高向龙,石 辉,党小虎

1 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 西安 710055 2 西安建筑科技大学安德学院, 西安 710311 3 西安科技大学地质与环境学院, 西安 710054

生产中,通常从生产侧的实体水资源数量和利用效率制定区域的节水政策、确定节水关键环节,并通过调水工程解决区域实体水资源的供需矛盾。然而研究表明,以调水工程转移的实体水仅占全国供水量的小部分,但通过贸易流动的虚拟水转移量却超过了供水总量的1/3[5]。其中,轻工业和服务业是造成虚拟水贸易顺差的主要部门,农业、重工业是造成虚拟水贸易逆差的主要部门[6],各个区域的虚拟水流动格局差异明显。在宏观上,我国虚拟水主要由内陆地区向沿海地区输送,其空间的转移主要受人口迁移因素的影响[7],不同省份的虚拟水流动情况差异显著。北京市作为虚拟水净流入地区,主要的净进口虚拟水部门为农业和制造业[8],其中的农业-制造业、农业-服务业虚拟水输出-输入关系显著[9]。从京津冀尺度来看,农业部门用水强度最高[10],河北省的农业部门向京津冀各部门输送了大量虚拟水[11]。即使在降水丰富的广东[12]、江苏[13]也存在着虚拟水的输入,然而同为降水丰富的贵州省,则为虚拟水净输出地[14],表现出落后地区向发达地区虚拟水输出的现象。

黄河流域在我国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位,水资源的不足又成为限制黄河流域发展的主要因素,然而黄河中游又是水资源压力转移的中间节点。从围绕黄河“几字弯”区域的五省区来看,其主导经济和比较优势主要在农产品和资源开发,但这些恰恰是需要实体水较多的行业和部门；这些产品的输出,导致虚拟水大量输出从而增加区域水资源的压力[15]。宁夏是我国水资源最为贫乏的区域之一,但其虚拟水呈净输出量为11.9亿m3,而农业部门年输出虚拟水高达24.6亿m3[16]；甘肃省虚拟水净输出量为24.5亿m3,农业高达28.8亿m3[17]；陕西省虚拟水净输出9.8亿m3,农业流出14.5亿m3[18]；表现出农产品中虚拟水的输出加剧了用水矛盾[19]。但与此相反的是,内蒙古虚拟水净流出量高达146.1亿m3,但其第一产业所占比重仅为10%[20]；山西省的第一产业表现为虚拟水的净流入,达到4.9亿m3[21]。一些专家认为,依靠跨省虚拟水的输入输出可缓解黄河流域的水资源压力[22—23]；但是黄河中下游虚拟水贸易密切,中上游虚拟水贸易关系较弱[24]。

2021年10月,中共中央、国务院印发了《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》,构建形成黄河流域“一轴两区五极”的发展动力格局,其中的“五级”就包括黄河“几字弯”在内的五大城市群。作为黄河流域水资源管理的关键地带,“几字弯”流域是实现中西部崛起的关键区域、生态环境保护和高质量发展的战略支撑。近年来,“几字弯”周边城市处于快速发展阶段,城市群的建设初具规模,研究城市群内部和外部的虚拟水流动以及驱动因素,可从消费拉动的角度对水资源压力进行溯源,为区域内水资源优化配置、区域产业结构调整和未来施政方向提供科学依据。

1 区域概况

“几字弯” 区域地处黄河中游,涉及甘肃省兰州、白银2市,宁夏自治区的中卫、银川、吴忠、石嘴山4市,内蒙自治区的鄂尔多斯、包头、呼和浩特、乌海、巴彦淖尔5市,陕西省的榆林、延安、渭南3市,和山西省的忻州、吕梁、临汾、运城4个市(图1),全区总面积45.8万km2。该区域的气候从半湿润的季风气候到干旱的大陆性气候,大部区域年均降水量150—650 mm,表现为东多西少,在时间分配上雨热同季年均降水量在250—650 mm之间。截止2019年,“几字弯”区域人口4951.2万人,年GDP总量30420.2亿元,人均GDP为61440元,与全国人均GDP相当；区域城市GDP的年增速大部分超过全国平均水平,各城市发展有着不同的要素禀赋,形成了各自的优势,经济发展势头良好[25]。

从地理位置上看,“几字弯”是西部大开发和陆上丝绸之路的战略叠加区,该区域正好位于丝绸之路经济带东边亚太经济圈与西边欧洲经济圈的核心地段；从历史发展上看,“几字弯”具有边疆地区、革命地区、贫困人口相对集中地区、少数民族集中区、能源富集区、传统特色农牧区、民族文化主要发祥区等“七区合一”的显著特点,在国家战略发展中具有独特的地位。但是,“几字弯”地区水资源匮乏、季节性干旱频发、水土流失严重、生态环境脆弱[26]。“几字弯”区域的水资源总量仅为183.1亿m3,区域内人均水资源量仅为全国平均水平的18%,区域内人均用水量略高于全国平均水平431.7 m3/人。农业是“几字弯”区域的第一用水大户,农业用水量占总用水量的78.6%,高于全国平均值62.3%；工业用水量却仅占总用水量的12.2%,远低于全国平均值21.1%。在该区域的大型水利工程建设和以节水为特色的水资源利用效率提高,使得区域的缺水问题得到了一定的改善,但区域内的用水矛盾依然存在。

图1 黄河“几字弯”地区18个城市的分布图Fig.1 The location of 18 cities in Jiziwan section of Yellow River Basin

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

研究数据主要来源于2007年、2012年、2017年山西、内蒙、陕西、甘肃、宁夏五省级行政区的《投入产出表》。其中,农业用水数据来源于相应年份五省(自治区)的《水资源公报》,其它分行业用水数据来源于《2008年中国经济普查年鉴》(能源卷),各市GDP、部门的从业人员数、部门岗位平均工资来源于《中国统计年鉴》(2007年、2012年、2017年)、《中国城市统计年鉴》(2007年、2012年、2017年)。

由于各种统计数据不能完全匹配,因此将统计资料中的行业类别归结为具有通识性的7个类别,农业、采矿业、制造业、能源供应业、建筑业、运输邮电业、服务业。7部门与原始投入产出表的对应关系如表1所示。其中,农业用水数据来源于研究年份的《水资源公报》；以《2008年中国经济普查年鉴》(能源卷)提供的各省用水数据同比例推算研究年份采矿业、制造业、能源供应业的用水量,按照各省相应年份《水资源公报》中对应城市工业部门的用水量进行校正；并以全国建筑业、运输邮电业、服务业用水总量及各省相应部门总产出所占比例,同比例推算研究年份建筑业、运输邮电业、服务业用水量[10,27]。

随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对生活环境、生活质量及舒适度的要求越来越高，我国的能源消耗总量也不断增加。热水能耗是我国能源消耗的一个重要方面。据统计，我国民用建筑热水能耗占建筑总能耗的15%～20%[1]，商业建筑热水能耗占建筑总能耗的20%～40%[2]。生活热水的使用已经成为衡量社会文明程度和人民生活水平的一个重要标志。目前，我国城镇人均生活热水用量仍远低于发达国家。可以预见，人们对生活热水的需求必将越来越大，因此，寻求更为合理的热水供应方式，减少能源浪费，提高能源利用效率是十分必要的。

就区域经济而言,经济增长与从业人员数的增加有较强的相关关系[28],从业人员数量反映了区域的经济规模；从业人员薪酬收入与劳动生产率具有密切、正向互动的关系[29],反映了生产的效率。在我国,由于政府公布的投入产出表仅以国家、省为单元发布,缺少地市层面的投入产出关系。因此,以《中国城市统计年鉴》中各城市的农业、采矿业、制造业、能源供应业、建筑业、运输邮电业、服务业7个行业从业人员占省级对应部门的比例,反映研究区域生产规模对部门产出的影响；对于同一行业部门,利用薪酬反应生产效率对部门产出的影响；以此分配得到市级层面的部门产出量：

(1)

2.2 虚拟水计算

各部门实体水量和虚拟水用量与投入产出表存在以下关系[30]：

VWdj=DWCj×Xj (2)

式中,VWdj、VWtj分别为j部门的用水量、虚拟水量(亿m3); DWCj为直接用水系数, TWCj为j部门的虚拟水系数(也称完全用水系数)(亿m3/万元)；Xj为j部门的总产出(万元)。中间产品的直接消耗系数aij表示生产一个单位第j部门的产品所直接消耗的第i部门产品的数量,用A表示这个系数矩阵；虚拟水系数TWCj与系数矩阵的关系可由公式(5)表示[31]。

(4)

TWC1×n=DWC1×n×(I-A)-1

(5)

对于一个城市来说,其虚拟水总量不仅包括各个生产部门所需求的虚拟水,还包括商品流通中各种商品所携带的虚拟水,因此城市的虚拟水总量可以通过式(6)计算：

VW=∑VWj+∑VWEj-∑VWOj

(6)

式中,VW为某个城市的虚拟水总量,VWj为城市内部生产过程中生产部门j所需要的虚拟水,VWEj和VWOj分别为城市外部为j部门生产而流入和流出的虚拟水量。

对于市域内流入的虚拟水,难以区分外部流入产品的来源区域和各自的用水系数,来源复杂,因此主要采用全国的各个行业部门的用水系数计算虚拟水；而市域内流出的虚拟水,采用市域内各个部门的用水系数进行计算。

3 结果与分析

3.1 虚拟水特征

在2007年,“几字弯”18个城市年虚拟水用量为648.5亿m3,平均为36亿m3,最高的为包头市88.6亿m3,最低为延安市7.2亿m3,最高与最低相差10倍；2012年,“几字弯”18个城市年虚拟水用量为772.8亿m3,平均为42.9亿m3,较2007年增加19.2%,最高的为兰州市70.1亿m3,最低依旧为延安市8.3亿m3；2017年,18个城市年虚拟水用量为778.4 亿m3,平均为43.2亿m3,较2012年仅增加0.7%,虚拟水增速放缓,虚拟水最高与最低的城市分别为兰州市115.2亿m3,忻州市13.6亿m3,相差9倍。10年时间,18个城市的年虚拟水总量增加了20%；最高用量增加30%,最低用量增加90.5%；整体上各城市的年虚拟水用量均在增加,特别是以往虚拟水用量较低的城市增长更快(图2)。这说明,随着社会经济的发展,从消费侧对水资源的需求急剧增加。在2007—2017年中,由于“几字弯”18个城市的经济发展速率不同和产业结构的调整,导致不同的城市虚拟水增长类型差异较大。陕西的渭南、榆林、延安10年时间虚拟水的用量增加巨大,分别为112.9%、242.9%和260.4%；而石嘴山、兰州、白银、忻州、吕梁、银川、运城分别为60.3%、53.4%、29.5%、29.0%、27.6%、26.4%和37.6%,有了显著的增加；鄂尔多斯、吴忠和临汾,虚拟水用量增加幅度较小,分别为16.1%、7.5%和6.1%；而乌海、巴彦淖尔、包头、呼和浩特和中卫,虚拟水用量在减少,分别减少8.6%、14.0%、15.9%、18.0%和22.1%(图2)。

图2 黄河“几字弯”18个城市的虚拟水用量Fig.2 The virtual water consumption of 18 cities in Jiziwan section of Yellow River Basin

3.2 实体水特征

长期以来,实体水的开源节流及再分配是解决区域水资源短缺的主要手段[32]。在2007年,“几字弯”18个城市年实体水用量为237.9亿m3,平均为13.2亿m3,最高的为巴彦淖尔市49.6亿m3,最低的陕西省的延安市2.4亿m3,最高与最低相差21倍；2012年,18个城市实体水用量为244.4亿m3,平均为13.6亿m3,较2007年增加2.7%；到了2017年,18个城市年实体水用量为236.9亿m3,平均为13.2亿m3,较2012年减小-3.2%；最高最低为巴彦淖尔市和乌海市,分别为49.4、2.6亿m3。2007—2017年的10年间,18个城市的年实体水总量变化不大,仅减少了0.04%,但各城市实体水用量的变化存在明显不同。10年间,各城市实体水变化率在24.4%到43.0%之间。实体水用量增加的城市主要集中在“几字弯”下游。运城市的实体水用量10年从11.4亿m3增加到16.3亿m3,增加了43.0%；其次为忻州市,从5.1亿m3增加到6.7亿m3,增加29.5%,榆林市和吕梁市分别增加21.6%和20.6%。临汾、延安、渭南、白银4个城市的实体水增长较为缓慢,增长率分别为14.1%、13.6%、8.9%和3.0%。实体水用量下降的城市全部分布在“几字弯”中上游段的甘肃、宁夏、内蒙三省。其中,下降最多的为兰州市,下降了-24.4%；核心原因在于2005—2019年间兰州的工业用水效率大幅提升,工业用水量下降了54.0%,农业大规模推广节水灌溉技术,农业用水量下降-39.3%[33]。鄂尔多斯、巴彦淖尔、呼和浩特、石嘴山、银川、中卫、包头、吴忠、乌海各市实体水的下降幅度在0.3%—13.6%之间。作为研究区域的核心工业城市,包头市2007、2017年实体水用量分别为10.7亿m3、9.9亿 m3,下降8.0%,这与包头市虚拟水用量减少的趋势相同；此外,巴彦淖尔、呼和浩特、中卫、乌海实体水与虚拟水均出现了下降。以“几字弯”中段为分界线,实体水用水量的变化表现出了中上游减少,下游增加的空间分布特征(图3)。

图3 “几字弯”地区18个城市实体水特征Fig.3 The entity water consumption in18 cities in Jiziwan section of Yellow River Basin

3.3 用水的结构特征

实体水是当地能够实际使用的水资源量,而虚拟水从消费侧反映了区域经济发展对水的消耗,实体水/虚拟水比值被定义为用水结构。一个地区,经济规模一定的情况下,生产侧实体水用量越小,消费侧虚拟水用量越高,即实体水/虚拟水越小,表明城市用水的投入量就越低,单位用水量创造的经济价值就越高。在2007—2017年年间,“几字弯”18个城市实体水/虚拟水的比值从41.7%降低到37.7%,再到 34.8%；表现出该区域的水资源利用效率在逐步提高。在2007年,兰州、呼和浩特、包头和乌海的实体水/虚拟水的比值为22.1%、15.8%、12.1%、8.2%,表现出较高的实体水利用效率；石嘴山、忻州、银川、临汾、运城、吕梁、延安为49.0%、48.7%、45.2%、41.3%、38.0%、36.9%、32.9%,利用效率中等；而巴彦淖尔、吴忠、渭南、白银、中卫、榆林实体水/虚拟水的比值为较高,分别为77.2%、65.5%、64.4%、56.8%、53.2%、52.4%,实体水利用效率较低,特别是巴彦淖尔市。2012年,总体的实体水/虚拟水的比值在降低,兰州、呼和浩特、包头和乌海仍是最低,但中卫、吴忠、巴彦淖尔和渭南的比值在50%以上,分别为69.8%、63.6%、55.9%和51.9%,仍处于实体水资源利用效率较差的水平。2017年,实体水/虚拟水比值低于20%的有呼和浩特、榆林、包头、兰州、延安、乌海6座城市；高于50%的有巴彦淖尔、中卫、吴忠,特别是巴彦淖尔,这一比值高达89.5%。这说明巴彦淖尔、中卫、吴忠、忻州、白银等城市的实体水利用效率有很大的提升空间(图4)。

图4 18个城市实体水/虚拟水比值特征Fig.4 The ratio of entity water consumption/virtual water consumption about 18 cities in “Jiziwan” section of Yellow River Basin

从行业来看,农业是实体水用水大户。2007年,农业部门实体水用量为193.6亿m3,采矿业为4.3亿m3、制造业为17.1亿 m3、能源供应业为8.9亿m3、建筑业为1.9亿m3、交通运输业为0.2亿 m3、服务业为11.9亿m3,农业的实体水占据了总体的81.4%。2012年农业部门实体水用量为193.2亿m3,与2007年持平,但占比由81.4%下降至79.1%；建筑业和运输邮电业的实体水用量剧增,分别达到6.6亿m3和2.9亿m3,分别为2007年的3.6和13倍。2017年农业部门实体水用量为186.3亿m3,出现下降趋势,占总实体水量为78.6%；这个时段建筑业和运输邮电业的实体水量用量出现了下降,但服务业的实体水用量出现了剧增,与2012年相比增加73.6%。农业和制造业是虚拟水利用大户,2007年,农业部门虚拟水用量为239.6亿m3,制造业为367.8亿 m3。采矿业、能源供应业、建筑业、运输邮电业、服务业分别为22.0亿m3、20.8亿m3、61.8亿m3、22.6亿m3、63.9亿m3。2012年,农业部门虚拟水用量下降,为230.2 亿m3,在虚拟水中的占比由30%下降至26.2%；采矿业、制造业、建筑业虚拟水用量上升,虚拟水用量分别为39.5亿m3、398.9亿m3、98.7亿m3；能源供应业、运输邮电业、服务业虚拟水用量变化不明显,分别为23.8亿m3、21亿m3、66.5亿m3。2017年农业部门虚拟水用量依旧呈下降趋势,为222.4亿m3；采矿业、制造业虚拟水用量下降,分别为26.7亿m3、313.3亿m3。该时段建筑业虚拟水用量增加,为120.6亿m3,与实体水用量减少趋势相反,服务业虚拟水用量增加,为108.9亿m3,与实体水用量增加趋势相同；能源供应业、运输邮电业虚拟水用量较2012年持平(图5)。

图5 各部门用水组成结构变化情况Fig.5 The entity and virtual consumption in 7 different industrial sectors among 18 cities in Jiziwan section of Yellow River Basin

3.4 虚拟水流动变化特征

2007、2012、2017年流入的虚拟水为106.4亿m3、178.8亿m3和219.1亿m3；流出的为297.3亿m3、284.6亿m3、312.5亿m3。流入的虚拟水有增大的趋势,但流出的虚拟水是流入的1.4—2.8倍,表现出缺水地区虚拟水外流的共同特点[34]。从部门来看,制造业流出量最大,分别为188.9亿m3(2007年)、189.1亿m3(2012年)、196亿m3(2017年),其次是农业,分别为75亿m3(2007年)、30.5亿m3(2012年)、64.9亿m3(2017年)；其余各部3年流出量均在30亿m3以下。流入量最高的是制造业,分别为65.2亿m3(2007年)、108.9亿m3(2012年)、93.1亿m3(2017年)；“几字弯”作为黄河流域重要的工业基地,能源供应业用水是支撑工业生产的重要保障,2007年和2017年,能源供应业虚拟水的流入量分别为4.1亿m3,57亿m3,增加了13.7倍。10年间,农业部门流出量降低10.1亿m3、流入量增加27.6亿m3,采矿业虚拟水流出量增加8.1亿m3、流入量增加3.2亿m3,制造业虚拟水流出量增加7.1亿m3、流入量增加27.8亿m3、能源供应业虚拟水流入量增加量显著高于流出量,虚拟水流出量增加5.9亿m3、流入量增加54.1亿m3,建筑业虚拟水流出量增加7亿m3、流入量降低5亿m3,运输邮电业虚拟水流出量降低7.9亿m3、流入量降低1.6亿m3,服务业虚拟水流出量增加5.1亿m3、流入量增加6.6亿m3(图6)。

图6 各部门虚拟水流动情况Fig.6 The flow of virtual water in different sectors

从城市来看, 2007年到2017年间,虚拟水流入量与流出量均增加的城市有中卫、吴忠、银川、石嘴山、乌海、鄂尔多斯、榆林、延安、渭南、吕梁、运城,这些城市虚拟水流动强度呈增大趋势。其中,榆林市虚拟水流入流出总量增加最大,虚拟水流入量与流出量分别增加30.8亿m3、6.6亿m3。兰州、白银、呼和浩特虚拟水流入流出量均减小,兰州减小最多,流入量减小6.6亿m3、流出量减小13.3亿m3。巴彦淖尔、包头、忻州、临汾虚拟水流入量增加,流出量减小。巴彦淖尔和包头流出量分别减小8.9亿m3、8.9亿m3,流入量分别增加0.7亿m3、3.1亿m3。忻州和临汾流出量分别减小0.02亿m3、0.2亿m3,流入量分别增加1.6亿m3、2亿m3(图7)。

图7 各城市虚拟水流动情况Fig.7 The flow of virtual water in different cities

4 讨论

2007年、2012年、2017年“几字弯”区域的实体水用量由分别为238亿m3、244.4亿m3和236.9亿m3,分别增加2.7%和-0.4%,变化并不明显；同期,虚拟水的用量分别增加了19.2%和0.7%。在此期间,“几字弯”区域18个城市的GDP总量由2007年的9576.1亿元增加到2012年的24000.4亿元和2017年的29794亿元,分别增加了1.5倍和2.1倍。将2017年的GDP数据与实体水用水系数进行分析,发现随GDP的增加实体水的用水系数(直接用水系数)出现了幂函数下降关系(图8)。这说明在黄河“几字弯”区域,经济的快速发展并没有引起实体水的用量剧烈增加,这为实体水用量较高的城市节水提供了理论依据。

2017年,“几字弯”18个城市直接用水系数的平均值为63.7m3/万元,最大是巴彦淖尔的303.5m3/万元,最小值是延安的7.2m3/万元,大于平均值的仅有巴彦淖尔、中卫、吴忠、石嘴山和白银市；但其GDP在18个城市中相对较低,中卫、白银、吴忠、石嘴山4市垫底。因此,巴彦淖尔、中卫、吴忠、石嘴山和白银市可作为“几字弯”城市中节水的主要对象,当其直接用水系数降低至平均值63.7m3/万元时,根据图8的回归方程,可以计算出此时的GDP为685.8亿元,相应的GDP增量为-229.5亿元、311.7亿元、177.9亿元、150.9亿元和235.3亿元。说明直接用水系数的降低,不仅没有影响反而促进了中卫、吴忠、石嘴山和白银市4市的经济发展。巴彦淖尔市实体水的利用系数接近平均值的5倍,其用水系数降低到平均值,GDP仅降低25.1%,说明用水效率具有巨大的提高潜力,这与巴彦淖尔市的产业结构具有密切的关系。

图8 各城市实体水用水系数与GDP的关系 Fig.8 The relationship between GDP and entity water use coefficient about 18 cities in Jiziwan region

2017年,巴彦淖尔、中卫、吴忠、石嘴山、白银市5市的农业实体水用量分别为47.5亿m3、11.6亿m3、16.1亿m3、9.8亿m3、8.1亿m3,占区域农业用水总量的50%,农业实体水用量占比均在80%以上,分别为96.1%、90.1%、93%、83.9%、82.4%,农业虚拟水消耗量分别为51.4亿m3、13.9亿m3、19.2亿m3、11.6亿m3、9.7亿m3,占当地虚拟水消耗量的93.1%、69.2%、61.5%、29%、44.3%,用于生产的实体水占比与消费过程中消耗的虚拟水占比并不匹配,特别是中卫、吴忠、石嘴山、白银4市,水资源的投入量比重远高于水资源的产出量比重。从经济结构来看,5市第一产业总产出仅占当地总产出的15.5%、15%、7.6%、2%、4.3%(表2),农业作为这5市的主要用水产业,经济产出十分有限。继续保持农业部门现有的水资源投入产出量会限制当地经济的发展；白银、吴忠、石嘴山3市产出最高的部门为制造业,制造业产出占比为38.3%、34.8%、57.3%,其实体水所占比例仅为5.7%、1.6%、5.8%,而对应的虚拟水占比却高达37.4%、32.4%、93.5%,说明这3个城市的制造业水资源的投入产出比非常可观,具有较高的用水效率。中卫和巴彦淖尔市产出最高的部门为服务业,服务业产出占总产出的30.7%、42.7%,实体水消耗量占比分别为5.4%,1.8%,虚拟水消耗量占比分别为11.3%、10.6%,说明中卫和巴彦淖尔市的服务业用水效率较高。因此,在“几字弯”18个城市的规划与发展中,首先应该将巴彦淖尔、中卫、吴忠、石嘴山和白银市5个城市作为节水的重点城市,其水资源利用效率的提高对于“几字弯”区域水资源的利用具有重要的影响。在这些城市内部,农业是重要的节水行业和节水的重点,白银、吴忠、石嘴山3市的比较优势是制造业,中卫和巴彦淖尔市的比较优势是服务业。

虚拟水总量反映了区域的社会经济水平,是实体水生产和物质流通中的增值服务总和；虚拟水的输入输出可作为水资源调控的机制。2017年,“几字弯”18城市虚拟水净流出57.8亿m3；其中鄂尔多斯、包头、石嘴山、巴彦淖尔、乌海虚拟水净流出量大,分别为39.5亿m3、22.3亿m3、21.7亿m3、19.6亿m3、14.1亿m3,相当于向外分别流出了9.3亿m3、3亿m3、6.3亿m3、17.6亿m3、1.1亿m3的实体水。兰州、白银、中卫、吴忠、呼和浩特虚拟水净流出量在1.3—8.2亿m3；银川、忻州、吕梁、临汾、运城呈虚拟水净流入状态,流入量在1.2—7.8亿m3,榆林、延安、渭南虚拟水流入量较高,分别为28.6亿m3、20.3亿m3、18.7亿m3,相当于向内分别流入5.3亿m3、2.1亿m3、6.1亿m3的实体水(图7)。鄂尔多斯、包头、石嘴山、巴彦淖尔、乌海及榆林、延安、渭南的用水结构受虚拟水流动影响较大(表3)。鄂尔多斯市制造业、采矿业虚拟水净流出量为总净流出量的59.6%和20.1%,产出占当地总产出的22.7%和34.6%。鄂尔多斯的优势产业是采矿业,但制造业是虚拟水净流出量最高的部门,对于鄂尔多斯市而言,可压缩制造业用水,并向采矿业供水倾斜。制造业也是包头、石嘴山、乌海净流出量最高的部门,占比分别79.8%、103.6%、82.5%,其产出占当地总产出的42.6%、57.3%、36.1%。3市制造业虚拟水净流出量所占比例均高于产出所占的比例。从3市部门水资源的投入产出效率来看,制造业实体水消耗量分比为1.9亿m3、0.7亿m3、0.4亿m3,分别占各市实体水消耗总量的18.9%、16.4%、5.8%,制造业虚拟水的消耗量分比为55.9亿m3、37.4亿m3、24亿m3,分别占各市虚拟水消耗总量的37.4%、32.4%、93.5%,水资源的投入产出比均非常可观,尤其是石嘴山,制造业虚拟水净流出量高于当地总流出量,但生产过程中消耗的实体水占比却很低,表现出该市制造业水资源利用效率高的特征。巴彦淖尔农业部门虚拟净流出量17.3亿m3,相当于流出了15.5亿m3的实体水,占实体水总量的31.4%。因此,收缩巴彦淖尔向外流出的农产品总量可有效减缓当地水资源压力。榆林、延安、渭南3市实体水用水系数高的农业部门表现出虚拟水向内流的形式,其中榆林、延安2市实体水比重较其它城市更低,分别59.4%、41.6%；3市农业部门产出占总产出的11.1%、8.9%、14.9%,与农业相比,采矿业、制造业、服务业作为3市的优势产业,3部门产出占当地总产出的73.7%、76.3%、68%。这3市高耗水、低产出的农业部门通过虚拟水流入得到了水资源补偿,且其自身农业实体水占比也相对较低,而单位用水效益高的产业又为当地主要的经济支撑,这种实体水与虚拟水的分布格局,更有利于保障区域的水资源安全,促进当地经济的高质量发展。

表2 巴彦淖尔、中卫、吴忠、石嘴山和白银市5市用水结构

表3 鄂尔多斯、包头、石嘴山、巴彦淖尔、乌海、榆林、延安和渭南8市虚拟水流动结构

5 结论

本文分析了黄河“几字弯”实体水与虚拟水的数量、流入流出的关系以及行业特征与经济发展,得到以下主要结论：

(1)在2007—2017年,“几字弯”区域18个城市的虚拟水增加20%,但实体水总量变化不大,不同城市之间存在显著差异。延安、榆林、渭南、忻州、吕梁、运城、临汾、白银8个城市虚拟水用量随实体水增加而增加,乌海、巴彦淖尔、包头、呼和浩特、中卫5个城市虚拟水用量随实体水用量减小而降低；石嘴山、银川、吴忠、鄂尔多斯、兰州5个城市实体水用量减少,虚拟水用量增加。

(2)“几字弯”18个城市实体水占虚拟水的比例由2007年41.7%下降至2017年的34.8%,水资源利用效率在逐步提高。农业仍是实体水用水大户,农业中实体水所占比例虽然由2007年的81.4%下降到2017年的78.6%,但农业依然具有较高的节水潜力。2007—2017年,服务业实体水和虚拟水用量剧增,分别为79.1%和70.4%,是供水需求增长最快的部门。制造业是虚拟水用水大户、实体水利用相对较少。

(3)从虚拟水流动的角度来看,虚拟水流入量增长明显,但整体依旧呈虚拟水净流出状态。2007年—2017年,流出的虚拟水是流入的1.4—2.8倍,表现出缺水地区虚拟水外流的共同特点。

(4)巴彦淖尔、中卫、吴忠、石嘴山和白银市5个城市水资源利用效率较低,可作为今后一段时间内节水的主要对象；5个城市的农业用水比重较大,产出较低,是今后节水的重点。鄂尔多斯、包头、石嘴山、乌海虚拟水净流出最高的部门为制造业,是当地的优势产业；巴彦淖尔虚拟水净流出最高的部门为农业,而当地优势产业为服务业；通过对优势产业的供水倾斜、提高比较优势,可促进“几字弯”区域的社会经济发展。

对于特定的区域,由于受自然、人文、社会经济等因素的影响,实体水资源利用效率存在上限,因此节水不可能无限进行。而虚拟水消耗量较大的部门往往是该地区具有比较优势的产业,这种比较优势的体现通过流通表现为缺水地区的水资源流出,特别是对落后地区而言,反而体现在耗水较多的产业上。为了区域水资源的合理利用,必须综合考虑生产侧的实体水和消费侧的虚拟水,以此保证区域经济和水资源的高效利用。