楊 丹，唐 彥，唐德善

(河海大學水利水電學院，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年已達到0.542，但較發(fā)達國家的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、多層次問題，具有較強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，既有利用單一指標進行效率評價，也有選取灌溉水有效利用系數(shù)、水分生產(chǎn)效率等多個指標進行綜合評價。例如：李紹飛利用改進的模糊物元模型選取6項評價指標對天津市里自沽灌區(qū)進行農(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并引用信息熵的概念對新疆農(nóng)業(yè)用水效率進行評價[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80年代提出的一門交叉邊緣學科。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

各單項評價指標相應(yīng)的模糊量值，從屬于標準樣本各對應(yīng)評價指標相應(yīng)的模糊量值隸屬程度，稱之為從優(yōu)隸屬度?；诖私⒌脑瓌t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]。

指標越大越優(yōu)型的決策：

(2)

指標越小越優(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的離散程度，若離散程度越大，則該指標對總體評價的影響后果(即權(quán)重)越大。比如樣本數(shù)據(jù)在某指標下取值都相等，則該指標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，則xji為第j個樣本的第i個指標對應(yīng)的數(shù)值 (i=1, 2, …,n；j=1, 2, …,m) 。由xji構(gòu)成判斷矩陣。

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

對于正向指標：

(6)

對于負向指標：

(7)

其中：max(xi)和min(xi)分別表第i個指標的最大值和最小值。

(3)計算并修正第i項指標下第j個樣本值占所有樣本值的比重[6,7]：

(4)確定各項指標的熵值：

(9)

(5)確定各項指標的權(quán)重：

(10)

2.5 歐氏貼近度確定綜合評價指標

一般通過被評價方案與標準方案之間的互相接近的程度對各個方案進行優(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[6]。歐氏貼近度計算公式為：

(11)

式中：ρj為第j個樣本與標準樣本的接近程度。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，其表達式為：

(12)

3 評價實例

3.1 評價指標體系

農(nóng)業(yè)用水效率指標應(yīng)本著科學、合理、客觀、全面的宗旨進行選取。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。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評價指標原始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2010-2016年評價指標原始數(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數(shù)據(jù)進行處理，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，參考歷年指標的原始數(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，歷年其他評價指標均呈現(xiàn)總體上升趨勢。綜合評價值與各評價指標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“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)水激勵及補貼機制，最后加強水量管理制定，對用水效率進行嚴格的約束和考核，超額用水無補貼福利且需實行累進加價制度。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。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，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進行分析，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、推進節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要意義。