基于SMI-P法的人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全評價

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)水資源安全;SMI-P法；序關(guān)系分析法；變異系數(shù)法；人民勝利渠灌區(qū)；省

中圖分類號：TV213.4 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.09.022

Evaluation of Agricultural Water Resources Security in the People's Victory Canal Irrigation Area Based on the SMI-P Method

WANGYisen1，BAI Ruilin2，ZHANG Xiuyu3，CHEN Zhuo3 （1.Henan Provincial Hekoucun Reservoir Operation Center，Jiyuan 459O10，China）; 2.Henan Provincial People's Victory Canal Support Center，Xinxiang 453OO3，China） ;

3.Collegeof WaterResources，NorthChina Universityof Water ResourcesandElectricPower，Zhengzhou450O46，China）

Abstract：Inodertouderstandteuentsitationofualwaterresoucesscurityinthole’sVictoryChaelatiorea， basedonsingeeatult-fcatoduliies（d，psht deteminedbyusindalaioalyssdttesAnualwatesousitauatos establishedforeeople'sVictoyaelgatioaiHanProvincuantifguralwateresoucseurityfoth sionsoftheiigatiosubsteoloicalsubstedtwatesoussubss.esulssowatfteicl turalwateresositdeiople’sctoelgatoeiscaiesigtdie “basicallsafend“sa.ince，hritiatioofuralwateresosasproantlyeuritdef irtiondcalsusealldtclts，atddol butareonstrdaltesedotsultigielalldoatiedftae systemIntefuturefortssouldotiuetadetoregthteientidulingofateresoundpromotioofwateavingi rigationteholiagtaldlalroteessale sources utilization，and ensure sustainable agricultural development and food security in the irrigation area.

Keywords：agriculturalwaterresoucesseurity；SM-Pmetod；derrelationshipnalysis；coeficientofvariationmetod;Peoples Vic tory Canal irrigation area;Henan Province

0 引言

人民勝利渠灌區(qū)是省重要的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域，始建于20世紀50年代，是新中國成立后興建的首批大型灌區(qū)之一。經(jīng)過數(shù)十年的建設(shè)與發(fā)展，人民勝利渠灌區(qū)已成為省農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展以及糧食安全的重要支撐[1]。然而，隨著氣候變化和用水需求量增加，水資源供需矛盾不斷加劇，灌區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源安全問題愈發(fā)突出。近年來，黃河流域極端干旱和洪澇事件增多，加劇了灌區(qū)可用水資源量的不穩(wěn)定性同時，灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉方式粗放，水資源浪費現(xiàn)象較為嚴重，水資源利用效率有待提高，農(nóng)業(yè)水資源安全形勢日益嚴峻[2]。農(nóng)業(yè)水資源安全是指在干旱[3]、洪澇等極端氣候或水文事件以及社會經(jīng)濟發(fā)展壓力下，能夠持續(xù)、穩(wěn)定地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，并保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境的能力。為了保障農(nóng)業(yè)水資源安全和可持續(xù)發(fā)展，迫切需要對人民勝利渠灌區(qū)的水資源安全水平進行科學(xué)評價，找出影響因素?？茖W(xué)評價灌區(qū)水資源安全水平，提高水資源利用效率，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

在以往研究中，針對人民勝利渠灌區(qū)水資源情勢的研究已有很多成果，如：劉中培等[4]以人民勝利渠灌區(qū)為研究區(qū)，研究了地下水TDS值分布；張彥等[5]對人民勝利渠灌區(qū)的干旱風(fēng)險進行定量分析，研究了人民勝利渠灌區(qū)氣候變化特征及干旱演變規(guī)律。張修宇等[采用層次分析法與熵值法組合權(quán)重相結(jié)合的TOPSIS評價方法，對人民勝利渠灌區(qū)水資源節(jié)約集約利用進行綜合評價，并對障礙因子進行識別。但是針對人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全的研究仍然略顯不足。

本文采用SMI-P法，對2011—2020年人民勝利渠灌區(qū)水資源安全水平進行系統(tǒng)評價研究，從灌區(qū)子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)和水資源子系統(tǒng)3個維度對農(nóng)業(yè)水資源安全進行量化分析，研究2011—2020年人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全變化趨勢，以期為優(yōu)化灌區(qū)用水調(diào)度、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提供參考。

1 研究方法

本文結(jié)合序關(guān)系分析法、變異系數(shù)法確定評價指標(biāo)組合權(quán)重，并采用左其亭等[7提出的單指標(biāo)量化-多要素綜合-多準(zhǔn)則集成法（SMI-P）進行農(nóng)業(yè)水資源安全評價。

1.1 組合權(quán)重計算

本文采用序關(guān)系分析法與變異系數(shù)法進行評價指標(biāo)組合賦權(quán)。序關(guān)系分析法依托專家經(jīng)驗，通過有序比較即可快速確定權(quán)重大小，邏輯簡明、可解釋性強；變異系數(shù)法則基于數(shù)據(jù)離散程度自動突顯信息量大的指標(biāo)，避免主觀偏差并可隨數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整，從而兼顧權(quán)重的穩(wěn)健性與適應(yīng)性。利用主客觀方法的優(yōu)點確定組合權(quán)重，既可保證決策的科學(xué)性，又能兼顧決策者的實際需求。

1.1.1 序關(guān)系分析法

序關(guān)系分析法[8]是一種在多指標(biāo)評價中常用的方法，其核心是利用指標(biāo)的優(yōu)劣排序來判斷系統(tǒng)狀態(tài)的變化趨勢，可以有效地解決多指標(biāo)的權(quán)重分配問題，使評價結(jié)果更具科學(xué)性和可靠性。具體步驟如下。

1）確定評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)的優(yōu)先級。設(shè)被評價對象A有m個評價指標(biāo)，分別為1，x2，，χm。如果指標(biāo) x_i 的重要性高于 x_j ，則用 x_igt;x_j 表示。通過這種方式，可以確定 ?_m 個指標(biāo)的重要性順序： x₁^*gt; x₂^*gt;…gt;x_m^*（ 中 x_k^* 為排序后的第 k 個指標(biāo)）。

2）判斷指標(biāo)之間的重要程度比值。在已確定的評價指標(biāo)重要性順序基礎(chǔ)上，對這些指標(biāo)的重要性進行量化處理。指標(biāo) x_k-1^* 相對于指標(biāo) x_k^* 的重要程度設(shè)定為 ?w_k-1 與 分別為第 k-1 個第 k 個指標(biāo)的權(quán)重）的比值，用語氣算子 ?_rk 表示：

語氣算子取值采用目前國內(nèi)較為常用的9級別算子法[9]，見表1。

表1各級語氣算子說明

Tab.1Explanation of Tone Operators at All Levels

3）計算指標(biāo)權(quán)重，公式為

w_?m-1=r_?mw_?m

1.1.2 變異系數(shù)法

變異系數(shù)法[]主要用于計算指標(biāo)值的離散程度，即通過變異系數(shù)的大小來判斷水資源安全水平的波動特征。具體步驟如下。

1）計算各指標(biāo)的均值 和標(biāo)準(zhǔn)差 σ_i

式中： n 為樣本數(shù)量， x_ij 為第 j 個樣本第 i 個指標(biāo)的值。

2）計算變異系數(shù)。變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值，反映指標(biāo)的離散程度：

若指標(biāo)均值接近0，則對該指標(biāo)進行適當(dāng)平滑處理，避免變異系數(shù)無窮大的情況，

3）確定權(quán)重。各指標(biāo)的權(quán)重由其變異系數(shù)占總變異系數(shù)的比例決定：

1.1.3 組合權(quán)重確定

人民勝利渠灌區(qū)作為大型引黃灌區(qū)，其水資源利用情況、生態(tài)環(huán)境變化以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率等都需要基于客觀數(shù)據(jù)進行科學(xué)評估。序關(guān)系分析法依賴專家經(jīng)驗與主觀判斷，在一定程度上可能受認知偏差影響；而變異系數(shù)法完全基于數(shù)據(jù)計算，能夠降低主觀因素的干擾。人民勝利渠灌區(qū)研究期內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)序列完整、樣本量大、無系統(tǒng)性缺失，客觀法可信度高，因此在權(quán)重配置中適當(dāng)減小序關(guān)系分析法的權(quán)重、增強數(shù)據(jù)驅(qū)動的客觀性，有助于提高結(jié)果的可信度與合理性。因此，本文對序關(guān)系分析法與變異系數(shù)法分別賦予0.4與0.6的權(quán)重，以達到主客觀相結(jié)合、數(shù)據(jù)驅(qū)動與專家評判并重的優(yōu)化效果。

1.2 SMI-P法

1）單指標(biāo)量化。隸屬度函數(shù)是模糊綜合評判的核心，可用來確定各指標(biāo)在綜合評價中的貢獻度，并能夠?qū)⒕哂胁煌烤V的指標(biāo)值轉(zhuǎn)換為0～1范圍內(nèi)。正向指標(biāo)的隸屬度隨著指標(biāo)值的增大而增大，逆向指標(biāo)的隸屬度則隨著指標(biāo)值的增大而減小。定義 a_k，b_k 、c_k，d_k，e_k 分別為第 k 個指標(biāo)的最差值、較差值、及格值、較優(yōu)值和最優(yōu)值，如果指標(biāo)值小于或等于最差值a_k ，則其隸屬度為0;指標(biāo)值等于較差值 b_k ，則隸屬度為0.3；指標(biāo)值等于及格值 c_k ，則隸屬度為0.6；指標(biāo)值等于較優(yōu)值 d_k ，則隸屬度為0.8；指標(biāo)值等于或大于最優(yōu)值 e_k ，則隸屬度為1。

正向指標(biāo)的隸屬度計算公式為

逆向指標(biāo)的隸屬度計算公式為

式中： μ_k 為第 k 個指標(biāo)的隸屬度， x_k 為第 k 個指標(biāo)值。

2）多要素綜合。灌區(qū)子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)安全指數(shù)計算公式分別為

式中： B₁，B₂，B₃ 分別為灌區(qū)子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)安全指數(shù)； n₁，n₂，n₃ 分別為灌區(qū)子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)安全評價指標(biāo)的個數(shù)； ω_i 為各子系統(tǒng)第 i 個指標(biāo)的權(quán)重； 分別為灌區(qū)子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)第 i 個指標(biāo)的隸屬度。

3）多準(zhǔn)則集成。根據(jù)灌區(qū)子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)的安全指數(shù)和權(quán)重，計算灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全指數(shù)，公式為

A=B₁β₁+B₂β₂+B₃β₃

式中：A為灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全指數(shù)， β₁、β₂、β₃ 分別為灌區(qū)子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)的權(quán)重（本文結(jié)合實際情況以及專家建議，認為各子系統(tǒng)同等重要，權(quán)重均取1/3）。

為了更直觀地表示農(nóng)業(yè)水資源安全水平，參考張修宇等[]的研究，按安全指數(shù)的大小將水資源安全大致分為5個等級： A?0.2 為極不安全、 .0.2

2 研究區(qū)概況

人民勝利渠灌區(qū)位于省中北部，是我國著名的大型引黃灌區(qū)之一，地處黃河中下游平原區(qū)，涉及、安陽市的多個縣（市、區(qū)）。灌區(qū)始建于20世紀50年代，總干渠自黃河干流引水，通過縱橫交錯的灌溉網(wǎng)絡(luò)，將黃河水引入廣袤的農(nóng)業(yè)區(qū)，為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境改善提供了重要的水源保障。灌區(qū)總面積約1 486km² ，主要種植小麥、玉米、棉花等糧食與經(jīng)濟作物，是省重要的糧食生產(chǎn)基地之一。灌區(qū)工程主要由引水工程、渠系工程和建筑物構(gòu)成，引水工程由2條引水渠和渠首閘組成，渠系工程由總干渠、干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠5級渠系工程及排水系統(tǒng)、機井、沉沙系統(tǒng)組成，建筑物有2173座。

灌區(qū)子系統(tǒng)，人民勝利渠節(jié)水灌溉面積率為52.4% ，灌溉水利用系數(shù)為0.512，每公頃農(nóng)田灌溉水量為 3585m³ ，糧食單產(chǎn)為 12.84t/hm² ，人均糧食產(chǎn)量為 775kg ，萬元農(nóng)業(yè)GDP用水量為 869m³ 。生態(tài)子系統(tǒng)，灌區(qū)渠系水質(zhì)達標(biāo)率為 81.8% ，年化肥施用量為34.2萬 t， 年農(nóng)藥施用量為 6189t ，地下水位埋深多年平均值為 1.39m 。水資源子系統(tǒng)，灌區(qū)產(chǎn)水模數(shù)為14.59萬 m³/km² ，干旱指數(shù)為1.32，多年平均地下水資源量為5.80億 m³ 、地表水資源量為2.45億 m³ ，當(dāng)前水資源配置以黃河水為主、地下水應(yīng)急、節(jié)水控采，支撐灌區(qū)經(jīng)濟社會與生態(tài)協(xié)同發(fā)展。

3評價指標(biāo)體系構(gòu)建及分級

為了全面評估人民勝利渠灌區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源安全狀況，本文構(gòu)建包含灌區(qū)子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)和水資源子系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系，見表2。

表2人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全評價指標(biāo)體系

灌區(qū)子系統(tǒng)主要反映灌溉效率與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力狀況，衡量灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施、管理及水資源利用效率與產(chǎn)出水平；生態(tài)子系統(tǒng)反映環(huán)境影響與生態(tài)健康，以評估灌區(qū)農(nóng)業(yè)活動對生態(tài)環(huán)境的影響；水資源子系統(tǒng)反映灌區(qū)水資源的供給狀況，代表灌區(qū)水資源承載能力與抗旱能力。通過對3個子系統(tǒng)的綜合分析，系統(tǒng)揭示人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用現(xiàn)狀與安全水平。本文所用數(shù)據(jù)來源于省、市、安陽市《水資源公報》《統(tǒng)計年鑒》等。

根據(jù)灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源實際情況對農(nóng)業(yè)水資源安全評價指標(biāo)進行分級，結(jié)果見表3。

表3評價指標(biāo)分級 Tab.3ClassificationofEvaluationIndicators

4計算結(jié)果與分析

4.1 單指標(biāo)量化

根據(jù)表3及式（8）式（9），計算得到各年份的單指標(biāo)隸屬度（見表4）。

表4各年份指標(biāo)隸屬度

Tab.4Membership Degrees of Indicators in Each Year

4.2 多指標(biāo)綜合

本文利用序關(guān)系分析法與變異系數(shù)法相結(jié)合確定指標(biāo)權(quán)重，代入式（1）～式（7），得到組合權(quán)重（見表5）。

表5人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全評價指標(biāo)組合權(quán)重

各指標(biāo)隸屬度（見表4）與對應(yīng)指標(biāo)的組合權(quán)重相乘，得到用于子系統(tǒng)安全指數(shù)計算的綜合隸屬度（見表6）。

表7各子系統(tǒng)水資源安全指數(shù)

表6各年份指標(biāo)綜合隸屬度

Tab.6 Comprehensive Membership Degrees ofIndicatorsinEach Year

4.3水資源安全指數(shù)計算結(jié)果分析

利用式（10）～式（12），計算得到研究期人民勝利渠灌區(qū)各子系統(tǒng)水資源安全指數(shù)（見表7）。

2011—2020年人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源各子系統(tǒng)安全指數(shù)總體向好。灌區(qū)子系統(tǒng)安全指數(shù)呈增大趨勢，但2016年減小至最小值0.51，之后逐步增大，通過不斷升級改造灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施以及優(yōu)化管理方式，提高渠道襯砌率和灌溉水利用系數(shù)，提升了灌區(qū)水資源安全指數(shù)。生態(tài)子系統(tǒng)安全指數(shù)不斷改善，2019年達到最大值0.80，2020年略降但仍處高位，說明人民勝利渠灌區(qū)研究期持續(xù)加大在生態(tài)保護方面的投入，不斷加強生態(tài)環(huán)境治理，發(fā)揮生態(tài)環(huán)境對農(nóng)業(yè)水資源安全的保障作用。水資源子系統(tǒng)安全指數(shù)相對較小且波動較大，2016年達到最大值0.78后大幅回落，2019年減小至最小值0.30，2020年有所回升，這與人民勝利渠灌區(qū)的水資源稟賦有關(guān)，市周邊的氣候條件直接影響灌區(qū)的水資源情勢

利用式（13），計算得到研究期人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全指數(shù)，并根據(jù)農(nóng)業(yè)水資源安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到具體評價等級（見表8）。

表82011一2020年人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全評價等級

Tab.8Indices of Water Resources Safety for Each Subsystem

Tab.8 Evaluation Gradesof Agricultural Water Resources SecurityofPeople'sVictoryCanalIrrigationArea

2011—2020年人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全指數(shù)呈現(xiàn)波動增大趨勢；2011—2015年安全指數(shù)在0.45～0.53 之間小幅波動，評價等級為“基本安全”；2016年安全指數(shù)躍升至0.62，評價等級首次達到“安全”；2017年安全指數(shù)回落至0.51，等級再次回落至“基本安全”；2018年安全指數(shù)回升至0.61，評價等級再次達到“安全”；2019年安全指數(shù)略降至0.57，但2020年再次反彈至0.61，評價等級為“安全”?？傮w來看，從2016年開始農(nóng)業(yè)水資源安全狀況顯著改善，盡管其間安全指數(shù)有小幅波動，但安全等級基本趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1）2011—2020年人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全指數(shù)呈現(xiàn)波動增大趨勢。從2016年開始農(nóng)業(yè)水資源安全狀況顯著改善，盡管其間安全指數(shù)有小幅波動，但安全等級總體趨于穩(wěn)定

2）得益于灌區(qū)設(shè)施升級、管理優(yōu)化和生態(tài)保護投入加大，灌區(qū)子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)安全指數(shù)總體呈增大趨勢，但受制于當(dāng)?shù)厮Y源稟賦，水資源子系統(tǒng)安全指數(shù)相對較小且波動較大，拉低了灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全等級。

盡管近年來人民勝利渠灌區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源安全狀況得到改善，但仍面臨地下水超采、灌區(qū)用水不均衡以及極端氣候等問題。未來應(yīng)繼續(xù)加強水資源科學(xué)調(diào)度與節(jié)水灌溉技術(shù)推廣，優(yōu)化渠系管理與生態(tài)保護措施，提升農(nóng)業(yè)水資源利用效率，確保灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與糧食安全。

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【責(zé)任編輯 張華興】