从虚拟水角度评价黑河中游农业水资源的利用

1、第 30 卷第 1期人 民黄 河Vol. 30 , No. 12008 年 1 月YELLOWR IVERJan. , 2008【水资源】从虚拟水角度评价黑河中游农业水资源的利用严冬1 ,周建中1 ,夏 军2( 1. 华中科技大学水电与数字化工程学院数字流域科学与技术湖北省重点实验室 ,湖北武汉 430074;2. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室 ,北京 100101)摘 要 :利用水资源模型输出的蒸散发量 ,从虚拟水角度对黑河中游农作物初级产品的虚拟水含量、虚拟水贸易、水资源利用率和农业发展代价分担等内容进行了评价。结果显示 ,该地区农作物初级产品虚拟水含量多年

2、平均为 1. 18 m3 / kg;虚拟水输出量在 2000年相当于黑河莺落峡出山径流量的 22. 4% ; 1988 2000 年农作物水资源利用率从 20%提高到了30% ;农业发展代价的约 70%由下游地区承担。认为现阶段需要以节水灌溉和流域综合管理为主 ,来解决经济欠发达干旱区的水资源、流域整体协调发展问题。关键 词: 虚拟水; 水资源; 节水灌溉 ; 黑河中游中图分类号: TV213. 4文献标识码: A文章编号 : 1000 - 1379 ( 2008) 01 - 0037 - 031 概 况发量; Ep 为大气降水的实际陆面蒸发量; EQ 为潜水蒸发量; QU为工业和人畜耗水量;

3、 QR 为回归水量; V G 为地下水蓄变量, 该黑河干流在出山径流量多年平均值没出现显著减少的情变量大于零时 , 说明地下蓄水减少。ET 受数据限制, 这里采取简单的计算方法。灌溉水量由两况下 ,进入下游的水量在 20 世纪 90 年代只有 50 年代的约60% 1 。究其原因 ,主要是中游地区灌溉面积的不断增加 ,使部分组成, 一是由渠道输送的地表引水, 另一部分是抽取的地该地区水资源消耗量持续增长。这造就了中游的发达农业 ,但下水。设抽取的地下水量为 qG , 并假设抽取的地下水直接灌溉却使中下游生态和环境面临巨大的压力。入田地 , 则 ET 计算公式为虚拟水是指生产商品和服务所需要的水

4、资源 ,它不是真实ET = q( 1 - ) + qG ( 1 - )( 2)意义上的水 ,而是以虚拟的形式包含在产品中的“看不见 ”的式中 : 为渠系有效利用系数;为灌溉入渗系数; 其他符号意水。农产品虚拟水含量的计算过程根据不同的产品分类而有义同前。差异 ,可将农产品分为初级产品、加工产品、副产品及非耗水产假设行政区间只存在地表水联系 (也不存在跨行政区的引品等 4种主要类型。黑河中游地区 (张掖、临泽和高台 )是商品水工程 ) ,则黑河干流河道水量平衡方程为粮生产基地 ,为了从宏观上掌握该区农业生产的水资源使用情( R I - q + QR + VR ) ( 1 - l) = RO( 3

5、)况 ,笔者将分析对象设定为农作物初级产品整体 ,而并不针对式中 : R I 为黑河干流中游入口莺落峡站径流量;VR 为中游河某一种具体作物。道蓄水变量; RO 为黑河干流中游出口正义峡站径流量; l为中游2宏观水资源利用评价河道的输水损失比例;其他符号含义同前。式 ( 1) 和式 ( 3 ) 共同组成了水资源模型 , 并以正义峡站2. 1虚拟水含量19882000年的月径流量为模拟对象来率定参数。模型建立农作物初级产品生产中的耗水主要是蒸发和蒸腾耗水 ,受后 ,可输出黑河中游地区历年的农业生产产生的蒸散发量 ,除农作物类型、自然地理条件、灌溉方式等因素的影响 ,其虚拟水以当年农作物总产量 (

6、受资料限制 ,农作物只包括粮食、棉花、估计只是特定地点的一种粗略估计 2 。初级产品虚拟水含量油料和甜菜 4类 ) ,即得到 19882000年历年的农作物初级产包含了作物蒸腾量和土壤蒸发量 ,其数值大小受到种植结构、气候、灌溉方式、技术水平等因素的影响。笔者利用基于水量收稿日期 : 2007 - 06 - 08平衡理论的水资源模型来计算。基金项目 :全国水资源综合规划专题研究项目 ( SZYZB - 1 ) ;对黑河中游的陆地区域 ,在忽略地下水补给和土壤水含量国家自然科学基金资助项目 ( 50579022) 。变化的情况下 ,其水量平衡方程为作者简介 :严冬 ( 1978) ,男 ,湖北武

7、汉人 ,博士后 ,主要研究q + P - ET - Ep - EQ - QU - V G = QR( 1)方向为水文水资源。式中: q为引水量; P为大气降水量; ET 为农业生产产生的蒸散E2mail: freezeday163. com38人 民 黄 河2008年品虚拟水含量 ,如图 1。图 1历年农作物初级产品的虚拟水含量由图 1可见 , 19882000年农作物初级产品虚拟水含量在11. 5 m3 / kg间波动 ,多年平均值为 1. 18 m3 / kg。根据现有资料 ,粮食产量占农作物总产量的比重一直都在 70%以上 ,因此农作物初级产品虚拟水含量接近于粮食作物的虚拟水含量。根据

8、2000年的各作物产量 ,以及文献 2 提供的河西走廊地区2000年粮食、棉花、油料和甜菜的虚拟水含量 ,可得 2000 年农作物初级产品的虚拟水含量为 1. 204 m3 / kg。与这个结果相比较 ,并考虑到 2000年干旱导致的减产 ,以及模型建立和计算中的误差 ,认为计算结果是合理的。19882000年虚拟水含量经历了一个先降后升的过程 (图1) 。在 1995年以前 ,虚拟水含量呈下降趋势 ; 但在此之后 ,则呈上升趋势。这大体上与粮食产量的波动相反。虚拟水含量在 1999年和 2000年迅速上升 ,原因是这两年发生了严重的干旱 ,使农业耗水增加、产量下降。从这一点来看 ,黑河中游地

9、区农业生产的抗灾能力还有待加强。2. 2 虚拟水贸易实物贸易从水资源利用的角度讲 ,就是虚拟水贸易。受水资源、生态、基础设施等的限制 ,我国西部地区输出大量资源产虚拟水含量和引水量 (地表引水和地下抽水 )的比较能从总体上反映农业生产的水资源消耗情况。需要注意的是 ,农业生产消耗的水资源 ,即虚拟水含量中有相当一部分是棵间消耗水量 ,约占 55% 5 。扣除这一部分水量后 ,这里定义农作物水资源利用率为X =( 1 - 0. 55) V / ( q + qG )( 4)WA式中: X 为农作物水资源利用率; VW 为农作物初级产品虚拟水含量; A 为农作物初级产品的总产量;其他符号意义同前。按

10、式 ( 4)可得 1988 2000 年黑河中游地区农作物水资源利用率 ,如图 2。图 2历年农作物水资源利用率由图 2可见 ,从 1988年到 2000年 ,农作物水资源利用率总体上从 20%提高到了 30%。从时间上看 ,在 1997 年前利用率缓慢上升 ,在 1997年后则有明显提高。对比图 2 中的引水总量数据 ,发现水资源利用率变化的主要原因在于引水总量的下降。1997年前地表引水总量都在 13. 6 亿 m3 以上 , 1997 年以后地表引水量呈下降趋势 , 1997 2000 年都在 13 亿 m3 以下 , 1997年只有 12. 66亿 m3 。与用水量大幅减少相反 , 1

11、997 年仍取得了丰收 ,粮食总产量为历史第二高值。这两个原因使得品 ,而加工制造产品则是净流入 3 。黑河中游地区也是如此 , 粮食输出造成黑河中游地区大量的虚拟水输出。将黑河中游农作物初级产品出口量乘以其虚拟水含量 ,即可得到黑河中游地区输出的虚拟水量。2000 年张掖地区投入产出资料表明 ,种植业出口占总产出的 35% 。假设黑河中游地区农作物初级产品出口量也占农作物总产量的 35% ,则 2000年虚拟水输出量为 3. 35 亿 m3 , 约为黑河莺落峡出山径流量(中游地表径流入流量 )的 22. 4% 。可见 ,不管是从绝对值、还是从比例上看 ,黑河中游的虚拟水输出量是巨大的。200

12、0年甘肃省粮食不能实现自给 ,是粮食净输入省份。假设其只输入而不输出粮食 ,那么就可说黑河中游地区通过农产品输出把虚拟水资源输送到了甘肃省内的其他地区。甘肃省内 ,酒泉、金昌与黑河中游都属河西商品粮基地 ,为粮食输出地区;平凉、庆阳基本自给 ;白银略有缺口 ;兰州粮食消耗量大 ,天水、定西、陇南和甘南地区粮食生产能力弱 ,均须从区外输入粮食。从这样的粮食供需格局可知 ,黑河中游虚拟水资源主要是输送到了甘肃省的东南部。2. 3农作物水资源利用率作物的实际需水量与水资源配置农作物灌溉用水量之间有较大差异 4 。在干旱或半干旱地区 ,渠系渗漏等因素 ,使得农作物虚拟水含量远小于生产单位质量农作物的用

13、水量。但1997年的利用率有了大幅度的提高。1997 年后干旱导致农业减产和地表引水增加 ,水资源利用率持续下降。但是 ,灌溉技术的提高促进了节水 ,减少了地表引水量 ,使得 1997 年后的水资源利用率仍较 1997年前有明显提高。2. 4农业发展代价的分担黑河中游农业发展减少了中下游的生态用水 ,其代价也是由中下游地区共同承担的。研究不同地区对发展代价的分担比例 ,有助于深入了解发展的外部性 ,为将来发展策略的调整提供定量依据。黑河中游农业发展的代价实质是水资源的净消耗 ,农作物初级产品的虚拟水含量可作为衡量水资源净消耗量的指标。黑河中游地处干旱半干旱地区 ,灌溉使用地表引水和地下水 ,

14、地下水位的下降会造成严重的生态和环境后果。因此 ,这里以地下水蓄量作为衡量黑河中游为本地区农业发展所付出代价的指标 ,地下水蓄量减少就表明付出了代价。19882000 年中游地区在其农业发展代价中所分担的比例计算公式为B = ( V ) /VA( 5)T式中: B 为中游地区在其农业发展代价中所分担的比例 (黑河下游地区在中游地区农业发展代价中所分担的比例等于 1 -B ) ;V 为 1988 2000年中游地区地下水的总蓄变量 , 等于水第 1期严冬等:从虚拟水角度评价黑河中游农业水资源的利用39资源模型输出的历年 V G 值的和; T为 1988 2000年各年农作物总产量的和; VA 为

15、 1988 2000年各年农作物初级产品虚拟水含量的平均值。由此得到中游地区在中游农业发展代价中所分担的比例为 0. 293,下游分担的比例为 0. 707。可见 ,中游农业发展代价的大部分是由下游地区生态和环境来承担的。经济发展代价应在自然环境可承受范围之内 ,同时也不能转嫁他人 ,所以水资源利用区有责任使不利影响最小化。为实现地区公平和可持续发展 ,须降低下游地区承担发展代价的比例 ,即削减中游地表引水量。3结 论( 1)黑河中游地区农作物初级产品虚拟水含量在 1 1. 5m3 / kg间波动。严重的干旱会使农业耗水增加、产量下降 ,进而使虚拟水含量增加。为进一步降低虚拟水含量并保持稳定

16、, 须推广耗水量小的灌溉技术 ,以提高中游地区农业生产的抗灾能力。( 2)利用虚拟水贸易 ,部分水资源缺乏地区可以解决水资源短缺问题。如北京市通过输出水需求定额较低的产品 ,输入水需求定额较高的产品 ,实现了水资源净调入 6 。但很多干旱地区经济不发达 ,缺乏虚拟水含水量少的工农业加工产品用于出口以交换虚拟水进口。2000 年黑河中游有 3. 35 亿 m3 ,相当于该地区地表径流入流量 20%的虚拟水量输出到了甘肃东南部地区。考虑到粮食安全和黑河流域的经济发展 ,黑河中游输出虚拟水的状况还要维持一段时间。因此 ,虚拟水贸易现在还不能解决黑河中游的水资源短缺问题。( 3)黑河中游地区最终农作物

17、水资源利用率总体上在提高 ,但仍只有 30%左右。此外 ,黑河中游农业发展代价由本地区和下游地区分别承担了约 30%和 70%。现阶段不可能通过大规模削减农作物播种面积来削减地表引水量。因此 ,必须依靠节水灌溉和水资源流域综合管理来减少水资源消耗。另外 ,在经济上进行积累以升级产业 , 有助于形成“节水 环境改善 经济发展 ”的良性循环 ,达到减少虚拟水出口并有意识进口虚拟水的目标。参考文献: 1 王根绪 ,程国栋. 近 50a来黑河流域水文及生态环境的变化 J . 中国沙漠 , 1998, 18 ( 9) : 233 - 238. 2 赵军 ,付金霞. 虚拟水理论在河西走廊的应用研究 J .

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