天津市水资源足迹趋势预测与动态调节

李 健，张吉辉

(1．天津大学管理与经济学部，天津300072;2．天津理工大学循环经济研究院，天津300191)

我国虽然是一个水资源大国，但是人均量仅为世界人均水资源量的28%左右，且分布极度不均，近年常出现部分区域水灾、冰灾和雪灾而其他区域却出现旱灾的现象，如何预测区域水资源趋势，实现区域内、区域间的动态调节已经成为需要。随着区域间贸易量的不断扩大，通过实物交换带来的区域间虚拟水资源贸易占比越来越大［1］，因此，从水资源足迹视角进行区域水资源趋势预测和动态调节具有重要现实意义。“水资源足迹”(起源于生态足迹)由Hoekstra首次提出，Chapagain和Hoekstra(2004)研究出全球水足迹约为7．45×1012m3/年，人均水足迹为1 240 m3/年，而中国人均水足迹仅为700 m3/年［2］。Klaus Hubacek(2009)采用 IO 模型对2020年中国的水足迹情况、水足迹结构进行了预测，提出了区域间水足迹协调措施［3］。Chapagain(2009)以全球对西班牙番茄的消费为例对水足迹算法进行了改进［4］。Ridoutt(2010)以澳大利亚芒果为例对食物废弃物中的水足迹进行了计算，实现了对水足迹测算范围的补充［5］。Kathleen等(2010)引入了模糊IO模型对水足迹约束下的生态工业产业链优化进行了研究［6］。自水足迹概念引入我国以来，它在解决我国水资源短缺与粮食安全、生态环境等问题得到初步应用，王新华［7］、马静［8］、黄林楠［9］、谭秀娟［10］等学者也分别对水足迹的计算方法进行了研究。

国内外学者对国家、地区的水足迹研究主要集中于其来源和计算方法，较少对区域水资源足迹趋势进行预测和调节。本研究以天津市为例，以2004—2009年水资源足迹计算数据为基础，对其发展趋势进行预测，并提出动态调节策略，使从新视角实现区域水资源可持续利用成为可能。

1 水资源足迹的内涵及其测度

1．1 水资源足迹的内涵

水资源足迹(water footprint，WF)是指生产已知区域内人口在一定时间内消耗的所有产品和服务所需要的水资源量［11］。水资源足迹根源于说明人类消费、水资源利用、贸易和水资源管理之间的隐性关系，包含蓝水、绿水和灰水(蓝水是指存在于江、河、湖泊及含水层中的地表水与地下水的总和，即通常所指的水资源;绿水是指通过作物蒸发消耗的非饱和水;灰水是指将排放水稀释淡化到达标所需新鲜水量)［12］。

1．2 水资源足迹的测度

一个国家或地区的水资源足迹的测度有两种方法:一种是自上而下的方法，即区域内水资源利用量加上虚拟水(virtualwater，是指生产商品和服务所需要的水资源数量［13］，通过产品贸易实现其在区域间的流动)净输入量(虚拟水进口量减去虚拟水出口量)，可以表示为

式中:WF为一个区域的水足迹;WU为区域内产品生产的总用水量，包括绿水和蓝水;VWE为产品虚拟水出口量;VWI为产品虚拟水进口量［14］。另一种方法是自下而上的方法，它将该区域人口所消费的商品、服务数量与各自的单位产品虚拟水含量相乘求和得到。其公式为

式中:DU为生活用水量;EU为生态用水量;Pi为第i种产品消费量;VWCi为第i种产品虚拟水量。

2 天津市水资源足迹的测度及趋势预测

2．1 天津市水资源概况

天津市地处华北平原东北部，东临渤海，北枕燕山，与首都北京毗邻，多年平均降水量为720～560 mm，6，7，8三个月降水量占全年的75%左右，天津是海河五大支流南运河、北运河、子牙河、大清河、永定河的汇合处和入海口，流经天津的一级河道有19条，总长度为1 095．1 km，二级河道有79条，总长度为1 363．4km，引滦入津工程建成后，滦河水已成为天津市重要供水水源，同时，天津市北部有一定量地下水源。近10年，天津市平均水资源总量为11．77亿m3［15］，分布格局为北多南少。

2．2 天津市水资源足迹测度

本研究采用综合计算方法:生活用水、生态用水和工业用水属于蓝水，其用水量约等于其水足迹，而农业用水足迹包含蓝水和绿水，需采用自下而上的方法，此外，虚拟水贸易带来的水足迹和灰水足迹 (按照污水排放量1∶1比例计算)单独计算。2004—2009年天津市生产用水 (第一产业、第二产业、第三产业)、生活用水、生态用水和污水排放情况如表1所示［16］。2004—2009年天津市主要农副产品产量如表2所示。通过整理和计算可得2004—2009年天津市水足迹 (工农业用水足迹、虚拟水贸易和灰水足迹)情况如表3所示。

表1 2004—2009年天津市水资源使用情况 亿m3Tab．1 W ater resources utilization of Tianjin in 2004—2009 108 m3

表2 2004—2009年天津市主要农副产品产量 万tTab．2 M ain agricultural production of Tianjin in 2004—2009 104 t

2．3 天津市水资源足迹趋势预测

从表3看出，2004—2009年天津市水足迹和人口变化量相对较小，总体趋势均为缓慢上升，本研究采用线性函数对这两个变量进行拟合和预测，二者的拟合函数、实际数据如图1、图2所示。水足迹拟合函数的精度为0．706，人口数量拟合函数的精度为0．968，相对较高，按照这两个拟合函数对2010—2015年天津市水足迹和人口进行预测，计算人均水足迹，结果如表4所示。

表4 天津市人均水足迹预测表Tab．4 Water footprint per capita of Tianjin

3 天津市水资源足迹动态调节

从表3中数据可以看出，2004—2009年天津市的年度水足迹保持在65～80亿m3之间，总量相对比较丰富，但是，人均水足迹处于620～660 m3之间，低于我国人均水足迹(700 m3)，约为世界人均水足迹的1/2(1 240 m3)，仅为美国人均水足迹的 1/4(2 480 m3)［17］。随着人口规模的增长，天津市人均水足迹自2004年开始总体处于下降趋势，而水足迹占比最大的两项分别是农业水足迹和虚拟水贸易，农业用水足迹达到了80亿m3左右，虚拟水贸易造成的年水足迹顺差(净输出量)达到30亿m3以上。从表4可看出，2010—2015年天津市水足迹和人口总量变化趋势均为缓慢上升，但是由于人口基数较大，人均水足迹有小幅度下降，而且将成为一种长期趋势。因此，天津市水足迹分配和利用现状不尽合理，且未来人均水足迹偏低的状况将更加严峻，急需进行动态调节。

(1)调整产业用水结构，实现农业用水向工业和服务业转移。工业节水一直受到普遍关注，天津市在这一环节上处于全国前列，工业用水效率相对较高，但是仍然处于缺水状态，应鼓励农业逐步采取集约型灌溉方式，提高农业水资源利用效率，着力调整产业用水结构，实现水资源向利用效率更高的工业和服务业转移。

(2)转变虚拟水贸易策略，逐步实现虚拟水贸易逆差。尽量减少初级农产品和富水足迹产品输出量，减少富水足迹产品的生产，增加其输入量，实现净输入量由负转正，通过这一策略提高区域水足迹总量。天津市每年由于虚拟水贸易造成水足迹流出30亿m3以上，应从其他富水区域进口工业产品和虚拟水含量较高的农副产品，如肉类、棉花等，同时减少自身同类农产品的生产，有效解决区域缺水问题。

(3)优化产品消费结构，实现水足迹的合理分配。肉、奶制品、禽蛋类和水果等高水足迹产品消费量的增长造成农业相关水足迹较高，且城乡居民分配不均，尽量优化这些产品消费结构，实现农业用水足迹、城乡居民水足迹的合理分配。

(4)提高农业用水和生活污水排放达标率，从源头减少灰水量。近年来，天津市农业废水和生活污水排放达标率最高分别为70%和85%左右，远低于工业近99．99%的达标率，需要重点关注。着力减少COD、氨氮、氮氧化物等化学污染物的排放量，从源头上减少灰水量，从而减少水资源在生态环节的浪费。

(5)建立水足迹定期监控和预警机制，实现区域水足迹的科学调控。应该建立水足迹定期监控机制，根据数据掌握区域水足迹情况，与历年数据进行比较，以获得本区域水足迹实况，为水资源预警和用水调节策略的制定提供数据支持。天津市作为资源型缺水城市更应注重水足迹监控和预警，避免长期水足迹赤字，以保证本市经济正常发展和人民正常生活。

4 结语

水资源足迹可测度一定时间维度和空间维度内的水资源分布情况，真实地衡量人类社会对水资源利用情况，以天津市为例，引入虚拟水贸易和水足迹赤字，从生产用水、生活用水、生态用水和污水排放等方面分别进行了水足迹计算，并用精度较高的拟合函数对未来几年天津市水足迹趋势和人口趋势进行了预测，针对人均水足迹较低(2009年为657 m3)且仍将继续下降的趋势，提出了调整产业用水结构、转变虚拟水贸易策略、优化产品消费结构、提高三大产业污水排放达标率、建立水足迹定期监控和预警机制等动态调节策略，以提高区域水资源调节的可操作性，为实现区域内、区域间水资源合理配置提供理论支持。

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