乌昌石城市蓝水足迹测度及空间转移——基于MRIO模型

吕正寅，孙建光

(新疆财经大学，新疆 乌鲁木齐 830012)

新疆位于中国西北边陲，高速发展下全年生活用水量比国家规定的地区用水总量控制红线超出66.82×108m3，水资源压力最大是克拉玛依和乌鲁木齐[1-2]。区内“绿洲经济，灌溉农业”经济生产形式，巨大的贸易流量以农产品和基础能源产业部门为主导，使得水维持经济发展刚性需求日渐增加[3-4]。新疆的天山北坡城市群是“十四五”规划纲要中推动城市群一体化发展指出的国家级19个重点城市群之一，仍处于“培育发展”之列[5]，在天山北坡核心区域上，乌鲁木齐协同昌吉和石河子三地的城市集群是新疆人口和城镇最为集聚的区域，资源条件和环境载荷极为优越，对全疆经济转型以及“一带一路”的倡导起着引领作用，迫切寻求排解水资源压力。

20世纪90年代，Tony提出了衡量隐含在产品或者服务中非实体存在的虚拟水概念，2002年Hoekstra进一步结合生态足迹与经济学理论第一次用水足迹来表述维持一定人群消费的产品和服务所必需的水量[6-10]。后续实际研究中分为蓝、绿、灰3种水足迹，重点关注蓝水足迹，即消耗会造成地区水资源和环境压力的地表水和地下水量[10]，绿水足迹表现形式为实际降水消耗量，灰水足迹则度量污染排放对水体占用的理论稀释水量[11]。

针对干旱地区缺水问题的水足迹核算，关键在于贸易流量，当前基于生命周期分析(LCA)定量的自上而下法和自下而上法是主流[12]：自下而上法是过程分析，通过详细的过程数据计算贸易中的商品和服务的单产虚拟水含量来估算蓝色水足迹，常针对农产品讨论[13-14]，该法未考虑整个工业供应链，不区分中间使用和最终使用，缺乏对行业和服务的详细描述。自上而下法基于消费平衡理论，能体现对外部水资源的依赖程度，其中投入产出理论的引入使得让产业和地域之间的普遍联系得到了显露[15-16]，也更适用于可获取公共数据的地理尺度单位[17-18]。Bogra S[19]等利用130个部门2003—2004年的印度经济型投入产出表，明确了绿、蓝以及稀缺地下水足迹，发现印度净进口微不足道。曾贤刚等[20]利用WIOD版本的2003—2017国家级单区域的投入产出表，替换相似地理国情的耗水系数，量化了10个与中国农产品贸易额最大的国家产生的蓝水足迹净进口。雷雨等[21]、苏守娟等[22]运用RAS法叠加分别得到的北疆、南疆投入产出表，发现北疆蓝、绿水足迹流出与流入的大部分均与国内其他省份相关，南疆由于农业部门表现为对外净调出。以上单区域的投入产出研究无法兼顾多边关联，而多区域投入产出模型(MRIO)更具优势[23]，不仅便于测算国际间[15]、全国省际间[16,24-25]蓝水足迹的空间转移，而在流域或重点经济圈内，Islam K M N[26]对澳大利亚5个首都城市、夏广慧等[27]对黄河流域五省区、曹涛等[28]对京津冀三省市、田贵良等[29]对长江经济带11个省市的蓝水足迹转移进行了省际尺度的研究。可以发现，MRIO普遍依据全国省际间投入产出表，测算出了新疆流出规模巨大，阎晓东等[30]、孙才志等[31]分别从源-汇地分析与社会网络分析SNA，构建了中国省际间的核算的水足迹空间关联网络，指出了新疆影响力较强净溢出的角色。但在城市尺度上，尤其是用水矛盾突出的疆内仍较缺乏关注，主要是SRIO区域化设计难度极大，当前较为成功的案例为河北11城市的MRIO[32]；其次，很多研究只是套用了水足迹的概念，常默认将水足迹与蓝水足迹划上了等号，在模型基础的直接水量数据选择上通常是取水量、用水量甚至是用水定额等，尤其是体现在工业和生活部门，这样不考虑退水量的核算夸大了蓝水足迹的数值，而耗水量才是真正能代表无法回归水循环系统的蓝水量指标；最后，基于投入产出往往还会对部门尤其是工业部门整合程度较高，不仅难以对部门准确识别，也会对核算的准确性造成较大影响。

中国碳核算数据库CEADs编制的投入产出表与国家统计局国民经济核算司、中国科学院地理科学与资源研究所等机构互为补充，深受水足迹领域学者的认可。因此，本文使用CEADs新发布的全国城市间投入产出表，推算获取该年度各区域细分工业部门的耗水量数据，应用在新疆天山北坡经济带核心区位的乌昌石城市集群上，参考LCA的评价理论，分别从生产和消费视角核算乌昌石城市蓝水足迹，并对乌昌石城市间的水足迹关联、以及与区域外的蓝水足迹空间转移格局进行分析，为乌昌石城市协同发展中的水资源配置，以及对外贸易安排上提供合理参考。

1 研究方法

1.1 蓝水足迹MRIO模型构建

在包含s个区域，每个区域又分为n个部门的价值型投入产出表中，增加耗水行向量作为卫星账户，得到扩展的水资源型多区域投入产出模型(MRIO)。

需求平衡公式写为：

(1)

引入对单位直接消耗量进行解释的直接消耗系数：

(2)

故平衡式为：

(3)

矩阵形式为：

X=AX+F+E

(4)

其中X、F、E分别为ns×1的总产出、最终产品、出口列向量，A为ns×ns的直接消耗矩阵。移项得到非异阵(I-A)，其中I表示单位矩阵，则存在(I-A)-1=L表示ns×ns的列昂惕夫逆矩阵(Leontief)，即：

X=(I-A)-1×(F+E)

(5)

援用直接耗水系数：

(6)

(7)

核算公式分别为：

(8)

(9)

Rr、Ur、Gr、FCr、INr分别对应区域r的农村居民消费、城镇居民消费、政府消费、固定资本形成和存货增加的ns×1的列向量，为f划分出的5类最终需求。

在消费视角下，令D=[d1,d2,…,ds]，核算区域r总蓝水足迹：

(10)

区域r消费蓝水足迹中来源于外部区域的部分为：

(11)

由于本文仅限于国内区域之间，多区域的蓝水足迹转移不考虑进出口，在建立模型时已经剔除了中间产品和最终产品中的进口部分，因此本文中的总蓝水足迹是用于国内最终需求的蓝水足迹量，地区转移水量所占的比例会相对偏大。于是核算蓝水足迹的转移，对D进行对角化处理：

(12)

其中

(13)

可计算得到完全耗水系数矩阵：

(14)

T表示完全耗水系数矩阵，其内的trk表示的含义是为满足区域r各部门单位最终需求在整个生产过程中对区域k各部的完全耗水总和。

据此，可测算最终需求拉动的区域r转移到区域k的蓝水足迹量：

(15)

式中 VWrk——区域r转移到区域k的蓝水足迹量；fmk——区域k从区域m得到的农村居民消费、城镇居民消费、政府消费、固定资本形成、存货增加的加总得到的n×1最终需求的列矩阵。

同理，如果将trm中对应第i行和fmk中对应第j行的元素保留，其余为0后得到的矩阵代入，则最终可以得到区域r部门i供给区域k部门j的水量。最终归纳出乌昌石与其他区域之间各部门转移水量和转移方向，得到水足迹转移矩阵。

1.2 数据来源

选取CEADs发布的2012年中国313个城市(没有纳入香港、澳门和台湾)42部门的多区域投入产出表[33]。整理合并313城市得到34个区域(乌昌石三地，新疆其他地区，以及包含西藏在内的中国大陆其他的30个省、市、自治区)的MRIO，再按照GB/T 4754—2011《国民经济行业分类》合并为19个部门(包括17个第二产业、1个第三产业和1个第一产业)。

水足迹核算的对象包含绿、蓝、灰3种，但考虑到绿水不具备造成地区水资源压力的竞争性，也难以再分配被种植业以外的生产活动直接利用，灰水则是假设性水量数值，主观性较强，二者在现实性和重要性上均无法与蓝水足迹相提并论，因此本文讨论缓解乌昌石城市水资源耗用的压力，仅将的蓝水足迹作为核算对象。

各地各部门耗水量数据的根据公开数据整理推算：各地总供、用水量查阅《中国城市统计年鉴2013》，各地划分产业用水量以及耗水率等根据国家统计局《环境统计数据2012》以及各省、市、自治区《统计年鉴2012—2014》《水资源公报2012》相互调整获得。各地区工业划分到各部门取水量在《中国经济普查年鉴2008(能源卷)》中有公布，建筑业采用各地《第一次水利普查公报2013》中对2011年普查的数据，将数据年份映射至2012年[21]，对于地区水资源公报中有公布部门耗水率的则根据用水量与耗水率计算，否则根据映射的用水比例将耗水量分配至各部门。乌昌石城市利用各部门年末产出信息与用水量定额与《新疆水资源公报2012》中各地分产业耗水数据估计，其他经济信息数据来源于各地《2012年国民经济和社会发展统计公报》。

2 结果

2.1 乌昌石地区的生产和消费视角蓝水足迹分析

图1显示了乌昌石城市的两方视角核算的蓝水足迹构成。2012年乌昌石城市国内生产蓝水足迹33.83亿m3(乌昌石分别为5.46亿、26.32亿、2.05亿m3)，而包含居民生活耗水和生态耗水的消费蓝水足迹总量为64.03亿m3(分别为36.69亿、18.65亿、8.69亿m3)；生产中21.83亿m3用于满足外部区域，而消费中高达50.95亿m3来自外部，表明乌昌石对外依赖程度高，消费蓝水足迹量最高的乌鲁木齐自给率也是最低的，仅有11.06%，生产量最多的昌吉也仅有25.19%。乌昌石城市中石河子受制于水资源总量(0.11亿m3)，压力巨大。

乌昌石城市生产蓝水足迹中农、林、牧、渔业占据了绝对的领导地位，贡献超90%(乌昌石分别为79.85%、97.60%、77.60%)，其中昌吉和石河子在供给外地部分中占比更高(分别达到了97.87%、79.63%)，这是由于当年昌吉种植业有较大扩张，增加了高耗水的粮食作物和棉花等经济作物，但减少了耗水量低的蔬菜种植面积，年末公布产量信息中，粮食和油料的同比减产，增加了2种作物产品单位蓝水足迹含量，伴随对外贸易量的增加昌吉和石河子向外地供给了更多蓝水足迹。第二产业生产的蓝水足迹占比在5%左右(乌昌石分别为16.11%、2.21%、21.65%)，昌吉和石河子在供给本地部分中占比更高(分别为3.17%、24.10%)，主要集中于电、热、燃气及水的生产和供应业、采矿、食品、非金属矿物制品、金属冶炼及压延加工等制造业，以及石油、炼焦产品和核燃料加工品(乌鲁木齐)以及化学产品制造业(乌鲁木齐和石河子)。乌昌石城市消费蓝水足迹构成则更集中于农、林、牧、渔业，尤其消费的外来部分中占比达95%，乌昌石城市有17个部门消费主要依靠外来，除建筑业之外，乌鲁木齐在石油、炼焦产品和核燃料加工品业、石河子在食品、纺织、化学产品制造业以及电、热、燃气及水的生产和供应业也实现高度自给。

图1 生产和消费视角下乌昌石蓝水足迹构成(万m3)

结合生产和消费两方视角发现：乌昌石城市蓝水足迹消费量几近生产的2倍，但生产中仅有约1/3用于本地消费。乌鲁木齐和石河子低生产高消费，但乌鲁木齐生产供给外地少消费源于外地多，产业布局相对更优，消费模式粗犷对外依赖最高；昌吉和石河子生产供给外地占比与消费外来占比双高，但昌吉偏重于高耗水生产，石河子效率最低，且间接耗水更多。

2.2 乌昌石城市间的蓝水足迹转移分布格局

核算得乌昌石城市内部蓝水足迹13.09亿m3，其中3.29亿m3在城市间转移，乌昌石转出分别占当地生产的3.42%、10.90%、11.51%，转入则分别占当地消费的6.88%、1.07%、7.14%，发现石河子转移更集中在乌昌石城市内，但总体来看，乌昌石内部相扶自足能力非常有限。

图2直观展示了乌昌石城市部门间联系。首先是各地农、林、牧、渔业间接提供蓝水足迹给本地的食品制造业、服务与交通业，以及多个制造业部门向建筑业转移了较大比例的蓝水足迹量(平均大于部门转出量的25%)。乌昌石城市中，乌鲁木齐的电、热、燃气及水的生产和供应业主要转向当地建筑业、服务与交通业以及化学产品制造业；石河子农、林、牧、渔业首要为当地的纺织及纺织制品业转移蓝水足迹量，这是由于石河子盛产的棉料等为本地加工制造提供了大量原材料，此外，石河子的电、热、燃气及水的生产和供应业也为本地建筑业、纺织及纺织制品加工业提供了大量间接蓝水。

其次，在乌昌石之间，农、林、牧、渔业向各地同部门以及食品制造业和服务、交通业转移较明显，尤其乌鲁木齐食品制造业从昌吉该部门得到的水量是本地该部门转入水量的2.38倍，石河子也达到了1.25倍，这说明的是两地食品制造与昌吉初级生产较强的关联性。此外，昌吉转移蓝水足迹量的前五个部门向乌鲁木齐、石河子的建筑业转移比例平均是各部门转出量的10%左右。

注：乌昌石城市首字及后接1—19对应各地区的19个部门。

2.3 乌昌石城市与外部区域的蓝水足迹转移分布

乌昌石城市与外部转移蓝水足迹总量达72.78亿m3，包含转出21.83亿m3(分别1.79亿、19.10亿、0.95亿m3)，转入50.95亿m3(分别30.15亿、13.75亿、7.05亿m3)。图3刻画了乌昌石和各地蓝水足迹空间转移。

图3 乌昌石与国内各地的蓝水足迹转移分布(万m3)

①转出上，疆内其他地、州、市是乌昌石城市最大的转出目标地，共输出6.52亿m3(分别占乌昌石转出蓝水足迹量的38.68%、28.30%、44.36%)。乌昌石向疆外共转出15.32亿m3，其中乌昌石城市转出最多的省份均是山东，共转出2.09亿m3，若合计全疆向山东转出量则高达27.61亿m3，这与其他学者在省级尺度上核算的结果一致[34]。乌昌石城市转出超过1亿m3的省市还有上海、广东、浙江。此外，辽宁、河南、河北、江苏、四川等当年的经济大省也在乌昌石城市转出前列，而垫底的则主要是西北各省。②转入上，新疆其他地、州、市向乌昌石转入45.47亿m3，分别占三地转入的86.44%、92.82%、94.23%。疆外共向乌昌石转入5.48亿m3，转入前列的均是中国农业大省(江苏、安徽、河南、黑龙江、河北)，且转入量更集中，而转入最少的地区则包括西北各省、海南、山西、北京、天津等。

综上，乌昌石城市蓝水足迹转出以昌吉为首，主要是去向国内其他省市，且大量转移到水资源相对丰富区域，对乌昌石地区经济发展过程无疑造成了巨大的水资源压力；转入以乌鲁木齐为主，极度依靠疆内，将压力重点转嫁给了新疆其他地、州、市；而石河子的转移更集中在疆内。乌昌石共净转入蓝水足迹29.11亿m3，从疆内其他地、州、市净转入了38.95亿m3，而对疆外各地净转出9.84亿m3，其中对乌昌石城市净转入的只有甘肃、广西、吉林、江苏四省(自治区)。

2.4 乌昌石与外部蓝水足迹转移的部门格局分析

乌昌石城市对外贸易产品以棉纱、棉机织物、肠衣、地毯等为主，但是除石油、炼焦产品和核燃料加工品业之外部门全部为外部净输入蓝水足迹。

图4、5展示乌昌石城市与外部转移的部门格局，由于与疆内蓝水足迹转移水量远高于其他地区，图4描绘乌昌石城市与疆内的转入转出蓝水足迹的部门构成，图5是选择与乌昌石各地转移量最多的9个地区作为代表地区，仅标注重点部门。

与疆内转移的蓝水足迹中农、林、牧、渔业的占比普遍更高，尤其是转入部分。乌昌石城市从疆内该部门及服务与交通业净转入了蓝水足迹，但在工业部门上总体向疆内其他地、州、市净转出，主要是石河子化学产品制造业、昌吉金属冶炼及压延加工业以及两地电、热、燃气及水的生产和供应业，乌鲁木齐石的油、炼焦产品和核燃料加工品、金属冶炼、电气、通信及仪表制造业。

a)转出

与疆外转移的蓝水足迹构成更多样，尤其在转入中第一部门占比下降，但乌昌石城市仍仅在该部门与石油炼焦产品和核燃料加工品对疆外净转出。从疆外净转入部门中，电、热、燃气及水的生产和供应业、化学产品制造业、造纸印刷及文体用品业、金属冶炼及压延加工业、通用设备和专用设备等工业部门以及服务与交通业水量最为显著。

综上，乌昌石城市间发展差异明显，但在服务与交通业上从疆内、外均净转入了蓝水足迹。乌昌石城市中，乌鲁木齐生产相对合理且消费水平更高，与国内其他省市的贸易往来更频繁；昌吉在高耗水的第一产业规模效应明显，农畜产品和初级工业产品带动了大量蓝水足迹转移；石河子产业鲜明，对乌昌石城市与疆内其他地、州、市的耗水拉动与蓝水资源影响更显著，在纺织及纺织制品业、电、热、燃气及水的生产和供应业上对疆内净转出，化学产品制造业则做到了全方位净转出。

a)乌鲁木齐向各地转出水足迹的部门构成

3 结论

a)乌昌石城市蓝水足迹消费量64.03亿m3，几近生产量的2倍，转入转出高涨，自给率较低。乌昌石城市由于昌吉与乌鲁木齐分别在生产和消费上引领，农、林、牧、渔业占比的蓝水足迹占比均在90%以上。乌昌石城市中，乌鲁木齐高消费高转入，蓝水足迹的生产自留率和消费依赖度最高，在二、三产业上的蓝水足迹生产量和消费量均是乌昌石地区最高，贸易优势明显，但消费模式粗犷；昌吉高生产高转出，消费自给率相对更高，偏向高耗水产出的模式急需转型；而石河子最受水资源总量胁迫，蓝水生产效率最低，且主要是间接耗水。

b)乌昌石城市间转移较少，自足能力有限，主要表现为昌吉向另外两地转移。但乌昌石城市协同化发展之下跨地区的部门间关联紧密。乌昌石城市同疆内其他地、州、市转移最显著，向疆内转出6.52亿m3(其中昌吉转出5.41亿m3)，转入45.47亿m3(其中乌鲁木齐得到26.06亿m3)，净转入集中在在一、三产业，但第二产业上昌吉和石河子净转出了少量蓝水足迹。乌昌石城市对疆外共净转出9.84亿m3，主要由昌吉和石河子为中国经济发达的东部、东南沿海地区，以及东北地区和东部地区承担了第一产业的蓝水足迹压力，此外还有石油、炼焦产品和核燃料加工品业净转出，其他部门于疆外全部净转入。

4 建议

根据乌昌石蓝水足迹转移的结果分析，为乌昌石城市提出以下建议。

a)基于生产视角应注意昌吉和石河子两地，昌吉偏重高耗水的生产结构需要得到调整，长期依靠高耗水经济作物对于当地水环境来说得不偿失，合理分配蔬菜水果的种植，同时提升服务业加快转型。石河子水资源总量的压力最大且对乌昌石城市蓝水足迹的拉动最强，其种植业节水化程度在乌昌石城市中处于领先地位，因此直接耗水效率的提高要重点关注电、热、燃气及水的生产和供应业，间接耗水上则要对农、林、牧、渔业、化学产品制造业、纺织及纺织制品业等减少对疆内地区蓝水含量较高的中间产品使用，扩大与疆外的贸易联系。

b)基于消费视角应重点对乌鲁木齐消费结构优化，乌昌石城市中突出的人口数量与高消费水平，生产自留率较高，但更加依赖疆内的转入，建立科学的消费结构首先要选择同等类型下蓝水含量更少的产品服务，因此要关注单位蓝水足迹含量，加强与农业大省或水资源丰富地区的转入联系，缓解对疆内水资源压力的转嫁，进一步则要提倡低耗水绿色消费。

c)应对乌昌石城市的蓝水足迹转移所体现出的新疆存在的转移矛盾——向经济相对发达或水资源量丰富地区转移，且转出结构以农畜产品和初级工业产品为主，转入则集中在设备制造业和服务业上。需要继续扩大乌鲁木齐在乌昌石城市中的服务与交通业的优势，并且在通用、专用设备及电器、通信及仪表制造业这样薄弱的部门上领先发展。根据乌昌石城市探索的经验引领新疆转型。