石羊河流域綜合治理灌區(qū)水效率變化研究

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),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(jié)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(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)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(guān)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(shù)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(jié)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(jié)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(guān)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(zhì)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(jié)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(guān)政策實施節(jié)點、針對性區(qū)域以及實施力度之間的關(guān)系。從而可以使人們對流域相關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(jié)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(shù)效率和規(guī)模效率(表4、圖2)。

(1)純技術(shù)效率是灌區(qū)管理水平和技術(shù)等帶來的效率。13個灌區(qū)的純技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān),也與灌區(qū)灌溉設施的配套程度、管理水平相關(guān)。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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(jié)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(guān)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(quán)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(jié)構(gòu)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(quán)、定額管理、節(jié)約有獎、轉(zhuǎn)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(jié)合,以降低定額為重點；渠系節(jié)水與田間節(jié)水相結(jié)合,以田間節(jié)水為重點；工程節(jié)水與管理節(jié)水相結(jié)合,管理優(yōu)先；農(nóng)業(yè)節(jié)水與綜合節(jié)水相結(jié)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(jié)合,以降低定額為重點；渠系節(jié)水與田間節(jié)水相結(jié)合,以田間節(jié)水為重點；工程節(jié)水與管理節(jié)水相結(jié)合,管理優(yōu)先；農(nóng)業(yè)節(jié)水與綜合節(jié)水相結(jié)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(shù)和管理水平、提高用水效率的參照系,從計算結(jié)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(guān)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(guān)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(guān)于水權(quán)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(quán)密切結(jié)合起來,充分發(fā)揮水價杠桿作用,規(guī)范水權(quán)轉(zhuǎn)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(quán)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(guān)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。

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