黑龙江省灌溉用水效率时空差异及其节水潜力分析

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  摘要:提高灌溉用水利用效率是节约农业用水的关键。以黑龙江省12个地级行政区划单位为研究单元,利用数据包络分析方法(data envelopment analysis,简称DEA)对2005—2014年黑龙江省灌溉用水效率进行测算,分析黑龙江省灌溉用水效率的演变态势,并进一步分析黑龙江省各市的节水潜力,以期为黑龙江省农业水资源高效利用提供科学指导。结果表明,2005—2014年间,黑龙江省整体灌溉用水效率得分不高,多年平均值为0.73,而且灌溉用水效率呈不断下降的趋势,包括灌溉用水纯技术效率和灌溉用水规模效率都有不同程度的下降;黑龙江省灌溉用水效率空间差异明显,伊春、牡丹江与黑河的灌溉用水综合效率较高;通过对黑龙江省各市灌溉用水节水潜力的评估发现,黑龙江省灌溉用水节水潜力巨大,其中齐齐哈尔是黑龙江省节水潜力最大的地区。
  关键词:黑龙江;灌溉用水效率;节水潜力;时空差异;农业水资源
  中图分类号: F323.213文献标志码: A文章编号:1002-1302(2017)23-0254-04
  水资源短缺问题的核心是效率问题,研究如何提高有限的农业水资源的利用效率是解决水资源短缺、发展农业生产和保障国家粮食安全的迫切需要[2]。2015年,我国农业用水量达到3 870亿m3,其中农业用水占63.5%。随着我国小康社会的全面建成,生活用水比例将大大增加,农业用水比例进一步减少[3]。但为确保粮食安全,耕地的灌溉面积继续增加,这就需要更加科学地分配水资源。目前,黑龙江省耕地灌溉用水所占用的水资源占用水总量的60%以上,可见,解决黑龙江省水资源问题的关键是解决耕地灌溉用水问题[4],这不但要加强农业生产中的工程节水、农艺节水措施,还需要进一步研究黑龙江省灌溉用水的时空差异,为合理解决用水矛盾提供理论参考。
  关于灌溉用水效率,很多学者运用很多方法从不同的层面研究过此问题[5-13],但对黑龙江省市域灌溉用水效率的研究较少。本研究拟全面评价黑龙江省水资源利用现状和农业水资源使用情况,剖析黑龙江省农业水资源短缺的严峻形势,对国内外水资源效率方面的研究进行梳理,在认识技术效率内涵、衡量其评价方法、确定其评价指标的基础上,将水资源投入作为和其他资源投入要素一样的内生变量,基于2005—2014年黑龙江省各市的农业生产投入产出数据,选取数据包络分析方法(data envelopment analysis,简称DEA)分析各地区的灌溉用水技术效率和灌溉用水规模效率,并估算各市的农业节水潜力,以期为今后制定相关政策提供依据。
  1材料与方法
  1.1黑龙江省水资源利用概况
  对黑龙江省总用水量、农业用水量、工业用水量及生态用水量4个要素进行统计分析。在2005—2014年,黑龙江省农业用水量占总用水量的70%以上,并且还在增长,10年间,农业用水量从200亿m3增加到300亿m3,增幅为50%。所以实现农业用水可持续发展是黑龙江省实现可持续发展的重要一环,而农业用水大部分用于灌溉,所以研究黑龙江省灌溉用水效率是非常有意义的。
  1.2DEA模型
  DEA方法的主要优点在于可以使用多个投入、产出指标,基于研究对象,使用DEA方法能更加全面地反映影响灌溉效率要素的多样性,并且可以对灌溉用水非效率的区域提出改善的方向[14]。为反映农业生产过程中规模报酬可变的实际情况,选用规模报酬可变的BCC模型来分析黑龙江省的灌溉用水效率。
  Dεminθ-ε[e⌒Ts- eTs ];
  s.t.∑kj=1xjλj s-=θx0
  ∑kj=1yjλj-s =y0,λj≥0,s-≥0,s ≥0
  ∑kj=1λj=1,j=1,2,3,…,k。
  并且,e⌒T=(1,1,1,…,1)∈Em,eT=(1,1,1,…,1)∈Es,ε为阿基米德无穷小量。若线性规划(Dε)的最优解用λ0、s-0、s 0、θ0表示,則有:
  (1)若θ0=1,则决策单元DMUj0为弱DEA有效(BCC);
  (2)若θ0=1,并且s-0=0,s 0=0,则决策单元DMUj0为DEA有效(BCC)。
  1.3分向量效率模型
  由于只考虑水资源投入的技术效率,而不考虑任何其他投入要素的技术效率,因此需要引入Fare提出的“分向量”技术效率[15]。基于规模报酬可变模型(variable return scale,简称VRS)的第i个投入的分向量技术效率由以下线性规划问题决定:
  转换成minθλθk;
  -yi Yλ≥0;
  θkXKi-Xkλ≥0;
  Xn-ki-Xn-kλ≥0;
  N1′λ=1;
  λ≥0。
  在DEA模型Sub-Vector形式中,第1项“-yi Yλ≥0”和第4项“N1′λ=1”与VRS模型定义相同,第2项约束条件“θkXki-Xkλ≥0”中Xki表示第i个生产决策单元第k项投入。在第3项约束条件“Xn-ki-Xn-kλ≥0”中,Xn-ki和Xn-k表示除第k种投入之外,其他所有的投入要素之和。θk是第i个生产决策单元的第k种投入的分向量纯技术效率,它表示的是在保证现有产出水平不变的前提下,比起与其对应的最佳生产点可以减少灌溉水资源投入的比例。将式中约束条件“N1′λ=1”去掉,便可得到基于规模报酬不变模型(constant reture scale,简称CRS)的分向量总技术效率。
  1.4数据来源
  所用数据来源于《黑龙江统计年鉴2006—2015》《中国农村统计年鉴2006—2015》《中国区域经济统计年鉴2006—2015》。
  2结果与分析
  2.1黑龙江省灌溉用水纯技术效率   利用Onfront 2.1软件分析,通过DEA线性规划模型的运算得出规模报酬可变的黑龙江省灌溉用水效率(表1)。规模报酬可变假设下的灌溉用水技术效率测算的是除去规模效率影响之后的纯技术效率。
  由表1可看出,在2005年到2014年,哈尔滨、鹤岗、伊春、七台河、牡丹江与黑河这6个地区的灌溉用水纯技术效率等于或接近1.00,这表明黑龙江省有一半的地区灌溉效率处于生产前沿面,而且黑龙江省分布在各个方位,这表明灌溉效率值与该市所处的方位没有必然联系。通过比较2005年到2014年的灌溉用水纯技术效率,2014年全省的灌溉效率要比2005年低0.09。齐齐哈尔、鸡西、双鸭山、大庆与佳木斯的灌溉效率基本呈下降趋势,只有绥化的灌溉效率呈上升趋势,大庆一直是黑龙江省灌溉效率最低的地区,而且没有改善的趋势;2005年绥化的灌溉效率为0.87,到2007年及以后灌溉效率一直为1.00,说明绥化的灌溉效率有明显改善。
  从2005年到2014年黑龙江省各地区的平均值来看,黑龙江省各地区的灌溉效率还是存在明显差异的。其中哈尔滨、鹤岗、伊春、七台河、牡丹江、黑河与绥化处于农业生产可能性集的前沿面上,在灌溉用水纯技术效率方面实现灌溉用水的最佳使用,其他地区还处于灌溉用水效率相对低下的状态,其中大庆市的灌溉用水效率平均值最低,为0.55,这意味着大庆市在现在农业产出水平下可以节约45%的灌溉用水。在2005—2014年,按照农业灌溉用水纯技术效率排序较靠前的有哈尔滨、鹤岗、伊春、七台河、牡丹江、黑河、绥化,相对较靠后的有佳木斯、鸡西、双鸭山、齐齐哈尔、大庆。
  2.2黑龙江省灌溉用水规模效率
  规模效率评价的是生产决策单元是否是在最佳规模状态下生产的。决策单元的效率值越高,越接近最佳规模生产状态。利用Onfront 2.1软件分析DEA的线性规划问题,可得出各市的规模效率情况(表2)。
  由表2可以看出,大庆、伊春、牡丹江、黑河的灌溉用水达到最佳规模,其他地区的灌溉用水均没有达到最佳规模。根据规模效率的原理,假如一个地区的规模效率小于1,那么就需要调整这一区域的输水规模,使这一地区的输水规模达到最佳状态。鹤岗的灌溉用水规模效率最低,并且在波动中有下降趋势,2014年鹤岗市的灌溉用水规模效率只有043,说明要让鹤岗市的灌溉用水规模效率达到最高值,该地区的输水规模还需要提高57%。2014年,按农业灌溉用水规模排序由高到低的有伊春(牡丹江、黑河)、大庆、鸡西、双鸭山,这些地区的灌溉用水规模效率都大于0.90,均处于较高水平,其次是齐齐哈尔、哈尔滨、绥化、佳木斯、七台河,这些地区的灌溉用水规模效率在0.5~0.9,处于中等水平, 最低的为鹤岗,
  2.3黑龙江省灌溉用水综合技术效率
  综合技术效率主要考察一个地区在农业生产过程中,每个投入要素的技术利用状况和各个要素资源的配置状况,一个地区农业生产资源配置是否协调合理,最新技术是否应用于生产要素上,都能通过综合技术效率得分得到体现。利用Onfront 2.1软件分析,得出各市综合技术效率情况(表3)。
  由表3可见,伊春、牡丹江和黑河这3个地区每年的灌溉用水综合技术效率整体等于或接近1.00,证明這3个地区的灌溉用水是比较均衡的。除处于前沿面的伊春、牡丹江和黑河3个地区之外,其他地区的DEA基本小于1.00。其中,鸡西、佳木斯、绥化、双鸭山与七台河是中等效率地区,灌溉用水综合技术效率处于0.60~0.80之间,而齐齐哈尔、鹤岗、大庆为低效率地区,灌溉用水综合技术效率低于0.60。通过分析全省的均值发现,黑龙江省的综合技术效率呈下降趋势,灌溉用水综合技术效率从2005年的0.89下降到2014年的067,下降了0.22,说明与现有生产条件下可行的最小灌溉水投入量相比,黑龙江省农业生产浪费了将近33%的水资源。
  2.4黑龙江省各市节水潜力评估
  由于技术效率测量的是实际灌溉用水量与在产出水平和其他要素投入水平都不变的情况下,最小可能灌溉用水投入之间的差距。由于资源总是流向效益更高的部门,而水资源可利用总量在一定时期内是不变的,随着工业的快速发展和人们生活水平的提高,工业用水和生活用水量增加,必定挤占农业灌溉用水,灌溉用水占总用水量的比例已出现明显下降趋势。因此,有必要在计算出灌溉用水技术效率的基础上估算出各地区的农业生产节水潜力。设农业现状用水为W,灌溉用水技术效率为IWUTE,那么技术无效度为1-IWUTE,农业最佳用水量W1=W×IWUTE,那么农业可节约用水量 WS=W×(1-WTE)。根据以上计算方法估计2014年节水潜力。
  由表4可以看出,齐齐哈尔市的灌溉用水总量不是黑龙江省最多的,但其农业节水潜力是最高的,占全省可节约灌溉用水的31.53%。其次为大庆、哈尔滨、绥化、佳木斯,最大可节约灌溉用水量都超过12亿m3。伊春、牡丹江与黑河的灌溉用水在现有的技术条件下已经达到了合理利用,在保证农业产出确定的情况下没有减少灌溉用水量的潜力。这些地区如果要节约农业用水量,则需要提高资源配置效率,即通过优化水资源与其他资源投入比例来实现。总体来说,哈尔滨、大庆、齐齐哈尔等3市节水潜力约占全省节水潜力的60%,说明哈尔滨、大庆、齐齐哈尔3市不仅是用水大户,而且也是节水大户。
  3结论
  在借鉴前人研究的基础上,运用数据包络分析方法的DEA-BCC模型,对黑龙江省以及12个地级市的灌溉用水效率进行分析与评价,主要得到以下结论:
  (1)2005—2014年间,黑龙江省整体灌溉用水综合技术效率得分不高,多年平均值为0.73,且整体呈下降的趋势,包括灌溉用水纯技术效率和灌溉用水规模效率都有不同程度的下降。从灌溉用水纯技术效率来看,黑龙江省的平均值从2005年的0.94下降到2014年的0.85,10年间下降0.09,说明黑龙江省这些年的灌溉技术提高幅度跟不上农业生产的提高幅度。从灌溉用水规模效率来看,黑龙江省的平均值从2005年的0.94到2014年的0.80,下降了0.14,下降幅度比灌溉用水纯技术效率更大,表明黑龙江省灌溉用水规模从相对协调逐步走向失调。2005—2014年,黑龙江省整体灌溉用水综合技术效率从0.89变为0.67,下降0.22,下降较为明显,说明黑龙江省灌溉用水效率的下降趋势非常明显,亟须遏制住其下降势头,提高整体灌溉用水效率。   (2)全省各市之间的灌溉用水效率也有明显的不同。其中,从灌溉用水综合技术效率来看,伊春、牡丹江与黑河这3个市的灌溉用水效率在这几年里或多数年份里一直处于有效或高效的地位,而这些灌溉用水效率较高的区域要么是降水比较多、水资源分布比较广的地区,要么是经济比较发达、农业水利设施比较完善的地区。从灌溉用水纯技术效率来看,在2005—2014年中,哈尔滨、鹤岗、伊春、七台河、牡丹江与黑河这6个地区整体得分为1.00或0.99,说明这些地区能高效利用农业生产投入的水资源要素。从灌溉用水规模效率来看,大庆、伊春、牡丹江与黑河等地区的得分在大多数年份里为1.00或接近1.00,说明这些地区的灌溉用水规模比较协调。通过对比分析各地方技术灌溉用水综合效率、纯技术效率和规模效率,可以发现,一些地区农业生产效率较低,主要是规模效率的作用,如绥芬河市;而其他一些地区,主要是纯技术效率低造成的,如同江市、富锦市、密山市。为此,要想提高灌溉水利用效率,就要根据不同地区的情况相应地提高其纯技术效率和规模效率。
  (3)通过对黑龙江省各市灌溉用水节水潜力的评估可以发现,齐齐哈尔市是黑龙江省节水潜力最高的地区,节水潜力占全省可节约灌溉用水的31.53%。其他地区节水潜力由高到低为大庆、哈尔滨、绥化、佳木斯,最大可节约灌溉用水量均超过12亿m3。哈尔滨、大庆、齐齐哈尔等3市节水潜力占全省节水潜力的60%,可见这3市不仅是用水大户,而且也是节水大户。
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