盤山灌區節水綜合效益評價

張洪梅

(盤山縣住建事務服務中心，遼寧 盤錦124100)

0 引 言

近年來，我農業用水占比受生活、工業等用水量的增大呈下降趨勢，但仍處于超過60%的較高水平，在落實節水優先戰略中農業灌溉用水占據重要地位。實現農業可持續發展和解決水制約因素的關鍵是提高農業灌溉節水水平，加強對節水農業的發展。節水農業的發展會增加農業生產成本，投入相關的技術設備，這使得當地管理部門和農民生產技術面臨著許多挑戰，屬于一項社會經濟和生產技術的復雜問題[1]。所以，建立一套科學適用的評價體系和方法，特別是在荒漠、干旱缺水區科學評價灌溉節水效益，可為改善周邊生態環境、涵養水源、維護區域內植被、減輕風沙威脅和抑制水土流失等發揮積極的作用。科學評價節水農業綜合效益，有利于提高糧食產量和了解節水狀態，可為指導灌區節水發展提供理論依據。當前，相關研究側重于對生態環境、經濟和社會等3方面的評價分析，較為常用的方法有灰色關聯法、層次分析法等，雖然選取的指標能夠普遍反映節水灌溉狀況，但對于權重計算、指標選擇的合理性缺乏更深層次的解釋[2-5]。文章結合盤山灌區近5年相關資料，考慮節水農業的特點及綜合效益評價思路提出Topsis法耦合多目標評價模型，確定灌區節水農業效益變化規律及其各年份的綜合評分。

1 灌區概況

盤山灌區位于遼寧省西南部，處于遼河、大遼河、繞陽河、大凌河四河流的下游，介于E121°27'-122°29'、N40°25'-41°27'之間，占地面積1072km2，其中耕地面積5.04萬hm2，設計和實灌面積3.91萬hm2、3.71萬hm2，屬于遼寧省大型灌區之一。盤山灌區已形成林成線、渠成網、田成方的大型灌區，經過長期的服役運行灌區普遍存在水利設施老化、原配套程度低、用水損失嚴重、工程標準偏低、渠系淤積等問題，加之運行管理不善等因素作用加速了灌區的老化失修。在實際運行過程中渠系坍塌、脫坡、決口和沖刷等問題普遍存在，倒吸虹、渡槽和水閘等均受到不同程度的破壞，近年來水資源短缺使得水田減產問題突出[6-7]。

為提升灌溉水利用率和整個灌區運行效率，逐步擺脫灌區低效率、高能耗、低標準的現狀，盤山縣水利局本著節水防滲、連片集中、重點突出和注重實效的原則，將亟待解決改造渠系和重點項目列入改造范圍[8-9]。盤山灌區節水改造二期項目建設任務共包括60項：重建12座、維修7座灌排站，重建橋6座，重建8座穿堤涵洞、1座倒虹吸和7座渡槽，節水襯砌3處，干渠清擴7處，重建、新建和維修閘5座、1座、3座。為了更加充分的利用有限的建設資金，最大限度的發揮節水改造項目的功能效應，文章結合盤山灌區相關資料和節水農業特點，運用多目標Topsis評價模型揭示了節水農業效益變化特征及其綜合效益。

2 研究方法

2.1 數據來源

灌區節水效益評價相關數據分為定量和定性兩大類，選取盤山縣十三五規劃和2018年統計年鑒作為社會經濟數據來源，盤山灌區節水改造二期初步設計報告獲取其它定量數據。采用專家評分法確定定性數據，將評價指標劃分為很差、差、一般、較好、好5個等級，所對應的評分值為0-3、3-5、5-7、7-9、9-10。

2.2 研究方法

2.2.1 評價體系

現代節水農業有效集成了各種管理、農藝和工程，而不僅僅為單一的某項現代化技術，所以相應的效益評價標準應為一個系統、完善的體系。文章遵循針對性、簡潔性、實用性和科學性等原則，結合遼陽灌區環境特征、相關政策、自然條件和社會經濟狀況，充分考慮環境、社會和經濟效益各因子之間的復雜關系，借鑒國內外研究成果和文獻資料，選取能夠反映灌區節水效益的22個典型指標，構建包含定量和定性指標的效益評價體系如表1所示。

節水效益評價涉及到的范圍廣、因素多，因此選用多目標綜合評價法確定灌區節水農業效益水平，其數學表達式如下：

(1)

式中：R為灌區節水效益評價值；aij、wij為評價指標標準化數值及其權重系數；wi為準則層各評價因子。

2.2.2 綜合效益評價模型

1)主成分降維處理。降維處理為主成分分析的核心，它是利用線性組合的方法將原來彼此相關的多個指標轉化為不相關或彼此獨立的個數較少的綜合指標。所研究問題的某些信息通過每個變量來描述，且在不同程度上各因子間存在相關性，所以統計獲取的數據信息往往存在重疊，在定量分析時人們自然希望能夠以減少的變量獲取較多的信息，對于這一問題的處理主成分分析法具有較強的適用性和可行性。

表1 灌區節水效益評價體系

2)Topsis效益評價。Topsis法是一種基于客觀數據的逼近理想解的評價法，在實際應用時能夠保證評價結果的客觀準確性。其中，最劣和最優方案的確定為Topsis法的計算基礎，通過獲取參評樣本距離最劣和最優方案的貼近程度，確定最終的評價結果，其主要流程如下：

步驟一：根據選擇的m個評價指標和盤山灌區效益評價的n個參評對象，構造初始矩陣如下：

X=(Xij)n×m

(2)

依據各指標的具體內涵將評價體系分為高優、低優兩類指標，針對越大越優和越小越優型指標的歸一化處理公式如下：

(3)

步驟二：在歸一化處理過程中對各指標權重利用變異系數法確定，從而獲取轉化后的標準矩陣，即：Z=(Zij)n×m。由此，采用最大和最小指標值構成最劣、最優向量，其表達式如下：

(4)

根據相對接近度Ci值運算結果對參評樣本的優劣程度排序，考慮到灌區節水改造效益和Topsis效益評價模式的一致性，獲取的相對接近度值越大則效益越好。

步驟三：各指標客觀權重利用變異系數法求解，將變異系數賦權法和逼近理想解的Topsis法相耦合構建灌區節水效益評價模型。建模思路為：將各指標權重運用變異系數法求解，從而建立標準化加權決策矩陣，運用相關公式求解各個方案與正、負理想點之間的貼近度，結合帖進度大小排列方案。

評價過程中因各要素單位和量綱存在差異，無法直接用于差別程度的對比分析。為消除各要素間的不可通透性，有必要對各項指標取值差異度利用變異系數來衡量，其數學公式如下：

(5)

式中：Rj、Dj、δj為評價因子j的均值、均方差和變異系數。

對灌區節水效益評價體系中的各項指標利用SPSS分析軟件降維處理，從而獲取節水綜合效益評分矩陣，通過對評分矩陣的運算確定各因子權重及灌區綜合效益。

3 結果分析

3.1 準則層效益指標

將盤山灌區節水農業狀況利用22項效益評價指標分析[10]，運用SPSS主成分處理軟件和Topsis標準化方法確定各指標貢獻率及特征值，如表2所示。通常條件下，確定主成分個數的方法包括累計貢獻率達到85%和特征值>1的兩種方法，文章選取前者確定3個主成分。將原評價體系中的22個初始變量利用這3個主成分替代，其累計貢獻率>91%滿足要求，由此不僅實現了降維處理的目的，而且更加準確的體現了2014-2018年盤山灌區的節水效益變化特征。

表2 灌區節水效益評價主成分累計貢獻率

盤山灌區各主成分不同年份的評分矩陣利用SPSS軟件獲取見表3，然后運用變異系數運算公式和主成分評分值確定主成分F1、F2、F3的權重值為0.3628、0.3361、0.3011。

表3 灌區節水效益評價主成分評分矩陣

從表3可知，節水效益評分最低和最高者為第三、第一主成分。

人均生產總值、經濟效益費用比、水分生產率、內部收益率、灌溉水利用系數、農業用水量、主要農作物面積與第一主成分之間存在正相關性，而投資回收年限與第一主成分呈負相關，可見灌區節水改造項目的經濟效益不顯著。這些指標主要對盤山灌區經濟效益產生影響，反映了灌區經濟發展和用水情況。換而言之，灌區節水效益隨著區域經濟實力的提升呈增大趨勢，這可能與改善當地用水結構、促進節水農業改造和地區經濟發展相關。較其它主成分權重，第一主成分為最高值0.3628，可為區域農業發展和灌區節水改造提供一定指導。

節水機制推廣水平、水費實收率、計量收費普及率、工程配套完善率、用水者協會管理面積、節水工程管護水平、政策法規配套率、用戶參與水平與第二主成分呈顯著正相關性，其權重值為0.3361，第二主成分體現了節水灌溉的社會效益水平。近年來，隨著灌區農業信息化、產業化、機械化和農民速度的大幅度提升，為鼓勵灌區節水農業發展當地政府制定實施了一系列優惠政策，建立了專業化服務體系和噴灌企業，對調動農民投資發展節水灌溉的積極性和促進灌區農業經濟發展具有積極作用，保證了灌區節水效益的長期發揮和節水農業的建設質量。

森林覆蓋率、排澇標準達標率、地下水及地表水資源利用率與第三主成分之間呈正相關性，其權重為最低值0.3011，可見第三主成分對生態環境的影響較為顯著，且在節水改造項目實施過程中對生態環境的注重程度還不夠。地表水為盤山灌區的農業用水來源，然而在每年的5-6月用水高峰期其自然降水量較少，水田渴水和春季干旱的現象頻繁出現。盤山灌區地下水較為豐富，為緩解春季農業灌溉用水和工業發展水資源供給不足的問題，在合理開發地下水的同時要防止出現大水漫灌的出現。節水效益評價指標主成分評分矩陣見表4。

表4 節水效益評價指標主成分評分矩陣

盤山灌區2014-2018年效益評價值見表5。

準則層指標Ai的效益水平利用理論分解模型確定，表達式為：

Ai=Wijaij

(7)

式中：aij、wij為參評因子數值及其對應的權重。

表5 盤山灌區2014-2018年效益評價值

從表5運算結果可知，隨著時間的推移灌區節水經濟效益呈不斷增大趨勢，且較生態環境和社會效益而言經濟效益更加顯著。盤山灌區節水改造項目的實施在很大程度上促進了農村地區的發展和農業生產，調查顯示盤山灌區節水改造二期項目的總經濟效益年收入達到1689.75萬元。

從社會效益的角度分析，盤山灌區節水改造項目的經濟功能高于社會功能，管理人員的費用開支主要來源于灌區水費收入。因農業灌溉用水價格較低，水費僅夠維持臨時工程的維修和灌區正常管理，加之農業節水意識薄弱及農業大水漫灌模式較為常見，當地管理部門應加大節水宣傳力度和各部門之間的協同配合，切實做好節水農業的示范和節水灌溉技術服務工作。

依據以上評價結果，盤山灌區節水灌溉二期項目的社會、經濟效益遠遠高于生態效益，2014-2018年生態效益處于0.120-0.256范圍。隨著年份的增加效益值呈不斷上升趨勢，該變化特征與灌區實際情況基本相符。

3.2 綜合效益評價

根據各主成分權重計算結果及其評分矩陣，采用Topsis法確定盤山灌區不同年份的節水綜合效益距離最劣、最優方案的程度值Ci，如圖1和表6所示。

表6 盤山灌區節水灌溉效益Topsis評價統計量

圖1 盤山灌區節水灌溉綜合效益值

根據圖1和表6可知，盤山灌區2014-2016年節水灌溉效益存在一定差異，其中2018年的Ci值達到最大為0.680、最低值為2014年的0.578，該評價結果與灌區實際情況基本相符，可見所構建的評價體系和方法具有較強的適用性與可靠性。

灌區節水綜合效益評價涉及建設投資、工程設計、區域經濟發展等各個方面，建立健全節水機理機制、合理確定水價、政府的重視程度等管理策略對于提升灌溉節水效益十分重要。在灌區用水管理決策中農業節水管理政策發揮著主導作用，對于合理選擇符合經濟發展目標的管理模式極其重要。另外，為促進灌區節水持續、穩定、健康的發展，還要注重提升生態環境質量和優化水土資源，強調生態環境保護受節水農業發展的影響作用。

4 結 論

1)灌區節水灌溉涉及到的范圍廣、因素多，結合國內外研究成果和盤山灌區節水改造特點，從生態環境、經濟和社會3個方面選取能夠反映灌區狀況的評價因子構建指標體系。然后對參評因子利用主成分法簡化，從而確定累計貢獻率超過85%的3個主成分，由此消除了相關性因子對效益評價的影響，并對盤山灌區節水改造效益利用Topsis方法科學評價。結果發現，盤山灌區節水改造綜合效益最大和最小年份為2018年、2014年，評價結果與灌區實際情況基本相符，所構建的評價體系和方法具有較強的適用性與可靠性。

2)結合以上分析結果，應綜合考慮生態、經濟和社會效益的協調統一制定科學合理的灌區節水農業發展規劃，從技術經濟的角度加強農業節水灌溉研究，多渠道促進農業節水發展和灌溉資金的投入，強化各部門之間的協調配合和農業節水宣傳力度，做好節水農業的示范和節水灌溉技術服務工作。