基于降雨函数最小正周期的虚拟水贸易决策

陶 雯,田贵良

(河海大学商学院,江苏 南京 211100)

大量观测结果证实,近百年来,以全球变暖为主要特征的气候变化已成为事实[1-2]。气候变化的实质不仅是反映单一要素的变化特征,同时也反映了整个气候系统的变化过程,而气候变化带来的气候资源的重新分配更值得关注[3]。全球变暖加剧了中纬度地区的干旱化趋势,由于降雨减少和温度升高的共同作用,近年来全球干旱面积扩大了一倍[4]。由于气候变化加剧,而气温和降雨作为最主要的气候要素,其时空分布模式的改变将引起水资源的时空分布发生变化[5],使得降雨周期性发生改变,对各国的农业生产产生影响。尤其是降雨周期性变化对干旱区域的农业生产会产生较大的影响。

1 降雨量的最小周期与干旱地区虚拟水贸易

1.1 降雨量关于时间序列的周期性及其最小正周期的存在性

有学者指出降雨量存在变化的周期性,他将相当均匀地散布在我国不同气候区域的42个代表测站及我国邻近地区有较长降雨量观测记录的20个观测站连续观测,结果表明,不同季节、不同主成分显著周期各不相同,表明了降雨年际变化规律随时间、地点不同而改变的复杂特点。但是, 在另一方面, 各季各主成分方差谱估计值达显著标准的频率又有相对集中出现在若干频率段内的趋势,表明了某些带有普遍意义的降雨周期性的存在，从而肯定了我国大范围降雨量变化周期性的存在[6]。一些研究结果也表明,我国不少地区的降雨量序列中,有着显著的36年左右的周期分量。但是因为36年周期振动的方差贡献因时、因地而异,序列与相应的主成分的相关符号也不一样,加上其他周期分量和随机因素的影响,36年左右的周期振动,在有些地区表现很清楚,有些地区则较难直观地分辨出来[7]。

1.2 干旱地区应对缺水的对策

田贵良在《虚拟水贸易论》一书中指出:干旱地区除了在传统上依靠取调水设施、推广节水技术、重视技术解决水资源问题的同时,应采取更有效的管理方法,全方位、多层次地强化管理在合理开发、有效利用、节约和保护水资源中的作用和地位,从而实现水资源的可持续利用。应实施虚拟水贸易应对降雨周期性变化带来的干旱问题。干旱区,特别是西部干旱的内陆河地区,水资源开发利用的程度已经很高,如果在水资源开发利用上没有大的突破,在管理上不能适应这种残酷的现实,水资源将很难适应国民经济迅速发展的需求,水资源危机将成为所有资源问题中最为严重的问题。对水资源的开发利用方式必须实施战略性转变。水资源不仅是一个生态环境问题,也是一个经济问题、社会问题和政治问题,直接关系到国家和地区安全[8]。

1.3 干旱地区的虚拟水贸易可行性

传统上,人们对水和粮食习惯于在问题发生的区域范围内寻找解决问题的方案,而虚拟水则从系统的角度出发,运用系统思考的方法寻找与问题相关的各种各样的影响因素,从问题发生的范围之外寻找解决问题的应对策略。产品和服务生产过程中所需要的水资源的总量称之为“虚拟水”。虚拟水战略是指缺水国家(地区)将虚拟水的思想应用于生产和贸易策略的制定,在水资源禀赋条件下设置合理的用水结构,进行恰当的贸易选择,从而在保障经济发展和改善人们生活的前提下,实现水资源的有效节约和高效配置,进而实现水安全的目标。虚拟水战略是水资源需求管理领域重要的理论创新,在传统的跨区域调水、节水工程和节水技术外,为缺水地区实现水资源的可持续发展提供了全新的发展思路。虚拟水战略的实施源于区域的资源条件,水资源贫乏而耕地资源也缺乏竞争优势时,区域可以考虑实施虚拟水战略。同时,区域必须具备一定的经济条件、社会调适能力和环境容纳性,以应对虚拟水战略可能带来的一系列经济、社会和环境问题。虚拟水战略的基本结论是在不考虑其他因素条件下,水资源丰富的国家或地区将出口水资源密集型产品,同时,水资源短缺的国家或地区则进口水资源密集型产品。谢卫奇等[9]认为虚拟水战略最适宜在缺水地区实施。

2 农业生产用水资源量函数的周期性

作为农业生产所必需的最重要的资源之一,水资源已经受到政府的重视。尤其是农业用水资源已经成为保卫国家粮食安全的重要因素。

根据已有的资料分析,我国水资源的供给具有周期性。我国水资源供给的主要方式是降雨。在以往的研究中,研究者通过小波技术[10]、时间序列-马尔科夫预报模型[11]等技术和方法讨论降雨量的周期性,证明了降雨量在一定的时间序列内具有周期性且存在最小周期。农业生产用水的主要来源是降雨。在这里,设时间为x,降雨量φ(x)是关于时间x的一元一次函数,通过以往的证明,可知φ(x)是一个周期函数且具有最小周期。再设农业生产用水资源量f(φ)是关于降雨量φ(x)的一元一次函数,且f(φ)与降雨量φ(x)正相关。则根据周期函数的性质:设φ(x)是以T为周期的周期函数,f(x)是任意函数,则复合函数f[φ(x)]也是以T为周期的周期函数。可以得出农业生产用水资源量f[φ(x)]也是关于时间序列x的一个周期函数,且存在最小正周期。

在T时段内,存在着枯水期和丰水期。令x=x0时,φ(x0)处于降雨量的最小值;令x=xt时,φ(xt)处于降雨量的最大值;则当x∈[x0,xt]时,φ(x)是递增的,当x∈[xt,T]时,φ(x)是递减的。也就是说,当x处于x=xt的附近时,降雨量充沛,该地区处于丰水期;当x处于x=x0和x=T的附近时,降雨量不足,该地区处于枯水期。当某地区处于丰水期时,该地的粮食作物生长较好,产量大,容易获得丰收;当某地区处于枯水期时,该地的粮食作物生长较差,产量小,出现粮食的歉收。

3 基于周期函数的区域虚拟水贸易

我国的农业主要集中在北方,但是我国的南方水多、北方水少,这成为制约我国农业发展的关键要素。根据木桶原理,北方地区的缺水是限制我国农业发展的短板。为了实现区域间的虚拟水贸易平衡,考虑一定的时间段内2个不同的区域:区域甲的降雨量最小正周期为M,区域乙的降雨量最小正周期为N。设当x=xt1时,甲地区处于丰水期的某一时段,此时农作物生长良好,获得丰收。设当x=xt2时,乙地区处于枯水期的某一时段,此时农作物生长不良,粮食歉收。则∃m,n(>0)s.t.mxt1=nxt2。这就是说必∃m,n(>0)使得甲地区的丰水期与乙地区的枯水期处于同一时刻,即t=mxt1或者t=nxt2时。在t=mxt1或者t=nxt2时,甲地区丰收的粮食可以运往粮食歉收的乙地区,实现区域间以粮食为载体的虚拟水贸易平衡。从国家的粮食安全方面来考虑,区域间的虚拟水贸易平衡有助于维护国家内部或者区域间人们对粮食需求的平稳。同时,考虑到各地农业种植结构的差异,可以用区际间的贸易来实现干旱区域的虚拟水贸易平衡,规避干旱区域的缺水风险。

4 实例分析

通过小波分析,新安江流域黄山地区年降水序列存在6年和19年左右的周期。新安江流域黄山地区全年降雨量距平过程[10],如图1所示。

图1 黄山地区全年降雨量距平过程

唐秦区域(即唐山和秦皇岛两市) 位于河北省最东部。为更好地反映该区域降水特性,选用唐秦区域7个雨量站同年的年降雨量资料进行算术平均,并用该算术平均值代表该区域当年的年平均降雨量,从而获得唐秦区域1908—2009年间的年平均降雨量系列。该区域年平均降雨量年际变化情况见图2。

图2 唐秦区域年平均降雨量变化情况

经过消噪和滤波处理根据滑动分析,唐秦区域降水具有周期性。1991—2006年夏粮播种面积、旱灾产量损失情况如图3所示[13]。

图3 唐山地区夏粮播种面积与产量损失

通过观察,在1997年,唐秦地区处于枯水期,黄山地区处于丰水期。唐秦地区的粮食减产量达到一个波峰,为较大值。这说明在1997年,在粮食播种面积增加的情况下,唐秦地区由于降雨量的减少导致了粮食的歉收。同一期,根据粮食产量与降雨量呈正相关的关系,黄山地区处于丰水期,其粮食产量会增加。为了实现区域间虚拟水贸易的平衡,这2个地区可以进行农作物贸易,规避处于枯水期唐秦地区的缺水风险。

5 结 语

a. 通过考察不同区域间降雨量随时间变化的周期性,得出具有不同降雨量周期的区域可以进行粮食贸易,进而达到2个区域间整体的虚拟水平衡。这种贸易措施对于规避干旱地区在枯水期的缺水风险提出了一种新的思考方式。在干旱地区枯水期,农作物的产量减少,不能满足人们对粮食的需求。通过贸易的手段,将此时处于丰水期、粮食丰收地区的农作物与之贸易,实现了资源的有效配置,也实现了参与双方的双赢。这在传统农业生产和农业生产用水方法上,跳出了固有的思维定式,以虚拟水贸易为指导思想,思考重点从用水技术转移到水资源贸易,可以在一定程度上促进农业产区的商业、贸易发展。

b. 利用降雨量随着时间序列的最小正周期在不同地区的差异发展虚拟水贸易,可以实现区域间(干旱区域和丰水区域之间)的虚拟水贸易平衡,在不同地区的禀赋差异下达到资源的有效和优化配置。这种贸易使得不同区域的比较优势得以发挥,进而实现贸易双方的双赢局面。

c. 区域间的虚拟水贸易保证了多个区域整体的粮食安全,即没有大幅度的粮食供给变化。粮食作为关乎国计民生的重要产品,突然或是较大的供给冲击都是不利于粮食市场稳定的,而且,这种不稳定会影响一个国家的政治稳定和社会稳定。因此不主张进行国际虚拟水贸易,大量的国际粮食贸易或是以粮食为载体的虚拟水贸易可能会对一个国家的粮食供给造成突然或重大的冲击,不利于一个国家的粮食安全、政治安全和社会稳定。而同一个国家区域间的粮食贸易或是以粮食为载体的虚拟水贸易则不会对该国造成粮食供给的不利冲击,也不会导致该国的粮食危机、政治危机和社会危机。而且,一个国家粮食供应的平稳为社会的有序发展提供了保障。

对于我国而言,我国幅员辽阔,各个地区的气候条件迥异,很容易找到在气候或是降雨上能互补的区域。可以对气候或是降雨上能互补的区域进行气候和降雨量分析,掌握其规律,进行区域间的虚拟水贸易。接下来,在证实了区域间可以进行虚拟水贸易之后,考虑如何设计虚拟水贸易的合约,以期权或期货的方式进行虚拟水贸易。

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