海城市溫香灌區(qū)灌溉用水效率評價

項 偉

(海城市水利事務(wù)中心,遼寧 海城 114200)

許多地區(qū)因生態(tài)環(huán)境破壞都遭受了一定的干旱,部分地區(qū)甚至遭受了洪澇災(zāi)害,旱災(zāi)相比于其它自然災(zāi)害的受災(zāi)面積較廣,影響范圍更大[1-2]。因此,研究分析灌溉用水效率及其與干旱之間的關(guān)系,針對灌區(qū)現(xiàn)狀及存在的問題提出有效的措施,對于科學(xué)揭示灌溉關(guān)系具有重要意義。

目前,比較常用的用水效率測算方法有隨機(jī)前沿SFA法和數(shù)據(jù)包絡(luò)DEA法等[3]。王學(xué)淵等采用SFA方法和省級面板數(shù)據(jù)測算了我國農(nóng)業(yè)灌溉用水效率,結(jié)果發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)具有較大節(jié)水潛力,不同地區(qū)的用水效率存在較大差異,全國平均值只有0.49;王學(xué)淵等運用DEA、SFA兩種方法和省級面板數(shù)據(jù)測算了灌溉用水效率,結(jié)果顯示兩種方法測算的結(jié)果排序保持一致,直轄市和南方省份具有較高灌溉用水效率,而西北地區(qū)較低;王曉娟等以河北省石津灌區(qū)為例,采用SFA方法測算其灌溉用水效率為0.75;梁靜溪等通過構(gòu)建DEA模型計算分析了不同地區(qū)的灌溉水效率及其排序,然后利用校驗后的DEA模型評價了黑龍江省多個灌區(qū)的灌溉水效率,結(jié)果顯示該模型能夠合理評價灌溉水效率。鑒于此,文章以海城市溫香灌區(qū)為例,采用DEA-Tobit模型計算評價灌溉用水效率,為保證灌區(qū)糧食安全及提升農(nóng)業(yè)綜合實力提供參考[4-7]。

1 方案設(shè)計

1.1 灌區(qū)概況

溫香灌區(qū)位于海城市西北方向,遼河平原南部,灌區(qū)四個排灌站(高坨子排灌站、劉坨子排灌站、桑樹排灌站和東高排灌站)分別從太子河、渾河提水灌溉,屬多水源灌區(qū),非常適宜水稻等農(nóng)作物的生長,是遼南地區(qū)著名的“魚米之鄉(xiāng)”。

溫香灌區(qū)為北溫帶季風(fēng)半濕潤半干旱氣候,年均氣溫8.3℃,多年平均降雨量650mm,在年際和時空上分布很不均勻,冬春少,夏秋多。灌區(qū)總灌溉面積4466.67hm2,其中高坨子排灌站733.33hm2,劉坨子排灌站2133.33hm2,兩者占到整個溫香灌溉面積的64%,多年平均可利用量為1.4億m3,75%年可利用量為1.05億m3。灌區(qū)內(nèi)地勢低洼,自然災(zāi)害頻繁,既有洪澇災(zāi)害又有經(jīng)常出現(xiàn)作物生長期的旱災(zāi)。因此,依據(jù)灌區(qū)實測數(shù)據(jù)測算分析水稻的灌溉用水效率及影響因素,對進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)開發(fā)總體水平,有效改善灌溉條件具有指導(dǎo)作用。

1.2 建立DEA-Tobit模型

針對溫香灌區(qū)的水稻用水效率研究選用DEA模型進(jìn)行測算,由于受水利工程灌溉設(shè)施、氣候條件等因素影響難以確立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)函數(shù),故考慮規(guī)模報仇的可變性建立以投入導(dǎo)向的DEA模型,其計算式為:

(D)=min[φ-?(fTL-+fTL+)]

(1)

(2)

式中:φ為決策單元的有效值;L-、L+為投入因子的冗余量和產(chǎn)出因子的不足量;x、y為投入要素與產(chǎn)出收益;i、r為輸入和輸出向量類型。

對各影響因素利用Tobit模型進(jìn)行回歸處理,僅有最小二乘法估算DEA的有效性指數(shù)往往存在一定偏差,從而建立Tobit模型,即:

(3)

式中:Mi、Wi為因變量和自變量向量;α、β、εi為截距的向量、未知的參數(shù)向量和擾動項。依據(jù)DEA、Tobit計算公式建立DEA-Tobit模型,其表達(dá)式為:

marks=β0+β∑xij+ui

(4)

式中:marks、xij為技術(shù)效率值及其主要影響因素;ui為測算干擾項。

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于2020年調(diào)查統(tǒng)計的溫香灌區(qū)1000位水稻種植戶,調(diào)查問卷涵蓋4個灌排站,具體分布如表1所示。根據(jù)溫香灌區(qū)水稻種植的分布情況,合理確定數(shù)據(jù)樣本調(diào)查項目有投入產(chǎn)出關(guān)系、灌溉行為方式以及種植戶家庭特征等。

表1 調(diào)研樣本分布統(tǒng)計表

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉用水效率分析

依據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)和EDA-Tobit模型測算灌溉用水效率,計算CCR(相對有效性)和BCC(純技術(shù)效率)模型結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示,測算的純技術(shù)效率較高且許多要素的計算權(quán)重為0,如灌溉面積的權(quán)重為0,這表明用水效率不受灌溉面積的影響,而這與實際情況不符;灌溉用水量的權(quán)重為0,這也不符合實際情況,因為農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開農(nóng)田水利灌溉。因此,采用這種方法測算的灌溉用水效率是不合理的,不具有參考價值。

表2 BCC與CCR測算結(jié)果

針對以上問題,研究選用文中所述模型計算約束權(quán)重如表3所示。

表3 基于權(quán)重約束的BCC與CCR測算結(jié)果

由表3可知,基于權(quán)重約束的測算結(jié)果保證了灌溉用水的權(quán)重要素均為不0,這與實際情況相符。東高和劉坨子排灌站的用水效率較低,說明這些地區(qū)的灌溉用水效率仍存在一定的上升空間,而高駝子和桑樹排灌站相對較高。

從單純的技術(shù)效益和整體的技術(shù)效率出發(fā)確定企業(yè)規(guī)模效益如表4所示。

表4 規(guī)模效率值

由表4可知,由于規(guī)模無效導(dǎo)致桑樹排灌站用水效率值無效,表明桑樹排灌站的用水規(guī)模較小,為了提高用水效率可以擴(kuò)大該排灌站的用水規(guī)模?？傮w而言,海城市溫香灌區(qū)的灌溉用水效率的總技術(shù)、純技術(shù)和規(guī)模效率分別為71.3%、87.6%、84.9%。

根據(jù)權(quán)重模式繪制2019—2021年溫香灌區(qū)灌溉用水效率圖,如圖1所示。

圖1 水生態(tài)足跡構(gòu)成及變化特征

由圖1可知,研究期間東高、高駝子和桑樹排灌站的灌溉用水效率均呈上升趨勢,而劉坨子排灌站呈波動上升趨勢,這與溫香灌區(qū)2020年實施節(jié)水配套改造有效提升用水效率的實際情況相符,該測算方法能夠真實反映灌區(qū)用水情況。

2.2 影響因素分析

根據(jù)DEA-Tobit模型測算分析的溫香灌區(qū)灌溉用水效率,結(jié)果顯示各排灌站的用水效率存在一定差異,并進(jìn)一步分析導(dǎo)致用水效率差異的原因。

1)自然因素的影響。灌區(qū)灌溉用水效率受降水量的影響顯著,研究發(fā)現(xiàn)溫香灌區(qū)的年降水量處于500～800mm,但受環(huán)境和地形條件影響不同排灌站存在一定差異,一般平原區(qū)的雨水量較少而山地丘陵區(qū)較大。農(nóng)田灌溉需水量會隨降水量的增多而減小,相應(yīng)的用水效率也會下降,兩者存在負(fù)相關(guān)性;當(dāng)?shù)赜盟孰S氣溫的升高會逐漸增大,這是因為氣溫升高會加速水分的蒸發(fā),從而降低用水效率。所以,氣溫和降水量均在一定程度上影響著灌區(qū)灌溉用水效率。

2)灌排設(shè)施狀況的影響。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中灌溉用水效率具有重要地位,這也是保證作物產(chǎn)量和糧食安全的關(guān)鍵。通過分析有關(guān)數(shù)據(jù)可知,增大水庫容量、數(shù)量及其儲水能力可以增大用水效率,充足的儲水量既能夠提升用水效率,還有利于確保作物產(chǎn)量。因此,灌溉用水效率與水庫容量、數(shù)量之間存在正相關(guān)性。

3)用水特征的影響。一般地,灌區(qū)農(nóng)作物種類和水利工程類型較多,鑒于溫香灌區(qū)主要種植水稻的實際情況,結(jié)合水稻用水特征可知,農(nóng)作物用水效率隨糧食播種面積的增加而減小。因此,灌區(qū)灌溉用水效率與農(nóng)田面積占比存在負(fù)相關(guān)性。

本研究以2019—2021年溫香灌區(qū)東高、劉坨子、高駝子、桑樹排灌站的用水效率為約束變量,通過分析農(nóng)田面積占比、除澇面積、水庫容量與數(shù)量、溫度及降水量等因素建立DEA-Tobit約束變量模型,其表達(dá)式為:

(5)

式中:ηit、λit為灌溉用水效率值和模型待估計參數(shù);i、t為排灌站個數(shù)和模型運算時間;xit、it為自變量因素和測算誤差項。

根據(jù)DEA-Tobit模型統(tǒng)計分析各因素相關(guān)系數(shù)及特征參數(shù)值如表5所示。

表5 相關(guān)系數(shù)與特征參數(shù)

由表5可知,溫香灌區(qū)灌溉用水效率與降水量之間存在負(fù)相關(guān)性,由于該灌區(qū)灌溉用水效率較小,故降水量的影響程度較低;溫香灌區(qū)灌溉用水效率與氣溫之間存在正相關(guān)性,即用水效率隨氣溫的逐漸升高而增大;溫香灌區(qū)灌溉用水效率與除澇面積、水庫數(shù)量之間均存在正相關(guān)性,除澇面積越大、水庫數(shù)量越多則灌溉用水效率越高,反之則越小;溫香灌區(qū)灌溉用水效率與農(nóng)田面積占比存在負(fù)相關(guān)性,雖然農(nóng)作物用水量較多但其用水價值也較高[13-16]。所以,灌溉用水效率會隨著糧食作物面積的增大而減小,并且糧食作物面積的影響非常顯著。

3 結(jié) 論

文章結(jié)合溫香灌區(qū)調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù),采用DEA-Tobit模型測算分析用水效率及其影響因素,結(jié)果表明:2019—2021年東高、高駝子和桑樹排灌站的灌溉用水效率均呈上升趨勢,而劉坨子排灌站呈波動上升趨勢,這與溫香灌區(qū)2020年實施節(jié)水配套改造有效提升用水效率的實際情況相符,DEA-Tobit模型能夠真實反映灌區(qū)用水情況。溫香灌區(qū)灌溉用水效率與降水量、農(nóng)田面積占比之間存在負(fù)相關(guān)性,與氣溫、除澇面積、水庫數(shù)量之間存在正相關(guān)性。為進(jìn)一步提升用水效率,未來可以考慮水價調(diào)節(jié)機(jī)制增強(qiáng)用戶節(jié)水意識。