郭洪聰,王立權(quán),滕 云,董 鶴,王姊怡,楊建武

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學(xué)研究院,哈爾濱 150080)

1 概 述

習(xí)近平總書記提出的“十六字”治水方針[1],為我們做好水利工作提供了科學(xué)指南和根本遵循。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水資源的需求巨大,水利建設(shè)是糧食安全的重要保障。2019年10月14日《中國的糧食安全》白皮書指出,我們應(yīng)當(dāng)建設(shè)現(xiàn)代糧食流通體系[2]。

我國水資源含量豐富,但人均水資源只有世界人均水平的1/4,屬于重度缺水。因此,為了保證農(nóng)業(yè)這一基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展,應(yīng)當(dāng)綜合多方面因素,完善水資源配置方案,遵循科學(xué)、合理、節(jié)約的供水原則,實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。

1993年,英國學(xué)者Tony Allan提出虛擬水的概念之后,水資源交易不僅有真實(shí)水資源的相互流通,還有隨著跨地區(qū)貿(mào)易而蘊(yùn)含在貨物(主要指糧食)中的虛擬水流通。這一概念的提出使糧食交易所帶來的水資源流通這一模糊定義得到具象化的描述,即可以通過糧食的輸入輸出量對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的輸入輸出進(jìn)行計(jì)算,以此可進(jìn)一步調(diào)整當(dāng)?shù)氐挠盟桨?為緩解缺水地區(qū)和糧食匱乏地區(qū)的水資源配置,緩解當(dāng)?shù)赜盟畨毫μ峁┝诵峦緩?。虛擬水戰(zhàn)略是指缺水地區(qū)通過糧食貿(mào)易形式,購買富水地區(qū)的水密集型農(nóng)產(chǎn)品,以此保障糧食安全[3]。因此,對(duì)糧食匱乏地區(qū)進(jìn)行評(píng)估,建立科學(xué)的糧食流通體系,是關(guān)乎民生大計(jì),確保國家行穩(wěn)致遠(yuǎn)的重要舉措。

2 研究區(qū)間概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)間概況

我國水資源分布呈南多北少的格局,但北方耕地面積大于南方。特別是改革開放以來,我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局大體呈“南快北慢”的局勢,南方城市化和現(xiàn)代化建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于北方,使我國主要糧食生產(chǎn)地區(qū)向北方靠攏。本文針對(duì)黑龍江地區(qū)進(jìn)行研究。

黑龍江作為全國最大的產(chǎn)糧大省,土地面積473 000km2,總耕地面積0.171 9×108hm2,其中典型黑土地耕地面積為0.104×108hm2。全省境內(nèi)河湖眾多,有黑龍江、松花江、烏蘇里江、嫩江、綏芬河五大水系,水域面積達(dá)80×104hm2以上[4],年降雨量70%集中在農(nóng)作物生長期,優(yōu)越的地理氣候條件使黑龍江省糧食產(chǎn)量常年穩(wěn)居全國第一。見圖1。

圖1 黑龍江2010-2021年糧食產(chǎn)量

根據(jù)吳普特等[5]的研究,可將我國各省區(qū)分為糧食輸出省區(qū)和糧食輸入省區(qū)。見表1。

表1 糧食輸入、輸出地區(qū)劃分

本文研究中,糧食輸出地區(qū)選擇黑龍江,據(jù)統(tǒng)計(jì),黑龍江地區(qū)主要農(nóng)作物為水稻、小麥、玉米、豆類;糧食輸入地區(qū)選擇北京、天津、上海、浙江、福建、海南、廣東7省區(qū)[6]。通過統(tǒng)計(jì)糧食輸入地區(qū)的人口數(shù)量、人均GDP、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、人均水資源含量、人均耕地資源量、單位面積糧食產(chǎn)量[7],運(yùn)用TOPSIS和層次分析法,對(duì)糧食輸入7省區(qū)進(jìn)行評(píng)級(jí)分析。

2.2 數(shù)據(jù)來源

通過對(duì)糧食輸入省區(qū)政府公報(bào)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算,得到各省區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù),見表2。

表2 各糧食輸入省區(qū)概況

3 黑龍江省糧食所含虛擬水量分析

3.1 糧食產(chǎn)量及虛擬水含量

黑龍江省主要農(nóng)作物為水稻、小麥、玉米、豆類,因此僅針對(duì)這4種農(nóng)作物進(jìn)行分析。經(jīng)中國工程院院士唐華俊研究發(fā)現(xiàn),一千克水稻、小麥、玉米、豆類所含虛擬水量分別為1.19、0.8、1.37、2.65m3。經(jīng)過調(diào)查計(jì)算,可得2015-2020年黑龍江省水稻、小麥、玉米、豆類4種農(nóng)作物的產(chǎn)量及虛擬水含量,見表3。

表3 黑龍江2015-2020年4類農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量及虛擬水含量

3.2 回歸方程

設(shè)4類農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)量為Xi,其虛擬水總含量為Yi。通過4類農(nóng)作物產(chǎn)量和虛擬水含量之間的回歸方程計(jì)算糧食產(chǎn)量,進(jìn)而對(duì)黑龍江省糧食種植對(duì)虛擬水的總消耗量進(jìn)行預(yù)測,并結(jié)合預(yù)測結(jié)果對(duì)黑龍江省水資源配置方案進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整,以此優(yōu)化黑龍江省水資源供需政策,實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用。

1)設(shè)回歸函數(shù)。公式如下:

2)偏差平方和。公式如下:

3)選取β0和β1,使Q最小。公式如下:

4)分別對(duì)β0和β1求偏導(dǎo),公式如下:

5)使兩個(gè)偏導(dǎo)數(shù)為0,公式如下:

6)解得β0=-14.844,β1=0.016,則y=0.016x-14.884。

由此,可以得出4類糧食產(chǎn)量與所耗虛擬水量,可對(duì)今后的年虛擬水消耗量進(jìn)行估算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)水資源進(jìn)行合理分配。

4 TOPSIS分析

已知評(píng)價(jià)對(duì)象有北京、天津、上海、浙江、福建、海南、廣東,評(píng)價(jià)指標(biāo)有人口數(shù)量(A)、人均GDP(B)、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入(C)、人均水資源含量(D)、人均耕地資源量(E)、單位面積糧食產(chǎn)量(F)。其中,正向指標(biāo)有人口數(shù)量(A)、人均GDP(B)、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入(C);負(fù)向指標(biāo)有人均水資源含量(D)、人均耕地資源量(E)、單位面積糧食產(chǎn)量(F)。

對(duì)于各指標(biāo),Amax=12 684.0,Amin=1 020.5;Bmax=18.4,Bmin=6.37;Cmax=8.24,Cmin=4.02;Dmax=2 008.0,Dmin=117.8;Emax=1.27,Emin=0.12;Fmax=453.5,Fmin=358;未歸一化評(píng)分mi=(xi-xmin)/(xmax-xmin);歸一化評(píng)分ni=mi/m總。見表4-表6。

表4 正向指標(biāo)評(píng)分

表5 負(fù)向指標(biāo)正向化處理評(píng)分

表6 各指標(biāo)總評(píng)分

對(duì)于人口數(shù)量(A)、人均GDP(B)、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入(C)3個(gè)指標(biāo),評(píng)分越高表明該地區(qū)對(duì)于糧食輸入的需求越高;對(duì)于人均水資源含量(D)、人均耕地資源量(E)、單位面積糧食產(chǎn)量(F)3個(gè)指標(biāo),值越低表明對(duì)于糧食輸入需求越高。對(duì)D、E、F三個(gè)指標(biāo)正向化處理之后,各指標(biāo)評(píng)分相加得到總評(píng)分,總評(píng)分越高表明該地區(qū)最應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行糧食輸入。通過TOPSIS分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),7省區(qū)對(duì)于糧食輸入需求度從高到低的排序?yàn)楸本⑸虾?、廣東、福建、浙江、海南、天津。

5 層次分析法

5.1 確認(rèn)目標(biāo)層、指標(biāo)層、方案層

評(píng)價(jià)指標(biāo)有人口數(shù)量(A)、人均GDP(B)、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入(C)3個(gè)正向指標(biāo);人均水資源含量(D)、人均耕地資源量(E)、單位面積糧食產(chǎn)量(F)3個(gè)負(fù)向指標(biāo)。見圖2。

圖2 層次結(jié)構(gòu)圖

5.2 指標(biāo)之間比較賦權(quán)

見表7。

表7 指標(biāo)比較賦權(quán)表

目標(biāo)層和指標(biāo)層判斷矩陣見表8。

表8 比較后指標(biāo)評(píng)分表

可得矩陣M,公式如下:

5.3 和積法計(jì)算權(quán)重

按列進(jìn)行歸一化處理,SA=157/60、SB=18、SC=12.5、SD=55/12、SE=47/6、SF=47/6(S為每列縱向指標(biāo)評(píng)分之和)。見表9。

表9 指標(biāo)權(quán)重表

求特征值:

一致性檢驗(yàn):

CI=(λ-n)/(n-1)=0.003 877 041

查表得:RI=1.26

CR=CI/RI=0.003 077 016 7<0.1,則一致性檢驗(yàn)通過。

5.4 方案比較

本文中,人口數(shù)量(A)、人均GDP(B)、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入(C)3個(gè)指標(biāo)為正向指標(biāo)。針對(duì)每項(xiàng)指標(biāo)各省區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,依據(jù)其與最優(yōu)解的距離進(jìn)行評(píng)分。運(yùn)用Excel對(duì)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算,見表10-表12。

表10 基于人口數(shù)量對(duì)7省區(qū)權(quán)重表

表11 基于人均GDP對(duì)7省區(qū)權(quán)重表

表12 基于城鎮(zhèn)居民人均可支配收入對(duì)7省區(qū)權(quán)重表

CI=(λ-n)/(n-1)=0.001 68,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.001 234<0.1,則一致性檢驗(yàn)通過。

CI=(λ-n)/(n-1)=0.005 99,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.0044<0.1,則一致性檢驗(yàn)通過。

CI=(λ-n)/(n-1)=0.002 15,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.001 58<0.1,則一致性檢驗(yàn)通過。

人均水資源含量(D)、人均耕地資源量(E)、單位面積糧食產(chǎn)量(F)3個(gè)指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo),先將其正向化處理之后,再根據(jù)正向化后的數(shù)據(jù)與最優(yōu)解的距離,對(duì)其進(jìn)行評(píng)分和賦權(quán)。見表13-表15。

表13 基于人均水資源含量對(duì)7省區(qū)權(quán)重表

表14 基于人均耕地資源量對(duì)7省區(qū)權(quán)重表

表15 基于單位面積糧食產(chǎn)量對(duì)7省區(qū)權(quán)重表

CI=(λ-n)/(n-1)=0.001 76,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.001 29<0.1,則一致性檢驗(yàn)通過。

CI=(λ-n)/(n-1)=0.013 595,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.009 997<0.1,則一致性檢驗(yàn)通過。

CI=(λ-n)/(n-1)=0.001 76,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.001 294<0.1,則一致性檢驗(yàn)通過。

5.5 對(duì)7省區(qū)總評(píng)分進(jìn)行比較

見表16。

表16 總權(quán)重表

7省區(qū)的總評(píng)分為:北京=8.919 8;天津=3.873 6;上海=10.105 2;浙江=4.306 6;福建=4.266 8;海南=4.070 2;廣東=6.457 7。由評(píng)分結(jié)果可知,7省區(qū)按照糧食輸入需求度從高到低排序?yàn)樯虾?、北京、廣東、浙江、福建、海南、天津。

6 結(jié)論與分析

1)不論采用TOPSIS分析還是層次分析法,在對(duì)北京、天津、上海、浙江、福建、海南、廣東7省區(qū)糧食輸入需求度進(jìn)行評(píng)估時(shí),其結(jié)論都是北京、上海、廣東三地屬于“缺糧要地”。該地區(qū)作為政治、經(jīng)濟(jì)中心地區(qū),其人口聚集,經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá),且人均水資源量、人均耕地量、單位面積糧食產(chǎn)量少,該地區(qū)對(duì)于外來糧食輸入、虛擬水輸入有著極大的依賴性。因此,黑龍江省在進(jìn)行糧食輸出時(shí),可優(yōu)先考慮對(duì)該三地區(qū)進(jìn)行糧食補(bǔ)給,以緩解該地區(qū)糧食和水資源壓力。

2)黑龍江省作為我國第一糧食生產(chǎn)大省,近些年年產(chǎn)量均達(dá)到7 000×104t以上,是我國14億人口的重要糧食保障。糧食的生長伴隨著水資源的消耗,根據(jù)線性回歸方程,糧食產(chǎn)量與虛擬水消耗量呈正相關(guān)。通過線性回歸方程,可對(duì)黑龍江省由于糧食生產(chǎn)造成的水資源消耗進(jìn)行預(yù)測與評(píng)估,可盡早對(duì)黑龍江省水資源配置進(jìn)行合理規(guī)劃。

3)根據(jù)數(shù)據(jù)和計(jì)算可知,黑龍江省每年由于糧食生產(chǎn)所帶來的虛擬水流動(dòng)量是巨大的,每年僅糧食生產(chǎn)所帶來的虛擬水消耗可達(dá)100×108m3以上。因此,黑龍江省相關(guān)單位應(yīng)當(dāng)盡快實(shí)施有效的措施,合理規(guī)劃水資源配置方案,提高再生水等非傳統(tǒng)水資源在農(nóng)業(yè)灌溉方面的利用率。