遼寧省農業用水效率評價

王賀余

(遼寧省白石水庫管理局有限責任公司，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

調查資料顯示，全國總用水量的62.5%為農業灌溉水，用水量達到3842.5億m3，其用水效率為0.52顯著低于發達國家先進水平。遼寧省屬于中國東北地區重要的糧食生產基地，境內各支流縱橫交錯、蜿蜒曲折，雨量充沛且水源豐富，其中農業用水分比重達到55%以上且以林牧漁業和農田灌溉用水為主，2017年遼寧省農田灌溉用水和農業用水分別為277.5億m3和316.2億m3，用水效率相對于發達國家和全國平均水平仍具有較大差距，當前存在巨大的節水潛力。近年來，人口的增加和社會的發展使得遼寧省用水量急劇增加，水資源供需緊張為當前面臨的突出問題，其中造成該問題的主要根源是農業用水所占比過大，大量的農業用水對社會經濟的可持續發展產生嚴重的制約，進一步激化了原本緊張的水資源供需矛盾。所以，開展用水效率評價模型的研究具有重要意義[1-7]。

1 農業用水效率研究現狀

農業用水效率評價屬于一項多層次、多要素復雜的系統性問題，對水資源的產出效率按照經濟學生產函數法分析具有一定適用性，通過構建系統完善的指標體系能夠較好的解決耗水、輸配水等用水效率信息缺乏的問題。當前，關于農業用水效率的評價總體可分為如下兩大類：①農業水資源的投入產出利用生產函數模型和經濟學理論分析，由此確定用水效率；②選用合適的評價指標和模型分析用水效率。Kaneko等對多個省份的農業用水效率利用隨機前沿分析SFA法進行了系統分析；王學淵等[8]依據全國31個省區統計數據和農業水資源生產配置效率模型，評價分析了中國宏觀層面的用水效率，并對比分析了DEA理論和SFA法測算結果的準確性；劉渝等[9]以湖北省17個地區為例，利用DEA模型評價分析不同區域的農業用水效率，通過對引起用水效率低下的原因分析提出生態效益為影響水資源利用的重要參數；葉瀾濤等[10]采用模糊數學法和灌溉水生產率、水資源利用系數等指標，綜合評價了灌區灌溉用水效率。文章結合現有研究資料和遼寧省農業用水現狀，從灌溉面積和灌溉水利用等方面選取6項指標構建評價體系，將模糊物元法和奇異值分解法相耦合綜合評價2008-2017年遼寧省農業用水效率。

2 改進的AHP模糊物元模型

2.1 基于奇異值分解權重計算

Saaty教授提出了一種綜合考慮定量計算與定性分析的多屬性系統決策的AHP層次分析法，可將決策者個人因素與評價中的復雜因素相結合，通過定量化處理專家經驗有效解決了忽視決策者偏好而過于追求數據統計規律的問題。AHP法在定量評價多層次、多要素水資源領域的應用越來越廣泛，且特征向量EM法為已有案例中應用最多的權重計算法，但以主特征向量近似的作為未知權重仍存在一定的質疑。對此，學者Gass S I與Golany B按照信息法則和矩陣最優近似定理提出了奇異值分解SVD法，決策偏好的最優近似為奇異值分解權重計算的基本依據。針對農業用水效率各指標權重的計算，考慮對傳統的AHP法利用奇異值分解加以改進，詳細流程如下：

1)判斷矩陣的構造。農業用水效率各評價指標相對于上一層目標的重要程度按照專家咨詢法和Satty教授提出的1-9標度法確定，各層次兩兩判斷矩陣按照梯階層次結構構造。設定A為存在4項指標的準則層兩兩判斷矩陣，則參數1相對于2的重要度可表示為b12，由此構造的矩陣為：

(1)

2)評價指標權重奇異值分解計算。設n×n階矩陣為A，則利用奇異值分解公式(2)對矩陣A進行處理，即：

(2)

3)計算權重。若A為農業用水效率完全判斷矩陣，則采用下式求解權重向量：

(3)

式中：wi為農業用水效率評價指標i的權重，即第i各權重向量分量。

若A為農業用水效率非完全判斷矩陣，則可接受的最優矩陣權重利用信息量公式求解，其表達式為：

(4)

2.2 模糊物元模型

針對存在不確定性、模糊性的農業用水效率評價，模糊物元模型具有較強的適用性與可行性。設參評樣本為2008-2017年的遼寧省農業用水效率，采用物元模型評價分析各年份的效率水平，具體步驟如下：

1)步驟1：構造模糊物元矩陣。選取2008-2017年農業用水效率為參評樣本，各年份參評指標均有6個，由此可構造模糊物元矩陣為：

(5)

式中：xij為參評方案j中第i個指標的模糊量值，其中i=1,2,…,6；j=1,2,…,10。

2)步驟2：求解差平方矩陣。標準模糊物元矩陣R0n按照各參評因子的最大從優隸屬度值構造，差平方矩陣R△采用標準模糊物元中元素與各指標從優隸屬度的差平凡構造。從優隸屬度與標準模糊物元R0n中各項差的平方表示為△ij，i=1,2,…,6；j=1,2,…,10，矩陣表達式為：

(6)

3)步驟3：生成帖進度。參評樣本優劣排序的基本依據帖進度的大小，農業用水效率最終評價結果利用歐式帖進度ρij生成，其計算公式為：

RρH=[ρH1，ρH2…，ρH10]

(7)

(8)

3 綜合評價體系

3.1 農業用水效率評價

為農田灌溉的高效用水總體目標必須采用系統、完善的指標體系，例如王國華、李紹飛等選取水分生產效率、水資源利用系數、節水灌溉面積占比等構建綜合評價體系，但按照田間水和渠系水利用情況獲取的灌溉水利用率，在過程中存在信息重疊的現象，從而導致評價結果與實際情況存在一定的偏差；封志明等選取水分利用率、節水潛力、水分盈虧率、灌溉效率、降水量、耗水生產效率等指標建立農業用水效率評價體系，由于不同評價指標的相容性較差，因此部分指標值在數據資料缺乏的區域難以獲取；邵東國等從種植面積、灌溉面積和灌溉水利用三大子系統中選取糧食作物種植比、節水灌溉面積率、單方水產值和灌溉水有效利用系數等具有較強代表性的指標建立評價體系。根據結合遼寧省農業水資源分布特征，綜合考慮國內外現有研究成果和相關資料，在遵循代表性、層次性、科學性、可獲取性、區域性、獨立性和整體性等原則的基礎上，選取節水灌溉面積率、單方水產值、農田灌溉水耗水率等典型指標建立評價體系，然后采用SVD法計算確定各項評價指標權重，遼寧省農業用水效率評價體系，見表1。

表1 遼寧省農業用水效率評價體系

根據遼寧省農業統計年鑒、水資源公報、農業經濟調查報告等相關資料提取2008-2017年農業用水效率各指標初始值，個別指標結合農業水資源實際情況和專家意見確定。2008-2017年遼寧省農業用水效率各指標初始值，見表2。

表2 2008-2017年遼寧省農業用水效率各指標初始值

根據各指標變異系數和序列值可知，數據存在較小的變異特征。將遼寧省2008-2017年的農業用水效率評價值利用基于奇異值分解的模糊物元模型確定，結果發現最終評價值均>0.70，最大值為0.94，可見該評價結果與真實狀況存在一定偏差。農業用水效率評價數據的區分度不大且總體處于較高水平，不利于農業用水效率不同年份間的對比分析。鑒于此，文章采用極值無量綱法處理各指標初始數據，由此放大不同指標間的差異性，效益型和成本指標的無量綱化處理公式為：

(9)

(10)

采用模糊物元模型和處理后的指標數據，經計算輸出具有較高區分度的農業用水效率評價結果，2008-2017年遼寧省農業用水效率，見表3。

3.2 結果分析

采用直方分布及其移動均曲線反映農業用水效率評價值，遼寧省2008-2017年農業用水效率，見圖1。根據圖1可知，遼寧省2008-2018年農業用水效率最大值為2017年的0.684，多年平均值為0.424，不同年份之間未呈現出明顯的數值聚集現象，整體上分布較為均為。遼寧省農業用水效率總體表現出波動上升的變化特征，除個別年份(2010年、2014年)其它年份均呈增大趨勢。遼寧省農業用水效率峰值發生在2013年和2017年，依據初始數據統計結果2013年的作物水分利用率最低且農田灌溉耗水率最低，2017年的耕地有效館概率、節水灌溉面積率和單方水產值均達到最大值，各指標變化趨勢與綜合評價結果保持較高的一致性，這也體現了評價模型和選取的指標具有良好適用性與可行性。

表3 2008-2017年遼寧省農業用水效率

圖1 遼寧省2008-2017年農業用水效率

4 結 論

1)針對判斷矩陣權重利用奇異值分解法求解，模糊物元模型的初始輸入數據為極值無量綱化處理后的指標系列值，由此放大了不同指標之間的差異性，評價結果能夠更加直觀、明顯的反映不同年份的用水效率差異性。遼寧省農業用水效率總體表現出波動上升的變化特征，除個別年份(2010年、2014年)其它年份均有所增加。

2)遼寧省大部分流域中上游和60%-70%的降水發生在汛期，水資源可利用率較低。遼西、遼東地區存在較大的水資源差異，遼西地區降水量總體小于遼東。根據遼寧省最嚴格水資源管理和可持續發展規劃，該區域特殊和中等干旱年缺水量達到48.2、28.5億m3。評價結果顯示，遼寧省仍存在較大的節水潛力，用水效率呈不斷增大趨勢。所以，解決遼寧省水資源供給矛盾的根本途徑是提高農業水資源利用效率和加強農業節水技術推廣。

3)文章所構造的評價模型仍存在一定的優化空間，如對于實際情況與權重計算存在較大差異時，如何更加合理、準確的構造判斷矩陣；采用極值無量綱法處理評價指標初始數據，雖然可方法不同年份的差異性，但評價結果使得用水效率值總體偏小，如何增大區分度值仍需要進一步的深入研究。