王海龍
(朝陽市喀左縣白塔子水利服務(wù)站,遼寧 喀左 122300)
水資源是支撐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展的自然資源,國家糧食安全與水源的可持續(xù)高效利用密切相關(guān)。調(diào)查顯示,我國約70%的用水都消耗于農(nóng)業(yè)灌溉上,生態(tài)環(huán)境、生活和工業(yè)用水的不斷增加,在一定程度上降低了農(nóng)業(yè)可利用水資源[1]。農(nóng)業(yè)作為用水大戶,農(nóng)業(yè)用水量變化會引起區(qū)域用水結(jié)構(gòu)和用水總量的改變[2]?,F(xiàn)有研究主要集中于農(nóng)業(yè)用水效率、用水變化影響因素以及用水結(jié)構(gòu)方面,不同地域的影響因素和用水變化特征也明顯不同[3-4]。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作為朝陽市重要用水部門,農(nóng)業(yè)用水量變化與區(qū)域水資源的可持續(xù)利用及糧食生產(chǎn)直接相關(guān)。因此,本文全面分析了朝陽市2008-2021年農(nóng)業(yè)用水變化特征及其關(guān)鍵影響因素,為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和水資源合理配置提出科學對策,旨在為朝陽市農(nóng)業(yè)節(jié)水工作的順利開展和貫徹落實提供一定支持。
朝陽市位于遼寧省西部,地處E118°50′至121°20′、N40°35′至42°20′之間,總面積19736km2。近年來,朝陽市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展,生態(tài)水產(chǎn)、畜牧養(yǎng)殖、有機瓜菜和優(yōu)質(zhì)糧食等特色產(chǎn)業(yè)逐步提升。大凌河、青龍河、小凌河和老哈河是朝陽市的主要河流,多年平均地表徑流量13.22億m3,境內(nèi)溝渠成網(wǎng),農(nóng)業(yè)灌溉以渠首引水為主,灌溉水有效利用系數(shù)0.508。受限于特殊的地理環(huán)境,當?shù)貧夂驐l件蒸發(fā)強烈,少雨干旱,2019年全市總用水量為45617.0萬m3,其中農(nóng)田灌溉19475.0萬m3,林牧漁畜7211.8萬m3,工業(yè)用水5893.5萬m3,城鎮(zhèn)公共用水3245.7萬m3,居民生活用水8909.1萬m3,生態(tài)環(huán)境用水881.9萬m3。總體而言,朝陽市存在水資源利用效率低、用水失衡和水資源總量不足等問題,受大、小凌河分水和來水量持續(xù)偏枯約束仍具有較大的水資源缺口。
根據(jù)朝陽市實際情況和相關(guān)文獻資料,選擇工業(yè)產(chǎn)值比重Z1、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比重Z2、主要糧食單產(chǎn)Z3、農(nóng)業(yè)機械總動力Z4、水產(chǎn)品產(chǎn)量Z5、畜產(chǎn)品產(chǎn)量Z6、糧食產(chǎn)量Z7、有效灌溉面積Z8、播種面積Z9、總?cè)丝跀?shù)Z10、年均氣溫Z11、年降水量Z12等因素分析農(nóng)業(yè)用水變化特征,相關(guān)數(shù)據(jù)來源于歷年《朝陽市統(tǒng)計年鑒》、《朝陽市水資源公報》、《朝陽市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》等資料,初始 數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 2011~2020年朝陽市相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
灰色關(guān)聯(lián)法主要是利用關(guān)聯(lián)度反映不同因素之間的大小、強弱和次序關(guān)系,即充分考慮各因素間的相似或相異發(fā)展態(tài)勢描述其關(guān)聯(lián)程度,關(guān)聯(lián)程度越高則相似度越高,其計算流程如下:
步驟1:構(gòu)造數(shù)據(jù)序列。設(shè)子序列xi(t)、x0(t)母序列代表數(shù)據(jù)中的自變量和因變量,從而構(gòu)造初始數(shù)據(jù)矩陣Z,即:
步驟2:歸一化處理。為消除子序列與母序列之間的不可通透性,增強不同單位的數(shù)據(jù)序列可比性,利用下式對初始數(shù)據(jù)進行歸一化處理,
步驟3:絕對差值的計算。采用下式計算母序列與子序列之間的絕對差值,并構(gòu)建覆蓋各因素的差序列:
其中,i=1,2,……,n;t=1,2,……,m。步驟4:關(guān)聯(lián)系數(shù)計算。設(shè)公式(3)計算的最大值和最小值為△max、△min,則關(guān)聯(lián)系數(shù)計算方法如下:
式中:k為分辨系數(shù),取值區(qū)間0~1,為保證關(guān)聯(lián)度分析合理性k取0.5。
步驟5:關(guān)聯(lián)度計算。設(shè)ζ0i為子序列與母序列的關(guān)聯(lián)度,ζ0i值越大則關(guān)聯(lián)程度越高,相應(yīng)的擬合效果越好,其表達式為:
2011~2020年朝陽市農(nóng)業(yè)用水量變化趨勢如圖1所示。
圖1 2008~2021年朝陽市農(nóng)業(yè)用水量
從圖1可以看出朝陽市農(nóng)業(yè)用水量總體處于10.02億~11.65億m3的范圍,其多年平均值為10.86億m3,整體表現(xiàn)出波動減小趨勢。具體來講,2011-2015年農(nóng)業(yè)用水量波動減小,從最高的11.28億m3波動下降到2015年的10.25億m3;2016年有提高到11.65億m3,2016-2018年變化不大,此期間農(nóng)業(yè)用水量平均值11.37億m3;2019年再次下降到10.02億m3,2020年小幅回升,2019-2020年農(nóng)業(yè)用水量平均值10.24億m3,略小于多年平均值。累積距平曲線表明,2011-2020年共出現(xiàn)2次先增大后減小的變化趨勢,2011-2012年呈增大趨勢,2012-2015年呈現(xiàn)出減小趨勢,總體呈小幅波動減小趨勢;2015-2018年的上升趨勢非常明顯,隨后又出現(xiàn)明顯的回落,相對而言2016-2018的農(nóng)業(yè)用水量較高。
采用灰色關(guān)聯(lián)法計算朝陽市農(nóng)業(yè)用水變化個影響因素的關(guān)聯(lián)度與排序,如表2所示。
表2 各影響因素灰色關(guān)聯(lián)度及排序
由表2可知,關(guān)聯(lián)度>0.8的因素共有5項,其中農(nóng)業(yè)用水量變化與糧食產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度最高達到0.808,顯著高于水產(chǎn)品及畜產(chǎn)品摻量的關(guān)聯(lián)度,表明農(nóng)業(yè)用水量變化在很大程度上取決于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu);在關(guān)聯(lián)度排序上,主要糧食單產(chǎn)和農(nóng)業(yè)機械總動力2項反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的指標分別排在第4位、第2位,表明朝陽市農(nóng)業(yè)用水變化受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平影響顯著;農(nóng)業(yè)用水量變化與有效灌溉面積的關(guān)聯(lián)度達到0.791,排在第3位,農(nóng)業(yè)用水大戶即灌溉用水產(chǎn)生重要影響;農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比重的關(guān)聯(lián)度排序為第5位,說明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整使得各類用水產(chǎn)生相互制約,農(nóng)業(yè)用水變化在一定程度上受工業(yè)發(fā)展用水量增加的影響,其它指標關(guān)聯(lián)度相對較低,特別是年降水量關(guān)聯(lián)度最小只有0.562,該研究結(jié)論與相關(guān)研究不同,深入分析可知2011~2020年朝陽市年降水變率較大,較大的變幅必然使其對農(nóng)業(yè)用水變化的貢獻較低,這也表明朝陽市農(nóng)業(yè)用水變化受降水量的影響程度正不斷減小。
3.3.1 有效灌溉面積如圖2所示。
圖2 朝陽市農(nóng)業(yè)用水與糧食作物變化特征
從圖2可知,2011-2020年,朝陽市糧食作物播種面積整體呈上下波動態(tài)勢,其中2011~2017年表現(xiàn)出波動減小趨勢,2018-2020年表現(xiàn)出波動上升趨勢,該變化特征與朝陽市農(nóng)業(yè)用水變化基本一致。2011-2020年,朝陽市經(jīng)濟作物種植面積、有效灌溉面積和農(nóng)作物總播種面積整體呈增加趨勢,其中2012-2015年的有效灌溉面積波動變化不明顯,2016年明顯上升到8.55萬hm2,農(nóng)業(yè)用水量也隨之明顯增加,2016-2020年呈逐年增加趨勢,該變化趨勢與農(nóng)業(yè)用水量基本相同。
3.3.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高既有利于抑制農(nóng)業(yè)用水量增加、減小單位農(nóng)業(yè)產(chǎn)值耗水量以及提高農(nóng)業(yè)用水效率,如噴灌、滴灌等節(jié)水技術(shù),還具有擴大農(nóng)業(yè)用水范圍和促進農(nóng)業(yè)用水量增大的作用,如擴大農(nóng)田水利灌溉面積等。從圖1可以看出,朝陽市農(nóng)業(yè)機械總動力表現(xiàn)出逐漸上升趨勢,不同年份的增幅具有明顯差異,2016年以前增幅較為明顯,年均增長幅度達到10萬kW以上,2016年以后增幅逐漸放緩,并且研究期前半段朝陽市主要糧食產(chǎn)量存在較大波動,而后期相對平穩(wěn),該變化趨勢與農(nóng)業(yè)用水量變幅存在密切聯(lián)系。
圖3 朝陽市農(nóng)業(yè)用水與農(nóng)業(yè)機械總動力變化特征
3.3.4 氣象條件
農(nóng)業(yè)用水量受降水變化和氣溫的影響較大。從氣溫變化上,氣溫升高會增大作物蒸騰量及土壤蒸發(fā)量,相應(yīng)的農(nóng)業(yè)需水量也會增大;從降水變化上,灌溉用水需求量隨著降水量的減少而增加。
從圖4可以看出,朝陽市2013年、2019年、2020年溫度明顯偏高,并且降水量相對減低,這在一定程度上增大了農(nóng)業(yè)用水量,與降水和氣溫影響作用基本保持一致。
圖4 朝陽市農(nóng)業(yè)用水與氣候條件變化特征
1)2011-2020年,朝陽市農(nóng)業(yè)用水變化受種植結(jié)構(gòu)、灌溉面積、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和氣象條件等因素影響較大,整體表現(xiàn)出波動減小趨勢。研究期間,朝陽市有效灌溉面積和農(nóng)作物總播種面積呈上升趨勢,農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量也有所增加,但農(nóng)業(yè)用水量呈現(xiàn)出穩(wěn)中緩降的趨勢,由此表明農(nóng)業(yè)用水效率不斷提高。
2)隨著朝陽市西部低山丘陵區(qū)新開耕地面積的增加以及城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速推進,加之未來凌河流域來水的逐年減少和未來氣溫的上升趨勢,朝陽市將面臨著更加突出的農(nóng)業(yè)用水短缺矛盾,為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全,必須適度增加飼草、瓜菜等經(jīng)濟比例,進一步優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)。此外,為促進朝陽市農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展,還要進一步提升農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)效率、增強農(nóng)民節(jié)水意識以及夯實基層水利服務(wù)基礎(chǔ)。
3)本文沒有深入探討農(nóng)業(yè)用水量與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率之間的關(guān)系及其受農(nóng)業(yè)水價的影響,今后仍需進一步研究農(nóng)業(yè)用水與更多的農(nóng)業(yè)投入指標之間的綜合關(guān)系。