楊 揚(yáng)

(遼寧省盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124000)

0 引 言

我國屬于農(nóng)業(yè)、灌溉和人口大國，農(nóng)業(yè)用水占比處于60%以上的較高水平，農(nóng)業(yè)是我國第一用水大戶以及“節(jié)水優(yōu)先”戰(zhàn)略落實的主戰(zhàn)場。農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水水平的提升和大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及解決我國水制約因素的必然要求。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的增加、相關(guān)技術(shù)設(shè)備的投入屬于發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)重點考慮的問題，這給當(dāng)?shù)毓芾聿块T與農(nóng)民生產(chǎn)技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)，也是一個涉及經(jīng)濟(jì)、社會、技術(shù)的系統(tǒng)性問題。因此，如何構(gòu)建科學(xué)適用的評價模型和指標(biāo)體系已成為現(xiàn)今研究的熱點，特別是對缺水的荒漠或干旱地區(qū)，準(zhǔn)確評價節(jié)水農(nóng)業(yè)效益有利于減輕區(qū)域風(fēng)沙威脅、涵養(yǎng)水源、抑制土壤侵蝕、維護(hù)林草植被等，并對改善周邊生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)微氣候發(fā)揮著明顯成效。通過評價節(jié)水農(nóng)業(yè)效益有助于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)未來發(fā)展方向，掌握灌區(qū)節(jié)水狀態(tài)以及提升糧食產(chǎn)量。現(xiàn)有研究開展的綜合評價一般涉及生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會等方面，應(yīng)用的綜合評價法以灰色關(guān)聯(lián)法、層次分析法等傳統(tǒng)方法為主，盡管選擇的普適性指標(biāo)可以反映節(jié)水農(nóng)業(yè)實際情況，但對權(quán)重的合理性和指標(biāo)的選擇確定還缺乏更深層次的解釋[1-4]。鑒于此，文章嘗試以盤山灌區(qū)節(jié)水改造二期工程為例，結(jié)合農(nóng)業(yè)節(jié)水的特點以及參評因子選取、降維、綜合評價的流程，利用Topsis多目標(biāo)模型合理評價灌區(qū)的節(jié)水效益。

1 研究區(qū)概況

盤山灌區(qū)地處遼河三角洲沖積平原，位于大凌河、繞陽河、遼河、大遼河四河流的下游，東隔遼河、外遼河與海城市、臺安縣相鄰，西靠北寧、凌海兩市，南接市內(nèi)興隆臺區(qū)與大洼縣，西南瀕臨遼東灣，總面積1072km2。灌區(qū)內(nèi)耕地面積5.05×104hm2，設(shè)計和實灌面積3.91×104hm2、3.71×104hm2，為遼寧省主要的產(chǎn)量區(qū)之一。根據(jù)盤山灌區(qū)各規(guī)劃水平年水資源供需平衡分析，灌區(qū)水田灌溉具有一定的水源保證，但由于灌溉水利用系數(shù)低、泵站老化損壞嚴(yán)重等，部分泵站出水流量僅達(dá)到設(shè)計的60%。盤山灌區(qū)無獨立水源，供水受上游來水限制，往往需要短時間大流量集中供水，2015年用水高峰泡插期用水量為1.2億m3，而灌區(qū)總設(shè)計提水能力合計230 m3/s ，實際提水能力達(dá)到202 m3/s ，提水站日工作按21h 計，該時段排灌站可提水量為1.145億m3，2015年水田缺水550萬m3。灌區(qū)提水能力不能滿足各水平年的需水要求，也就是水源有水引不到田間，需對灌區(qū)泵站及其渠系建筑物進(jìn)行更新改造。

盤山灌區(qū)節(jié)水改造二期工程項目共有60項，排灌站19座(其中重建7座，維修12座)；橋6座(均為重建)；閘9座(其中重建5座，新建1座，維修3座)；穿堤涵洞8座(均為重建)；渡槽7座(均為重建)；倒虹吸1座(均為重建)；干渠清擴(kuò)7處；節(jié)水襯砌3處。通過進(jìn)一步更新、改造灌區(qū)建筑物，提高灌區(qū)水利用率和灌區(qū)整體運行效率，改善生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，逐步擺脫灌區(qū)低效率、高能耗、低標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

定量與定性數(shù)據(jù)為文中數(shù)據(jù)兩大類型，其中灌區(qū)節(jié)水改造相關(guān)數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《盤山灌區(qū)節(jié)水改造二期工程初步設(shè)計報告》、《盤山縣十三五規(guī)劃》和《盤山縣統(tǒng)計年鑒(2016)》等資料；根據(jù)專家評分法獲取定性數(shù)據(jù)，按照0-3、3-5、5-7、7-9、9-10的評分區(qū)間劃分很差、差、一般、較好、好5個等級。

2.2 研究方法

2.2.1 評價模型及指標(biāo)體系

綜合集成各種農(nóng)藝、管理、工程等措施的現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)，不再局限于某單項技術(shù)的現(xiàn)代化，故需要以一個指標(biāo)體系全面分析節(jié)水農(nóng)業(yè)效益[5]。文章結(jié)合盤山灌區(qū)環(huán)境特點、自然條件、相關(guān)政策和社會經(jīng)濟(jì)狀況，充分考慮灌區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵性制約因素及其復(fù)雜關(guān)系，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料和國內(nèi)外研究成果，遵循針對性、便捷性、科學(xué)性和實用性等原則，從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會3個方面選擇22項效益評價指標(biāo)，并將定量與定性指標(biāo)結(jié)合構(gòu)建綜合評價體系，如表1。

節(jié)水農(nóng)業(yè)效益評價涉及因素多、覆蓋范圍廣，一般利用多目標(biāo)綜合法評價灌區(qū)節(jié)水效益狀況，即利用以下數(shù)學(xué)模型評價灌區(qū)節(jié)水效益：

(1)

式中：wi、wij為系統(tǒng)層和指標(biāo)層所有參評指標(biāo)權(quán)重；aij為參評指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值；R為農(nóng)業(yè)節(jié)水綜合效益。

2.2.2 降維處理及研究方法

1)參評指標(biāo)的降維處理——主成分分析法。該方法是利用線性組合的方式將原來多個且彼此相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為個數(shù)較少且不相關(guān)或彼此獨立的綜合指標(biāo)，其核心為降維處理。參評樣本的數(shù)據(jù)信息在不同程度上體現(xiàn)在每個變量上，且各因素之間具有密切關(guān)聯(lián)，因此統(tǒng)計的數(shù)據(jù)信息大多存在一定的重疊，定量分析時人們自然希望獲取的信息量較多而涉及的變量較少，針對此類問題主成分分析法的可行性和適用性較強(qiáng)。

表1 節(jié)水農(nóng)業(yè)效益指標(biāo)體系

2)節(jié)水農(nóng)業(yè)效益評價——Topsis法。該方法是以客觀數(shù)據(jù)為計算基礎(chǔ)的逼近理想解評價法，其客觀性、準(zhǔn)確性較好。采用Topsis法的基礎(chǔ)為確定最優(yōu)和最劣評價方案，并準(zhǔn)確計算最劣和最優(yōu)方案與參評樣本的距離，明確最優(yōu)方案與各參評樣本的貼近程度，以此作為評價的根本依據(jù)，其實現(xiàn)流程為：

步驟1：結(jié)合農(nóng)業(yè)節(jié)水效益評價的m項指標(biāo)和n個參評樣本，構(gòu)造初始指標(biāo)矩陣：

X=(Xij)n×m

(2)

充分考慮不同指標(biāo)的內(nèi)涵特征，將所有參評因素劃分為高優(yōu)、低優(yōu)兩大類型，對于越大越優(yōu)或越小越優(yōu)型指標(biāo)，利用以下公式歸一化處理：

(3)

步驟2：完成初始數(shù)據(jù)歸一化處理后，對各項參評指標(biāo)利用變異系數(shù)法賦予權(quán)重，由此構(gòu)造轉(zhuǎn)化矩陣：

Z=(Zij)n×m

(4)

將所有參評樣本中各項指標(biāo)的最小、最大值集成，由此構(gòu)成節(jié)水農(nóng)業(yè)效益評價的最劣、最優(yōu)向量，即：

Z+=(Zmax1,Zmax2,Λ,Zmaxn，)
Z-=(Zmin1,Zmin2,Λ,Zminm，)

(5)

然后對參評樣本的優(yōu)劣程度按照相對接近度Ci值排序，由于Topsis效益型評價模式與節(jié)水農(nóng)業(yè)效益評價的一致性，故其值越高則節(jié)水農(nóng)業(yè)效益越好。

步驟3：將評價指標(biāo)權(quán)重利用客觀賦權(quán)法——變異系數(shù)法計算，將逼近理想解的Topsis法與變異系數(shù)賦權(quán)法相耦合構(gòu)建節(jié)水農(nóng)業(yè)優(yōu)選模型。其實現(xiàn)流程為：針對指標(biāo)權(quán)重利用變異系數(shù)法計算，由此構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)決策矩陣，并利用有關(guān)公式求解各個決策方案與正、負(fù)理想點間的相對接近度，依據(jù)接近度大小排列方案優(yōu)劣程度。

考慮到不同指標(biāo)的量綱或單位存在差異，無法直接參與差別程度的評價分析。為消除不同量綱帶來的效益評價不可通透性，可以對指標(biāo)值的差異程度利用變異系數(shù)來度量，其計算公式為：

(6)

式中：Dj、Rj、δj為參評指標(biāo)j的均方差、均值和變異系數(shù)。采用SPSS主成分分析軟件降維處理節(jié)水農(nóng)業(yè)效益評價的各項指標(biāo)，由此確定節(jié)水農(nóng)業(yè)效益主成分評分矩陣，將Topsis法與熵權(quán)權(quán)重相耦合，以評分矩陣為基礎(chǔ)評價灌區(qū)綜合效益。

3 結(jié)果與分析

3.1 準(zhǔn)則層指標(biāo)分析

根據(jù)已選取的22項指標(biāo)反映盤山灌區(qū)的節(jié)水效益狀況，綜合利用Topsis中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化法和SPSS主成分分析軟件計算各指標(biāo)貢獻(xiàn)率與特征值。一般地，按特征值大于1或累計貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的原則提取主成分，由此選取的主成分個數(shù)如表2。原有的22個原始變量利用3個主成分來替代，該條件下的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到94%符合要求，從而實現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)的降維數(shù)據(jù)，更加客觀、準(zhǔn)確的揭示2012-2016年盤山灌區(qū)的節(jié)水農(nóng)業(yè)變化規(guī)律。

表2 主成分的累計貢獻(xiàn)率

2012-2016年各主成分評分利用SPSS軟件計算，如表3。采用變異系數(shù)公式輸入各主成分評分，在此基礎(chǔ)上確定相應(yīng)的權(quán)重，即F1、F2、F3的主成分權(quán)值為0.3619、0.3364、0.3017。由此可知，降維處理后權(quán)重最高和最低的為第一、第三主成分。

表3 灌區(qū)節(jié)水效益評價主成分評分矩陣

由表4可知，第一主成分與人均生產(chǎn)總值、水分生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)效益費用比、內(nèi)部收益率、農(nóng)業(yè)用水量、灌溉水利用系數(shù)、主要農(nóng)作物產(chǎn)量之間存在正相關(guān)性，而投資回收年限與第一主成分呈負(fù)相關(guān)，由此表明節(jié)水改造工程的經(jīng)濟(jì)效益不明顯。盤山灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及用水狀況可以利用以上指標(biāo)來衡量，這也是反映灌區(qū)經(jīng)濟(jì)效益的主要參數(shù)。換句話說，灌區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)效益隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)實力的提升而提高，其原因為地區(qū)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)有利于改善灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)以及節(jié)水農(nóng)業(yè)的利用。所有權(quán)重中第一主成分的權(quán)值最高為0.3619，對促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)節(jié)水具有積極作用[6,7]。

第二主成分與節(jié)水機(jī)制推廣水平、計量收費普及率、水費實收率、工程配套完善率、節(jié)水工程管護(hù)水平、用水者協(xié)會管理面積、政策法規(guī)配套率、用戶參與水平呈顯著正相關(guān)性，其權(quán)值為0.3364，這也是反映灌區(qū)社會效益的主要參數(shù)。近年來，隨著農(nóng)民素質(zhì)以及農(nóng)業(yè)信息化、產(chǎn)業(yè)化、機(jī)械化的快速提升，當(dāng)?shù)卣⒈Ｕ现贫?、組建專業(yè)化噴灌服務(wù)體系以及制定鼓勵節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)惠政策，對保證節(jié)水農(nóng)業(yè)效益、建設(shè)質(zhì)量的長效發(fā)揮以及調(diào)動農(nóng)民群眾投資發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的積極性發(fā)揮著重要作用，為實現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供了重要保障。

表4 主成分評分系數(shù)矩陣

第三主成分與森林覆蓋率、灌區(qū)地下水利用率、澇標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率、地表水利用率呈正相關(guān)性，這也是反映灌區(qū)生態(tài)效益的主要參數(shù)。所有權(quán)重中第三主成分權(quán)重最小為0.3017，由此表明當(dāng)?shù)貨]有足夠的重視灌區(qū)節(jié)水改造工程的生態(tài)效益。盤山灌區(qū)無獨立水源，供水受上游來水限制，往往需要短時間大流量集中供水，2015年用水高峰泡插期的水田缺水550萬m3。

然而，該灌區(qū)具有較為豐富的地下水，為環(huán)節(jié)農(nóng)業(yè)春季灌溉用水和農(nóng)業(yè)發(fā)展用水不足的矛盾，可對地下水實施合理的開發(fā)利用，同時防止土壤次生鹽堿化及大水漫灌的發(fā)生。

通過分解評價理論模型計算準(zhǔn)則層指標(biāo)效益水平Ai，其計算式為：

Ai=wijaij

(7)

式中：wij、aij為參評指標(biāo)權(quán)重及其評分值。由表5可知，盤山灌區(qū)經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)出波動上升的變化特征，并且生態(tài)環(huán)境、社會效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于經(jīng)濟(jì)效益。在促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高農(nóng)業(yè)糧食產(chǎn)量等方面節(jié)水改造工程的實施發(fā)揮著積極作用，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示項目實施后的總經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到1689.75萬元/a。

表5 盤山灌區(qū)2014-2018年效益評價值

基于社會效益的視角，灌區(qū)節(jié)水改造工程的經(jīng)濟(jì)功能高于社會功能，管理人員開支主要依靠灌區(qū)水費收入。由于用水價格比較低只能維持灌區(qū)的正常管理，節(jié)余部分資金僅能維持簡單的再生產(chǎn)和臨時工程維修，此外灌區(qū)大水漫灌模式及村民農(nóng)業(yè)節(jié)水意識薄弱等問題突出。因此，要強(qiáng)化部分配合與組織領(lǐng)導(dǎo)，加大農(nóng)業(yè)節(jié)水宣傳李阿杜，搞好節(jié)水農(nóng)業(yè)的示范以及建立節(jié)水技術(shù)服務(wù)體系。結(jié)果表明，灌區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)、社會效益明顯高于生態(tài)效益，研究期間生態(tài)效益為0.124-0.257區(qū)間，由于續(xù)建配套的持續(xù)推進(jìn)生態(tài)效益總體上呈波動上升取值。

3.2 綜合效益評價

運用Topsis法和已確定的權(quán)重以及降維后的主成分矩陣，準(zhǔn)確計算最劣、最優(yōu)方案與不同年份盤山灌區(qū)的距離，并利用相關(guān)公式求解相應(yīng)的接近度值Ci，如圖1。從圖1可知，不同年份盤山灌區(qū)的綜合效益具有明顯差異，其中2012年、2016年為綜合效益的最低和最高年份。

圖1 節(jié)水農(nóng)業(yè)綜合效益值

4 結(jié) 論

1)節(jié)水農(nóng)業(yè)效益評價涉及因素、覆蓋范圍廣，屬于一項多屬性、多目標(biāo)綜合評價的系統(tǒng)問題。文章結(jié)合盤山灌區(qū)特點和現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，經(jīng)多次優(yōu)化和反復(fù)論證最終選擇22項指標(biāo)構(gòu)建效益評價體系，并對所有參評指標(biāo)利用主成分法降維簡化，篩選出累計貢獻(xiàn)率超過85%的3個主成分，從而降低評價結(jié)果受不同參評因素相關(guān)性的作用。然后運用Topsis法和已確定的權(quán)重以及降維后的主成分矩陣，準(zhǔn)確計算最優(yōu)、最劣方案與不同年份的接近度值Ci，結(jié)果顯示2012年、2016年為綜合效益的最低和最高年份。

2)充分考慮評價結(jié)果，盤山灌區(qū)要綜合考慮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會效益制定切實可行的農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展規(guī)劃，加強(qiáng)節(jié)水技術(shù)研究以及節(jié)水灌溉工程管理，強(qiáng)化部門配合與組織領(lǐng)導(dǎo)，切實搞好節(jié)水農(nóng)業(yè)的示范以及節(jié)水灌溉資金的多渠道投入，加大宣傳力度切實推動節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展。

3)節(jié)水農(nóng)業(yè)效益評價與建設(shè)投資、工程設(shè)計、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素直接相關(guān)，同時節(jié)水激勵機(jī)制健全水平、水價合理性、政府重視程度等社會管理策略也非常關(guān)鍵，為促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)健康發(fā)展還要制定合理水價。在農(nóng)業(yè)水管理決策中農(nóng)業(yè)節(jié)水管理政策也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，對促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)與引導(dǎo)用水戶選擇相協(xié)調(diào)的管理模式起到積極作用。另外，應(yīng)重視生態(tài)環(huán)境受節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響，提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及持續(xù)優(yōu)化水土資源，實現(xiàn)持續(xù)健康、協(xié)調(diào)穩(wěn)定的節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展。