基于农业节水的干旱区绿洲可持续发展研究——以渭干河流域为例

建立节水型社会是中国的一项基本政策,也是解决渭干河流域水资源可持续利用问题的战略选择。渭干河流域是典型的灌溉农业区,农业灌溉大部分仍采用粗放型的土渠输水、大水漫灌方式,水资源流失严重,灌溉定额偏高,渠系入渗量高达14.01亿m3,农业节水潜力很大。在现有水量不可能增加的情况下,调整农业内部种植结构,发展节水农业是解决区域水资源短缺的有力措施。通过对2015年和2020年工业、城市化和生态用水进行预测,确定农田灌溉可用水量。选取渭干河流域9种种植面积最大的农作物,参考作物蒸散量及作物系数,得出各类农作物的实际需水量,并与现有灌溉量比较,发现现有灌溉量远大于作物的实际需水量,通过节水灌溉和水渠改造,可节约用水10.59亿m3。而且研究区的粮食种植面积亦远大于需求,即使未来10年不再扩大粮食种植面积,也比需求面积多出近2万hm2,如根据实际需求去调整,可节约1.05亿m3的水量,能极大缓解水资源紧缺的局面,将灌溉量控制在可用水量范围内,为加快城市化和工业化进程,保护区域生态提供充足的水资源保证。     

农户灌溉行为目标对灌溉用水效率的影响研究——以沙雅县为例

当前农业用水一直占据总用水量的绝大部分,是农业生产发展的基础投入要素。而复杂的气候环境却给农业用水带来了巨大挑战,农业水资源的供需矛盾显得更为突出。以微观层面为出发点,探讨灌溉行为目标偏好对灌溉用水效率的影响,以期优化和选择提高农业用水效率的方式,实现资源环境约束下农业效益最大化。以新疆沙雅县传统农户为研究对象,构建随机前沿模型,测算农业生产技术效率,并推算出灌溉用水效率;然后利用Tobit模型探讨灌溉行为目标偏好及其他因素对灌溉用水效率的影响。结果表明：农户的农业生产技术效率的平均值为0.824,灌溉用水效率平均值为0.560,农业生产技术效率和灌溉用水效率均未达到技术完全高效的程度,仍有提高的余地。对影响因素的研究发现,年龄、受教育程度、农业收入占总收入比重、灌溉面积、对水资源是否紧缺的认知、是否为村干部、是否参与过培训、偏好利润最大化和偏好节约用水对灌溉用水效率有显著正向影响;耗水作物种植面积占总播种面积比重、偏好减少劳动力投入对灌溉用水效率有显著负向影响;农业劳动力、节水灌溉面积占总灌溉面积比重、用水成本、偏好及时灌溉和可持续发展对灌溉用水效率影响不显著,且用水成本对灌溉用水效...     

基于城镇化视角的绿洲城市用水变化驱动效应分析

城镇化是驱动区域用水变化的双刃剑,既可以通过刺激生产来促进用水总量增长,也可以通过优化用水结构和提高用水效率来抑制用水总量增长。以黑河流域张掖市为例,通过构建城镇化驱动用水变化的完全分解模型,定量测度了2000-2011年张掖市人口和经济城镇化过程对用水总量和用水效率变化的驱动效应。结果表明：张掖市人口和经济城镇化过程对用水总量均具有明显的减量效应,对用水效率均具有明显的增量效应,而且与人口和经济城镇化速度高度相关。因此建议干旱区绿洲城市在水资源约束下,应将城镇化作为优化人口结构、经济结构和用水结构,提高经济效率以及用水效率,并最终实现水-生态-经济良性循环的抓手。该结论对于科学认识干旱区绿洲城市城镇化与水资源利用的关系具有一定的参考价值。     

黑河流域水资源承载力分析计算与对策

根据干旱区水资源开发利用阶段可用水资源的计算方法和内陆河流域社会经济发展及其需水预测,分析计算了黑河流域中游地区的水资源承载力。结果表明,当完成水资源开发利用第二阶段,可用水资源在首先保证未来50 a内流域中游地区人口、环境和工业等部门发展的需水后,农业灌溉用水的总量将还有所增加,水资源不会成为社会经济发展的制约因素,可以使绿洲和农业走可持续发展道路。但东干流中游张掖盆地,因要在下世纪初完成分水指标,在下世纪的前20 a农业灌溉用水有缺口,但只要加大农业节水力度,在此期间提前完成农业节水目标的60%,就能顺利渡过今后20 a的社会经济快速发展时期。如果在2050年能按计划完成流域社会经济发展的预测目标,则届时流域人均国内生产总值将超过一万美元,可以达到世界中等发达国家的水平。     

京津冀水资源利用多效率指标的变化特征比较

提高水资源利用效率,缓解用水压力,是解决京津冀缺水问题的有效措施,对各行业用水效率历史状况的全局把握有助于未来政策的调整。论文比较了京津冀三地的万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、管网漏损率、人均日生活用水量、污水处理率、作物水分利用效率共6项指标组成的综合用水效率,分析了2002—2017年京津冀用水效率的Mann-Kendall突变点和趋势变化,并基于Burg算法功率谱估计分析了各指标的周期变化特征,计算了各指标基于Burg算法的功率谱。结果表明,在产业结构优化调整和节水技术提升等措施的共同作用下,三地用水效率指标的差异在逐渐缩小,显示了京津冀协同发展的效应,但仍有明显的发展差异。北京、河北的综合用水效率整体呈增长趋势,河北的增长率(0.16)明显高于北京(0.07),而天津的综合用水效率整体上呈下降趋势(-0.03),重点表现在万元GDP用水量和万元工业增加值用水量的增加(0.18、0.19)。北京综合用水效率整体呈现5 a(周期强度为77 dB)、3 a(73 dB)左右的周期,天津综合用水效率整体呈现7 a(88 dB)、2 a(81 dB)左右的周期,河北综合用水效率整体呈现3 a(81 dB)左右的周期。相比于北京和河北,天津综合用水效率的周期性更强,这意味着可以适时地利用其内在周期调控用水效率的变化趋势。     

中国华北和西北地区水量短缺对农业的压力及对策

华北平原的耕地占全国的 31.19% ,人口占全国的 2 6 .0 1,但水资源只占全国的 6 .14 % ,水资源的供需矛盾很大。而西北地区的水资源分布不均 ,内陆河流域的引水率过高造成了河水断流、湖泊干涸和土地沙漠化。至 2 0 5 0年 ,全国工业和城镇用水将消耗 5 0 %的供水 ,农业用水将比现在减少 ,但黄河流域和西北农业需水量将比2 0 0 0年增加 73× 10 8m3 ,保障农业用水的难度将比现在更大。要避免中国干旱区农业用水的短缺 ,需采取从中国南部的长江流域调水到华北、提高水资源的利用效率、应用节水灌溉技术、调整种植结构和在城市循环用水、净化工业和生活废水等措施     

中国主要作物格局优化下的水资源效应分析

水土资源是农业生产发展不可或缺的重要资源。然而,水资源时空分布不均匀、与耕地分布不匹配已成为影响中国农业可持续发展的关键问题。本文基于现有耕地,面向粮食生产保障与水资源可持续利用的协同,以保障粮食产量的同时减少水资源消耗、降低区域水资源压力为目标,基于像元尺度作物产量、用水量、区域水资源压力等数据,采用CPLEX优化模型,开展中国主要作物(大豆、水稻、玉米、小麦)格局优化,并从作物用水效率和水资源压力两方面分析其水资源效应。结果表明：(1)保证产量不变的前提下进行分省作物格局优化,最多可减少用水总量3.63×10¹⁰m³(降幅为9.60%),平均基线水压力从1.42降至0.90,播种面积可缩减3.08×10⁶hm²(降幅为3.29%);(2)不同作物优化方向不一,大豆在东北区北部和黄淮海区南部应调减,水稻主要在长江中下游区和华南区中部进行格局调整,玉米整体向东北方向转移,主要在东北区和黄淮海区内部调整,而小麦主要在黄淮海区与长江中下游区北部进行调整;(3)作物协同优化下,小麦灌溉耗水可减少3.08%...     

黄河流域水资源利用与经济增长脱钩及影响因素分解

水资源是黄河流域生态保护和高质量发展的最大刚性约束,识别流域水资源利用变化驱动因素具有重要意义。首先从结构视角测度黄河流域水足迹变化,进而基于Tapio脱钩模型与Kaya-LMDI分解模型,解析水足迹与经济增长脱钩状态,并从技术效应、结构效应、规模效应、禀赋效应、城市化效应和人口效应识别水资源利用变化驱动因素。研究发现：(1)黄河流域水足迹总体呈现上升趋势,农业水足迹占比高达85%,用水结构与产业结构倒挂问题突出。(2)黄河流域上下游水资源量与水足迹空间分布不匹配,中下游面临更严重水资源约束。(3)水足迹与经济增长关系主要表现为弱脱钩,但2015—2019年各省区开始向强脱钩转变。(4)规模效应、城市化效应和人口效应对水足迹变化起拉动作用,技术效应、结构效应和禀赋效应对水足迹变化起抑制作用,但仍有提升潜力,各省区影响因素存在一定差异。为此,需要强化水资源利用技术研发与推广,推动农业集约式发展,提升农业用水效率,进一步优化产业结构和新型城镇化建设,缓解水资源约束困境,推动黄河流域经济高质量发展。     

黄河流域水资源利用与经济增长脱钩及影响因素分解

水资源是黄河流域生态保护和高质量发展的最大刚性约束,识别流域水资源利用变化驱动因素具有重要意义。首先从结构视角测度黄河流域水足迹变化,进而基于Tapio脱钩模型与Kaya-LMDI分解模型,解析水足迹与经济增长脱钩状态,并从技术效应、结构效应、规模效应、禀赋效应、城市化效应和人口效应识别水资源利用变化驱动因素。研究发现：(1)黄河流域水足迹总体呈现上升趋势,农业水足迹占比高达85%,用水结构与产业结构倒挂问题突出。(2)黄河流域上下游水资源量与水足迹空间分布不匹配,中下游面临更严重水资源约束。(3)水足迹与经济增长关系主要表现为弱脱钩,但2015—2019年各省区开始向强脱钩转变。(4)规模效应、城市化效应和人口效应对水足迹变化起拉动作用,技术效应、结构效应和禀赋效应对水足迹变化起抑制作用,但仍有提升潜力,各省区影响因素存在一定差异。为此,需要强化水资源利用技术研发与推广,推动农业集约式发展,提升农业用水效率,进一步优化产业结构和新型城镇化建设,缓解水资源约束困境,推动黄河流域经济高质量发展。     

新疆昌吉绿洲耕地适宜规模研究

干旱区内耕地急剧扩张导致水资源严重超载,进而引发一系列生态问题,因此对干旱区绿洲耕地适宜规模进行科学评估,将为干旱区农业可持续发展与生态保护提供重要参考。本文以水资源为约束条件,选择2000年、2005年、2010年、2015年和2018年5个研究时段,分别测算了适宜当地社会经济发展和生态环境需求的“三生”用水量;并基于绿洲水热平衡原理,耦合作物种植结构、不同生长期内的作物系数以及灌溉保障率、耕地覆膜等因素,构建了干旱区耕地水热平衡估算模型,探讨了不同情景下新疆昌吉州耕地适宜规模及其超载程度。结果表明,5个时段中,临界耕地适宜规模情景下的种植业可用水量由2000年的31.75亿m3波动下降至2018年的24.83亿m3,而最佳耕地适宜规模情景下则由27.63亿m3波动下降至21.10亿m3。棉花和小麦在当地种植业结构中占比之和由43.58%提高到2018年的59.08%,两种作物的低耗水特性使其种植占比的提高有利于当地种植业向耕地规模扩张的方向演进。各时段中,保障充分生态用水的最佳耕地适宜规模在28.93万~48.97万hm²间波动,而保障最低生态用水的临界耕地适宜规模在42.63万~67.83万hm²间波动。虽然两种用水情景下的适宜耕地规模波动变化,但耕地面积超载程度始终呈上升趋势,超载程度分别由2000年处于不超载水平的-55.15%和-39.41%提高到2018年的接近于严重超载级别的19.92%和远超严重超载级别的71.37%,表明当地耕地规模已明显呈现过度开发的趋势。     

新疆十大水生态环境保护目标及其对策探析

新疆除额尔齐斯河为最终注入北冰洋的外流水系外,其他河流均为典型内陆河流域。长期以来,由于灌溉农业大规模发展,人工绿洲不断扩大,用水量不断增加,绝大多数内陆河流都处于水资源过度开发利用状态,对自然绿洲及水生态安全已构成严重破坏和威胁,未来社会经济可持续发展与生态环境保护面临严峻的水资源瓶颈制约。系统分析了新疆水资源及生态环境特征、水资源利用情况及水生态环境保护目标,并对生态需水量进行了分析预测;针对涉水的水源涵养区及草原生态系统保护、塔里木河流域生态环境保护、水资源开发与保护、大坝建设与河流生态环境保护、土壤盐碱化改良与灌排调控保障、地下水资源超采区治理及开发利用与保护、乌伦古湖和额尔齐斯河河谷林生态环境保护、库鲁斯台草原生态环境保护、艾比湖等其他重要湖泊及湿地生态环境保护10大环境保护问题进行了分析讨论,研究提出了具体的生态环境保护目标和对策措施。认为,在当前贯彻实施最严格的水资源管理制度的过程中,调控新疆灌溉农业发展规模,破解用水结构与方式不合理、用水效率效益低、生态用水被挤占、地下水超采、农业用水不断增长等问题是核心;经济社会总用水量的持续增加对新疆水生态环境已造成了严重影响。研究结果对于干旱区内陆河流域水资源可持续利用,生态环境保护,优化水资源配置具有一定的参考意义。     

疏勒河流域双塔灌区种植结构变化及其原因

基于1996-2010年双塔灌区各乡（镇）农作物类型、种植面积、供水定额、用水定额、作物单产及价格等资料,探讨了气候变化背景下农业种植结构调整原因及其影响。结果表明：研究区2010年作物种植面积较1996年增长2.3倍,其中粮食作物种植面积减少,经济作物和其他作物种植面积增加,农作物总产值和单位产值均明显提高,说明当地种植结构调整优化在产生经济效益方面效果明显。当地种植结构调整主要受自然条件、政策指导、历史根源、农民意愿、市场调节、灌溉供水条件等多方面因素的影响,其中自然条件中的水资源供应状况主要影响作物种植面积,其他因素影响作物种植类型。通过种植结构调整,当地农业产值在增长同时,用水紧张现象较以前有所缓解,地表水基本可以满足农田灌溉需求,减少了对地下水的使用,从而对保护当地生态具有重要意义。     

中国省际水资源利用效率与空间溢出效应测度

基于省际水足迹和灰色水足迹等的面板数据,本文利用带有考虑和不考虑非期望产出的数据包络分析方法测度了1997-2011 年中国31 个省市区的水资源利用效率;建立基于经济—空间距离函数的空间权重矩阵,探讨水资源利用效率的空间自相关关系;利用绝对β趋同模型验证水资源利用效率增长趋势存在绝对β趋同,考虑和不考虑非期望产出情况下达到1/2 趋同程度的时间分别约为52.6 和5.6 年;运用空间Durbin 计量模型研究了中国省际水资源利用效率的空间溢出效应。研究发现：（1） 考虑和不考虑非期望产出的中国省际水资源利用效率都具有显著的空间自相关性;（2） 考虑和不考虑非期望产出的空间自回归系数ρ分别为0.278 和0.507,且都在1%的水平上显著,说明中国水资源利用效率存在空间溢出效应;（3） 考虑非期望产出情况下中国各省市的教育经费、交通基础设施、工业和农业用水比重因素正向影响水资源利用效率,外商直接投资、万元工业增加值用水量、人均用水量、降水总量因素负向影响水资源利用效率;（4） 不考虑非期望产出情况下中国各省市的劳均GDP因素较大正向显著影响,而交通基础设施和万元工业增加值用水量因素变为不显著影响;（5） 不考虑非期望产出的水资源利用效率测度对中国水资源真实利用情况出现偏差估计及对政策制定产生误导,考虑环境因素到水资源利用效率测度更为合理。     

水资源可持续承载力的概念与实证:以中国大陆为例（英文）

基于当前中国快速城市化、新型工业化与农业现代化协同发展的大背景,着眼于区域水资源承载能力与经济、社会发展的供求关系及互动响应,提出了水资源相对强度、水资源承载率、水资源系统可持续指数概念及其表征方法;基于水资源承载力的突变性特征及其与水资源相对强度的矛盾关系视角,借鉴突变理论和模糊数学理论,应用改进的突变模型对区域水资源承载力的可持续性进行多目标、多准则综合评价。依据这些概念及相关模型,以2001—2017年中国陆地水资源承载力评价为例进行了实证。结果表明:(1)从各水资源一级区的水资源强度来看,辽河、长江及珠江流域居民生活用水相对强度高;西北诸河、东南诸河及长江流域个别年度生态环境用水相对强度高但呈下降趋势,北方其它4区生态环境用水相对强度不高但上升趋势明显;松花江、黄河、西北诸河流域农业用水相对强度高;松花江、长江、珠江流域工业用水相对强度高。(2)从各省级行政单元的水资源承载力来看,研究时段内中国大陆省区城镇居民生活用水承载力相对稳定;生态环境用水承载力呈现比较明显的波动变化趋势;农业用水和工业用水承载力持续提高。(3)大陆省区水资源相对强度整体降低,水资源消耗强度高的省区收敛、高承载率省区水资源利用效率的空间溢出,促使中国大陆的水资源开发、利用向双重可持续方向发展。未来,中国应在传统水资源规划手段的基础上,努力探索区域水资源动态管理和流域水资源统一管理的新思路、新途径,将水资源纳入到区域PRED系统进行综合调度和优化配置,以期持续提高水资源的承载能力,促进水资源与区域人口、生态环境及经济、社会协调发展。     

水资源可持续性的参数敏感性分析

通过界定敏感性参数的含义,认为参数的敏感性是系统对某一指参数的变化的敏感程度,以此为依据建立M-YAS模型分析参数的敏感性。以佛山市为例选取37 项影响水资源可持续的参数,分析水资源可持续性的参数敏感性问题,结果表明：37项反映水资源可持续性的参数中,仅13 项参数（生活用水定额、林牧渔畜用水量、工业用水定额、农田灌溉用水量、工业用水量、耕地灌溉定额、万元工业增加值用水量、火电冷却用水量、城乡生活用水量、工业节水、万元生产总值用水量、生活节水和农业节水）对于水资源可持续性的目标层而言是敏感性参数,且13项参数均来自用水结构与效率的准则层,说明区域水资源可持续性的目标层对用水结构与效率的准则层较为敏感。     

冬小麦种植区域的可能变化对黄淮海地区农业水资源盈亏的影响

气候变化背景下,冬小麦适宜品种和种植区域的变化将影响流域农业水资源配置。利用IPCC CMIP5三种排放情景(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)的多模式集成数据,分析2011-2059年黄淮海地区冬小麦适宜品种、种植范围和农业种植模式的可能变化,并以研究区二级子流域为单元,采用VIP模型预测冬小麦种植区域的可能变化对其蒸散量、灌溉需水量和流域农业水资源盈亏的影响。结果显示:冬性和弱冬性品种将可能逐渐取代强冬性品种,冬小麦种植区逐步北移,北部地区的种植面积可能增加,而南部地区的种植面积则可能缩减。研究区北部冬小麦种植面积扩张将可能加剧海河流域农业的用水紧张,三种情景下2050s海河流域的农业用水缺口将增加3.7×10~8～34.0×10~8m~3。未来水分将取代热量成为海河流域北部地区冬小麦种植面积扩张的主要限制因素。南部地区双季稻种植面积可能扩张,流域水分盈余将减少。黄淮海地区冬小麦种植格局需要逐步调整以适应气候变化。     

基于因素分解模型的辽宁省用水变化驱动力测度及时空分异

通过构建用水变化的因素分解模型,测度了1994-2006年辽宁省用水变化驱动力的经济增长效应、产业结构效应、用水强度效应及混合效应,并对各种效应进行了时间分异分析;测度了1994-2006年辽宁省14个地级市用水变化驱动力的四种效应,对各种效应进行空间聚类,进而对各种效应进行空间分异分析。结果表明:(1)经济增长拉动了水资源利用量的增长,1994-2006年平均效应为15.92×108m3/a;而用水强度和产业结构和混合效应的变化对水资源利用量的扩张起到了一定的遏制作用,同时期年平均效应分别为-12.44×108m3/a、-1.38×108m3/a和-1.88×108m3/a;(2)在1994-2006年间,经济增长效应的平均贡献率约为42.48%,用水强度效应的平均贡献率约为31.24%,产业结构效应的平均贡献率约为12.34%,混合效应的平均贡献率为4.72%。经济增长与用水强度变化是辽宁省用水变化的决定因素;(3)经济增长效应的波动性最小,对水资源利用量变化趋势起到稳定作用,产业结构效应的波动性最大,对水资源利用量变化趋势起到冲击作用,而用水强度效应和混合效应的波动性居于二者之间,是改变水资源利用量变化...     

耕地生态安全视域下棉花生产布局优化问题研究——以新疆为例

利用2000-2015年农业生产统计数据,运用空间自相关、生产贡献度和PSR模型,分析新疆棉花生产格局变化及增产贡献因素,根据耕地生态安全评价结果测算各县市棉花种植调减面积,结论表明：2000年以来,棉花生产空间格局发生显著变化,形成天山南北坡两个主产区,“南增北减”趋势增强,单产高值区由点及面向天山南北两侧扩张,形成多个集中连片高产中心;棉花生产存在空间集聚效应,表现出持续的稳定性,高值聚集区集中分布于南疆区域;棉花增产主要归因于播种面积的持续扩大;耕地生态安全为临界安全或较不安全状态并呈集中连片分布;新疆棉花种植调减重点集中于南疆区域。在种植结构调整中,综合考虑水资源和土地管理制度约束、农业灌溉用水效率和替代作物选择等问题,科学有序调减棉花种植面积。     

分布式水文模型在黄河流域的应用

流域的水资源规划和管理都离不开水资源的定量化评估。而准确评估流域的水资源量,尤其是在大流域,必须明晰不同气候、地形、土地利用等自然条件下的水文循环过程。同时农业灌溉及水库调节等人工的直接取水和调控使水文过程变得更为复杂。仅依靠气象及水文观测数据,已很难拟合出单一的降雨-径流关系来模拟和预测流域水资源的时空分布。这时就需要一种新型水文模拟手段,它可以利用地理信息来描述流域的空间不均一性,并基于物理控制方程来描述水文过程,这就是分布式水文模型。作者介绍了这种模型及其在黄河流域的应用。     

三工河流域农户灌溉效率及影响因素

通过三工河流域农户访谈和问卷调查,基于DEA方法,从作物类型和地域空间两方面评价了农户灌溉效率,利用Tobit 模型探讨了农户灌溉效率差异产生的影响因素及不同因素对灌溉效率的作用程度.研究结果显示：①不同作物类型的灌溉效率不同,平均灌溉效率的大小依次为棉花(0.95)>葡萄(0.89)>葵花(0.88)>打瓜葫芦(0.80)>玉米(0.78)>小麦(0.72).②不同地域空间的灌溉效率具有差异,同种作物的平均灌溉效率在兵团与地方间差异显著,兵团略大于地方;上、中、下游进行比较,上游与中下游作物平均灌溉效率差异显著,下游>中游>上游.③灌溉方式、作物类型、收入、灌水量、水价、灌溉管理、技术培训对灌溉效率影响显著.其中灌溉量与灌溉效率呈负相关;灌溉方式、灌溉管理规范程度、水价、技术培训、收入与灌溉效率呈正相关;灌溉效率随种植作物类型和区域不同存在显著变化.最后基于研究结果提出了提高灌溉效率的政策建议.