農(nóng)業(yè)用水和生活用水效率研究與探討

1、2007年10月水 利 學 報SHUILI XUEBAO 增刊收稿日期:2007 07 28基金項目:教育部科學技術研究重點項目(104197作者簡介:范群芳(1982- , 女, 山西黎城人, 博士生, 主要從事水資源規(guī)劃與利用研究。E mail:ffansloveryahoo. c om. cn 文章編號:0559 9350(2007 增刊 0465 05農(nóng)業(yè)用水和生活用水效率研究與探討范群芳, 董增川, 杜芙蓉(河海大學水文水資源及水利工程國家重點實驗室, 江蘇南京 210098摘要:水是萬物生長不可缺少的元素之一。經(jīng)濟發(fā)展和人口的增長帶來用水量的急劇增加, 環(huán)境污染和用水浪費帶來水資源

2、的巨大損耗。為了滿足社會發(fā)展對水資源需求量的增加, 必須采用開源、節(jié)流、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構、利用外部資源等措施。其中節(jié)流針對的就是提高水資源利用效率進行管理。工業(yè)用水效率的研究比較多, 本文主要針對農(nóng)業(yè)用水和生活用水效率進行研究和探討。從經(jīng)濟學的觀點出發(fā)對農(nóng)業(yè)用水的效率進行定量研究, 對生活用水效率進行探討性研究, 提出從綜合效益分析生活用水的效率, 引入最優(yōu)人均生活用水指標。而生活用水效率的定量研究有待進一步探討。關鍵詞:用水效率; 灌溉水利用系數(shù); 作物水分生產(chǎn)函數(shù); 隨機前沿生產(chǎn)函數(shù); 最優(yōu)人均生活用水中圖分類號:TV213 9文獻標識碼:A1 水資源的緊缺現(xiàn)狀和效率問題的提出人口的增長和經(jīng)濟

3、的發(fā)展, 加之對水的干擾和污染, 使得水資源日益緊缺。根據(jù)資源稀缺論的經(jīng)濟學原理, 解決水資源短缺的重要思路是開源節(jié)流。其中節(jié)流的核心就是提高水資源利用效率。在水資源管理歷經(jīng)供給管理, 進入需求管理, 并向內(nèi)部結構化管理和社會化管理發(fā)展的過程中, 節(jié)流成為解決水資源緊缺的主要途徑1。農(nóng)業(yè)是人類生產(chǎn)活動最早的門類。在我國, 作為第一產(chǎn)業(yè)的農(nóng)業(yè)不僅因為它是最早的產(chǎn)業(yè), 還因為它是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。農(nóng)業(yè)的發(fā)展直接關系到國計民生。我國農(nóng)業(yè)人口多, 總人口也多, 糧食安全是經(jīng)濟發(fā)展的首要條件。我國40%的耕地是灌溉農(nóng)田, 因此水資源的供給保證是糧食安全的前提?？梢哉f, 水利是農(nóng)業(yè)的命脈, 也

4、是國家安全的命脈。沒有水, 就沒有萬物; 沒有農(nóng)業(yè), 沒有國家的發(fā)展。目前, 農(nóng)業(yè)用水已經(jīng)受到工業(yè)用水和其他用水的擠占。只有提高農(nóng)業(yè)用水效率, 才能達到灌溉面積增加的目的, 從而確保糧食安全和社會的持續(xù)發(fā)展。盡管生活用水在用水總量中所占比例很小, 然而從節(jié)流的角度出發(fā)要提出提高生活用水效率的理念。2 用水效率研究現(xiàn)狀概述當前, 用水效率日益成為學術界和社會關注的焦點, 專家、學者、政府官員、普通大眾都意識到提高用水效率的重要性。如何提高水資源利用效率水平, 是各國水資源政策制定者所關注的焦點問題。美國前環(huán)境保護署署長威廉瑞里(WilliamReilly 指出:從全世界看, 歷史上水一直被認為是

5、一種 免費的日用品 , 水的利用效率不高, 通常50%的水被浪費掉了。美國水價為0 54$ L, 德國為1 78$ L, 英國是1 23$ L 2。這樣的水價水平相當于每月支付有線電視的費用, 難以引起消費者的重視。在美國全國科學、政策和環(huán)境大會上, 專家指出:用水效率取決于水價。在英國, 政府從提高用水效率和減少水體污染兩方面進行努力, 來提高居民生活質(zhì)量, 實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護和水資源的可持續(xù)利用。由此可見, 世界各國都把水資源利用效率的提高放在一個重要的位置上。在我國, 水資源利用效率的研究也得到相當?shù)闹匾?。我國水?在 水資源配置和節(jié)約使用 一章中針對提高生活用水效率、工業(yè)用水效率和農(nóng)業(yè)用

6、水效率規(guī)定了 城市人民政府應當因地制宜采取有效措施, 推廣節(jié)水型生活用水器具, 降低城市供水管網(wǎng)漏失率, 提高生活用水效率; 加強城市污水集中處理, 鼓勵使用再生水, 提高污水再生利用率 、 工業(yè)用水應當采用先進技術、工藝和設備, 增加循環(huán)用水次數(shù), 提高水的重復利用率 和 各級人民政府應當推行節(jié)水灌溉方式和節(jié)水技術, 對農(nóng)業(yè)蓄水、輸水工程采取必要的防滲漏措施, 提高農(nóng)業(yè)用水效率 。用水效率的研究已經(jīng)上升為法律層次的要求, 足以可見提高水資源利用效率的研究在我國水資源緊缺情勢下的重要性和緊迫性。然而水資源利用效率與國際先進水平相比存在很大差距。2002年我國萬元GDP 用水量為537m 3,

7、相當于世界平均水平的4倍; 工業(yè)水重復利用率不足60%, 遠遠低于發(fā)達國家75%80%的水平; 農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)為0 40 45, 遠遠低于國外先進水平的0 70 83。提高水資源利用的效率已經(jīng)成為我國水利政策研究和水利改革的重要方面, 旨在面對日益緊缺的水資源的情況下, 提高人們的生活水平和質(zhì)量, 減少對環(huán)境和生態(tài)的破壞, 提高用水的社會效益。2003年7月22日, 水利部發(fā)展研究中心和南京水科院聯(lián)合投標并中標水利部的國內(nèi)外用水水平與用水效率及技術與政策比較研究#課題首開我國用水效率研究的先河。孫愛軍2在其博士論文中運用隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)計算工業(yè)用水的技術效率, 分析該效率的多年變化趨勢,

8、并運用隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)理論計算城市用水效率。喬世君4用隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)的技術研究了我國糧食生產(chǎn)的技術效率; 劉樹坤等5用隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)研究了我國玉米生產(chǎn)的技術效率; 王曉娟等6也應用隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)理論分析了河北石津灌區(qū)灌溉用水的生產(chǎn)技術效率。本文從經(jīng)濟學的觀點出發(fā), 提出農(nóng)業(yè)用水效率的四個方面的定義, 歸納了其計算模型, 并探討了生活用水效率研究的理念, 嘗試提出生活用水效率的定量計算方法。3 農(nóng)業(yè)用水效率研究農(nóng)業(yè)水資源是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中為滿足農(nóng)作物的生命維系和生長發(fā)育所需要的水資源, 包括大氣水、地表水、地下水以及構成動植物體的水, 統(tǒng)計中包括農(nóng)田、林業(yè)、牧業(yè)的灌溉用水及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村

9、工副業(yè)用水等。農(nóng)田灌溉用水是農(nóng)業(yè)的主要用水和耗水對象, 占農(nóng)業(yè)用水量的90%以上。因此, 農(nóng)業(yè)水資源效率研究的對象主要是灌溉用水。水資源可持續(xù)利用是經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境可持續(xù)保持的前提?？沙掷m(xù)發(fā)展的思想要求人們在不破壞生態(tài)環(huán)境的前提下約束自己的消費標準, 在用水上則是約束自己的用水量和對水質(zhì)的要求。 水資源可持續(xù)利用是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略問題, 核心是提高水資源利用效率 7。從水資源可持續(xù)利用的內(nèi)涵可以看出, 節(jié)流是當務之急。農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用就是管理、保護和合理利用農(nóng)業(yè)水資源, 不斷調(diào)整技術和機構體制化的方向, 以確保農(nóng)業(yè)水資源持續(xù)滿足當代及今后世世代代人的需要, 同時要滿足技術上恰當

10、、經(jīng)濟上可行、社會能夠接受的一種農(nóng)業(yè)水資源利用方式8。農(nóng)業(yè)水資源的節(jié)流則是提高農(nóng)業(yè)用水(主要是灌溉用水 的利用效率, 減少損失。農(nóng)業(yè)用水被作物利用經(jīng)過從水源! ! ! 末端渠道! ! ! 田間! ! ! 作物蒸發(fā)蒸騰! ! ! 作物經(jīng)濟產(chǎn)量這樣的過程, 在每個環(huán)節(jié)都存在效率損失的問題。農(nóng)業(yè)用水的配置效率是指水源! ! ! 末端渠道的傳輸效率, 農(nóng)業(yè)用水的利用效率是指從水源! ! ! 作物過程中灌溉用水的利用效率。農(nóng)業(yè)用水的生產(chǎn)效率是指從蒸發(fā)蒸騰! ! ! 作物經(jīng)濟產(chǎn)量過程中灌溉用水的生產(chǎn)效率。農(nóng)業(yè)用水的生產(chǎn)技術效率主要指實際灌溉用水與最少灌溉用水量之間的距離。3 1 農(nóng)業(yè)水資源的配置效率的衡量

11、 農(nóng)業(yè)用水的配置效率由渠系水利用系數(shù)(% 來表示。這里的農(nóng)業(yè)用水主要指作物灌溉用水。作物灌溉用水從水利工程到達田間需要經(jīng)過灌渠。在輸送灌溉用水的過程中存在滲漏和蒸發(fā)損失, 用渠系水利用系數(shù)反映灌溉用水在灌渠中的利用率。渠系水利用系數(shù)的計算模型為:渠=1- 渠(1 式中: 渠為渠系水利用系數(shù), %; 渠為渠道的輸水損失率, %。渠= 渠L 渠(2式中: 渠為單位長度渠道輸水損失率, %; L 渠為渠道總長度, m 。單位長度渠道輸水損失率 渠為各典型渠段的輸水損失率 i 按各典型渠段的長度L i 進行加權平均, 模型為:渠=%N i =1 i L i%N i =1L i (33 2 農(nóng)業(yè)水資源的

12、利用效率的衡量 從到達田間到被作物吸收利用, 灌溉用水也存在田間蒸發(fā)損失, 用田間水利用系數(shù)反映灌溉用水在田間的利用率。農(nóng)業(yè)用水的利用效率就由渠系水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)的乘積來表示。田間水利用系數(shù)的計算模型為:田=%n i =1m i A i W 農(nóng)凈(4 式中:m i 為作物i 的設計凈灌溉定額, m 3 hm 2; A i 為農(nóng)渠控制的實灌面積, hm 2; n 為作物種類數(shù); W 農(nóng)凈為一次灌溉農(nóng)渠放出的總水量, m 3。灌溉水利用效率用灌溉水利用系數(shù)表示, 其計算模型為:灌溉= 渠 田間(53 3 農(nóng)業(yè)水資源的生產(chǎn)效率的測定 農(nóng)業(yè)用水的生產(chǎn)效率用灌溉水生產(chǎn)效率進行衡量, 用單方水的

13、糧食生產(chǎn)效率表示(kg m 3 。灌溉水生產(chǎn)效率通過作物水分生產(chǎn)函數(shù)求得。作物水分生產(chǎn)函數(shù)是表示作物產(chǎn)量和作物需水量之間關系的函數(shù)。在水量有限條件下作物的實際產(chǎn)量主要由水分條件控制。此時, 作物產(chǎn)量和需水量之間的關系稱為作物水分生產(chǎn)函數(shù)9。生產(chǎn)實際中, 常用作物產(chǎn)量與作物蒸發(fā)蒸騰量(包括植株蒸騰和課間土壤蒸發(fā) 的關系來描述作物水分生產(chǎn)函數(shù)。在供水受到限制的條件下, 不可能按照作物的需水量要求進行灌溉, 這時合理和有效的灌溉應該是根據(jù)水源條件、作物各生育階段對供水的敏感程度, 恰當?shù)胤峙涔嗨畷r間和灌溉水量。從投入產(chǎn)出分析的角度看, 作物水分生產(chǎn)函數(shù)是灌溉水量和作物產(chǎn)量之間的投入產(chǎn)出關系。根據(jù)作物

14、水分生產(chǎn)函數(shù)可以求得作物產(chǎn)量與灌溉水量之間的關系, 用灌溉水生產(chǎn)效率(kg m 3 表示。作物水分生產(chǎn)函數(shù)主要有乘法模型和加法模型兩類。通常根據(jù)大田試驗資料, 選擇函數(shù)類型, 用最小二乘線性回歸法確定函數(shù)中的參數(shù), 以得到某作物的水分生產(chǎn)函數(shù)。在資料充分的情況下, 選擇作物產(chǎn)量和各生育期的蒸發(fā)蒸騰量(近似等于作物需水量 之間的函數(shù)關系進行模擬。由于有乘法模型, 為了使用線性回歸的方法, 將乘法模型等式兩邊同時取常用對數(shù), 變換成加式。國際上曾經(jīng)提出過幾十種作物水分生產(chǎn)函數(shù)的模型, 其中公認比較和合理和常用的有以下4種:乘法模型Jensen 模型、加法模型Blank 模型、Stewart 模型和

15、Singh 模型。其種, Jensen 模型是乘法模型, 后3種均是加法模型。這4種模型都是作物產(chǎn)量與各生育階段蒸發(fā)蒸騰量的函數(shù)關系。3 4 農(nóng)業(yè)水資源的生產(chǎn)技術效率的測定 測定生產(chǎn)技術效率, 旨在弄清在一定投入數(shù)量的情況下獲得最大產(chǎn)出的能力, 或者在一定產(chǎn)出數(shù)量的情況下所需要的最小投入量, 反映生產(chǎn)主體或經(jīng)濟單元實際的生產(chǎn)活動接近前沿面的程度, 或與前沿面的距離。根據(jù)Battese &Coellie 所提出的同時估計隨機前沿面和技術效率損失的技術, 前沿面模型的設定采用隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)進行描述, 采用極大似然估計法估計模型參數(shù)。主要是以作物產(chǎn)量作為產(chǎn)出, 以種植作物投入的勞動力、農(nóng)用

16、機械總動力、化肥施用折純量、作物播種面積、灌溉用水量作為投入變量。用Battese &C oellie 在1995年開發(fā)的效率損失影響(即技術非效率 模型進行技術非效率的測定。農(nóng)業(yè)水資源, 主要指灌溉用水, 其生產(chǎn)技術效率是單一投入效率, 是指在實際產(chǎn)出和其他投入水平已經(jīng)確定的情形下, 可能達到的最小灌水量與實際灌溉用水量之比。這里, 可能達到的最小灌水量, 是指技術充分有效、不存任何效率損失情形下的灌水量。隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)采用基于面板數(shù)據(jù)的超越對數(shù)隨機前沿面生產(chǎn)函數(shù), 因為其要素投入的彈性可變, 表達式如下:ln y it =! 0+%6j =1! j ln x ijt +%6j &

17、amp;k %6k =1! jk ln x ijt ln x kjt +it -u it (6式中:y 為作物產(chǎn)量; i , t 為生產(chǎn)主體或經(jīng)濟單元序號, 年份; j , k 為解釋變量序號; x 1、x 2、x 3、x 4、x 5、x 6為勞動力、農(nóng)用機械總動力、化肥施用折純量、作物播種面積、灌溉用水量、時間變量; #it =it -u it , 是復合誤差項, 其中it 表示生產(chǎn)主體或經(jīng)濟單元在生產(chǎn)過程中不能控制的因素(如氣候因素 對前沿面的影響, 是隨機誤差, 假定it N (0, 2。u it 表示效率損失, 即技術非效率, 關于效率損失分布的假設很多, 可以采用Battese &a

18、mp;Coellie 在1995年開發(fā)的效率損失影響(即技術非效率 模型進行測定10。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術效率就可以用TE it =e xp(-u it 進行估計。灌溉用水的生產(chǎn)技術效率采用下式進行測定:IE =min:f (X , w ; % y (7式中:IE 為灌溉用水生產(chǎn)技術效率; w 為灌溉用水的實際投入量; X 為除灌溉用水外, 其他的生產(chǎn)投入向量; 為技術充分有效時, 最小的灌溉用水量與實際灌溉用水量的比值; w 為最佳灌溉用水量; %為生產(chǎn)投入量的系數(shù)。用Frontier 4 1軟件對式(6 中的參數(shù)進行估計, 然后進行假設檢驗。同時計算出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術效率和單一投入(灌溉用水 的技術

19、效率。4 生活用水效率研究探討由于生活用水在用水中所占比例最小(我國農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水的比例長期維持在7(2(1 , 還沒有人系統(tǒng)地研究過生活用水效率。盡管生活用水與工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水相比起來, 數(shù)量很小, 然而從節(jié)流的角度出發(fā)要提出提高生活用水效率的理念。如何衡量生活用水效率? 生活用水效率的定量計算方法一直是難于討論的。根據(jù)效用理論和水資源重復利用的原理, 從水量角度而言, 水資源的多次合理的重復利用無疑是提高了水資源的利用效率, 然而最終排放的污水造成了水資源利用的生態(tài)效益和環(huán)境效益下降。因此生活用水效率的衡量應該是生活用水綜合效益(經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益 的衡量, 不單是新水用

20、水量最小。因此筆者提出從生活用水綜合效益衡量生活用水效率的理念, 用最優(yōu)人均生活用水量來衡量生活用水水平和效率。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展, 居民生活用水量的變化呈現(xiàn)先升后降, 最后趨于穩(wěn)定的趨勢。在經(jīng)濟快速發(fā)展的初期, 人們生活水平迅速提高, 洗浴設施、洗衣機、洗碗機、熱水器具、沖水廁具等用水器具給生活帶來方便和舒適之外, 也帶來用水量的急增。隨著用水器具的裝備增長達到穩(wěn)定、居民節(jié)水意識的提高、節(jié)水器具的推廣和水價政策的調(diào)整, 生活用水呈現(xiàn)略為下降的變化趨勢, 直到最后穩(wěn)定到一個生活水平優(yōu)質(zhì)、節(jié)約用水有度、環(huán)境保護良好的水平。此時的人均生活用水代表了節(jié)水的最高水平和生活的最舒適水平, 稱之為最優(yōu)人均

21、生活用水。最優(yōu)人均生活用水應該是一個時間范疇, 隨著用水水平的發(fā)展和節(jié)水水平的提高, 這個值是不斷變化(先增加后減少 直至穩(wěn)定的。在一定的經(jīng)濟發(fā)展和社會生活發(fā)展水平時段內(nèi), 可以用最優(yōu)人均生活用水來評價生活用水效率:即最優(yōu)人均生活用水量越少, 生活用水效率越高。同時, 最優(yōu)人均生活用水應該是一個空間范疇, 不同地區(qū)的水資源稟賦和生活水平是不同的, 因此不同地區(qū)的最優(yōu)生活用水量也是不同的, 是水資源可利用量和生活水平的函數(shù)。并且, 在相同的城市, 根據(jù)居民收入水平不同, 最優(yōu)生活用水量也有所不同, 但要保證低收入群體的基本用水安全。最優(yōu)生活用水量體現(xiàn)了生活用水的綜合效益, 具有良好的公平性, 回

22、避了只追求用水量最小的目標函數(shù)帶來的社會問題和生態(tài)環(huán)境問題, 是更加科學的用水效率衡量指標。5 結論與展望本文提出從經(jīng)濟學的角度分析和研究農(nóng)業(yè)用水效率, 用配置效率、利用效率、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)技術效率分別描述灌溉用水的效率。這樣的分析比較全面和合理。提出研究生活用水效率的必要性和從用水綜合效益的角度分析生活用水效益的理念, 提出最優(yōu)人均生活用水量指標, 是一種理念和意識的創(chuàng)新。然而灌溉水利用效率的計算需要大量的大田實驗資料, 而且不同地區(qū)不同作物的作物水分生產(chǎn)函數(shù)需要分別用回歸方法求得, 因此資料搜集的周期比較長。灌溉水利用效率和生產(chǎn)技術效率用灌溉水量的效率進行衡量, 未考慮灌溉水質(zhì)對生態(tài)環(huán)境和

23、農(nóng)田小氣候的影響(比如污水灌溉等 , 在今后的研究中應該加入生態(tài)效益和環(huán)境效益的評價因子, 不只考慮灌溉水的經(jīng)濟效益(作物產(chǎn)量 。生活用水的資料的搜集也比較困難, 雖然提出了效率評價的指標, 定量的計算方法還不成熟, 其實際操作性還有待進一步的研究。參 考 文 獻:1 程國棟. 虛擬水! ! ! 中國水資源安全戰(zhàn)略的新思路J.中國科學院院刊, 2003, (4 :260-265.2 孫愛軍. 基于隨機前沿函數(shù)的工業(yè)用水效率與工業(yè)用水研究D. 南京:河海大學, 2007.3 吳普特, 馮浩, 牛文全, 等. 中國用水結構發(fā)展態(tài)勢與節(jié)水對策分析J. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2003, (1 :1-6.4

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26、rology Water Re sources and Hydraulic Engineering , Hohai Unive rsit y , Nanjing , Jangsu Prov ince 210098 Abstract :Water is essential for life. Water c onsumption a mount has been increased seriously by the economic development and population increase. At the same time, water has been wasted and polluted by sewage. As a result, water is becoming less and less. In