基于虚拟水足迹的京津冀合作生态补偿机制研究

苑清敏，孙恺溪

(天津理工大学循环经济与企业可持续发展中心，天津 300384)

0 引 言

水是保证经济和生态安全不可或缺的资源。京津冀地区位于全国最缺水的海河流域，是水资源开发程度最高的地区，水资源稀缺和水污染正在成为制约发展的最大短板。据数据统计表明，京津冀区域人均水资源仅286 m3，远低于国际公认的人均500 m3的“极度缺水标准”。2017年3月京津冀三地政协主席联席会围绕“三地协同保护水资源”主题开展讨论，协同推进水资源保护、水污染防治和已经受到严重污染的水体治理。中国政府颁布《关于实行最严格水资源管理制度的意见》、《水污染防治行动计划》等政策文件，并提出了2015、2020和2030年“三条红线”控制指标。可见，研究水资源承载力和水足迹对实施最严格水资源管理制度和实现区域经济社会的可持续发展具有重要的现实意义。

水足迹指某个国家、地区或个人，在某段时间内消费的所有服务与产品需要消耗的水资源数量，反映人类对水资源的真实占用情况[1]。很多研究表明，直接利用实体水资源是远远低于以间接方式存在所有服务和产品形式的虚拟水消费[2,3]。本文认为虚拟水足迹是指产品和服务生产过程中直接或间接所需要的水资源总和[4]。由于农业用水量占总用水量比重之大，农产品携带着大量的虚拟水，因此人类对农产品消费产生的虚拟水足迹就成为水足迹计算的主要部分。《京津冀协同发展规划纲要》的实施需要把京津冀区域作为一个整体，进行水资源整合利用和相关产业分工协作。农业水足迹计量时,采用单位产品虚拟水含量计算得到农产品虚拟水总量，并依据京津冀区域内部供需平衡的关系，通过贸易交换以虚拟形式隐含在产品和服务中的水，得到虚拟水净输入量，最终获得农产品虚拟水足迹，较全面地展现地区所消耗的包括源自其他地区的水资源，得到各省市虚拟水足迹总和。根据虚拟水足迹，分析用于衡量地区间水资源的消费状况进行合理的生态补偿。

近年来，水资源约束下的城市与区域发展问题已经成为社会和学术界普遍关注的热点之一。加快建立跨界水环境补偿机制，尽快明确区域间水生态补偿的原则、范围、补偿形式和资金数额。学者们采用选择试验法[5]、支付意愿法[6]、生态系统服务价值[7]、生态足迹[8]等方法确定生态补偿额度。水足迹延于生态足迹概念，国外学者研究了西班牙农业部门水足迹[9]、泰国能源生产与消费水足迹[10]、地中海地区灌溉农业水足迹[11]等。对于国内水足迹研究，吴兆丹等[12]运用多区域投入产出分析得到地区多种水足迹，减少水足迹不仅要重点降低水足迹主要部分，还要关注区域内其他地区的贡献因子。田园宏[13]测算了中国1978-2010年5种主要粮食作物的省际范围、国内生产、国际贸易以及国内消费4种水足迹值。Feng等[14]从消费角度评价了中国黄河流域水资源流动和水足迹；Bocchiola等[15]对气候变化影响到作物产量和玉米水足迹进行了研究；潘安娥[16]基于水足迹视角，定量评价湖北省水资源利用与经济增长的协调关系。邵帅[17]以河源市为例，采用水足迹的理论与方法，评价水资源盈亏情况，解决水资源分配问题，为生态补偿提供数据基础并对不同盈亏状况下的生态补偿建立模型。总体而言，当前大部分研究更多是水足迹变化和地区差异，很少有依据区域间水资源生态容量变化和虚拟水足迹比较得到的生态补偿额度。基于虚拟水足迹模型，对京津冀行政区水足迹与水盈余/赤字的空间变化进行研究，并构建生态补偿标准模型，量化生态补偿额度。在此基础上，给出京津冀水资源合作补偿量，完善生态补偿机制和协调机制，实现区域水生态环境的共同治理，为京津冀生态环境共建共享提供参考。

1 研究方法和指标的选取

1.1 计算虚拟水足迹模型

水足迹计算包括五个方面： ①农业水足迹，包括3个地区农产品水足迹，采用单位农产品虚拟水含量乘以生产总量计算得到；②工业水足迹，包括工业生产、建筑等用水量； ③居民生活水足迹，参见地区水资源公报相关用水量；④生态环境水足迹；⑤虚拟水贸易净流量。计算农作物对外贸易净流量时，消费地区剩余产品量乘其对应农作物单位虚拟水含量。

RWC=AWP+IWW+DWD+EWD+NVWI

(1)

式中：RWC为虚拟水足迹总量，m3；AWP为农业生产需水量(即农产品需水量)，m3；IWW为工业生产需水量，m3；DWD为居民生活需水量，m3；EDW为生态环境需水量，m3；NVWI为本地净贸易量。

(1)农产品虚拟水足迹。农业是最大的用水大户，因此农产品含有大量虚拟水。对农产品虚拟水足迹计算时，重点需要获得单位产品虚拟水含量值[18]，计算出作物产品和动物产品虚拟水含量。基于标准彭曼公式得到参考作物生长期内的蒸发蒸腾量，根据联合国提出的CROPWAT模型计算出农产品的虚拟水资源消费总量[19]。

AWP=VW×S

(2)

(3)

CWR=ETc×10

(4)

ETc=Kc×ET0

(5)

(6)

式中：AWP为某农产品总虚拟水足迹，亿m3；VM为农产品单位虚拟水含量，m3/kg；CWR为农产品生长期需水量，m3/hm2；ETc为农产品实际蒸发蒸腾量，mm/d；ET0为为参考作物蒸发量，mm/d；Rn为地表净辐射，MJ/(d·m2)；G为土壤热通量，MJ/(d·m2)；T为2 m高处日平均气温，℃；U2为2 m高处风速，m/s；es为饱和水气压，kPa；ea为实际水气压，kPa；Δ为饱和水气压曲线效率，kPa/℃；γ为干湿表常数，kPa/℃；Kc为作物系数(借鉴FAO推荐作物系数)；S为某种农产品总产量，t；Y为每公顷土地的农产品产量，t/hm2。

(2)虚拟水贸易净流量。由于缺乏农作物经济贸易的统计数据,当计算虚拟水贸易时只包括对外经济贸易, 忽略进口产品后再出口的产品虚拟水含量。本文仅计算作物产品虚拟水净流量，根据京津冀区域供需平衡的关系利用本地农作物真实需求量和生产量之间的关系，满足对本地区消费后剩余水含量[20]。

1.2 基于虚拟水足迹的生态补偿标准模型

虽然有南水北调中线和东线输水工程，对京津冀三省市进行供水。然而由于降雨量减少、地下水开采过度，以及城市规模扩大和人口增加等原因，水资源短缺仍然十分严重，对临近区域水资源依然具有很强的依赖性。河北省是京津冀众多城市的重要供水水源地和水源涵养区，承担着北京市81%、天津市93.7%的工农业生产和生活用水，需求量已突破了能提供水资源的红线[21]。水资源极度短缺，为了保障京津冀水量供给和水质改善，各地工农业生产发展受到诸多限制。

(1)京津冀三省市生态环境保护投入的确定。根据虚拟水足迹进行生态补偿量化,在于对京津冀各地保护水资源所花费成本的核算。成本包括直接成本，即退耕还林、新造林等林业建设成本、水土流失治理成本、环境污染治理成本，也包括限制工农业发展损失的间接成本。计算三地的机会成本，比较参照该省市居民的人均可支配收入和全国居民的人均可支配收入，计算得到本地居民收入水平的差异，反映地区机会成本[22]。

(7)

式中：TC为总保护投入成本；DC为直接成本；dck分别代表林业建设成本，水土流失治理成本和环境污染治理成本；IC为间接成本，即限制工农业发展损失的机会成本。

对于各种工农业限制导致的经济损失难以直接计算，故通过间接比较省市经济发展状况与京津冀地区及全国平均发展水平的方法得出限制经济发展的损失IC。

ICjjj=(UPCDIjjj-UPCDIi)×UPi+

(RPCNIjjj-RPCNIi)×RPi

(8)

ICc=(UPCDIc-UPCDIi)×UPi+(RPCNIc-RPCNIi)×RPi

式中：UPCDIjjj、UPCDIi和UPCDIc分别代表京津冀区域、i省市和全国的城镇人均可支配收入；RPCNIjjj、RPCNIi和RPCNIc分别代表京津冀、i省市和全国的农村人均纯收入；UPi代表i省市城镇总人口；RPi代表i省市农村总人口。

由于并非整个省市的产业发展都受到保护水资源的影响，故取均衡因子r为0.01。

(2)根据恩格尔系数和生长曲线计算经济发展水平分摊系数Ri为：

(9)

式中：Li为补偿能力。

(10)

将a，b都取值为1，ti为恩格尔系数的倒数，可得：

(11)

(3)基于虚拟水足迹的生态补偿模型。基于水足迹计算生态补偿标准的基于以下两个前提[17]:①当一个子区域水资源发生生态赤字时,它所挤占的是其他区域的水资源供给量；相反,当一个地区水资源利用呈现生态盈余时,它将使其他地区享有更多的水资源可供给量；②各地区实际发生的生态环保投入和经济发展水平作为补偿标准测量依据。

1.3 数据来源

农产品虚拟水足迹时多个相关参数来自联合国粮农组织CLIMWAT和CROP数据库；农产品产量、播种面积主要来源于京津冀三省市统计年鉴、河北农产品统计年鉴和中国农业年鉴，工业用水量、生活用水和生态环境用水来自当地水资源公报和统计年鉴，限制产业发展损失的机会成本通过公式(8)计算可得。

2 结果分析

2.1 农业虚拟水足迹分析

利用单位农作物虚拟水含量，得到农产品虚拟水含量。《京津冀协同发展规划纲要》的实施需要把京津冀区域作为一个整体，进行水资源整合利用和相关产业分工协作。因此，采用京津冀内部区域供需平衡的方法，得到水贸易净输入量。并根据三地统计年鉴得到作物产品消费量，与该地区本地作物产品产量进行比较，得出农产品使用水资源状况，实现京津冀水资源协同。如表1所示。

表1 2014年京津冀地区农产品虚拟水足迹Tab.1 Virtual water footprint of agricultural products of beijing-tianjin-hebei region in 2014

注：“+”表示对外售出，“-”表示对外购买。

2.2 京津冀地区多种水足迹分析

根据公式(1)公式和《中国环境统计年鉴2015》可得京津冀三地虚拟水足迹，并将三省市产生的水足迹与当地水资源容量进行比较，如表2所示。

表2 2014年京津冀虚拟水足迹 亿m3

注：“+”表示对外售出，“-”表示对外购买。

(1)京津冀虚拟水足迹中，河北省虚拟水足迹最高，其次是北京市，天津市，且天津市远低于其他两地。与本地区所供应的水资源容量相比，三地都处于水资源赤字水平，河北省最严重。种植农作物消耗水资源多，大大会增加农业水足迹。主要在于河北省是农作物种植面积大，作为京津冀区域的主要农产品供应地。

(2)京津冀三省市农业水足迹占比分别为82.41%、66.81%、80.70%，表明京津冀三地对降低农业水足迹的紧迫性都较强，与吴兆丹等[12]研究结果一致。京津冀三地农业需求中，北京市对外依赖性高，主要购买其他地区农产品，因此北京市农业虚拟水足迹高于本地产生实际水足迹；相反，天津市和河北省农作物能够满足本地需求，两地的虚拟水足迹低于实际水足迹。

(3)对于工业水足迹、生活水足迹和生态环境水足迹所占虚拟总足迹比重，天津市高于京冀两地，并且多种水足迹比例差距小于北京市和河北省，表明天津市水资源利用差异小。

2.3 基于虚拟水足迹的区域生态补偿标准模型

(1)京津冀地区生态环境保护投入的核算。根据公式(7)得到京津冀三地生态保护投入成本，如表3所示。

表3 2014年京津冀本地生态环境保护投入 亿元

注：产业的发展损失的机会成本，不可能为负值。计算得到的机会成本是负值时，认为是0。

随着京津冀地区对环境保护的不断重视，三地的保护投入成本不断增加。对环境污染的加强治理，北京市投入最高，其次是河北省、天津市。河北省为保护水资源质量限制污染大、耗水量大的工农业发展，减少地区耕地面积。因此，河北省对于限制工农业发展的机会成本为正值，京津两地的产业发展受到影响相对河北省较小。

表4 2014年京津冀三省市用水量和经济发展水平分摊系数Tab.4 The water consumption and level of economic development contribution coefficient of Beijing-tianjin-hebei in 2014

在京津冀区域经济发展中，河北省总用水量是远远高于其他两地，而天津市的经济发展水平是高于河北省，所以基于经济发展水平和用水量的分摊系数，京津冀三地所占比重差异不大。

(3)通过比较京津冀三地虚拟水足迹与当地水资源容量，三地水资源消耗呈现生态赤字状况。根据耿涌[21]构建不同情况的区域生态补偿模型，采用地区均为生态赤字的模型：

(12)

(13)

(14)

当ECi>0时,i地区支付补偿,支付额度为|ECi|；当ECi

利用用水量和经济发展水平获得的分摊系数，依据京津冀三省市为保护水资源进行的生态环境保护投入，得到京津冀三地间生态补偿金额，如表5所示。

根据分摊系数得到三地实际生态环保投入，从虚拟水足迹角度出发，北京市需要对津冀两地支付生态补偿，支付金额分别是199.74 亿元、221.09 亿元；天津市需要对河北省支付446.36 亿元补偿额度。

表5 2014年京津冀地区间虚拟水足迹的生态补偿 亿元

3 结 论

生态共建共享过程中，生态补偿涉及的利益主体众多，需要各方协调。为了保障京津冀区域水资源安全，需要减少虚拟水足迹。京津冀三省市应重点降低其水足迹主要组成部分----农业水足迹，以及农业水足迹高于所属经济区域内其他省区的主要贡献因子。河北省其农业水足迹最高，需要加强京津冀区域水资源协同，减少京津两地对其依赖度，重点降低主要来源对应水足迹，降低虚拟水足迹。

水生态补偿标准确定涉及很多方面，基于虚拟水足迹和经济发展水平确定京津冀生态补偿关系中，河北省获得由北京市和天津市支付的生态补偿总量667.45亿元。同时北京市向天津市支付生态补偿额199.74亿元。正确对待京津冀水资源生态环境保护与地区经济发展的关系。京津冀是中国水资源严重紧缺地区，为了保证区域水资源安全，加强落实对河北省的生态补偿机制，从而实现水资源环境保护与经济发展双赢，实现京津冀生态环境中水资源协同发展。

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