杭州市2010—2016年水足迹分析研究

郑亨，杜海龙，黄靖

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014；2.湖北省宜昌市枝江市董市镇人民政府，湖北宜昌443200)

改革开发以来，随着人口增长、经济发展以及农业人口逐渐向城市地区聚集，中国城市化进程一步步加快，并成为未来发展的必然趋势[1]。城市化进程中日趋严重的水资源消耗问题成为城市发展的限制性因素。

中国水资源总量巨大，人均水资源量低，仅为世界平均水平的25%，水资源短缺问题严重，且随着城市化进程加重。根据《中国水资源公报》，2016年全国水资源总量为32 466.4亿m3，供水总量达到6 040.2亿m3，占到水资源总量的18.6%。城镇人均用水量220 L/d，农村人均用水量86 L/d，比2010年分别上升14.0%、3.6%。中国城镇人均用水增加幅度大，在快速城市化进程中，水资源压力进一步加重。

杭州市位于中国浙江省，简称“杭”，浙江省省会，属水资源短缺城市。根据浙江省《2016年水资源公报》，杭州属缺水性城市，全市人均水资源占有量1 596 m3，低于2013年全省人均的1 693 m3，也低于全国人均多年的2 020 m3，仅为世界人均水资源量的21%。根据2016年《杭州年鉴》，2016年城镇化率达到76.2%，比2015年提高0.9个百分点，城镇化率远高于全省65.8%的平均水平。城镇化进程将进一步加重杭州市水资源压力，水资源供需矛盾将成为杭州市发展的阻碍，准确评估杭州市水资源情况将有助于分析杭州市发展情况。

水足迹(water footprint,WF)是以虚拟水理论为基础，指在日常生活中公众消费产品及服务过程所耗费的那些看不见的水。荷兰学者Hoekstra类比生态足迹提出的水资源领域重要概念，对评估水资源短缺城市的可持续发展具有重大意义[2]。水足迹理论提出后，在世界范围内得到广泛的应用，Chapagain对全世界各国水足迹进行了计算：印度水足迹居全球首位，人均水足迹美国第一[3]。近年该理念甚至被应用于水电水足迹评估[4]。Tor Haakon Bakken等对挪威2座水电站进行水足迹评估并比较，最终表明该2座水电站单位发电水足迹远低于世界同类水电站。在国内也得到了较为广泛的应用，姜诗慧等利用水足迹评估方法对沈阳市2005—2012年水资源承载力进行分析，结果表明沈阳万元GDP水足迹逐年下降，正逐渐从粗放型经济增长模式向可持续发展模式转型[5]；邓晓军等以上海市为例进行城市水足迹计算与分析，结果表明上海人均水足迹2005年达1 366 m3/(cap·a)，明显上升，表明上海水资源利用呈不可持续状态[6]。中国的水足迹研究主要针对水足迹计算的应用与城市水资源分析，对分析过程的不确定性缺乏考虑。

水资源是城市发展的基本条件，本研究基于水足迹分析方法对杭州2010—2016年的水足迹进行评估，并采用不确定性分析校正其确定性，提升其可信性，在其基础上对杭州市水资源供需情况进行判断，以期为杭州市可持续发展提供决策参考。

1 研究方法

1.1 研究目标

本研究以杭州市为研究对象，探索杭州市水资源承载力情况，分析杭州市可持续发展情况，为杭州市发展提供可参考的依据。

1.2 研究对象

杭州，简称“杭”，浙江省省会，东经118°21′—120°30′，北纬29°11′—30°33′，位于中国东南沿海、浙江省北部、钱塘江下游、京杭大运河南端，是浙江省的政治、经济、文化、教育、交通和金融中心。辖区包括10个市辖区、2个县、1个县级市，面积1.659 6万km2，截至2016年人口达918.8万人，城镇化率76.8%，是中国发展速度最快的地区之一，全国著名的森林城市。

1.3 系统边界

城市水足迹指已知生产城市人口所需的所有资源所需要的水资源数量，包括食物、日用品、生活直接消费的水资源以及为人类提供生态系统服务功能的生态环境水消耗量[7]。城市水足迹主要可分为农业虚拟水消费量、工业虚拟水消费量、居民生活用水量、生态环境用水量、虚拟水贸易量五大部分，精简为内部水足迹，表示该地区居民消费所有产品和服务的水资源；外部水足迹，表示该区域居民消费的那部分进口虚拟水。系统边界见图1。

图1 城市水足迹系统边界

1.4 计算方法

根据水足迹系统边界，水足迹计算公式如下：

WF=IWF+EWF=WFcrop+WFindustry+WFlife+WFecology+WFtrade

(1)

式中WF——城市水足迹；IWF——内部水足迹；EWF——外部水足迹；WFcrop——农产品虚拟水消费量；WFindustry——工业虚拟水消费量；WFlife——居民生活用水量；WFecology——生态环境用水量；WFtrade——虚拟水贸易量。

a) 农产品虚拟水消费量。农产品虚拟水消费量因农作物不同而有所不同，与生长地区的环境具有较大的关系，因此本研究采用较为粗化的过程分析法得到农产品虚拟水消费量。农业虚拟水消费量以单位农产品虚拟含水量与农产品量乘积表述[5]。

b) 工业虚拟水消费量。工业虚拟水消费量主要用于工业活动，根据行业不同，水足迹差距较大[8]。本研究利用杭州市相关统计数据结合工业产值增加量用水额进行工业虚拟水消费量估算[9]，该方法能够相对准确表述当地工业虚拟水消费量。

c) 居民生活用水量、生态环境用水量。参考《水资源公报》相关统计结果进行核算。

d) 虚拟水贸易量。各种贸易商品的虚拟水含量与以上对应产品的计算方法相同。但是由于统计困难, 国际贸易虚拟水量一般采用万元产值用水量和工业用水定额进行估算[6]。

1.5 评价方法

a) 人均水足迹WFpc

(2)

式中N——当地常住人口数。

b) 平均产值水足迹WFpP

(3)

式中product——产值，万元。

1.6 数据来源

本研究主要数据来源于《杭州年鉴》《杭州市人民政府公报》《杭州市国民经济和社会发展统计公报》以及《浙江省水资源公报》。

2 水足迹清单

2.1 农产品虚拟水消费量

本研究主要从2007—2016年《杭州年鉴》提取所需的基础数据进行农产品虚拟水计算，主要包括植物性产品与动物性产品，植物性产品水足迹主要指农作物消耗水与农作物消耗的间接水(如消纳污染物、加工等)，动物性产品水足迹主要包括饲料生产、饮用水以及牲畜照料。由于其单位水足迹与地理因素、动、植物具体种类有较大的对应关系，本研究采用参数法进行估算，并在后文进行不确定性分析对其进行校正。参考M. M. Mekonnen等对农产品的水足迹研究成果，得到各种农产品虚拟水参数见表1[10-11]。

表1 主要农产品单位产品虚拟水含量 m3/kg

根据《杭州年鉴》提取相关农产品基础数据结合文献参数得到农产品虚拟水消费量清单见表2—6。杭州农业虚拟水足迹逐年下降，至2016年底，相比2010年已下降19.00%，植物性农产品水足迹下降比例达19.30%，动物性农产品下降18.70%，造成农产品水足迹下降的原因主要有以下几方面：调整种植结构，降低传统粮食种植量，如稻谷种植面积由80 780 hm2下降至44 580 hm2，增加了经济类作物的种植面积；随着城市化进程推进，种植总面积逐年降低，由2010年381 830 hm2下降至2016年底300 590 hm2。

表2 2007—2016年杭州市谷物水足迹消费量 106m3

表3 2007—2016年杭州市豆类水足迹消费量 106m3

表4 2007—2016年杭州市油料水足迹消费量 106m3

表5 2007—2016年杭州市棉麻水足迹消费量 106m3

表6 2007—2016年杭州市肉类水足迹消费量 106m3

2.2 工业虚拟水消费量、居民生活用水量、生态环境用水量

工业虚拟水消费量主要参考2010—2016年《杭州统计年鉴》，杭州市7 a来工业发展迅速，工业增加值稳步快速上升，结合《杭州市环境状况公报》水利/森林资源章节的万元工业增加值用水量得到工业虚拟水消费量见表7。工业虚拟水足迹消费量随工业增加值上升反倒下降，表明杭州市在工业节水、产业调整方面取得较大成效；居民生活水足迹7 a来上升了70%，这是杭州市城市化推进的必然结果，表明杭州市城市人口增加，城区面积快速扩张，人民生活水平上升。

表7 工业虚拟水消费量、居民生活用水量、生态环境用水量清单

2.3 虚拟水贸易量

参考2010—2016年《杭州市国民经济和社会发展统计公报》，得到虚拟水贸易量清单见表8。2010—2016年虚拟水贸易总量稳步上升，出口量增长迅速，取得较大的贸易逆差。随着杭州工业生产的产业结构调整以及节能减排的政策推行，单位用水量明显下降，在贸易总量增加的情况下，杭州虚拟水贸易量持续下降，表明杭州市的产业结构调整以及节能减排带来明显的效益。

表8 虚拟水贸易清单

2.4 杭州水足迹清单

通过计算得到杭州市7 a来水足迹见表9，水足迹呈下降趋势，特别是《杭州市人民政府办公厅关于实行最严格水资源管理制度考核暂行办法的通知》出台后，第1个考核期为2012—2015年，2015年起每5 a为1个考核期，在杭州各行各业严格执行节水政策后，从水足迹来看，2012年至2013年1 a降幅就达到8.3%，该通知取得较好的效果，经过产业调整、节水措施使用，杭州市水足迹明显下降，2016年相比2010年下降比例达15.1%。人均水足迹由1 327.0 m3/(cap·a)下降至844.8 m3/(cap·a)，充分表明了杭州市节水、合理应用水资源的相关工作具有引领效果。

表9 2010—2016年杭州水足迹清单

a) 人均水足迹

b) 平均产值水足迹图2 人均水足迹、平均产值水足迹年际变化

2010—2016年，人均水足迹逐年下降(图2)，主要因为外来人口大量流入，给杭州带来较大的水资源压力；平均产值水足迹逐年上升，表明杭州市水资源利用效率较高，供给侧改革效果显著。

历年水足迹分配情况见图3，从比例上看，农产品虚拟水足迹、生态环境用水量所占比例基本持平，农业虚拟水消费量占到水足迹60%以上，是最重要的水足迹来源，农业虚拟水消费总量逐渐下降，表明杭州市调整了农业结构，节水效果明显；工业虚拟水消费量逐年下降，表明工业改革，杭州市采取的供给侧改革效果显著，以互联网等高科技企业及服务业为主的第三产业对节水有重大作用，节水策略得到较好的效果；居民生活用水量所占比例上升明显，表明城市化进程提高了居民的生活水平，更多居民分享了杭州市发展带来的红利，居民生活水平稳步提升。

3 不确定性分析

水足迹计算伴随较强的不确定性，涉及多方面的计算过程。产品和过程水足迹核算是区域水足迹核算的基础和前提，且其规模和结构受地方生产条件影响显著，不同地域同种产品的虚拟水含量差别较大。特别是农业水足迹消费量，相关水足迹根据地方气候特点、种植特点、种植水平等会有较大的不同，计算过程易产生较大的误差，甚至产生相反的评价结果。然而对水足迹进行不确定性分析在国内研究中鲜有涉及，造成国内研究成果的可比性、准确性大打折扣[12]。

针对不确定性问题，Endong Wang等专门讨论了数据质量指标与不确定性随机模拟相结合的分析

a) 2010年 b) 2011年 c) 2012年

d) 2013年 e) 2014年 f) 2015年

g) 2016年图3 2010—2016年杭州各类水足迹分配情况

方法对足迹分析的应用，结果表明该方法能够较好地校正足迹估算问题的不确定性[13]。该方法目前已广泛应用于足迹研究问题[14-17]，能够校正参数代表性不足的偏差问题。本文将该方法应用于水足迹不确定性分析方法，校正杭州市水足迹结果，增强其可信度。

该方法利用数据质量评分给数据设定数据概率分布(Beta 分布)，进一步进行蒙特卡洛分析，模拟清单的不确定性。本文选取2016年杭州市水足迹评价结果应用该方法进行分析。选取代表性、准确性、时间相关性、技术相关性、地理相关性五大类指标作为评价指标，得到综合评分后将参数转换为Beta 分布，进一步应用蒙特卡洛模拟分析方法得到结果分布情况。

a) 杭州市人均年水足迹概率分布(2016年)

b) 方差贡献率图4 杭州市人均年水足迹概率分布及方差贡献

通过不确定分析得到2016年杭州市人均水足迹95%概率分布区间为816.33～873.53 m3/(cap·a)(图4)。各类水足迹中植物性农产品虚拟水消费量方差贡献率最大，达到32.10%；动物性农产品虚拟水消费量其次，达24.6%；工业虚拟水消费量、居民生活用水量、虚拟水贸易量方差贡献率分别为21.2%、16.7%、5.3%；生态环境用水量方差贡献率近似为0。

不确定性分析结果表明，2016年杭州市年人均水足迹略有波动，分布区间为816.33～873.53 m3/(cap·a)，低于全球平均水平1 243 m3/(cap·a)，高于中国平均水平702 m3/(cap·a)[6]。横向来看，杭州市人均水足迹远低于发达国家(图5)，在国内也处于较低水平，属于缺水型城市。从方差贡献来看，在水资源有限前提下，继续进行农业、工业改革降低其单位水足迹仍是杭州未来发展的主要策略。

图5 世界及中国部分区域人均年水足迹情况(引用自邓晓军[6])

4 结论

a) 本研究计算了2010—2016年杭州市水足迹情况，人均年水足迹由1 327.00 m3/(cap·a)下降至844.80 m3/(cap·a)，主要原因是人口剧增，但平均居民生活用水不降反升，这表明杭州在快速城市化的进程中较好地保障了居民的生活水平。

b) 通过分析2010—2016年杭州市水足迹分布情况，杭州农业虚拟水消费量、工业虚拟水消费量稳步下降，但实际上杭州的GDP在快速上升，平均产值水足迹快速降低，由153.80 m3/万元下降至70.24 m3/万元，由此表明杭州的节水策略及供给侧改革成就显著，水资源利用效率较高。

c) 通过不确定性分析，得到2016年杭州市人均年水足迹为816.33～873.53 m3/(cap·a)，在全国范围内仍属于较低水平，仅与甘肃等西部地区相当，远低于世界发达国家水平，表明杭州水资源相对不足，水资源仍是制约杭州未来发展的关键性因素，从不确定性分析的方差贡献来看，未来的发展策略仍要以农业、工业节水提升水资源利用效率为主。