水资源对生态经济系统贡献能值分析

王莉芳 周杨 谢伟彤 董稳改

摘要： 运用能值分析方法，依据水资源对工农业生产、生活系统及生态环境系统贡献不同的体现方式，提出了计算水资源对生态经济系统及其子系统贡献的方法。以西安市为实例，核算了2010～2014年西安市水资源对生态经济系统的贡献量及贡献率，分析了西安市水资源生态经济系统中水资源对工农业生产、生活系统、生态环境贡献的变化规律，为西安市水资源的合理配置与高效利用提出相应对策建议。

Abstract： Based on the emergy analysis method， the contribution of water resources to the eco-economic system and its subsystems was put forward according to different ways of contribution of water resources to industrial and agricultural production， living system and ecological environment system. Taking Xi'an City as an example， the contribution and contribution rate of water resources to eco-economic system in Xi'an from 2010 to 2014 were calculated .This paper analyzes the variation of water resources contribution to industrial and agricultural production， living system and ecological environment in the eco-economic system of water resources in Xi'an. And it puts forward corresponding countermeasures and suggestions for the rational allocation and efficient utilization of water resources in Xi'an.

关键词： 水资源；生态经济系统；能值；贡献

Key words： water resources；eco-economic system；emergy；contribution

中图分类号：F205 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）03-0010-05

0 引言

水作为一种特殊的生态资源，不仅是人类社会经济的基础，还创造与维持了人类赖以生存与发展的生态环境条件。水资源生态经济系统主要是指在一定范围内，以水资源开发利用和保护为主体，由水资源生态系统和社会经济系统相互交织、相互融合的具有一定结构和功能的有机整体[1]。水资源生态经济系统是生态经济系统中的一个子系统，水资源的开发利用与保护，水资源与经济生产系统、社会活动系统与生态环境系统是有机联系的整体系统，各系统之间进行不间断的能量流动、物质循环、信息传递等[2]。学术界现有关于水资源与生态经济系统的研究主要集中在可持续发展方面的定性研究，有关水资源对生态经济系统贡献量及其利用效率方面的定量研究相对较少，而且大多都只是单纯研究水资源对经济生产或生活系统的贡献，涉及到整个生态经济系统的相关研究相对较少。

本文通过了解水资源在生态经济系统中的作用，尝试运用能值理论与分析方法，定量研究一定区域内水资源对生态经济系统的贡献。“贡献”一词在现代汉语词典中解释为一般无偿的进奉或赠与、有助于某事的行为或作有利于社会或国家的事。水资源对生态经济系统的贡献指的是水资源的化学能、重力势能与其他形式的能量相互作用和转化，维持和促进工农业生产系统、生活系统和生态系统的有效运转[3]。水资源对生态经济系统的贡献最终是体现在各种高能质产品中[4]，比如农业生产系统中农业用水的化学能，与化肥、农药、种子等人工辅助机能相互作用，最终由自身的化学能转化为有机态的化学能，并最终体现为可供人类生存的农产品；在工业生产系统水力发电中，先将水的重力势能转化为发电机的机械能，最终转化为电能等。

1 水资源对生态经济系统贡献的能值度量指标

能值分析克服了经济分析中货币不能衡量自然界对人类经济社会发展贡献的缺陷，重点研究系统的自然属性和经济特征及两者的相互关系。将生态经济系统中的生产要素、经济指标、能量要素及科技要素等不可比要素换算为同一要素“能值”进行计算和比较[5]。在以此方法计算所得的水资源贡献率能客观、真实反映生产过程的全部要素，有利于评估水资源的真实效益和贡献。

1.1 水资源贡献量 水资源自发或借助水利工程进入生态经济系统中，不同类别的能量不断转移和转化过程维持了生态经济系统的正常运转，水资源对生态经济系统是有利的，但是否无偿需视情况而定[6]。经过水利工程的水资源需要经济反馈投入成本，即需要扣除经济反馈投入成本。将生态经济系统的各种投入、产出能量转化为同一标准的能值，即可以此度量水资源对生态经济系统贡献。

水资源贡献量（Water Resources Contribution Quantity，WCQ）即由水资源利用所带来的那部分生态经济系统产出能值扣除生态经济系统对水资源进行开发所反馈投入的能值，即水资源产出的净能值。它是衡量水资源对生态经济系统贡献作用大小的绝对指标，一定单位时间内，由于水资源利用所产出的能值越大，生态经济系统中开发利用的水资源投入的能值越小，则水资源对生态经济系统贡献量越大[7]。

1.2 水资源贡献率 水资源贡献率（The Contribution Rate of Water Resources，WCR）概念的提出，是因为考虑到水资源必须同其他自然资源、资金及劳务等的共同投入，才能生产出各类工农业产品和带给人们精神享受，以此产生价值，但是这部分价值是各种资源、物质及科技、劳务、信息等的共同作用的结果，为了衡量水资源贡献的价值，利用“水资源贡献率”表征生态经济系统中水资源的贡献份额[7]。

水资源贡献率即水资源贡献量与水资源生态经济系统中净产出能值的比率，是衡量水资源对生态经济系统贡献作用大小的相对指标，在一定的水资源贡献量情况下，能值净产出越大，水资源贡献率越小。

2 水资源对生态经济系统贡献的能值分析

以能值理论与分析方法为指导，要计算水资源对生态经济系统的贡献，首先需要收集水资源生态经济系统及其子系统的原始数据资料，然后通过分析水资源生态经济系统及其子系统的能量流动过程及不同水体的太阳能值转换率，编制出能值分析表[8]。由于水资源对工农业生产、生活系统及生态环境贡献的体现方式不同，本文结合其各自的特点及体现形式，针对各个子系统分别提出了其水资源贡献的能值核算方法。

2.1 水资源对工农业生产贡献的能值计算 工农业生态经济系统的贡献量及贡献率，反映水资源作为一种生产要素在工业经济活动中的贡献，因此，采用分摊系数法计算工农业生产总能值产出中水资源所贡献的份额（即采用各类能值投入量占总能值投入的比例分摊能值总产出中各类投入所占的份额），然后扣除生态经济系统对水资源反馈投入的能值，即水资源对工农业生态经济系统贡献量；工农业生产过程中水资源贡献量占工农业生产系统所有生产要素净能值产出的比例为工农业生态经济系统的水资源贡献率。计算表达式见表1、表2。

表中各符号意义为：EMIY—工业产出能值； EMIF—工业经济系统反馈能值；EMISW—工业生产中地表水总投入能值；EMIGW—工业生产中地下水总投入能值；EMIU—工业生产总投入能值；EMIFS—工业生产中地表水的水利反馈总投入能值；EMIFG—工业生产中地下水的水利反馈总投入能值；WCQ1—水资源对工业生产贡献量；WCQISW—地表水资源对工业生产贡献量；WCQIGW—地下水资源对工业生产贡献量；WCRI—水资源对工业生产贡献率；WCRISW—地表水资源对工业生产贡献率；WCRIGW—地下水资源对工业生产贡献率。

2.2 水资源对生活系统贡献的能值计算 借鉴工农业生态经济中水资源贡献量、贡献率的计算思路，将生活用水过程抽象为水资源的投入、产出过程，对生活系统各项投入产出进行能值流的计算分析，通过生活系统中各投入能值流中生活用水能值的份额量化水资源对生活生态经济系统的贡献量、贡献率。生活系统中生活用水量的地下水资源能值即为地下水资源贡献量，地表水资源能值即为地表水资源贡献量，二者之和为水资源对生活系统贡献量[9-10]。生活系统中水资源贡献量占生活系统所有生产要素能值投入的比例为生活系统的水资源贡献率。计算表达式见表3。

2.3 水资源对生态环境贡献的能值计算 由于水资源生态系统的种类与时空动态多变等复杂属性，水资源对生态经济系统贡献的定量计算存在极大难度，尤其是水资源长期以来一直作为一种公共资源供人类开发使用，导致水环境质量状况与用水单位的经济收益之间往往不存在直接的、单一的对应关系，分析生态—社会复合水循环系统可知水资源不断对生态环境做功，水资源自身的能量转移到生态环境系统中，从而产生对生态环境的贡献[11]。本文从能值分析的角度探讨水资源对生态环境的贡献，以能值为尺度来评价水资源对生态经济系统的贡献，探讨不同环节上的能值转换，可以避免很多假设因素的制约。

生态环境的用水大部分由降雨量自然水体提供，因此忽略工程水体的供水能值，不考虑生态经济系统对水资源反馈投入的能值。同样采用分摊系数法计算生态—社会复合系统内总能值产出中水资源所贡献的份额（即采用各类能值投入量占总能值投入的比例分摊能值总产出中各类投入所占的份额），即水资源对生态环境贡献量；生态环境中水资源贡献量占生态—社会复合系统所有生产要素净能值产出的比例为生态—社会复合系统的水资源贡献率。计算表达式见表4。

3 西安市水资源对生态经济系统贡献的能值计算

西安市位于我国西部，属严重缺水地区。本文将选取西安市为研究实例，收集西安市工农业生产、社会生活及生态环境的相关数据资料，分析其水资源生态经济系统及各子系统的能量转化过程，编制系统能值分析表，核算出2010～2014年西安市的水资源贡献量及贡献率并对其变化趋势进行分析。

3.1 西安市水资源对生态经济系统贡献能值的分类计算

3.1.1 西安市水资源对工业生产贡献的能值计算及结果分析

收集西安市工业生产系统中主要物质流、货币流及能量流的原始数据资料，计算工业生产系统能值。以2014年为例，编制西安市工业生产系统能值分析表（表5）。系统能值投入方面，太阳能、风能、及工业用水取西安市整个区域的数据。不可更新环境资源投入包括能源、原材料、劳务及固定资产投资等，能源数据为计算方便将各类能源折合成标准煤，原材料、固定资产投资的原始数据以货币量表示。系统能值产出方面，各类工业产品取西安市整个区域的数据。

同理可获得西安市其他年份的工业生产系统能值分析表，汇总得到2010～2014年西安市工业生产系统能值投入产出结果（表6）。进而根据表1的计算方法得到2010～2014年西安市水资源对工业生产贡献量及贡献率计算结果汇总表（表7）。

结果分析：根据表7可看出，2010～2014年，西安市工业生产子系统中地下水贡献量比重较大，远远超过地表水贡献量，这与工业用水量中地下水所占的比重较大密切相关。2010～2014年西安市水资源贡献量整体呈现上升趋势，表明随着社会经济的迅速发展，工业用水量不断增加，水资源对工业生产贡献量不断增加。

2010～2014年西安市水资源对工业生产贡献率约为0.20%～0.46%，年平均水资源贡献率为0.294%，2010年水资源对工业生产贡献率最大，是由2010年工业用水重复利用量比其他年份相对较大造成的。2010～2014年西安市水资源对工业生产贡献率整体呈现下降趋势，这与西安市工业生产结构的调整，生产工艺的不断改善密切相关。

3.1.2 西安市水资源对其他子系统贡献的能值计算及结果分析

水资源对其他子系统贡献能值的计算方法与工业生产系统相似，可由能值分析表得到能值投入产出汇总表，最终根据第3节中提出的计算方法分别核算出西安市水资源对农业生产、生活系统及生态环境的贡献量及贡献率。见表8～10。

表8结果分析：2010～2014年，西安市农业生产系统中地下水贡献量比重较大，远远超过地表水贡献量，整体具有轻微上升趋势，这与农业用水量中地下水所占的比重较大密切相关。2010～2014年西安市水资源贡献量与农业用水量变化趋势一致。

2010～2014年西安市水资源对农业生产贡献率约为5.06%～6.48%，年平均水资源贡献率为5.75%，2010～2012年水资源贡献率轻微下降，2013～2014年水资源贡献率轻微上升，整体变化趋势与农业生产过程中节水技术及科技技术不断投入密切相关。

表9结果分析：2010～2014年，西安市生活系统中地下水贡献量与地表水贡献量相近，整体具有轻微上升趋势，这与生活用水量中地下水用水量与地表水用水量相近密切相关。2010～2014年西安市水资源贡献量与农业用水量变化趋势一致。

2010～2014年西安市水资源对生活系统贡献率约为0.43%～0.51%，年平均水资源贡献率为0.476%，2010～2012年水资源贡献率轻微上升，2013～2014年水资源贡献率轻微下降，整体上变化趋势与生活过程中居民节水意识的加强及节水工程不断投入密切相关。

表10结果分析：2010～2014年，西安市生态—社会复合系统中地表水贡献量比地下水贡献量所占比重稍大，整体具有上升趋势，这与生态用水量中地表水所占的比重比地下水稍大密切相关。2010～2014年西安市水资源贡献量与生态用水量变化趋势一致。

2010～2014年西安市水资源对生态环境贡献率约为2.47%～5.74%，年平均水资源贡献率为4.102%，2010～2013年上升趋势明显，2013～2014年具有明显下降趋势，整体变化趋势与西安市推进八水润长安工程建设，改造提升5大引水源、7块湿地、10条河系、28个湖池，引汉济渭调节蓄水等重大水利工程的持续建设投入有关[12]。

3.2 西安市水资源对生态经济系统贡献计算结果汇总及分析

根据计算结果表11及图1，可以看出2010～2014年西安市水资源对生态经济系统贡献量基本呈现上升趋势，说明西安市水资源对工农业生产、生活系统及生态环境的贡献作用越来越大，这与西安市工农业生产发展、生活及生态环境对水资源的利用量不断增加密切相关。2010～2014年水资源对农业生产的贡献量明显高于工业生产、生活系统及生态环境贡献量，且水资源对工业生产与生活系统贡献量高于生态环境贡献量，这与2010年～2014年西安市农业用水量高于工业用水量、生活用水量及生态用水量和产业结构的变化、用水结构的变化有关。

根据计算结果表11及图2，可以看出2010～2014年西安市水资源对农业生产与生态环境的贡献率明显高于工业生产与生活系统，说明农业生产和生态环境对水资源的贡献程度高于工业生产和生活系统，应优先供应农业生产和生态环境用水。西安市水资源对生态经济系统年平均贡献率为10.622%，2010～2011年水资源贡献率呈现下降趋势，2012～2014年水资源贡献率呈现上升趋势，这与西安市用水效率的不断提高、节水意识的增强、节水技术及水资源以外的其他因素如人力、科技及信息等的投入有关。

4 对策与建议

水资源短缺和水环境污染已成为制约经济社会发展重要因素。合理开发利用水资源和水资源生态系统保护是我国大多数城市一项长期的战略任务[13]。通过水资源生态经济系统贡献能值分析应用研究，本文对西安市水资源的合理配置与高效利用提出如下对策建议：

4.1 健全水资源保护的法规，加强水资源生态系统建设 2010～2014年西安市水资源对生态经济系统贡献量呈现上升趋势，说明西安市水资源对工农业生产、生活及生态环境的贡献作用越来越大。但是西安市年均水资源总量为24.73亿立方米，其中年均地表水资源总量为20.81亿立方米，年均地下水资源总量为12.17亿立方米。按照2014年常住人口数计算，人均水资源占有量为303.33立方米，远远低于国际公认的绝对缺水线（人均水资源量500立方米），属严重缺水地区之一，且西安市水资源水源地污染严重。因此应健全水资源保护的法规，强化地表及地下水资源保护工程建设，强化水资源生态系统建设。

4.2 优先供应农业生产和生态环境用水 通过上述计算结果分析可知，2010～2014年西安市水资源对农业生产与生态环境的贡献率明显高于工业生产和生活系统，说明农业生产和生态环境对水资源的贡献程度高于工业生产和生活系统。在西安市水资源优化配置中，应优先供应农业生产和生态环境用水，保证农业生产和生态环境的良性运转。

4.3 强化节水意识，提高工业用水及生活用水重复利用率 2010～2014年西安市水资源对工业生产及生活系统的贡献量明显高于生态环境，2010～2014年西安市水资源对工业生产及生活系统的贡献率却明显低于生态环境，由此说明工业耗水量及生活耗水量大且重复利用率较小。因此应提高居民节水意识，加强工业节水技术的研究，推广节水器具的使用及节水工程的建设，提高工业用水及生活用水重复利用率。

4.4 推广水资源利用率高于投入产出率高的行业与产业 依据水资源对生态经济系统贡献能值研究原理，可以计算出水资源利用率高于水资源生态经济系统投入产出率高的行业与产业，优先考虑此类行业或产业的水资源供应，提高水资源的利用率。

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