬水量計算十分復雜，通常都是通過萬元工業(yè)產值用水量來估算。本文工業(yè)產品虛擬水消費的核算采用估計方法，采用社會消費品零售總額中工業(yè)品與萬元工業(yè)產值用水相乘估算工業(yè)品虛擬水消費量。

1.4 生活消費虛擬水計算方法

由于生活用水基本上都是實體水消費，可采用定額法進行計算，居民生活用水包括城鎮(zhèn)居民生活用水和農村居民生活用水。

生活虛擬水量計算公式為：

TSWD=KiPi

(6)

式中：Ki為人均用水定額；Pi為年人口數(shù)量。

1.5 生態(tài)環(huán)境虛擬水計算方法

城市生態(tài)環(huán)境虛擬水主要包括城市生態(tài)環(huán)境虛擬水和改善生態(tài)環(huán)境植被建設虛擬水。

(1)城市生態(tài)環(huán)境虛擬水計算。本文城市生態(tài)環(huán)境用水主要考慮綠地的生態(tài)需水量，包括3個部分：植被蒸散需水量、植物生長制造有機物需水量、植被綠地環(huán)境的土壤含水量。

生態(tài)虛擬水計算公式為：

TSWD=WE+WP+WS

(7)

植被蒸散需水量為：

WE=AηEP

(8)

植物生長制造有機物需水量為：

WP=WE/99

(9)

植被立地環(huán)境的土壤含水量為：

WS=Aαhsrsε

(10)

式中：WE為植被蒸散需水量，m3；Wp為植物生長制造有機物需水量，m3；Ws為植被立地環(huán)境的土壤含水量；A為市區(qū)面積，hm2；η為不包含水面的城市綠化覆蓋率，%；Ep為植物蒸散量，mm/a；α為植被覆蓋土壤系數(shù)；hs為土壤深度，m；rs為土壤密度，g/cm3；ε為土壤最小含水系數(shù)，%。

(2)改善生態(tài)環(huán)境植被建設虛擬水計算。改善生態(tài)環(huán)境植被建設虛擬水計算主要包括風沙源治理及工礦周邊生態(tài)環(huán)境植被建設。采用定額法計算：

Wj=Sjiqji

(11)

式中：Wj為生態(tài)建設虛擬水總量,萬m3；Sji為生態(tài)建設各類工程建設總面積，hm2；qji為各類工程綜合需水定額，m3/hm2。

2 結果分析

2.1 農作物生產虛擬水計算結果

根據(jù)調研和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，鄂爾多斯市農業(yè)產品主要包括小麥、薯類、玉米、高粱、牧草和林等。根據(jù)鄂爾多斯市騰發(fā)量等值線圖和FAO推薦的作物系數(shù)，采用式(1)和式(2)計算得出農業(yè)產品的需水量見表1。

表1 鄂爾多斯市農業(yè)產品需水量Fig.1 The agricultural product virtual water of Ordos

結合規(guī)劃水平年(2020年)鄂爾多斯市的國民經(jīng)濟指標發(fā)展預測[17]，得出2020年鄂爾多斯市不同用水效率下的各指標優(yōu)化值，包括種植面積、種植結構、單位面積產量等[17]，結合計算得出的各單位產品的虛擬水含量，得出2020年鄂爾多斯市農業(yè)產品的單位產品虛擬水含量及虛擬水總量，2020年鄂爾多斯市農業(yè)產品虛擬水總量為194 820.04萬m3，見表2。

表2 2020年鄂爾多斯市農產品虛擬水總量Fig.2 The total virtual water of Ordos in 2020 years

2.2動物產品生產虛擬水計算

各單位產品的虛擬水含量采用Chapagain和Hoekstra 2004年有關中國動物產品虛擬水的計算結果[7]，結合2020年鄂爾多斯市的國民經(jīng)濟指標發(fā)展預測結果[17]，得出2020年鄂爾多斯市各動物產品的虛擬水總量，其中羊肉虛擬水總量最高，為94 351.04萬m3，其次為豬肉、牛肉和牛奶，分別為35 421.83、18 058.55和11 614.27萬m3，2020年鄂爾多斯市所有動物產品的虛擬水總量為176 002.69萬m3，見表3。

表3 2020年鄂爾多斯市動物產品虛擬水總量Fig.3 The animal products total virtual water of Ordos in 2020 years

2.3 工業(yè)生產虛擬水計算

通過對現(xiàn)狀年(2007年)工業(yè)用水量和萬元工業(yè)增加值用水量的綜合分析[17]，根據(jù)2020年鄂爾多斯市的國民經(jīng)濟指標優(yōu)化結果，確定2020年工業(yè)增加值為1 785.23億元。根據(jù)萬元工業(yè)增加值耗水量定額，計算得出2020年工業(yè)虛擬水總量為62 483.05萬m3，見表4。

表4 2020年鄂爾多斯市工業(yè)虛擬水總量Fig.4 The industrial virtual water of Ordos in 2020 years

2.4 生活消費虛擬水計算

根據(jù)預測，2020年鄂爾多斯市人口將達到269.00萬人，其中城鎮(zhèn)人口達到216.34萬人，農村人口達到52.66萬人。根據(jù)城鎮(zhèn)和農村的用水定額，并考慮供水管網(wǎng)漏損率城鎮(zhèn)控制在12%，農村控制在4%，計算得出2020年鄂爾多斯市的居民生活消費的虛擬水總量為10 892.35萬m3，其中城鎮(zhèn)居民生活消費的虛擬水總量為9 691.05萬m3，農村居民生活消費的虛擬水總量為12 01.31萬m3，見表5。

表5 2020年鄂爾多斯市居民生活虛擬水總量Fig.5 The living virtual water of Ordos in 2020 years

2.5 生態(tài)環(huán)境虛擬水計算

(1)城市生態(tài)環(huán)境虛擬水計算。根據(jù)2020年鄂爾多斯市的國民經(jīng)濟指標優(yōu)化結果，全市生態(tài)虛擬水計算的主要參數(shù)(見表6)，計算得出2020年鄂爾多斯市植被蒸散需水量為2 410.29 萬m3，植物生長制造有機物需水量為24.35萬m3，植被立地環(huán)境的土壤含水量為2.70萬m3，將3個部分求和得到鄂爾多斯市生態(tài)需水總量為2 437.34萬m3，見表7。

(2)改善生態(tài)環(huán)境植被建設虛擬水計算。根據(jù)2020年鄂爾多斯市規(guī)劃數(shù)據(jù)，全市生態(tài)建設工程建設總面積87 894.70hm2，各類工程綜合需水量為1 725 m3/hm2，計算得出改善生態(tài)環(huán)境植被建設虛擬水總量為15 161.84萬m3，見表8。

表6 2020年鄂爾多斯市城市生態(tài)虛擬水計算參數(shù)Fig.6 The calculation parameters of the ecology virtual water of Ordos in 2020 years

表7 2020年鄂爾多斯市城市生態(tài)虛擬水總量 萬m3

表8 2020年鄂爾多斯市改善生態(tài)環(huán)境建設虛擬水總量Fig.8 The virtual water of improve ecology of Ordos in 2020 years

(3)生態(tài)環(huán)境虛擬水計算。鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境用水虛擬水為城市生態(tài)環(huán)境虛擬水與改善生態(tài)環(huán)境植被建設虛擬水之和，計算得出2020年鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境用水虛擬水總量為17 599.18萬m3，見表9。

表9 2020年鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境虛擬水總量 萬m3

2.6 虛擬水消耗總量計算

根據(jù)前述對農作物、動物產品、工業(yè)產品、生活和生態(tài)環(huán)境的虛擬水計算，計算得出2020年鄂爾多斯市農作物實際消耗的虛擬水量為194 820.04萬m3，比2007年增加109 524.05萬m3，增加較多[17]；人均虛擬水總量為1 108.23 m3/(人·a)，比2007年略有減少。與2007年相同[17]，2020年鄂爾多斯市農作物消耗的虛擬水量最大；其次是工業(yè)產品，消耗的虛擬水量為62 483.05萬m3；動物產品消耗的虛擬水量為12 320.19萬m3，生活和生態(tài)環(huán)境消耗的虛擬水量分別為10 892.35和17 599.18 萬m3，見表10。

表10 2020年鄂爾多斯市消耗的虛擬水總量Fig.10 The total virtual water of Ordos in 2020 years

2.7 居民消費產品的虛擬水量

根據(jù)多年統(tǒng)計資料，到2020年鄂爾多斯市居民消費品結構略有變化，居民消費品主要包括糧食、大豆、油類、豬肉、牛肉、羊肉、牛奶、禽蛋、蔬菜、水果等，城鎮(zhèn)居民和農牧民消費各產品的數(shù)量見表11。計算得出2020年鄂爾多斯市居民實際消費產品的虛擬水量為179 483.3萬m3，其中城鎮(zhèn)居民125 723.0 萬m3，農牧民53 760.3萬m3。與現(xiàn)狀年不同，由于2020年城鎮(zhèn)化率的提高，農牧民消費的虛擬水總量明顯減少，而城鎮(zhèn)居民消費的虛擬水總量顯著增大。

表11 2020年鄂爾多斯市主要消費品虛擬水消費量Fig.11 The total virtual water of consumer goods of Ordos in 2020 years

2.8 虛擬水結果分析

從虛擬水消耗總量分析，2020年鄂爾多斯市消耗的虛擬水消耗總量為298 114.81萬m3，而根據(jù)鄂爾多斯市水資源評價數(shù)據(jù)，該地區(qū)可利用水資源總量為201 706.00萬m3，尚有96 408.81 萬m3水量虧缺；通過虛擬水貿易數(shù)據(jù)得出生產該地區(qū)本地居民所消費的所有產品和服務的水資源需求總量為207 974.82 萬m3，本地消費的那部分進口虛擬水總量為10 201.21萬m3，該指標比2007年增加顯著，凈增109 524.05萬m3；但2020年本地區(qū)人均虛擬水量為1 108.23 m3/(人·a)，比2007年略有減少。

從虛擬水消費結構分析，鄂爾多斯市2020年農作物消耗的虛擬水量最大，占消費虛擬水總量的65.35%，其次是工業(yè)產品，占消費虛擬水總量的20.96%。而農作物產品消費虛擬水消費總量最高的是玉米，占農作物消費虛擬水總量的41.31%，其次是薯類，占農作物消費虛擬水總量的21.88%，但單位產品消費虛擬水最多的是麻類，最少的是甜菜。由于該地區(qū)人口相對較少，居民生活用水比例很低，2020年鄂爾多斯市居民生活實際消費產品的虛擬水量為10 892.35萬m3，僅占虛擬水總量的3.65%。改善居民生活環(huán)境是該地區(qū)的一項重要指標和任務，因此用于生態(tài)環(huán)境的虛擬水量為17 599.18萬m3，占虛擬水總量的5.90%。由此可看出該地區(qū)虛擬水消費仍以農業(yè)為主，由于該地區(qū)針對工業(yè)有嚴格的用水控制，工業(yè)虛擬水消費比例不高，虛擬水消費總體合理。

3 結 語

(1)虛擬水生產的計算由于影響因素多，目前在計算方法上還多是保守的估算，有待于進一步的完善，但從虛擬水角度分析區(qū)域尺度水資源利用情況為解決干旱地區(qū)水資源短缺問題提供了新的思路。

(2)針對鄂爾多斯市水資源短缺問題，運用虛擬水理論分析各行業(yè)的水資源消費情況，可以此優(yōu)化區(qū)域產業(yè)布局，將有限的水資源投入到低耗水產業(yè)，提高水資源利用效率，從而緩解該區(qū)域的水資源緊缺壓力和環(huán)境惡化趨勢，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。

(3)在產業(yè)結構優(yōu)化的基礎上，鄂爾多斯市2020年實際消耗的虛擬水總量為194 820.04萬m3，比2007年增加109 524.05 萬m3，增加較多；人均虛擬水量為1 108.23 m3/(人·a)。其中農作物消耗的虛擬水量最大，為194 820.04萬m3，占消費虛擬水總量的65.35%；依次是工業(yè)產品、動物產品及生活生態(tài)環(huán)境消耗的虛擬水量。

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