摘要: 农业水安全是我国水安全与粮食安全的基础和前提。以虚拟水理论为依托, 从区域水安全、经济安全、粮食安全角度出发, 构建了由自然技术、经济环境、社会生活3 个方面构成的区域农业水安全评价指标体系, 包括农业水分满足指数、水分生产效率、农业耗水比例、灌区地下水位下降幅度、粮食安全指数、粮食自给度等6 项指标。基于层次分析的模糊综合评价方法, 以郑州市为例, 对其未来年农业水安全状况进行评价, 指出郑州市农业水安全状况、变化趋势及存在的突出问题。根据评价结果对影响因子进行排序, 提出了提高区域农业水安全的组合方案, 在情景分析的基础上优选出未来时期内提高郑州市农业水安全水平的优选方案。

关键词: 虚拟水理论 农业水安全 指标体系

0 引言

水资源缺乏、人口膨胀与水资源的不合理利用是造成当前区域水安全问题的主要原因, 水资源时空分布不均和水污染加剧了水安全危机。中国, 尤其在华北平原地区, 水资源短缺现象越来越严重。水安全被认为是制约中国社会经济可持续发展的重要因素, 并且可能引发粮食安全、国家安全等问题[1]。

目前, 水安全问题已成为国际社会共同的战略目标[2]。我国学者对水安全也做了许多研究[3, 4]。水安全问题的核心主要集中于农业用水安全上, 这是因为: 农业是我国最大的耗水产业, 其水资源利用状况直接决定着区域的水资源利用效率和整体水安全保障程度 农业用水安全与否又影响到区域粮食安全, 并最终决定着人类社会的稳定与发展。但是, 中国的农业正面临着水资源短缺和水质污染的双重威胁 同时, 农业还面临工业、生活等部门的用水竞争, 农业竞争力处于明显的弱势地位, 因此有必要研究区域的农业水安全状况及对策, 为农业及区域水安全问题的缓解寻求新的突破点。虚拟水战略是研究当前区域水安全问题的重要课题[5]。本研究依托于虚拟水理论, 通过农产品虚拟水供耗关系来研究区域的农业水安全状况, 根据对农产品虚拟水形成影响因素的分析, 提出提高区域农业水安全的策略。

1 农业水安全评价原理与方法

1. 1 农业水安全指标体系构建

农业水资源安全包括水资源安全和粮食安全两个方面, 前者体现的是满足作物需水的自然属性和维持可持续发展要求的社会经济与人文属性, 后者体现的是满足人类生存需求的社会属性[6]。

1. 1. 1 指标的选择

农业水资源安全体现了水资源需、供、用各阶段及社会、经济、环境各用水单元之间的压力- 状态- 响应关系(图1) 。在农业水安全的压力- 状态- 响应关系中, 缺水、多水、用水效率、粮食安全是与区域农业水安全关系最密切的几个指标。根据指标选择的原则, 本研究选取水资源安全度、水分生产效率、灌区地下水位下降幅度、农业耗水率、粮食满足指数与粮食自给度6个指标来综合评价区域农业水安全状况。由于地下水更新速度受农业灌溉影响较大, 而地表水资源的更新与渠系灌溉影响不大, 故主要对地下水资源更新状况进行评价。其中,水资源安全度和粮食安全指数体现了农业生产和农业对社会稳定的保障程度 水分生产效率、灌区地下水位下降幅度和农业耗水率体现了农业水资源利用效率、水资源可持续利用能力和区域可持续发展能力 粮食自给度体现了农业对国家安全的保障程度。这6个指标基本上科学、独立、全面地代表了农业水安全的各个方面, 用来评价我国的区域农业水安全状况是可行的。

图1 农业水安全压力-状态-响应关系

1. 1. 2 指标的量化

1. 1. 2. 1 水资源安全指标

农业可供水量的多少对农业生产的正常进行起着至关重要的作用, 供需对比一直是评价农业用水满足程度的一项重要指标。而农业水安全又是区域水安全的组成部分, 因此农业水安全的另一层含义是资源的可持续利用性, 即水资源消耗的约束性。

(1) 水资源满足程度。对农业来说, 来水过多会造成洪涝盐渍灾害, 来水过少会造成旱灾病虫灾。所以农业供水多少对农业安全来说至关重要, 而衡量供水盈缺的一个重要指标是实际需水量, 通过供需之间的对比关系可以衡量区域农业水安全状况。文献[7] 给出以下农业水资源安全评价模型。

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

式中: RD 为农业水分满足指数, % IR为农业可供用水量, 亿m3 P为有效降雨量, 亿m3 SWRm为作物潜在虚拟水生产量,亿m3 。

如果0≤R D≤1, 则RD 越大越安全 1＜RD, 则R D 越小越安全 其中RD为1时表示充分供水, 满足植物的最佳生长状态, 此时最安全。SWRm不是实际耗水量, 而是在充分灌溉条件下的作物耗水量。

(2) 水分生产效率。农业水分生产效率η指的是单位水分所能生产出的农产品数量, 可以综合体现农业用水的效率。这里的水指的是从渠系引水口到最终作物产出消耗的总的水资源量, 包括降雨、灌溉和渠系渗漏、蒸发等。

(3) 灌区地下水位下降幅度。地下水位持续下降情况一方面限制了农业可持续发展能力, 一方面体现了农业用水对水生态平衡的破坏, 是农业水安全的重要保障指标。对于井灌区,由地下水均衡计算获得式(2):对于渠灌区, 由于没有农业取水, 如水均衡计算结果小于0, 则评价中的地下水位下降幅度取0 井渠结合灌区按面积加权计算。

△h = (Q补-Q排)△t/(dF) (2)

式中: Q补为浅层水的补给量, 万m3/aQ降渗为大气降水入渗补给量, 万m3/a△h为水位变幅, mF为均衡区面积, m2△t为均衡时段, aμd为水位变动带的重力给水度。

(4) 农业耗水比例。受区域总的耗水约束, 农业耗水应该不能超过一定的限度, 本研究从农业耗水占可供水资源量多少的角度来衡量农业耗水的合理性。

K=SWR/Q(3)

式中: K为区域农业耗水比例,%Q为区域可供水资源总量,亿m3。

从资源消耗、可持续发展的角度来讲, K 显然越小越好。区域农业耗水比例体现了农业用水的效率, 间接体现了区域水资源的可持续利用性。考虑到研究区当地水资源缺乏, 本研究考虑土壤水分胁迫的影响, 采用基于双作物系数法[8]公式计算。

1. 1. 2. 2 粮食安全指标

(1) 粮食总量保障程度。区域农业水资源安全, 并不能保证区域粮食安全。这时我们引入另一个概念——粮食安全指数。用公式表示为:

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

式中: Sf 为区域粮食安全指数, % Y为粮食供应总量, 万t Yc为粮食需求总量,万t SWR 为虚拟水生产总量, 亿m3 Wc为虚拟水需求总量, 亿m3 VWF 为虚拟水消费总量, 亿m3 T为虚拟水贸易总量, 亿m3, 正值表示净进口, 负值表示净出口 S为虚拟水安全储备量, 亿m3。

(2) 粮食自给程度。在特殊状况下, 如战争、粮食危机、大面积灾荒等情况下, 粮食自给关系到一个国家的独立自主和国家安全, 从长远考虑, 农业水安全的另一个限制因素就是区域粮食生产的自主保障能力。粮食自给度公式:

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

式中: Sf 为区域粮食自给度, % Ys 为粮食生产总量, 万t。

区域粮食安全指数和粮食自给度体现了虚拟水生产与人类需求之间的关系。

1. 2 基于层次分析的模糊综合评价方法

模糊- 层次分析法(Fuzzy-AHP) 的基本步骤详见文献[9]。在模糊运算的基础上, 对权重向量加上一定的量化标准得到综合评分H =∑CiSi , 其中, S i表示评价等级档次集所对应的量化评语集(0.6, 0.8, 1.0) , 进而得到区域农业水安全量化结果与评价等级(Ⅲ级: 0-0.6,Ⅱ级: 0. 6- 0.8Ⅰ级: 0.8-1.0) 。

2 实例研究

郑州市降水量从1956-2000 年呈减小的趋势。20 世纪90年代降水量比20世纪80年代减少37.75 mm, 减幅为6.0%, 比20 世纪70 年代减少了39.6 mm, 减幅为6.3%, 比20世纪60 年代减少了57.27 mm, 减幅为8. 8%。降水量年内分配各年之间存在较大差异, 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 年间, 工业和生活用水占总用水量比例由23%增加到45%, 农业则由77% 下降为55%。浅层地下水严重超采, 2000 年全市平均超采19.87%, 近几年(2000-2003年) 全市平均超采26. 55%。在农业用水日趋紧张, 地下水环境日趋恶化的情形下, 研究郑州市农业水安全所处水平及解决办法成为郑州市发展必须面对的一个现实问题。本研究以郑州市为例, 分别选取2010、2015 年和2020 年为代表的近、中、长期3 个典型水平年, 对其在湿润年、平水降雨年、一般干旱年3 种降雨水平下的农业水安全状况进行评价分析, 根据评价结果及影响因子, 提出提高未来年郑州市农业水安全状况的方案, 并对方案进行优选。

2. 1 未来水平年水资源安全评价指标的计算

将计算的农产品虚拟水生产量、消费量、贸易量、滞留量、安全储备量、农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%降雨频率下的6 个指标, 见表1。

表1 农业水安全指标值计算结果

2. 2 未来年农业水安全评价

以区域农业水安全状况为目标层, 农业水安全评价的递阶层状结构见表2。

表2 农业水安全层次分析递阶层状结构

初始相对重要性对比的判断矩阵采用3 标度法, 通过比较各层相对重要性并赋权, 经计算各层一致性检验均满足要求,层次总排序结果为: A ={0. 346, 0. 346, 0. 062, 0. 038, 0. 146,0. 062}。各指标等级划分的参照值及划分情况见表3。

表3 农业水安全指标先进值与落后值参考资料

将隶属度矩阵与层次总排序权重进行向量乘法运算得到各安全等级的组合权重, 并与评语集结合得到最终的综合评价(表4) 。

表4 未来年郑州市农业水安全各安全等级组合权重及评价结果

2. 3 结果分析

2. 3. 1 农业水安全水平分析

从农业水安全评价的3 个安全级别的组合权重可以看出,Ⅲ类(不安全状况) 的组合权重在0. 035~ 0. 086 之间变化, Ⅱ类(基本安全状况) 的组合权重在0. 542~ 0. 655 之间变化, Ⅰ类(安全状况) 的组合权重在0.217~ 0.345 之间变化, 在3 个水安全等级中, Ⅰ类的权重明显比Ⅱ类和Ⅲ类权重大,Ⅲ类对农业水安全的影响不超过15%, 可以得出, 郑州市未来时期内农业水安全状况处于基本安全的水平, 但基本安全与安全之间还有一定的差距, 所以郑州的农业水安全保障程度仍有必要提高。

2. 3. 2 农业水安全趋势分析

由表4 中的评价结果可以看出, 区域农业水安全状况从2010年到2020年逐渐变好。其原因是, 与2010年相比, 南水北调水通水后可为农业置换部分水资源 由层次分析结果得知, 农业水资源安全度对区域农业水安全的影响最大, 故2015年以后, 农业用水压力将得到一定程度的缓解, 从而使水安全状况有所好转 随着经济的发展和技术的革新, 农业用水效率及粮食产量稳步提高, 故2015、2020 年农业水安全水平也逐步提高, 但这种变化趋势相对较小。

2. 3. 3 农业水安全影响因子分析

通过对郑州市农业水安全趋势分析表明, 近期水平年郑州市区域农业水安全不会存在太大威胁, 但农业水安全水平仍有待进一步提高。由层次分析法排序结果可知, 农业水分满足指数和农业水分生产效率是影响农业水安全的两个主要指标, 而节水技术改造、节水灌溉、优化种植结构、精确配水灌溉等措施是提高这两项指标的有效手段。

2. 4 提高未来年农业水安全度的方案分析

以75%降雨水平年为例, 通过种植结构和灌溉制度的调整以及节水技术改造和节水灌溉几种措施下的方案组合, 优选出最佳的提高区域农业水安全水平的方案。以下方案不考虑南水北调中线供水工程开通情况。

方案一: 10%小麦- 玉米种植面积改种棉花+ 85%的灌溉定额+ 40% 老化灌渠维修改造+ 新增40% 节水灌溉面积+60%耕作面积的机械蓄水保墒

方案二: 15%小麦- 玉米种植面积改种棉花+ 90%的灌溉定额+ 40% 老化灌渠维修改造+ 新增30% 节水灌溉面积+60%耕作面积的机械蓄水保墒

方案三: 5%小麦- 玉米种植面积改种棉花+ 80% 的灌溉定额+ 40% 老化灌渠维修改造+ 新增30% 节水灌溉面积+50%耕作面积的机械蓄水保墒。

以上方案的评价结果列于表5。

表5 方案情景分析

结果表明, 调整后的农业水资源安全水平有所提高, 其中方案一的效果最好, 作为最终优选方案。从虚拟水角度来看,扩大低耗水产品种植, 减少高耗水作物生产, 通过实施虚拟水贸易战略减少农业耗水量等措施, 是未来时期内各国缓解区域水资源压力、实现可持续发展、维持粮食安全的重要途径。

3 结语

本研究以虚拟水理论为基础, 对郑州市农业水安全问题进行评价研究。采用层次分析法对农业水安全影响因素分析, 得出对郑州市农业水安全制约最大的因素是农业水分满足程度和农业水分生产效率, 其次是粮食安全指数, 影响最小的是灌区地下水位下降幅度。农业水安全评价结果表明, 在现状发展水平下郑州市未来时期内农业水安全状况变化不大, 处于基本安全的水平, 所以郑州市农业水安全程度还有待提高。另外,对农业水安全指标进行分解, 分析相应的影响因素及调控措施, 通过对各指标重要性排序, 优选出影响最大的方案集。在此基础上, 根据郑州市农业实际状况, 制定了提高未来年(75%降雨频率年) 郑州市农业水安全水平的措施, 结果表明在种植结构调整+ 灌溉制度调整+ 灌渠维修改造+ 节水灌溉+ 机械蓄水保墒等综合措施下, 郑州市的农业水安全状况将会显著提高, 将由原来的Ⅱ类安全水平提高到Ⅰ类, 其中10%小麦- 玉米种植面积改种棉花+ 85%的灌溉定额+ 40% 老化灌渠维修改造+ 新增40%节水灌溉面积+ 60% 耕作面积的机械蓄水保墒的方案效果最佳。

参考文献:

[ 1] 洪阳. 中国21 世纪的水安全[J]. 环境保护, 1999, (10) : 29 -31.

[ 2] 王星桥. 全球关注+ 水安全, [J]. 瞭望, 2000, (14) : 58- 59.

[ 3] 钟华平, 耿雷华. 虚拟水与水安全[J]. 中国水利, 2004, (5) : 22 -24.

[ 4] 柯兵, 柳文华, 段光明, 等. 虚拟水在解决农业生产和粮食安全问题中的作用研究[J] . 环境科学, 2004, 25(2) : 32- 36.

[ 5] 王新华. 中部四省虚拟水贸易的初步研究[J] . 中国农村水利水电, 2004, (9) : 30- 33.

[ 6] 刘布春, 梅旭荣, 李玉中, 等. 农业水资源安全的定义及其内涵和外延[J] . 中国农业科学, 2006, 39(5) : 947- 951.

[ 7] 刘布春. 河套灌区农业水资源安全评价[D] . 北京: 中国农业科学院, 2007, 56.

[ 8] 李远华, 张明炷, 苑文昌, 等. 非充分灌溉条件旱作物需水量分析计算研究[J] . 武汉水利电力大学学报, 1994, 27(5) : 506- 512.

[ 9] 李祚泳, 丁晶, 彭荔红. 环境质量评价原理与方法[M] . 北京: 化学工业出版社, 2004: 382.

作者简介: 雷宏军(1975—) , 男, 博士, 副教授, 主要从事区域水土资源高效利用研究。