農田節水減污系統效果評價的熵權TOPSIS法

劉俊紅，萬玉文，方 崇

(廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023)

近年來，為了提高糧食產量，農業生產過程中濫用化肥農藥，受污染的農田呈上升趨勢，造成了農業面源污染加劇，既污染地下水和地表水，還降低了土壤保水保肥能力，嚴重制約了農業經濟的可持續發展[1,2]。農業面源污染控制是實施鄉村振興戰略和生態農業建設的重要內容，但農業面源污染成因復雜，防控治理難度大，已成為目前我國農村最大的環境治理難題[3]。

農業面源污染的治理研究受到各方關注。近年來，茆智[4]提出了治理農業面源污染的“四道防線”農田水利系統，并在廣西桂林青獅潭灌區開展了研究，取得了良好的效果。為了綜合評估農業污染治理效果，本文在分析“四道防線”農田節水防污型系統的基礎上[5]，引入TOPSIS評價法對其治污效果進行綜合評價。

TOPSIS法，也稱為逼近于理想解的排序方法，是一種對多項指標或對多個項目的比較分析方法，對樣本資料無特殊要求，具有計算簡便、結果可靠的優點，故得到廣泛應用[6]。筆者以廣西桂林青獅潭灌區為研究對象，對其“四道防線”的農田綜合減污能力進行評價。

1 基于熵權TOPSIS法的數學模型

基于熵權TOPSIS 法的基本原理為[7]：對原始數據矩陣進行歸一化，分別求出理想的最優項目和最劣項目，通過求解各待評項目與最佳項目之間的距離，比較該項目與最佳項目的接近程度，并以此結果評價各待評項目優劣。分析步驟如下[8]。

1.1 建立初始判斷矩陣

設有m個項目、n個屬性，采集到的第i個目標的第j個屬性的評判數據為xij，則初始判斷矩陣V為：

(1)

1.2 構建規范化矩陣

(2)

(3)

式中：xjmin、xjmax分別為同指標下不同方案中分別為第j個指標值的最小值和最大值。

1.3 構建加權判斷矩陣

Z=(rij)m×n

(4)

1.4 評價指標熵權的計算

熵是對系統無序度的一種度量，系統越無序，熵越大，指標的離散程度與綜合評價結果密切相關。根據熵的這一特性，判斷某個指標的離散程度可用熵值表示。因此，可根據各項目指標的變異程度，利用信息熵計算各個指標的權重。

設有n個評價指標、m個評價項目，評價指標的熵為：

(5)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

其中：

(6)

計算評價指標的熵權W：

W=(wj)1′n

(7)

1.5 確定矩陣距離尺度

(8)

(9)

1.6 計算理想解和反理想解

其計算公式如下：

(10)

(11)

1.7 計算各方案對最優解的相對貼近度

(12)

1.8 項目評價

根據Ci的值按從小到大的順序對各評價項目進行排列。排序結果貼近度Ci值越大，該項目越優，Ci值最大的為最優項目。

2 評價實例

2.1 評價指標體系建立的基本原則

評價農田節水減污系統綜合減污能力的評價，必須要有一套明確的量化指標，指標體系的建立在農田綜合減污能力評價中起到關鍵作用，關系到評價結果的可信度。構建科學合理的綜合減污能力評價指標體系應遵循科學性、典型性原則、動態性、可量化原則基本原則[9]。

在農田節水減污系統評價指標體系確定后，采用TOPSIS 法對評價指數進行定量分析，以保證評價結果真實有效。具體步驟如下：第一步，根據地表水評價指標體系，實測各指標值，并將各個指標的數據進行標準化處理；第二步，計算出各個指標的信息熵，進而計算各指標的權重；第三步，計算各項目與理想解的貼近度，按貼近度的大小排序，以此作為評價節水減污效果優劣的依據。

2.2 評價體系的構建

表1 農田節水減污系統的評判矩陣 mg/L

2.3 實例分析

本文以廣西壯族自治區桂林市青獅潭灌區枧江頭試驗區為研究對象，分別在靈川縣、臨桂縣建立4個面積為66.7 hm2的稻田進行試驗，4個人工濕地和8條生態溝渠，將田間水肥最優調控、草溝、濕地、骨干生態溝四道防線相互串聯，形成一個整體的農田節水防污系統[10]。

農田節水防污系統是基于削減稻田面源污染的“四道防線”系統。第一道防線(源頭控制)：田間節水減排，以達到水肥高效利用，從源頭控制面源污染的排放；第二道防線(草溝)：將稻田污水引入塘堰濕地進行凈化；第三道防線(塘堰濕地)：植物攔截與吸收、渠內土壤吸附、微生物降解等作用截留凈化農田排水中的污染物；第四道防線(生態骨干溝)：對從濕地排入骨干溝的水再次凈化[5]。本系統可充分利用我國南方現有的水塘和低洼地并將其改造為人工濕地，充分利用田間排水溝道并將其改造為生態溝，投資少，節水減污效果明顯。

圖1 枧江頭試驗區示意圖

2013年1月至2015年12月期間，通過現場取樣、試驗分析，對該減污系統的“四道防線”削減稻田面源污染的綜合效果開展了研究。本文根據實測的試驗數據，利用基于熵權TOPSIS評價方法對該系統中“四道防線”的綜合減污效果進行評價。具體分析過程如下：

(1)建立規范化矩陣。對特征矩陣進行規范化處理，得到規格化評價矩陣V′：

(2)計算評價指標的熵。由式(5)、(6)得：

Hj=(0.842 4，0.863 2，0.836 1，0.790 4，0.803 8)

(3)構造權重規范化向量。由式(7)計算權重：

wj=(0.182，0.158，0.190，0.243，0.227)

(4)確定理想解和反理想解。根據式(8)、(9)分別計算出判斷矩陣的理想解和反理想解：

Z+=(0.179 1， 0.126 6，0.185 6，0.220 1，0.214 5)

Z-=(0，0，0，0，0)

(5)計算距離尺度。用式(10)、(11)分別求出各項目與最優解、最劣解的距離尺度：

D+=(0.287 9，0.344 0，0.302 5，0.310 2)

D-=(0.242 4，0.115 7，0.233 4，0.279 5)

(6)計算理想解的貼近度。由式(12)得到各項目的貼近度：

C=(0.457 1，0.251 7，0.435 5，0.474 0)

評價結果見表2。

表2 農田節水減污系統的貼近度與排序

評價項目貼近度的大小可以綜合反映出綜合減污效果程度，從表2中可以看出，4個參評項目貼近度依次為：45.71%、25.17%、43.55%、47.40%。據此，各個防污方案的綜合保障能力大小依次排序為：第四道防線>第一道防線>第三道防線>第二道防線，評價結果與文獻[10]中的實際情況相符。在4個參評的防污方案中，第四道防線的貼近度為47.40%，貼近度最大，說明該方案綜合減污效果最優；第二道防線的貼近度為25.17%，貼近度最小，說明該方案最差。源頭控制、塘堰濕地、骨干溝等三道防線的貼近度介于43%～48%，貼近度較為接近，說明這三道防線減污效果相差不大。

由表1可以看出：“四道防線”中各個防線對總氮、氨氮、硝態氮、總磷、可溶磷等污染指標均有一定的消減效果。其中，第四道防線的總氮、氨氮、可溶磷等負荷削減率最高，作為試驗區的最后一道防線，第四道防線即骨干生態溝，梯形斷面，長102 m，平均寬度1.6 m、深1.2 m，縱坡為1/2 000，溝中主要種植水花生、水葫蘆、辣草等植物。表明過水斷面大、水位深、流速較小等水力條件，是各類污染物的削減主要條件，“四道防線”整體綜合治理效果明顯。

本試驗中，試驗區的第一道防線，即在枧江頭田間的2塊樣板田中，分別選用傳統淹灌模式加同一氮肥施肥量分2次投施，以及間歇灌溉模式加同一氮肥施肥量分4次投施的兩種不同的水肥模式進行綜合調控，其治理效果也比較顯著。從而說明優化水肥管理模式，有效控制施肥次數， 是從源頭控制面源的有效舉措。

作為第二道防線的草溝，由于溝內主要為當地野生的野苦麻、水草等植物。且試驗溝長96.5 m，寬0.2 m，深0.25 m，縱坡1/2 000，溝壁直立，不利植物生長，又渠道縱坡過緩，流速過小，雖有一定的減污效果，但比起另外三道防線來說，效果相對較弱。

綜上所述，在農田面源污染治理中，合理選用灌溉方式與有效控制投施農肥次數，加大骨干溝的過水斷面，主槽道內種植本地優勢的水生植物，減緩坡降，降低流速，延長水體停留時間，污水凈化效果較好；此外，將骨干溝與塘堰濕地串聯一起進行綜合減污，對濕地再次凈化，是治理農田面源污染的重要工程措施。

3 結 論

(1)農田節水減污系統效果的評價是一項較為復雜的系統工程。本文提出了TOPSIS法減污效果分析模 型，計算簡便、結果可靠，采用熵權法確定權重，綜合考慮各評價指標特征值之間的差異，避免指標權重分配的不合理性，減小人為賦權的主觀性影響。

(2)通過實例分析，可找到農田節水減污系統薄弱環節，為后續“四道防線”的改進提供了參考，同時也為廣西稻田節水灌溉、面源污染的削減以及水肥高效利用提供科學依據。

(3)評價指標和權重取值對評價結果影響較大。在后續研究中，應加強對評價指標的選擇和對指標權重的確定等方面研究，在實際節水減污方案中還應考慮不同地域和農作物類別，合理選擇評價因素，確定最優減污方案。

參考文獻：

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[3] 魏保興,李桂新,甘 幸,等. 節水防污型農田水利系統方案設計及應用研究[J]. 節水灌溉, 2016,(7):60-64.

[4] 茆 智. 水稻節水灌溉在節水增產防污中發揮重要作用[J]. 中國水利, 2009,(21): 11-12.

[5] 潘 樂. 水稻灌區節水防污型農田水利系統減輕農業面源水污染研究[D]. 武漢：武漢大學, 2012.

[6] 王 虹,余金鳳,方 崇. TOPSIS模型在小型農田水利基礎設施綜合評價中的應用[J]. 節水灌溉, 2013,(6):70-72.

[7] 梁 薇,陸春芽. 優勢關系下賦權法和TOPSIS的膜下滴灌模式評價[J]. 中國農村水利水電, 2013,(5):70-73.

[8] 方 崇,張春樂,陸明本. 基于熵權的TOPSIS模型在右江灌區節水改造效益綜合評價中的應用[J]. 節水灌溉, 2011,(2):52-54,65.

[9] 張 萍,盧少勇,潘成榮. 基于層次-灰色關聯法的洱海農業面源污染控制技術綜合評價[J]. 科技導報, 2017,(9):50-55.

[10] 萬玉文,茆 智. 節水防污型農田水利系統構建及其效果分析[J]. 農業工程學報, 2015,(3):137-145.