基于多區(qū)域投入產(chǎn)出模型的京津冀地區(qū)虛擬水貿(mào)易分析

韓宇平， 李想， 蘇瀟雅， 黃會平， 林睿， 張俊峰

(1.華北水利水電大學(xué) 水資源學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，河北 石家莊 050011)

水資源是自然生態(tài)系統(tǒng)和人類生存發(fā)展的重要保障，2019年我國用水總量為6 021.2億m3，是世界上用水量最大的國家，但我國水資源總量并不豐富，人均水資源量不足世界平均水平的30%[1-2]。隨著我國城市化、工業(yè)化過程的不斷深入，水資源需求快速增加。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)階段我國有超五成的人口和土地面臨水資源匱乏問題[3]。1993年，英國學(xué)者ALLAN John Anthony首次提出虛擬水的概念，指出虛擬水為生產(chǎn)產(chǎn)品或服務(wù)過程中所消耗的水資源量[4-5]。2003年，HOEKSTRA Arjen[6]提出虛擬水戰(zhàn)略，即缺水地區(qū)可以從其他區(qū)域進(jìn)口水資源密集型產(chǎn)品，從而達(dá)到減緩水資源短缺的目的。在全球經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展的進(jìn)程中，隱含在商品中的虛擬水輸入成為緩解水資源匱乏地區(qū)水資源危機(jī)的有效途徑之一，虛擬水貿(mào)易研究日益受到重視[7-8]。目前，關(guān)于虛擬水的研究有兩種方法，分別是以生產(chǎn)樹為代表的自下而上的方法和以投入產(chǎn)出法為代表的自上而下的方法[9-12]，后者是基于經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出表與部門水資源消耗情況計算部門間的虛擬水流動關(guān)系的。

近年來，基于投入產(chǎn)出方法的虛擬水核算逐步成為國內(nèi)外的研究熱點[13-16]，它不僅可以核算國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)各部門產(chǎn)品的水資源利用效率，還可以系統(tǒng)地分析各地區(qū)虛擬水的貿(mào)易及流動情況。多區(qū)域投入產(chǎn)出模型在我國虛擬水流動及貿(mào)易研究中被廣泛應(yīng)用，在全國層面上，JIANG Yongkai等[17]研究了國內(nèi)虛擬水貿(mào)易狀況，指出水資源匱乏省份為水資源輸出區(qū)域，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)嚴(yán)重依賴外部虛擬水的輸入；ZHANG Chao等[18]指出中國虛擬水由北向南流動，與中國水資源的分布走向相反。在區(qū)域?qū)用妫瑢O才志等[19]在測算中國八大區(qū)域虛擬水總量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了農(nóng)業(yè)虛擬水的空間分布特征及影響因素；王雪妮[20]、杜依杭等[21]分別測算了中國八大區(qū)域的虛擬水轉(zhuǎn)移情況。在流域?qū)用?，田貴良等[22]研究了長江經(jīng)濟(jì)的虛擬水流動特征，并指出上游省區(qū)之間、中下游區(qū)域間各自的貿(mào)易交流頻繁，但上游同中下游省區(qū)虛擬水貿(mào)易聯(lián)系不強；TIAN Guiliang等[23]研究了黃河流域內(nèi)部省區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，認(rèn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的省份主要從農(nóng)業(yè)部門進(jìn)口虛擬水，經(jīng)濟(jì)較不發(fā)達(dá)省份主要從工業(yè)部門進(jìn)口虛擬水。不過，以往的研究多以分析空間格局為主，沒有加強空間與部門的聯(lián)系。

京津冀地區(qū)屬于典型的資源型缺水地區(qū)，2015年人均水資源占有量不足200 m3[24]，以不足全國1%的水資源量承載著全國8%的人口和10%的GDP，成為水資源環(huán)境嚴(yán)重超載地區(qū)之一[25-26]。隨著京津冀區(qū)域的協(xié)同發(fā)展，雄安新區(qū)的發(fā)展擴(kuò)大，京、津、冀三地在經(jīng)濟(jì)貿(mào)易方面交流愈加頻繁，人民生活生產(chǎn)用水及生態(tài)用水的增加會對水資源可持續(xù)利用造成重大影響，水資源供需矛盾等問題限制了京津冀一體化協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的實施。本文在2015年中國區(qū)域間投入產(chǎn)出表的基礎(chǔ)上，構(gòu)建多區(qū)域投入產(chǎn)出模型，核算京津冀區(qū)域內(nèi)部不同產(chǎn)業(yè)部門間虛擬水轉(zhuǎn)移量和該區(qū)域同其他省份的貿(mào)易情況，為實現(xiàn)地區(qū)水資源優(yōu)化配置、虛擬水戰(zhàn)略制定、緩解水資源壓力決策提供支持。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 數(shù)據(jù)來源

京津冀多區(qū)域投入產(chǎn)出表來自《2015年中國31省區(qū)市42部門區(qū)域間投入產(chǎn)出表》(http://www.ceads.net/)，將表中的42個產(chǎn)業(yè)部門合并為13個，包括農(nóng)業(yè)(01)、采選業(yè)(02—05)、食品及煙草業(yè)(06)、紡織服裝業(yè)(07—08)、木材加工業(yè)(09)、造紙及印刷業(yè)(10)、石油化工業(yè)(11—12)、金屬及非金屬業(yè)(13—15)、設(shè)備器材制造業(yè)(16—21)、其它制造業(yè)(22—24)、電氣及水供應(yīng)業(yè)(25—27)、建筑業(yè)(28)和服務(wù)業(yè)(29—42)(產(chǎn)業(yè)部門后面序號為投入產(chǎn)出表中序號)。農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)用水量來源于各省區(qū)2015年水資源公報。由于各地水資源公報中僅有工業(yè)部門用水總量，因此本文按照《中國經(jīng)濟(jì)普查年鑒》中各工業(yè)部門用水量的比例把2015年水資源公報中的工業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行劃分，得到除建筑業(yè)外的10個工業(yè)部門用水量，建筑業(yè)用水量由2012年建筑用水量占用水總量的比例推算求得。用城市生活用水減去城市居民生活用水量求得第三產(chǎn)業(yè)用水量，再用第三產(chǎn)業(yè)用水量減去建筑業(yè)用水量得到服務(wù)業(yè)用水量[27]。

1.2 計算模型

1.2.1 用水系數(shù)

1)直接用水系數(shù)。直接用水系數(shù)表示某地區(qū)j產(chǎn)業(yè)部門生產(chǎn)單位產(chǎn)品的過程中所直接投入的水資源量，其計算公式為：

(1)

式中：fj為該地區(qū)j產(chǎn)業(yè)部門直接用水系數(shù)，m3/(萬元)；Wj為j產(chǎn)業(yè)部門的用水量，m3；Uj為j產(chǎn)業(yè)部門的總產(chǎn)出，萬元。

2)完全用水系數(shù)。完全用水系數(shù)為直接用水系數(shù)和間接用水系數(shù)的總和，是指該產(chǎn)業(yè)部門增加單位產(chǎn)品而引起的整個經(jīng)濟(jì)體系總用水量的增加量，可以用來衡量部門生產(chǎn)過程中對整個經(jīng)濟(jì)體系的水資源壓力，其計算公式為：

f′j=fj(I-A)-1，

(2)

(3)

式中：f′j為該地區(qū)j產(chǎn)業(yè)部門的完全用水系數(shù)行向量，m3/(萬元)；I是單位矩陣；aij為直接消耗系數(shù)；A為由aij構(gòu)成的直接消耗系數(shù)矩陣；xij為j部門生產(chǎn)過程中需要i部門的投入，萬元。

3)拉動系數(shù)。拉動系數(shù)，又稱用水乘數(shù)[28]，表示j產(chǎn)業(yè)部門產(chǎn)出增加單位耗水量后引起的整個經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耗水量的增加程度，用于研究j部門的生產(chǎn)變化對整個經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)用水的帶動作用，其計算公式為：

L=f′/f。

(4)

式中：L為拉動系數(shù);f′為產(chǎn)業(yè)部門的完全用水系數(shù)；f為產(chǎn)業(yè)部門直接用水系數(shù)。

1.2.2 虛擬水產(chǎn)業(yè)部門之間的轉(zhuǎn)移量

為求虛擬水在產(chǎn)業(yè)部門之間的轉(zhuǎn)化運移量，引入虛擬水轉(zhuǎn)移矩陣TVw，計算公式如下：

(5)

Vw=fX(I-A)-1。

(6)

式中：Vw為完全需水矩陣，m3；f為直接用水系數(shù)行向量；X為中間投入矩陣，萬元；TVw為虛擬水轉(zhuǎn)移矩陣，m3，是完全需水矩陣與自身轉(zhuǎn)置之差。

1.2.3 虛擬水區(qū)域之間的流動量

虛擬水區(qū)域之間流動量的計算式為：

(7)

式中：Qm-n為m地區(qū)從n地區(qū)獲得的凈虛擬水量，m3；f′jn和f′jm分別為n地區(qū)和m地區(qū)j部門的完全用水系數(shù)；tjn表示m地區(qū)從n地區(qū)獲得的j部門產(chǎn)品的總價值，萬元；tjm表示m地區(qū)調(diào)出到n地區(qū)的j部門產(chǎn)品的總價值，萬元。

2 結(jié)果分析

2.1 產(chǎn)業(yè)部門用水系數(shù)

依據(jù)公式(1)—(4)，結(jié)合2015年京津冀地區(qū)合并后的投入產(chǎn)出表和各產(chǎn)業(yè)部門用水量，計算區(qū)域不同產(chǎn)業(yè)部門的直接用水系數(shù)、完全用水系數(shù)和拉動系數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 京津冀產(chǎn)業(yè)部門用水系數(shù)

由表1可知，農(nóng)業(yè)的直接用水系數(shù)最大，為226.1 m3/(萬元)，遠(yuǎn)高于其他產(chǎn)業(yè)部門，說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位產(chǎn)品需消耗大量的水資源，用水效率低下。設(shè)備器材制造業(yè)和其他制造業(yè)的直接用水系數(shù)最小，均為0.5 m3/(萬元)。食品及煙草業(yè)的直接用水系數(shù)為1.6 m3/(萬元)，完全用水系數(shù)為80.7 m3/(萬元)，拉動系數(shù)最大，為50.4。拉動系數(shù)大說明生產(chǎn)過程中間接消耗的水資源量大，且與其他產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)系密切，增大該產(chǎn)業(yè)部門產(chǎn)出將較大程度引起其他部門的水資源消耗。對京津冀地區(qū)來講，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中直接消耗的水資源量遠(yuǎn)大于其他產(chǎn)業(yè)部門的，如食品及煙草業(yè)、造紙及印刷業(yè)、木材加工業(yè)等產(chǎn)業(yè)部門生產(chǎn)過程中雖然直接用水系數(shù)較小，但間接用水量大，導(dǎo)致完全用水系數(shù)較大，從而拉動系數(shù)大，說明這些產(chǎn)業(yè)部門在生產(chǎn)過程中增加產(chǎn)出會引起整個經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)用水量的增加。因此，在制定區(qū)域節(jié)水措施時，應(yīng)同時關(guān)注直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)較大的部門，從產(chǎn)品的整個生產(chǎn)周期角度統(tǒng)籌考慮。

2.2 京津冀區(qū)域內(nèi)部虛擬水轉(zhuǎn)移量

2015年京津冀區(qū)域內(nèi)部各產(chǎn)業(yè)部門間虛擬水流動情況如圖1所示，圖1中流的寬度表示虛擬水流動量及其所占某產(chǎn)業(yè)部門虛擬水總量的比例，流動方向代表虛擬水的產(chǎn)業(yè)部門去向。由圖1可知，農(nóng)業(yè)為最大的虛擬水凈輸出部門，凈輸出量為128.9億m3。因為農(nóng)業(yè)直接用水系數(shù)最大，當(dāng)各種農(nóng)產(chǎn)品作為原材料流入到各個部門時，所攜帶的大量虛擬水也會隨之流入，為其他各個產(chǎn)業(yè)部門的生產(chǎn)活動提供水資源支撐；服務(wù)業(yè)凈輸出虛擬水量23.3億m3，分別流向各個產(chǎn)業(yè)部門，兩個產(chǎn)業(yè)部門都呈現(xiàn)出虛擬水去向多元的特點。食品及煙草業(yè)為最大的虛擬水凈輸入部門，凈輸入虛擬水量56.8億m3，虛擬水主要來源于農(nóng)產(chǎn)品；紡織服裝業(yè)的虛擬水凈輸入量為33.8億m3，農(nóng)業(yè)為主要的虛擬水輸入來源。食品及煙草業(yè)和紡織服裝業(yè)的虛擬水流入量較高，中間投入量較大，說明它們作為產(chǎn)業(yè)鏈的末端在生產(chǎn)過程中使用了大量來自其他部門的虛擬水。

圖1 京津冀地區(qū)產(chǎn)業(yè)部門間虛擬水流動結(jié)構(gòu)(單位：億m3)

北京、天津、河北三省區(qū)內(nèi)部之間的虛擬水流動情況如圖2所示。由圖2可知：河北為虛擬水凈出口省，分別向北京、天津輸出虛擬水4.9億m3、3.6億m3；北京、天津為虛擬水凈輸入地區(qū)，天津凈進(jìn)口虛擬水3.2億m3，北京凈進(jìn)口虛擬水量高達(dá)4.8億m3。河北向北京和天津輸送了大量水資源，為兩地的發(fā)展提供水資源保障，是實現(xiàn)京津冀一體化協(xié)同發(fā)展、促進(jìn)區(qū)域間互利共贏的強有力支撐。

圖2 北京、天津、河北虛擬水流動結(jié)構(gòu)

2.3 京津冀虛擬水外部貿(mào)易量

2015年，京津冀地區(qū)虛擬水輸入量為164.5億m3，輸出量為76.1億m3，凈輸入量為88.4億m3。

2.3.1 京津冀分區(qū)域虛擬水貿(mào)易量

根據(jù)公式(7)，核算北京、天津、河北各自的虛擬水貿(mào)易量，京津冀分區(qū)域虛擬水貿(mào)易量見表2。

由表2可知：北京、天津的實體水資源量嚴(yán)重匱乏，需要極大程度依賴于外部虛擬水進(jìn)口以維持當(dāng)?shù)匕l(fā)展，其他省區(qū)(除河北外)向北京和天津凈輸入虛擬水總量為103.5億m3，是兩地用水總量的2.2倍，極大地保證了兩地的水資源安全。河北實體水資源量較多，是虛擬水凈輸出地區(qū)，凈輸出量為15.1億m3，占實體水資源量的8.7%。

表2 京津冀分區(qū)域虛擬水貿(mào)易量 億m3

京津冀分區(qū)域各產(chǎn)業(yè)部門虛擬水貿(mào)易占比如圖3所示，京津冀分區(qū)域?qū)嶓w水資源應(yīng)用情況見表3。由表3和圖3可以看出：北京、天津的用水量較少，分別為25.90億、22.10億m3，分別是河北用水總量的14.9%、12.7%。就北京市而言，服務(wù)業(yè)用水量最多，占北京水資源總量的59.8%，同時服務(wù)業(yè)是北京虛擬水輸出量最大的部門，占2015年北京市虛擬水輸出總量的52.5%;農(nóng)業(yè)實體水資源占有量較多，占水資源總量的25.1%，但仍然不能滿足自身需求。2015年，北京農(nóng)業(yè)為虛擬水輸入量最大的部門，占北京虛擬水輸入總量的38.2%。就天津市而言，農(nóng)業(yè)是用水量最大的部門，占用水總量的55.7%；天津的食品及煙草業(yè)為最大的虛擬水輸入部門，占天津虛擬水輸入總量的41.3%，大量的虛擬水輸入可在一定程度上緩解北京和天津兩地的水資源短缺問題。

圖3 京津冀分區(qū)域各產(chǎn)業(yè)部門虛擬水貿(mào)易量占比

河北省是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)水資源用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他產(chǎn)業(yè)部門，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的比例高達(dá)77.9%；同時，河北農(nóng)業(yè)為最大的虛擬水輸出部門，占河北虛擬水總輸出量的50.2%。雖然河北的實體水資源量較大，但人均水資源占有量僅為200 m3左右，農(nóng)業(yè)虛擬水的大量輸出在一定程度上加劇了河北的水資源短缺。

表3 京津冀分區(qū)域?qū)嶓w水資源應(yīng)用情況 億m3

2.3.2 京津冀區(qū)域虛擬水貿(mào)易量

2015年京津冀地區(qū)的虛擬水流動空間結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖4中可以看出：新疆、黑龍江、江蘇向京津冀地區(qū)輸入的虛擬水量最大；西藏、青海、重慶輸入的虛擬水量最小。其中，新疆向京津冀輸入虛擬水量為24.0億m3，占總輸入量的14.6%。京津冀對山東的虛擬水輸出量最大，為10.7億m3，占虛擬水總輸出量的14.1%，廣東(12.2%)、安徽(10.2%)次之。28個地區(qū)中有22個地區(qū)向京津冀凈輸入虛擬水，新疆虛擬水凈輸入量最高，為23.6億m3，青海虛擬水凈輸入量最小，為0.1億m3，新疆的虛擬水凈輸入量是青海的236倍。京津冀對上海、浙江、山東、湖北、廣東、重慶等6個省市表現(xiàn)為虛擬水凈輸出，對山東的虛擬水凈輸出量最高，為6.4億m3。

圖4 2015年京津冀地區(qū)虛擬水流動空間結(jié)構(gòu)

2015年京津冀地區(qū)的虛擬水流動產(chǎn)業(yè)部門結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 2015年京津冀地區(qū)虛擬水流動產(chǎn)業(yè)部門結(jié)構(gòu)

由圖5可以看出：向京津冀地區(qū)輸入虛擬水量最大的3個產(chǎn)業(yè)部門為服務(wù)業(yè)、食品及煙草業(yè)、建筑業(yè)。服務(wù)業(yè)的虛擬水輸入量為41.1億m3，占虛擬水總輸入量的25.0%，食品及煙草業(yè)和建筑業(yè)的分別占虛擬水總輸入量的24.0%、9.5%。農(nóng)業(yè)的虛擬水輸出量最大，為31.7億m3，占虛擬水輸出總量的比例高達(dá)41.7%。13個產(chǎn)業(yè)部門中，僅農(nóng)業(yè)表現(xiàn)為虛擬水凈輸出，凈輸出虛擬水量為19.3億m3；其余12個部門中，食品及煙草業(yè)、服務(wù)業(yè)、建筑業(yè)的虛擬水凈輸入量較大，食品及煙草業(yè)的虛擬水凈輸入量為30.4億m3，是采選業(yè)(0.1億m3)的304倍。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

1)京津冀地區(qū)各產(chǎn)業(yè)部門的用水系數(shù)差異顯著，農(nóng)業(yè)的直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)最大，分別為226.1、271.1 m3/(萬元)，說明其用水效率低下，應(yīng)引起重點關(guān)注。食品制造業(yè)的拉動系數(shù)最大，為50.4，也應(yīng)引起重視。

2)京津冀地區(qū)的農(nóng)業(yè)是最大的虛擬水輸出部門，向其他產(chǎn)業(yè)部門凈輸出虛擬水總量為128.9億m3；食品及煙草業(yè)為最大的虛擬水凈輸入部門，凈輸入虛擬水量為56.8億m3。

3)北京和天津的用水量較少，河北的實體水資源用量較大；河北為虛擬水凈輸出地區(qū)，北京和天津為虛擬水凈輸入地區(qū)。

4)京津冀整體屬于虛擬水凈輸入地區(qū)，凈輸入虛擬水量為88.4億m3。空間結(jié)構(gòu)上，新疆是對京津冀輸入虛擬水量最大的省份；產(chǎn)業(yè)部門結(jié)構(gòu)上，服務(wù)業(yè)是京津冀輸入虛擬水量最大的產(chǎn)業(yè)部門。

3.2 建議

1)提高直接用水系數(shù)較大的產(chǎn)業(yè)部門的用水效率，鼓勵直接用水系數(shù)較小的行業(yè)發(fā)展。同時，對于直接用水系數(shù)小、完全用水系數(shù)大的產(chǎn)業(yè)部門，其生產(chǎn)過程中間接消耗的水資源量大且與其他產(chǎn)業(yè)部門的聯(lián)系較為密切，增加這類產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)出將會明顯引起其他部門的水資源消耗。因此，應(yīng)制定合理用水政策，精準(zhǔn)把控水資源安全與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的關(guān)系。

2)京津冀的農(nóng)業(yè)與食品及煙草業(yè)分別作為生產(chǎn)端和消費端在區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)業(yè)部門間虛擬水流動表現(xiàn)活躍。因此，應(yīng)減少生產(chǎn)端虛擬水的消耗，如縮小農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模、調(diào)整區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等，從而進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)節(jié)水效率；同時要減少消費端的需求，通過調(diào)控其余產(chǎn)業(yè)部門的虛擬水使用量等間接手段實現(xiàn)水資源高效利用的最終目標(biāo)。

3)河北為重點節(jié)水地區(qū)，農(nóng)業(yè)為重點節(jié)水部門，要在河北實施虛擬水戰(zhàn)略，減少水密集型產(chǎn)品出口，調(diào)整用水結(jié)構(gòu)，促進(jìn)節(jié)水型產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從而進(jìn)一步緩解河北水資源緊缺等問題。

4)在今后的產(chǎn)品貿(mào)易中，要升級貿(mào)易結(jié)構(gòu)，增加水密集型產(chǎn)品的進(jìn)口，減少用水量較大的產(chǎn)品的出口，要從“量”的追求轉(zhuǎn)為“質(zhì)”的突破，通過提升技術(shù)水平、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等手段在擴(kuò)大產(chǎn)品貿(mào)易規(guī)模的同時縮小虛擬水貿(mào)易規(guī)模。此外，北京、天津虛擬水消耗量遠(yuǎn)超實體水資源量，嚴(yán)重制約著京津冀地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。南水北調(diào)的實體水和區(qū)域流入的虛擬水都在很大程度上緩解了區(qū)域的水資源壓力。因此，未來在考慮京津冀地區(qū)水資源管理策略時，應(yīng)綜合考慮實體水、虛擬水在區(qū)域水資源系統(tǒng)中的共同作用。