時(shí)間：2011-07-08來源：
摘要: 農(nóng)業(yè)水安全是我國水安全與糧食安全的基礎(chǔ)和前提。以虛擬水理論為依托, 從區(qū)域水安全、經(jīng)濟(jì)安全、糧食安全角度出發(fā), 構(gòu)建了由自然技術(shù)、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會(huì)生活3 個(gè)方面構(gòu)成的區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 包括農(nóng)業(yè)水分滿足指數(shù)、水分生產(chǎn)效率、農(nóng)業(yè)耗水比例、灌區(qū)地下水位下降幅度、糧食安全指數(shù)、糧食自給度等6 項(xiàng)指標(biāo)。基于層次分析的模糊綜合評(píng)價(jià)方法, 以鄭州市為例, 對(duì)其未來年農(nóng)業(yè)水安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià), 指出鄭州市農(nóng)業(yè)水安全狀況、變化趨勢及存在的突出問題。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)影響因子進(jìn)行排序, 提出了提高區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全的組合方案, 在情景分析的基礎(chǔ)上優(yōu)選出未來時(shí)期內(nèi)提高鄭州市農(nóng)業(yè)水安全水平的優(yōu)選方案。
關(guān)鍵詞: 虛擬水理論 農(nóng)業(yè)水安全 指標(biāo)體系
0 引言
水資源缺乏、人口膨脹與水資源的不合理利用是造成當(dāng)前區(qū)域水安全問題的主要原因, 水資源時(shí)空分布不均和水污染加劇了水安全危機(jī)。中國, 尤其在華北平原地區(qū), 水資源短缺現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。水安全被認(rèn)為是制約中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素, 并且可能引發(fā)糧食安全、國家安全等問題[1]。
目前, 水安全問題已成為國際社會(huì)共同的戰(zhàn)略目標(biāo)[2]。我國學(xué)者對(duì)水安全也做了許多研究[3, 4]。水安全問題的核心主要集中于農(nóng)業(yè)用水安全上, 這是因?yàn)?span lang="EN-US">: 農(nóng)業(yè)是我國最大的耗水產(chǎn)業(yè), 其水資源利用狀況直接決定著區(qū)域的水資源利用效率和整體水安全保障程度 農(nóng)業(yè)用水安全與否又影響到區(qū)域糧食安全, 并最終決定著人類社會(huì)的穩(wěn)定與發(fā)展。但是, 中國的農(nóng)業(yè)正面臨著水資源短缺和水質(zhì)污染的雙重威脅 同時(shí), 農(nóng)業(yè)還面臨工業(yè)、生活等部門的用水競爭, 農(nóng)業(yè)競爭力處于明顯的弱勢地位, 因此有必要研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)水安全狀況及對(duì)策, 為農(nóng)業(yè)及區(qū)域水安全問題的緩解尋求新的突破點(diǎn)。虛擬水戰(zhàn)略是研究當(dāng)前區(qū)域水安全問題的重要課題[5]。本研究依托于虛擬水理論, 通過農(nóng)產(chǎn)品虛擬水供耗關(guān)系來研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)水安全狀況, 根據(jù)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品虛擬水形成影響因素的分析, 提出提高區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全的策略。
1 農(nóng)業(yè)水安全評(píng)價(jià)原理與方法
1. 1 農(nóng)業(yè)水安全指標(biāo)體系構(gòu)建
農(nóng)業(yè)水資源安全包括水資源安全和糧食安全兩個(gè)方面, 前者體現(xiàn)的是滿足作物需水的自然屬性和維持可持續(xù)發(fā)展要求的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與人文屬性, 后者體現(xiàn)的是滿足人類生存需求的社會(huì)屬性[6]。
農(nóng)業(yè)水資源安全體現(xiàn)了水資源需、供、用各階段及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境各用水單元之間的壓力- 狀態(tài)- 響應(yīng)關(guān)系(圖1) 。在農(nóng)業(yè)水安全的壓力- 狀態(tài)- 響應(yīng)關(guān)系中, 缺水、多水、用水效率、糧食安全是與區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全關(guān)系最密切的幾個(gè)指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo)選擇的原則, 本研究選取水資源安全度、水分生產(chǎn)效率、灌區(qū)地下水位下降幅度、農(nóng)業(yè)耗水率、糧食滿足指數(shù)與糧食自給度6個(gè)指標(biāo)來綜合評(píng)價(jià)區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全狀況。由于地下水更新速度受農(nóng)業(yè)灌溉影響較大, 而地表水資源的更新與渠系灌溉影響不大, 故主要對(duì)地下水資源更新狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中,水資源安全度和糧食安全指數(shù)體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)對(duì)社會(huì)穩(wěn)定的保障程度 水分生產(chǎn)效率、灌區(qū)地下水位下降幅度和農(nóng)業(yè)耗水率體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)水資源利用效率、水資源可持續(xù)利用能力和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力 糧食自給度體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)對(duì)國家安全的保障程度。這6個(gè)指標(biāo)基本上科學(xué)、獨(dú)立、全面地代表了農(nóng)業(yè)水安全的各個(gè)方面, 用來評(píng)價(jià)我國的區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全狀況是可行的。
圖1 農(nóng)業(yè)水安全壓力-狀態(tài)-響應(yīng)關(guān)系
農(nóng)業(yè)可供水量的多少對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行起著至關(guān)重要的作用, 供需對(duì)比一直是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)用水滿足程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。而農(nóng)業(yè)水安全又是區(qū)域水安全的組成部分, 因此農(nóng)業(yè)水安全的另一層含義是資源的可持續(xù)利用性, 即水資源消耗的約束性。
(1) 水資源滿足程度。對(duì)農(nóng)業(yè)來說, 來水過多會(huì)造成洪澇鹽漬災(zāi)害, 來水過少會(huì)造成旱災(zāi)病蟲災(zāi)。所以農(nóng)業(yè)供水多少對(duì)農(nóng)業(yè)安全來說至關(guān)重要, 而衡量供水盈缺的一個(gè)重要指標(biāo)是實(shí)際需水量, 通過供需之間的對(duì)比關(guān)系可以衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全狀況。文獻(xiàn)[7] 給出以下農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)模型。
RD =(IR + P)/SWR m (1)
式中: RD 為農(nóng)業(yè)水分滿足指數(shù), % IR為農(nóng)業(yè)可供用水量, 億m3 P為有效降雨量, 億m3 SWRm為作物潛在虛擬水生產(chǎn)量,億m3 。
如果0≤R D≤1, 則RD 越大越安全 1＜RD, 則R D 越小越安全 其中RD為1時(shí)表示充分供水, 滿足植物的最佳生長狀態(tài), 此時(shí)最安全。SWRm不是實(shí)際耗水量, 而是在充分灌溉條件下的作物耗水量。
(2) 水分生產(chǎn)效率。農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)效率η指的是單位水分所能生產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量, 可以綜合體現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的效率。這里的水指的是從渠系引水口到最終作物產(chǎn)出消耗的總的水資源量, 包括降雨、灌溉和渠系滲漏、蒸發(fā)等。
(3) 灌區(qū)地下水位下降幅度。地下水位持續(xù)下降情況一方面限制了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力, 一方面體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)用水對(duì)水生態(tài)平衡的破壞, 是農(nóng)業(yè)水安全的重要保障指標(biāo)。對(duì)于井灌區(qū),由地下水均衡計(jì)算獲得式(2):對(duì)于渠灌區(qū), 由于沒有農(nóng)業(yè)取水, 如水均衡計(jì)算結(jié)果小于0, 則評(píng)價(jià)中的地下水位下降幅度取0 井渠結(jié)合灌區(qū)按面積加權(quán)計(jì)算。
△h = (Q補(bǔ)-Q排)△t/(dF) (2)
式中: Q補(bǔ)為淺層水的補(bǔ)給量, 萬m3/aQ降滲為大氣降水入滲補(bǔ)給量, 萬m3/a△h為水位變幅, mF為均衡區(qū)面積, m2△t為均衡時(shí)段, aμd為水位變動(dòng)帶的重力給水度。
(4) 農(nóng)業(yè)耗水比例。受區(qū)域總的耗水約束, 農(nóng)業(yè)耗水應(yīng)該不能超過一定的限度, 本研究從農(nóng)業(yè)耗水占可供水資源量多少的角度來衡量農(nóng)業(yè)耗水的合理性。
K=SWR/Q(3)
式中: K為區(qū)域農(nóng)業(yè)耗水比例,%Q為區(qū)域可供水資源總量,億m3。
從資源消耗、可持續(xù)發(fā)展的角度來講, K 顯然越小越好。區(qū)域農(nóng)業(yè)耗水比例體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)用水的效率, 間接體現(xiàn)了區(qū)域水資源的可持續(xù)利用性。考慮到研究區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源缺乏, 本研究考慮土壤水分脅迫的影響, 采用基于雙作物系數(shù)法[8]公式計(jì)算。
(1) 糧食總量保障程度。區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源安全, 并不能保證區(qū)域糧食安全。這時(shí)我們引入另一個(gè)概念——糧食安全指數(shù)。用公式表示為:
Sf =Y/Yc= (SWR+T)/Wc= (SWR+T)/(VWF+S)(4)
式中: Sf 為區(qū)域糧食安全指數(shù), % Y為糧食供應(yīng)總量, 萬t Yc為糧食需求總量,萬t SWR 為虛擬水生產(chǎn)總量, 億m3 Wc為虛擬水需求總量, 億m3 VWF 為虛擬水消費(fèi)總量, 億m3 T為虛擬水貿(mào)易總量, 億m3, 正值表示凈進(jìn)口, 負(fù)值表示凈出口 S為虛擬水安全儲(chǔ)備量, 億m3。
(2) 糧食自給程度。在特殊狀況下, 如戰(zhàn)爭、糧食危機(jī)、大面積災(zāi)荒等情況下, 糧食自給關(guān)系到一個(gè)國家的獨(dú)立自主和國家安全, 從長遠(yuǎn)考慮, 農(nóng)業(yè)水安全的另一個(gè)限制因素就是區(qū)域糧食生產(chǎn)的自主保障能力。糧食自給度公式:
Ss=Ys/Yc=SWR/(VWF+ S) (5)
式中: Sf 為區(qū)域糧食自給度, % Ys 為糧食生產(chǎn)總量, 萬t。
區(qū)域糧食安全指數(shù)和糧食自給度體現(xiàn)了虛擬水生產(chǎn)與人類需求之間的關(guān)系。
1. 2 基于層次分析的模糊綜合評(píng)價(jià)方法
模糊- 層次分析法(Fuzzy-AHP) 的基本步驟詳見文獻(xiàn)[9]。在模糊運(yùn)算的基礎(chǔ)上, 對(duì)權(quán)重向量加上一定的量化標(biāo)準(zhǔn)得到綜合評(píng)分H =∑CiSi , 其中, S i表示評(píng)價(jià)等級(jí)檔次集所對(duì)應(yīng)的量化評(píng)語集(0.6, 0.8, 1.0) , 進(jìn)而得到區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全量化結(jié)果與評(píng)價(jià)等級(jí)(Ⅲ級(jí): 0-0.6,Ⅱ級(jí): 0. 6- 0.8Ⅰ級(jí): 0.8-1.0) 。
2 實(shí)例研究
鄭州市降水量從1956-2000 年呈減小的趨勢。20 世紀(jì)90年代降水量比20世紀(jì)80年代減少37.75 mm, 減幅為6.0%, 比20 世紀(jì)70 年代減少了39.6 mm, 減幅為6.3%, 比20世紀(jì)60 年代減少了57.27 mm, 減幅為8. 8%。降水量年內(nèi)分配各年之間存在較大差異, 1996 年汛期降水量462.1 mm, 占年降水量的73. 5%, 1997 年, 汛期降水量170.9 mm, 占全年降水量的44. 9%。1998-2000 年間, 工業(yè)和生活用水占總用水量比例由23%增加到45%, 農(nóng)業(yè)則由77% 下降為55%。淺層地下水嚴(yán)重超采, 2000 年全市平均超采19.87%, 近幾年(2000-2003年) 全市平均超采26. 55%。在農(nóng)業(yè)用水日趨緊張, 地下水環(huán)境日趨惡化的情形下, 研究鄭州市農(nóng)業(yè)水安全所處水平及解決辦法成為鄭州市發(fā)展必須面對(duì)的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。本研究以鄭州市為例, 分別選取2010、2015 年和2020 年為代表的近、中、長期3 個(gè)典型水平年, 對(duì)其在濕潤年、平水降雨年、一般干旱年3 種降雨水平下的農(nóng)業(yè)水安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析, 根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果及影響因子, 提出提高未來年鄭州市農(nóng)業(yè)水安全狀況的方案, 并對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)選。
2. 1 未來水平年水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算
將計(jì)算的農(nóng)產(chǎn)品虛擬水生產(chǎn)量、消費(fèi)量、貿(mào)易量、滯留量、安全儲(chǔ)備量、農(nóng)田有效降雨量等因子代入式(1) - 式(5) 中可求得2010、2015 和2020 年在25%、50%、75%降雨頻率下的6 個(gè)指標(biāo), 見表1。
表1 農(nóng)業(yè)水安全指標(biāo)值計(jì)算結(jié)果
2. 2 未來年農(nóng)業(yè)水安全評(píng)價(jià)
以區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全狀況為目標(biāo)層, 農(nóng)業(yè)水安全評(píng)價(jià)的遞階層狀結(jié)構(gòu)見表2。
表2 農(nóng)業(yè)水安全層次分析遞階層狀結(jié)構(gòu)
初始相對(duì)重要性對(duì)比的判斷矩陣采用3 標(biāo)度法, 通過比較各層相對(duì)重要性并賦權(quán), 經(jīng)計(jì)算各層一致性檢驗(yàn)均滿足要求,層次總排序結(jié)果為: A ={0. 346, 0. 346, 0. 062, 0. 038, 0. 146,0. 062}。各指標(biāo)等級(jí)劃分的參照值及劃分情況見表3。
表3 農(nóng)業(yè)水安全指標(biāo)先進(jìn)值與落后值參考資料
將隸屬度矩陣與層次總排序權(quán)重進(jìn)行向量乘法運(yùn)算得到各安全等級(jí)的組合權(quán)重, 并與評(píng)語集結(jié)合得到最終的綜合評(píng)價(jià)(表4) 。
表4 未來年鄭州市農(nóng)業(yè)水安全各安全等級(jí)組合權(quán)重及評(píng)價(jià)結(jié)果
2. 3 結(jié)果分析
從農(nóng)業(yè)水安全評(píng)價(jià)的3 個(gè)安全級(jí)別的組合權(quán)重可以看出,Ⅲ類(不安全狀況) 的組合權(quán)重在0. 035~ 0. 086 之間變化, Ⅱ類(基本安全狀況) 的組合權(quán)重在0. 542~ 0. 655 之間變化, Ⅰ類(安全狀況) 的組合權(quán)重在0.217~ 0.345 之間變化, 在3 個(gè)水安全等級(jí)中, Ⅰ類的權(quán)重明顯比Ⅱ類和Ⅲ類權(quán)重大,Ⅲ類對(duì)農(nóng)業(yè)水安全的影響不超過15%, 可以得出, 鄭州市未來時(shí)期內(nèi)農(nóng)業(yè)水安全狀況處于基本安全的水平, 但基本安全與安全之間還有一定的差距, 所以鄭州的農(nóng)業(yè)水安全保障程度仍有必要提高。
由表4 中的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出, 區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全狀況從2010年到2020年逐漸變好。其原因是, 與2010年相比, 南水北調(diào)水通水后可為農(nóng)業(yè)置換部分水資源 由層次分析結(jié)果得知, 農(nóng)業(yè)水資源安全度對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全的影響最大, 故2015年以后, 農(nóng)業(yè)用水壓力將得到一定程度的緩解, 從而使水安全狀況有所好轉(zhuǎn) 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的革新, 農(nóng)業(yè)用水效率及糧食產(chǎn)量穩(wěn)步提高, 故2015、2020 年農(nóng)業(yè)水安全水平也逐步提高, 但這種變化趨勢相對(duì)較小。
通過對(duì)鄭州市農(nóng)業(yè)水安全趨勢分析表明, 近期水平年鄭州市區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全不會(huì)存在太大威脅, 但農(nóng)業(yè)水安全水平仍有待進(jìn)一步提高。由層次分析法排序結(jié)果可知, 農(nóng)業(yè)水分滿足指數(shù)和農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)效率是影響農(nóng)業(yè)水安全的兩個(gè)主要指標(biāo), 而節(jié)水技術(shù)改造、節(jié)水灌溉、優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)、精確配水灌溉等措施是提高這兩項(xiàng)指標(biāo)的有效手段。
2. 4 提高未來年農(nóng)業(yè)水安全度的方案分析
以75%降雨水平年為例, 通過種植結(jié)構(gòu)和灌溉制度的調(diào)整以及節(jié)水技術(shù)改造和節(jié)水灌溉幾種措施下的方案組合, 優(yōu)選出最佳的提高區(qū)域農(nóng)業(yè)水安全水平的方案。以下方案不考慮南水北調(diào)中線供水工程開通情況。
方案一: 10%小麥- 玉米種植面積改種棉花+ 85%的灌溉定額+ 40% 老化灌渠維修改造+ 新增40% 節(jié)水灌溉面積+60%耕作面積的機(jī)械蓄水保墑
方案二: 15%小麥- 玉米種植面積改種棉花+ 90%的灌溉定額+ 40% 老化灌渠維修改造+ 新增30% 節(jié)水灌溉面積+60%耕作面積的機(jī)械蓄水保墑
方案三: 5%小麥- 玉米種植面積改種棉花+ 80% 的灌溉定額+ 40% 老化灌渠維修改造+ 新增30% 節(jié)水灌溉面積+50%耕作面積的機(jī)械蓄水保墑。
以上方案的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表5。
表5 方案情景分析
結(jié)果表明, 調(diào)整后的農(nóng)業(yè)水資源安全水平有所提高, 其中方案一的效果最好, 作為最終優(yōu)選方案。從虛擬水角度來看,擴(kuò)大低耗水產(chǎn)品種植, 減少高耗水作物生產(chǎn), 通過實(shí)施虛擬水貿(mào)易戰(zhàn)略減少農(nóng)業(yè)耗水量等措施, 是未來時(shí)期內(nèi)各國緩解區(qū)域水資源壓力、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、維持糧食安全的重要途徑。
3 結(jié)語
本研究以虛擬水理論為基礎(chǔ), 對(duì)鄭州市農(nóng)業(yè)水安全問題進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。采用層次分析法對(duì)農(nóng)業(yè)水安全影響因素分析, 得出對(duì)鄭州市農(nóng)業(yè)水安全制約最大的因素是農(nóng)業(yè)水分滿足程度和農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)效率, 其次是糧食安全指數(shù), 影響最小的是灌區(qū)地下水位下降幅度。農(nóng)業(yè)水安全評(píng)價(jià)結(jié)果表明, 在現(xiàn)狀發(fā)展水平下鄭州市未來時(shí)期內(nèi)農(nóng)業(yè)水安全狀況變化不大, 處于基本安全的水平, 所以鄭州市農(nóng)業(yè)水安全程度還有待提高。另外,對(duì)農(nóng)業(yè)水安全指標(biāo)進(jìn)行分解, 分析相應(yīng)的影響因素及調(diào)控措施, 通過對(duì)各指標(biāo)重要性排序, 優(yōu)選出影響最大的方案集。在此基礎(chǔ)上, 根據(jù)鄭州市農(nóng)業(yè)實(shí)際狀況, 制定了提高未來年(75%降雨頻率年) 鄭州市農(nóng)業(yè)水安全水平的措施, 結(jié)果表明在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整+ 灌溉制度調(diào)整+ 灌渠維修改造+ 節(jié)水灌溉+ 機(jī)械蓄水保墑等綜合措施下, 鄭州市的農(nóng)業(yè)水安全狀況將會(huì)顯著提高, 將由原來的Ⅱ類安全水平提高到Ⅰ類, 其中10%小麥- 玉米種植面積改種棉花+ 85%的灌溉定額+ 40% 老化灌渠維修改造+ 新增40%節(jié)水灌溉面積+ 60% 耕作面積的機(jī)械蓄水保墑的方案效果最佳。
參考文獻(xiàn):
[ 1] 洪陽. 中國21 世紀(jì)的水安全[J]. 環(huán)境保護(hù), 1999, (10) : 29 -31.
[ 2] 王星橋. 全球關(guān)注+ 水安全, [J]. 瞭望, 2000, (14) : 58- 59.
[ 3] 鐘華平, 耿雷華. 虛擬水與水安全[J]. 中國水利, 2004, (5) : 22 -24.
[ 4] 柯兵, 柳文華, 段光明, 等. 虛擬水在解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全問題中的作用研究[J] . 環(huán)境科學(xué), 2004, 25(2) : 32- 36.
[ 5] 王新華. 中部四省虛擬水貿(mào)易的初步研究[J] . 中國農(nóng)村水利水電, 2004, (9) : 30- 33.
[ 6] 劉布春, 梅旭榮, 李玉中, 等. 農(nóng)業(yè)水資源安全的定義及其內(nèi)涵和外延[J] . 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2006, 39(5) : 947- 951.
[ 7] 劉布春. 河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)[D] . 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2007, 56.
[ 8] 李遠(yuǎn)華, 張明炷, 苑文昌, 等. 非充分灌溉條件旱作物需水量分析計(jì)算研究[J] . 武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào), 1994, 27(5) : 506- 512.
[ 9] 李祚泳, 丁晶, 彭荔紅. 環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)原理與方法[M] . 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004: 382.
作者簡介: 雷宏軍(1975—) , 男, 博士, 副教授, 主要從事區(qū)域水土資源高效利用研究。
