摘要: 農業水安全是我國水安全與糧食安全的基礎和前提。以虛擬水理論為依托, 從區域水安全、經濟安全、糧食安全角度出發, 構建了由自然技術、經濟環境、社會生活3 個方面構成的區域農業水安全評價指標體系, 包括農業水分滿足指數、水分生產效率、農業耗水比例、灌區地下水位下降幅度、糧食安全指數、糧食自給度等6 項指標?；趯哟畏治龅哪：C合評價方法, 以鄭州市為例, 對其未來年農業水安全狀況進行評價, 指出鄭州市農業水安全狀況、變化趨勢及存在的突出問題。根據評價結果對影響因子進行排序, 提出了提高區域農業水安全的組合方案, 在情景分析的基礎上優選出未來時期內提高鄭州市農業水安全水平的優選方案。

關鍵詞: 虛擬水理論 農業水安全 指標體系

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前區域水安全問題的主要原因, 水資源時空分布不均和水污染加劇了水安全危機。中國, 尤其在華北平原地區, 水資源短缺現象越來越嚴重。水安全被認為是制約中國社會經濟可持續發展的重要因素, 并且可能引發糧食安全、國家安全等問題[1]。

目前, 水安全問題已成為國際社會共同的戰略目標[2]。我國學者對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業用水安全上, 這是因為: 農業是我國最大的耗水產業, 其水資源利用狀況直接決定著區域的水資源利用效率和整體水安全保障程度 農業用水安全與否又影響到區域糧食安全, 并最終決定著人類社會的穩定與發展。但是, 中國的農業正面臨著水資源短缺和水質污染的雙重威脅 同時, 農業還面臨工業、生活等部門的用水競爭, 農業競爭力處于明顯的弱勢地位, 因此有必要研究區域的農業水安全狀況及對策, 為農業及區域水安全問題的緩解尋求新的突破點。虛擬水戰略是研究當前區域水安全問題的重要課題[5]。本研究依托于虛擬水理論, 通過農產品虛擬水供耗關系來研究區域的農業水安全狀況, 根據對農產品虛擬水形成影響因素的分析, 提出提高區域農業水安全的策略。

1 農業水安全評價原理與方法

1. 1 農業水安全指標體系構建

農業水資源安全包括水資源安全和糧食安全兩個方面, 前者體現的是滿足作物需水的自然屬性和維持可持續發展要求的社會經濟與人文屬性, 后者體現的是滿足人類生存需求的社會屬性[6]。

1. 1. 1 指標的選擇

農業水資源安全體現了水資源需、供、用各階段及社會、經濟、環境各用水單元之間的壓力- 狀態- 響應關系(圖1) 。在農業水安全的壓力- 狀態- 響應關系中, 缺水、多水、用水效率、糧食安全是與區域農業水安全關系最密切的幾個指標。根據指標選擇的原則, 本研究選取水資源安全度、水分生產效率、灌區地下水位下降幅度、農業耗水率、糧食滿足指數與糧食自給度6個指標來綜合評價區域農業水安全狀況。由于地下水更新速度受農業灌溉影響較大, 而地表水資源的更新與渠系灌溉影響不大, 故主要對地下水資源更新狀況進行評價。其中,水資源安全度和糧食安全指數體現了農業生產和農業對社會穩定的保障程度 水分生產效率、灌區地下水位下降幅度和農業耗水率體現了農業水資源利用效率、水資源可持續利用能力和區域可持續發展能力 糧食自給度體現了農業對國家安全的保障程度。這6個指標基本上科學、獨立、全面地代表了農業水安全的各個方面, 用來評價我國的區域農業水安全狀況是可行的。

圖1 農業水安全壓力-狀態-響應關系

1. 1. 2 指標的量化

1. 1. 2. 1 水資源安全指標

農業可供水量的多少對農業生產的正常進行起著至關重要的作用, 供需對比一直是評價農業用水滿足程度的一項重要指標。而農業水安全又是區域水安全的組成部分, 因此農業水安全的另一層含義是資源的可持續利用性, 即水資源消耗的約束性。

(1) 水資源滿足程度。對農業來說, 來水過多會造成洪澇鹽漬災害, 來水過少會造成旱災病蟲災。所以農業供水多少對農業安全來說至關重要, 而衡量供水盈缺的一個重要指標是實際需水量, 通過供需之間的對比關系可以衡量區域農業水安全狀況。文獻[7] 給出以下農業水資源安全評價模型。

RD =(IR + P)/SWR m (1)

式中: RD 為農業水分滿足指數, % IR為農業可供用水量, 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時表示充分供水, 滿足植物的最佳生長狀態, 此時最安全。SWRm不是實際耗水量, 而是在充分灌溉條件下的作物耗水量。

(2) 水分生產效率。農業水分生產效率η指的是單位水分所能生產出的農產品數量, 可以綜合體現農業用水的效率。這里的水指的是從渠系引水口到最終作物產出消耗的總的水資源量, 包括降雨、灌溉和渠系滲漏、蒸發等。

(3) 灌區地下水位下降幅度。地下水位持續下降情況一方面限制了農業可持續發展能力, 一方面體現了農業用水對水生態平衡的破壞, 是農業水安全的重要保障指標。對于井灌區,由地下水均衡計算獲得式(2):對于渠灌區, 由于沒有農業取水, 如水均衡計算結果小于0, 則評價中的地下水位下降幅度取0 井渠結合灌區按面積加權計算。

△h = (Q補-Q排)△t/(dF) (2)

式中: Q補為淺層水的補給量, 萬m3/aQ降滲為大氣降水入滲補給量, 萬m3/a△h為水位變幅, mF為均衡區面積, m2△t為均衡時段, aμd為水位變動帶的重力給水度。

(4) 農業耗水比例。受區域總的耗水約束, 農業耗水應該不能超過一定的限度, 本研究從農業耗水占可供水資源量多少的角度來衡量農業耗水的合理性。

K=SWR/Q(3)

式中: K為區域農業耗水比例,%Q為區域可供水資源總量,億m3。

從資源消耗、可持續發展的角度來講, K 顯然越小越好。區域農業耗水比例體現了農業用水的效率, 間接體現了區域水資源的可持續利用性。考慮到研究區當地水資源缺乏, 本研究考慮土壤水分脅迫的影響, 采用基于雙作物系數法[8]公式計算。

1. 1. 2. 2 糧食安全指標

(1) 糧食總量保障程度。區域農業水資源安全, 并不能保證區域糧食安全。這時我們引入另一個概念——糧食安全指數。用公式表示為:

Sf =Y/Yc= (SWR+T)/Wc= (SWR+T)/(VWF+S)(4)

式中: Sf 為區域糧食安全指數, % Y為糧食供應總量, 萬t Yc為糧食需求總量,萬t SWR 為虛擬水生產總量, 億m3 Wc為虛擬水需求總量, 億m3 VWF 為虛擬水消費總量, 億m3 T為虛擬水貿易總量, 億m3, 正值表示凈進口, 負值表示凈出口 S為虛擬水安全儲備量, 億m3。

(2) 糧食自給程度。在特殊狀況下, 如戰爭、糧食危機、大面積災荒等情況下, 糧食自給關系到一個國家的獨立自主和國家安全, 從長遠考慮, 農業水安全的另一個限制因素就是區域糧食生產的自主保障能力。糧食自給度公式:

Ss=Ys/Yc=SWR/(VWF+ S) (5)

式中: Sf 為區域糧食自給度, % Ys 為糧食生產總量, 萬t。

區域糧食安全指數和糧食自給度體現了虛擬水生產與人類需求之間的關系。

1. 2 基于層次分析的模糊綜合評價方法

模糊- 層次分析法(Fuzzy-AHP) 的基本步驟詳見文獻[9]。在模糊運算的基礎上, 對權重向量加上一定的量化標準得到綜合評分H =∑CiSi , 其中, S i表示評價等級檔次集所對應的量化評語集(0.6, 0.8, 1.0) , 進而得到區域農業水安全量化結果與評價等級(Ⅲ級: 0-0.6,Ⅱ級: 0. 6- 0.8Ⅰ級: 0.8-1.0) 。

2 實例研究

鄭州市降水量從1956-2000 年呈減小的趨勢。20 世紀90年代降水量比20世紀80年代減少37.75 mm, 減幅為6.0%, 比20 世紀70 年代減少了39.6 mm, 減幅為6.3%, 比20世紀60 年代減少了57.27 mm, 減幅為8. 8%。降水量年內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, 工業和生活用水占總用水量比例由23%增加到45%, 農業則由77% 下降為55%。淺層地下水嚴重超采, 2000 年全市平均超采19.87%, 近幾年(2000-2003年) 全市平均超采26. 55%。在農業用水日趨緊張, 地下水環境日趨惡化的情形下, 研究鄭州市農業水安全所處水平及解決辦法成為鄭州市發展必須面對的一個現實問題。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 個典型水平年, 對其在濕潤年、平水降雨年、一般干旱年3 種降雨水平下的農業水安全狀況進行評價分析, 根據評價結果及影響因子, 提出提高未來年鄭州市農業水安全狀況的方案, 并對方案進行優選。

2. 1 未來水平年水資源安全評價指標的計算

將計算的農產品虛擬水生產量、消費量、貿易量、滯留量、安全儲備量、農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 個指標, 見表1。

表1 農業水安全指標值計算結果

2. 2 未來年農業水安全評價

以區域農業水安全狀況為目標層, 農業水安全評價的遞階層狀結構見表2。

表2 農業水安全層次分析遞階層狀結構

初始相對重要性對比的判斷矩陣采用3 標度法, 通過比較各層相對重要性并賦權, 經計算各層一致性檢驗均滿足要求,層次總排序結果為: A ={0. 346, 0. 346, 0. 062, 0. 038, 0. 146,0. 062}。各指標等級劃分的參照值及劃分情況見表3。

表3 農業水安全指標先進值與落后值參考資料

將隸屬度矩陣與層次總排序權重進行向量乘法運算得到各安全等級的組合權重, 并與評語集結合得到最終的綜合評價(表4) 。

表4 未來年鄭州市農業水安全各安全等級組合權重及評價結果

2. 3 結果分析

2. 3. 1 農業水安全水平分析

從農業水安全評價的3 個安全級別的組合權重可以看出,Ⅲ類(不安全狀況) 的組合權重在0. 035~ 0. 086 之間變化, Ⅱ類(基本安全狀況) 的組合權重在0. 542~ 0. 655 之間變化, Ⅰ類(安全狀況) 的組合權重在0.217~ 0.345 之間變化, 在3 個水安全等級中, Ⅰ類的權重明顯比Ⅱ類和Ⅲ類權重大,Ⅲ類對農業水安全的影響不超過15%, 可以得出, 鄭州市未來時期內農業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, 所以鄭州的農業水安全保障程度仍有必要提高。

2. 3. 2 農業水安全趨勢分析

由表4 中的評價結果可以看出, 區域農業水安全狀況從2010年到2020年逐漸變好。其原因是, 與2010年相比, 南水北調水通水后可為農業置換部分水資源 由層次分析結果得知, 農業水資源安全度對區域農業水安全的影響最大, 故2015年以后, 農業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 隨著經濟的發展和技術的革新, 農業用水效率及糧食產量穩步提高, 故2015、2020 年農業水安全水平也逐步提高, 但這種變化趨勢相對較小。

2. 3. 3 農業水安全影響因子分析

通過對鄭州市農業水安全趨勢分析表明, 近期水平年鄭州市區域農業水安全不會存在太大威脅, 但農業水安全水平仍有待進一步提高。由層次分析法排序結果可知, 農業水分滿足指數和農業水分生產效率是影響農業水安全的兩個主要指標, 而節水技術改造、節水灌溉、優化種植結構、精確配水灌溉等措施是提高這兩項指標的有效手段。

2. 4 提高未來年農業水安全度的方案分析

以75%降雨水平年為例, 通過種植結構和灌溉制度的調整以及節水技術改造和節水灌溉幾種措施下的方案組合, 優選出最佳的提高區域農業水安全水平的方案。以下方案不考慮南水北調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% 節水灌溉面積+60%耕作面積的機械蓄水保墑

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% 節水灌溉面積+60%耕作面積的機械蓄水保墑

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% 節水灌溉面積+50%耕作面積的機械蓄水保墑。

以上方案的評價結果列于表5。

表5 方案情景分析

結果表明, 調整后的農業水資源安全水平有所提高, 其中方案一的效果最好, 作為最終優選方案。從虛擬水角度來看,擴大低耗水產品種植, 減少高耗水作物生產, 通過實施虛擬水貿易戰略減少農業耗水量等措施, 是未來時期內各國緩解區域水資源壓力、實現可持續發展、維持糧食安全的重要途徑。

3 結語

本研究以虛擬水理論為基礎, 對鄭州市農業水安全問題進行評價研究。采用層次分析法對農業水安全影響因素分析, 得出對鄭州市農業水安全制約最大的因素是農業水分滿足程度和農業水分生產效率, 其次是糧食安全指數, 影響最小的是灌區地下水位下降幅度。農業水安全評價結果表明, 在現狀發展水平下鄭州市未來時期內農業水安全狀況變化不大, 處于基本安全的水平, 所以鄭州市農業水安全程度還有待提高。另外,對農業水安全指標進行分解, 分析相應的影響因素及調控措施, 通過對各指標重要性排序, 優選出影響最大的方案集。在此基礎上, 根據鄭州市農業實際狀況, 制定了提高未來年(75%降雨頻率年) 鄭州市農業水安全水平的措施, 結果表明在種植結構調整+ 灌溉制度調整+ 灌渠維修改造+ 節水灌溉+ 機械蓄水保墑等綜合措施下, 鄭州市的農業水安全狀況將會顯著提高, 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%節水灌溉面積+ 60% 耕作面積的機械蓄水保墑的方案效果最佳。

參考文獻:

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作者簡介: 雷宏軍(1975—) , 男, 博士, 副教授, 主要從事區域水土資源高效利用研究。