基于产业结构优化的鄂尔多斯市虚拟水计算分析

郑和祥，李和平，白巴特尔，佟长福，畅利毛(.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 0000；.内蒙古自治区地质环境监测院，呼和浩特 0008)

20世纪90年代伦敦大学亚非研究院Tony Allan教授提出了虚拟水的概念，是指生产商品和服务所需要的水资源数量[1,2]。目前，虚拟水己成为国际上的一个前沿研究领域，一些学者对虚拟水的理论做了阐述和实例分析。2002年在Delft召开了第一次关于虚拟水的国际会议，荷兰国际水文和环境工程研究所为虚拟水定量分析提供了一套方法体系[3-5]；AJlan(2003年)以中东为例对水资源现状及虚拟水战略进行研究，结果表明中东国家每年通过贸易进口的虚拟水量相当于该地区所有可用淡水水量的25%，这极大地缓解了中东地区的缺水问题；王新华等(2005年)对我国的水足迹进行了初步计算，得出青海省水足迹最大广西最小[6]；Hoekstra等(2007年)对世界各国的水足迹进行了计算，并指出消费量、消费结构、气候和用水效率是水足迹的主要影响因素[7]；杨阿强等(2008年)计算了我国与东盟的农产品贸易中净进口虚拟水量[8]；苏明涛等(2012年)开展了吉林省主要农作物的生产水足迹研究，得出发展旱作节水农业是吉林省中西部发展现代农业的现实选择[9]；严冬等(2014年)开展了基于虚拟水流动均衡性的农业用水综合调控研究，建立融合了粮食流通模型的农业用水综合调控模型，通过调整粮食生产耗水和产量来改变粮食流通格局[10]。

综合近年来学者及会议的研究成果，虚拟水的研究主要集中在粮食问题上，同时虚拟水的研究向食物消费领域和流域水资源管理不断拓展，但尚处于一个探索阶段；由于虚拟水的概念刚出现十几年，时间还比较短，不能期望建立十分完备的研究方法，该领域的大部分研究仍然不深入，大多数研究都集中在农作物产品的虚拟水计算，只有少数研究包含了动物、工业产品的虚拟水分析。本文在区域水资源优化配置和产业结构优化研究的基础上对鄂尔多斯市虚拟水进行系统的分析和量化计算。

1 计算方法

虚拟水计算内容主要包括：农作物生产用水量、动物产品生产用水量、工业用水量、生活用水量、生态环境用水量和进出口水资源量。

1.1 农作物生产虚拟水计算方法

目前计算农作物虚拟水含量主要有2种方法：一种是Chapagain等提出的研究不同产品“生产树”方法；另一种是Zimmer等提出的基于对不同产品类型区分的计算方法。本文采用第2种方法，依据作物需水量来推算农作物虚拟水含量，通常先用彭曼公式进行计算[11-16]。

彭曼公式计算腾发量：

(1)

式中：ET0为参照作物腾发量，mm/d；Rn为冠层表面净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；γ为湿度计常数(kPa/℃)；Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率，kPa/℃；u2为2 m高处的风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa。

农作物需水量的计算公式为：

ETc=KcET0

(2)

式中：Kc为各生育阶段平均作物系数；ETc为时段内的腾发量，mm/d；其他同上。

某一地域内c产品的产量计算公式为：

Y=YcSc

(3)

式中：Y为区域总产量，kg；Yc为区域c产品的产量，t/hm2；Sc为区域c产品的种植面积，hm2。

得出作物的需水量后，就可以计算出单位作物所含的虚拟水量SWD，其计算公式为：

(4)

式中：SWD为单位产品的虚拟水含量，m3/kg；nc为c产品的初级产品成品率。

c产品的需水量与作物总产量(Y)相乘得出某一地域内c产品的虚拟水总量(TSWD)。计算公式为：

TSWD=SWD·Y

(3)

1.2 动物产品生产虚拟水计算方法

动物产品生产用水包括活体动物虚拟水含量和宰杀加工用水2部分，前者包括动物整个生长过程中消耗饲料的虚拟水含量、饮用水、圈舍清洁用水和加工饲料的用水量，其大小主要取决于该动物的品种、饲养系统、饲料消耗量以及饲养地的气候条件。由于计算需要的很多数据难以获得，所以一般采用Chapagain和Hoekstra 2004年有关中国动物产品虚拟水的计算结果[7]。

1.3 工业生产虚拟水计算方法

工业生产过程中需要一定量水的参与，主要用于冷凝、稀释和溶剂等作用。一方面，在水的利用过程中通过不同途径进行消耗；另一方面，又以废水的形式排入自然界，参与正常水循环。所以工业产品的虚拟水量计算十分复杂，通常都是通过万元工业产值用水量来估算。本文工业产品虚拟水消费的核算采用估计方法，采用社会消费品零售总额中工业品与万元工业产值用水相乘估算工业品虚拟水消费量。

1.4 生活消费虚拟水计算方法

由于生活用水基本上都是实体水消费，可采用定额法进行计算，居民生活用水包括城镇居民生活用水和农村居民生活用水。

生活虚拟水量计算公式为：

TSWD=KiPi

(6)

式中：Ki为人均用水定额；Pi为年人口数量。

1.5 生态环境虚拟水计算方法

城市生态环境虚拟水主要包括城市生态环境虚拟水和改善生态环境植被建设虚拟水。

(1)城市生态环境虚拟水计算。本文城市生态环境用水主要考虑绿地的生态需水量，包括3个部分：植被蒸散需水量、植物生长制造有机物需水量、植被绿地环境的土壤含水量。

生态虚拟水计算公式为：

TSWD=WE+WP+WS

(7)

植被蒸散需水量为：

WE=AηEP

(8)

植物生长制造有机物需水量为：

WP=WE/99

(9)

植被立地环境的土壤含水量为：

WS=Aαhsrsε

(10)

式中：WE为植被蒸散需水量，m3；Wp为植物生长制造有机物需水量，m3；Ws为植被立地环境的土壤含水量；A为市区面积，hm2；η为不包含水面的城市绿化覆盖率，%；Ep为植物蒸散量，mm/a；α为植被覆盖土壤系数；hs为土壤深度，m；rs为土壤密度，g/cm3；ε为土壤最小含水系数，%。

(2)改善生态环境植被建设虚拟水计算。改善生态环境植被建设虚拟水计算主要包括风沙源治理及工矿周边生态环境植被建设。采用定额法计算：

Wj=Sjiqji

(11)

式中：Wj为生态建设虚拟水总量,万m3；Sji为生态建设各类工程建设总面积，hm2；qji为各类工程综合需水定额，m3/hm2。

2 结果分析

2.1 农作物生产虚拟水计算结果

根据调研和统计数据，鄂尔多斯市农业产品主要包括小麦、薯类、玉米、高粱、牧草和林等。根据鄂尔多斯市腾发量等值线图和FAO推荐的作物系数，采用式(1)和式(2)计算得出农业产品的需水量见表1。

表1 鄂尔多斯市农业产品需水量Fig.1 The agricultural product virtual water of Ordos

结合规划水平年(2020年)鄂尔多斯市的国民经济指标发展预测[17]，得出2020年鄂尔多斯市不同用水效率下的各指标优化值，包括种植面积、种植结构、单位面积产量等[17]，结合计算得出的各单位产品的虚拟水含量，得出2020年鄂尔多斯市农业产品的单位产品虚拟水含量及虚拟水总量，2020年鄂尔多斯市农业产品虚拟水总量为194 820.04万m3，见表2。

表2 2020年鄂尔多斯市农产品虚拟水总量Fig.2 The total virtual water of Ordos in 2020 years

2.2动物产品生产虚拟水计算

各单位产品的虚拟水含量采用Chapagain和Hoekstra 2004年有关中国动物产品虚拟水的计算结果[7]，结合2020年鄂尔多斯市的国民经济指标发展预测结果[17]，得出2020年鄂尔多斯市各动物产品的虚拟水总量，其中羊肉虚拟水总量最高，为94 351.04万m3，其次为猪肉、牛肉和牛奶，分别为35 421.83、18 058.55和11 614.27万m3，2020年鄂尔多斯市所有动物产品的虚拟水总量为176 002.69万m3，见表3。

表3 2020年鄂尔多斯市动物产品虚拟水总量Fig.3 The animal products total virtual water of Ordos in 2020 years

2.3 工业生产虚拟水计算

通过对现状年(2007年)工业用水量和万元工业增加值用水量的综合分析[17]，根据2020年鄂尔多斯市的国民经济指标优化结果，确定2020年工业增加值为1 785.23亿元。根据万元工业增加值耗水量定额，计算得出2020年工业虚拟水总量为62 483.05万m3，见表4。

表4 2020年鄂尔多斯市工业虚拟水总量Fig.4 The industrial virtual water of Ordos in 2020 years

2.4 生活消费虚拟水计算

根据预测，2020年鄂尔多斯市人口将达到269.00万人，其中城镇人口达到216.34万人，农村人口达到52.66万人。根据城镇和农村的用水定额，并考虑供水管网漏损率城镇控制在12%，农村控制在4%，计算得出2020年鄂尔多斯市的居民生活消费的虚拟水总量为10 892.35万m3，其中城镇居民生活消费的虚拟水总量为9 691.05万m3，农村居民生活消费的虚拟水总量为12 01.31万m3，见表5。

表5 2020年鄂尔多斯市居民生活虚拟水总量Fig.5 The living virtual water of Ordos in 2020 years

2.5 生态环境虚拟水计算

(1)城市生态环境虚拟水计算。根据2020年鄂尔多斯市的国民经济指标优化结果，全市生态虚拟水计算的主要参数(见表6)，计算得出2020年鄂尔多斯市植被蒸散需水量为2 410.29 万m3，植物生长制造有机物需水量为24.35万m3，植被立地环境的土壤含水量为2.70万m3，将3个部分求和得到鄂尔多斯市生态需水总量为2 437.34万m3，见表7。

(2)改善生态环境植被建设虚拟水计算。根据2020年鄂尔多斯市规划数据，全市生态建设工程建设总面积87 894.70hm2，各类工程综合需水量为1 725 m3/hm2，计算得出改善生态环境植被建设虚拟水总量为15 161.84万m3，见表8。

表6 2020年鄂尔多斯市城市生态虚拟水计算参数Fig.6 The calculation parameters of the ecology virtual water of Ordos in 2020 years

表7 2020年鄂尔多斯市城市生态虚拟水总量 万m3

表8 2020年鄂尔多斯市改善生态环境建设虚拟水总量Fig.8 The virtual water of improve ecology of Ordos in 2020 years

(3)生态环境虚拟水计算。鄂尔多斯市生态环境用水虚拟水为城市生态环境虚拟水与改善生态环境植被建设虚拟水之和，计算得出2020年鄂尔多斯市生态环境用水虚拟水总量为17 599.18万m3，见表9。

表9 2020年鄂尔多斯市生态环境虚拟水总量 万m3

2.6 虚拟水消耗总量计算

根据前述对农作物、动物产品、工业产品、生活和生态环境的虚拟水计算，计算得出2020年鄂尔多斯市农作物实际消耗的虚拟水量为194 820.04万m3，比2007年增加109 524.05万m3，增加较多[17]；人均虚拟水总量为1 108.23 m3/(人·a)，比2007年略有减少。与2007年相同[17]，2020年鄂尔多斯市农作物消耗的虚拟水量最大；其次是工业产品，消耗的虚拟水量为62 483.05万m3；动物产品消耗的虚拟水量为12 320.19万m3，生活和生态环境消耗的虚拟水量分别为10 892.35和17 599.18 万m3，见表10。

表10 2020年鄂尔多斯市消耗的虚拟水总量Fig.10 The total virtual water of Ordos in 2020 years

2.7 居民消费产品的虚拟水量

根据多年统计资料，到2020年鄂尔多斯市居民消费品结构略有变化，居民消费品主要包括粮食、大豆、油类、猪肉、牛肉、羊肉、牛奶、禽蛋、蔬菜、水果等，城镇居民和农牧民消费各产品的数量见表11。计算得出2020年鄂尔多斯市居民实际消费产品的虚拟水量为179 483.3万m3，其中城镇居民125 723.0 万m3，农牧民53 760.3万m3。与现状年不同，由于2020年城镇化率的提高，农牧民消费的虚拟水总量明显减少，而城镇居民消费的虚拟水总量显著增大。

表11 2020年鄂尔多斯市主要消费品虚拟水消费量Fig.11 The total virtual water of consumer goods of Ordos in 2020 years

2.8 虚拟水结果分析

从虚拟水消耗总量分析，2020年鄂尔多斯市消耗的虚拟水消耗总量为298 114.81万m3，而根据鄂尔多斯市水资源评价数据，该地区可利用水资源总量为201 706.00万m3，尚有96 408.81 万m3水量亏缺；通过虚拟水贸易数据得出生产该地区本地居民所消费的所有产品和服务的水资源需求总量为207 974.82 万m3，本地消费的那部分进口虚拟水总量为10 201.21万m3，该指标比2007年增加显著，净增109 524.05万m3；但2020年本地区人均虚拟水量为1 108.23 m3/(人·a)，比2007年略有减少。

从虚拟水消费结构分析，鄂尔多斯市2020年农作物消耗的虚拟水量最大，占消费虚拟水总量的65.35%，其次是工业产品，占消费虚拟水总量的20.96%。而农作物产品消费虚拟水消费总量最高的是玉米，占农作物消费虚拟水总量的41.31%，其次是薯类，占农作物消费虚拟水总量的21.88%，但单位产品消费虚拟水最多的是麻类，最少的是甜菜。由于该地区人口相对较少，居民生活用水比例很低，2020年鄂尔多斯市居民生活实际消费产品的虚拟水量为10 892.35万m3，仅占虚拟水总量的3.65%。改善居民生活环境是该地区的一项重要指标和任务，因此用于生态环境的虚拟水量为17 599.18万m3，占虚拟水总量的5.90%。由此可看出该地区虚拟水消费仍以农业为主，由于该地区针对工业有严格的用水控制，工业虚拟水消费比例不高，虚拟水消费总体合理。

3 结 语

(1)虚拟水生产的计算由于影响因素多，目前在计算方法上还多是保守的估算，有待于进一步的完善，但从虚拟水角度分析区域尺度水资源利用情况为解决干旱地区水资源短缺问题提供了新的思路。

(2)针对鄂尔多斯市水资源短缺问题，运用虚拟水理论分析各行业的水资源消费情况，可以此优化区域产业布局，将有限的水资源投入到低耗水产业，提高水资源利用效率，从而缓解该区域的水资源紧缺压力和环境恶化趋势，实现水资源的优化配置。

(3)在产业结构优化的基础上，鄂尔多斯市2020年实际消耗的虚拟水总量为194 820.04万m3，比2007年增加109 524.05 万m3，增加较多；人均虚拟水量为1 108.23 m3/(人·a)。其中农作物消耗的虚拟水量最大，为194 820.04万m3，占消费虚拟水总量的65.35%；依次是工业产品、动物产品及生活生态环境消耗的虚拟水量。

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