世行可持續農業發展項目灌溉水利用效率測算與影響因素分析

王春宏，張 芮，侯慶豐，孔慶文，談存峰

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學財經學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農業大學馬克思主義學院，甘肅 蘭州 730070)

世界銀行可持續發展農業項目貸款是完善農田基礎設施，達到綜合節水以增加農作物產量，改善農業生態環境、提高農業生產和抵御自然災害能力的目的，進而促進農業可持續發展，其中灌溉水利用效率(IWUE)是項目產出指標中水資源高效利用措施關鍵指標之一，也是集中反映灌溉工程質量、灌溉技術水平和灌溉用水管理水平的一項綜合指標[1]。目前正在全國開展的灌區續建配套建設，在工程規劃和效益評估時，也主要以該指標為基礎計算“節水量”，進而得出節水效益[2]。測算并研究該指標對項目產出效益評估具有一定參考價值。同時，進行IWUE影響因素分析研究和指標預測，對進一步穩定該指標保持和持續增長具有重要意義，為提高灌溉水有效利用系數制定具體措施具有指導意義[3]。

針對IWUE的測算，通常采用先測算出渠系水利用系數和田間水利用系數，然后兩者相乘得出灌溉水利用效率傳統方法[1]。近年來，許多學者探索出一種新的首尾測算法分析研究了部分灌區的灌溉水利用效率[4- 6]；也有部分學者采用傳統測驗法與“灌區首尾”測算等方法綜合對比研究法測算IWUE[7]，并提出一種將首尾測定法與典型渠道測量法及相結合的一種綜合修正方法[8- 10]。盡管IWUE測算方法已有很大改進，但傳統測算方法由于其測算精度較高、技術要求簡單，并能分別反映渠系輸水和田間水利用的情況等特點，目前依舊是測算IWUE的一種普遍采用的方法。

在IWUE影響因素分析方面，劉玉金[11]基于主成分分析與多元線性回歸分析了灌溉水利用效率影響因素，李浩鑫[12]等基于主成分分析和Copula函數研究了灌溉用水效率評價方法，熊佳[13]等基于SFA分析了灌溉水利用效率指標隨時間變化規律，謝錢姣[14]等基于灰色預測法對農田灌溉水進行了研究，田青[15]運用數理統計趨勢分析方法對蘭州市紅古區灌溉水利用系數指標進行了分析預測。可見，多數學者注重于單方面研究IWUE的影響因素評價體系或者預測分析，很少有將二者結合進行討論，并缺少基于實際項目背景下的IWUE指標研究，而將影響因素與預測研究相結合可進一步在科學分析主要影響因素的基礎上，合理預測指標的未來變化趨勢，尤其對于指導項目實施方案具有顯著意義。

本文結合項目區實際情況，采用傳統分段統計法進行灌溉水利用效率指標的測算，并對項目區2014—2017年各地區灌溉水利用效率變化情況進行主成分影響因素分析和灰色預測研究，以期為持續提高項目區灌溉水利用效率提供理論依據。

1 項目概況與研究方法

1.1 項目概況

甘肅省世界銀行貸款可持續發展農業項目于2014年底立項，主要建設內容為建設高標準農田，完善田間配套工程，實施工程節水、農藝節水和管理節水措施相結合的綜合節水措施，提高現有耕地質量，提高農產品質量，改善農業生態環境，增加農作物產量，實現項目區農業生產的可持續發展，該項目計劃總投資3.16億元，其中水利工程建設投資1.71億元。

1.2 項目區概況

該項目涉及甘肅省6個縣(區)，依次用A、B、C、D、E和F區表示。截止2014年項目實施前，總耕地面積29004.73hm2，具有灌溉條件農田面積12880hm2，節水灌溉面積5413.2hm2，平整和深松耕面積18950.37hm2，干渠長度424.02km，支渠長度821.45km，斗渠長度1091.2km，農渠長度416.9km。

1.3 研究方法

1.3.1灌溉水利用效率測算方法

(1)灌溉水利用效率計算公式

灌溉水利用效率，指被作物有效利用的凈灌溉水量占灌溉總引水量的比例，包括渠系水利用效率和田間灌溉水利用效率兩部分。采用傳統分段統計法確定灌溉水利用效率的計算公式[16]為：

IWUE=η田間·η渠系

(1)

式中，η田間—灌溉水利用效率；η渠系—渠系水利用系數。

渠系水利用系數反映了從渠首到末級渠道的各級輸配水渠道的輸水損失表示了整個渠系的水的利用率[8]。其計算方法為：

(2)

式中，n—灌區內末級固定渠條數；Wi—第i條末級固定渠道放出的水量，m3；W總—干渠首引進的總水量，m3。

田間灌溉水利用效率指被作物有效利用的凈灌溉水量與末級固定渠道放出的水量之比。其計算方法為：

(3)

式中，I凈—作物全生育期的田間凈灌溉水量，m3/hm2；I田—全生育期末級固定渠道輸入田間的單位面積水量，m3/hm2。

(2)樣點選取方法

根據項目區基線調查實際，在綜合考慮工程狀況、灌溉水源條件、種植作物結構等因素基礎上，項目監測小組采取抽樣檢查評價法，在各項目區隨機抽取1個完整的灌溉單元，實際量測干渠首引進的總水量和所有末級固定渠道放出的水量，計算得出渠系水利用系數，并抽取3～5個具有清楚邊界、大小形狀規則的田塊，通過實測灌水前后土壤含水率計算得出凈灌溉定額，推求出項目區平均田間灌溉效率。

1.3.2數據統計與分析

運用Excel2010、SPSS 24.0、Matlab2016a軟件進行數據處理；采用主成分分析法、灰色預測法進行結果分析。其中，主成分分析法利用降維思想，從影響灌溉水利用效率的多個因素中提取出貢獻率累計值超過90%的主成分，其中各主成分均能包含并解釋原始變量大部分信息，有效規避信息重疊影響，再根據因子荷載矩陣進行主成分影響程度分析。

由于灌溉水利用效率受諸多因素影響，包括確定性因素和不確定性因素，因此建立灰系統模型GM(1，1)[17]。具體研究方法[17]如下：

(1)假設原始序列為X(0)={x(0)(1)x(0)(2)…x(0)(n)}，其一階累加生成序列為X(1)={x(1)(1)x(1)(2)…x(1)(n)}，所得灰微分方程

x(0)(k)+az(1)(k)=b

(4)

以k=2，3，…，n代入灰模型GM(1，1)，得方程組后將其以矩陣表示

(5)

記

由最小二乘法，可得模型參數估計。

(6)

由微分方程理論，得灰色模型GM(1，1)的解及其時間響應式為

(7)

(2)模型有效性檢驗：當系數a∈(-2，2)，原始序列X(0)的級比

(8)

滿足σ(0)(k)∈(0.13537.389)時，所建模型GM(1，1)可行；當a取值滿足

且級比σ(0)(k)取值滿足

條件時，所建模型GM(1，1)滿意且有效并可獲得較高精度。

為k點的絕對誤差。稱

(9)

為k點的相對誤差。p(k)=1-ε(k)為k點的模擬精度。稱

(10)

為平均相對誤差。p=1-ε為預測精度，一般在80%以上。

2 測算結果分析

2.1 灌溉水利用效率變化特征

2014—2017年各項目區灌溉水利用效率測算結果見表1。2014—2017年項目區平均渠系水利用系數、田間水利用系數、灌溉水利用效率三項指標逐年均有不同程度提高，分析原因，與水利基礎設施建設與改善方面投資力度逐步加大、低壓管道鋪設面積增加明顯、渠系建筑物整體進展速度和渠道防滲襯砌進度加快、節水灌溉工程和新增節水灌溉面積和平整深松耕面積均不同程度的有所提升等因素有關。

2014—2017年各項目區灌溉水利用效率增長速率趨勢如圖1所示。各項目區IWUE均隨年份表現為不同程度的增長趨勢，A、B、F區IWUE增長速率隨年份呈現相似變化趨勢，其中A和B區上升和下降的幅度較明顯，上升原因是項目區渠道襯砌速度明顯加快，超額完成項目年度計劃要求的目標值；下降原因一是部分項目區受氣象因素、作物需水情況及已完工工程使用情況影響，二是項目管理人員水平和作用發揮不足，導致IWUE增速減緩。C、D和E區IWUE隨年份雖呈現增長趨勢，但增速逐年減緩，以D區最為明顯，分析原因為低壓管道輸水灌溉面積、渠道襯砌進度同比其他項目區慢，導致渠系水利用系數未達到計劃要求值，最終灌溉水利用率相較于上年的增長速率減緩。

表1 2014—2017年各項目區灌溉水利用效率測算結果 單位：%

注：ηc指渠系水利用系數，ηf指田間水利用系數，IWUE指灌溉水利用效率。

表3 主成分提取結果

圖1 2014—2017年各地區灌溉水利用效率增長速率趨勢圖

2.2 灌溉水利用效率影響因素分析

2.2.1影響因素選擇

根據測算結果，結合2014—2017年項目區實際及監測數據資料，灌溉水利用效率受土地整改因素、項目投資及工程實施因素等多種因素綜合影響。本文選取六個因素進行主成分分析，具體包括：新增節水灌溉面積(x1)/hm2、改善灌排服務設施農田面積(x2)/hm2、平整和深松耕土地面積(x3)/hm2、水利工程項目投資(x4)/萬元、渠道襯砌長度(x5)/km、渠系建筑物及配套工程修建進度(x6)/%。

2.2.2主成分提取

通過對灌溉水利用效率影響因素的主次分析，以提取貢獻度較高的能夠最大程度概括所有影響因素主成分。在主成分提取前，為防止各因素之間產生共線性問題而影響分析結果，使用SPSS軟件對原始數據進行共線性診斷，經診斷不存在共線性自變量，可進行主成分分析，即首先對原始數據進行標準化處理，然后對標準化數據進行主成分提取，得到相關系數矩陣和主成分提取結果。

表2 相關系數矩陣

由表2相關系數矩陣可知，大多數因素之間都存在一定程度的相關性，且相關系數較高，說明進行主成分分析具有一定合理性。由表3主成分提取結果，可看出前兩個成分的特征值均大于1，其累計貢獻率達94.747%，說明提取的兩個主成分可以很好的概括并解釋原始影響因素的大部分信息，表明主成分提取具有一定合理性。進一步得到因子荷載矩陣見表4。

表4 因子荷載矩陣

2.2.3影響IWUE主要因素

(1)第1主成分中x5、x2、x4、x3和x1占有很大比重，且第1主成分的貢獻率達74.826%，可見增加x5、x2和加大x4具有較大的正貢獻率，符合項目實際情況和測算分析結果。原因如下:

①x5在第1主成分中高達0.999的正荷載，其對灌溉水利用效率的影響并不是簡單的直線關系，但總體上呈正比[18]，通過直接影響渠系水利用系數進一步影響灌溉水利用效率。項目在2016、2017年分別累計完成了項目計劃x5的72%和93%，進展速度相較于其他工程最快，灌溉水利用效率也隨渠系水利用系數的上升而大幅提高，說明提高渠道襯砌率對提高灌溉水利用效率尤為關鍵。渠道襯砌后會減少渠水滲漏，提高渠道的抗沖刷能力，降低渠系糙率，加大流速，增加渠道輸水能力和挾沙能力，擴大灌溉水源，減少因渠道滲漏對地下水的補給量，減少渠道淤積，防止渠內生長雜草，降低灌水成本[19]，是提高渠系水利用系數最快、應用最普遍的工程技術措施之一，對灌溉水利用效率的影響極為顯著。這與Won-Ho Nam[20]、肖雪[21]等研究渠道襯砌對灌溉水利用效率的影響和付強[22]、司振江[23]等對黑龍江省灌溉水利用效率影響因素分析與評價的研究結果一致。

②節水灌溉工程面積是代表一個區域灌溉工程的狀況的主要指標，其占有效灌溉面積的比例與灌溉水有效利用系數有正相關關系[24]。項目實施過程中，x2、x1、x3亦呈逐年增加趨勢，這些措施顯著改變了項目區固有的不利于高效灌溉的土地結構，有效改善了項目區的灌水方式，擴大了高效節水灌溉面積，對于田間灌溉水利用系數的提高產生重要影響，進一步顯著提高灌溉水利用率。

③水利工程項目資金的投入力度，與項目招標、項目進展速度和工程質量密切相關，間接影響灌溉水利用效率的提高。項目實施以來針對水利工程投資力度逐年加大，甚至擠占了其他項目工程的投入，對于項目區灌溉水利用效率連續四年提高有重要貢獻。

(2)在第2主成分中，x6占有較大的正貢獻率，體現在項目區進行分水閘、進水口、渠系交叉建筑物、機耕橋、涵洞等配套建筑物的建設有利于灌溉水利用效率的提高，但第2主成分僅占0.119的貢獻率，可認為此因素影響程度較弱，原因是項目區雖建有一定量的渠系建筑物，但配套設施不夠完善，利用度不夠高。

2.3 灌溉水利用效率預測研究與趨勢分析

2.3.1模型應用

(1)模型建立：假設以表1為非負原始序列，建立各項目區灌溉水利用系數的一階累加生成序列和緊鄰均值生成序列，由最小二乘法估計模型參數。使用Matlab和Excel軟件計算得到各項目區的GM(1，1)模型及白化響應式，見表5。

(2)模型檢驗：計算X(0)的級比，判斷是否滿足σ(0)(k)∈(0.13537.389)和

并由已建立的GM(1，1)模型判斷模型參數是否滿足a∈(-0.4 0.4)。通過計算可得級比和模型參數均滿足條件，可作數列灰預測，即說明建立的GM(1，1)模型是可行且有效的。

(3)精度檢驗：由已建立的模型，計算平均相對誤差，預測精度均在99.96%以上，具體結果見表5。可見所建模型的模擬誤差較小，精度很高，能很好的擬合實際，各項目區擬合如圖2所示。

圖2 各項目區灌溉水利用效率預測值擬合圖

2.3.2預測結果

由上述過程可知模型應用效果理想，然而GM(1，1)模型理論上雖然可以進行長期預測，但真正有實際意義的、精度較高的預測值，僅僅是最近的一二個數據，其它更遠的數據僅反映一種趨勢，因此沒有必要用一個模型去預測未來的所有值[25]。此處利用已建立的模型僅對2018年各地區灌溉水利用效率作出預測，研究指標后期變化趨勢。具體各項目區預測值見表5。

根據預測結果，可見項目區灌溉水利用效率呈持續上升的發展態勢，預計2018年該指標平均值將達到0.60，表明隨著項目進度繼續保持或逐漸加快條件下，各項目區工程投入使用度將提高、渠道修建及配套設施工程持續完善、農田改善和節水灌溉措施進一步加強、項目管理和維護水平上升，進而項目效益發揮也會愈加明顯，灌溉水利用效率也會隨之穩步提高。另外，隨著節水型社會建設的不斷深入和農田水利基礎設施改造力度的加大以及種植結構的優化調整，農業用水效率將會逐漸提高[26]。這對于項目區的農業生產和經濟發展具有重要意義。

表5 各項目區灌溉水利用效率模型預測精度及2018年預測值

3 結語

提高灌溉渠系水利用率是緩解我國水資源供需矛盾的主要措施之一，渠系水利用系數是合理評價渠道工作狀況和節水灌溉工程管理水平的主要指標[8]。提高渠道襯砌率可以提高渠系水利用系數，進而顯著提高IWUE；推行節水灌溉是提高灌溉水利用率和節約水資源的最直接措施[27]，IWUE會隨著項目的持續推進逐漸上升。項目在實施過程中，渠道襯砌的逐步投入使用，使渠系水利用系數由項目前的52.2%提高到了60.8%，節水灌溉工程程度的提高促進田間灌溉水利用系數的提高，綜合作用使得IWUE由46%提高到了54.4%，不僅提高了IWUE，而且為項目區生態環境建設及其它地區農田灌溉節約寶貴的水資源。因此，推進節水灌溉工程建設，減少渠系輸水損失，提高渠系水利用系數[28]，以多種農業節水技術(包括渠系和田間工程的配套與完善，土地平整與標準田塊建設，田間灌水技術改進、節水灌溉制度等)組合成最優配置，形成一套綜合的節水高效農業技術體系，將會使IWUE得到進一步顯著提高[29]。

為進一步提高項目區灌溉水利用效率，本文提出以下建議：

(1)項目區灌溉水利用效率能夠逐年提高，主要得益于部分年度渠道襯砌工程相較于項目年度計劃實現了超額完成，但同時也造成部分渠道襯砌土層太薄，且薄厚不均勻等問題，附加部分項目區工程管理人員作用發揮不佳等因素，影響灌溉水利用效率持續保持現有水平并進一步提高。建議渠道襯砌工程和渠系建筑物及渠系配套建設工程要考慮項目本身和項目區實際情況，配套建筑物與主體工程建設同步進行，既保證項目實施進度，也確保施工質量，加強工程管理，推行責任制，以期在工程建設中發揮好監理作用，間接促進基礎設施建設發揮作用，將工程因素對灌溉水利用效率提高的影響程度降到最低。

(2)雖然各項目區渠系水利用效率和灌溉水利用效率逐年均有不同程度增長，但不同項目區之間差異性明顯，區域間發展不平衡，長期持續可能形成兩極分化，甚至出現負增長，影響項目區灌溉水利用效率整體提高。建議均衡考慮項目區實際發展情況，因地制宜，不同程度的強化工程節水和農藝節水以提高灌溉水的利用，增加非常規水利用和強化管理等為重點，建設節水高效的現代灌溉農業和集雨增效的現代旱作農業戰略舉措[30]，合理分配項目資金及配套資源，促進項目效益整體提升。

(3)專屬水權和有競爭力的水價機制安排能夠有效地鼓勵農民的節水行為[31]，缺水意識對灌溉用水效率有顯著影響[32]，加強灌溉用水管理，不僅本身可提高灌溉用水有效利用系數，而且也是保證各種節水措施正常發揮效益和提高灌溉效益的關鍵[33]。因此建議在項目區建設量水設施，完善項目區農業灌溉用水收費計量標準，加強灌溉用水管理，進行技術指導、示范培訓，廣泛宣傳農業節水知識和成效，扶持農民用水戶協會建設，實現自主管理，從而增強農民節水意識、促進高效節水、提高灌溉水利用效率。