自然变化和人类活动影响下区域虚拟水贸易定量分析

徐东来，孙秀秀，李文良，曲士松，王维平

（1.山东省地质测绘院，山东济南 250014； 2.济南大学水利与环境学院，山东济南 250022；3.山东省水利勘测设计院有限公司，山东济南 250013）

虚拟水的概念最早由Allan［1-2］提出，指在生产产品和服务中所需要的水资源数量，即凝结在产品和服务中的虚拟水量。 缺水国家和地区通过贸易方式从富水国家和地区购买水密集型农产品来获得水和粮食安全的战略称为虚拟水战略，虚拟水战略目前已成为解决水资源短缺的一种方法［3］。 Delpasand 等［4］建议伊朗进口小麦，出口土豆、西红柿和铁矿石，减少非汛期灌溉用水。 以色列、伊朗等缺水国家应当增加低用水量高经济价值产品的出口和增加高用水量低经济价值产品的进口［5-6］。 但是实施虚拟水战略并不是简单地限制高耗水行业，也不是直接进口水密集型产品，而是要优化产业结构和贸易量，同时要考虑区域社会经济和环境的适宜性［7］。

虚拟水贸易的定量分析可以揭示虚拟水在不同地区之间的流动情况［8］。 随着空间距离对全球虚拟水贸易的影响逐渐减弱，全球虚拟水贸易量越来越大。世界上较大的虚拟水净出口国主要分布在北美和南美，而较大的净进口国则分散在世界各地（如中国、日本、德国和埃及）［9］。 中国境内粮食虚拟水贸易由北向南流动，粮食输出地区主要分布在东北、西北和华北平原，输入地区主要分布在东部沿海和南部经济发达省份［10-11］。 2012 年中国虚拟水贸易量为11 792.4 亿m3，产生了74 100 亿元的经济效益［12］。

首先，虚拟水贸易不但与当地的自然条件有关，而且受到人类活动的影响。 以往研究中未能将两个因素区分开来，无法定量分析自然条件与人类活动对虚拟水贸易的影响。 其次，对山东省虚拟水贸易的研究时间序列较短， 到目前为止最长的研究序列为15 a［13-16］。 基于此，本文对山东省20 a 的虚拟水动态变化进行分析，并提出一种新的年内年际对比分析方法。 年内对比主要分析外调水供水增减条件下对虚拟水净输出量的影响，年际对比主要探讨2015 年以来山东省实施最严格水资源管理政策对虚拟水贸易的影响。 这种方法可定量分析不同供水水源和水资源管理政策对虚拟水贸易的影响，从而为管理者制定实体水和虚拟水综合管理政策提供依据，促进区域水资源的可持续利用。

1 研究区概况与数据来源

山东省人均水资源量为344 m3，不足全国的1／6，属于严重缺水地区。 水资源时空分布不均，2002 年降水量最小（420 mm），2003 年降水量最大（936 mm），平均降水量为680 mm。 除当地水外，黄河是山东省重要的农业和城市供水水源，国家分配给山东的黄河水指标是每年70 亿m3。 1997—1999 年黄河多次长时段断流，山东省平均每年引黄水量只有19.9 亿m3。 随着南水北调东线工程的开通，山东省2014—2019 年共调入长江水21.9 亿m3。

本文农业和工业的输入和输出产值数据来源于1997 年、2002 年、2007 年、2012 年、2017 年的《山东省投入产出表》（该表每隔5 a 发布一次），降水量、引黄河和长江水量来源于1997—2017 年《山东省水资源公报》，国内生产总值数据来源于1998—2018 年《山东统计年鉴》。

2 研究方法

2.1 虚拟水净输出量计算方法

虚拟水净输出量计算公式为

2.2 人类活动对虚拟水变化影响的定量对比分析法

本文分析外流域调水和节水措施两种人类活动对虚拟水净输出量的影响。 外流域调水分为外调黄河水（减少）和外调长江水（增加）两种情景。 首先假定1997—2017 年5 个统计年份的降水量和当地水资源的供水量与用水量都相同，消除不同水文年因供水量不同而造成的虚拟水贸易的差异；其次假定每个统计年份不同部门的节水用水水平不变（即单位产值用水量不变），分别建立产值与用水量的关系；最后假定计算供水量大于实际统计年的用水量时会产生贸易输出值的增加（即虚拟水的输出量增加），分析外流域调水量对虚拟水的定量影响。 对于节水措施，重点考察2015 年实施最严格水资源管理政策对虚拟水净输出量的影响，假设各年份节水水平不变，分析可比价用水定额的相对变化值。

2.2.1实体水与虚拟水贸易供需平衡调整原则

假设J部门的供水量与用水量相等，当供水量增加时，产品生产量会增加，则在当地需求不变的前提下会产生产品输出；当供水量减少时，产品生产量会减少，在当地需求不变的前提下需输入产品，以满足当地的需求。 因此，当第i年的供水量变化时，J部门的虚拟水净输出量计算公式为

2.2.2年降水量相同情况下虚拟水净输出量计算

山东省1997 年（枯水年）、2002 年（特枯年）、2007年（偏丰年）、2012 年（平水年）和2017 年（偏枯年）的降水量分别为553、420、773、651、636 mm。 这5 a 的降水量具有枯、平、丰年份的代表性，因此年降水量取其平均值606 mm，则相对应的总供水量为

降水量相同情况下，第i年J部门的用水量计算公式为

2.2.3引黄河水减少对虚拟水净输出量的影响

考虑引黄河水时，总供水量计算公式为

为探究1997 年黄河断流对虚拟水净输出量的影响，给定1997 年一个虚拟引黄水量，则有虚拟引黄水量时的总供水量为

式中：i＝1，2，3，4 分别为2002 年、2007 年、2012 年和2017 年。

考虑引黄河水时和有虚拟引黄水量时，J部门的用水量分别为

2.2.4增加引长江水对虚拟水净输出量的影响

当考虑引南水北调水时，假设南水北调水全部用于工业生产，原来工业占用农业（包括种植业、林业、畜牧业、渔业）的水量退还给农业，农业的供水量会相应增加。 因此，增加引长江水后，在黄河水和南水北调水共同作用下，农业和工业用水总量为

利用式（3）、式（4）可计算出该情况下的虚拟水净输出量。

2.2.5最严格水资源管理政策对虚拟水净输出量的影响

采用可比价用水定额作为分析实施最严格水资源管理政策后对虚拟水净输出量的影响。 鉴于2017 年南水北调配套设施建设还不完善，引长江水量还远远没有达到设计引水量，因此在用水定额的计算中去除引长江水量的影响。 部门可比价用水定额的计算公式为

利用式（3）、式（4）可计算出该情况下的虚拟水净输出量。

3 结果与讨论

3.1 农业、工业虚拟水净输出量

利用式（1）计算出山东省农业和工业虚拟水净输出量，绘制农业、工业虚拟水净输出量与人均GDP 的关系曲线，见图1。 由图1（a）可知，农业虚拟水净输出量与人均GDP 关系曲线呈不规则的U 形。 1997—2002 年净输出量缓慢增加，2002 年后减小，至人均GDP 为1.5 万元（2004 年）时由净输出变为净输入；之后净输入量不断增大，至人均GDP 为4.9 万元（在2013 年）时，净输入量达到最大值75.25 亿m3；此后净输入量逐渐减小，一直到2017 年仍为净输入，为12.21亿m3。 由图1（b）可知，山东省工业虚拟水贸易一直为净输出，且与人均GDP 关系曲线呈不规则倒U 形。从1997 年开始净输出量持续增大，至人均GDP 为4.4万元（2012 年）时，净输出量达到最大值（1.28 亿m3），此后净输出量开始减小，至人均GDP 为6.3 万元（2017 年）时达到研究时段的次小值（0.54 亿m3）。 对比农业与工业虚拟水净输出量，发现农业是用水大户。

图1 2007—2017 年山东省农业和工业虚拟水净输出量与人均GDP 关系曲线

3.2 人类活动对虚拟水净输出量的影响

3.2.1外调水量对虚拟水净输出量的影响

利用式（3）～式（10）计算山东省农业和工业在不同外调水供水水平下的虚拟水净输出量，结果见图2。由图2 可知，当考虑引黄河水与长江水时，农业和工业虚拟水净输出量相对于年降水量不变时的净输出量均增加。 考虑引黄河水时，相对于年降水量不变情况下，1997 年、2002 年、2007 年、2012 年、2017 年5 个统计年农业的虚拟水净输出量分别增加4.31%、22.65%、16.71%、1.29%和6.32%，工业虚拟水净输出量分别增加52.02%、150.19%、67.08%、82.07%和85.43%。 说明引黄河水对工业虚拟水净输出量的影响大于对农业的影响。

图2 山东省不同外调水量情况下虚拟水净输出量

以1997 年为例，研究引黄河水量减少对山东省虚拟水净输出量的影响，结果见表1。 由表1 可知，1997年在降水量（）不变情况下，农业虚拟水净输出量为2.656 9 亿m3。 在仅有引黄河水量（）情况下，相对于农业虚拟水净输出量增加0.114 6 亿m3（4.31%）。 在有虚拟引黄水量（）情况下，相对于农业虚拟水净输出量增加了0.813 2 亿m3（30.61%）。比农业虚拟水净输出量减少0.698 6亿m3（20.13%）。 在W'S0情况下，工业虚拟水净输出量为0.235 7 亿m3。和相对于，工业虚拟水净输出量分别增加了0.122 6 亿m3（52.02%）、0.476 2亿m3（202.04%）。相对于，工业虚拟水净输出量减少0.353 6 亿m3（49.67%）。 可见，1997 年黄河断流造成的供水量减少使农业和工业虚拟水净输出量相对于未断流情况分别减少20.13%和49.67%。

表1 1997 年山东省虚拟水净输出量亿m3

以2017 年为例，研究增加引长江水对山东省虚拟水净输出量的影响，结果见表2。 由表2 可知，2017 年在情况下，农业虚拟水净输出量为-11.952 2 亿相对于，农业虚拟水净输出量增加了0.755 6亿m3（6.32%）。 当考虑引长江水时，农业虚拟水净输出量增加0.903 8 亿m3（1.32%）。 2017 年，在情况下，工业虚拟水净输出量为0.756 3 亿m3。在和（引长江水量）两种情况下，工业虚拟水净输出量相对于分别增加了0.646 1 亿m3（85.43%）、1.234 9 亿m3（163.28%）。相对于，工业虚拟水净输出量增加了0.588 8 亿m3（41.99%）。 可见，若引长江水量全部用于工业，则会使工业虚拟水净输出相对于未引长江水情况下增加41.99%。

表2 2017 年山东省虚拟水净输出量 亿m3

3.2.2最严格水资源管理政策对虚拟水净输出量的影响

利用式（12）计算山东省农业、工业可比价用水定额，结果见表3。 由表3 可知，农业、工业的可比价用水定额均呈减小趋势。 农业可比价用水定额，2012 年比2007 年减小了24.26%，2017 年比2012 年减小了31.84%。 工业可比价用水定额，2012 年比2007 年减小了35.29%、2017 年比2012 年减小了48.49%。 在用水定额的计算中去除引长江水的影响，并且假定节水水平相同，可以得出，若2015 年未实行最严格水资源管理政策，2017 年农业和工业的用水定额应分别为204.16 m3／万元和1.77 m3／万元。 因此最严格水资源管理政策的实行，使2017 年农业和工业用水定额分别减小了10.01%和20.39%，即2017 年农业虚拟水净输出量减小了10.01%、工业虚拟水净输出量减小了20.39%。

表3 山东省农业、工业可比价用水定额m3／万元

综上所述，2012 年比1997 年农业和工业虚拟水净输出量增加的主要原因是引黄水量增加，2017 年比2012 年农业虚拟水净输出量增加的主要原因是增加了南水北调水，工业虚拟水净输出量减少主要受节水措施的影响。

4 结论

1）1997—2017 年，农业虚拟水净输出量与人均GDP 的关系曲线呈不规则的U 形，工业虚拟水净输出量与人均GDP 的关系曲线呈不规则的倒U 形。 农业虚拟水大约在2004 年时由净输出变为净输入，此后一直为净输入，工业虚拟水一直为净输出。

2）2012 年比1997 年农业和工业虚拟水净输出量增加的主要原因是引黄水量的增加。 1997 年黄河断流使得农业虚拟水净输出量减少了20.13%，使得工业虚拟水净输出量减少了49.67%。 2017 年，若南水北调水全部用于工业生产，会使工业虚拟水净输出量增加41.99%；若工业将相应水量退还给农业，则农业虚拟水净输出量会增加1.32%。 实施最严格水资源管理政策后，2017 年农业虚拟水净输出量减少了10.01%，工业虚拟水净输出量减少了20.39%。 因此，2017 年比2012 年农业虚拟水净输出量增加的主要原因是南水北调水的输入，工业虚拟水净输出量减少主要受节水措施的影响。

本文提出了新的定量对比分析法，将自然因素（降水量）调整成相同标准，在考虑经济发展和节水措施对虚拟水净输出量的影响前提下，定量分析人类活动对山东省农业和工业虚拟水净输出量的影响。 与传统的水文评估和量化程序相比，该方法更加精确，为虚拟水综合水资源管理决策分析提供了一种新的途径。