黑龍江省灌溉用水效率時空差異及其節(jié)水潛力分析

羅沖+姜博+張文琦+初楠臣+李曉慶+王玉迪

摘要：提高灌溉用水利用效率是節(jié)約農業(yè)用水的關鍵。以黑龍江省12個地級行政區(qū)劃單位為研究單元，利用數據包絡分析方法（data envelopment analysis，簡稱DEA）對2005—2014年黑龍江省灌溉用水效率進行測算，分析黑龍江省灌溉用水效率的演變態(tài)勢，并進一步分析黑龍江省各市的節(jié)水潛力，以期為黑龍江省農業(yè)水資源高效利用提供科學指導。結果表明，2005—2014年間，黑龍江省整體灌溉用水效率得分不高，多年平均值為0.73，而且灌溉用水效率呈不斷下降的趨勢，包括灌溉用水純技術效率和灌溉用水規(guī)模效率都有不同程度的下降；黑龍江省灌溉用水效率空間差異明顯，伊春、牡丹江與黑河的灌溉用水綜合效率較高；通過對黑龍江省各市灌溉用水節(jié)水潛力的評估發(fā)現，黑龍江省灌溉用水節(jié)水潛力巨大，其中齊齊哈爾是黑龍江省節(jié)水潛力最大的地區(qū)。

關鍵詞：黑龍江；灌溉用水效率；節(jié)水潛力；時空差異；農業(yè)水資源

中圖分類號： F323.213文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）23-0254-04

水資源短缺問題的核心是效率問題，研究如何提高有限的農業(yè)水資源的利用效率是解決水資源短缺、發(fā)展農業(yè)生產和保障國家糧食安全的迫切需要[2]。2015年，我國農業(yè)用水量達到3 870億m3，其中農業(yè)用水占63.5%。隨著我國小康社會的全面建成，生活用水比例將大大增加，農業(yè)用水比例進一步減少[3]。但為確保糧食安全，耕地的灌溉面積繼續(xù)增加，這就需要更加科學地分配水資源。目前，黑龍江省耕地灌溉用水所占用的水資源占用水總量的60%以上，可見，解決黑龍江省水資源問題的關鍵是解決耕地灌溉用水問題[4]，這不但要加強農業(yè)生產中的工程節(jié)水、農藝節(jié)水措施，還需要進一步研究黑龍江省灌溉用水的時空差異，為合理解決用水矛盾提供理論參考。

關于灌溉用水效率，很多學者運用很多方法從不同的層面研究過此問題[5-13]，但對黑龍江省市域灌溉用水效率的研究較少。本研究擬全面評價黑龍江省水資源利用現狀和農業(yè)水資源使用情況，剖析黑龍江省農業(yè)水資源短缺的嚴峻形勢，對國內外水資源效率方面的研究進行梳理，在認識技術效率內涵、衡量其評價方法、確定其評價指標的基礎上，將水資源投入作為和其他資源投入要素一樣的內生變量，基于2005—2014年黑龍江省各市的農業(yè)生產投入產出數據，選取數據包絡分析方法（data envelopment analysis，簡稱DEA）分析各地區(qū)的灌溉用水技術效率和灌溉用水規(guī)模效率，并估算各市的農業(yè)節(jié)水潛力，以期為今后制定相關政策提供依據。

1材料與方法

1.1黑龍江省水資源利用概況

對黑龍江省總用水量、農業(yè)用水量、工業(yè)用水量及生態(tài)用水量4個要素進行統計分析。在2005—2014年，黑龍江省農業(yè)用水量占總用水量的70%以上，并且還在增長，10年間，農業(yè)用水量從200億m3增加到300億m3，增幅為50%。所以實現農業(yè)用水可持續(xù)發(fā)展是黑龍江省實現可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)，而農業(yè)用水大部分用于灌溉，所以研究黑龍江省灌溉用水效率是非常有意義的。

1.2DEA模型

DEA方法的主要優(yōu)點在于可以使用多個投入、產出指標，基于研究對象，使用DEA方法能更加全面地反映影響灌溉效率要素的多樣性，并且可以對灌溉用水非效率的區(qū)域提出改善的方向[14]。為反映農業(yè)生產過程中規(guī)模報酬可變的實際情況，選用規(guī)模報酬可變的BCC模型來分析黑龍江省的灌溉用水效率。

Dεminθ-ε[e⌒Ts-+eTs+]；

s.t.∑kj=1xjλj+s-=θx0

∑kj=1yjλj-s+=y0，λj≥0，s-≥0，s+≥0

∑kj=1λj=1，j=1，2，3，…，k。

并且，e⌒T=（1，1，1，…，1）∈Em，eT=（1，1，1，…，1）∈Es，ε為阿基米德無窮小量。若線性規(guī)劃（Dε）的最優(yōu)解用λ0、s-0、s+0、θ0表示，則有：

（1）若θ0=1，則決策單元DMUj0為弱DEA有效（BCC）；

（2）若θ0=1，并且s-0=0，s+0=0，則決策單元DMUj0為DEA有效（BCC）。

1.3分向量效率模型

由于只考慮水資源投入的技術效率，而不考慮任何其他投入要素的技術效率，因此需要引入Fare提出的“分向量”技術效率[15]。基于規(guī)模報酬可變模型（variable return scale，簡稱VRS）的第i個投入的分向量技術效率由以下線性規(guī)劃問題決定：

轉換成minθλθk；

-yi+Yλ≥0；

θkXKi-Xkλ≥0；

Xn-ki-Xn-kλ≥0；

N1′λ=1；

λ≥0。

在DEA模型Sub-Vector形式中，第1項“-yi+Yλ≥0”和第4項“N1′λ=1”與VRS模型定義相同，第2項約束條件“θkXki-Xkλ≥0”中Xki表示第i個生產決策單元第k項投入。在第3項約束條件“Xn-ki-Xn-kλ≥0”中，Xn-ki和Xn-k表示除第k種投入之外，其他所有的投入要素之和。θk是第i個生產決策單元的第k種投入的分向量純技術效率，它表示的是在保證現有產出水平不變的前提下，比起與其對應的最佳生產點可以減少灌溉水資源投入的比例。將式中約束條件“N1′λ=1”去掉，便可得到基于規(guī)模報酬不變模型（constant reture scale，簡稱CRS）的分向量總技術效率。

1.4數據來源

所用數據來源于《黑龍江統計年鑒2006—2015》《中國農村統計年鑒2006—2015》《中國區(qū)域經濟統計年鑒2006—2015》。

2結果與分析

2.1黑龍江省灌溉用水純技術效率endprint

利用Onfront 2.1軟件分析，通過DEA線性規(guī)劃模型的運算得出規(guī)模報酬可變的黑龍江省灌溉用水效率（表1）。規(guī)模報酬可變假設下的灌溉用水技術效率測算的是除去規(guī)模效率影響之后的純技術效率。

由表1可看出，在2005年到2014年，哈爾濱、鶴崗、伊春、七臺河、牡丹江與黑河這6個地區(qū)的灌溉用水純技術效率等于或接近1.00，這表明黑龍江省有一半的地區(qū)灌溉效率處于生產前沿面，而且黑龍江省分布在各個方位，這表明灌溉效率值與該市所處的方位沒有必然聯系。通過比較2005年到2014年的灌溉用水純技術效率，2014年全省的灌溉效率要比2005年低0.09。齊齊哈爾、雞西、雙鴨山、大慶與佳木斯的灌溉效率基本呈下降趨勢，只有綏化的灌溉效率呈上升趨勢，大慶一直是黑龍江省灌溉效率最低的地區(qū)，而且沒有改善的趨勢；2005年綏化的灌溉效率為0.87，到2007年及以后灌溉效率一直為1.00，說明綏化的灌溉效率有明顯改善。

從2005年到2014年黑龍江省各地區(qū)的平均值來看，黑龍江省各地區(qū)的灌溉效率還是存在明顯差異的。其中哈爾濱、鶴崗、伊春、七臺河、牡丹江、黑河與綏化處于農業(yè)生產可能性集的前沿面上，在灌溉用水純技術效率方面實現灌溉用水的最佳使用，其他地區(qū)還處于灌溉用水效率相對低下的狀態(tài)，其中大慶市的灌溉用水效率平均值最低，為0.55，這意味著大慶市在現在農業(yè)產出水平下可以節(jié)約45%的灌溉用水。在2005—2014年，按照農業(yè)灌溉用水純技術效率排序較靠前的有哈爾濱、鶴崗、伊春、七臺河、牡丹江、黑河、綏化，相對較靠后的有佳木斯、雞西、雙鴨山、齊齊哈爾、大慶。

2.2黑龍江省灌溉用水規(guī)模效率

規(guī)模效率評價的是生產決策單元是否是在最佳規(guī)模狀態(tài)下生產的。決策單元的效率值越高，越接近最佳規(guī)模生產狀態(tài)。利用Onfront 2.1軟件分析DEA的線性規(guī)劃問題，可得出各市的規(guī)模效率情況（表2）。

由表2可以看出，大慶、伊春、牡丹江、黑河的灌溉用水達到最佳規(guī)模，其他地區(qū)的灌溉用水均沒有達到最佳規(guī)模。根據規(guī)模效率的原理，假如一個地區(qū)的規(guī)模效率小于1，那么就需要調整這一區(qū)域的輸水規(guī)模，使這一地區(qū)的輸水規(guī)模達到最佳狀態(tài)。鶴崗的灌溉用水規(guī)模效率最低，并且在波動中有下降趨勢，2014年鶴崗市的灌溉用水規(guī)模效率只有043，說明要讓鶴崗市的灌溉用水規(guī)模效率達到最高值，該地區(qū)的輸水規(guī)模還需要提高57%。2014年，按農業(yè)灌溉用水規(guī)模排序由高到低的有伊春（牡丹江、黑河）、大慶、雞西、雙鴨山，這些地區(qū)的灌溉用水規(guī)模效率都大于0.90，均處于較高水平，其次是齊齊哈爾、哈爾濱、綏化、佳木斯、七臺河，這些地區(qū)的灌溉用水規(guī)模效率在0.5～0.9，處于中等水平， 最低的為鶴崗，

2.3黑龍江省灌溉用水綜合技術效率

綜合技術效率主要考察一個地區(qū)在農業(yè)生產過程中，每個投入要素的技術利用狀況和各個要素資源的配置狀況，一個地區(qū)農業(yè)生產資源配置是否協調合理，最新技術是否應用于生產要素上，都能通過綜合技術效率得分得到體現。利用Onfront 2.1軟件分析，得出各市綜合技術效率情況（表3）。

由表3可見，伊春、牡丹江和黑河這3個地區(qū)每年的灌溉用水綜合技術效率整體等于或接近1.00，證明這3個地區(qū)的灌溉用水是比較均衡的。除處于前沿面的伊春、牡丹江和黑河3個地區(qū)之外，其他地區(qū)的DEA基本小于1.00。其中，雞西、佳木斯、綏化、雙鴨山與七臺河是中等效率地區(qū)，灌溉用水綜合技術效率處于0.60～0.80之間，而齊齊哈爾、鶴崗、大慶為低效率地區(qū)，灌溉用水綜合技術效率低于0.60。通過分析全省的均值發(fā)現，黑龍江省的綜合技術效率呈下降趨勢，灌溉用水綜合技術效率從2005年的0.89下降到2014年的067，下降了0.22，說明與現有生產條件下可行的最小灌溉水投入量相比，黑龍江省農業(yè)生產浪費了將近33%的水資源。

2.4黑龍江省各市節(jié)水潛力評估

由于技術效率測量的是實際灌溉用水量與在產出水平和其他要素投入水平都不變的情況下，最小可能灌溉用水投入之間的差距。由于資源總是流向效益更高的部門，而水資源可利用總量在一定時期內是不變的，隨著工業(yè)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，工業(yè)用水和生活用水量增加，必定擠占農業(yè)灌溉用水，灌溉用水占總用水量的比例已出現明顯下降趨勢。因此，有必要在計算出灌溉用水技術效率的基礎上估算出各地區(qū)的農業(yè)生產節(jié)水潛力。設農業(yè)現狀用水為W，灌溉用水技術效率為IWUTE，那么技術無效度為1-IWUTE，農業(yè)最佳用水量W1=W×IWUTE，那么農業(yè)可節(jié)約用水量 WS=W×（1-WTE）。根據以上計算方法估計2014年節(jié)水潛力。

由表4可以看出，齊齊哈爾市的灌溉用水總量不是黑龍江省最多的，但其農業(yè)節(jié)水潛力是最高的，占全省可節(jié)約灌溉用水的31.53%。其次為大慶、哈爾濱、綏化、佳木斯，最大可節(jié)約灌溉用水量都超過12億m3。伊春、牡丹江與黑河的灌溉用水在現有的技術條件下已經達到了合理利用，在保證農業(yè)產出確定的情況下沒有減少灌溉用水量的潛力。這些地區(qū)如果要節(jié)約農業(yè)用水量，則需要提高資源配置效率，即通過優(yōu)化水資源與其他資源投入比例來實現。總體來說，哈爾濱、大慶、齊齊哈爾等3市節(jié)水潛力約占全省節(jié)水潛力的60%，說明哈爾濱、大慶、齊齊哈爾3市不僅是用水大戶，而且也是節(jié)水大戶。

3結論

在借鑒前人研究的基礎上，運用數據包絡分析方法的DEA-BCC模型，對黑龍江省以及12個地級市的灌溉用水效率進行分析與評價，主要得到以下結論：

（1）2005—2014年間，黑龍江省整體灌溉用水綜合技術效率得分不高，多年平均值為0.73，且整體呈下降的趨勢，包括灌溉用水純技術效率和灌溉用水規(guī)模效率都有不同程度的下降。從灌溉用水純技術效率來看，黑龍江省的平均值從2005年的0.94下降到2014年的0.85，10年間下降0.09，說明黑龍江省這些年的灌溉技術提高幅度跟不上農業(yè)生產的提高幅度。從灌溉用水規(guī)模效率來看，黑龍江省的平均值從2005年的0.94到2014年的0.80，下降了0.14，下降幅度比灌溉用水純技術效率更大，表明黑龍江省灌溉用水規(guī)模從相對協調逐步走向失調。2005—2014年，黑龍江省整體灌溉用水綜合技術效率從0.89變?yōu)?.67，下降0.22，下降較為明顯，說明黑龍江省灌溉用水效率的下降趨勢非常明顯，亟須遏制住其下降勢頭，提高整體灌溉用水效率。endprint

（2）全省各市之間的灌溉用水效率也有明顯的不同。其中，從灌溉用水綜合技術效率來看，伊春、牡丹江與黑河這3個市的灌溉用水效率在這幾年里或多數年份里一直處于有效或高效的地位，而這些灌溉用水效率較高的區(qū)域要么是降水比較多、水資源分布比較廣的地區(qū)，要么是經濟比較發(fā)達、農業(yè)水利設施比較完善的地區(qū)。從灌溉用水純技術效率來看，在2005—2014年中，哈爾濱、鶴崗、伊春、七臺河、牡丹江與黑河這6個地區(qū)整體得分為1.00或0.99，說明這些地區(qū)能高效利用農業(yè)生產投入的水資源要素。從灌溉用水規(guī)模效率來看，大慶、伊春、牡丹江與黑河等地區(qū)的得分在大多數年份里為1.00或接近1.00，說明這些地區(qū)的灌溉用水規(guī)模比較協調。通過對比分析各地方技術灌溉用水綜合效率、純技術效率和規(guī)模效率，可以發(fā)現，一些地區(qū)農業(yè)生產效率較低，主要是規(guī)模效率的作用，如綏芬河市；而其他一些地區(qū)，主要是純技術效率低造成的，如同江市、富錦市、密山市。為此，要想提高灌溉水利用效率，就要根據不同地區(qū)的情況相應地提高其純技術效率和規(guī)模效率。

（3）通過對黑龍江省各市灌溉用水節(jié)水潛力的評估可以發(fā)現，齊齊哈爾市是黑龍江省節(jié)水潛力最高的地區(qū)，節(jié)水潛力占全省可節(jié)約灌溉用水的31.53%。其他地區(qū)節(jié)水潛力由高到低為大慶、哈爾濱、綏化、佳木斯，最大可節(jié)約灌溉用水量均超過12億m3。哈爾濱、大慶、齊齊哈爾等3市節(jié)水潛力占全省節(jié)水潛力的60%，可見這3市不僅是用水大戶，而且也是節(jié)水大戶。

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