王錄倉,陳 菲

西北師范大學地理與環(huán)境科學學院, 蘭州 730070

在我國,灌溉農(nóng)田約占耕地的50%,生產(chǎn)了3/4的糧食和大部分經(jīng)濟作物,但灌溉用水卻消耗了60%以上的用水量[1]。結構性缺水已成為制約國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸,如何提高水資源利用效率,緩解用水緊張狀況,優(yōu)化用水結構,是國家面臨的重大課題。

干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的核心在于水,核心區(qū)域在于綠洲。受山地-綠洲-荒漠景觀格局的制約,水資源利用存在著上游產(chǎn)水區(qū)-中游利用區(qū)-下游散失區(qū)的空間分異。中下游綠洲是耗水最大的區(qū)域,也是人-地-水矛盾高度集結之地。灌區(qū)是指有可靠水源和引、輸、配、排水渠道系統(tǒng)的灌溉區(qū)域,是構成干旱區(qū)綠洲的最基本單元,也是水資源利用最集中的地區(qū)。也可以說,正是具有復雜依賴關系的一個個灌區(qū),經(jīng)過空間整合后,才形成了現(xiàn)代綠洲[2]。其效率的高低不僅深刻影響著綠洲水資源的利用態(tài)勢和穩(wěn)定性,而且波及到全流域三生系統(tǒng)(生產(chǎn)-生活-生態(tài))的和諧發(fā)展狀態(tài)。

石羊河流域是河西三大內(nèi)陸河流域之一,也是水資源開發(fā)利用程度最高、水壓力最大用水矛盾最突出、生態(tài)環(huán)境問題最嚴重的流域之一。流域內(nèi)水資源消耗率達109%,水資源開發(fā)利用程度高達172%,遠遠超過水資源的合理承載能力。資源型缺水和結構型缺水疊加互制,導致流域生態(tài)環(huán)境日趨惡化：地下水位下降,湖泊消失,土地沙漠化、鹽漬化進程加快,天然植被大面積枯萎死亡,危害程度和范圍日益擴大,甚至形成“生態(tài)難民”,這引起了國家的高度重視和社會各界的廣泛關注。為了盡快遏制流域生態(tài)惡化的趨勢,國家實施了石羊河流域綜合治理工程,規(guī)劃治理范圍為除大靖河水系和古浪縣引黃灌區(qū)以外的石羊河流域,以2003年為現(xiàn)狀水平年,2010年為規(guī)劃重點目標年,總體目標是提高水資源利用效率和效益。自流域綜合治理以來,生態(tài)環(huán)境得到了較好的修復,水資源利用效率得到了提高,節(jié)水型社會初見成效。

2003年石羊河流域治理之前,全流域國民經(jīng)濟各行業(yè)總用水量28.77×108m3,其中農(nóng)田灌溉用水比例高達86%,工業(yè)用水比例僅5.4%,全流域單方水GDP僅為4.81元,是全國平均水平的約1/5,水資源利用效率非常低下。論文選擇石羊河流域中下游綠洲灌區(qū),一方面是由于灌區(qū)依托的水源不同、區(qū)位不同、承載力不同,因此各灌區(qū)水資源利用效率也存在著時空差異；另一方面,將其納入國家行為平臺,判識流域綜合治理前后對效率產(chǎn)生的影響。

水資源利用效率是刻畫水資源有效開發(fā)利用和管理水平的綜合指標。Kopp[3]認為,在其他投入要素及技術水平不變的條件下,最小灌溉用水量與實際用水量的比值即為水資源利用效率。根據(jù)要素的多寡,水資源效率的評價要素可以分為單要素水資源效率(Partial Factor Water Efficiency,PFWE)和全要素水資源效率(Total Factor Water Efficiency,TFWE)。PFWE可利用水資源消耗系數(shù)間接表征,如萬元GDP用水量、農(nóng)業(yè)灌溉均用水量等[4],計算簡便、結果明了,但忽略了水資源與其他要素投入的替代,因此具有較大的局限[5],而TFWE則在測算過程中考慮了其他要素的投入[6],因此其運算結果更能說明問題。干旱區(qū)由于水資源匱乏,因此水效率廣受國內(nèi)外學者關注[7- 13],不少學者圍繞農(nóng)業(yè)資源高效利用,開展了農(nóng)業(yè)水資源利用效率評估[14- 22],灌區(qū)是水資源利用大戶,水效率的高低決定了糧食安全和生態(tài)安全,因此也是學者致力研究的重要方面[23- 25]。在國內(nèi)不少學者除了從宏觀角度研究灌區(qū)水資源利用效率外[26- 30],甚至從灌區(qū)作物耗水角度,測評水資源利用效率[31- 34],Liu測算了河套灌溉區(qū)玉米產(chǎn)量在覆蓋條件下滴灌水利用效率[35],Wang討論了不同灌溉水平下,水利用效率對槿生產(chǎn)功能的影響[36],Li揭示了中國玉米帶優(yōu)化單一灌溉、實現(xiàn)高玉米產(chǎn)量和水分利用效率的機理[37],Ali發(fā)現(xiàn)不同缺水灌溉策略對半干旱條件下小麥產(chǎn)量、質量和水分利用效率的影響[38]。上述研究大多從時間序列描述了水效率的變化情況,很少將時間序列與國家具體政策實施節(jié)點相結合后對其水效率變化作以研究。本文深入挖掘用水效率與相關政策實施節(jié)點、針對性區(qū)域以及實施力度之間的關系。從而可以使人們對流域相關政策制定的科學性和實施的效果有一個直觀評價,并對今后制定新的灌區(qū)水效率的提高方案具有重要的參考價值。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域是典型干旱區(qū)內(nèi)陸河流域,位于甘肅省河西走廊東部,烏稍嶺以西,祁連山北麓,位于101°41′—104°16′E,36°29′—39°27′N,總面積4.16×104km2。石羊河流域內(nèi)各支流自東向西可分為大靖河水系、六河水系(古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河)和西大河水系,形成3個相對獨立的內(nèi)陸河水系。其中大靖河水系隸屬大靖盆地,其河流水量在本盆地內(nèi)轉化利用；六河水系隸屬于武威南盆地,河水出山口后基本上全部被水庫欄蓄,然后引水入渠進行灌溉,在武威南盆地內(nèi)利用轉化,并在盆地邊緣匯成石羊河,進入下游紅崖山水庫,灌溉民勤灌區(qū)；西大河水系上游主要由西大河組成,隸屬永昌盆地,其水量在該盆地內(nèi)利用轉化后,匯入金川峽水庫,進入金川昌寧盆地,在該盆地內(nèi)全部被消耗利用。因此全流域形成西大河山水灌區(qū)、六河中游山水灌區(qū)(西營、金塔、雜木、安遠、古豐、張義)、六河中游井泉灌區(qū)(永昌、金羊、環(huán)河、清源、黃羊、古浪)、大靖河山水灌區(qū)和紅崖山水庫灌區(qū)(圖1、表1)。

圖1 武威灌區(qū)類型圖Fig.1 Type map of irrigation areas in Wuwei irrigation area

石羊河流域現(xiàn)有水地面積30×104hm2,農(nóng)業(yè)總用水量24.34×108m3,占總用水量的85.7%。流域內(nèi)耗水總量已超過水資源總量,水資源消耗率達109%,水資源開發(fā)利用程度高達172%,遠遠超過水資源的承載能力。整個流域包括武威、金昌兩市,其中武威市是石羊河流域經(jīng)濟、政治、社會發(fā)展的重點區(qū)域,人口占全流域的78.4%,灌溉面積占70%,GDP占61%,糧食總產(chǎn)量占80%。因金昌市隸屬西大河水系,且以工業(yè)生產(chǎn)為主,與武威市存在著巨大差異。而武威市所轄灌區(qū)是石羊河流域人口最集中、水資源使用程度最高、供需矛盾最突出的地區(qū),所以論文以武威市所轄區(qū)灌區(qū)為案例區(qū),在具體的研究過程中,又將天?？h所轄的安遠、金強、松山、朱岔灌區(qū)剔除(非流域綜合治理區(qū)域)。

表1 石羊河流域(武威市)各灌區(qū)基本情況

R irrigated area*:taking rivers as irrigated water sources；W-S irrigated area**:taking wells and springs as irrigated water sources；R-W-S irrigated areas***:taking rivers、wells and springs as irrigated water sources

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

水資源效率評價可以分為單要素水資源效率(PFWE)和全要素水資源效率(TFWE)。PFWE主要利用水資源消耗系數(shù)間接表征,如農(nóng)業(yè)灌溉均用水量等,計算較為簡便,但忽略了水資源與其他要素投入的替代作用,具有較大的局限；TFWE則考慮了其他要素對產(chǎn)出的貢獻。在TFWE框架中,水效率的測度主要有兩種方法：隨機前沿分析(SFA)和數(shù)據(jù)包絡分析(DEA)。本文使用DEA來測算灌區(qū)的水效率。

DEA是以“相對效率”概念為基礎,根據(jù)多要素投入和多要素產(chǎn)出對同類決策單元(如灌區(qū))進行相對有效性或效益評價的一種系統(tǒng)分析方法。假設決策單元(如灌區(qū))為固定規(guī)模收益(如糧食產(chǎn)量等)時,可利用CCR模型計算水資源利用的純技術效率(VRETE)。該效率的高低主要受灌區(qū)管理水平和引水、配水技術等因的素影響,VRETE都應≤1,越靠近1,效率越高,VRETE=1時,表明該灌區(qū)在現(xiàn)有灌溉技術條件下水資源利用是有效的。當灌區(qū)規(guī)模收益可變時,可將CCR模型拓展為BCC模型,計算灌區(qū)的規(guī)模效率(SCALE),并且得到規(guī)模報酬：規(guī)模報酬不變表示處于效率前沿線上,規(guī)模報酬遞增表明有可能再適當增加投入(如農(nóng)業(yè)灌溉用水量等)后獲得更大比例的產(chǎn)出,規(guī)模報酬遞減則意味著在增加投入后,產(chǎn)出的增長比可能小于投入的增加比。綜合效率(CRSTE)是灌區(qū)的資源配置能力和資源使用效率的綜合體現(xiàn),由純技術效率和規(guī)模效率可以得到。即：CRSTE=VRETE×SCALE。

在全要素框架下,灌區(qū)全要素水資源效率(TFWE)可以定義為用水量的目標值與實際值的比值,由此可以確定各灌區(qū)的松弛變量和冗余率。松弛變量衡量各個投入變量距離其線性最優(yōu)的差異,其值越大,代表其影響配置效率的程度越大。冗余率越大則水資源綜合效率越低,說明提升潛力越大。

在DEA模型中,關鍵是確定“投入”和“產(chǎn)出”變量。水是綠洲灌區(qū)的命脈,是最根本性的投入要素,是一切產(chǎn)出的根源。土地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎和載體,水和其他投入要素只有依附在土地上才能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。灌區(qū)中,90%以上的水用于農(nóng)田灌溉,而農(nóng)田的絕大部分主要用來種植糧食。因此土地可視為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的固定投入要素,水資源等可視為可變投入要素。灌區(qū)水資源利用效率的高低,主要取決于是否有充足、可靠的水資源,即水資源(地表水和地下水)的豐度和用水情況是效率的控制性因素,但水資源是否能用來灌溉,還限決于是否有配套的引水、輸水、配水工程系統(tǒng),也就是說“引水量”、“干支渠長度、密度”等因素同樣決定著效率的高低；除此以外,灌區(qū)的管理水平對效率的高低也起著重要的作用。本文選取各灌區(qū)的灌溉用水量、農(nóng)業(yè)用水量、渠系配套水平(長度、密度等)、土地利用系數(shù)作為主導投入要素,將“水協(xié)管理戶數(shù)”作為輔助投入要素；將實際灌溉面積、糧食產(chǎn)量、“水協(xié)管理受益農(nóng)戶數(shù)”等做為產(chǎn)出要素(表2)。

表2 石羊河流域各灌區(qū)變量基本情況

來源：《武威市水利統(tǒng)計年報》(2000—2010年)[39]

由表2可以得知,所有變量均存在明顯的差異,說明不同灌區(qū)發(fā)展狀況存在著空間非均衡性。但各變量之間存在較強的正相關性(表3),尤其是農(nóng)業(yè)灌溉水量與糧食總產(chǎn)量之間的相關系數(shù)高達0.8625,表明水資源在灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著決定性的作用。10年間,灌區(qū)糧食產(chǎn)量大致相當,因此可以用糧食總產(chǎn)進行評估。

表3 各變量相關系數(shù)矩陣

數(shù)據(jù)主要來源于石羊河流域《武威市水利統(tǒng)計年報》,部分補充數(shù)據(jù)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫

3 結果分析

3.1 綜合治理前后用水效率存在明顯的時空差異

選擇投入導向型DEA模型,測度2000—2010年石羊河流域13個灌區(qū)水資源技術效率和規(guī)模效率(表4、圖2)。

(1)純技術效率是灌區(qū)管理水平和技術等帶來的效率。13個灌區(qū)的純技術效率均值為0.8101。三大類灌區(qū)中,井泉灌區(qū)效率最高,下游山水井泉混合灌區(qū)最差。從時序變化看,中游山水灌區(qū)和井泉灌區(qū)均在提升,尤其是2006年后提升更快；但下游混合灌區(qū)卻處在持續(xù)下滑的狀態(tài),直到2007年流域治理規(guī)劃實施后,才有較大的提升。

(2)規(guī)模效率體現(xiàn)了現(xiàn)有規(guī)模與最優(yōu)規(guī)模之間的差異。13個灌區(qū)平均規(guī)模效率為0.9375,其中有4個達到1,其余灌區(qū)基本在9左右變化,最低是古浪灌區(qū)(0.8837)。從規(guī)模效率的空間分異看,同樣存在井泉灌區(qū)高于山水灌區(qū)的態(tài)勢,其中黃羊、金塔、古浪、古豐等中游山水灌區(qū)明顯低于其他各灌區(qū)。從規(guī)模報酬的角度進一步考察,絕大多數(shù)灌區(qū)又處在效率前沿上,紅崖山水庫灌區(qū)和黃羊灌區(qū)規(guī)模報酬遞減,這意味著需要大量減少用水。從時序變化看,2005年、2008年和2010年,下游山水井泉混合灌區(qū)效率均出現(xiàn)明顯的劇變,說明流域治理對下游的影響最深刻。

(3)從全要素水效率來考察,基本以2003年為界,之前持續(xù)走低,之后持續(xù)上升；中游山水灌區(qū)和井泉灌區(qū)效率的波動性不大,且流域治理規(guī)劃實施后明顯上升,但下游混合灌區(qū)卻表現(xiàn)出明顯的起伏不定性。治理之前山水灌區(qū)>井泉灌區(qū)>混合灌區(qū)；之后井泉灌區(qū)>山水灌區(qū)>混合灌區(qū),說明中游灌區(qū)對治理的響應更明顯。

表4 石羊河流域灌區(qū)DEA效率

CCR:純技術效率,Purely technological efficiency; BCC:規(guī)模效率,Scale efficiency;TFWE:全要素用水效率,Total factor water-use efficiency

圖2 2000—2010年間石羊河流域灌區(qū)技術效率和規(guī)模效率分布圖Fig.2 Distribution of CCR and BCC of irrigation area in Shiyang River Basin(2000—2010)CCR:純技術效率,Purely technological efficiency; BCC:規(guī)模效率,Scale efficiency;TFWE:全要素用水效率,Total factor water-use efficiency

鑒于石羊河流域嚴重的生態(tài)、經(jīng)濟、社會問題,2000年甘肅省組織流域治理規(guī)劃編制,2003年,率先啟動實施民勤湖區(qū)綜合治理,2007年國務院正式批復《石羊河流域重點治理規(guī)劃》。規(guī)劃治理范圍為除大靖河水系和古浪縣引黃灌區(qū)以外的石羊河流域,以2003年為現(xiàn)狀水平年,2010年和2020年為規(guī)劃水平年,其中2010水平年為規(guī)劃重點?？傮w目標為保障生活和基本生態(tài)用水,滿足工業(yè)用水,調(diào)整農(nóng)業(yè)用水,提高水資源利用效率和效益。主要采取節(jié)水型社會建設、產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整、保障水資源配置、實施生態(tài)移民等措施。

回溯2010年以來各灌區(qū)用水效率的變化,就會發(fā)現(xiàn)：綜合治理前后,用水效率存在明顯差異,這與《石羊河流域重點治理規(guī)劃》實施時間節(jié)點高度切合,且有一定的時滯效應。綜合治理前(2000—2003年間),用水效率下降；治理后基本呈現(xiàn)波動上升態(tài)勢。幾乎所有灌區(qū)的用水效率在2003年“探底”,此后才逐年遞增,并在2005年達到新高。2000年,13個灌區(qū)中,僅有3個灌區(qū)達到有效；2003年實施“民勤湖區(qū)綜合治理工程”,紅崖山水庫灌區(qū)的用水效率出現(xiàn)了立桿見影的變化,由2003年的0.1914上升為2004年的0.4559。但其他各灌區(qū)水效率均呈下降態(tài)勢,表現(xiàn)為典型的治理前“突擊用水”特征。2005年,甘肅省政府批準下發(fā)了流域水資源分配方案,啟動流域管理條例立法工作。武威市出臺了《石羊河流域水資源管理條例》,制訂了《石羊河流域水資源分配方案及水量調(diào)度實施計劃》、《石羊河流域地表水量調(diào)度管理辦法》等規(guī)范性文件,建立了流域地表水量調(diào)度和地下水削減開采量制度,各灌區(qū)年灌溉引(提)水量大幅度下降,尤其是下游的紅崖山水庫灌區(qū)下降最明顯。有效遏制了水資源大量浪費的現(xiàn)象,用水效率有所提高。13個灌區(qū)中,已有6個灌區(qū)達到有效。2007年國務院正式批復《石羊河流域重點治理規(guī)劃》,甘肅省人大通過了《石羊河流域水資源管理條例》,武威市正式頒布《武威市2008—2010年關閉部分農(nóng)業(yè)灌溉機井規(guī)劃》和《武威市2008—2010年農(nóng)業(yè)灌溉面積壓減規(guī)劃》。武威市計劃到2010年關閉灌溉機井3300眼(其中民勤縣3000眼,涼州區(qū)250眼、古浪縣50眼)、壓縮灌溉面積3.2×104hm2(其中民勤縣2.0×104hm2、涼州區(qū)1.2×104hm2),尤其是與民勤生態(tài)關系最密切的西營、雜木、環(huán)河、紅崖山等灌區(qū)更要大幅度“關井壓田”。同時節(jié)水灌溉面積有較大的增加,2005年以前,各灌區(qū)尚無工程節(jié)水灌溉面積,2006年以后,節(jié)水面積大幅度增加,尤其是流域治理的重點灌區(qū)——西營、雜木、紅崖山節(jié)水面積最大,分別增加到2010年的2.299×104hm2、1.953×104hm2和2.718×104hm2。2005之前,普遍實行大水漫灌,2007年開始,實行灌溉定額,從年均毛用水量可以看出,2007—2010年間,持續(xù)走低。從灌區(qū)固定渠系水利用系數(shù)看,則表現(xiàn)為持續(xù)提高,尤其是流域治理的重點灌區(qū)(西營、雜木、紅崖山、環(huán)河)提升更快。

由此可見,治理力度和年限與灌區(qū)用水效率之間存在著很強的關聯(lián)性,治理力度越大,用水效率越高,穩(wěn)定性和持續(xù)性也越強(表5)。

表5 石羊河流域綜合治理進程與水效率變化特征

3.2 重點治理區(qū)域與非重點區(qū)域差異明顯

流域綜合治理范圍為除大靖河水系和古浪縣引黃灌區(qū)以外的石羊河流域,其中2006—2010年優(yōu)先安排六河水系灌區(qū)(西營、雜木、金塔、清源、環(huán)河、金羊、永昌、紅崖山)節(jié)水改造工程,2010—2020年實施黃羊、古浪、清河灌區(qū)節(jié)水改造。

流域治理的重中之重是紅崖山水庫灌區(qū)和環(huán)河灌區(qū)。其中紅崖山水庫灌區(qū)2000—2007年間,用水效率持續(xù)走低,直到國務院正式批復《石羊河流域重點治理規(guī)劃》后,用水效率才開始提升,但提升的幅度和速度遠低于其他兩類灌區(qū)。也就是說,由于下游積淀的問題太多,包袱太沉重,解決問題的難度更大。相比較而言,環(huán)河灌區(qū)受井泉灌區(qū)特性的影響,且專門制定了《環(huán)河灌區(qū)水資源管理責任制》,從2004年起,用水效率一直穩(wěn)定在有效狀態(tài)。中游山水灌區(qū)盡管也是綜合治理區(qū),但由于位于各河上游,在用水上具有“近水樓臺先得月”的便利,水壓力較小,因此用水效率提升并不明顯。這可以從節(jié)水灌區(qū)面積的變化看出端倪,2006—2010年間,流域重點治理的紅崖山水庫灌區(qū)年均節(jié)水灌溉面積達2.718×104hm2,中游清源灌區(qū)為0.828×104hm2,環(huán)河灌區(qū)為0.246×104hm2,高于非重點治理灌區(qū),與此同時,灌溉定額有所下降：尤其是紅崖山水庫灌區(qū)年均毛用水量由2007年714 m3下降到2010年的493 m3,是所有灌區(qū)中下降最顯著的,但由于灌區(qū)固定渠系水利用系數(shù)在各灌區(qū)中最低(2010年僅有50%),所以用水效率仍然較低。

3.3 水土資源浪費是影響水效率的共性因素

(1)水冗余情況

當生產(chǎn)效率為非DEA有效時,表明投入轉化為產(chǎn)出的能力有限,至少1項投入要素存在冗余,即存在松弛變量。利用CCR模型求得2000年和2010年各DEA非有效的灌區(qū)轉變?yōu)橛行MU時用水量的松弛變量,并計算冗余率(表6)。2000年15個灌區(qū)中,TFWE=1的灌區(qū)有永昌、金羊、昌寧和紅崖山水庫灌區(qū),幾乎均為井泉灌區(qū),相比而言,西營、雜木、金塔、清源等山水灌區(qū)均存在不同程度的用水冗余,其中最少的為古浪灌區(qū)(39.24×104m3),最大為金塔灌區(qū)(830.84×104m3)。環(huán)河灌區(qū)的冗余率最小(8.11%),金塔灌區(qū)最大(54.62%),說明在當前產(chǎn)出條件下,如果該灌區(qū)生產(chǎn)效率達到DEA有效灌區(qū)水平,至少可減少1/2的灌溉用水量。灌溉用水的冗余率介于8%—55%,說明不同灌區(qū)間灌溉水資源浪費情況差異較大,這與各灌區(qū)水資源豐度、灌溉制度密切相關,也與灌區(qū)灌溉設施的配套程度、管理水平相關。2010年,TFWE=1的灌區(qū)數(shù)量明顯增加,個別山水灌區(qū)如張義、金羊也達到有效,整個灌區(qū)的平均灌溉用水量的冗余率降低了一半之多,平均TFWE更是從0.8327增至0.9121。

表6 2000年和2010年石羊河流域灌區(qū)的灌溉水冗余情況變化

原因是井泉灌區(qū)均位于各河下游,其水源均來自于地下水,水量的多寡深受上游用水的制約；相對而言,山水灌區(qū)的水源均來自于地表徑流。六河水系經(jīng)出口后進入武威盆地,每條河流出山口均對應一個山水灌區(qū),由于天然河道滲漏嚴重,地表徑流基本在各灌區(qū)被消耗和轉化,除灌溉消耗外,多余的水資源通過河流、渠系和田間入滲補給地下水,供給武威盆地北部的井泉灌區(qū)。水資源在武威盆地利用轉化后經(jīng)過蔡旗斷面進入紅崖山水庫,作為下游民勤盆地(紅崖山水庫灌區(qū)和環(huán)河灌區(qū))的水資源。正由于石羊河特殊的水文單元和灌區(qū)的分布位置,因此用水受限的情況存在著明顯的空間分異,總體來看,井泉灌區(qū)強于山水灌區(qū),因此水冗余主要出現(xiàn)在六河中游山水灌區(qū)。

2000年各灌區(qū)冗余率相差并不大,但到2010年變化較大。2000年除永昌、金羊、昌寧和紅崖山水庫灌區(qū)外,其余灌區(qū)均存在不同程度的用水冗余率,其中金塔(54.62%)、雜木(37.80%)、古豐、清源等灌區(qū)冗余率最高,到2010年這些灌區(qū)的冗余率均有下降,說明水資源節(jié)約成效在逐步提高。2000年與2010年相比,TFWE均有不同程度的提高,而冗余度和松弛變量均在減少,說明水資源的效率在提升,水資源節(jié)約程度在加強。

(2)土冗余情況

土地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎和載體,水資源的投入只有依附在土地上才能體現(xiàn)其價值。利用CCR模型求得的2000年和2010年各DEA非有效灌區(qū)轉變?yōu)橛行MU時土地利用的松弛變量,并得到土地利用冗余率(表7)。2000年15個灌區(qū)中的12個存在不同程度的土地利用過量,其中冗余率最小的為西營灌區(qū)(2.56%),最大為昌寧灌區(qū)(48.05%),說明在當前產(chǎn)出的條件下,如果該灌區(qū)生產(chǎn)效率達到DEA有效水平,就可以節(jié)約近2/3的灌溉用地。土地的冗余率介于2%—50%,說明不同灌區(qū)間土地資源浪費情況差異較大,中游的井泉灌區(qū)(如昌寧、環(huán)河灌區(qū))、下游的混合灌區(qū)(紅崖山水庫灌區(qū))土地冗余率相對較高。

與2000年比較,2010年除紅崖山水庫灌區(qū)、金羊灌區(qū)不降反升外,其余各灌區(qū)冗余率均下降,尤其是尤其是中游山水灌區(qū)和下游井泉灌區(qū)(環(huán)河、昌寧灌區(qū))下降最明顯。說明在水資源配置減少后,紅崖山水庫灌區(qū)土地冗余更突出。

表7 2000年和2010年石羊河流域灌區(qū)的灌溉面積冗余情況變化

4 結論與建議

論文基于DEA模型,以石羊河流域13個灌區(qū)為例,考察了流域綜合治理前后農(nóng)業(yè)用水效率的變化及其空間分異。結果表明：綜合治理前后各灌區(qū)用水效率存在明顯的時空差異,以2005年為拐點,總體呈現(xiàn)前期波動、后期穩(wěn)定提升的發(fā)展歷程,中游井泉灌區(qū)>中游山水灌區(qū)>下游山水-井泉混合灌區(qū),映射出流域治理的強大影響力。重點治理區(qū)域用水效率高于非重點治理區(qū),但下游紅崖山水庫灌區(qū)用水效率仍很低。各灌區(qū)均存在不同程度的水土資源浪費現(xiàn)象,水冗余井泉灌區(qū)<山水灌區(qū),但冗余度和松弛變量均在減少,說明水資源節(jié)約程度在加強；治理前中游井泉灌區(qū)(如昌寧、環(huán)河灌區(qū))、下游山水井泉混合灌區(qū)土冗余最多；治理后中游山水灌區(qū)(如雜木、金塔、金羊、張義、安遠等灌區(qū))和下游紅崖山水庫灌區(qū)土地在減少冗余度,說明關井壓田對純井灌區(qū)起到明顯作用。綜合來看,下游生態(tài)問題最嚴重的紅崖山水庫灌區(qū)治理難度最大。

石羊河流域重點治理的總體思路是本著先節(jié)水、后調(diào)水的原則,首先要立足于本流域的水資源,輔以適量的外流域調(diào)水。但由于水資源總量有限,加之調(diào)水工程大、耗資高,所以全面建設節(jié)水型社會就成了流域治理的根本性的重點措施。建設節(jié)水型社會,就是要建立以水權管理為核心的水資源管理制度體系、與水資源承載力相協(xié)調(diào)的經(jīng)濟結構體系、與水資源優(yōu)化配置相適應的水利工程體系,提高水資源的利用效率和效益。建立完善“明晰水權、定額管理、節(jié)約有獎、轉讓有償”的水資源管理體系,堅持控制灌溉面積與降低灌溉定額相結合,以降低定額為重點；渠系節(jié)水與田間節(jié)水相結合,以田間節(jié)水為重點；工程節(jié)水與管理節(jié)水相結合,管理優(yōu)先；農(nóng)業(yè)節(jié)水與綜合節(jié)水相結合,推動流域全面節(jié)水。堅持控制灌溉面積與降低灌溉定額相結合,以降低定額為重點；渠系節(jié)水與田間節(jié)水相結合,以田間節(jié)水為重點；工程節(jié)水與管理節(jié)水相結合,管理優(yōu)先；農(nóng)業(yè)節(jié)水與綜合節(jié)水相結合,推動流域全面節(jié)水。

表8 石羊河流域灌區(qū)治理措施

*為重點治理灌區(qū)

灌區(qū)水資源的冗余率被看成是改進灌區(qū)技術和管理水平、提高用水效率的參照系,從計算結果來看,各灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率仍有較大的提升空間,而壓縮農(nóng)業(yè)用地、改造田間工程、實施節(jié)水灌溉是提升灌區(qū)用水效率的關鍵(表8)。灌區(qū)的水資源在規(guī)劃、輸送、匹配、使用等各方面都存在很大的問題。今后,根據(jù)灌區(qū)治理進展情況,在適當?shù)臅r候應對灌區(qū)水量分配方案進行調(diào)整,如何使有限的水資源發(fā)揮出更大的價值,還需要水利部門和設計工程師們在灌區(qū)渠系設計時,充分考慮每個灌區(qū)的自然稟賦和人文因素差異,做到使渠系建設的工程量最小、渠系利用率更高和灌區(qū)土地利用率更高,在完成更高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的同時水資源利用率維持在一個較高的水平,以利于整個灌區(qū)經(jīng)濟社會持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

用水戶是灌區(qū)水資源的直接利用者,其行為方式是決定用水效率的最基礎、最關健因素。除了一系列制度外部性約束外,更主要的是從內(nèi)部改變用水戶的行為方式與習慣。2005年,各灌區(qū)均以農(nóng)戶為基本單位進行田間灌溉,各自為政,導致水資源配置、節(jié)約用水的目標難以實現(xiàn)。2007年,《武威市人民政府關于水權水市場建設的指導意見》《武威市農(nóng)民用水者協(xié)會經(jīng)營管理辦法》《水票使用辦法》等一系列制度出臺后,將水資源配置與水權密切結合起來,充分發(fā)揮水價杠桿作用,規(guī)范水權轉讓行為,使水資源通過市場的有效調(diào)劑解決了供需矛盾,從而為節(jié)約用水、實現(xiàn)優(yōu)化配置提供了保障。水票是用水戶的水權憑證,由各用水戶以組或用水戶協(xié)會為單位統(tǒng)一到灌區(qū)水管單位購買使用,遵循總量控制、定額管理原則,這就打破了傳統(tǒng)的各自為政的行為范式,而是將獨立的農(nóng)戶通過市場機制和利益相關機制緊緊捆綁在一起。因此從2007年起,無論是農(nóng)民用水協(xié)會數(shù)量、農(nóng)民用水者協(xié)會管理的灌溉面積,還是灌區(qū)受益農(nóng)戶數(shù)量均持續(xù)增加,有力推動了灌區(qū)水效率的提升。尤其是流域治理的重點灌區(qū)(西營、雜木、紅崖山、環(huán)河)提升更快,如西營灌區(qū)從2006年的8個增加到2007年的69個,紅崖山水庫灌區(qū)更是從69個增加到245個。受益農(nóng)戶數(shù)分別增加到23636戶和58899戶,但此后一直徘徊不前。因此通過各種措施鼓勵農(nóng)戶加入用水者協(xié)會,建立利益共享、風險共擔的機制,才能從根本上提高用水效率和效益。

參考文獻(References):

[1] 耿獻輝, 張曉恒, 宋玉蘭. 農(nóng)業(yè)灌溉用水效率及其影響因素實證分析——基于隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)和新疆棉農(nóng)調(diào)研數(shù)據(jù). 自然資源學報, 2014, 29(6): 934- 943.

[2] 王錄倉, 高靜. 基于灌區(qū)尺度的聚落與水土資源空間耦合關系研究——以張掖綠洲為例. 自然資源學報, 2014, 29(11): 1888- 1901.

[3] Kopp R J. The measurement of productive efficiency: a reconsideration. The Quarterly Journal of Economics, 1981, 96(3): 477- 503.

[4] 劉渝, 杜江, 張俊飚. 湖北省農(nóng)業(yè)水資源利用效率評價. 中國人口·資源與環(huán)境, 2007, 17(6): 60- 65.

[5] 李世祥, 成金華, 吳巧生. 中國水資源利用效率區(qū)域差異分析. 中國人口·資源與環(huán)境, 2008, 18(3): 215- 220.

[6] Hu J L, Wang S C, Yeh F Y. Total-factor water efficiency of regions in China. Resources Policy, 2006, 31(4): 217- 230.

[7] Kifle M, Gebremicael T G, Girmay A, Gebremedihin T. Effect of surge flow and alternate irrigation on the irrigation efficiency and water productivity of onion in the semi-arid areas of North Ethiopia. Agricultural Water Management, 2017, 187: 69- 76.

[8] Wu Y, Huang F Y, Jia Z K, Ren X L, Cai T. Response of soil water, temperature, and maize (ZeamayL.) production to different plastic film mulching patterns in semi-arid areas of Northwest China. Soil and Tillage Research, 2017, 166: 113- 121.

[9] Li T, Zhang J F. Effect of pit irrigation on soil water content, vigor, and water use efficiency within vineyards in extremely arid regions. Scientia Horticulturae, 2017, 218: 30- 37.

[10] Medrano H, Tomás M, Martorell S, Escalona J M, Pou A, Fuentes S, Flexas J, Bota J. Improving water use efficiency of vineyards in semi-arid regions. A review. Agronomy for Sustainable Development, 2015, 35(2): 499- 517.

[11] Gao X Y, Bai Y N, Huo Z L, Xu X, Huang G H, Xia Y H, Steenhuis T S. Deficit irrigation enhances contribution of shallow groundwater to crop water consumption in arid area. Agricultural Water Management, 2017, 185: 116- 125.

[12] Du S Q, Kang S Z, Li F S, Du T S. Water use efficiency is improved by alternate partial root-zone irrigation of apple in arid Northwest China. Agricultural Water Management, 2017, 179: 184- 192.

[13] Liu B, Guan H D, Zhao W Z, Yang Y T, Li S B. Groundwater facilitated water-use efficiency along a gradient of groundwater depth in arid northwestern China. Agricultural and Forest Meteorology, 2017, 233: 235- 241.

[14] Onishi A, Sato Y, Watanabe T, Fukushima, Cao X, Imura H, Matsuoka M, Morisugi M. Study on sustainable agricultural production and agricultural water use efficiency in the Yellow River Basin of China//Taniguchi M, Burnett W C, Fukushima Y, Haigh M, Umezawa Y, eds. From Headwaters to the Ocean: Hydrological Changes and Watershed Management. Leiden, the Netherlands: CRC Press, 2009: 465- 470.

[15] Christian-Smith J, Cooley H, Gleick P H. Potential water savings associated with agricultural water efficiency improvements: a case study of California, USA. Water Policy, 2012, 14(2): 194- 213.

[16] Fuller B W. Surprising cooperation despite apparently irreconcilable differences: agricultural water use efficiency and CALFED. Environmental Science & Policy, 2009, 12(6): 663- 673.

[17] McVicar T R, Zhang G L, Bradford A S, Wang H X, Dawes W R, Zhang L, Li L T. Monitoring regional agricultural water use efficiency for Hebei Province on the North China Plain. Australian Journal of Agricultural Research, 2002, 53(1): 55- 76.

[18] Singh K. Rational pricing of water as an instrument of improving water use efficiency in the agricultural sector: a case study in Gujarat, India. International Journal of Water Resources Development, 2007, 23(4): 679- 690.

[19] Waraich E A, Ahmad R, Ashraf M Y, Saifullah, Ahmad M. Improving agricultural water use efficiency by nutrient management in crop plants. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B-Soil & Plant Science, 2011, 61(4): 291- 304.

[20] Deng X P, Shan L, Zhang H P, Turner N C. Improving agricultural water use efficiency in arid and semiarid areas of China. Agricultural Water Management, 2006, 80(1/3): 23- 40.

[21] Manneville V, Le Gall A, Dolle J B, Lucbert J. Efficiency of the plan for the control of the pollutions of agricultural origin in france for the recovery of the nitrate quality of waters. Fourrages, 2010, (204): 289- 296.

[22] Wallace J S. Increasing agricultural water use efficiency to meet future food production. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2000, 82(1/3): 105- 119.

[23] Liu B H, Chen X P, Meng Q F, Yang H S, Van Wart J. Estimating maize yield potential and yield gap with agro-climatic zones in China—Distinguish irrigated and rainfed conditions. Agricultural and Forest Meteorology, 2017, 239: 108- 117.

[24] Fan Y Q, Ding R S, Kang S Z, Hao X M, Du T S, Tong L, Li S E. Plastic mulch decreases available energy and evapotranspiration and improves yield and water use efficiency in an irrigated maize cropland. Agricultural Water Management, 2017, 179: 122- 131.

[25] Merchán D, Causapé J, Abrah?o R, García-Garizábal I. Assessment of a newly implemented irrigated area (Lerma Basin, Spain) over a 10-year period. I: water balances and irrigation performance. Agricultural Water Management, 2015, 158: 277- 287.

[26] 操信春, 吳普特, 王玉寶, 趙西寧, 劉靜. 基于DEA的灌區(qū)生產(chǎn)效率分析——以江蘇省為例. 排灌機械工程學報, 2014, 32(2): 173- 178.

[27] 屈忠義, 楊曉, 黃永江, 杜斌, 楊俊林. 基于Horton分形的河套灌區(qū)渠系水利用效率分析. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2015, 31(13): 120- 127.

[28] 劉靜, 吳普特, 王玉寶, 趙西寧, 操信春, 孫世坤. 基于數(shù)據(jù)包絡分析的河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率評價. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2014, 30(9): 110- 118.

[29] 蒙吉軍, 汪疆瑋, 尤南山, 王雅, 周朕. 基于DEA的黑河中游灌區(qū)水資源配置效率時空分異. 水土保持研究, 2017, 24(1): 173- 180, 2- 2.

[30] 趙連閣, 王學淵. 農(nóng)戶灌溉用水的效率差異——基于甘肅、內(nèi)蒙古兩個典型灌區(qū)實地調(diào)查的比較分析. 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟問題, 2010, (3): 71- 78, 111- 111.

[31] 門洪文, 張秋, 代興龍, 曹倩, 王成雨, 周曉虎, 賀明榮. 不同灌水模式對冬小麥籽粒產(chǎn)量和水、氮利用效率的影響. 應用生態(tài)學報, 2011, 22(10): 2517- 2523.

[32] 陳皓銳, 黃介生, 伍靖偉, 楊金忠. 井渠結合灌區(qū)用水效率指標尺度效應研究框架. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2009, 25(8): 1- 7.

[33] 郎坤, 劉泉汝, 卞城月, 劉馨惠, 李全起. 推遲拔節(jié)水灌溉對寬幅精播麥田冠層溫度與葉片水分利用效率的影響. 生態(tài)學報, 2015, 35(15): 5262- 5268.

[34] 趙志成, 楊顯賀, 李清明, 劉彬彬, 楊振超. 不同膜下滴灌方式對設施黃瓜生理特性及水分利用效率的影響. 生態(tài)學報, 2014, 34(22): 6597- 6605.

[35] Liu H J, Wang X M, Zhang X, Zhang L W, Li Y, Huang G H. Evaluation on the responses of maize (ZeamaysL.) growth, yield and water use efficiency to drip irrigation water under mulch condition in the Hetao irrigation District of China. Agricultural Water Management, 2017, 179: 144- 157.

[36] Wang D B, Li F S, Nong ML. Response of yield and water use efficiency to different irrigation levels at different growth stages of Kenaf and crop water production function. Agricultural Water Management, 2017, 179: 177- 183.

[37] Li Z Z, Sun Z H. Optimized single irrigation can achieve high corn yield and water use efficiency in the Corn Belt of Northeast China. European Journal of Agronomy, 2016, 75: 12- 24.

[38] Tari A F. The effects of different deficit irrigation strategies on yield, quality, and water-use efficiencies of wheat under semi-arid conditions. Agricultural Water Management, 2016, 167: 1- 10.

[39] 武威市水務局:武威市水利統(tǒng)計年報(2000—2010年).