畢慶生，裴貝貝，吳用

(河南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450002)

中國是世界上水資源相對缺乏的國家之一，人均淡水量不足世界人均淡水量的25%，隨著經濟社會的發(fā)展，水資源的瓶頸制約作用越來越突出。農業(yè)是用水大戶，中國用于灌溉的水資源占全國總用水量比例巨大。大力發(fā)展節(jié)水灌溉、提高農業(yè)水資源利用效率對中國經濟社會可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[1]。中國高度重視農業(yè)節(jié)水灌溉事業(yè)，尤其是近10年來，在節(jié)水灌溉方面出臺了一系列鼓勵政策，同時對節(jié)水灌溉設施建設等方面的經費投入在不斷增長，對農業(yè)節(jié)水灌溉的研究也有了較大進展，成果豐碩。石晨陽等[2]采用專家訪談法及大數定理法對不同生態(tài)類型區(qū)不同作物經濟灌溉下的用水量與節(jié)水量進行預測；尹劍等[3]研究了典型灌區(qū)主要作物的不同節(jié)水方案在不同水文頻率年下的農業(yè)節(jié)水潛力；王迪等[4]采用融合Markov鏈的GM(1,1)模型對大型灌區(qū)農田有效灌溉面積進行了預測；虎海燕[5]提出了灌區(qū)在農業(yè)用水過程中通過用水指標控制和灌溉定額管理能夠挖掘灌區(qū)節(jié)水潛力。然而，由于節(jié)水灌溉發(fā)展受到資源、經濟、社會、技術和政策等多方面的影響，對高效節(jié)水灌溉驅動和制約因素的研究，以及對節(jié)水灌溉發(fā)展的預測十分困難。目前，節(jié)水灌溉相關研究主要集中在節(jié)水潛力分析和具體節(jié)水技術方法方面。薛媛等[6]通過選定4個準則層指標和19個目標層指標,以疏勒河流域高效節(jié)水灌溉項目為例,系統(tǒng)分析了各類指標的耦合影響,評價高效節(jié)水灌溉項目綜合效果。趙令等[7]將農業(yè)節(jié)水潛力估算理論運用到中國糧食主產區(qū),在現有的節(jié)水灌溉工程措施基礎上對糧食主產區(qū)內各省份的農業(yè)灌溉節(jié)水潛力進行估算分析。王應武等[8]將農業(yè)灌區(qū)毛節(jié)水量與凈節(jié)水量的區(qū)分與計算，發(fā)現節(jié)水措施實施后灌區(qū)毛節(jié)水量增加所帶來的節(jié)水潛力顯著,但是立足于凈節(jié)水量角度的節(jié)水潛力提升不明顯。余雙喜[9]探討了節(jié)水灌溉與農業(yè)機械化的關系以及節(jié)水灌溉技術。徐文靜等[10]分析了節(jié)水灌溉中主要農田水利工程技術的優(yōu)缺點,探討了未來灌溉技術與相關裝備的發(fā)展趨勢。左黎明等[11]將基于安全協(xié)議的智能系統(tǒng)應用在節(jié)水灌溉中。然而除此之外，對噴灌、微灌和低壓管灌等為主要方式的農業(yè)高效節(jié)水灌溉驅動和制約因素的研究及節(jié)水灌溉發(fā)展的預測研究還不夠，尤其是綜合性、定量化研究成果還不多見[12]。《農田水利條例》規(guī)定，編制農田水利規(guī)劃應當統(tǒng)籌考慮經濟社會發(fā)展水平、水土資源供需平衡、農業(yè)生產需求、灌溉排水發(fā)展需求和環(huán)境保護等因素。因此，為了提高農業(yè)節(jié)水灌溉相關政策和規(guī)劃的針對性與科學性，有必要對節(jié)水灌溉驅動因素進行分析研究，并對高效節(jié)水灌溉面積發(fā)展進行預測。

影響高效節(jié)水灌溉發(fā)展的因素分為2大類。其中一類是直接因素，如政策因素、財政投入因素等，這類因素可導致高效節(jié)水灌溉面積的直接增加，尤其是財政投入與高效節(jié)水灌溉面積之間具有等價性，即財政投入越大，相應的高效節(jié)水灌溉面積的擴大就越快。另一類是潛在因素，如水資源短缺、地區(qū)經濟發(fā)展水平、科研投入水平以及農業(yè)勞動力減少、糧食安全和農民增收等，這類因素在高效節(jié)水灌溉發(fā)展中發(fā)揮著潛在的推動作用，推動高效節(jié)水灌溉相關政策的出臺、財政資金投入的增加等，進而推動了高效節(jié)水灌溉的發(fā)展。節(jié)水灌溉面積是衡量農業(yè)節(jié)水水平的重要指標，節(jié)水灌溉面積預測是進行農業(yè)用水預測的基礎，也是進行節(jié)水灌溉發(fā)展規(guī)劃、制定政策措施的基礎。本研究主要分析潛在因素對高效節(jié)水灌溉面積增加的驅動作用。雖然這些潛在因素之間相互耦合，互為因果，作用機制十分復雜，很難通過一般相關分析方法來確定因素之間的相互關系，但是節(jié)水灌溉面積的變化是各種因素綜合作用的持續(xù)的過程，其變化規(guī)律蘊含并表現在數據變化之中，因此可以視為非線性的時間序列[13]?；疑到y(tǒng)理論是研究小樣本、貧信息以及包含不確定性因素系統(tǒng)的有效工具[14]?；疑到y(tǒng)理論把相關因素綜合在一起視為一個復雜系統(tǒng)，通過系統(tǒng)行為特征值序列曲線之間幾何形狀的相似程度來判斷相互之間聯(lián)系緊密程度。GM(1,1)預測模型是灰色系統(tǒng)預測常用模型之一，模型以系統(tǒng)行為特征值序列為研究對象，對樣本分布規(guī)律無特殊要求，十分適合對高效節(jié)水灌溉發(fā)展驅動因素分析及預測研究。

河南省近年來平均水資源總量約為4.04×1010m3，人均水資源占有量約為中國人均水資源占有量的20%，加之地表水資源受地形地貌、流域等影響，地區(qū)分布極為不均，水土資源及人口分布組合極不平衡，水資源的供需矛盾突出，是中國嚴重缺水的省份之一。河南省也是中國農業(yè)大省和灌溉面積大省，是國家糧食生產核心區(qū)，大力發(fā)展農業(yè)高效節(jié)水灌溉具有重要意義。本研究以河南省為例，以2007—2018年節(jié)水灌溉面積數據為基礎，運用灰色系統(tǒng)理論，對河南省噴灌、微灌和低壓管灌等高效節(jié)水灌溉發(fā)展驅動因素進行分析，通過節(jié)水灌溉面積序列來建立預測模型，計算高效節(jié)水灌溉面積與相關因素的綜合灰色關聯(lián)度，從而對其關聯(lián)因素進行分析研究，并通過構建GM(1,1)模型對未來年份的節(jié)水灌溉面積進行預測，以期為相關部門制定發(fā)展規(guī)劃和配套措施提供理論支持。

1 方法與數據來源

1.1 關聯(lián)度計算

關聯(lián)度包括灰色關聯(lián)度和廣義灰色關聯(lián)度，其中廣義灰色關聯(lián)度又分為絕對關聯(lián)度、相對關聯(lián)度和綜合關聯(lián)度。關聯(lián)度越大，序列之間的關系越密切，反之亦然。本研究使用的是廣義灰色關聯(lián)度，計算方法如下。

1.1.1 灰色絕對關聯(lián)度ε0i計算 利用均值算子對數據序列進行標準化處理，生成均值像數據序列Xi，計算始點零化像和|Si|：

(1)

(2)

(3)

最后計算系統(tǒng)行為序列X0與某個因素序列Xi(i≠0)的灰色絕對關聯(lián)度ε0i：

(4)

1.1.2 灰色相對關聯(lián)度γ0i計算 首先計算均值像數據序列Xi初值像，即

(5)

然后按照絕對關聯(lián)度的計算方法計算初值像X′i的絕對關聯(lián)度，即為序列Xi的灰色相對關聯(lián)度γ0i。計算方法見1.1.1。

1.1.3 灰色綜合關聯(lián)度ρ0i計算 灰色綜合關聯(lián)度ρ0i是由灰色絕對關聯(lián)度ε0i和相對關聯(lián)度γ0i構造而成，其構造式為：

ρ0i=θε0i+(1-θ)γ0i；(i=1，2，…，m)

(6)

式中：θ∈[0,1]，取θ=0.5。

1.2 GM(1,1)模型的建立

設所研究系統(tǒng)的特征值序列為：X(0)={x(0)(1)，x(0)(2)，x(0)(3)，…，x(0)(n)}，對該序列進行定性分析和準光滑性檢驗，根據分析和檢驗結果確定是否直接用于建模，或確定適當的算子，對算子作用后的序列建模[15]。在檢驗符合條件后，對其做累加操作生成一階累加(1-AGO)序列X(1)：

X(1)={x(1)(k)；k=1,2,…,n}

(7)

對X(1)做準指數檢驗，在其符合準指數檢驗條件后，計算X(1)的緊臨均值生成序列Z(1)：

Z(1)={z(1)(k)；k=2,3,…,n}

(8)

式中：z(1)(k)=0.5x(1)(k)+0.5x(1)(k-1)；(k=2,3,…,n)。

對灰色微分方程：

x(0)(t)+ax(1)(t)=b

(9)

式中：a為發(fā)展系數，b為灰色作用量。

按照最小二乘法原理，構建矩陣B和Y：

(10)

求出估計參數a，b，即：

(11)

得到時間響應序列為：

(12)

計算x(1)的模擬值，并累減生成得到原始數據序列x(0)的模擬值，即

(13)

對模型進行精度檢驗。通過相對誤差、模擬誤差、關聯(lián)度、均方差比值和小誤差概率[15]對殘差進行考察，判斷模型是否合格，確定其精度水平。

1.3 數據來源

本研究資料來源于2007—2018年《河南水利統(tǒng)計年鑒》《河南省統(tǒng)計年鑒》《中國水利統(tǒng)計年鑒》，以及河南水利網(http://slt.henan.gov.cn/bmzl/szygl/szygb/)等資料的整理。

2 結果與分析

2.1 河南省高效節(jié)水灌溉發(fā)展特點分析

由表1可知，2007—2018年河南省灌溉總面積由5 039.56×103hm2增加到5 408.31×103hm2，增加了7.32%，而同期低壓管灌、噴灌和微灌形式的高效節(jié)水灌溉面積由714.24×103hm2增加到1 449.0×103hm2，增加了102.94%，年平均增長速度為8.57%；從節(jié)水灌溉發(fā)展趨勢來看，高效節(jié)水灌溉面積增長雖有波動，但總體上呈快速增長趨勢，高效節(jié)水灌溉面積占灌溉總面積的比例由2007年的14.17%提高到2018年的26.79%。在其他行業(yè)不斷擠占農業(yè)水資源的情況下，高效節(jié)水灌溉在提高水資源利用率、保證農業(yè)生產發(fā)展和糧食產量，促進農業(yè)產業(yè)勞動力轉移等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

從節(jié)水灌溉技術方式來看，2018年高效節(jié)水灌溉中單位面積投入小、技術含量較低的低壓管灌占比高達84.64%，而單位面積資金投入大、技術含量高、灌水效率高、質量好的噴灌和微灌占比不到16%，其中噴灌占比為12.33%，微灌占比3.03%?？傮w來看，高效節(jié)水灌溉面積占比偏低。

表1 河南省2007—2018年高效節(jié)水灌溉面積與灌溉總面積

2.2 河南省高效節(jié)水灌溉發(fā)展驅動因素分析

2.2.1 驅動因素選取 高效節(jié)水灌溉發(fā)展的驅動因素很多，既包括水資源不足而引發(fā)的節(jié)水需求，以及城市化進程中農村勞動力轉移帶來的提高勞動效率的需求，也包括節(jié)水灌溉發(fā)展所帶來的農副產品增加、農民增收等方面的激勵驅動，以及技術進步帶來的技術驅動等。第一，選用平均單位有效灌溉面積用水量降低來表示高效節(jié)水灌溉的節(jié)水效果。高效節(jié)水灌溉的發(fā)展提高了灌溉水利用率，降低灌溉用水量，但隨著有效灌溉面積的增加和灌溉保證率的提高，對灌溉用水量的減少產生抵消作用，直接用灌溉用水總量難以顯示高效節(jié)水灌溉節(jié)約水資源的情況。第二，選用河南省人均GDP來考察河南省經濟發(fā)展對高效節(jié)水灌溉發(fā)展的驅動作用。人均GDP是了解和把握地區(qū)宏觀經濟運行狀況的最有效工具。第三，選用河南省農業(yè)產業(yè)從業(yè)人員比例來分析農村勞動力轉移對高效節(jié)水灌溉的驅動作用。高效節(jié)水灌溉可以提高勞動效率，節(jié)省勞動時間，符合當前農民進城務工之后，農村勞動力減少對提高農業(yè)生產勞動效率的需求。第四，選用同時期河南省總研發(fā)經費投入來考察科技研發(fā)投入水平對高效節(jié)水灌溉的驅動作用。高效節(jié)水灌溉技術含量高，除涉及農業(yè)和灌溉技術外，還涉及相關工業(yè)和制造業(yè)技術，是技術進步的綜合結果。第五，選用有效灌溉面積、糧食總產量等因素考察農業(yè)生產條件的改善和農副產品增加對高效節(jié)水灌溉的激勵驅動作用。隨著社會生活水平的提高，人們對農產品的要求也越來越高，這種要求最終體現在農業(yè)生產的發(fā)展上，既包括農產品的增加，也包括農業(yè)生產條件的改善和生產能力的提升。第六，高效節(jié)水灌溉可極大地提高灌溉質量，提高農產品產量和品質，從而促進農村居民家庭人均收入的增加、農業(yè)總產值的增加。

根據以上分析，最終確定河南省平均單位有效灌溉面積用水量(X1)、人均GDP(X2)、農業(yè)產業(yè)從業(yè)人員比例(X3)、總研發(fā)經費(X4)、有效灌溉面積(X5)、糧食總產量(X6)、農村居民家庭人均收入(X7)和農業(yè)總產值(X8)共8個因素，分析各個因素與高效節(jié)水灌溉面積的關聯(lián)度。將河南省平均單位有效灌溉面積的用水量(X1)、農業(yè)從業(yè)人員比例(X3)2個數據序列進行倒數處理，使其與高效節(jié)水灌溉面積呈正相關關系，然后對所有數據序列按式(1)進行標準化處理。數據標準化處理結果見表2。

表2 河南省2007—2018年高效節(jié)水灌溉面積及8個驅動因素 Table 2 The high-efficient water-saving irrigated area in Henan province from 2007 to 2018 and eight driving factors

2.2.2 關聯(lián)度計算與分析 按照灰色關聯(lián)理論，分別計算得到高效節(jié)水灌溉面積與8個驅動因素之間的灰色絕對關聯(lián)度、相對關聯(lián)度和綜合關聯(lián)度，計算結果見表3，其中取θ=0.5，即ρ=0.5ε+0.5γ。8個驅動因素與高效節(jié)水灌溉面積有較強的綜合關聯(lián)度，不低于0.557，這表明高效節(jié)水灌溉發(fā)展是各種因素綜合作用的結果。按綜合關聯(lián)度大小排序為ρx3>ρx8>ρx2>ρx7>ρx6>ρx4>ρx5>ρx1。其中，高效節(jié)水灌溉與農業(yè)產業(yè)從業(yè)人員比例的綜合關聯(lián)度最大為0.848。高效節(jié)水灌溉面積與平均單位有效灌溉面積用水量的綜合關聯(lián)度最小為0.557。

表3 高效節(jié)水灌溉驅動因素及其關聯(lián)度Table 3 The driving factors of high-efficient water-saving irrigation and their correlation degree

2.3 河南省高效節(jié)水灌溉面積預測

高效節(jié)水灌溉面積的發(fā)展是各種因素綜合作用的結果。近10年來，中國經濟快速發(fā)展，城市化進程不斷深化，水資源短缺日益制約著經濟社會發(fā)展，同時根據保障糧食安全、保護資源與環(huán)境等需要，中國出臺了一系列促進高效節(jié)水的相關政策，高效節(jié)水灌溉面積呈現快速增長態(tài)勢；此外，到2018年河南省高效節(jié)水灌溉面積在灌溉總面積中的占比僅為26.79%，發(fā)展空間較大，可以不考慮全省灌溉總面積對高效節(jié)水灌溉面積的限制性影響，采用GM(1,1)模型建模預測。

選用2007—2016年的高效節(jié)水灌溉面積數據進行建模，并用2017、2018年數據進行驗證。經計算GM(1,1)模型的發(fā)展系數a=-0.084 989 6，灰色作用量b=538.692 701 1，據此所建GM(1,1)模型為：

(14)

以2007年數據為基礎，基于上述模型，對河南省2008—2016年高效節(jié)水灌溉面積進行模擬，計算結果見表4。對2017、2018年進行驗證，計算值分別為1 344.29×103和1 463.57×103hm2，相對誤差分別為1.33%和1.00%，誤差較小。

對預測模型作殘差檢驗、關聯(lián)度檢驗、均方差比值及小誤差概率檢驗，計算結果見表5。參考檢驗精度標準[15]，預測模型各項檢驗值符合二級精度模型檢驗標準，且α=-0.084 989 6<0.3，可用于中長期預測。運用所建模型對2020、2025和2030年河南省高效節(jié)水灌溉面積進行預測，結果分別為1 734.7×103、2 653.25×103和4 058.17×103hm2。根據預測結果，2020—2030年，河南省高效節(jié)水灌溉面積仍將處于快速增長時期，年均增速將達到12.18%。

表4 河南省2008—2016年高效節(jié)水灌溉面積模擬結果

表5 模型精度檢驗值Table 5 Model accuracy test value

3 結論與建議

本研究結果表明，高效節(jié)水灌溉面積與8個驅動因素都具有較高的關聯(lián)度，表明高效節(jié)水灌溉受多種因素影響。其中，高效節(jié)水灌溉與農業(yè)產業(yè)從業(yè)人員比例的綜合關聯(lián)度最大,為0.848，這表明農田灌溉是費時費力的農事活動，占用大量的勞動力，高效節(jié)水灌溉勞動效率高、勞動強度低，可釋放大量農業(yè)勞動力，符合城市化快速發(fā)展進程對農業(yè)從業(yè)勞動力轉移的需要。高效節(jié)水灌溉面積與農業(yè)總產值、人均GDP、農村居民家庭人均收入以及糧食總產量4項因素的綜合關聯(lián)度分別為0.791、0.728、0.713和0.703，表明高效節(jié)水灌溉對提高糧食產量、農民增收等相關性很高，在保障糧食安全、促進農民增收和推進農村經濟發(fā)展等方面具有重要意義。高效節(jié)水灌溉面積與總研發(fā)經費的綜合關聯(lián)度為0.642，一方面是因為高效節(jié)水灌溉技術可以通過省外輸入，不需要全部由本地研發(fā)；另一方面就全省總研發(fā)經費來講，涉及高效節(jié)水灌溉方面的研發(fā)經費只是其中的一部分，因此研發(fā)經費投入對高效節(jié)水灌溉發(fā)展具有很強的推動作用。高效節(jié)水灌溉面積與有效灌溉面積的綜合關聯(lián)度為0.611，相對較低，這主要是因為有效灌溉面積發(fā)展主要受到水源等條件的影響，而高效節(jié)水灌溉更主要的是提高灌溉水的利用率和提高灌溉勞動效率，進而提高灌溉保證率，目前主要是對已有灌區(qū)進行配套和改造，因此在擴大有效灌溉面積方面的作用不是特別大。在8個驅動因素中，高效節(jié)水灌溉面積與平均單位有效灌溉面積用水量的綜合關聯(lián)度最小為0.557，一方面是因為平均單位有效灌溉面積用水量是按照全省進行統(tǒng)計計算的，目前高效節(jié)水灌溉面積占灌溉總面積的比例還較小，對全省平均灌溉用水量的統(tǒng)計結果影響較小；另一方面是因為高效節(jié)水灌溉提高了灌溉保證率，抵消了其在提高灌溉水利用率方面的作用。因此，作為農業(yè)大省和灌溉面積大省，河南省應把高效節(jié)水灌溉發(fā)展納入全省經濟社會發(fā)展總體規(guī)劃，在各相關發(fā)展規(guī)劃中對高效節(jié)水灌溉建設內容提出明確要求，共同推動，大力發(fā)展。

通過GM(1,1)模型預測高效節(jié)水灌溉面積結果來看，2020—2030年仍將是河南省高效節(jié)水灌溉面積快速發(fā)展時期，在不考慮灌溉總面積大規(guī)模增加的情況下，到2030年，高效節(jié)水灌溉面積占灌溉總面積的比例將由2018年的26.79%增加到70%以上。因此，做好發(fā)展規(guī)劃非常重要，對2020—2030年河南省高效節(jié)水灌溉面積進行預測，根據預測結果制定發(fā)展規(guī)劃，保障高效節(jié)水灌溉有序推進，穩(wěn)步健康發(fā)展。此外，不同的灌溉方式之間存在差異，甚至會對農作物的生長產生一定的影響[16]。從噴灌、微灌和低壓管灌等各種高效節(jié)水灌溉方式的結構比例來看，噴灌和微灌2種方式灌水效率高、質量高、節(jié)水效果好，但是一次性建設投入大規(guī)模的節(jié)水灌溉方式比例相對偏低。因此，隨著經濟實力增強，應適當加快噴灌和微灌的建設速度，充分發(fā)揮其高效、節(jié)水的技術優(yōu)勢。