基于多区域投入产出模型的京津冀地区虚拟水贸易分析

韩宇平， 李想， 苏潇雅， 黄会平， 林睿， 张俊峰

(1.华北水利水电大学 水资源学院，河南 郑州 450046；2.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄 050011)

水资源是自然生态系统和人类生存发展的重要保障，2019年我国用水总量为6 021.2亿m3，是世界上用水量最大的国家，但我国水资源总量并不丰富，人均水资源量不足世界平均水平的30%[1-2]。随着我国城市化、工业化过程的不断深入，水资源需求快速增加。据统计，现阶段我国有超五成的人口和土地面临水资源匮乏问题[3]。1993年，英国学者ALLAN John Anthony首次提出虚拟水的概念，指出虚拟水为生产产品或服务过程中所消耗的水资源量[4-5]。2003年，HOEKSTRA Arjen[6]提出虚拟水战略，即缺水地区可以从其他区域进口水资源密集型产品，从而达到减缓水资源短缺的目的。在全球经济一体化发展的进程中，隐含在商品中的虚拟水输入成为缓解水资源匮乏地区水资源危机的有效途径之一，虚拟水贸易研究日益受到重视[7-8]。目前，关于虚拟水的研究有两种方法，分别是以生产树为代表的自下而上的方法和以投入产出法为代表的自上而下的方法[9-12]，后者是基于经济投入产出表与部门水资源消耗情况计算部门间的虚拟水流动关系的。

近年来，基于投入产出方法的虚拟水核算逐步成为国内外的研究热点[13-16]，它不仅可以核算国民经济生产各部门产品的水资源利用效率，还可以系统地分析各地区虚拟水的贸易及流动情况。多区域投入产出模型在我国虚拟水流动及贸易研究中被广泛应用，在全国层面上，JIANG Yongkai等[17]研究了国内虚拟水贸易状况，指出水资源匮乏省份为水资源输出区域，经济发达地区严重依赖外部虚拟水的输入；ZHANG Chao等[18]指出中国虚拟水由北向南流动，与中国水资源的分布走向相反。在区域层面，孙才志等[19]在测算中国八大区域虚拟水总量的基础上，进一步分析了农业虚拟水的空间分布特征及影响因素；王雪妮[20]、杜依杭等[21]分别测算了中国八大区域的虚拟水转移情况。在流域层面，田贵良等[22]研究了长江经济的虚拟水流动特征，并指出上游省区之间、中下游区域间各自的贸易交流频繁，但上游同中下游省区虚拟水贸易联系不强；TIAN Guiliang等[23]研究了黄河流域内部省区的产业结构，认为经济发达的省份主要从农业部门进口虚拟水，经济较不发达省份主要从工业部门进口虚拟水。不过，以往的研究多以分析空间格局为主，没有加强空间与部门的联系。

京津冀地区属于典型的资源型缺水地区，2015年人均水资源占有量不足200 m3[24]，以不足全国1%的水资源量承载着全国8%的人口和10%的GDP，成为水资源环境严重超载地区之一[25-26]。随着京津冀区域的协同发展，雄安新区的发展扩大，京、津、冀三地在经济贸易方面交流愈加频繁，人民生活生产用水及生态用水的增加会对水资源可持续利用造成重大影响，水资源供需矛盾等问题限制了京津冀一体化协同发展战略的实施。本文在2015年中国区域间投入产出表的基础上，构建多区域投入产出模型，核算京津冀区域内部不同产业部门间虚拟水转移量和该区域同其他省份的贸易情况，为实现地区水资源优化配置、虚拟水战略制定、缓解水资源压力决策提供支持。

1 研究方法与数据来源

1.1 数据来源

京津冀多区域投入产出表来自《2015年中国31省区市42部门区域间投入产出表》(http://www.ceads.net/)，将表中的42个产业部门合并为13个，包括农业(01)、采选业(02—05)、食品及烟草业(06)、纺织服装业(07—08)、木材加工业(09)、造纸及印刷业(10)、石油化工业(11—12)、金属及非金属业(13—15)、设备器材制造业(16—21)、其它制造业(22—24)、电气及水供应业(25—27)、建筑业(28)和服务业(29—42)(产业部门后面序号为投入产出表中序号)。农业、工业、服务业用水量来源于各省区2015年水资源公报。由于各地水资源公报中仅有工业部门用水总量，因此本文按照《中国经济普查年鉴》中各工业部门用水量的比例把2015年水资源公报中的工业用水数据进行划分，得到除建筑业外的10个工业部门用水量，建筑业用水量由2012年建筑用水量占用水总量的比例推算求得。用城市生活用水减去城市居民生活用水量求得第三产业用水量，再用第三产业用水量减去建筑业用水量得到服务业用水量[27]。

1.2 计算模型

1.2.1 用水系数

1)直接用水系数。直接用水系数表示某地区j产业部门生产单位产品的过程中所直接投入的水资源量，其计算公式为：

(1)

式中：fj为该地区j产业部门直接用水系数，m3/(万元)；Wj为j产业部门的用水量，m3；Uj为j产业部门的总产出，万元。

2)完全用水系数。完全用水系数为直接用水系数和间接用水系数的总和，是指该产业部门增加单位产品而引起的整个经济体系总用水量的增加量，可以用来衡量部门生产过程中对整个经济体系的水资源压力，其计算公式为：

f′j=fj(I-A)-1，

(2)

(3)

式中：f′j为该地区j产业部门的完全用水系数行向量，m3/(万元)；I是单位矩阵；aij为直接消耗系数；A为由aij构成的直接消耗系数矩阵；xij为j部门生产过程中需要i部门的投入，万元。

3)拉动系数。拉动系数，又称用水乘数[28]，表示j产业部门产出增加单位耗水量后引起的整个经济系统耗水量的增加程度，用于研究j部门的生产变化对整个经济系统用水的带动作用，其计算公式为：

L=f′/f。

(4)

式中：L为拉动系数;f′为产业部门的完全用水系数；f为产业部门直接用水系数。

1.2.2 虚拟水产业部门之间的转移量

为求虚拟水在产业部门之间的转化运移量，引入虚拟水转移矩阵TVw，计算公式如下：

(5)

Vw=fX(I-A)-1。

(6)

式中：Vw为完全需水矩阵，m3；f为直接用水系数行向量；X为中间投入矩阵，万元；TVw为虚拟水转移矩阵，m3，是完全需水矩阵与自身转置之差。

1.2.3 虚拟水区域之间的流动量

虚拟水区域之间流动量的计算式为：

(7)

式中：Qm-n为m地区从n地区获得的净虚拟水量，m3；f′jn和f′jm分别为n地区和m地区j部门的完全用水系数；tjn表示m地区从n地区获得的j部门产品的总价值，万元；tjm表示m地区调出到n地区的j部门产品的总价值，万元。

2 结果分析

2.1 产业部门用水系数

依据公式(1)—(4)，结合2015年京津冀地区合并后的投入产出表和各产业部门用水量，计算区域不同产业部门的直接用水系数、完全用水系数和拉动系数，结果见表1。

表1 京津冀产业部门用水系数

由表1可知，农业的直接用水系数最大，为226.1 m3/(万元)，远高于其他产业部门，说明农业生产单位产品需消耗大量的水资源，用水效率低下。设备器材制造业和其他制造业的直接用水系数最小，均为0.5 m3/(万元)。食品及烟草业的直接用水系数为1.6 m3/(万元)，完全用水系数为80.7 m3/(万元)，拉动系数最大，为50.4。拉动系数大说明生产过程中间接消耗的水资源量大，且与其他产业部门联系密切，增大该产业部门产出将较大程度引起其他部门的水资源消耗。对京津冀地区来讲，农业生产过程中直接消耗的水资源量远大于其他产业部门的，如食品及烟草业、造纸及印刷业、木材加工业等产业部门生产过程中虽然直接用水系数较小，但间接用水量大，导致完全用水系数较大，从而拉动系数大，说明这些产业部门在生产过程中增加产出会引起整个经济系统用水量的增加。因此，在制定区域节水措施时，应同时关注直接用水系数和完全用水系数较大的部门，从产品的整个生产周期角度统筹考虑。

2.2 京津冀区域内部虚拟水转移量

2015年京津冀区域内部各产业部门间虚拟水流动情况如图1所示，图1中流的宽度表示虚拟水流动量及其所占某产业部门虚拟水总量的比例，流动方向代表虚拟水的产业部门去向。由图1可知，农业为最大的虚拟水净输出部门，净输出量为128.9亿m3。因为农业直接用水系数最大，当各种农产品作为原材料流入到各个部门时，所携带的大量虚拟水也会随之流入，为其他各个产业部门的生产活动提供水资源支撑；服务业净输出虚拟水量23.3亿m3，分别流向各个产业部门，两个产业部门都呈现出虚拟水去向多元的特点。食品及烟草业为最大的虚拟水净输入部门，净输入虚拟水量56.8亿m3，虚拟水主要来源于农产品；纺织服装业的虚拟水净输入量为33.8亿m3，农业为主要的虚拟水输入来源。食品及烟草业和纺织服装业的虚拟水流入量较高，中间投入量较大，说明它们作为产业链的末端在生产过程中使用了大量来自其他部门的虚拟水。

图1 京津冀地区产业部门间虚拟水流动结构(单位：亿m3)

北京、天津、河北三省区内部之间的虚拟水流动情况如图2所示。由图2可知：河北为虚拟水净出口省，分别向北京、天津输出虚拟水4.9亿m3、3.6亿m3；北京、天津为虚拟水净输入地区，天津净进口虚拟水3.2亿m3，北京净进口虚拟水量高达4.8亿m3。河北向北京和天津输送了大量水资源，为两地的发展提供水资源保障，是实现京津冀一体化协同发展、促进区域间互利共赢的强有力支撑。

图2 北京、天津、河北虚拟水流动结构

2.3 京津冀虚拟水外部贸易量

2015年，京津冀地区虚拟水输入量为164.5亿m3，输出量为76.1亿m3，净输入量为88.4亿m3。

2.3.1 京津冀分区域虚拟水贸易量

根据公式(7)，核算北京、天津、河北各自的虚拟水贸易量，京津冀分区域虚拟水贸易量见表2。

由表2可知：北京、天津的实体水资源量严重匮乏，需要极大程度依赖于外部虚拟水进口以维持当地发展，其他省区(除河北外)向北京和天津净输入虚拟水总量为103.5亿m3，是两地用水总量的2.2倍，极大地保证了两地的水资源安全。河北实体水资源量较多，是虚拟水净输出地区，净输出量为15.1亿m3，占实体水资源量的8.7%。

表2 京津冀分区域虚拟水贸易量 亿m3

京津冀分区域各产业部门虚拟水贸易占比如图3所示，京津冀分区域实体水资源应用情况见表3。由表3和图3可以看出：北京、天津的用水量较少，分别为25.90亿、22.10亿m3，分别是河北用水总量的14.9%、12.7%。就北京市而言，服务业用水量最多，占北京水资源总量的59.8%，同时服务业是北京虚拟水输出量最大的部门，占2015年北京市虚拟水输出总量的52.5%;农业实体水资源占有量较多，占水资源总量的25.1%，但仍然不能满足自身需求。2015年，北京农业为虚拟水输入量最大的部门，占北京虚拟水输入总量的38.2%。就天津市而言，农业是用水量最大的部门，占用水总量的55.7%；天津的食品及烟草业为最大的虚拟水输入部门，占天津虚拟水输入总量的41.3%，大量的虚拟水输入可在一定程度上缓解北京和天津两地的水资源短缺问题。

图3 京津冀分区域各产业部门虚拟水贸易量占比

河北省是农业大省，农业水资源用量远远超出其他产业部门，农业用水量占总用水量的比例高达77.9%；同时，河北农业为最大的虚拟水输出部门，占河北虚拟水总输出量的50.2%。虽然河北的实体水资源量较大，但人均水资源占有量仅为200 m3左右，农业虚拟水的大量输出在一定程度上加剧了河北的水资源短缺。

表3 京津冀分区域实体水资源应用情况 亿m3

2.3.2 京津冀区域虚拟水贸易量

2015年京津冀地区的虚拟水流动空间结构如图4所示。从图4中可以看出：新疆、黑龙江、江苏向京津冀地区输入的虚拟水量最大；西藏、青海、重庆输入的虚拟水量最小。其中，新疆向京津冀输入虚拟水量为24.0亿m3，占总输入量的14.6%。京津冀对山东的虚拟水输出量最大，为10.7亿m3，占虚拟水总输出量的14.1%，广东(12.2%)、安徽(10.2%)次之。28个地区中有22个地区向京津冀净输入虚拟水，新疆虚拟水净输入量最高，为23.6亿m3，青海虚拟水净输入量最小，为0.1亿m3，新疆的虚拟水净输入量是青海的236倍。京津冀对上海、浙江、山东、湖北、广东、重庆等6个省市表现为虚拟水净输出，对山东的虚拟水净输出量最高，为6.4亿m3。

图4 2015年京津冀地区虚拟水流动空间结构

2015年京津冀地区的虚拟水流动产业部门结构如图5所示。

图5 2015年京津冀地区虚拟水流动产业部门结构

由图5可以看出：向京津冀地区输入虚拟水量最大的3个产业部门为服务业、食品及烟草业、建筑业。服务业的虚拟水输入量为41.1亿m3，占虚拟水总输入量的25.0%，食品及烟草业和建筑业的分别占虚拟水总输入量的24.0%、9.5%。农业的虚拟水输出量最大，为31.7亿m3，占虚拟水输出总量的比例高达41.7%。13个产业部门中，仅农业表现为虚拟水净输出，净输出虚拟水量为19.3亿m3；其余12个部门中，食品及烟草业、服务业、建筑业的虚拟水净输入量较大，食品及烟草业的虚拟水净输入量为30.4亿m3，是采选业(0.1亿m3)的304倍。

3 结论及建议

3.1 结论

1)京津冀地区各产业部门的用水系数差异显著，农业的直接用水系数和完全用水系数最大，分别为226.1、271.1 m3/(万元)，说明其用水效率低下，应引起重点关注。食品制造业的拉动系数最大，为50.4，也应引起重视。

2)京津冀地区的农业是最大的虚拟水输出部门，向其他产业部门净输出虚拟水总量为128.9亿m3；食品及烟草业为最大的虚拟水净输入部门，净输入虚拟水量为56.8亿m3。

3)北京和天津的用水量较少，河北的实体水资源用量较大；河北为虚拟水净输出地区，北京和天津为虚拟水净输入地区。

4)京津冀整体属于虚拟水净输入地区，净输入虚拟水量为88.4亿m3。空间结构上，新疆是对京津冀输入虚拟水量最大的省份；产业部门结构上，服务业是京津冀输入虚拟水量最大的产业部门。

3.2 建议

1)提高直接用水系数较大的产业部门的用水效率，鼓励直接用水系数较小的行业发展。同时，对于直接用水系数小、完全用水系数大的产业部门，其生产过程中间接消耗的水资源量大且与其他产业部门的联系较为密切，增加这类产业的产出将会明显引起其他部门的水资源消耗。因此，应制定合理用水政策，精准把控水资源安全与经济产出的关系。

2)京津冀的农业与食品及烟草业分别作为生产端和消费端在区域内部产业部门间虚拟水流动表现活跃。因此，应减少生产端虚拟水的消耗，如缩小农业生产规模、调整区域产业结构等，从而进一步提高农业节水效率；同时要减少消费端的需求，通过调控其余产业部门的虚拟水使用量等间接手段实现水资源高效利用的最终目标。

3)河北为重点节水地区，农业为重点节水部门，要在河北实施虚拟水战略，减少水密集型产品出口，调整用水结构，促进节水型产业发展，从而进一步缓解河北水资源紧缺等问题。

4)在今后的产品贸易中，要升级贸易结构，增加水密集型产品的进口，减少用水量较大的产品的出口，要从“量”的追求转为“质”的突破，通过提升技术水平、优化产业结构等手段在扩大产品贸易规模的同时缩小虚拟水贸易规模。此外，北京、天津虚拟水消耗量远超实体水资源量，严重制约着京津冀地区的可持续发展。南水北调的实体水和区域流入的虚拟水都在很大程度上缓解了区域的水资源压力。因此，未来在考虑京津冀地区水资源管理策略时，应综合考虑实体水、虚拟水在区域水资源系统中的共同作用。