陕西省虚拟水产业配置及省际贸易时空变化

王 宁，董小刚，钟 耀，崔家宝，王风初，陈 洁，张小芳，曹建军

（1.西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070； 2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院 西北生态环境资源研究院 内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃 兰州 730000）

近年来，在人为不合理开发利用资源和自然环境等因素的共同影响下，我国水资源供需矛盾和水资源匮乏问题日益严重。据统计，目前我国水资源短缺区域中城市人口的数量占全球水资源短缺区域中城市人口总数的17.2%［1］。水资源短缺是全球面临的共同挑战，为进一步合理配置水资源并提高用水效率，许多国家提出了虚拟水战略，旨在通过进口丰水国家或地区的水资源密集型产品，缓解本国的水资源压力，保证水资源安全［2］。“虚拟水” 的概念最早由英国学者Allan［3］于1993 年提出，指在生产某种产品过程中整个产业链所消耗的水资源量。1998 年，Hoekstra［4］对其概念进行拓展，将生产服务所需要的水资源量也纳入虚拟水范畴。虚拟水概念及其战略的提出为调整产业结构、化解水资源短缺矛盾提供了全新的思路，对缺水区域水资源配置和产业结构优化具有重要的指导意义［5－6］。众多学者借助多区域投入产出模型，分析了全球化趋势下虚拟水的流动及某一国家最终消费需求变动对全球实体水资源分配的影响［7－10］。此外，产业［11－12］、区域以及省际尺度［13－14］的研究不断增多，为不同尺度虚拟水的合理配置提供了决策依据。但由于中国区域间投入产出表编制较为复杂、发布时间间隔较长，因此目前关于省际虚拟水贸易网络长期变化情况及产业间流动特征的研究还相对较少，尤其是针对中国西部缺水省份（如陕西省）的研究更为少见。

黄河流域降水量稀少，水资源短缺现象突出，解决水资源安全问题是实施黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的核心［15］。陕西省地处黄河中游地区，黄河为该省78%的人口提供了生产生活用水以及经济发展所需水资源总量的86%［16］。然而，陕西省水资源空间分布极不平衡［17］，加之产业用水不合理、效率低下及地下水超采，对其社会经济发展产生了严重的负面影响。基于此，本文依据虚拟水理论，利用区域间投入－产出模型，探究陕西省2007—2017 年三次产业虚拟水的动态变化、省际贸易格局时空变化及其主要驱动因素，以期为陕西省水资源的合理利用、产业和贸易结构的优化升级提供依据，为黄河流域水资源安全管理和高质量发展提供参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 区域间投入－产出模型

多区域间投入－产出模型最早由Isard［18］提出，与单个区域投入－产出模型相比，其可更系统全面地反映区域间的产品贸易情况。其基本思路为：计算某地区虚拟水贸易量时，假设区域间投入－产出模型中包含m个区域，每个区域有n个部门，则区域间投入－产出模型由m×n个线性方程构成：

式中：为R区域i部门的总产出量为R区域i部门供给S区域j部门的中间投入量为R区域i部门对S区域最终需求的投入量。

式（1）及其矩阵形式可表示为

式中：XR、ARS和FRS分别为产出矩阵、直接投入系数矩阵和最终需求矩阵；（I－ARS）－1为列昂惕夫逆矩阵；BRS为从R区域投入S区域的投入量矩阵为满足S区域j部门最终需要的R区域i部门的投入量。

为进一步将水资源消耗量与投入量建立产出关系，需确定直接用水系数与完全用水系数：

式中：EB为B区域直接用水系数矩阵；为B区域j部门的直接用水系数；为B区域j部门的直接用水量；为B区域j部门的总产出量；δ为完全用水系数；为满足R区域j部门最终需要的B区域i部门的投入量。

B区域输出到外省的虚拟水矩阵TB表达式为

1.1.2 灰色关联度

由于陕西省虚拟水量变化的主要产业为第一、第二产业，因此在参考相关研究成果［19－20］的基础上，选取第一产业中的农业机械总动力、粮食产量、人口等指标和第二产业中的城镇化率、钢铁产量、人口等指标，作为陕西省虚拟水量的影响因素。运用灰色关联模型，计算各指标与第一、第二产业虚拟水量的关联度。设参考序列为X0＝｛x0（1），x0（2），…，x0（n）｝，比较序列为Xi＝｛xi（1），xi（2），…，xi（n）｝，则关联系数计算公式为

关联度计算公式为

1.2 数据来源

把2007 年、2010 年、2012 年、2015 年和2017 年作为典型年份进行分析，投入产出数据来源于我国区域间投入－产出表。由于2007 年和2010 年投入产出表中不包含西藏，为保证数据的一致性，本文在虚拟水量化过程中未包含西藏。按照《三次产业划分规定》，将42 个部门整理为第一、第二和第三产业进行计算。陕西省各产业用水量来源于《陕西省水资源公报》，其中：第一、第二产业用水数据分别为农业和工业用水量，第三产业用水数据以生活用水量中的城镇公共用水量代替。三次产业生产总值、主要产品产量、人口等数据均来源于《陕西统计年鉴》。

2 结果与分析

2.1 2007—2017 年陕西省各产业用水系数

从产品全生命周期角度看，各产业完全用水系数反映了整个经济系统中的水资源需求量（包括直接用水量和间接用水量两部分）［21］，耗水乘数是完全用水系数与直接用水系数的比值，表示产业间的经济联系对水资源使用的影响（耗水乘数越小，表明经济联系越少、产品贸易对水资源使用的影响越小）。2007—2017 年陕西省各产业用水系数及耗水乘数见图1。

图1 2007—2017 年陕西省各产业用水系数及耗水乘数

由图1 可知：①第一产业的直接用水系数和完全用水系数远大于第二、第三产业的，第三产业的直接用水系数和完全用水系数最小。②2007—2017 年，陕西省三次产业的直接用水系数和完全用水系数均呈不同程度的下降趋势，其中第一产业用水系数下降幅度最大、第三产业用水系数下降幅度最小。③第二、第三产业直接用水系数和完全用水系数差异较大，即二者在生产过程中依赖高耗水产品投入，大部分产品生产过程中间接用水量很大。④第一产业耗水乘数较小，且变化不大，说明第一产业对其他产业水资源影响较小；第二产业耗水乘数最大，说明对当地水资源的影响最大；第三产业耗水乘数以2012 年为节点呈先升后降的趋势，但总体变化不大。

陕西省三次产业用水系数均呈逐年下降趋势，说明水资源利用效率有所提高，这与陕西省采取优化农业生产结构、推广节水灌溉等先进农业生产技术［22］等措施有关。但第一产业用水系数仍然较大，有较大的节水空间。陕西省不断推进工业结构优化升级、提高水资源利用效率和重复利用率，经济发展由粗放型增长逐渐向资源绿色集约式发展转变［23］，促使第二产业直接用水系数和完全用水系数2017 年比2007 年分别降低74.74%和59.4%。

2.2 2007—2017 年陕西省内虚拟水总量和产业间流动特征

2.2.1 陕西省虚拟水量变化及影响因素

陕西省虚拟水消耗总量由本省贡献量（见表1）和省外输入量构成。2007—2017 年，虚拟水本省贡献量占比达70%以上，其中第一、第二产业是虚拟水消耗的主要产业。根据灰色关联度模型分析，农业机械总动力、城镇化率、粮食产量、人口及有效灌溉面积这5个因素对第一产业虚拟水本省贡献量变化影响较大，且关联度均大于0.75（见图2）。其主要原因：一是农业技术的应用及灌溉面积的变化促进陕西省农业水资源利用效率及粮食产量逐步提高；二是城镇化率及人口的增长导致第一产业高耗水基础产品（如粮食、蔬菜等）需求量增大，带动第一产业虚拟水量持续增长［24］。第二产业虚拟水变化的主要影响因素为城镇化率、人口、钢铁产量、建筑业总产值、化工产品产量，原因是城镇化率及人口变化驱动社会生产和生活对钢铁、建筑、化工、食品制造等行业产品需求量增大，促使第二产业对高耗水产品的需求量增大，推动第二产业虚拟水量、第一产业向第二产业虚拟水投入量及外地输入量逐年增长［25］。

表1 陕西省虚拟水本省贡献量 亿m3

图2 第一、第二产业虚拟水本省贡献量变化影响因素关联度

2.2.2 2007—2017 年陕西省产业间虚拟水流动特征

产业产品与生产供需关系决定产业间虚拟水流动方向。2007—2017 年陕西省各产业虚拟水流动量见图3。由图3 可知，第一产业向第二、第三产业输出虚拟水量呈波动增长趋势，2017 年比2007 年分别增长74.42 亿m3和52.37 亿m3。第一产业典型年均为虚拟水量净输出，其中向第二产业输出的虚拟水量占第一产业输出总量的比例均在55%以上，而供自身使用的虚拟水量远小于输出量且随时间呈逐渐下降趋势。第二产业生产的虚拟水主要供自身使用及向第三产业输出，历年输出到第一产业的虚拟水量仅占13%左右。第三产业虚拟水输出到第二产业的水量比例最高，供自身使用的虚拟水量次之，输出到第一产业的最少。陕西省第二、第三产业发展高度依赖第一产业产品输入，形成以第一产业输出为主，以第二、第三产业输入为主的虚拟水贸易模式。产生上述结果的可能原因：研究时段陕西省大力发展工业和基础产业及“丝绸之路”旅游经济等高耗水行业［26］，使第二、第三产业对水资源和高耗水产品的需求量显著增加，其中部分行业的发展高度依赖第一产业原材料的输入；同时，陕西省耕地灌溉方式以传统灌溉为主，高新技术在农业生产中应用不足，第一产业在生产过程中对其他产业虚拟水投入需求量不大。因此，第一产业虚拟水净输出量持续增长，但第二、第三产业输入第一产业的虚拟水量很少。当前陕西省产业间虚拟水贸易模式可能会导致水资源供需矛盾更加尖锐，威胁粮食安全，不利于社会经济和生态可持续发展。

图3 典型年份陕西省各产业虚拟水流动量（单位：亿m3）

2.3 2007—2017 年陕西省虚拟水省际贸易格局

2.3.1 陕西省虚拟水省际流向的产业结构特征

2007—2017 年陕西省三次产业虚拟水省际输出、输入量见表2。陕西省虚拟水输出总量呈波动增长趋势，输出以耗水量较高的第一产业为主，而虚拟水输入量的90%以上来源于第二、第三产业。三次产业省际的产品贸易决定虚拟水流动方向，陕西省作为农业大省，其在自身水资源匮乏的状态下，向我国其他省份大量输出第一产业产品，而耗水量相对较少的第二、第三产业产品依赖大量进口来满足本省生产和消费需求［27］。陕西省第一产业虚拟水均呈净输出状态，2007年、2010 年、2012 年、2015 年、2017 年，净输出量分别为56.02 亿、66.88 亿、41.35 亿、46.00 亿、76.06 亿m3，呈波动增长趋势；第二、第三产业呈净输入状态，且净输入量之和远大于第一产业净输出量。

表2 陕西省三次产业虚拟水省际输入、输出量 亿m3

2.3.2 陕西省虚拟水净贸易格局

典型年份陕西省与中国其他省份虚拟水贸易情况见表3。2007 年陕西省向山西省、天津市、河北省、宁夏回族自治区等14 个省（市、区）净输出虚拟水18.43亿m3，从江苏、广东、广西、上海、甘肃等15 个省（市、区）净输入虚拟水49.11 亿m3；2010 年陕西省净输出省份数量减少为9 个，净输出虚拟水13.83 亿m3，从江苏、上海、甘肃等20 个省（市、区）净输入虚拟水171.82亿m3；2012 年、2015 年陕西省虚拟水净输出量分别为0.87 亿、0.48 亿m3，净输出省（市、区）数量分别为3个、2 个；2017 年虚拟水净输出、输入量分别为63.48亿、168.71 亿m3，较2015 年明显增长。虚拟水输出地主要分布于我国中部、东部沿海及京津冀地区；输入地主要为我国华东、华南、华北、东北等经济相对较发达省份（见表3）。综上，虽然2017 年较2007 年虚拟水净贸易量增长幅度较大，但2007—2017 年陕西省虚拟水贸易净输出省份数量呈波动减少趋势，且主要分布在华北、西北地区；向陕西省净输入虚拟水的省份数量逐年增多，但净输入量呈波动减少趋势。

表3 典型年份陕西省虚拟水省际输入、输出量 亿m3

陕西省省际虚拟水贸易整体呈净输入状态，有助于缓解自身水资源短缺压力。但陕西省在与部分省份虚拟水贸易中存在不合理现象，如长期向青海省、贵州省、江西省等人均水资源量远高于自身的省份净输出虚拟水，但从江苏、甘肃、河北等人均水资源量低于自身的省份净输出虚拟水，贫水地区向丰水地区净输出虚拟水的贸易模式不合理。这种虚拟水贸易空间结构的不合理，可能会形成贫水区水资源向富水区转移的恶性循环，不利于水资源的可持续利用和当地经济的发展［28］。因此，对于第一产业中高耗水产品及部分经济产品，应在其生产过程中通过节水灌溉等措施提高水资源利用效率；对于第二产业中基础工业及轻工业中钢铁、炼焦、食品、烟草、纺织、造纸等完全用水系数较高的行业，应通过提升技术水平、增加尾水回用效率等措施，减少耗水量。应根据各省份水资源禀赋，在省际贸易中减少贫水地区虚拟水流出，优化省际虚拟水战略。

3 结 论

（1）陕西省三次产业直接用水系数和完全用水系数均呈下降趋势，说明水资源利用效率有一定的提高，但三次产业用水系数仍然偏高。第二、第三产业耗水乘数呈波动上升趋势，这对当地耗水量间接带动效应较大。因此，陕西省应进一步调整产业结构，提高以农业为主的高耗水行业用水效率，减少高耗水且经济效益不高的中间产品的使用。

（2）第一、第二产业是陕西省内虚拟水流动的主要产业，第二、第三产业高度依赖第一产业虚拟水输入，2007—2017 年三次产业虚拟水消耗量均呈持续上升趋势，产业间水资源分配不平衡。第一、第二产业虚拟水量增长的主要影响因素为农业机械总动力、人口、粮食产量、城镇化率、钢铁产量、建筑业总产值等。因此，陕西省应转变经济发展模式，增加高新技术在第一产业中的应用，同时减少第一产业高耗水产品输出，增加低耗水产品的输出，大力发展节水和高利润产业，优化三次产业供需结构，降低虚拟水消耗量。

（3）陕西省作为虚拟水净输入省份，长期净输入虚拟水对缓解该省水资源短缺有正向作用，但与部分省份的虚拟水贸易模式和其水资源禀赋不匹配，可能会加剧贫水区与富水区水资源分配两极分化。因此，陕西省应积极调整并践行虚拟水战略，以促进该省及黄河流域水资源可持续发展。