水资源是输入城市的主要资源之一, 可分为生态水、灾害水、资源水和虚拟水^[1]。城市水系统可看作自然水循环与人工水循环过程叠加的代谢系统^[2], 主要由生产、消费和还原3个级别组成^{[1, 3]}。城市水问题生态实质是水资源代谢问题^[4], 水资源代谢效率评价是提高水代谢效率的前提。由于提高水代谢效率取决于人类行为, 而资源水和虚拟水均受人类强烈调控^[1]、同步输入城市且交互作用, 因而, 客观评价水资源代谢效率需要同步考虑资源水与虚拟水。

物质流分析(MFA)能追踪社会经济系统中物质提取、处理、加工、消费、排放等物质流, 可系统地量化社会经济系统与环境系统之间的物质交换^[5-6]。可见, MFA既可重现天然水流动过程与格局, 也可追踪虚拟水流动与分布, 便于从水代谢过程与格局角度同步提取资源水流和虚拟水流代谢指标, 从而构建可系统地评价水代谢效率的指标体系, 既可为水资源管理提供指标依据, 也便于从不同学科深入认识社会水循环结构和过程, 促进社会水循环与自然水循环的关联研究。

1 研究区概况

中国东南沿海城市是我国城市缺水重点地区^[7]。厦门位于该区, 陆地面积1699 km², 地形以山地、丘陵为主, 境内河流水系分散, 源短流急。沿海平原是人口密集区, 经济发达, 需水量大；属亚热带海洋性季风气候, 降水季节波动幅度大, 以地表水为主的供水易受年际年内变化影响；且因位于台湾山脉雨影区, 人均水资源量少, 2009年仅276.5 m^3[8-9]；又由于气候、地形等因素影响, 降水的空间分布也不均匀, 由人口稀少的西北向人口密集的东南沿海递减^[8]。因此, 伴随城市规模持续扩张^[10], 厦门是资源型缺水典型城市, 作为水资源代谢效率评价对象探讨缺水对策, 具有代表性。

1999年以来典型枯水年份分别为2003年、2009年、2011年, 全市平均降水量分别为1206.4、1086.7、1290.1 mm, 比多年平均值分别少21.3%、29.0%、15.7%^[8], 可作为水资源代谢效率评价年, 其评价结果可为缺水对策制定提供依据。

2 研究方法 2.1 虚拟水核算

虚拟水是指已被人类经济社会系统利用、由部分资源水转化而赋存于商品中的水, 相当于特定社会经济技术条件下的用(耗)水量, 即生产商品和服务所用水量, 其水量大小可用商品重量来衡量, 经商品流通而自由流通, 直接影响人类系统的生产功能与生活水平^[1]。本研究以质量为单位核算各代谢过程虚拟水量, 具体核算过程见图 1注释。

2.2 资源水与虚拟水耦合代谢分析方法

分别基于自然水循环、社会水循环, 分析资源水、虚拟水代谢流程与格局。进而, 把不同统计口径的数据资料统一转化为以质量为单位, 基于质量守恒定律, 应用MFA分析各水资源代谢环节的水资源通量, 合成资源水与虚拟水代谢流程图, 从而实现自然水循环与社会水循环的关联分析。

2.3 水资源代谢效率变化驱动因素分析

城镇化进程中水资源代谢效率变化的驱动因素复杂多变, 主要因素筛选是评价水资源代谢效率的必要步骤。指标体系是反映复杂影响因素的良好工具^[11], 可用于评价资源水与虚拟水耦合代谢效率。进而采用相关分析、层次分析等方法分析不同城镇化阶段水资源代谢效率差异、发展趋势及其成因。

2.4 水资源代谢效率评价指标体系构建方法

指标及指标体系的科学性与可操作性是获得客观评价结果的前提, 而指标提取与指标体系构建方法常因研究目标、数据来源、研究角度而异, 是各种评价研究的探讨焦点^[11-12]。为了确保指标体系的科学性与可行性, 根据资源水与虚拟水耦合代谢过程与格局, 采用MFA提取水资源代谢效率评价指标, 根据评价目标筛选指标, 兼顾资源水与虚拟水代谢过程与格局特征, 按层次结构法组建指标体系。其中, 指标筛选兼顾水资源流过程与格局特征、水资源代谢效率评价目标需要、数据来源的可靠性。

2.5 指标数据来源与标准化处理

主要数据来源于各评价年相对应的《厦门市水资源公报》、《厦门市环境统计手册》、《厦门市国民经济和社会发展统计公报》、厦门统计信息网、《福建省统计年鉴》及电子文献。

指标数据标准化处理时, 先进行指标分类, 再采用极差变换法对指标实际值进行标准化处理, 即每个指标实际值C_i的去量纲：均按数据系列中的最大参考值与最小值之差为分母进行标准化处理^[11]。

2.6 指标体系赋权与评价方法

层次分析法(AHP)是定性与定量相结合的可将复杂问题分解为若干层次和若干因素的一种系统化、层次化的多目标决策分析方法^[13-14]。水代谢系统是一个由相互关联的众多因素构成的复杂而缺少定量数据的系统, 采用层次分析法有利于其复杂代谢问题层次化, 在每一层次通过两两比较, 确定各指标所反映因子的相对重要性, 得出各指标对中间层、中间层对总目标的权重, 再综合排序, 从而解决问题。根据文献^{[13, 15-17]}中方法进行指标体系赋权。赋权结果一致性检验参照文献^[18]的方法和参数。进而, 为避免个别指标对指标体系整体功能产生影响, 采用文献^[11]的加权求和法求水资源代谢效率。

2.7 资源水与虚拟水耦合代谢路径设计

水资源代谢路径剖析是科学评价水资源代谢效率的前提之一。代谢路径剖析有利于明确代谢过程与格局, 为水资源流分析提供框架, 进而为水资源代谢过程与格局方面的水资源代谢效率评价指标的提取提供依据。近年来, 水循环研究焦点已由自然水循环转向社会水循环, 然而有些水代谢环节关注较少, 如城市水循环中, 城市区域内自然净化的资源水在城市生活、生产、环境之间的循环利用, 生活垃圾与工农业固体废物所隐含的虚拟水在生活中的回用^[19]。因此, 结合数据来源, 可设计厦门市资源水与虚拟水耦合代谢路径简图(图 1)。

2.8 水资源代谢效率情景方案设计

保证水资源代谢效率情景方案的科学性与可操作性, 关键在于方案设计指标的科学性与可行性。这类指标采用两步法提取：根据MFA结果, 先获得枯水年水资源利用过程与格局方面主要指标, 再根据研究区社会经济和环境用水现状选取其他主要指标；再从主要指标与近10年厦门岛水资源代谢效率变化的相关分析中, 获取水资源代谢效率变化的主导指标。从而, 使水资源消费情景方案设计指标体现厦门市水资源代谢效率变化特征, 既反映水资源代谢的客观实际, 又简化了方案设计的指标数量, 便于水资源规划与管理对策的制定与执行, 使水资源代谢效率优化方案能兼顾科学性与可行性。

3 基于MFA的厦门市枯水年资源水与虚拟水耦合代谢分析

基于水资源代谢路径及数据来源(图 1), 应用MFA, 可进行1999年以来枯水年份水资源流质量平衡。结果表明(图 2), 不仅资源水消耗持续增长, 而且出境虚拟水始终高于入境虚拟水量。2003、2009、2011年的出入境虚拟水量的比值分别为1.29、1.77、1.55, 说明厦门尽管缺水, 却依靠外来水源和城市系统内资源水向虚拟水的转化, 成为典型的水资源出口型城市。进一步说明了城市资源水与虚拟水耦合评价的必要性。

4 厦门市水资源代谢效率评价 4.1 水资源代谢效率评价指标体系构建 4.1.1 水资源代谢效率评价指标库构建

物质代谢效率评价指标的选择没有统一的标准, 通常涉及“投入指标”和“产出指标”, 包括资源消耗、环境污染、经济发展和社会福利4个方面^[28]。但投入产出指标容易忽略系统内资源利用效率, 为全面评价以生态、社会经济效益最优化为目标的城市水资源代谢效率, 按代谢过程与格局、社会效益、经济效益、生态环境效益4个方面选取指标。

(1)反映水资源代谢过程与格局的指标

根据水资源流MFA分析结果(图 2), 可提取兼顾水资源流动过程与格局特征的指标。从水资源流过程角度提取反映水资源流过程效率的指标, 包括淡水、海水、虚拟水代谢过程指标(附表 1)。从水资源流格局角度提取表征水代谢结构方面的指标, 包括供、用、排3类结构指标(附表 1)。

(2)影响水资源代谢的社会经济及环境指标

社会经济发展所需资源水与虚拟水的变化量是水资源代谢的驱动力, 水代谢效率主要由社会和经济各部门用水效率构成。主要指标包括产业发展指标、人口增长指标、人均收入与消费指标等(附表 1)。

4.1.2 亚热带季风气候雨影区水资源代谢效率评价指标体系组成

城市物质代谢是指城市系统中物质输入、转化、储存以及废弃物排放等代谢过程。城市物质代谢效率是指城市物质代谢过程中单位资源消耗和污染负荷所提供的社会服务量^[29-30]。因而, 水资源代谢效率可界定为“研究系统中水资源输入、转化、储存及废污水排放等代谢过程中水资源消耗或废污水排放所提供的社会经济与生态环境服务量”, 可由水资源代谢的社会、经济、生态环境3方面效益加以表征, 其评价指标体系可由反映这些效益的指标构成。据此, 以保障居民生活用水需求、提高用水经济产出和改善生态环境质量为目标, 结合研究区供、用、排水特征, 并咨询领域专家, 厦门市水资源代谢效率评价指标体系应包括反映水资源代谢的过程与格局、社会效益、经济效益、生态环境效益等4个指标群(表 1)。此外, 水污染也是厦门主要水问题, 因此水资源代谢效率评价指标体系必须兼顾水量和水质指标。

4.2 指标体系赋权结果分析

赋权结果一致性检验CR均小于0.1, 符合评价要求。以水资源代谢效率为目标的各领域权重中, 社会领域最大, 是因为城市生态系统以人为主体, 其水代谢的社会效率最能体现城市用水的可持续性内涵；生态环境领域第二, 是由于环境可持续性是人类圈用水可持续的基础。过程与格局指标群中, 体现代谢过程效率的淡水回用率、废弃虚拟水回用率比其他指标高, 是因为水代谢效率内涵侧重过程而非结构效率。社会效益指标群中, 单位用水社会消费品零售额的权重远高于另两个指标, 是因为该指标直接反映了水代谢的社会影响。经济效益指标群中, 单方水灌溉面积的权重较高, 是由于农业用水仍占总用水量一半以上, 且用水效益提升空间远大于工业用水效益。生态环境效益指标群中, 水环境质量的权重大于其他指标, 是因为水环境质量直接反映了人水关系。

4.3 评价结果与分析

根据赋权和标准化结果(表 2), 采用加权求和法求得2003、2009、2011年的厦门水资源代谢效率分别为0.424、0.480、0.610。与2003年相比, 2009年、2011年代谢效率分别提高了13.1%、43.9%, 表明：同为枯水年下, 厦门水资源代谢效率加速提高。从各领域对水资源代谢效率的贡献看, 社会领域水代谢效率提高幅度最大, 2009年、2011年分别比2003年提高59.6%、146.5%；过程与格局水代谢效率有较大提高, 2009年、2011年分别比2003年提高13.8%、22.4%；经济领域水代谢效率也有提高, 2009年、2011年分别比2003年提高6.9%、15.2%；生态环境领域的水代谢效率则略为下降, 2009年、2011年分别比2003年下降15.2%、3.2%。表明：1)厦门水资源代谢效率的迅速提高主要取决于社会经济领域水代谢效率的提高；2)社会经济方面水资源代谢效率的提高是以牺牲生态环境效益为代价的；3)社会经济发展与生态环境保护仍不协调；4)2011年生态环境方面水资源代谢效率比2009年好, 社会经济发展与生态环境保护有趋向协调的可能。

5 水资源代谢驱动机制及其优化调控 5.1 水资源代谢驱动机制分析

由于自然水循环系统的复杂性、多变性及被人类干扰后变化的不确定性, 人类对自然水循环系统的认识具有局限性、滞后性, 例如人类对水坝和河流水泥护岸建设改变自然水系统导致的潜在危害的认识远远滞后于建设效益的认识。为此, 水资源高效代谢的关键在于水循环过程中人类行为而不是自然过程的调整。评价结果也表明, 厦门水资源代谢效率加速提高关键在于社会经济领域的人类用水效率快速提高(表 2)。供水和废水处理是联结自然水循环和社会水循环的枢纽环节, 也是虚拟水流和资源水流的耦合环节。因此, 影响虚拟水和资源水耦合代谢效率的主要环节有：水生产、水消费、水排放。水生产和水排放又经由水消费而形成循环, 直接取决于水消费状况(图 2)。

水生产供给方面, 包括虚拟水和生产生活用水的生产。虚拟水产品生产量与产品结构取决于研究区内虚拟水消费与虚拟水进出境状况。如, 人均水足迹远大于农村的城市或缺水区适宜发展低耗水高附加值产业, 通过虚拟水贸易进口高耗水产品满足社会经济发展需求^[36]。水稀缺条件下, 虚拟水生产规划应考虑各产业用水效率与机会成本, 减少水产养殖和农作物生产规模, 提高低耗水高附加值服务业在国民经济中所占比例^[37]。厦门为虚拟水出口型城市(图 2), 其虚拟水出境量多少取决于境外虚拟水供需平衡状况。生产、生活供水量则取决于生产、生活用水效率。

水消费需求方面, 虚拟水消费既受境内消费影响, 也受境内外虚拟水贸易影响, 因此虚拟水消费驱动机制分析既要考虑境内消费, 也要考虑境内外虚拟水贸易量和贸易结构的影响^{[36, 38-39]}。如, 2007年中国国内贸易所含虚拟水提取量和消费量分别占全国年淡水总取水量的38%、总水消费量的39%；而国际贸易所含虚拟水提取量和消费量仅分别占全国总取水量的17.4%、总水消费量的16.1%, 其中, 纺织品、服装、皮革制品所含的虚拟水贸易量大于农产品^[39]。资源水消费则受经济发展水平、产业耗水结构、水资源禀赋和水资源可利用性与社会经济需水的空间匹配性等因素影响。

水排放方面, 包括废污水排放和隐含虚拟水的固体废物排放。废污水排放既是社会水循环可利用水量的消耗, 也是自然水循环水体自净负荷的增加。废污水排放量与废污水中污染物含量取决于水消费量与消费结构, 也取决于水处理设施投入。其中, 工业废水排放取决于经济增长状况和工业结构^[40]。固废排放既取决于工农业生产清洁技术水平与循环利用能力, 也取决于居民生活消费习惯、消费水平。

代谢效率评价值与各指标标准化值的Pearson相关分析结果表明(表 3), 影响水资源代谢效率的主导指标包括单方用水灌溉面积、淡水回用率、单方用水工业产值、单方用水社会消费品零售额、生态用水比例, 这些指标与水资源代谢效率的Pearson相关系数达0.9以上；其他重要指标包括为人口发展水平、废弃虚拟水回用率、单方用水支撑人口数、生产用水比例, 这些指标与水资源代谢效率的Pearson相关系数达0.8以上。可见, 用水效率类指标与水代谢过程与格局类指标是水资源代谢效率变化的主要驱动指标, 可作为水资源代谢优化调控方案的制定依据。

5.2 水资源代谢优化调控

以枯水年各驱动指标实际值年变化速度为代表(表 2), 假定低方案各驱动指标年变化速度为2003-2009年的年变化速度；高方案各驱动指标年变化速度为2009-2011年的年变化速度；中方案各驱动指标年变化速度为高低方案各指标年变化速度的平均值。则可得短期(2020年)、中期(2030年)、长期(2050年)的高、中、低方案厦门各驱动指标预测值(表 4)。

驱动指标不同组合模式下水资源代谢效率情景方案设计与优化：根据各驱动指标高、中、低方案的短、中、长期预测值(表 4), 假定其他指标值为基准年2011年实际值, 则可求得短、中、长期的高、中、低方案厦门水资源代谢效率(表 5)。

基于现状评价期水资源代谢效率年均增速的水资源代谢效率情景方案设计与优化：以枯水年水资源代谢效率年变化为例(4.3评价结果与分析), 假定低方案水资源代谢效率年变化速度为2003-2009年的年变化速度, 即水资源代谢效率年均增加2.2%；高方案水资源代谢效率年变化速度为2009-2011年的年变化速度, 即水资源代谢效率年均增加13.6%；中方案水资源代谢效率年变化速度为高低方案年变化速度的平均值, 即水资源代谢效率年均增加(2.2%+13.6%)/2=7.9%。则可得短、中、长期的高、中、低方案厦门水资源代谢效率(表 5)。

与2003-2011年水资源代谢效率年变化速度直接预测的短、中、长期的高、中、低方案厦门水资源代谢效率相比, 驱动指标不同组合模式下水资源代谢效率情景均偏低, 特别是比除中方案2020年外的中高方案水资源代谢效率情景值低3倍以上(表 5)。可见, 驱动指标不同组合模式下水资源代谢效率情景设计更具可操作性。因此, 可根据这些主导指标制定相应的水资源管理对策。如淡水回用率：淡水是社会经济用水的主要来源。淡水回用不仅具备显著的社会经济效益^[41]；也有利于减少天然水提取, 改善生态环境质量。如, 回用的淡水可用于冲侧、灌溉、冷却、洗涤、防灾、农产品加工、造纸、城市景观用水、湿地用水、地下水空间维护等生活、生产、生态用水等^[42]。

6 结论

应用MFA从水代谢过程与格局角度同步提取资源水流和虚拟水流代谢指标, 一方面可同步考虑研究系统边界水资源输入输出特征和系统内部各环节的水代谢特征, 另一方面便于同时反映资源水和虚拟水的代谢特征。因此, 把这些指标纳入水资源代谢效率评价指标体系, 从而更系统地、全面地评价水代谢效率。评价结果表明, 厦门近十年来水资源代谢效率迅速提高, 主要依赖于社会经济领域水代谢效率的提高；然而, 生态环境领域水代谢效率则略为下降, 但下降幅度趋缓。评价结果与各指标值的相关分析表明, 用水效率类指标和水代谢过程与结构类指标是厦门市水代谢效率变化的主要驱动指标, 说明提高城市水代谢综合效率主要取决于水资源消费行为的改善、水代谢过程与格局的合理规划。依据这些主要指标设计城市水代谢效率改善对策, 有利于提高对策的可操作性与综合性。

因数据来源限制, 本研究代谢系统内的资源水流与虚拟水流耦合环节较简单, 有待完善。然而, 基于物质流图的资源水与虚拟水耦合代谢分析为自然资源与虚拟资源的耦合分析提供了框架基础, 有利于获取反映自然过程和社会经济过程中资源流全局特征的系统性指标, 促进社会水循环与自然水循环的关联研究, 为制定一体化、综合性资源管理对策提供依据, 也为水资源消费者与管理者的沟通提供简洁、实用的指标工具。此外, 基于物质流图提取反映资源流过程与结构的指标, 有利于完善资源评价指标体系构建理论与方法。

致谢: 感谢中国科学院城市环境研究所陈少华研究员、崔胜辉研究员、唐立娜研究员, 台湾大学马鸿文教授对本工作的帮助。