盤山灌區節水農業綜合效益評價

楊 揚

(遼寧省盤山縣農業水利事務服務中心，遼寧 盤錦 124000)

0 引 言

我國屬于農業、灌溉和人口大國，農業用水占比處于60%以上的較高水平，農業是我國第一用水大戶以及“節水優先”戰略落實的主戰場。農業灌溉節水水平的提升和大力發展節水農業，為實現農業可持續發展及解決我國水制約因素的必然要求。農業生產成本的增加、相關技術設備的投入屬于發展節水農業重點考慮的問題，這給當地管理部門與農民生產技術帶來了挑戰，也是一個涉及經濟、社會、技術的系統性問題。因此，如何構建科學適用的評價模型和指標體系已成為現今研究的熱點，特別是對缺水的荒漠或干旱地區，準確評價節水農業效益有利于減輕區域風沙威脅、涵養水源、抑制土壤侵蝕、維護林草植被等，并對改善周邊生態環境、調節微氣候發揮著明顯成效。通過評價節水農業效益有助于指導農業未來發展方向，掌握灌區節水狀態以及提升糧食產量。現有研究開展的綜合評價一般涉及生態環境、經濟、社會等方面，應用的綜合評價法以灰色關聯法、層次分析法等傳統方法為主，盡管選擇的普適性指標可以反映節水農業實際情況，但對權重的合理性和指標的選擇確定還缺乏更深層次的解釋[1-4]。鑒于此，文章嘗試以盤山灌區節水改造二期工程為例，結合農業節水的特點以及參評因子選取、降維、綜合評價的流程，利用Topsis多目標模型合理評價灌區的節水效益。

1 研究區概況

盤山灌區地處遼河三角洲沖積平原，位于大凌河、繞陽河、遼河、大遼河四河流的下游，東隔遼河、外遼河與海城市、臺安縣相鄰，西靠北寧、凌海兩市，南接市內興隆臺區與大洼縣，西南瀕臨遼東灣，總面積1072km2。灌區內耕地面積5.05×104hm2，設計和實灌面積3.91×104hm2、3.71×104hm2，為遼寧省主要的產量區之一。根據盤山灌區各規劃水平年水資源供需平衡分析，灌區水田灌溉具有一定的水源保證，但由于灌溉水利用系數低、泵站老化損壞嚴重等，部分泵站出水流量僅達到設計的60%。盤山灌區無獨立水源，供水受上游來水限制，往往需要短時間大流量集中供水，2015年用水高峰泡插期用水量為1.2億m3，而灌區總設計提水能力合計230 m3/s ，實際提水能力達到202 m3/s ，提水站日工作按21h 計，該時段排灌站可提水量為1.145億m3，2015年水田缺水550萬m3。灌區提水能力不能滿足各水平年的需水要求，也就是水源有水引不到田間，需對灌區泵站及其渠系建筑物進行更新改造。

盤山灌區節水改造二期工程項目共有60項，排灌站19座(其中重建7座，維修12座)；橋6座(均為重建)；閘9座(其中重建5座，新建1座，維修3座)；穿堤涵洞8座(均為重建)；渡槽7座(均為重建)；倒虹吸1座(均為重建)；干渠清擴7處；節水襯砌3處。通過進一步更新、改造灌區建筑物，提高灌區水利用率和灌區整體運行效率，改善生態環境，加強農業生產措施，逐步擺脫灌區低效率、高能耗、低標準的狀態。

2 數據與方法

2.1 數據來源

定量與定性數據為文中數據兩大類型，其中灌區節水改造相關數據、社會經濟數據來源于《盤山灌區節水改造二期工程初步設計報告》、《盤山縣十三五規劃》和《盤山縣統計年鑒(2016)》等資料；根據專家評分法獲取定性數據，按照0-3、3-5、5-7、7-9、9-10的評分區間劃分很差、差、一般、較好、好5個等級。

2.2 研究方法

2.2.1 評價模型及指標體系

綜合集成各種農藝、管理、工程等措施的現代節水農業，不再局限于某單項技術的現代化，故需要以一個指標體系全面分析節水農業效益[5]。文章結合盤山灌區環境特點、自然條件、相關政策和社會經濟狀況，充分考慮灌區節水農業的關鍵性制約因素及其復雜關系，參考相關文獻資料和國內外研究成果，遵循針對性、便捷性、科學性和實用性等原則，從環境、經濟、社會3個方面選擇22項效益評價指標，并將定量與定性指標結合構建綜合評價體系，如表1。

節水農業效益評價涉及因素多、覆蓋范圍廣，一般利用多目標綜合法評價灌區節水效益狀況，即利用以下數學模型評價灌區節水效益：

(1)

式中：wi、wij為系統層和指標層所有參評指標權重；aij為參評指標標準化數值；R為農業節水綜合效益。

2.2.2 降維處理及研究方法

1)參評指標的降維處理——主成分分析法。該方法是利用線性組合的方式將原來多個且彼此相關的指標轉化為個數較少且不相關或彼此獨立的綜合指標，其核心為降維處理。參評樣本的數據信息在不同程度上體現在每個變量上，且各因素之間具有密切關聯，因此統計的數據信息大多存在一定的重疊，定量分析時人們自然希望獲取的信息量較多而涉及的變量較少，針對此類問題主成分分析法的可行性和適用性較強。

表1 節水農業效益指標體系

2)節水農業效益評價——Topsis法。該方法是以客觀數據為計算基礎的逼近理想解評價法，其客觀性、準確性較好。采用Topsis法的基礎為確定最優和最劣評價方案，并準確計算最劣和最優方案與參評樣本的距離，明確最優方案與各參評樣本的貼近程度，以此作為評價的根本依據，其實現流程為：

步驟1：結合農業節水效益評價的m項指標和n個參評樣本，構造初始指標矩陣：

X=(Xij)n×m

(2)

充分考慮不同指標的內涵特征，將所有參評因素劃分為高優、低優兩大類型，對于越大越優或越小越優型指標，利用以下公式歸一化處理：

(3)

步驟2：完成初始數據歸一化處理后，對各項參評指標利用變異系數法賦予權重，由此構造轉化矩陣：

Z=(Zij)n×m

(4)

將所有參評樣本中各項指標的最小、最大值集成，由此構成節水農業效益評價的最劣、最優向量，即：

Z+=(Zmax1,Zmax2,Λ,Zmaxn，)
Z-=(Zmin1,Zmin2,Λ,Zminm，)

(5)

然后對參評樣本的優劣程度按照相對接近度Ci值排序，由于Topsis效益型評價模式與節水農業效益評價的一致性，故其值越高則節水農業效益越好。

步驟3：將評價指標權重利用客觀賦權法——變異系數法計算，將逼近理想解的Topsis法與變異系數賦權法相耦合構建節水農業優選模型。其實現流程為：針對指標權重利用變異系數法計算，由此構造標準化加權決策矩陣，并利用有關公式求解各個決策方案與正、負理想點間的相對接近度，依據接近度大小排列方案優劣程度。

考慮到不同指標的量綱或單位存在差異，無法直接參與差別程度的評價分析。為消除不同量綱帶來的效益評價不可通透性，可以對指標值的差異程度利用變異系數來度量，其計算公式為：

(6)

式中：Dj、Rj、δj為參評指標j的均方差、均值和變異系數。采用SPSS主成分分析軟件降維處理節水農業效益評價的各項指標，由此確定節水農業效益主成分評分矩陣，將Topsis法與熵權權重相耦合，以評分矩陣為基礎評價灌區綜合效益。

3 結果與分析

3.1 準則層指標分析

根據已選取的22項指標反映盤山灌區的節水效益狀況，綜合利用Topsis中數據標準化法和SPSS主成分分析軟件計算各指標貢獻率與特征值。一般地，按特征值大于1或累計貢獻率達到85%的原則提取主成分，由此選取的主成分個數如表2。原有的22個原始變量利用3個主成分來替代，該條件下的累計貢獻率達到94%符合要求，從而實現復雜數據的降維數據，更加客觀、準確的揭示2012-2016年盤山灌區的節水農業變化規律。

表2 主成分的累計貢獻率

2012-2016年各主成分評分利用SPSS軟件計算，如表3。采用變異系數公式輸入各主成分評分，在此基礎上確定相應的權重，即F1、F2、F3的主成分權值為0.3619、0.3364、0.3017。由此可知，降維處理后權重最高和最低的為第一、第三主成分。

表3 灌區節水效益評價主成分評分矩陣

由表4可知，第一主成分與人均生產總值、水分生產率、經濟效益費用比、內部收益率、農業用水量、灌溉水利用系數、主要農作物產量之間存在正相關性，而投資回收年限與第一主成分呈負相關，由此表明節水改造工程的經濟效益不明顯。盤山灌區的經濟發展及用水狀況可以利用以上指標來衡量，這也是反映灌區經濟效益的主要參數。換句話說，灌區節水農業效益隨著地區經濟實力的提升而提高，其原因為地區經濟基礎有利于改善灌區用水結構以及節水農業的利用。所有權重中第一主成分的權值最高為0.3619，對促進區域經濟發展和農業節水具有積極作用[6,7]。

第二主成分與節水機制推廣水平、計量收費普及率、水費實收率、工程配套完善率、節水工程管護水平、用水者協會管理面積、政策法規配套率、用戶參與水平呈顯著正相關性，其權值為0.3364，這也是反映灌區社會效益的主要參數。近年來，隨著農民素質以及農業信息化、產業化、機械化的快速提升，當地政府建立保障制度、組建專業化噴灌服務體系以及制定鼓勵節水農業發展的優惠政策，對保證節水農業效益、建設質量的長效發揮以及調動農民群眾投資發展節水農業的積極性發揮著重要作用，為實現節水農業的持續發展提供了重要保障。

表4 主成分評分系數矩陣

第三主成分與森林覆蓋率、灌區地下水利用率、澇標準達標率、地表水利用率呈正相關性，這也是反映灌區生態效益的主要參數。所有權重中第三主成分權重最小為0.3017，由此表明當地沒有足夠的重視灌區節水改造工程的生態效益。盤山灌區無獨立水源，供水受上游來水限制，往往需要短時間大流量集中供水，2015年用水高峰泡插期的水田缺水550萬m3。

然而，該灌區具有較為豐富的地下水，為環節農業春季灌溉用水和農業發展用水不足的矛盾，可對地下水實施合理的開發利用，同時防止土壤次生鹽堿化及大水漫灌的發生。

通過分解評價理論模型計算準則層指標效益水平Ai，其計算式為：

Ai=wijaij

(7)

式中：wij、aij為參評指標權重及其評分值。由表5可知，盤山灌區經濟效益表現出波動上升的變化特征，并且生態環境、社會效益遠遠低于經濟效益。在促進農村經濟發展、提高農業糧食產量等方面節水改造工程的實施發揮著積極作用，統計數據顯示項目實施后的總經濟效益達到1689.75萬元/a。

表5 盤山灌區2014-2018年效益評價值

基于社會效益的視角，灌區節水改造工程的經濟功能高于社會功能，管理人員開支主要依靠灌區水費收入。由于用水價格比較低只能維持灌區的正常管理，節余部分資金僅能維持簡單的再生產和臨時工程維修，此外灌區大水漫灌模式及村民農業節水意識薄弱等問題突出。因此，要強化部分配合與組織領導，加大農業節水宣傳李阿杜，搞好節水農業的示范以及建立節水技術服務體系。結果表明，灌區節水農業的經濟、社會效益明顯高于生態效益，研究期間生態效益為0.124-0.257區間，由于續建配套的持續推進生態效益總體上呈波動上升取值。

3.2 綜合效益評價

運用Topsis法和已確定的權重以及降維后的主成分矩陣，準確計算最劣、最優方案與不同年份盤山灌區的距離，并利用相關公式求解相應的接近度值Ci，如圖1。從圖1可知，不同年份盤山灌區的綜合效益具有明顯差異，其中2012年、2016年為綜合效益的最低和最高年份。

圖1 節水農業綜合效益值

4 結 論

1)節水農業效益評價涉及因素、覆蓋范圍廣，屬于一項多屬性、多目標綜合評價的系統問題。文章結合盤山灌區特點和現有文獻資料，經多次優化和反復論證最終選擇22項指標構建效益評價體系，并對所有參評指標利用主成分法降維簡化，篩選出累計貢獻率超過85%的3個主成分，從而降低評價結果受不同參評因素相關性的作用。然后運用Topsis法和已確定的權重以及降維后的主成分矩陣，準確計算最優、最劣方案與不同年份的接近度值Ci，結果顯示2012年、2016年為綜合效益的最低和最高年份。

2)充分考慮評價結果，盤山灌區要綜合考慮生態、經濟、社會效益制定切實可行的農業節水發展規劃，加強節水技術研究以及節水灌溉工程管理，強化部門配合與組織領導，切實搞好節水農業的示范以及節水灌溉資金的多渠道投入，加大宣傳力度切實推動節水農業發展。

3)節水農業效益評價與建設投資、工程設計、經濟發展水平等因素直接相關，同時節水激勵機制健全水平、水價合理性、政府重視程度等社會管理策略也非常關鍵，為促進節水農業健康發展還要制定合理水價。在農業水管理決策中農業節水管理政策也發揮著關鍵作用，對促進社會經濟發展目標與引導用水戶選擇相協調的管理模式起到積極作用。另外，應重視生態環境受節水農業發展的影響，提升生態環境質量及持續優化水土資源，實現持續健康、協調穩定的節水農業發展。