楊 丹，唐 彥，唐德善

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

1 概 述

根據(jù)2016年水資源公報,全國用水總量為6 040.2 億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量為3 768.0 億m3，占該年用水總量的62.4%，但發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)用水比重大多在40%以下。通過分析多年情況下我國各個部門水資源使用情況，自19世紀(jì)九十年代初，農(nóng)業(yè)用水量所占比重開始下降，用水總量趨于平穩(wěn)，但工業(yè)用水量和生活用水量卻逐年增加。一方面，我們面臨著嚴(yán)重的水資源短缺問題；另一方面，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水之間的供求矛盾也日益突出。隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉不斷提速，雖然我國灌溉水有效利用系數(shù)到2016年已達(dá)到0.542，但較發(fā)達(dá)國家的0.7～0.9，仍有很大的提升空間。因此農(nóng)業(yè)用水效率的研究對于改善用水情況和緩解用水壓力起到參考作用。

農(nóng)業(yè)用水效率評價是一個多目標(biāo)、多層次問題，具有較強(qiáng)的模糊性和不確定性[1]。近些年對于農(nóng)業(yè)用水效率的研究，既有利用單一指標(biāo)進(jìn)行效率評價，也有選取灌溉水有效利用系數(shù)、水分生產(chǎn)效率等多個指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。例如：李紹飛利用改進(jìn)的模糊物元模型選取6項評價指標(biāo)對天津市里自沽灌區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)用水效率評價[2]；焦勇利用可變模糊模型選取四項評價指標(biāo)并引用信息熵的概念對新疆農(nóng)業(yè)用水效率進(jìn)行評價[3]。本文在前人的研究基礎(chǔ)上提出使用模糊物元法結(jié)合貼近度的概念 ，并將熵值法引入到權(quán)重的計算中[4],以江蘇省2010～2016年農(nóng)業(yè)用水效率為例，較全面、客觀地做出農(nóng)業(yè)用水效率評價，從而為用水效率評價提供一條可行的新途徑。

2 模型建立理論研究

2.1 模糊物元及復(fù)合模糊物元

物元分析是蔡文在20世紀(jì)80年代提出的一門交叉邊緣學(xué)科。物元即給定事物的名稱、特征、特征量值并以此構(gòu)成的一個三元有序組R=(N,C,V)。其由于事物之間聯(lián)系復(fù)雜，事物的量值有時無法確定，故而有些事物具有模糊屬性。如果給定事物的某特征量值V具有模糊性, 此時由事物N、特征C和模糊量值V組成的基本物元則稱為模糊物元[5]。如果事物M存在n個特征C1,C2,C3,…,Cn以及相應(yīng)的量值x1,x2,x3,…,xn，則稱R為n維模糊物元 。如果將m個事物的n維物元組合在一起，則構(gòu)成n維復(fù)合物元Rmn。 若Rmn中的特征量值取為模糊量值，則Rmn稱為m個事物n維復(fù)合模糊物元[6]。

(1)

式中：Rmn為描述m個事物的n個特征的復(fù)合模糊物元；Mj為第j個事物(j=1, 2, …,m)；Ci為第i個特征(i=1, 2, …,n)；xji則為第j個事物的第i項特征所對應(yīng)的模糊量值。

2.2 從優(yōu)隸屬度原則

各單項評價指標(biāo)相應(yīng)的模糊量值，從屬于標(biāo)準(zhǔn)樣本各對應(yīng)評價指標(biāo)相應(yīng)的模糊量值隸屬程度，稱之為從優(yōu)隸屬度。基于此建立的原則稱為從優(yōu)隸屬原則。通常用采取以下兩種方法來確定隸屬度[6]。

指標(biāo)越大越優(yōu)型的決策：

(2)

指標(biāo)越小越優(yōu)型的決策：

(3)

(4)

2.3 構(gòu)建差平方復(fù)合模糊物元

(5)

2.4 熵權(quán)法確定權(quán)重

在信息論中，熵用于度量不確定性，通過度量事件的無序程度提供有效的熵值參考。熵權(quán)法的基本原理為通過熵值來衡量事物某個評價指標(biāo)的離散程度，若離散程度越大，則該指標(biāo)對總體評價的影響后果(即權(quán)重)越大。比如樣本數(shù)據(jù)在某指標(biāo)下取值都相等，則該指標(biāo)對總體評價的影響為0，權(quán)值為0。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，因為它僅依賴于數(shù)據(jù)本身的離散性。其具體步驟如下：

(1)對m個評價樣本，n個指標(biāo)，則xji為第j個樣本的第i個指標(biāo)對應(yīng)的數(shù)值 (i=1, 2, …,n；j=1, 2, …,m) 。由xji構(gòu)成判斷矩陣。

(2)各指標(biāo)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化處理：由于各指標(biāo)無統(tǒng)一的計量單位，因此要先采取標(biāo)準(zhǔn)化處理。另外，由于指標(biāo)性質(zhì)不同，越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型指標(biāo)處理方式也不相同，按以下算法對判斷矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

對于正向指標(biāo)：

(6)

對于負(fù)向指標(biāo)：

(7)

其中：max(xi)和min(xi)分別表第i個指標(biāo)的最大值和最小值。

(3)計算并修正第i項指標(biāo)下第j個樣本值占所有樣本值的比重[6,7]：

(4)確定各項指標(biāo)的熵值：

(9)

(5)確定各項指標(biāo)的權(quán)重：

(10)

2.5 歐氏貼近度確定綜合評價指標(biāo)

一般通過被評價方案與標(biāo)準(zhǔn)方案之間的互相接近的程度對各個方案進(jìn)行優(yōu)劣估計。接近程度則稱為貼近度，貼近度值越大表示兩方案越接近(被評價方案越優(yōu)秀),反之則相離較遠(yuǎn)[6]。歐氏貼近度計算公式為：

(11)

式中：ρj為第j個樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的接近程度。ρj值越大表示兩方案越接近，且該方案越優(yōu)異。 由此構(gòu)造歐氏貼近度復(fù)合模糊物元Rρ，其表達(dá)式為：

(12)

3 評價實例

3.1 評價指標(biāo)體系

農(nóng)業(yè)用水效率指標(biāo)應(yīng)本著科學(xué)、合理、客觀、全面的宗旨進(jìn)行選取。焦勇[3]提出了包含灌溉水利用系數(shù)、耕地有效灌溉率、節(jié)水面積灌溉率、單位面積產(chǎn)值這4個指標(biāo)的用水效率評價體系，但是單位面積產(chǎn)值與用水量沒有關(guān)聯(lián)，不能直接體現(xiàn)出灌溉用水產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益的高低，導(dǎo)致最終評價結(jié)果偏離真實水平。宋巖[1]采用了包含農(nóng)田灌溉耗水率、作物水分生產(chǎn)率、單方水產(chǎn)值、單位農(nóng)田面積灌溉用水量、節(jié)水灌溉面積率、耕地有效灌溉率這6個指標(biāo)的用水效率評價體系，但是在用水情況方面缺少代表性指標(biāo)。本文從用水情況、節(jié)水技術(shù)和用水效益3個方面綜合考慮，構(gòu)建以下指標(biāo)在內(nèi)的評價體系：用水情況方面包括灌溉水利用系數(shù)、耕地有效灌溉率；用水效率方面包括單位水主要農(nóng)作物產(chǎn)量、單方水產(chǎn)值；節(jié)水技術(shù)方面包括節(jié)水灌溉面積率、節(jié)水技術(shù)投入[8,9]。其中節(jié)水技術(shù)投入指灌溉技術(shù)中采用節(jié)水技術(shù)所投入的人力物力等占農(nóng)業(yè)總投入的比值[9]。江蘇省2010-2016評價指標(biāo)原始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2010-2016年評價指標(biāo)原始數(shù)據(jù)

3.2 建立評價模型

(1)構(gòu)建差平方復(fù)合模糊物元。根據(jù)表1對7個年份和6個評價指標(biāo)建立復(fù)合模糊物元，并依據(jù)公式(2)、(3)，按從優(yōu)隸屬度原則對各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后構(gòu)建差平方復(fù)合模糊物元RV：

(2)根據(jù)熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)公式(6)和公式(7)對數(shù)據(jù)歸一化處理，然后根據(jù)公式(8)～(10)計算各指標(biāo)的熵值ei和權(quán)重ωi：

ei=(0.987 9,0.985 5,0.986 2,0.983 6,0.985 1,0.987 7)

ωi=(0.143 9,0.172 8,0.164 1,0.195 5,0.177 1,0.146 7)

(3)最后根據(jù)公式(11)確定各年份的貼近度 ：

ρj=(0.712 9,0.762 1,0.843 3,0.870 1,0.907 6,

0.948 0,0.951 9)

經(jīng)過以上計算，可得出歷年農(nóng)業(yè)用水效率的評價值如表2所示。

表2 江蘇省2010-2016年農(nóng)業(yè)用水效率評價值

3.3 結(jié)果分析及整改建議

江蘇省2010-2016年農(nóng)業(yè)用水效率綜合評價值柱狀分布圖如圖1所示。

圖1 江蘇省農(nóng)業(yè)用水效率綜合評價值

由圖1的評價結(jié)果可以看出，2010-2016年江蘇省農(nóng)業(yè)用水效率總體呈穩(wěn)定上升趨勢，上升幅度逐漸減小。其中2016年是效率評價值的峰值年份，參考?xì)v年指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，2016年的灌溉水利用系數(shù)、耕地有效灌溉率、節(jié)水灌溉面積率以及單方水產(chǎn)值均為歷年最大值，且除了節(jié)水技術(shù)投入外，歷年其他評價指標(biāo)均呈現(xiàn)總體上升趨勢。綜合評價值與各評價指標(biāo)具有同樣趨勢的變化，這就驗證了評價結(jié)果的可靠性，故該評價模型具有一定合理性和可行性。

在上述模型的權(quán)重分析中，節(jié)水技術(shù)投入所占評價權(quán)重最大，但江蘇省投入比例卻逐年降低。因此江蘇省在加強(qiáng)農(nóng)業(yè)投入時，關(guān)鍵還要增加農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)投入。一方面加強(qiáng)農(nóng)村水利水電設(shè)施建設(shè)投入[10]，提高設(shè)施的覆蓋率，主要農(nóng)業(yè)縣需全面配備小型農(nóng)水工程，并逐步延伸至易干旱區(qū)、大面積貧困集中區(qū)。另一方面，增加農(nóng)村排灌機(jī)械及農(nóng)村水電站、泵站等設(shè)施的數(shù)量和規(guī)模，疏通田間“毛細(xì)血管”。比如重視渠道防滲處理，全面完善田間終端灌溉設(shè)施、推進(jìn)“五小水利”工程建設(shè)、開展河塘清淤整治等，最終形成“大中小微”四方面設(shè)施齊全的農(nóng)田水利工程體系。

由于近幾年灌溉水有效利用系數(shù)和節(jié)水灌溉面積率兩項指標(biāo)增長不明顯，故采用信息熵法計算權(quán)重時其權(quán)重系數(shù)不占優(yōu)勢，但這兩項指標(biāo)的提升空間很大。據(jù)統(tǒng)計，通過節(jié)水型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的推廣，我國農(nóng)業(yè)灌溉用水總量實現(xiàn)零增長，灌溉水有效利用系數(shù)達(dá)到0.542[11]。利用節(jié)水灌溉技術(shù)，灌溉方式由“澆地”轉(zhuǎn)向“澆作物”，大部分灌區(qū)告別傳統(tǒng)大水漫灌，且見效明顯。全國高效節(jié)水灌溉面積以及高效節(jié)水灌溉面積都明顯上漲，節(jié)水灌溉發(fā)展形勢一片良好。但相較于高效節(jié)水灌溉項目區(qū)0.8以上的農(nóng)田灌溉用水有效利用系數(shù)，傳統(tǒng)地面灌溉仍有30%左右的進(jìn)步空間。我國現(xiàn)有的456處灌區(qū)，平均設(shè)計灌溉面積為2萬hm2以上，其有效灌溉面積占全國耕地面積15%。對于這些重點大中型灌區(qū)節(jié)水改造是重中之重。綜上考慮，江蘇省應(yīng)推進(jìn)大中型灌區(qū)的工程設(shè)施建設(shè)和灌溉管理制度的完善，維持甚至提高灌區(qū)灌溉效益，將其農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力提升至新的臺階。屆時，全省高效節(jié)水灌溉面積占有效灌溉面積的比例將提高至35%以上，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)達(dá)到0.6以上[11]。

江蘇省想要由“耗水型”向 “節(jié)水型”農(nóng)業(yè)大省轉(zhuǎn)變的另一項對策是加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價綜合改革[12]。首先是要明確水價成本構(gòu)成、制定原則及方法，建立合理水價形成機(jī)制和水市場，其次，為了不損害農(nóng)民權(quán)益建立相關(guān)節(jié)水激勵及補貼機(jī)制，最后加強(qiáng)水量管理制定，對用水效率進(jìn)行嚴(yán)格的約束和考核，超額用水無補貼福利且需實行累進(jìn)加價制度。這些措施在一定程度上能遏制農(nóng)民用水不規(guī)范行為，提高農(nóng)民的節(jié)水意識。

4 結(jié) 語

將差方復(fù)合模糊物元應(yīng)用在農(nóng)業(yè)用水效率評價的原始數(shù)據(jù)處理中，并引用熵權(quán)法進(jìn)行權(quán)重計算，建立了基于熵權(quán)的模糊物元評價模型。該模型為農(nóng)業(yè)用水效率評價提高一種新的方法。引入信息熵，利用信息的無序化更加客觀地反應(yīng)評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，可以貼近研究地區(qū)的實際情況，使評價結(jié)果更具可靠性。但該模型在處理數(shù)值較為集中的數(shù)據(jù)時，拉開區(qū)分度上仍有待改進(jìn)。其次對于未來發(fā)展空間較大的但現(xiàn)階段發(fā)展緩慢、數(shù)據(jù)平緩的指標(biāo)，該方法不能真實的表現(xiàn)出其包括潛在發(fā)展水平在內(nèi)的權(quán)重。故該模型還有改進(jìn)空間。

江蘇省作為農(nóng)業(yè)用水大省之一，由于水資源短缺導(dǎo)致的農(nóng)作物產(chǎn)量限制即將成為一大難題，想要突破瓶頸，根本出路就是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。該模型針對江蘇省農(nóng)業(yè)用水效率歷年評價指標(biāo)進(jìn)行分析，找出提高用水效率的制約因素并提出相應(yīng)的整改對策，這對于江蘇省提高農(nóng)業(yè)用水效率、推進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要意義。