基于多目標評價及Topsis方法的節水農業綜合效益評價
----以黑龍江和平灌區為例

籍歡歡，胡振華，雷 波，杜麗娟

(1.山西農業大學林學院，山西 太谷 030800；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

0 引 言

中國是人口大國、農業大國和灌溉大國。近年來，受工業、生活等行業需求增加的影響，農業用水占比不斷下降，但仍然占據60%以上，是我國第一用水大戶，也是落實“節水優先”戰略的主戰場。大力發展節水農業，提高農業灌溉的節水水平是解決我國水制約因素，實現農業可持續發展的必然選擇。發展節水農業涉及相關技術設備的投入、農業生產成本的增加，給農民生產技術和當地管理部門帶來一系列的挑戰，這不僅是一個技術問題，更是一個社會經濟問題。因此，有必要建立科學適用的評價指標體系，尤其是在干旱、荒漠缺水地區，通過對節水農業效益評價，可對周邊生態環境的改善發揮積極的作用，對該區域內植被的維護、水源的涵養、水土流失的抑制、風沙威脅的減輕等方面都有十分有利的影響[1]。對節水農業綜合效益進行科學評價，有利于了解節水狀態，對節水農業發展方向具有一定的指導意義，也為提高糧食產量作出貢獻。現有的相關研究也主要從經濟、社會和生態環境等三個方面開展綜合評價，其方法主要集中在層次分析法、灰色關聯法等傳統的多目標綜合評價方法[2-4]，指標的選擇盡管能較為普遍代表節水農業的效益情況，但缺乏從更廣泛的層次上解釋指標的選擇確定和權重的合理性。本文嘗試以黑龍江慶安縣和平灌區節水改造綜合效益評價為案例，按照節水效益指標篩選、降維和綜合評價的思路，建立基于多目標評價及Topsis方法的節水農業綜合效益評價。

1 研究區概況

和平灌區位于黑龍江省中部慶安縣，灌區有效灌溉面積2.4 萬hm2，占全縣耕地面積的70%，是慶安縣乃至黑龍江省的水稻主產區和商品糧生產基地。灌區范圍由東向西呈帶狀分布，西鄰綏化市，東至鐵力市雙豐鎮，南至哈伊公路，北至呼蘭河為界。呼蘭河及一級支流安邦河和拉林清河穿過灌區內部，與干渠平面交叉。灌區內地表水資源比較豐富，主要用于農業灌溉，年平均農業用水量為44 426 萬m3，但水資源分布不平衡，年內分配差異大，尤其是春季農業灌溉用水量大，而降水較少，蒸發量大，造成水田在泡田、插秧期缺水嚴重。同時由于灌區工程不配套，渠系及田間建筑物老化、損毀，造成水毀、洪澇災害頻發[5]。灌區2000年列入國家大中型灌區節水改造與續建配套計劃，經過十多年的節水改造投入，工程狀況有了部分改善。但由于投入不足，導致灌區內主要干支渠只有少量的經過硬化防滲處理，滲漏損失嚴重，渠系水利用系數較低，造成水資源浪費嚴重；灌區量測水設施缺失，支渠及支渠以下渠道用水量無法準確計量[6]。

2 數據和方法

2.1 數據來源

文中數據主要是定性數據和定量數據。其中，社會經濟數據主要來源于《慶安縣統計年鑒(2016)》、《慶安縣十三五規劃》，灌區節水改造相關數據來源于《黑龍江省呼蘭河灌區節水改造與續建配套和規劃報告》，定性數據采用專家評分法[7]，將指標分為五級，分別為好、較好、一般、差、很差。其對應的分值為9～10、7～9、5～7、3～5、0～3來表示。

2.2 研究方法

2.2.1 評價模型及指標體系

現代節水農業不只是某項單一技術的現代化，而是各種工程、農藝、管理等措施的有效集成，因此與之對應的節水農業綜合效益評價標準也應當是一個指標體系[8]。本文基于科學性、實用性、簡捷性和針對性的原則[21],同時充分考慮影響研究區節水農業發展的主要因素，構建了節水農業綜合效益評價指標模型和指標體系。

節水農業綜合效益評價是多目標綜合評價問題。其評價方法采用多目標綜合評價方法[22]。其基本數學模型可以表述為：

(1)

式中：R為節水農業綜合效益評價；wi為準則層；wij為指標層不同指標的系數；aij是指標層指標標準化數值。

本文從經濟效益、社會效益和環境效益3個方面對節水農業綜合效益進行評價。基于和平灌區的社會經濟狀況、自然條件、相關政策和環境特點，充分考慮節水農業效益各評價因子的復雜關系，借鑒國內學者的研究成果，重點選取與節水農業綜合效益密切相關的22項有代表性的指標進行研究[9]，將定性指標與定量指標結合得到節水農業綜合效益評價指標體系，詳細指標如下：

經濟效益指標A1：主要農作物產量a11(hm2)、農業用水量a12(億m3)、畝均灌溉用水量a13(m3)、灌溉水利用系數a14、灌溉水分生產率a15、經濟效益費用比a16(%)、經濟內部收益率a17(%)、人均地區生產總值a18(萬元)、投資回收年限a19(a)。

社會效益指標(A2)：用戶參與水平a21、節水工程管護水平a22、計量收費普及率a23(%)、水費實收率a24(%)、用水者協會管理面積比例a25(%)、工程配套完善率a26(%)、政策法規配套情況a27、宣傳教育水平a28、節水激勵機制健全水平a29。

環境效益指標A3：灌區地表水資源開發利用a31(%)、灌區地下水資源開發利用a32(%)、灌區排澇標準達到率a33(%)、森林覆蓋率a34(%)。

2.2.2 指標降維及綜合效益評價方法

(1)基于主成分分析的指標降維方法。主成分分析法是利用降維的思想，將原來多個且彼此相關的指標用線性組合的方式轉換為個數較少且彼此獨立或不相關的綜合指標[10]。由于每個變量都在不同程度上反映了所研究問題的某些信息，并且指標之間彼此都有一定的相關性，因而得到的統計數據反映的信息在一定程度上有重疊,人們自然希望在進行定量分析的過程中涉及的變量較少，而得到的信息量又較多,主成分分析法是解決這一問題的理想工具。

(2)基于Topsis方法的綜合效益評價方法。Topsis(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)是一種逼近于理想解的評價方法[11]，計算基礎來源于客觀數據，具有較好的客觀性。Topsis法是找出評價方案中的最優和最劣方案，并計算評價對象與最優方案和最劣方案的距離，獲得各評價對象與最優方案的相對接近程度，從而據此評價。具體方法為：

針對和平灌區綜合效益體系中n個評價對象某一指標層所選擇的m個評價指標，可得到原始指標矩陣：

X=(Xij)n×m

(2)

對高優(越大越好)、低優(越小越好)指標分別進行歸一化變換，即：

(高優正向指標)或

(3)

數據歸一化中，采用變異系數法對指標賦權重[23]，得到轉化矩陣：

Z=(Zij)n×m

(4)

則矩陣各評價指標中最大、最小值構成的最優、最劣向量分別為：

Z+=(Zmax1,Zmax2,…,Zmaxn)

Z-=(Zmin1,Zmin2,…,Zminxm)

(5)

按相對接近度Ci的大小排序，進行評價。因Topsis是效益型評價模式，而本文評價的是節水農業綜合效益，所以其值越高，效益越好。

采用變異系數法確定指標權重，是一種客觀賦權的方法[12，13]。運用逼近理想解的評價方法(Topsis)，建立結合變異系數賦權的Topsis法節水農業優選模型。結合變異系數賦權的Topsis法的基本思路是：在利用變異系數法確定各指標的權重之后，構造加權的規范決策矩陣，然后確定理想點和負理想點及各個方案與理想點的相對接近程度，將方案排序[14]。

由于評價指標體系中的各項指標的量綱不同，不宜直接比較其差別程度。為了消除各項評價指標的量綱不同的影響，需要用各項指標的變異系數來衡量各項指標取值的差異程度。各項指標的變異系數公式如下：

(6)

式中：δj，Dj，Rj分別為第j個評價指標的變異系數、均方差、均值。

以節水農業綜合效益評價指標體系為基礎，應用SPSS主成分分析方法對評價指標進行降維[15]，以此獲得主成分得分矩陣，并以該得分矩陣確定熵權權重[16]，運用Topsis方法評價綜合效益[17,18]。

3 結果分析

3.1 準則層指標評價

選取反映和平灌區綜合效益的22個指標對節水農業狀況進行分析，采用Topsis中數據標準化方法，應用SPSS分析，得出22個指標的特征值及貢獻率，如表1所示。表1是主成分個數的選取，一般情況下對于主成分個數的提取有兩種方法：一種是提取特征值大于1的主成分，一種是提取累積貢獻率達到85% 的主成分。這里運用第二種方法，選取3個主成分[15]。用 3個主成分來代表原有的22個原始變量，此時累積貢獻率已經達到92%，可以反映和平灌區2012-2016年間節水農業的變化趨勢，達到了降維的目的。

表1 各主成分的特征值、方差貢獻率及累積貢獻率Tab.1 Eigenvalue, variance contribution rate and cumulative contribution rate of each principal component

根據SPSS可提取出和平灌區不用年份各主成分得分矩陣，如表2所示。將表中的計算所得到的主成分得分值帶入變異系數公式中，得到各主成分因子的權重，主成分F1、F2、F3的權重分別為0.3622、0.3367、0.3011。從中可以看出，降維后，第一主成分最高，第三主成分最低。

表2 和平灌區不同年份各主成分得分矩陣Tab.2 Principal component score Matrix for different years in peaceful Irrigation District

通過分析表3可以看出，第一主成分與主要農作物產量、農業用水量、灌溉水利用系數、水分生產率、經濟效益費用比、內部收益率、人均生產總值呈正相關，與投資回收年限成負相關，這表明節水農業沒有取得很好的成效。這些指標主要反映的是和平灌區的用水及經濟發展狀況，是經濟效益帶來的影響。也就是說，地區經濟實力的提升有助于節水農業效益的提高，這可能與當地的經濟基礎對節水農業的利用以及用水結構的改善有很大的關系。這一主成分的權重為0.362 2，為所有權重中的最高值，這可為節水農業與區域經濟發展提供參考。

在第二種主成分上，用戶參與水平、節水工程管護水平、計量收費普及率、水費實收率、用水者協會管理面積、工程配套完善率、政策法規配套率及節水機制推廣水平都呈明顯的正相關，這一主成分的權重為0.336 7，表明了社會效益的綜合影響。近年來，隨著農業機械化、農業產業化、農業信息化以及農民素質都有很大的提升，當地政府制訂鼓勵發展節水農業的優惠政策，建立保障機制，組建噴灌公司等專業化服務，不僅為節水農業的發展帶來了新生機，而且極大地調動了農民群眾投資發展節水農業的積極性，有效地保證了節水農業的建設質量和效益的長期發揮，促進了節水農業的健康發展。

表3 各主成分得分系數矩陣Tab.3 Principal component score coefficient matrices

在第三主成分上，灌區地表水資源和地下水資源利用率、排澇標準達到率以及森林覆蓋率呈正相關的關系，反映的是生態環境帶來的影響。這一主成分的權重為0.301 1，是所有權重中的最低值，說明生態環境效益并沒有受到當地的重視。和平灌區是以地表水為主要水源的灌區，但是在5、6月份水稻泡田、插秧用水高峰期時，自然降水卻很少，并且近十年來一直是春季干旱，水田渴水現象嚴重。灌區的地下水資源蘊藏豐富，可充分開發利用，一方面緩解工業發展用水和農業春季灌溉用水水資源不足的矛盾，另一方面也可以有效地防止由于大水漫灌而產生的土壤次生鹽堿化。

根據評價理論模型的分解，準則層指標效益評價的模型為

Ai=wijaij

(7)

式中：Ai為準則層i的效益評價；wij和aij分別為權重和相應的指標值。

根據表4看出，經濟效益呈現逐年上升的趨勢，并且經濟效益遠遠高于社會效益和生態環境效益。在“十二五”期間，節水農業改造給當地的農業生產、農村發展起了很好的促進作用。根據統計數據顯示，和平灌區農業生產總值從527 288 萬元增加到了785 581 萬元。

表4 2012-2016年各效益評價值Tab.4 Evaluation values by benefit, 2012-2016

對于社會效益而言，當地農業社會功能低于經濟功能。灌區靠收水費維持管理人員開支。由于用水價格比較低，只能維持灌區的正常管理，節余部分資金只能臨時維修工程，維持簡單的再生產，而且當地村民對于節水農業意識不強，所以應該強化組織領導與部門配合，建立健全節水灌溉技術服務體系，切實搞好節水農業的示范，并加大宣傳力度。

根據評價結果顯示，生態效益遠遠小于經濟效益和社會效益，維持在0.121～0.254之間。但整體還是呈現上升發展的趨勢，這與當地續建配套改造有著密切的關系。

3.2 綜合效益分析

結果顯示，2012-2016年綜合效益由0.377提高到0.652，提高了0.275。在“十二五”規劃實施后，各級政府對節水農業的重視、必要的資金投入、廣大農民的參與和節水改造項目的實施，為當地的農業發展帶來了新鮮的血液，強化了節水農業的地位，為農業的增產增收和農村發展奠定了良好的基礎。

基于上述降維后得到的主成分矩陣和計算得到的權重，運用Topsis方法，得到和平灌區不同年份與最優、最劣方案的距離，以及與其最優方案的接近程度Ci值，見表5、圖1。

表5 和平灌區節水農業綜合效益Topsis評價統計量Tab.5 Statistics of Topsis Evaluation on Comprehensive benefit of Water-saving Agriculture in peaceful Irrigation District

圖1 和平灌區節水農業綜合效益評價結果Fig.1 Results of comprehensive benefit evaluation of water-saving agriculture in peaceful irrigation area

經表5和圖1分析可知，2012-2016年和平灌區綜合效益存在差異，Ci值最高年份出現在2016年，為0.682；最低值出現在2012年，為0.577。

4 結 語

(1)節水農業綜合效益評價是一個多目標、多屬性的評價過程，本文在國內外相關研究的基礎上，結合和平灌區的特點，經認真篩選和分析，提出了包括社會效益、經濟效益和環境效益三大類共22項評價指標體系。采用主成分分析法分別對其進行簡化，簡化后的評價指標體系由3個主成分組成，在一定程度上消除了因各評價指標的相關性對評價結果的影響，最后在運用Topsis方法對和平灌區綜合效益評價。結果得出，綜合效益最高的是2016年，最低的是2012年。

(2)根據評價結果，和平灌區要切實地制定好節水農業的發展規劃，在規劃時綜合考慮節水農業的社會效益、經濟效益和生態效益，用經濟手段促進節水農業，加強節水技術的研究，多渠道增加節水灌溉資金投入，加強節水灌溉工程管理，強化組織領導與部門配合，建立健全節水灌溉技術服務體系，切實搞好節水農業的示范，并加大宣傳力度，我國的節水農業工作必將有較大的發展。

節水農業綜合效益評價與經濟發展水平、工程設計水平、建設投資水平等密切相關，政府重視程度、水價合理性、節水激勵機制健全水平等社會管理策略的發展也至關重要，同時合理制定水價也是促進農業節水可持續發展重要杠桿[19]。農業節水管理政策在農業水管理決策中起著重要作用，有利于引導用水戶選擇與經濟社會發展目標相符的農業水管理方式[20]，同時應該重視節水農業的發展對生態環境帶來的影響，不斷優化水土資源及生態環境的質量，促進節水農業朝著穩定、健康的方向發展。