基于數據包絡分析模型的江蘇省農業水資源利用效率評價

張娜娜, 王海濤, 吳穎超, 閔興華, 曹 磊, 趙言文

(1.南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇 南京 210095； 2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司, 江蘇 揚州 225009)

基于數據包絡分析模型的江蘇省農業水資源利用效率評價

張娜娜1, 王海濤2, 吳穎超1, 閔興華1, 曹 磊1, 趙言文1

(1.南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇 南京 210095； 2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司, 江蘇 揚州 225009)

摘要：[目的] 研究江蘇省2002—2011年農業水資源利用效率，為提高該省農業水資源利用率提供依據。 [方法] 采用數據包絡分析(DEA)模型中C2R和BC2兩種模型，選取的投入指標為農作物播種面積、農田灌溉用水量、農田灌溉耗水量和農業在崗職工人數；產出指標為有效灌溉面積、農村居民人均農業收入、農業生產總值和農作物產量。 [結果] (1) 在2002—2011年期間，江蘇省農業水資源利用效率處于較高的水平，DEA有效年份占50%； (2) 造成DEA無效既有技術原因也有規模原因，存在投入冗余和產出不足； (3) 隨著時代發展，江蘇省農業水資源利用投入冗余和產出不足整體呈現逐漸降低趨勢。 [結論] 江蘇省農業水資源利用情況得到了逐步改善。

關鍵詞：農業; 水資源; DEA模型; 利用效率

江蘇省濱江臨海，地處江淮流域下游，長江、太湖、淮河、沂沭泗4大水系在江蘇交匯，境內水網密布、河湖眾多，長江、淮河穿腹而過，京杭運河縱貫南北，既溝通了4大水系，又連接太湖、邵伯湖、高郵湖、洪澤湖、駱馬湖、微山湖等一批主要湖泊，加之江蘇處在南北氣候過渡地帶，降雨時空分布不均，特殊的地理位置和氣候條件，決定了江蘇水資源有其明顯特點。江蘇多年平均降雨量1 018.4 mm，入境水量多達1.03×1012m3，水資源總量豐富。但過境水較多，受到工程和資金限制，可利用量較少。2011年該省水資源總量為4.92×1010m3，其中地表水資源量4.00×1010m3，地下水資源量1.15×1010m3，人均水資源占有量不足500 m3，為全國人均的1/4。江蘇省各地經濟發展水平有一定的差異，用水結構也有明顯的不同。農業是江蘇省最大的用水戶，占總用水量的50%左右。長江和太湖流域經濟發展水平較高，工業和城鎮生活用水較多，而該地區降雨量豐富，灌溉用水量較少，兩者基本持平。而淮河流域主要為農業用水，灌溉用水量占全省總灌溉用水量的55%以上，占淮河流域總用水量的68%。另外長江和太湖流域土地灌溉率已經超過90%，加上經濟發展對耕地的占用，可增加的灌溉面積不大，用水量變化相對較小。而經濟相對較弱的淮北地區，今后仍以農業為主，而且由于氣候變化對該區復種指數影響較大，單位面積耕地農業用水量有增加的趨勢。但隨著工業和城市化進程的發展，工農業用水競爭加劇，加上南水北調東線工程水量北送要求提高，可供利用的農業用水量將進一步降低，加大了農業水資源不足的矛盾。據估算，單方農業用水的產值只有工業和城市的1%～2%，在農業和工業、城市用水的競爭中，農業用水顯然處于不利地位，農業用水被擠占將不可避免。從工業化國家的發展規律來看，農業用水量所占比例一般會隨著經濟發展逐步減少。江蘇省制定的用水發展規劃中，提出了農業用水負增長，工業用水可適度增長，生活用水優先保障，生態環境用水適度增加的要求，農業用水量，尤其是目前缺水最嚴重的淮北地區，灌溉用水量將進一步減少，使農業用水面臨的形勢更趨嚴峻。因此如何解決農業灌溉用水問題，成為當今人們面臨的迫切任務。

中國是農業大國，很多學者[1-7]采取不同研究方法從不同層面、不同尺度研究了水資源利用效率，研究方法包括遺傳投影尋蹤法、GIS、比值分析法、包絡分析法、生產函數法及層次分析法等。尺度以縣市、省或者全國為研究對象。但對于江蘇省而言，目前還沒有看到學者運用DEA對農業水資源利用效率進行評價，DEA方法以相對效率概念為基礎，以凸分析和線形規劃為工具的一種評價方法，應用數學規劃模型計算比較決策單元之間的相對效率，對評價對象做出評價，它能充分考慮對于決策單元本身最優的投入產出方案，因而能夠更理想地反映評價對象自身的信息和特點，同時對于評價復雜系統的多投入多產出分析具有獨到之處。適用于多輸人—多輸出的有效性綜合評價問題，在處理多輸人—多輸出的有效性評價方面具有絕對優勢。DEA方法并不直接對數據進行綜合，因此決策單元的最優效率指標與投入指標值及產出指標值的量綱選取無關，應用DEA方法建立模型前無須對數據進行無量綱化處理，也可以避免人為主觀因素的影響。本研究運用DEA中重要的兩個模型C2R模型和BC2模型該模型，對江蘇省2002—2011年多投入多產出的農業水資源利用效率進行評價，通過DEA識別相對有效無效年份，衡量無效的嚴重性，并通過對無效和有效年份的比較，發現降低無效的方法，以提高江蘇省農業水資源利用率。

1研究方法

1.1　水資源利用概況

通過對江蘇省總用水量、總耗水量、農田灌溉用水量及農田灌溉耗水量4個要素進行統計分析，從圖1可以看出，4個要素在2003年均明顯出現先下降后上升趨勢，其余年份變化緩慢。通過氣象分析，2003年年降水量為1 255.8 mm，較多年平均值增加了237.4 mm，降雨豐富，致使用水量及耗水量均減少?？傆盟繌?002年的4.79×1010m3增長到5.56×1010m3，雖然在2003年出現下降，但整體呈緩慢上升趨勢。其余3個要素在2003年出現明顯下降外，整體呈現先緩慢下降后緩慢上升的趨勢，總體變動不大。

圖1　江蘇省2002-2011年水資源利用情況

1.2　DEA評價模型

DEA(data envelopment analysis)，即數據包絡分析，是美國著名運籌學家Charnes等[8]提出的一種效率評價方法，以傳統的工程效率概念和生產函數理論為基礎來評價決策單元之間的相對效率，不僅可以對決策單元的有效性作出度量，而且還能指出決策單元非有效的原因和程度，給單位部門提供管理信息。DEA具有多個模型，其中重要的兩個模型是C2R模型和BC2模型[8-10]。C2R模型為：

(1)

若上述問題的最優解為λ*，s-*，s+*，θ*，則有如下結論與經濟含義：

(1) 若θ*=1，且，s-*=0，s+*=0，則決策單元DMUi為DEA有效，此時，其形成的有效前沿為規模收益不變，決策單元DMUi的生產活動同時為技術有效和規模有效。

(2) 若θ*<1，則決策單元DMUi為DEA無效。其生產活動不是技術效率最佳，或不是規模效率最佳?！痞薺用來判斷DUM的規模收益情況：如果存在λj(j=1,2,…,n),使得λj=1，則DUM為規模收益不變；如果不存在λj(j=1,2,…,n),使得∑λj=1，若∑λj<1，則DUM為規模收益遞增。

令s=θ/σ，則s為規模效率。s=1，規模有效；s<1，則規模無效。

C2R模型和BC2模型配合使用，可以評價每個 的技術效率、純技術效率和規模效率。

1.3　數據來源

農業是江蘇省最大的用水戶，占總用水量的50%左右。隨著工業和城市化進程的發展，工農業用水競爭加劇，水資源短缺成為制約農業可持續發展的重要因素。因此解決如何以有限的水資源支持地區農業及經濟社會可持續發展，成為各級政府面臨的迫切任務。

研究數據來源于2002—2011年歷年《江蘇省水資源公報》和《江蘇省統計年鑒》。

2實例分析

2.1　指標選取

研究根據《江蘇省水資源公報》和《江蘇統計年鑒》，選取了農作物播種面積、農田灌溉用水量、農田灌溉耗水量、農業在崗職工人數作為投入指標，這4項指標綜合反映了江蘇省農業水資源的供給能力，以有效灌溉面積、農村居民人均農業收入、農業生產總值和農作物產量作為產出指標，進而采用DEA模型評價全省農業水資源的利用效率(表1)。

(1) 農作物播種面積。指實際播種或移植有農作物的面積，不論種植在耕地上還是種植在非耕地上，均包括在農作物播種面積中。目前，農作物播種面積主要包括糧食、棉花、油料、糖料、麻類、煙葉、蔬菜和瓜類、藥材和其它農作物9大類。該指標能反映實際種植有農作物的面積。

(2) 農田灌溉用水量。指從水源引入的農田灌溉水量，包括作物正常生長所需灌溉的水量、渠系輸水損失水量和田間灌水損失水量。該指標作為投入指標之一，可以反映農業對水資源需求情況。

(3) 農田灌溉耗水量。主要消耗于渠系損失、農田蒸發、滲漏以及深層入滲等。該指標反映了農業灌溉水資源有效利用情況。

(4) 農業在崗職工人數。主要指國有單位、城鎮集體單位和其他類型單位從事農業行業的工作人員。農業水資源消費主體是人，從消費的角度考慮，農業水資源利用效率高低跟農業從業人員的知識水平和技能有很大關系，因此選取該指標作為投入指標，用于分析農業水資源利用技術投入情況。

(5) 有效灌溉面積。指灌溉工程或設備已經配備，能夠進行正常灌溉的水田和水澆地面積之和。該指標作為產出指標，可以反映農田抗旱能力和水資源是否充足情況。

(6) 農村居民人均農業收入。水資源作為農業發展的必備要素，其投入能帶給農村居民一定的經濟收入，因此選取該指標作為產出指標之一。

(7) 農作物產量。指在一定時期內(通常是一年)生產的各種農作物產品總產量。農業是水資源消耗最大的產業，農作物產量是農業產出的主要指標，因此，選取該指標作為水資源在農業發展利用中產出指標之一。

(8) 農業生產總值。反映了全省農業生產的總規模和總水平以及農作物產量的經濟價值。也作為農業產出指標之一。

表1　江蘇省2002-2011年投入產出指標值

2.2　結果分析

表2　C2R模型求解結果

表3　江蘇省農業水資源利用技術效率(θ)、

從表3可以得出，在技術效率有效的年份，其純技術效率值都為1，達到純技術有效；技術效率值小于1的年份，只有2002年純技術有效，其余無效年份純技術效率小于1，純技術無效。說明農業水資源利用沒有達到最優狀態，需要進一步調整投入資源，以達到最佳產出。從規模效率層面分析，技術效率為1時，規模效率均有效；技術效率無效時，規模效率值均小于1，規模效率無效。2003，2006，2007，2009和2011年DEA有效，規模收益達到最佳階段；2002，2004和2010年DEA無效，且規模收益遞減，需減少資源過度投入，造成浪費；2005和2008年DEA無效，但規模收益遞增，表明可以擴大資源投入，以獲得更多產出。

對DEA無效的年份進行有效平面投影調整，得到各個投入、產出指標需調整情況，“+”號代表投入冗余，“-”號代表產出不足。具體情況詳見表4。從表4可以得出，在2002，2004，2005，2008和2010年，江蘇省農作物播種面積沒有得到充分利用，農田灌溉用水量、農田灌溉耗水量和農業在崗職工人數投入過多，造成水資源、人力資源的浪費。有效灌溉面積DEA投影為0，說明江蘇省農業有效灌溉面積規模合理，而農村居民人均農業收入、農業生產總值和農作物產量3方面產出不足，需進一步提高農作物產量，增加農村居民農業收入。

表4　無效年份DEA投影結果

3結 論

(1) 通過C2R模型分析，在2002—2011年期間，江蘇省農業水資源利用效率處于較高的水平。DEA有效年份占50%，并且在無效年份中，其農業水資源利用效率都達到0.95以上。

(2) 造成江蘇省農業水資源利用DEA無效的原因，既有技術原因也有規模原因。在投入指標中，農作物播種面積、農田灌溉用水量、農田灌溉耗水量和農業在崗職工人數存在冗余現象；產出指標值中，農村居民人均農業收入、農業生產總值和農作物產量存在產出不足現象。需進一步調整資源之間組合，以達到最佳產出。

(3) 從時間層面進行分析，隨著時代發展，技術的進步，江蘇省農業水資源利用投入冗余和產出不足整體呈現逐漸降低的趨勢。說明江蘇省農業水資源利用情況得到逐步改善。

(4) 江蘇省農業水資源利用效率已達到較高的水平，為了進一步提高利用效率，需減少水資源利用量和勞動力的過多投入，鼓勵技術創新，提高技術進步在農業水資源利用中的貢獻。

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[8]魏權齡.評價相對有效的DEA方法[M].北京:中國人民大學出版社,1988：33-57.

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Evaluation on Agricultural Water Utilization Efficiency of Jiangsu Province Based on Data Envelopment Analgsis Model

ZHANG Nana1, WANG Haitao2， WU Yingchao1, MIN Xinghua1, CAO Lei1, ZHAO Yanwen1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China； 2.JiangsuSurveyingandDesignInstituteofWaterResourcesCo.,Ltd.，Yangzhou，Jiangsu225009，China)

Abstract：[Objective] The agricultural water utilization efficiency of Jiangsu Province from 2002 to 2011 was investigated in order to provide the basis for improving the utilization efficiency of agricultural water resources in the province. [Methods] Both C2R and BC2models of data envelopment analysis(DEA) were used. The input indicators included crop planting area, farmland irrigation volume, water consumption of farmland irrigation and the numbers of employed staff engaging in agriculture. The output indicators included effective irrigation area, agricultural per capita income of rural resident, gross agricultural production and crop yield. [Results] (1) The agricultural water utilization efficiency of Jiangsu Province is at a higher level during the periods from 2002 to 2011, the effective years of DEA accounted for 50%. (2) Reasons were both technology and scale in the invalid years of DEA. The invalid years of DEA had shown the input redundancy and output deficiency. (3) With the development of times, the trend of input redundancy and output deficiency in agricultural water utilization is slowing down in Jiangsu Province. [Conclusion] The utilization of agricultural water resources in Jiangsu Province had been improved.

Keywords:agriculture; water resources; DEA model; utilization efficiency

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)04-0299-05

中圖分類號：S273.1

通信作者：趙言文(1965—),男(漢族),江蘇省徐州市人,博士,教授,博士生導師,主要從事環境生態學、生態農業和水土保持方面的研究。E-mail:ywzhao@njau.edu.cn。

收稿日期：2013-12-06修回日期：2013-12-31

資助項目：國家自然科學基金重點項目“農村發展中生態環境管理研究”(70833001)

第一作者：張娜娜(1988—),女(漢族),陜西省榆林市人,碩士研究生,研究方向為生態農業、水土保持、環境規劃與環境影響評價。E-mail:2011103038@njau.edu.cn。