邓英淘:甘宁归来的思考

邓英淘:甘宁归来的思考-全元水效率初析 该日志已被收录分类：水与可持续2012-03-14 09:22 阅读(205)评论(11)看到杨团发布消息，邓英淘因病3月11日去世，享年59岁。三所一会的同事中，又英年早逝一个。去年在京为体改所张少杰举办了追思会，邓英淘所在的发展所，以及中信国际所等都有人参加。邓英淘过世，也会有追悼会。岐山都可能以私人身份参与其中的某环节，因为老白过世，他也安排时间单独去告别了。多年来，英淘与我所王小强，崔鹤鸣三个长期从事西线调水方案的研究，他本人一直关注三农问题。体改所后身的经体管所中，也有许钢以及高世楫参与了西线调水方案的研究，我的一份从青海测绘局弄来的万分之一比例尺的青海地图，贡献给了他们。摊开大概有十来平方米，我自己都没有详细看一下。今天这里放一篇邓英淘的以往文章，以示悼念。 邹蓝 2012年3月14日 甘宁归来的思考- 全元水效率初析中国社会科学院经济文化研究中心 邓英淘教授　　不少文献对我国西北地区的'大水浸灌'提出批评，说那里的水浇地亩灌毛定额1000来方，造成一方面水资源紧缺，一方面水资源又大量浪费，……；乃至有人提出这些地方首先要节水，然后才能给其调水；否则调水越多，浪费越大，……。　　以往我们对这些说法，半信半疑，将信将疑。这次，我们有幸与兰州、河西走廊和银川平原灌区的众多专家、技术人员、基层干部和群众进行了访谈、调研和实地考察。耳闻目睹他们的所为所述，受益极大，澄清了我们思想中的很多糊涂认识和似是而非的成见。这再次印证了毛泽东同志的一句名言：'群众是真正的英雄好汉，而我们自己则往往是幼稚可笑的。'　　本文是这次考察学习活动心得体会的初步清理，以进一步求教于奋斗在国土整治第一线的广大'指战员'。灌溉模式　　为了比较灌溉效率，人们最常用的一个指标是亩灌定额。但是，这个指标的可比性并不好；因为不同的灌溉模式在同样的灌溉水量下，可以具有不同的效率。　　如果做一下大致的区分，我国具有四种不同的灌溉方式。第一种为雨养（即零灌）系统，如我国北方的旱田；又如我国绝大部份林业和牧业也在此类。以往人们常认为这种系统是落后生产方式的代表，讥之为'靠天吃饭'；但若较起真来，这种系统的'灌溉'效率是最高的。因为，它的灌溉是零，所以只要有一点产出，它的灌溉效率就近似于无穷大。从这个极端的例子不难看出，亩灌定额不是一个好的可比指标。　　第二种为补灌系统，如我国的水浇地。在这种系统中，主要依靠降水维持作物的生长，不足部份进行补充灌溉。　　第三种为半灌系统，如我国南方的水田。在这种系统中，作物需水量的来源大体上降水和灌溉各占一半。　　第四种为主灌或全灌系统，如我国西北地区的水浇地。那里有的地方（如酒泉地区）一年的降雨量仅20~30毫米，要想种植农作物，几乎全部要靠灌溉。在这种系统中，作物生长需水量的主要部分来自于灌溉，降水成为补充性的；没有灌溉也就没有林业和农业。　　不同的灌溉系统无法仅靠降水多少来做出区分，还要看种植制度。例如，华北区一、二十年前主要为二年三熟制，现在已基本上变成了一年两熟制；在此地，二年三熟制的农田是补灌系统，而一年两熟制的农田则近似于半灌系统。　　现在我们来看一个实例：看看亩灌定额如何扭曲了不同灌溉模式的灌溉效率比较。宁夏水文局高级工程师汪梅君先生提出下列数据：宁夏现有水浇地626万亩，除以32亿方灌溉净耗水量，每亩地用水522方；山东河南两省引黄灌区亩均定额376方。宁夏与山东、河南引黄灌区亩均产出相差不多；看起来，山东、河南的灌溉用水效率比宁夏高出近40％。然而，宁夏银川平原降雨量180毫米，折合水量133方，加上522方，总计655方；山东、河南降雨量为700毫米，折合水量466万，加上376方，总计842方。因此，两省的亩用水比宁夏反而高出28.5％，其水效率比宁夏低22％。一里一外相差60个百分点。[1]　　这个例子充分说明，对于不同的灌溉系统，亩浇水量或亩灌定额根本就不是一个可比指标。在半湿润地区的雨季，农作物生长无需灌溉；而在干旱地区的雨季，照样还得灌溉。在这种情况下，我们能不能使用水分生产率这个指标来比较不同作物系统的水效率呢，例如把每亩地降水和灌溉用水加起来进行综合对比呢？答案是仍有问题。下面我们对此进行讨论。耦合方式　　这里我们要引入生态、生产和生活系统的耦合方式这一概念。为简洁起见，我们不妨只区分两种耦合方式。　　第一种，并联耦合方式。首先，我们要强调指出，这里所说的生态系统是作为生产和生活系统的背景环境引入的；它不像一些人通常所认为的可有可无、或者是一种奢侈品。　　在并联耦合方式中，生态系统的用水可以靠降水自然解决，无需单独灌溉。因此，在考虑生产和生活用水时，对它无需加以考虑；换言之，在一定程度上，生态系统可以从中解耦出去。例如，在我国南方，只要种上树，它们可以生长得很好，这样就改善了农村和城市的生活环境，提高了生活质量。另外，南方的水田无需防护林保护，照样能够高效率的运营。　　第二种，串联耦合方式。这种方式的含意是说：生态用水无法靠降水自然解决，必须把一部份水资源划出来专门用于此。另外，在这种耦合方式中，如果没有生态用水，不仅生态系统不保，而且生产和生活系统也将因此而无法单独存在。这就如同任何一种串联系统，只要其中的一个环节出了问题，整个系统将无法运营。一方面，从用水上说，生态、生产和生活子系统在串联耦合中，是相互竞争的；另一方面，它们从整体上又是互补的，一损俱损、一荣俱荣。这些特性与前述的并联耦合完全不同。　　例如，在我国西北广大地区，没有农田防护林，就没有农业生产，当然也就没有生活。即使可以从外部输入粮食，那里的生活质量仍然很低下；在西北的很多地方，都可以听到、或看到这样的例子：风沙一来，白天在房里都得点灯；在街上行走，对面不见人，行人都是灰头土脸的。　　按照通常的标准，在这些地方，农田防护林要占到耕地面积的10~15％。如果以每亩耕地的水分生产率来衡量两种不同耦合方式的生产系统；那么串联耦合生产系统的水分生产率将低于并联耦合生产系统。理由很简单，前者有一部份水资源分配给了农田防护林，没有直接的经济效益。　　因此，水分生产率这一概念虽然比亩灌定额标准具有更大的普适性，但仍有相当的缺陷和片面性，它只把着眼点放在那些可分的直接产出物品上，而忽略了那些不可分的间接产出物。在西北，我们看到了大量这样的例子，如由于有了农田防护林，原来是负生产力的沙漠（它不仅没有生产力，还危害周围的农田，大幅度降低了农田的生产力），现在已经变成能亩产几吨鲜苜蓿的田地。[2]　　对于农田防护林这样的生态子系统，在西北地区，没有灌溉是不能存在的。而无论你是用土渠渗漏水来灌溉它，还是对农田渠道衬砌后，用专门渠道来灌溉它；总之，它的存在需要一定水量的灌溉。而只有这个子系统存在，生产和生活子系统才能存在。这就无怪乎西北地区搞水利的很多专家和技术人员都提出片面的节水观点要不得；他们还对那种按以色列的节水模式来比较和批评我国西北地区灌溉方式的观点，提出深刻的质疑。这些来自于一线专家、技术人员、干部和群众的真知灼见，使我们大开眼界，帮助我们从那些似乎是不容置疑的教条中摆脱出来。（可参见[3]、[4]、[5]、[6]）　　完全是受到他们的启发，为了能够比较不同灌溉模式和不同耦合方式的'三生'系统（即生态、生产和生活子系统的整体）的水资源生产率，用单位水资源的有效干物质产量这一指标进行比较，或可差强人意。这里的困难在于，'有效'这两字有时是难以度量的，不过只要一涉及到具体问题，通常总能找到测度的方法。例如，农田防护林每年的生长量，就可以加到整个生产系统中去；或者用影子价格测算其防护效益。全元水效率　　为了改进单元水效率这一传统观点，我们提出全元水效率这一概念；而片面的节水观点又是单元水效率观念的子集。片面的节水观点指的是：不管什么样的灌溉模式，也不论'三生系统'是如何耦合的，生产了多少有效干物质产量，只问灌溉了多少水量打了多少粮食；一定粮食产出的灌溉水量越少，节水效率就越高；反之，就是不节水，就是浪费水；乃至以此做为是否调水的唯一根据。　　在前面的讨论中，我们已看到这种片面的节水观点根本无法应付差别极大的不同灌溉模式和'三生耦合系统'。这里，我们还要对其片面性做出进一步的分析，并由此引出全元水效率的概念。　　在某种意义看，用一定的水资源生产出更多的产出，和一定的产出消耗更少的水资源，似乎是等价的表述。在经济学中，前者被称之为收益最大化，后者被称之为成本最小化。在一定的条件下，在原问题极小化与对偶问题极大化之间是一致的、或等价的。例如具有线性相互作用的系统，由于强拉格朗日对偶定理所要求的相互作用为凸约束，这时'对偶间断'为零。但在通常情况下，非线性相互作用一般不是凸约束，于是'对偶间断'便成为普遍现象。这时，原问题极小化（成本最小化）与对偶问题极大化（收益最大化）之间出现差别，因而直接把目标协调法应用到非线性系统，不能提供全局最优解的充分条件。　　节水观点对应的是成本最小化，片面的节水标准通常不能导致全局水效率最优化。这一结论的直观含义不难理解：当我国西南每年有5~6千亿优质水资源基本未加利用、白白流出国境时，那种让干旱缺水的西北用20元节一方水、节水总量非常有限的看法，不仅不是节水，而且是对水资源的最大浪费。此其一。　　其二，传统的用水和节水观点或理论必须改造和深化。在这方面，用能和节能的理论已大大领先了一步。例如能级平衡理论认为，能源利用既有'量'的一面，又有'质'的一面，以往人们只看到能源利用的量，比如多少大卡的能，而忽视了能源的'质'。能源的'质'呈梯级状态，我们用能量的级别或等级的高低来反映能量在质上的差别，称之为能级。例如，1000度的热能可以用来熔化金属，300多度的蒸汽可以用来发电，这些可以说是高质能量；而取暖和温室用的热量，温度并不需要太高，只要几十度的低质能量就行了。目前，人们常用高质能量去做低质能量就能干的事情（如用电炉取暖）；或仅仅使用高质能量部份，而把低质能量浪费了。新的全面的用能和节能观点，应该是既要节能，又要能级匹配。而传统的用能和节能方式忽略了：最大的浪费往往出在能级不匹配这个环节上（详细的讨论请参见附录）。　　对于用水和节水而言，问题的性质是极其类似的。例如，黄河水是高含沙水源，从饮用水的角度看，这是低质水源；但从改造沙地而言，它却是优质水源（一块沙地用黄河水淤灌，三年、五年便淤积出肥沃的耕作层，而用清水灌溉，却要更长时间才行[7]）。又例如，生活用水从饮用、洗涤，到冲洗粪便可分为几个水质需求等级，这提供了通过循环用水实现节水的可行性。城市污水经治污处理后可用于农田灌溉，也是利用了按质量供水的原理。由此可见，水源不仅有量的一面，也有质的一面；同时，它还具有多质性，即其质不像能源的质呈梯级状态 - 全序集，它是一个半序集，这说明用水过程的复杂性。　　在上述讨论中，涉及到两个不同质的概念和问题，一是水量利用的完善性，另一是水源利用的合理性。前者只涉及系统（设施）本身，后者则涉及系统、水源、用户和环境四个子系统的大系统用水过程问题，是关于如何对这个大系统的用水过程作出合理安排的问题。这就是全元水效率的概念说明。即使对一个水量利用最完善的系统（如达到了每方水生产多少干物质的极限），也可能对包括子系统在内的大系统的用水过程做出不合理的安排。这个问题正是传统的用水和节水观点的根本缺陷所在，即过于偏重系统（设施）本身的数量效率，如在我国干旱地区只注重直接产出的水效率，忽略了不同用户的差异及其耦合特征、水源的多质性和环境特征。　　简言之，全元水效率的概念包含了开源 - 在更大的水资源范围考虑其在不同区域间的有效配置，节流 - 在全局水资源优化配置的基础上使一定产出的耗水最小化，以及按质供水、按质用水。　　由这种观点看问题，完全有理由给西北地区大规模调水。首先，河西走廊和银川平原的用水效率丝毫不比华北地区差，前文已有所述，又如酒泉地区每亩毛灌水量800来方，产粮普遍在1000~2000斤。[6] 本地区进一步节水的代价高昂（每方20元），且能节约出的水量有限。　　其次，西北地区的光、热、土、草、能、矿资源极为丰富，只要从区外引入水源，缓解这条唯一的短线约束，其产出将大幅度增长。换句话说，向西北地区调水，其边际产出可能是相当高的。　　再次，随着城市化进程的加速和低成本污水处理技术的快速进步，可使城市生活和工业污水经过处理，在农业、生态防护系统间复用循环。这样调一方水等于调了1.8方水（城市生活和工业用水的消耗率按20％计）。　　这样，我们就在中国这块面积达一、二百万平方公里的干旱平原上，看到了这样一幅图景：高水高用，低水低用，按质供用，复用循环。这难道不是更大的节水吗？开发途径：一个案例的剖析　　西海固地区是宁夏南部的贫困山区，素有'穷苦甲天下'之称。目前宁夏初步确定了对该区扶贫的两条基本方针：一是搞扶贫扬黄工程，增加该区的水浇地（目前全区共有水浇地42万亩），二是移出100万人至银川平原从事农业生产，移民方式采取整体调庄。这样，剩下来的人数为150万。通过扬黄工程（累积扬程380米，干渠以百公里计）和修水平梯田，使每人有半亩以上的水浇地；如此，该区的耕地便能承载余下的150万人，粮食能够自给，脱贫方才有望。[8]　　这个基本思路不能说没有它的道理，但是不是唯一的呢？或者是不是最佳的选择呢？本文将通过前述讨论所引出的概念，提出另外一种思路，以备参考。　　西海固地区总面积3万平方公里（4500万亩），为宁南黄土高原丘陵区，平均年降雨量350毫米，8县总人口250万人，水浇地42万亩，全区在册耕地面积1400万亩，约有1000万亩左右的耕地坡度在15度以上；全区水土流失面积高达2.4万平方公里，每年流入黄河的泥沙1亿吨左右。　　从以上基本参数，我们可做出如下的粗略分析：该区人均国土面积18亩，在平均降雨量300毫米以上的条件下，如果人工种植优质牧草或灌丛饲料（苜蓿、沙打旺等），可亩产鲜草4000斤。一只羊每天需鲜草5~6斤，一年出栏毛重100斤，产肉30来斤。比较保守的估计，2亩土地承载一只羊，16亩地（去掉2亩15度以下的耕地）可年出栏8只羊，产肉240斤，如只按每斤2.2元计，出卖8只整羊就可得到人均1760元的货币收入。集约经营退耕以后的人均2亩耕地，打400斤粮食当无问题。以此来计算，西海固地区完全可以承载250万人口。　　如果利用割草、贮草粉碎加工成草粉颗粒和舍饲等现代饲养方式，有可能达到1.5亩、甚至1亩土地年出栏一只羊，这样只卖原料产品，人均收入就可以达到或超过全国农村人均纯收入的水平。　　这里有几个关键问题需要解决：第一，要放弃本区粮食自给的陈旧思想，树立用本区的林果牧产品与农区或城区的农产品、日用品相交换的经营思路。第二，要确立三元作物体系（粮食作物、经济作物、饲料作物）的种养格局，抛弃单一粮食作物的生产格局。第三，在实现开发途径或方式的转变过程中，由国家实行以粮代赈，扭转越垦越穷、越穷越垦的恶性循环；以粮代赈只要持续5~6年，良性循环的格局就能形成。第四，今后的移民应流向城镇，而不是银川农区。　　从自然的角度来看问题，在350毫米左右降水的黄土高原丘陵区，多年生的草、灌、林作物体系的全元水效率最高，有效的干物质产量最大。因为与单一的、当年生粮食作物相比，这个雨养系统可以充分利用全年的降水，避开了我国北方降水年内、年际分布很不均衡对农作物生长的制约，因而无需灌溉。这种多年生的、混交草灌林雨养系统，具有很强的水源涵养功能，一昼夜降雨100毫米，基本可以做到土不下山、水不出川。它不仅是能提供最高经济价值的生产系统，且兼具极强的防护价值，可以大幅度地降低水土流失量和入黄泥沙量。[9]　　另外，由于水源得到涵养，径流将更多地以长流水的形式表现出来，从而其可利用性将明显提高。不妨做如下估算：350毫米降水，亩折水量233方；全区4500万亩，总降水量为105亿方，按40％计算，则有42亿方径流量，人均水资源1680方，这比我国北方的平均水平高出近70％。再以40％计，人均可用水资源约672方，去掉172方的人均生活和工业用水，每人还有500方可用于耕地的灌溉。如果把15度以下的400万亩耕地修成水平梯田或水浇地，则人均有1.6亩水浇地或水平梯田，亩均312方可灌溉水量。如此看来，粮食自给也是完全可能的（每亩地种一季亩产500斤，人均有粮800斤）。这样我们就看到一幅林茂、粮丰、畜旺的良性循环图景。其实这种逆转恶性循环为良性循环的模式，在陕北黄土高原的一些地方已经实现，关键的经验就是改广种薄收为集约经营，较陡的坡耕地全部退耕还林还草，舍饲养畜。　　与此同时，大规模、高扬程的扬黄工程可以不必再搞，只需在当地搞些小型、分散的水利工程。在这种情况下，某种设施（硬化渠道、喷滴灌设备）的节水效率相当于高阶小量，因为主要的用水和节水效能已在用户（林灌草等）、水源（整个降水）和环境的全局合理安排中实现了。附录：能级平衡理论简述　　目前有许多热电厂，发完电后的热蒸汽被白白地释放掉了；与此同时，城市中的供暖锅炉却在用高质热能来保持室温。这是一种双重的浪费。根据能级平衡理论，能量应该高质高用、低质低用。例如，在热电联产系统中，把取暖用的锅炉改为高压高温锅炉，用它产生1000多度的高质能量去发电，再把排出去的废蒸汽用于取暖或温室大棚。这样才符合能量梯级利用原理，实现了按能级匹配用能，从而挖掘出能量的'品质'潜力。　　实际上，一家用户获得了能量供应，并不等于获得了符合它工作需要的级别的能量。对于用户而言，供给能量的级别过高或过低，不适合需要，都会造成浪费。因此，用户获得能量的级别应当适合它的工作需要。这就是能级匹配用能准则，简称能级匹配准则。　　下面考察一下电炉取暖这样一个用能过程。如果由电源输入电炉的电所转换成的热，全部由电炉输给用户室内取暖，那么，用传统的用能和节能观点来评价，其热效率η=100％，似乎已达到最理想境界。但这种传统的节能和用能观点，只从数量关系上去考察用能和节能，由此得到的只是一个评价用能过程优劣的准则 - 能量利用率或热效率η。根据这个准则可以获得所供应能量中有多少得到了利用的信息，但不可能获得所供能量的质量或等级是否符合用户需要的信息。　　因此，如用全面的用能和节能观点来看，除了使用η这一指标外，还要用能级匹配准则来作分析。即除了从数量关系上考虑用能过程外，还要从质量上考察之。现设室温为20℃，环境温度为0℃，我们发现输入的电的能级为1（因为电为纯火用 ，故电的能级Ω=1），而用户所需的能级仅为0.068，（根据1 - T0/TR，如取TR=20℃=293K，T0=0℃=273K，则用户所需能级为1 - 273/293=0.068），在两者之间有一很大的能级差ΔΩ=1 - 0.068=0.932。因此，从能级匹配的观点看问题，此时供应能量的级别过高，显然很不合理。这个例子说明，既要节能、又要能级匹配的用能和节能观点，并不等同于传统的用能和节能观点。因为前者不仅注重节能，而且注重能级匹配；而后者只注意节能。前者需要用两个准则（η和ΔΩ）来进行评价，而后者只用一个准则（η）。因此用两种不同的观点来考察同一用能过程，所得到的结论也就不同。　　在上述讨论中，涉及到两个不同质的概念和问题。一是热力学完善性，另一是能量利用的合理性。前者只涉及系统本身，后者则涉及系统（设备）、能源、用户和环境四个子系统的大系统的用能过程问题，是关于如何对这个大系统的用能过程作出合理安排的问题。即使对一个热力学上最完善（利用率100％）的系统，也可能对包括子系统在内的大系统的用能过程做出不合理的安排。所以不同质的问题必须用不同质的方法去解决。　　能级平衡法抓住了能量利用不合理的本质，因此能用它来评价、分析大系统的用能过程合理性。这就是以（自能源和环境）向系统输入能量的能级和用户所需能量的能级间的差值 - 能级差ΔΩ - 作为能量利用合理性的质量指标。因此，ΔΩ和作为能量利用合理性的数量指标η，两者一起就能全面反映用能过程的质量和数量水平[10]。 参考文献和注释[1] '宁夏水文水资源勘测局：宁夏是怎样用水的 - 甘肃、宁夏调研访谈纪要之十三'，《参天水利资源工程研考会：工作通报》No.99-38，1999年10月13日。[2] '甘肃省临泽县平川乡治沙站：干旱地区应当大力发展草产业 - 甘肃、宁夏调研访谈纪要之八'，《参天水利资源工程研考会：工作通报》No.99-33，1999年9月28日。[3] '甘肃省水利科学研究所：干旱、极度干旱地区不宜片面提倡节水 - 甘肃、宁夏调研访谈纪要之二'，《参天水利资源工程研考会：工作通报》No.99-27，1999年9月16日。[4] '甘肃省张掖地区水电处：干旱地区的根本出路在于调水，下游牧区生产方式应改变 - 甘肃、宁夏调研访谈纪要之七'，《参天水利资源工程研考会：工作通报》No.99-32，1999年9月27日。[5] '甘肃省高台县水利局局长邓有信：干旱地区不宜片面提倡节水 - 甘肃、宁夏调研访谈纪要之九'，《参天水利资源工程研考会：工作通报》No.99-34，1999年9月30日。[6] '甘肃酒泉地区水利处：极度干旱地区不宜片面提倡高新技术节水 - 甘肃、宁夏调研访谈纪要之十'，《参天水利资源工程研考会：工作通报》No.99-35，1999年10月8日。[7] '宁夏林业厅造林治沙处：宁夏林业建设 - 甘肃、宁夏调研访谈纪要之十四'，《参天水利资源工程研考会：工作通报》No.99-39，1999年10月15日。[8] 此次由于时间限制，课题组的成员未能到西海固地区进行实地考察，有关的数据是通过一些书面资料查阅的。[9] '三北防护林建设局：'三北防护林'这面旗不能倒-甘肃、宁夏调研访谈纪要之十六'，《参天水利资源工程研考会：工作通报》No.99-41，1999年10月20日。[10] 杨东华：《火用 分析和能级分析》，科学出版社，1986年。分享到：