基于熵權TOPSIS法的灌溉用水效率評價

雪寶，湯驊*，程泉，俞靖，劉洪光，張志遠

?水土資源與環境?

基于熵權TOPSIS法的灌溉用水效率評價

雪寶1,2，湯驊1,2*，程泉3，俞靖4，劉洪光1,2，張志遠3

（1.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.新疆生產建設兵團第二師水文水資源管理中心，新疆 鐵門關 841000；4.奇臺縣水利管理總站，新疆 昌吉 831800）

【目的】對灌區灌溉用水效率進行評價，為灌區節水改造提供科學依據?！痉椒ā客ㄟ^構建灌溉用水效率綜合評價指標體系，基于熵權TOPSIS法對2017—2020年新疆兵團第二師6個灌區的灌溉用水效率進行評價?！窘Y果】熵權TOPSIS法的評價結果與灌區實際情況相符，評價結果排序與灌溉水有效利用系數排序、AHP—模糊綜合評價結果排序均具有顯著相關性，且熵權TOPSIS法相比AHP—模糊綜合評價法的變異系數更大，更有利于灌區灌溉用水效率的等級劃分；根據灌區各評價指標等級與灌溉用水效率綜合評價等級之間的差異，確定了灌溉用水效率的主控因素。【結論】基于熵權TOPSIS法的灌溉用水效率評價具有可行性，灌區在節水改造建設的同時，應確定合理的灌溉制度，提高灌溉用水效率，建設現代化高效節水灌區。

灌溉；用水效率；指標體系；熵權；TOPSIS評價

0 引 言

【研究意義】新疆地處西北內陸干旱地區，水資源匱乏，農業用水量占新疆總用水量的90%以上[1]。新疆南部的經濟發展主要依靠綠洲灌溉農業，但不合理的水資源開采和粗放用水導致用水矛盾加劇[2]。對灌區灌溉用水效率進行評價，科學評估灌區發展中存在的問題，進而提出針對性的改進措施，是當前南疆建設高效節水灌區，保障水資源可持續利用，推動區域灌溉農業可持續發展的重要舉措。

【研究進展】國內外學者在灌區灌溉用水效率評價方面已開展了諸多研究。Angus等[3]和Condon等[4]通過探究作物在特定時段內的CO2吸收量與蒸散量的比例來分析灌溉用水效率；范習超等[5]從灌區工程節水、田間節水、用水管理、水資源保護及用水效益等5個方面建立了用水效率評價指標體系，計算了灌區綜合節水指數，并對河南4個灌區進行了用水效率評價；李紹飛等[6]建立了適用于全國灌溉用水效率評價指標體系和指標分級標準，并基于AHP（層次分析法）—模糊綜合評價法對我國西北、華北和東北部分灌區開展了用水效率評價；梁靜溪等[7]運用方法集和DEA（數據包絡）模型、張澤的等[8]采用粒子群算法當中的層次分析法和粗集理論、劉東等[9]基于博弈論賦權的GRA—TOPSIS（灰色關聯法—逼近理想解理論）評價模型，分別對黑龍江省灌區進行了灌溉用水效率評價，并探究了影響灌區發展的主控因素；李浩鑫等[10]基于主成分分析和Copula函數對長江流域部分灌區進行了評價；黃永江等[11-12]基于集對分析法與可變模糊理論相結合、主成分分析與GRA-TOPSIS相結合的方法，對內蒙古河套灌區、引黃灌區進行了灌溉用水效率評價；馮峰等[13]利用流向跟蹤法確定了評價指標體系，利用多重組合賦權的模糊綜合評價模型對引黃灌區進行了用水效率評價；焦勇等[14]運用基于信息熵的可變模糊評價模型對新疆農業用水效率進行了評價?！厩腥朦c】以往研究開展灌溉用水效率評價的區域主要集中于我國內陸水資源充沛的長江、黃河流域及東北地區，而對新疆典型干旱區的灌區用水效率評價較少。熵權TOPSIS法[15-18]既能客觀確定指標權重，又具有在綜合評價時不受樣本規律和指標限制的優勢。

【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究以新疆典型干旱型灌區——新疆生產建設兵團第二師的灌區為例，應用熵權TOPSIS法對灌溉用水效率進行評價，基于評價結果論證熵權TOPSIS法在灌溉用水效率評價方面的合理性及可靠性，進而分析灌區灌溉用水效率的主控因素及灌區未來發展方向。本研究結果可為新疆干旱灌區的節水改造建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆生產建設兵團第二師（以下簡稱兵團第二師）位于天山南麓，塔里木盆地東部（84°52′—89°30′N，37°40′—42°20′E），屬暖溫帶大陸性干旱氣候，蒸發強烈，年平均氣溫為11.4 ℃，年平均降水量為58.6 mm。兵團第二師共有3個大型灌區（十八團渠灌區、博斯騰灌區和塔里木灌區）和3個中型灌區（米蘭灌區、且末灌區和38團灌區），灌區分布如圖1所示，灌區詳細信息見表1。

圖1 灌區分布

表1 灌區基本信息

1.2 研究方法

1.2.1 評價指標體系及分級標準

為保證灌區灌溉用水效率的客觀、準確評價，本研究從灌溉用水綜合效率的內涵出發，在自然條件、工程技術、管理水平、生態環境以及農業經濟5個維度上考慮灌區用水效率評價[19]。借鑒范習超等[5]、Dale等[20]的指標篩選方法，指標入選的原則為：典型性，可控性，可測性，敏感性，可預測性，響應性，穩定性，整體性，按照該原則對指標進行初步篩選。初步篩選出的指標與灌區實際情況相結合進行復篩，考慮氣候和當地灌溉農業的突出問題，咨詢當地專家，同時參照類似灌區的已有研究成果[12,21]，最終建立了包括用水指標、工程概況、管理水平、土壤環境及種植結構5個方面的灌溉用水效率評價指標體系。指標體系及各指標的內涵見表2。

表2 灌溉用水效率評價指標體系

注 “+”表示正向指標，“-”表示負向指標。

依據《節水灌溉工程技術標準》（GB/50363—2018），參考節水型灌區建設目標，結合兵團第二師灌區的實際發展情況，同時參照李紹飛等[6]、黃永江等[12]提出的全國大中型灌區評價指標等級劃分標準，構建了兵團第二師包括低、較低、中等、較高和高的5級評價指標分級標準，用以確定灌區評價指標等級并構建模糊隸屬矩陣，進行模糊綜合評價，詳見表3。

表3 灌溉用水效率評價指標分級標準

1.2.2 熵權TOPSIS法

熵權法是一種根據評價指標所反饋的信息量來客觀確定評價指標權重的方法，熵值越小權重越大。TOPSIS法是一種逼近理想解的排序法，通過對正負理想解及距離進行求解，得到相對貼近度，然后依據值的大小進行優劣排序[16]。本研究運用熵權TOPSIS法進行綜合評價研究[17-18]，具體步驟如下：

2）將指標數據進行標準化處理：

正向指標：

負向指標：

4）計算各指標的信息熵（E）：

5）確定各指標的權重（W）：

7）利用TOPSIS法確定正理想解（Z+）和負理想解（Z-），具體如下：

8）計算評價指標與正、負理想解的距離：

式中：D+表示第個指標與正理想解Z+的距離，D-表示第個指標與負理想解Z-的距離。

相對貼近度表示所評價對象與理想狀態的差距，其值介于0～1之間。灌溉用水效率等級根據貼近度可劃分為5個級別[23]，詳見表4。

表4 灌溉用水效率評價的相對貼近度分級標準

1.2.3 AHP—模糊綜合評價法

AHP—模糊綜合評價法是通過層次分析法確定各評價指標的權重，根據指標原始值與分級標準來構建模糊隸屬矩陣，將權重向量和隸屬矩陣進行合成運算即可得到綜合評價值[6,24]。

1.2.4 數據來源

本研究所涉及的數據主要來源于實地調研統計和兵團第二師基層水管站、兵團第二師水利局、兵團水利局所提供的數據。將部分數據與水資源公報和統計年鑒數據進行了對比，確保了數據的真實性和可靠性，最終得到評價指標數據集，見表5。

表5 2017—2020年各灌區評價指標數據集

2 結果與分析

2.1 指標權重

灌溉用水效率評價指標權重見表6。節水灌溉面積比例、水價到位程度、渠道防滲率、單位面積灌溉用水量及灌區建筑工程配套率的權重較高，可見這些指標對灌溉用水效率的評價結果影響較大。

2.2 灌溉用水效率評價

表6 灌溉用水效率評價指標權重

表7 灌溉用水效率評價結果

2017—2020年灌溉用水效率變化趨勢如圖2所示。博斯騰灌區2018年用水效率迅速提升，這與博斯騰灌區在該年推行的高效節水型示范灌區建設等措施有關。2019—2020年，隨著灌區改造措施的不斷完善，灌溉用水效率處于穩定上升趨勢。十八團渠灌區2018年灌溉用水效率增長相對緩慢，這是由于該灌區實行節水改造建設相比博斯騰灌區滯后，灌區改造措施于2019—2020年開始逐步實施并發揮作用；塔里木灌區用水效率增長穩定，主要是由于近年來灌區加強了渠系防滲的改造建設，并嘗試通過調整水價來增強農戶節水意識；米蘭、且末及38團灌區的用水效率均低于大型灌區，這是由于3個中型灌區規模小，政府投入資金少，灌區發展緩慢。2018年米蘭灌區用水效率明顯高于且末和38團灌區，這是由于2018年米蘭灌區在實行工程改造建設的同時推行了水權轉化試點項目，積極完善水權交易管理制度，用水效率得到了提升。

2.3 評價結果對比分析

將2017—2020年熵權TOPSIS法的評價結果與常規的AHP—模糊綜合評價法的評價結果進行對比，如表8所示。2種方法的評價結果排序差別較小，均不超過1個位次。利用SPSS進行Spearman等級相關系數檢驗，得到2017—2020年2種方法評價結果之間的相關系數分別為0.956、0.932、0.955和0.984?？梢姡貦郥OPSIS法與AHP—模糊綜合評價法的結果具有高度的一致性，即熵權TOPSIS法對灌溉用水效率的評價結果穩定、可靠。

圖2 2017—2020年灌溉用水效率變化趨勢

灌溉水有效利用系數是反映灌區灌溉用水水平、管理水平的重要指標，可反映灌溉用水效率水平。通過表5中A1和A2指標計算得到灌溉水有效利用系數，結果如表8所示。各灌區灌溉水有效利用系數排序結果與2種綜合評價方法的排序結果相差極小，通過Spearman等級相關系數檢驗，2017—2020年灌溉水有效利用系數排序和熵權TOPSIS法排序的相關系數分別為0.943、0.943、1.000和0.943，與AHP—模糊綜合評價法排序的相關系數分別為0.829、0.943、0.943和0.943?？梢姡喔人行Ю孟禂蹬判蚪Y果與熵權TOPSIS法排序結果的相關性更高，表明熵權TOPSIS法相比AHP—模糊綜合評價法更具優越性，更能反映灌區建設發展及用水管理水平。

2017—2020年，熵權TOPSIS法評價結果的變異系數分別為0.437、0.457、0.323和0.263，AHP—模糊綜合評價法的結果變異系數分別為0.218、0.174、0.128和0.108。熵權TOPSIS法的評價結果變異系數更大，說明評價值離散程度更大，辨識度更高，這更有利于直觀區分灌區用水效率水平，更適用于灌區用水效率等級劃分。

表8 熵權TOPSIS法評價結果排序與對比

2.4 灌溉用水效率的主控因素

從灌溉用水效率評價結果可知，各灌區節水潛力較大，通過將表5中2020年評價指標的原始數據與表3中灌溉用水效率的評價指標分級標準相結合，得到各灌區評價指標所屬等級，將指標所屬等級與灌區2020年綜合評價結果等級進行對比，找出評價指標等級與綜合評價等級的差異，得到決定各灌區灌溉用水效率的主控因素[12]，結果詳見表9。

表9 2020年評價指標等級與灌區綜合評價等級對比

由表9可知，截至2020年，博斯騰灌區評價指標等級低于綜合評價等級的主控因素有渠系水利用系數、單位面積灌溉用水量、渠道防滲率、水價到位程度及鹽堿化土壤面積比例；十八團渠灌區和塔里木灌區主控因素同為單位面積灌溉用水量、水價到位程度及鹽堿化土壤面積比例；米蘭灌區、且末灌區及38團灌區的主控因素相同，均為單位面積灌溉用水量和鹽堿化土壤面積比例。

3 討 論

本研究的評價結果與灌區實際發展情況的吻合性較好，灌區規模越大，用水效率越高，這與李浩鑫等[10]研究結果相同，主要是由于灌區規模影響灌區財政撥款、節水改造項目推行順序以及管理經費投入，從而影響灌區用水效率的提升。同時，評價結果與灌區作物種植結構和灌溉方式等基本信息具有較好的匹配性，說明所建立的評價指標體系具有較好的適用性和可行性，評價結果具有較強的可靠性。

2017—2020年，熵權TOPSIS法和AHP—模糊綜合評價法的排序與灌溉水有效利用系數的排序均具有較強的相關性，熵權TOPSIS法排序相關性更高。同時，熵權TOPSIS法較AHP—模糊綜合評價法的結果變異系數更大，更有利于灌溉用水效率的等級劃分。

研究表明，AHP—模糊綜合評價法可用于各影響因素間關系復雜、難以量化問題的綜合評價分析，但評價過程復雜，評級結果受人為主觀因素影響較大[24-25]。熵權TOPSIS法在確定指標權重時，是根據指標數據包含信息量的大小來確定指標權重，解決了層次分析法、綜合指數法等方法在指標權重賦予時受人為因素影響較大的問題，也兼顧了TOPSIS法在綜合評價時不受樣本規律和指標限制的優勢[17-18]，使評價結果能更加客觀。

每個灌區的主控因素均包含單位面積灌溉用水量和鹽堿化土壤面積比例。這是由于新疆南部土壤受鹽堿脅迫嚴重，每年非生育期需通過大水漫灌進行壓鹽[26]，同時，在作物生育期需適當增大灌水定額達到淋洗作物根部土壤鹽分的目的，以滿足作物適宜的生長環境[27]。因此，今后各灌區在發展建設時，應通過科學研究確定適宜的非生育期及生育期灌溉水量，確保作物正常生長的同時提高用水效率，還應積極采取農業、工程、生物及化學等措施改良鹽堿地[28]。

除上述措施外，博斯騰灌區灌溉用水效率高，今后在保持灌區平穩發展的同時，優先考慮提高渠道防滲率、渠系水利用系數以及調整水價；十八團渠灌區和塔里木灌區則在今后灌區全面建設發展的同時，應適當提高水價用以刺激農民節水意識；米蘭灌區、且末灌區以及38團灌區，今后政府應積極出臺相關政策，增大灌區改造資金投入，使灌區從用水水平、管理水平、工程狀況及種植結構等方面得到全面提升。

本文所建立的評價指標體系和評價方法在兵團第二師6個灌區進行了應用，灌區地域和數量的不同是否會對熵權TOPSIS法與其他方法評價結果的一致性有影響，在今后的研究中還需進一步驗證。

4 結 論

1）熵權TOPSIS法在進行灌溉用水效率評價時具有可行性。評價結果與灌區實際發展情況相吻合，評價結果排序與灌溉水有效利用系數排序、AHP—模糊綜合評價法的結果排序均具有較強的相關性；熵權TOPSIS法相比AHP—模糊綜合評價法的結果變異系數更大，更有利于灌區用水效率的等級劃分。

2）兵團第二師各灌區用水效率從高到低排序為：博斯騰灌區、十八團渠灌區、塔里木灌區、米蘭灌區、且末灌區和38團灌區。

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Evaluating Irrigation Water Efficiency Using Entropy Weight-TOPSIS Method: A Case Study

XUE Bao1,2, TANG Hua1,2*, CHENG Quan3, YU Jing4, LIU Hongguang1,2, ZHANG Zhiyuan3

(1. College of Water Conservancy & Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China; 2. Key Laboratory of Modern Water-Saving Irrigation of Xinjiang Production & Construction Group, Shihezi 832000, China; 3. Second Division Hydrology & Water Resources Management Center, Xinjiang Production & Construction Corps, Tiemenguan 841000, China; 4. Qitai County Water Conservancy Management Station, Changji 831800, China)

【Objective】Improving irrigation water use efficiency is critical to developing water-saving agriculture. The aim of this paper is to present and validate a model to comprehensively evaluate irrigation water use efficiency.【Method】The model is based on the entropy-weighted technique for order of preference by similarity to ideal solution (TOPSIS), using the evaluation indexes constructed from irrigation water efficiency. We then applied it to evaluate water use efficiency from 2017 to 2020 in six irrigation areas in the Second Division of Xinjiang Production and Construction Corps. 【Result】The results calculated from the model are consistent with the ground-truth data. The rank of the results calculated from the model is closely correlated with the rank of the effective utilization coefficient of the irrigation water and the rank of the results calculated from the AHP-fuzzy comprehensive evaluation (<0.01). The coefficient of variation of the entropy-weighted TOPSIS method is larger than that of the AHP-fuzzy evaluation, and the former is hence more reliable for calculating irrigation water efficiency. The factors influencing irrigation water efficiency in each area can be determined based on the difference between the evaluation indexing grade and the comprehensive evaluation grade of the irrigation water efficiency.【Conclusion】The entropy-weighted TOPSIS method is reliable for evaluating irrigation water efficiency. It has potential for helping develop water-saving irrigation systems for the studied region and regions with similar conditions.

irrigation; water efficiency; index system; entropy weight method; technique for order preference by similarity to an ideal solution

雪寶, 湯驊, 程泉, 等. 基于熵權TOPSIS法的灌溉用水效率評價[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(5): 82-89, 107.

XUE Bao, TANG Hua, CHENG Quan, et al. Evaluating Irrigation Water Efficiency Using Entropy Weight-TOPSIS Method: A Case Study[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(5): 82-89, 107.

2022-09-07

南疆重點產業創新發展支撐計劃項目（2020DB001）；中-烏干旱區綠洲節水灌溉技術、裝備與標準研發項目（2021BC003）

雪寶（1996-），男。碩士研究生，主要從事節水灌溉理論與技術研究。E-mail: a6856985@163.com

湯驊（1968-），男。教授，主要從事干旱區節水灌溉與鹽漬化研究。E-mail: 465521263@qq.com

S274

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022493

1672 - 3317（2023）05 - 0082 - 09

責任編輯：韓洋