盤(pán)山灌區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)綜合效益評(píng)價(jià)

楊 揚(yáng)

(遼寧省盤(pán)山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤(pán)錦 124000)

0 引 言

我國(guó)屬于農(nóng)業(yè)、灌溉和人口大國(guó)，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(guó)第一用水大戶(hù)以及“節(jié)水優(yōu)先”戰(zhàn)略落實(shí)的主戰(zhàn)場(chǎng)。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(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及解決我國(guó)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(diǎn)考慮的問(wèn)題，這給當(dāng)?shù)毓芾聿块T(mén)與農(nóng)民生產(chǎn)技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，也是一個(gè)涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)的系統(tǒng)性問(wèn)題。因此，如何構(gòu)建科學(xué)適用的評(píng)價(jià)模型和指標(biāo)體系已成為現(xiàn)今研究的熱點(diǎn)，特別是對(duì)缺水的荒漠或干旱地區(qū)，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)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(duì)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(guò)評(píng)價(jià)節(jié)水農(nóng)業(yè)效益有助于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)未來(lái)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?，F(xiàn)有研究開(kāi)展的綜合評(píng)價(jià)一般涉及生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面，應(yīng)用的綜合評(píng)價(jià)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(shí)際情況，但對(duì)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(pán)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(diǎn)以及參評(píng)因子選取、降維、綜合評(píng)價(jià)的流程，利用Topsis多目標(biāo)模型合理評(píng)價(jià)灌區(qū)的節(jié)水效益。

1 研究區(qū)概況

盤(pán)山灌區(qū)地處遼河三角洲沖積平原，位于大凌河、繞陽(yáng)河、遼河、大遼河四河流的下游，東隔遼河、外遼河與海城市、臺(tái)安縣相鄰，西靠北寧、凌海兩市，南接市內(nèi)興隆臺(tái)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(jì)和實(shí)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(pán)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?jī)H達(dá)到設(shè)計(jì)的60%。盤(pán)山灌區(qū)無(wú)獨(dú)立水源，供水受上游來(lái)水限制，往往需要短時(shí)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(jì)提水能力合計(jì)230 m3/s ，實(shí)際提水能力達(dá)到202 m3/s ，提水站日工作按21h 計(jì)，該時(shí)段排灌站可提水量為1.145億m3，2015年水田缺水550萬(wàn)m3。灌區(qū)提水能力不能滿(mǎn)足各水平年的需水要求，也就是水源有水引不到田間，需對(duì)灌區(qū)泵站及其渠系建筑物進(jìn)行更新改造。

盤(pán)山灌區(qū)節(jié)水改造二期工程項(xiàng)目共有60項(xiàng)，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(guò)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(yùn)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(lái)源

定量與定性數(shù)據(jù)為文中數(shù)據(jù)兩大類(lèi)型，其中灌區(qū)節(jié)水改造相關(guān)數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《盤(pán)山灌區(qū)節(jié)水改造二期工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》、《盤(pán)山縣十三五規(guī)劃》和《盤(pán)山縣統(tǒng)計(jì)年鑒(2016)》等資料；根據(jù)專(zhuān)家評(píng)分法獲取定性數(shù)據(jù)，按照0-3、3-5、5-7、7-9、9-10的評(píng)分區(qū)間劃分很差、差、一般、較好、好5個(gè)等級(jí)。

2.2 研究方法

2.2.1 評(píng)價(jià)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(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)代化，故需要以一個(gè)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(pán)山灌區(qū)環(huán)境特點(diǎn)、自然條件、相關(guān)政策和社會(huì)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(guó)內(nèi)外研究成果，遵循針對(duì)性、便捷性、科學(xué)性和實(shí)用性等原則，從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)3個(gè)方面選擇22項(xiàng)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將定量與定性指標(biāo)結(jié)合構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系，如表1。

節(jié)水農(nóng)業(yè)效益評(píng)價(jià)涉及因素多、覆蓋范圍廣，一般利用多目標(biāo)綜合法評(píng)價(jià)灌區(qū)節(jié)水效益狀況，即利用以下數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)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(píng)指標(biāo)權(quán)重；aij為參評(píng)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(píng)指標(biāo)的降維處理——主成分分析法。該方法是利用線(xiàn)性組合的方式將原來(lái)多個(gè)且彼此相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為個(gè)數(shù)較少且不相關(guān)或彼此獨(dú)立的綜合指標(biāo)，其核心為降維處理。參評(píng)樣本的數(shù)據(jù)信息在不同程度上體現(xiàn)在每個(gè)變量上，且各因素之間具有密切關(guān)聯(lián)，因此統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)信息大多存在一定的重疊，定量分析時(shí)人們自然希望獲取的信息量較多而涉及的變量較少，針對(duì)此類(lèi)問(wèn)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(píng)價(jià)——Topsis法。該方法是以客觀數(shù)據(jù)為計(jì)算基礎(chǔ)的逼近理想解評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方案，并準(zhǔn)確計(jì)算最劣和最優(yōu)方案與參評(píng)樣本的距離，明確最優(yōu)方案與各參評(píng)樣本的貼近程度，以此作為評(píng)價(jià)的根本依據(jù)，其實(shí)現(xiàn)流程為：

步驟1：結(jié)合農(nóng)業(yè)節(jié)水效益評(píng)價(jià)的m項(xiàng)指標(biāo)和n個(gè)參評(píng)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(píng)因素劃分為高優(yōu)、低優(yōu)兩大類(lèi)型，對(duì)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(duì)各項(xiàng)參評(píng)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(píng)樣本中各項(xiàng)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(píng)價(jià)的最劣、最優(yōu)向量，即：

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

(5)

然后對(duì)參評(píng)樣本的優(yōu)劣程度按照相對(duì)接近度Ci值排序，由于Topsis效益型評(píng)價(jià)模式與節(jié)水農(nóng)業(yè)效益評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重利用客觀賦權(quán)法——變異系數(shù)法計(jì)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(shí)現(xiàn)流程為：針對(duì)指標(biāo)權(quán)重利用變異系數(shù)法計(jì)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(gè)決策方案與正、負(fù)理想點(diǎn)間的相對(duì)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(wú)法直接參與差別程度的評(píng)價(jià)分析。為消除不同量綱帶來(lái)的效益評(píng)價(jià)不可通透性，可以對(duì)指標(biāo)值的差異程度利用變異系數(shù)來(lái)度量，其計(jì)算公式為：

(6)

式中：Dj、Rj、δj為參評(píng)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(píng)價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)，由此確定節(jié)水農(nóng)業(yè)效益主成分評(píng)分矩陣，將Topsis法與熵權(quán)權(quán)重相耦合，以評(píng)分矩陣為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)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(xiàng)指標(biāo)反映盤(pán)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(jì)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(jì)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(gè)數(shù)如表2。原有的22個(gè)原始變量利用3個(gè)主成分來(lái)替代，該條件下的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到94%符合要求，從而實(shí)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(pán)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(jì)貢獻(xiàn)率

2012-2016年各主成分評(píng)分利用SPSS軟件計(jì)算，如表3。采用變異系數(shù)公式輸入各主成分評(píng)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(píng)價(jià)主成分評(píng)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(fèi)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(pán)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(lái)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(huà)說(shuō)，灌區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)效益隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升而提高，其原因?yàn)榈貐^(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(duì)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(jì)量收費(fèi)普及率、水費(fèi)實(shí)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(huì)管理面積、政策法規(guī)配套率、用戶(hù)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(huì)效益的主要參數(shù)。近年來(lái)，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(zhuān)業(yè)化噴灌服務(wù)體系以及制定鼓勵(lì)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)惠政策，對(duì)保證節(jié)水農(nóng)業(yè)效益、建設(shè)質(zhì)量的長(zhǎng)效發(fā)揮以及調(diào)動(dòng)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(shí)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(píng)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](méi)有足夠的重視灌區(qū)節(jié)水改造工程的生態(tài)效益。盤(pán)山灌區(qū)無(wú)獨(dú)立水源，供水受上游來(lái)水限制，往往需要短時(shí)間大流量集中供水，2015年用水高峰泡插期的水田缺水550萬(wàn)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(duì)地下水實(shí)施合理的開(kāi)發(fā)利用，同時(shí)防止土壤次生鹽堿化及大水漫灌的發(fā)生。

通過(guò)分解評(píng)價(jià)理論模型計(jì)算準(zhǔn)則層指標(biāo)效益水平Ai，其計(jì)算式為：

Ai=wijaij

(7)

式中：wij、aij為參評(píng)指標(biāo)權(quán)重及其評(píng)分值。由表5可知，盤(pán)山灌區(qū)經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)出波動(dòng)上升的變化特征，并且生態(tài)環(huán)境、社會(huì)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(shí)施發(fā)揮著積極作用，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示項(xiàng)目實(shí)施后的總經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到1689.75萬(wàn)元/a。

表5 盤(pán)山灌區(qū)2014-2018年效益評(píng)價(jià)值

基于社會(huì)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(huì)功能，管理人員開(kāi)支主要依靠灌區(qū)水費(fèi)收入。由于用水價(jià)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(jiǎn)單的再生產(chǎn)和臨時(shí)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(shí)薄弱等問(wèn)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(huì)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(dòng)上升取值。

3.2 綜合效益評(píng)價(jià)

運(yùn)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(jì)算最劣、最優(yōu)方案與不同年份盤(pán)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(pán)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(píng)價(jià)涉及因素、覆蓋范圍廣，屬于一項(xiàng)多屬性、多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的系統(tǒng)問(wèn)題。文章結(jié)合盤(pán)山灌區(qū)特點(diǎn)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(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建效益評(píng)價(jià)體系，并對(duì)所有參評(píng)指標(biāo)利用主成分法降維簡(jiǎn)化，篩選出累計(jì)貢獻(xiàn)率超過(guò)85%的3個(gè)主成分，從而降低評(píng)價(jià)結(jié)果受不同參評(píng)因素相關(guān)性的作用。然后運(yùn)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(jì)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(píng)價(jià)結(jié)果，盤(pán)山灌區(qū)要綜合考慮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益制定切實(shí)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(mén)配合與組織領(lǐng)導(dǎo)，切實(shí)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(shí)推動(dòng)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展。

3)節(jié)水農(nóng)業(yè)效益評(píng)價(jià)與建設(shè)投資、工程設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素直接相關(guān)，同時(shí)節(jié)水激勵(lì)機(jī)制健全水平、水價(jià)合理性、政府重視程度等社會(huì)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(jià)。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(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)與引導(dǎo)用水戶(hù)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(shí)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。