虚拟水贸易应用在子牙河流域的可行性

王 磊

(河北省子牙河河务管理处，河北 衡水 000000)

水资源是各种生物赖以生存的基础性自然资源，同时也是人类社会经济发展所需的重要战略性资源。随着子牙河流域内人口增长，社会经济的快速发展以及生态环境的改善，水资源的供需矛盾日益突出，水资源已成为制约流域内经济社会发展的短板。目前，流域内各市根据实际情况，通过南水北调、引黄入冀(津)等工程引调外水，开展平原区地下水压采，提高水资源利用率等方式开源节流，在很大程度上改善了流域内缺水状况。为进一步缓解子牙河流域水资源紧张现状，促进本流域快速发展，本文通过分析流域内水资源利用结构，在引入外水和压采地下水等方式基础之上，讨论利用虚拟水贸易进口水密集型产品间接满足区域水资源需求[1]以缓解子牙河流域水资源短缺现状的可行性。

1 水资源概况及利用结构

子牙河流域由滏阳河、滹沱河两大支流组成，位于海河流域的中南部，西至太行山，东到渤海湾，南北分别与漳卫河和大清河系相连，涉及山西、河北、天津3省市70多个县(市、区)，流域面积46868km2。子牙河流域地处半湿润半干旱区，属暖温带大陆性季风气候，流域多年平均降雨量约为540mm，其中衡水、沧州两市平原区降雨量约为500m，降雨量年内分布不均且地区分布差别较大。自上世纪70年代至今，流域内社会经济快速发展，人口保持增长态势，城市化率不断提高。截止2016年，流域内人口总数量约为2000万人，工业、农业及城镇、农村用水量急剧增加。为此，流域内大量使用地表水和开采地下水。根据《海河流域水文资料》(子牙河水系年鉴)统计，上世纪70年代(1972—1979年)流域年平均径流量为6.83亿m3，21世纪初(2006—2011年)流域平均径流量为2.97亿m3，流域内径流量呈逐年减少趋势。由于地表水无法满足社会发展需要，子牙河流域各市大量超采地下水。21世纪初流域内地下水平均埋深较90年代同期平均下降近18m，其中冀枣衡漏斗在2003年底埋深为71.79m，比20世纪80年代下降了24.05m[2]，地下水资源超采严重，可开采量持续减少。目前，子牙河流域地表水利用率在90%以上，超过国际标准2倍多，浅层地下水开发利用率达到1.49，水资源供需矛盾十分突出。

根据海河流域水资源公报(1998—2017)统计，近20年来，农业用水占流域总用水量的68%左右，工业用水占总用水量的15.8%左右，生活用水占总用水量13.8%左右，其余为生态用水，占总用水量的3.22%。

2 主要农、畜产品虚拟水含量

在工农业生产过程和服务中所消耗的水被认为是嵌入在产品、服务中的虚拟水[3- 4]。虚拟水不是真正的水，是指依附于某一物品中的，看不见摸不着的水，但却又是生产这种产品和服务所必需的水。农业生产中，种植农作物、养殖畜产品全过程周期所需要的总水量为依附于农产品中的虚拟水。通过计算单位农作物产品的虚拟含水量可以看出该产品的实际耗水程度[5]。子牙河流域光照条件好，土地平整集中，适合大规模农作物种植，是我国主要的粮棉基地。在流域用水结构中，农业用水量占比最大，因此本文重点分析流域内主要农产品的虚拟水含量。

2.1 主要农产品虚拟水含量

按上段所述虚拟水定义可知，农产品虚拟水含量是单位面积需水量与单位面积产量的比值。农产品需水量指在正常生育状况和理想土壤、水分、肥料、技术措施条件下，在作物全生长周期，作物消耗于蒸散的水量，由作物生理和田间生态用水组成。影响作物需水量的因素有多种，其中气象、土壤、作物种类等因素是主要因素。气候因素对作物需水量的影响可用作物水分潜在蒸散发量来表示，作物的生物学特征(主要包括作物的种类、品种、生长发育节律等)及其生长发育状况对作物需水量的影响一般采用作物系数KC来表示[6]。在实际工作中，为便于计算，通常使用联合国粮农组织修订的penman公式进行水分潜在蒸散发量的计算来反映气象条件对需水量的影响。

(1)

式中，ET0—作物水分潜在蒸散发量，mm；P0—海平面标准大气压，mbar，P—计算地点实际气压，mbar，Δ—饱和水汽压-温度曲线上的斜率，mbar/℃；r—温度计常数，mbar/℃；ea—空气实际水汽压，mbar；es—饱和水汽压，mbar；u2—2m高处风速，m/s，C—风速修正系数。

作物需水量计算公式为：

E=Kc×ET0

(2)

式中，E—作物需水量，mm，KC—作物系数(采用联合国粮农组织推荐的作物系数表)，ET0—作物水分潜在蒸散发量，mm。

农作物单位质量虚拟水含量计算公式为：

(3)

式中，SWD(n，c)—区域n作物C的虚拟含水量，m3/t；CWR(n，c)—区域n作物C生长期内每公顷的需水量，m3/hm2；CY(n，c)—区域n作物C的产量，t/hm2。

选取流域内常见的冬小麦、夏玉米、棉花、蔬菜、薯类、水果等农作物产品进行虚拟水含量分析。计算农作物虚拟水含量首先计算流域内农作物水分潜在蒸散发量，乘以相应作物系数，得出作物全过程期的需水量。然后通过单位面积产量，得出农作物单位产品虚拟水含量。根据2000—2010年《河北省经济统计年鉴》等数据计算出流域内主要农作物产品单位虚拟水含量，详见表1。

表1 子牙河流域主要农作物产品单位虚拟水含量表 单位：m3·kg-1

2.2 部分畜产品虚拟水含量

畜产品的虚拟水含量首先需要确定动物对水资源的消耗，然后再在不同动物产品之间进行分配。直接由动物提供的产品称为第一类动物产品，由第一类动物产品加工得到的产品，称为第二类产品，在此只计算第一类动物产品的含水量[7]。第一类动物产品虚拟水量由动物饮用水、饲料所含虚拟水量、必要的清洁水量等部分组成。根据2000—2010年《河北省经济统计年鉴》等数据，利用上述方法综合计算出流域内主要牲畜单位产品虚拟水含量，详见表2。

表2 子牙河流域主要畜产品单位虚拟水含量表 单位：m3·kg-1

通过表1、表2可以发现，畜产品的单位产品虚拟含水量明显高于农作物，而农作物中冬小麦、夏玉米和棉花虚拟含水量较多，因此选择冬小麦、夏玉米、棉花三种农作物和猪、牛、羊三种畜产品进行虚拟水量计算。根据流域内相关市经济年鉴统计，2009年流域主要内冬小麦、夏玉米、棉花产量及猪、牛、羊肉产量见表3。

表3 2009年子牙河流域主要农作物、肉类总产量表 单位：万t

通过主要农作物冬小麦、夏玉米、棉花、肉类总产量和单位虚拟水含量可算出2009年子牙河流域内冬小麦虚拟水总量为93.85×108m3，夏玉米虚拟水总量为73.58×108m3，棉花虚拟水总量为40.13×108m3，猪、牛、羊的虚拟水总量分别为37.23×108m3、35.47×108m3、5.12×108m3。2009年子牙河流域实体水供水量约为54亿m3，其中农业用量约为37.77亿m3，主要农作物及畜产品虚拟水量是农业用水量的7.56倍。

3 农业产业结构调整与虚拟水贸易

3.1 调整农业产业结构的必要性与可行性

子牙河流域地处温带半湿润半干旱性大陆季风气候区，光照条件充足，适宜大部分农作物种植，是河北省重要的粮棉产区，同时也是河北省乃至全国的严重缺水地区，流域水资源量只占海河流域总资源量的16%左右，占全国人均水资源量7%左右。因此子牙河流域应在保证粮食产量安全的前提下，测算主要农作物及畜产品虚拟水含量，适当调整种植结构，以达到节约水资源的目的是必要的。

流域内6—9月份气温较高，雨量相对其它月份充沛，且与夏玉米、棉花、薯类等农作物生长期基本一致，气象条件有利于大部分农作物生长；近年来随着地下水压采工程陆续实施，改变了原来田间大水浇灌模式，加之政府鼓励种植经济价值较高、节水效益明显的作物，因此在子牙河流域调整农业产业结构是可行的。

3.2 调整优化农产品结构节水效益分析

一个国家人均粮食占有量越大，表示粮食安全水平越高。一般认为粮食人均占有量为400kg左右，即属安全范畴[8]。2009年流域内冬小麦产量为823.21万t，夏玉米产量为791.13万t，夏玉米65%用于饲料，则综合统计粮食人均占有量为550kg，高于粮食人均占有量400kg的安全标准。流域内主要农作物种植面积从大到小依次为冬小麦、夏玉米和棉花，其中全生育期冬小麦需水量约3500m3/hm2，全生长期从10月至次年6月，共8个月，且处于降水量少的月份；夏玉米需水量约2700m3/hm2，全生长期为6—9月，共3个月；棉花需水量约4100m3/hm2，全生长期为4—10月份，其中7—8月份需水较多。观察上述三种农作物全生长期内需水量与降水量，发现冬小麦生长期与雨季不重合，生长期需水量中灌溉用水占绝大部分，夏玉米和棉花生长期与雨季基本重合，生长期需水量则可利用自然降水进行补给。因此初步设想通过缩减冬小麦种植面积，增加棉花种植面积，以达到节水目的。依据《河北省地方标准<用水定额>》(DB13T1161—2016农业)，按50%保证率计算，流域内主要农作物基本灌溉用水定额与虚拟水资源量对比见表4。

表4 子牙河流域主要农作物灌溉用水量与虚拟水资源量对比表 单位：m3·hm-2

通过表4可以看出，棉花比冬小麦灌溉用水量少975m3·hm-2，流域内耕地面积约为303.6万hm-2，如将其中10%改种棉花，则可节水2.69亿m3，人均粮食占有量约为509kg；20%改种棉花，可节水5.38亿m3，人均粮食占有量约为468kg，仍然满足粮食安全要求。通过调整冬小麦种植面积，在保证粮食安全的前提下，节水效益明显。在进行农作物结构调整同时，优化养殖种类，减少大型牲畜养殖数量；调整作物播种期，使降雨高峰与作物需水高峰尽量重迭或接近[9]；利用节水技术，进一步降低冬小麦、玉米的单位虚拟水含量，可进一步扩大节水效益。

3.3 发展虚拟水贸易

发展农业节水不仅要在区域内部大力实施节水，切实提高用水效率，调整种植结构，还应从全局角度出发，考虑如何应用外部资源，缓解区域用水紧张局面[10- 11]，虚拟水贸易便是在此背景下应运而生的。虚拟水贸易(Virtual Water Trade)是指国家或地区通过进、出口水密集、水稀疏型产品来达到进、出口水资源的目的。不同地区、相同农作物虚拟水含量的差异为区域间的虚拟水贸易提供了基础，虚拟水贸易又成为水资源流动的新形式，因此形成了人与粮食、贸易之间特殊的关系。虚拟水贸易战略强调量水而行，以水定产[12]，从区域角度看，利用虚拟水战略不仅可以提高单位水资源的利用效益，而且可以保证粮食安全[13、14]。河北省粮食对外贸易主要集中在小麦、玉米、大豆和大米[15]，自21世纪以来，流域内各地市玉米出口量持续减少，而高耗水的豆类进口量却持续增加，大米基本为净进口，小麦交易量略有波动，但总体进口大于出口，造成流域内虚拟水进口量持续增长，缓解了流域水资源压力。因此，流域内各市可通过调整种植、养殖结构，向外推销蔬菜、水果等经济价值较高的水稀疏型产品；从优质产粮省份、畜牧业大省(如黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古等)购入所需的粮食和畜牧产品等水密集型产品，加强虚拟水贸易，增加流域外水资源消费，以达到节约水资源的目的，促进流域的可持续性发展。

4 结语

通过测算子牙河流域内主要农产品虚拟水含量，在保证粮食安全前提下，分析调整不同品种种植面积可以节约的水资源量，以此为依据进而优化种植、养殖结构并结合虚拟水贸易来缓解水资源短缺压力。虚拟水调入与从流域外调水或开采地下水相比，可在不新建水利设施、不会造成引入区或输出区生态环境破坏的同时，达到节约水资源的目的。但同时应看到，虚拟水及相关贸易是一个系统工程，受经济、社会、环境生态等多方面影响，是具有局限性的，不应随意扩大虚拟水的应用范围。虚拟水方法为节约水资源提供了新的管理理念，因此通过虚拟水及适当范围内的贸易缓解子牙河流域水资源短缺现状是可行的。