江苏省水资源利用与经济增长关系研究

谷学明,王 远,赵卉卉,王 芳,朱晓东,陆根法 (南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 210046)

江苏省水资源利用与经济增长关系研究

谷学明,王 远*,赵卉卉,王 芳,朱晓东,陆根法 (南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 210046)

利用水足迹的研究方法对江苏省真实的水资源利用情况进行识别,同时结合相对“脱钩”“复钩”系统耦合理论,从水资源消耗与水环境压力两个方面对江苏省2000～2009年的水资源利用情况与经济增长间的关系进行评价.研究表明,2009年江苏省的水足迹为773.77亿m3,总体呈缓慢增加趋势,其中农业用水与工业用水是水足迹的主要组成;同时,水资源利用效率不断提高,10年间增长了2.77倍;全省经济增长与水资源消耗评价结果中有1/3的年份为强“脱钩”状态,2/3的年份呈弱“脱钩”状态,经济增长与水环境压力的评价结果中强弱“脱钩”交替出现,水环境的压力依然存在.江苏省水资源利用还没有达到理想水平,在水资源利用与经济增长协调发展方面应采取更有效措施.

水资源；水足迹；脱钩指数；江苏

随着经济的发展和人口的增加,水资源的需求量会不断增加,如果不能有效、合理的利用水资源,将会严重影响我国可持续发展战略的实施.因此,对水资源的真实利用情况进行识别和评价则成为解决水资源问题的首要工作.关于水资源的利用评价研究,国内外学者已经进行了多种方法的探究.国外的研究认为:各种物理的、化学的及生物的过程和人类活动之间的相互作用水平是决定水环境状态关键,因此多采用系统模型的方法综合评价水资源的利用[1-7].我国学者也分别选用层次分析法、模糊评价法、主成分分析法和聚类分析方法等对各地区水资源的利用状况进行研究,并提出了相关建议[8-12].然而,现有的水资源利用评价大多基于对各用水部门用水量的统计,缺乏对于蕴含在产品与服务内部的水资源及其动态变化的关注.外国学者通过对某些产品或地区的水足迹计算来评价消费模式及区域贸易对水资源利用的影响,并提出了水资源可持续利用的建议[13-17];我国对于水足迹的研究主要是针对水足迹的概念和方法及在不同区域上的应用[18-19].就研究区域来说,已有的研究大多集中在西部、北部地区,对于水质型缺水的东南部地区则研究较少[20].此外,以往的评价方法往往只考虑到经济水平与水资源利用的相关性,至于二者的分异程度则没有明确的界定.Vehmas等[21]通过构建 6种脱钩复钩形式模型分析了欧盟国家20年内经济增长与物质消耗量之间的关系,我国一些学者利用该模型对我国经济发展与能源消费间的耦合关系进行了研究,并提出了有针对性的建议[22-23].本研究从识别地区用水的真实情况出发,利用水足迹理论及其相关指标对江苏省目前真实的水资源利用情况进行分析,同时结合相对“脱钩”“复钩”理论考察了当地水资源利用经济增长之间的关系,旨在为江苏省水资源可持续利用与社会经济协调发展提供参考.

1 研究方法

1.1 水足迹理论

水足迹(WF)被定义为一定区域内人口消费的产品和服务所使用的水资源总量[24].水足迹不仅包括了人类社会发展所消耗的实体水,还包括了隐藏在产品和服务内的虚拟水资源,能够真实的表现出区域水资源的利用量,因此本文选取水足迹作为水资源利用的评价指标.

由于贸易的存在,一个国家或地区的水足迹等于该国家或地区所生产产品和服务的总用水量与虚拟水进出口量的代数和,主要有2部分构成,表达式为:

式中:WF为一个国家或地区的水足迹;IWF表示生产该国家或地区当地居民所消费的所有产品和服务的区域内水资源需求总量,即内部水足迹; EWF表示由其它地区生产并被本地区居民所消费的产品和服务所消耗的水量,即外部水足迹.

式中:AWU为农产品需水量; IWU为工业需水量;DWU为居民生活水量;EWU为生态用水量;VWE表示产品虚拟水的出口量.

式中:VWI表示进口产品虚拟水量;VWIre表示向其它国家或地区输出的进口产品再出口量.水足迹分析指标如表1所示.

1.2 相对“脱钩”“复钩”理论

表1 水足迹分析指标Table 1 index of analysis for water footprint

目前较为广泛引用的是OECD的“脱钩”概念,OECD认为“脱钩”就是打破环境危害和经济财富之间的联系[25].脱钩复钩系统可以有效表征经济增长与物质消耗之间的分异程度,以脱钩指数表示,其模型表达式为:

式中, DF为脱钩指数;VEG为年均经济增长速率;VRC为资源消耗的年均增长率.

为考察经济增长与水资源利用程度间的耦合状况,构建如下公式:

式中:DF1为脱钩指数;VEW为水资源消耗量的年均变化率.

同时,考虑到水资源同时具有资源与环境的双重属性,为考察经济增长与区域水环境压力之间的分异程度,构建二者之间的脱钩指数公式:

式中:DF2为脱钩指数;VEP为水环境压力的年均变化率.

表2 经济增长与水资源利用状况相对“脱钩”与“复钩”分析Table 2 Relative de-linking and re-linking between economic development and water resource utilization

本文以Vehmas[21]提出的脱钩复钩形式模型为基础,提出适用于经济增长与水资源可持续利用状况耦合关系分析的标准,如表2所示.根据水资源消耗水平、水环境压力分别与经济增长状况的脱钩指数的计算可以界定6类状态.当水资源消耗量或水环境压力不断减少,而经济水平不断增加,同时两者间的脱钩指数也不断增加时,这种情况为强“脱钩”状态;反之,当水资源消耗量或水环境压力不断增加,而经济水平不断减小,同时两者间的脱钩指数也不断减小时,这种情况为强“复钩”状态;扩张性“复钩”表示经济总量与水资源消耗或水环境压力均有增长,同时单位经济产值的水资源消耗或水环境压力的增长高于经济总量增长;弱“脱钩”表示经济总量、水资源消耗或水环境压力均有增长,但单位经济产值的水资源消耗量或水环境压力的增长低于经济总量增长.

2 案例应用

2.1 研究区概况

江苏省位于我国东部沿海中心,全省土地面积为12.4万km2,海域面积为13.6万km2.全省河网密布,有大小湖泊 290多个,水面面积达17300km2,占全省总面积的 17%,为全国水面积比重之最[26].2009年全省总供水量为549.4亿m3,其中,地表水源供水量540.4亿m3,占总供水量的98.4%;地下水源供水量为8.83亿m3,占总供水量的1.6%.全省水资源总量为400.3亿m3,人口达到7700多万人,人均水资源占有量711m3,远低于全国平均水平的2200m3/人[27].参考2009年江苏省水资源公报中的统计,全省区域用水具有明显的差异.苏南、苏北及苏中面积分别占全省的28%、20%及52%,而苏南地区用水量为229.6亿m3,苏中地区为128.7亿m3,苏北190.9亿m3,分别占全省的41.8%, 23.4%、23.4%.全省总体上水资源总量丰富,人均水资源不足,区域间水资源利用不平衡,同时水环境日趋恶化,水资源短缺已成为限制江苏经济发展的重要因素.

2.2 计算内容与数据来源

根据江苏省的实际情况及资料的可获得性,本研究主要建立农产品需水量、工业用水量、生活用水量、生态用水量以及虚拟水进出口量六个账户,对江苏省 2000～2009年水足迹及其分析指标进行计算.GDP产值均为1990年的可比价格.农业是最大的用水行业,因此是计算水足迹的最主要部分[28].农作物需水量由各单位产品虚拟水含量与产量相乘得到,因此计算各单位产品的虚拟水含量是计算的关键.农作物生长需水要受到作物类型、气象环境、灌溉水平等因素影响,计算结果只是一种粗略估计.本研究参照江苏省南京市的多年气象资料,采用联合国粮农组织(FAO)推荐的标准彭曼公式计算参考作物需水,并结合(FAO)推荐的作物系数(部分作物系数缺失,采用相近作物系数代替)最终估算单位质量各作物虚拟水含量,以作物生长期内需水与种植面积相乘得出研究区各作物需水总量,具体的计算方法可参考文献[29].因动物产品虚拟水含量较复杂,本文主要参考 Hoekstra等[24]有关中国产品的研究数据.工业用水量、生活用水量和生态用水量在江苏省水资源公报上查找并进行适当处理得到.生态用水量主要包括生物体生长及生存所必须的水量,从当前的研究来看,主要是指城市环境用水量,还未涉及到调水工程所产生的过境水量,因此还具有一定的不确定性.由此选取的生态用水量数据相对于水足迹总量来说非常小,所以不会对总体评价结果产生影响,所缺乏的 2000～2002年生态用水数据,本文赋予其 2003年的数值.因进出口贸易中各商品种类繁多,为简化计算,虚拟水贸易中农林牧渔业与工业产品虚拟水含量分别为各自万元产值用水量与贸易量相乘得到.由于缺乏数据,忽略了进口产品再出口的虚拟水量.

数据来源主要包括:联合国粮农组织CROPWAT需水量计算软件及CLIMWAT数据库;国际虚拟水研究成果中的中国动物产品虚拟水含量计算成果[24];江苏省历年水资源公报;《江苏省统计年鉴(2001-2010)》;《中国环境统计年鉴》;《中国统计年鉴》.

2.3 水足迹结果

2.3.1 江苏省水足迹分析 由表3可见,江苏省水足迹自2000年的699.82亿m3增加到2009的773.77亿 m3,有些年份略有下降,但总体上呈曲折性上升趋势,年均增加7.4亿m3.

农业用水量历年均为江苏省最高,近10年间其总量变化不大,年均增长仅3.61亿m3.计算历年各种农产品的虚拟水含量可以看出,具有高附加值的经济作物种植面积偏少,年均生产用水只占全部农业用水 10%左右,而粮食作物与动物产品产量较大,分别占到农业用水量的39%与48%,其结构比例如图1所示.可见,在整个农业用水量中,动物产品所占比重最大,因此,在肉、蛋、奶及水产品等生产中更要考虑科学节水,有效利用水资源.地区耕地面积的减少及灌溉水平的提高在一定程度上会减少农业用水量[30],随着江苏省产业结构的不断调整,全省耕地面积由 2000年的5008.39khm2减少到2009年的4688.06khm2,其中需水量较大的水田面积减少了 215.72khm2,同时节水灌溉面积增加了 273.27khm2.从本研究的计算结果来看,作物需水量未有明显改变,农业产业结构调整与灌溉水平的提高对江苏省尤其是苏北地区的农业节水还具有较大发展空间.

图1 江苏省历年各类农产品用水量比例Fig.1 Variations of agricultural water consumption ratio in Jiangsu Province

随着经济的发展与人口的增加,工业用水量(包括生产后出口的产品)与生活用水量也呈现不断增加的趋势.全省的工业用水量在 2001～2008几乎增长了1倍,仅次于农业用水量,其比例达到了20%以上,2006、2007年甚至超过了30%.水资源公报中的数据表明:各地工业用水差异较大,工业用水占总用水量40%以上有南京、无锡、常州、苏州4市,苏南的工业用水比重高于苏北、苏中.根据江苏省水利厅、江苏省经贸委和江苏省发改委联合发布的《八大行业节水行动方案》,火电、化工、造纸、冶金、纺织、建材、食品、机械等八大行业,是工业用水中耗水最高的行业,占到了全省工业用水的 90%,其中火电工业历年来均是最大的工业用水部门,平均占到了工业用水量的 70%.因此,大力发展工业节水技术,加快产业结构升级是降低企业成本,促进工业更好的发展的必要举措.

生活用水量与生态用水量所占比例较小,平均占到了历年水足迹总量 4.6%与 1.6%,居民消费的虚拟水为水资源消耗的主要形式,从另一个侧面反映出了人的消费方式会对水资源的可持续利用产生重大影响.

表3 江苏省2000～2009年水足迹构成 (亿m3)Table 3 Components of water footprint from 2000 to 2009 in Jiangsu Province (108m3)

图2 江苏省历年虚拟水进出口情况Fig.2 The amount of virtual water import and export in Jiangsu Province

由图2可见,历年工业产品虚拟水的贸易量远高于农林牧渔业产品,虚拟水出口量均高于进口量,且自2003年起,虚拟水进出口量均高于100亿m3,表明江苏省的工业经济发达,对外经贸交流活动与能力较强,与该省所处我国水资源较多的东南部地区及经济较发达地区的实际情况相符.工业产品进出口虚拟水呈倒“U”型曲线且峰值均出现在2006年,这主要是由于江苏省不断加大产业结构调整,并且自2007年起开展了行业专项节水行动,为此,在全省对外贸易不断增加的情况下,虚拟水进出口量不断减小,说明江苏省的工业用水水平得到了提高,单位产值用水量渐趋下降.农林牧渔产品虚拟水贸易量虽然不大,但仍然呈缓慢增加趋势.

2.3.2 江苏省水足迹指标分析 由表 4可见,江苏省 2000～2009年人均水足迹 AWF大约在900～1000m3/(人⋅年),这个结果与马静等[31]研究得出的长江下游地区的年人均水足迹960m3/(人⋅年)的结论相近,低于荷兰国际水文和环境工程研究所得出的全球人均水足迹 1240m3/(人⋅年),与世界发达国家的人均水足迹(如美国为2480m3/(人⋅年),加拿大为 2049m3/(人⋅年)相比还有较大差异[32].因水足迹主要从消费角度考察蕴含在产品和服务中的虚拟水,这就更加体现了江苏省人均水资源的紧缺状况.一方面由于江苏省处于长江中下游地区,历来是我国人口最多的省份之一,截至2009年,全省人口达到7725万人,占全国总人口的5.79%,人口的不断增长必然导致水资源人均占有量的低水平;另一方面,江苏经济发展水平在中国虽然较高,但是人均消费水平与世界发达国家相比还存在较大差异.此外,膳食习惯也对水足迹的结果有一定的影响,与欧美等主要以动物食品为主的国家不同,我国主要以植物性食品为主,而单位动物产品的虚拟水含量远高于植物产品.因此,随着经济的发展,由消费水平提高引发人均水足迹的变化将呈现继续增长趋势.通过对江苏省水资源的自给率WSS与进口依赖度WD分析可以看出,江苏省水资源总量丰富,水资源自给率除2006年外均在 70%以上,基本上可以满足本省发展所需要的水资源量;同时虽然江苏省水资源进口依赖度较较低,但总体上呈增加状态,说明江苏省还可继续加强引进外部地区的虚拟水资源,缓解本地区的水资源压力.水资源利用效率WUE从2000年的7.53元/m3一直增加到2009年的20.91元/m3,说明随着经济产值的增加,水资源利用效率有了明显的提高.这个结果与黄林楠等[33]通过生态足迹方法得出的结论基本一致,符合江苏省的发展规律.水资源利用效率的提升一方面是由于各种节水技术的进步发展,另一方面也得益于政府投入的不断加大与企业节水意识的不断提高.

表4 江苏省水足迹指标分析结果Table 4 Analysis results for index of water footprint in Jiangsu Province

2.4 江苏省水资源利用状况评价

选取江苏省2000～2009年水足迹与废水排放总量分别作为表征水资源消耗量与水环境压力的评价指标,结合相对脱钩复钩系统耦合理论对江苏省经济发展与水资源利用情况进行识别与分析,以期为江苏省 10年间水资源利用状况做出评价.首先,对江苏省2000～2009年的GDP、WF与废水排放量进行计算整理,根据各自的变化率,利用公式(5)与(6)计算出2种脱钩指数DF1与DF2.根据表1所示评价标准,得出评价结果,如表5、表6所示.

表5 江苏省经济增长与水资源消耗脱钩复钩关系表Table 5 Relative de-linking and re-linking between economic development and water resource consumption in Jiangsu Province

表6 江苏省经济增长与水环境压力脱钩复钩关系表Table 6 Relative de-linking and re-linking between economic development and water environment stress in Jiangsu Province

由表5可见,江苏省2001～2009年来经济增长与水资源消耗之间的关系较为理想,其中有三分之一的年份处于强“脱钩”状态,三分之二的年份处于弱“脱钩”状态,并没有其他不利的情况.强“脱钩”状态出现的年份仅能体现出了当年水资源消耗量有较多的下降,多年的弱“脱钩”状况说明江苏省距离较低水平的水资源消耗还有一定的差距,还未达到可持续发展的最理想状态.通过前面对江苏省水足迹的分析可知,江苏省的水足迹总量较大,人均占有水资源量远低于全国平均水平,随着省内人口的不断增加和产业规模的进一步扩大,更多的水资源将会被消耗,水资源短缺的压力依然存在.整体上看来江苏省的经济产值与水资源投入均呈增加态势,且多数年份经济增长水平高于水资源投入的增长水平,在经济总量持续增长的条件下,水资源投入量在很大程度上决定了社会水资源可持续发展的水平.因此,只有不断提高水资源利用效率,大力开展节水工程,减少水资源的消耗,才是缓解江苏省水资源短缺的根本措施.

由表6可见,江苏省2000～2009年间的经济增长与水环境压力两者关系的评价结果不容乐观.评价结果中没有“复钩”情况的出现,仅2001年出现了扩张性“复钩”,其余年份呈现强、弱“脱钩”交替出现的态势,且弱“脱钩”的年份高于强“脱钩”.连续的“脱钩”状态表明了江苏省环境保护投入不断加强,以废水排放为代表的水环境压力得到了一定缓解.但是从变化趋势上看,废水排放总量还是在不断增加,由 2000年的34.93亿t增加到2009年的53.36亿t,增长了约 53%.从按行业划分的废水排放情况来看,化工、纺织、黑色金属冶炼、火电及造纸多年来均为废水排放的主要行业,平均占到历年废水排放总量的 71%.由于本研究仅从废水排放的角度对研究区水环境压力进行考察,存在一定的偏差,仅能作为保守的估计.从水质的角度来看,COD与N、P等富营养物质的排放仍然是影响全省水质的重要污染物.2001～2009年间全省的COD排放情况如图3所示,可以看出,工业废水中COD有略微下降趋势,生活废水中 COD总体呈增加状态,这与江苏省近年来对工业废水治理力度的不断加大有关,同时仍需注意防止生活污染源的排放加剧.根据 2009年江苏省水资源公报统计,全省监测的12个省管湖泊均处于不同程度的富营养化状态,针对湖泊的各项投入与治理应当继续加强.另外,江苏省水资源利用存在明显的区域差异,苏北地区的资源型缺水与苏南地区水质型缺水都使江苏省的水资源利用问题复杂化.

评价结果表明:2000～2009年间,江苏省的水足迹缓慢增加,全省多年的水资源利用与经济增长之间呈弱“脱钩”关系,水环境的压力状况也不容乐观,说明江苏省经济发展还较多依赖于水资源的消耗.农业与工业等生产用水为水足迹主要构成,应根据各地区农业与工业用水比重的不同,在苏北和苏南分别以农业节水和工业节水作为开展节水工作的主要着力点.同时继续加强产业结构调整,将本省第二产业中的化工、造纸等高耗水行业的比例逐步降低,大力发展耗水较低的高新技术产业.从虚拟水贸易的结果来看,随着贸易总量的不断增加,2006年后江苏省出口工业虚拟水量的不断下降,表明省内工业用水的比较优势不断增加,可据此与工业用水较高而农业用水较少的地区开展贸易,互利共赢.此外,苏南地区中小企业较多,废水的持续排放导致水环境难以全面达到功能区要求,必须继续采取高压的环境政策,严防水体污染.

图3 江苏省历年COD排放情况Fig.3 The emission of COD in Jiangsu Province

水足迹能够较为真实的反映水资源消耗的水平,但是由于目前学术界对于水足迹计算方法还没有严格的标准,各学者得出的结果差异性较大,本文的研究也未考虑科技进步水平等因素,如万元产值用水量只是按照算术平均值简化处理,因此确切的结果还需进一步的探究.

3 结语

江苏全省水足迹自2000年以来不断增加,年均增长7.4亿m3,农业用水和工业用水对水资源的消耗具有重要影响.江苏省水资源总量丰富,自给率基本上保持在70%以上,且水资源利用效率由2000年的7.53元/m3增加到2009年的20.91元/m3,表明全省水资源的利用水平在不断提高.全省必须采取更为有效的措施对水资源的合理利用进行保障.江苏省的经济社会发展具有显著的差异性,必须因地制宜,根据各地区发展水平的不同,有重点的展开水资源保护和治理工作.水资源的可持续利用水平受经济、技术、管理等多方面的影响,在提高水资源利用水平,减少水资源消耗的同时,应严格控制各类污水排放,加大环境治理与监管的力度.

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Linking between water resources utilization and economic growth in Jiangsu Province.

GU Xue-ming, WANG Yuan∗, ZHAO Hui-hui, WANG Fang, ZHU Xiao-dong, LU Gen-fa (State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210046, China). China Environmental Science, 2012,32(2)：351～358

The paper attempted to employ the water footprint approach to calculate the situation of water resource in Jiangsu Province between 2000 and 2009, and investigate the changes of water utilization and water pressure in economic growth by introducing the conceptual model of “re-linking” and “de-linking”. The total water footprint of Jiangsu was on the slightly rise from 699.82 in 2000 to 773.77 billion cubic meters in 2009, mainly consists of the agricultural water and the industrial water. Simultaneously, the water utilization level kept continuous growth, increasing by 2.77 times in the last decade. However, the weak “de-linking” and strong “de-linking” status between water resource and economic growth accounted for two-thirds and one-third of the sample years, separately. The alternative change of weak “de-linking” and strong “de-linking” status showed the pressure of water resource still existed in the process of rapid industrialization and urbanization, and, therefore, strategies should be adopted for more vigorous economic development and consistent water resource use in Jiangsu.

water resource；water footprint；de-linking index；Jiangsu

2011-05-09

国家自然科学基金资助项目(40701063)

* 责任作者, 副教授, ywang@nju.edu.cn

X24

A

1000-6923(2012)02-0351-08

谷学明(1986-),男,河北石家庄人,南京大学环境学院硕士研究生,研究方向为环境规划与管理.