石羊河流域武威屬區高效節水灌溉綜合效益研究

武 雪，牛最榮，張 芮，薛 媛，趙 霞

（甘肅農業大學 水利水電工程學院，蘭州 730070）

0 引 言

高效節水灌溉是指最大限度地降低水資源在輸、灌過程中的無效損失，根據當地供水條件和作物需水規律，充分高效利用灌溉用水，以達到作物的技術經濟性、社會效益、生態效益的最優值[1]。【研究意義】農業高效節水對水資源的可持續利用和區域經濟、社會發展尤為重要，代表了現代農業的發展方向。【本研究的切入點】甘肅石羊河流域武威屬區農業以灌溉為主，農業用水占比高，用水過程中水資源損耗大。隨著人口的增加、工業化、城鎮化的快速發展以及生態環境需水的增加，導致非農業用水量大幅增加，農業灌溉用水不斷被壓縮，發展高效節水灌溉具有十分重要的意義。【研究進展】目前，在政府引導、農戶積極參與等模式下，該區域大力發展高效節水灌溉工程，有效保證了農業節水高效生產。【擬解決的關鍵問題】如何及時、科學評價其綜合效益，總結高效節水灌溉發展經驗，查找存在問題，提出解決對策，對今后該區域和西北內陸河綠洲灌區發展高效節水灌溉工程具有重要的指導意義。區域節水灌溉發展水平的準確評價是保證本地區科學規劃與建設，緩解用水緊張局面，促進水資源高效利用的重要手段，也對保障區域水安全、糧食安全具有重要意義。

國內外節水灌溉效益評價大致經歷了3 個階段：單一工程單項效益評價階段、單一工程綜合效益評價階段以及區域節水綜合效益評價階段。一個區域會同時發展多個節水灌溉工程，因此區域多個節水工程從技術、經濟、生態、環境等方面的綜合效益的評價問題也逐步發展[2]。許多學者對節水灌溉的評價方法作了研究，綜合分析評判法常見的有層次分析法、主成分分析法、Delphi 法、模糊綜合評價法、灰色關聯法、集對分析法等。由于綜合評價是定性與定量、微觀與宏觀、主觀與客觀相結合的評價，常常采用2 種方法耦合的方式進行評價研究。如王書吉[3]采用綜合集成賦權法評價灌區節水改造效益，認為基于單位化約束條件的綜合集成賦權法能兼顧主客觀影響因素，有較好的實際應用價值；李彩會[4]選擇物元-層次分析法對水利建設項目的經濟和影響后評價進行了研究，認為物元分析法可以很好地定量影響后評價中影響程度的優劣分界，層次分析法結合了主觀判斷將推理過程合理量化，避免出現邏輯錯誤；郭乙霏等[5]借助層次分析和模糊數學方法對區域高效節水灌溉進行綜合評價，提出黃淮平原種植區最適宜的灌溉技術是微噴灌；薛媛等[6]提出從項目規劃與實施、政策制定與效果、工程質量與效益、項目運行管理與可持續性等4 個維度，基于層次分析法的模糊綜合評價法研究區域高效節水灌溉的綜合效果。目前，基于層次分析法的模糊綜合評價法已成為一種使用較廣泛的方法，解決復雜的多因素決策問題，既能克服層次分析法對指標不易量化的主觀性，又能避免模糊綜合評價法對指標權重的忽視[7]。

本文以甘肅石羊河流域武威屬區為研究區域，綜合考慮工程規劃、建設、投資、管理、使用等方面，從經濟效益、社會效益和生態效益等方面出發構建評價指標，基于數學模糊理論并結合層次分析法（The Analytic Hierarchy Process，AHP），對甘肅石羊河流域武威屬區高效節水灌溉工程實施后的綜合效益進行評價，得到的結果以0-1 的形式量化呈現，使評價結果更加直觀準確，為節水灌溉技術的進一步實施提供理論依據和技術支撐。

1 研究區高效節水灌溉工程概況

1.1 流域概況

石羊河流域位于河西走廊東端，全流域可分為南部祁連山山地、中部綠洲灌溉區和北部干旱區，貫穿武威市轄區的3 縣1 區，即涼州區、民勤縣、古浪縣和天祝縣。其中涼州區位于河西走廊東端，祁連山北麓，處于石羊河流域中上游；民勤縣地處武威市東北部，石羊河流域下游。石羊河流域武威屬區屬典型的大陸性氣候溫帶干旱區，降水稀少、蒸發強烈、空氣干燥[8]。區域內以農業發展為主，多年平均水資源總量僅11.17 億m3、人均占有量不足600 m3，需水矛盾突出[9-11]。下游地區灌區地下水礦化度高達4.18 g/L以上，地下水質不符合灌溉要求，使用高礦化度水灌溉使鹽堿地面積不斷擴大[12]。

1.2 數據獲取

課題組于2017 年8—9 月在石羊河流域天祝縣、古浪縣、涼州區、民勤縣等武威屬區的所有縣區全覆蓋式開展了實地調查，共調查高效節水灌溉工程46 處，其中低壓管灌13 處，占總調查工程的28%；滴灌28 處，占總調查工程的61%；噴灌5 處，占總調查工程的11%。與水行政管理部門負責人，相關技術人員、農戶等訪談多次，發放調查問卷并收回有效問卷170 份。

通過組織調查組進行現場調查、與當地工作人員座談、入戶訪談和發放調查問卷等方式獲取相關信息。結合參考文獻[13-16]、咨詢相關專家的意見對數據進行了篩選處理，建立了甘肅石羊河流域武威屬區高效節水灌溉指標體系。

2 構建指標體系和評價方法

2.1 評價指標

建立系統評價指標體系，應具有一定的科學性原則、可操作性原則、簡潔性原則和針對性原則。因此，在設定武威區域高效節水灌溉工程綜合效益評價指標體系時，必須圍繞節水、抗旱、增產3 個方面，以經濟效益、生態效益和社會效益3 大尺度為標準，以區域經濟、社會、環境耦合發展為目標，選擇相關指標。參考文獻[17]，確定經濟、社會和生態效益評價指標體系，具體如下：

1）經濟效益指標

高效節水灌溉工程的經濟效益，應從工程本身的可行性和工程的實施對區域農業帶來的變化衡量。最終確定經濟效益指標為：擴大灌溉面積、灌溉水利用系數、水分生產率、工程投資、經濟效益費用比、經濟內部收益率、工程配套完善率、工程使用率和運行管理的難易程度。

①大灌溉面積。擴大灌溉面積實施的節水效應和綜合措施效果的指標之一，在一定程度上能夠反映區域高效節水灌溉工程實施水平。通過實施高效節水灌溉工程，由“澆地”轉向“澆作物”，節約水量是水資源緊缺地區擴大灌溉面積的主要水源。然而每個區域的水資源總量是有限的，這一指標并非越大越好，實施節水必然要改變當地的水文循環，超過上限標準會引起當地環境朝著不利的方向發展。

②灌溉水利用系數。灌溉水利用系數是田間所需水量與渠首引入總水量的比值。綜合反映了灌區的工程狀況、農業水資源利用程度、灌水技術和灌溉用水管理水平，是衡量農業節水程度的重要指標。自2000年以來，我國農田灌溉水有效利用系數不斷提高，2017 年底已達到0.542，在高效節水灌溉項目區甚至達到0.8 以上，與傳統灌溉方式相比，可節水20%～50%[18]，依據《微灌工程技術規范》（GB/T50485—2009）和《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》（GB/T20203—2006），高效節水灌溉方式中低壓管灌灌溉水利用系數≥0.80，滴灌≥0.90。結合我國實際并參考國外節水灌溉先進國家的情況，將其上限定為0.89，下限定為0.80。

③水分生產率。水分生產率是反映節水灌溉效率產出的重要指標之一，也是衡量農業生產水平和農業用水科學性與合理性的綜合指標。它可用作物消耗單位水量的產出量表示。我國現狀水分生產率除個別區域達到較高水平，全國平均水平約為1.0 kg/m3左右。因此，將這一指標的范圍定為0.8～2.0 kg/m3[19]。

④工程投資。工程投資一般是指某項工程從籌建開始到全部竣工投產為止所發生的全部資金投入。高效節水灌溉工程投資是高效節水灌溉工程建設的保證，如果工程投資不能到位將會嚴重影響工程建設質量。

⑤經濟效益費用比。經濟效益費用比（EBCR）通常簡稱益本比，指單位費用所獲得的效益，以項目效益現值與費用現值之比表示，反映了節水灌溉的經濟合理性和可行性。只有當經濟效益費用比大于或等于1 時，該項目才能獲得經濟效益，即經濟上是合理的。

⑥經濟內部收益率。經濟內部收益率（EIRR）是國民經濟評價中的重要指標，用于衡量項目在經濟上是否可行，反映工程項目對當地經濟增長的貢獻指標。根據《水利建設項目經濟評價規范》，經濟內部收益率（EIRR）以項目計算期內各年凈效益現值累計等于0 時的折現率表示[20]。

⑦工程配套完善率。配套工程是指與主體工程相配套的工程，配套工程的完善率直接關系著高效節水灌溉工程的使用效果。

工程配套完善率=工程配套數/工程數×100%。（1）

⑧工程使用率。工程使用率是衡量一個區域高效節水灌溉工程管理水平和經濟收益的重要指標。水利工程技術的管理情況、灌溉技術的應用程度以及農戶的接受和利用情況都直接反映經濟效益情況。

⑨運行管理的難易程度。運行管理的難易程度可從工程運行操作的方便程度和操作人員的勞動力強度等方面來衡量。節水灌溉的管理、運行和維護一般由基層水管單位和農戶負責，如果太復雜，會降低設備的利用率，影響節水灌溉工程的利用程度，從而影響經濟效益。

2）社會效益指標

社會效益是從社會發展層面考慮工程對區域農業、農戶、農業生產、農村發展的影響。最終確定社會效益指標為：符合水利現代化要求程度、符合區域農業結構調整程度、農民個人的增收節支程度、農業用水管理體制改善程度、農民節水意識改進程度。

⑩符合水利現代化要求程度。農田節水灌溉的工程建設不僅從微觀上考慮當地的實際情況，更要從宏觀上考慮符合水利現代化要求的程度，是衡量是否符合現代化農業發展水平的一個重要指標。

?符合區域農業結構調整程度。優化調整農業結構，促進農業農村經濟發展，主要在于糧食作物、經濟作物種植比例的調整。節水灌溉工程技術建設時要考慮是否符合當地區域農業結構調整和農業發展要求。通過推廣管灌、微噴灌，調整區域農業結構，提高人民生活水平。

?農民個人的增收節支程度。節水灌溉工程一般屬于小型農田水利工程或屬于大中型水利工程的田間配套工程，建設和管理大都以農民為主體，因此在重視區域節水整體效益的同時，必須注重農民獲得的真實效益。只有調動農民的積極性和主動性，節水灌溉工程才能獲得一定程度的社會效益。因此，農民增收節支程度可用節水灌溉實施前后農業生產成本和收入的變化來衡量。

?農業用水管理體制改善程度。農業用水管理體制對節水灌溉效益的發揮具有重要作用。一套行之有效的管理體制幫助促進節水灌溉的順利實施，提高農民節水的意識，調動基層水管理單位節水建設的積極性。有效的管理辦法是加快高效節水灌溉工程進程的必要手段。

?農民節水意識改進程度。節水意識的改進是高效節水灌溉工程長效運行的有力保障，由于各種因素的影響，農民的用水意識一直停留在漫灌的誤區中，認為水分和作物之間的關系為水分越多越好。隨著高效節水灌溉知識的不斷普及，農民開始逐漸意識到水分過多會對作物生長帶來不利影響。這個指標可以衡量節水灌溉的社會效益。

3）生態效益指標

農業生產與生態環境建設休戚相關，高效節水灌溉工程的推廣必然會影響到流域或灌區生態環境建設方面。參考文獻[17]，結合武威高效節水灌溉工程發展的實際情況，確定生態效益指標為：節水率、省工率、節地率、對當地生態環境的影響、對水資源環境的影響。

?節水率。節水是發展節水灌溉的初衷，其大小受到工程類型、節水技術、設備先進程度、管理水平等各種因素的綜合影響，很難用一種標準衡量。在相同產量或產值的情況下能否節約灌溉水資源就成為衡量其效益的主要指標。

?省工率。省工率是由節水灌溉前用工數與采用節水灌溉后用工數之差，再除以釆用節水灌溉前用工數得到的，可以反映實施節水灌溉工程前后的管理單位灌溉耕地所需要的勞力變化。

?節地率。節地率可以采用節水灌溉工程實施后擴大的灌溉面積與擴大前的灌溉面積的比值來衡量。表示工程實施前后所占耕地的變化。

?對生態環境的影響。節水灌溉工程的建設必須以保護當地生態環境為前提，以適合和促進當地水循環系統和其他生態系統的良性發展為目的，對生態環境的影響是衡量節水灌溉工程好壞的一個重要指標。

?對水環境的影響。水環境指各種污染物作用于水體的狀況。采用節水灌溉方式會比傳統灌溉方式更加節約水資源，對地表水資源和地下水資源的水量和水質有不同程度的改善。隨著污水灌溉面積的減少，提高產量的同時，水資源污染程度逐漸降低。

2.2 AHP-模糊綜合評價方法

1）AHP 的概念和分析步驟

層次分析法（The Analytic Hierarchy Process，AHP）是由運籌學家薩迪（Saaty. T. L）于1977 年建立的一種非結構決策理論，它可對復雜問題做出準確、科學的決策，改變了人們對復雜問題主要靠主觀判斷進行決策的狀況，特別適用于那些難于完全定量分析的復雜問題。AHP 法具有良好的邏輯性、系統性、簡潔性和實用性等優點，使評價過程能很好地與人的思維過程相擬合，更容易被理解掌握[21]。

AHP 分析法分析問題的步驟[22-25]：

①將總目標分層次，一般來說可以分為3 類：目標層、準則層、因素層，建立層次結構模型。

②對同一層的指標進行比較，運用1-9 標度法構造兩兩比較判斷矩陣C={Cij}。

③采用方根法計算判斷矩陣的最大特征根λmax和特征向量X={x1，x2，…，xn}，計算CI和CR進行判斷矩陣的一致性檢驗，計算方法如式（2）、式（3）。

④當判斷矩陣滿足一致性檢驗，即CR<0.1 時，將對應特征根λmax的特征向量X歸一化后，得到單層次各因素間的權重值W，即層次單排序結果。

⑤利用單排序結果進行總層次排序，這一過程由最高層次到最低層次逐步進行。例如第K準則層權重為Ak，其因素的權重分別為（W11，W12，…，Wij）T，則在總層次中這些因素的權重分別為AkWij，即層次總排序。

2）模糊綜合評價的概述和評價模型

在實際評估過程中，評估對象往往受到各種不確定因素的影響，許多事物并沒有明確的界定，而是處于一種難以把握與掌控的灰色模糊的狀態。模糊綜合評價法[26-28]就是在充分考慮這些模糊因素后基于模糊數學而建立的一種針對項目模糊性的評價方法。

① 單因素評價模型

單個因素的評價采用Ycj=A?R，（j=1，2，…，4）模型，其中Ycj指單因素評價結果，A指影響該因素的各指標所占權重，R指影響該因素的各指標的隸屬度。例如本文經濟效益評價模型見式（4）。

② 綜合評價模型

區域綜合效益評價采用Y=AC·Ycj，（j=1，2，…，4）模型，其中Y指區域綜合效益評價結果，AC指準則層單因素所占權重，Ycj指準則層單因素所屬隸屬度。評價過程見式（5）。

2.3 評價基本流程

武威區域高效節水灌溉工程區域綜合效益評價方法采用層次分析（AHP）和模糊數學理論方法，具體評價流程圖如圖1。

3 評價模型的構建與評價結果

3.1 權重的計算

采用AHP 分析法計算各指標權重，構造判斷矩陣，計算CI和CR，對矩陣的一致性進行計算驗證，一致性較好。

對于準則層指標形成的3 階判斷矩陣，最大特征值λmax=3.025 1，RI=0.58，CI=0.01，CR=0.02<0.1，矩陣滿足一致性要求；同理，相對于因素層指標形成的判斷矩陣，如9 階經濟效益判斷矩陣，5 階社會效益判斷矩陣和5 階生態效益判斷矩陣，其最大特征值λmax分別為9.936 3、5.352 1、5.433 6，計算得CI分別為0.12、0.09、0.11；CR分別為0.05<0.1、0.08<0.1、0.098<0.1。因此，所構造的判斷矩陣均滿足一致性要求，用AHP 法進行各指標權重計算，結果見表1。

圖1 AHP 模糊綜合評價法流程 Fig.1 Flow diagram of evaluation on AHP-fuzzy method

表1 基于AHP 法的各指標權重 Table 1 Weight of indicators based on AHP method

表2 等級劃分標準 Table 2 Grade of indicators

3.2 評價指標等級劃分

節水灌溉綜合效益評價指標分為定量指標和定性指標，本研究根據對試驗區現場調研的情況，在文獻[29]和征求專家意見的基礎上，建立了如下的評價判斷標準（表2）。

定性指標分為5 級，通過專家打分法將其量化，例如符合水利現代化要求程度，將指標分為非常顯著、比較顯著、一般顯著、基本顯著、不顯著5 級標準，分值分別用9～10、7～9、5～7、3～5、0～3 表示；農民節水意識改進程度指標分成節水意識非常強、比較強、一般強、基本強、不強5 級標準，分值分別用9～10、7～9、5～7、3～5、0～3 表示，這樣可以把定性指標量化。

定量指標的數據根據定義來獲取，定性指標根據專家評分法量化。

3.3 隸屬度計算

隸屬度是指評價對象隸屬于評價等級I 級—V 級的程度。根據高效節水灌溉工程綜合效益評價指標與評價等級劃分標準（表2），常采用專家打分的方法確定定性指標的隸屬度，定量指標的隸屬度根據上下限值法確定。根據隸屬度計算方法和現場調查數據，隸屬度的計算結果見表3。

表3 因素層指標隸屬度 Table 3 membership of the factor Layer indicators

3.4 評價結果

以經濟效益，生態效益和社會效益耦合作為區域綜合效益，采用AHP 分析法和模糊數學理論法，研究石羊河流域武威屬區高效節水灌溉工程綜合效益。經濟效益研究結果見式（6）、社會效益研究結果見式（7）、生態效益研究結果見式（8）、區域綜合效益研究結果見式（9）。

根據隸屬度最大原則，計算結果中最大的數值所對應的評價集元素即為最終評價結果。從經濟效益綜合計算結果 1CY（6）、社會效益綜合計算結果 2CY（7）和生態效益綜合計算結果 3CY（8）可以看出，石羊河流域武威屬區經濟效益和生態效益評價等級為I 級，社會效益為Ⅱ級。

從綜合效益計算結果Y（9）可以看出，石羊河流域武威屬區高效節水灌溉工程實施后的綜合效益評價等級為I 級。

從各指標的隸屬度（表3）可以看出，石羊河流域武威屬區高效節水灌溉工程對當地生態環境的影響（C34）、對當地水環境的影響（C35）和灌溉水利用系數（C12）都屬I 級，正向影響顯著；符合水利化發展水平程度（C21）為Ⅱ級；對區域農業結構調整程度（C22）的符合度較低，為Ⅲ級。進一步加強對農業結構調整的耦合度是石羊河流域武威屬區高效節水灌溉工程非常重要的一步。

4 討論與結論

1）從評價結果看，石羊河流域武威屬區經濟效益和生態效益評價等級為I 級，社會效益為Ⅱ級。這一結果與一些學者[6,30]的觀點相吻合。譙修全[31]提出，石羊河流域武威屬區在實施高效節水灌溉項目以來，作物普遍增產15%～30%，節水率提高了30%左右；農業用水總量得到了有效控制，地下水開采量逐步趨于穩定，部分區域出現了逐年下降的良好態勢。高效節水灌溉項目為農業和生態可持續發展及水資源可持續利用方面發揮了重要作用。因此，建議繼續加快推進高效節水灌溉工程建設，實現經濟-社會-生態協調可持續發展。

2）對區域農業結構調整程度（C22）的符合度較低，為Ⅲ級。主要原因是農業種植相對效益較低、農戶調整種植結構的積極性不高、農村勞動力缺乏，基本為老人和留守兒童、缺乏調整種植結構的意識和能力。因此，加大作物種植結構調整和土地流轉力度，以虛擬水資源戰略為重要舉措，擴大低耗水、高收益、適宜滴灌的（葡萄、瓜果等）特色作物種植面積，通過種植大戶推進高效節水灌溉工程，擴大和夯實高效節水灌溉項目的節水能力，為當地生態屏障建設騰退足夠水量。同時，政府部門應出臺相應節水恢復生態專項補償配套政策，保證農戶節水不增負、節水能持續，為石羊河流域武威屬區的農業邁向現代化進程奠定基礎。

3）本文選擇高效節水灌溉工程綜合效益評價的區域大尺度評價，為石羊河流域武威屬區水資源科學規劃、合理配置和高效利用提供基礎，也對保障區域水安全、糧食安全具有重要意義。