基于CRITIC-TOPSIS的許昌市農(nóng)業(yè)水土資源評價

曹連海, 劉曉博, 張志強, 黃佳

(1.華北水利水電大學 測繪與地理信息學院,河南 鄭州 450046;2.華北水利水電大學 地球科學與工程學院,河南 鄭州 450046)

水土資源是人類生產(chǎn)活動的基礎物質條件,是區(qū)域社會、經(jīng)濟、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要因素,是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵[1-2]。區(qū)域水土資源時空分布不均衡,水資源與土地資源開發(fā)力度的加大,會影響并制約區(qū)域的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展[3-4]。對水土資源匹配特征的研究有利于掌握水土資源的利用情況,分析水土資源利用特征,對進一步緩解區(qū)域水土資源利用的矛盾具有重要的指導意義;其次,通過對水土資源綜合評價,有利于掌握區(qū)域存在的問題,以緩解水土資源矛盾,促進區(qū)域水資源與耕地資源的科學合理利用。因此,綜合評價農(nóng)業(yè)水土資源有助于農(nóng)業(yè)水土資源利用率的提高[5-6],也有利于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

近年來,農(nóng)業(yè)水土資源綜合研究越來越受到學術界的重視,現(xiàn)有的研究成果多是針對水資源承載力[7]和土地資源利用進行評價研究,并得到了一系列有價值的研究成果。馬曉洪等[8]、黃克威等[9]、何俊仕等[10]、王志新等[11]、楊劍等[12]分別采用改進的模糊綜合評判法、基于DEA的水土資源匹配模型、灰色關聯(lián)法、改進的TOPSIS評價法、熵權TOPSIS評價方法等對水土資源匹配程度以及水土資源利用進行評價分析?，F(xiàn)有的成果對水土資源整體效能評價研究不充分,且多集中于省域等大尺度,市域尺度上的研究成果較少。在研究方法上,由于水土資源綜合評價指數(shù)具有較強的綜合性特點,相關研究者們多從水土資源匹配系數(shù)、洛倫茨曲線、基尼系數(shù)[13-14]來綜合反映水土資源匹配的程度[15-16]。TOPSIS評價方法應用較廣,多應用于城市旅游與可持續(xù)發(fā)展的評價研究中[17],該評價方法具有充分利用原始數(shù)據(jù)、減少信息損失等優(yōu)點[18]。

本文以許昌市為研究區(qū),以“科學合理利用水土資源”為目標,針對許昌市非農(nóng)業(yè)用水增加、農(nóng)業(yè)用水減少,以及土地利用程度降低、土地利用形勢嚴峻等情況,綜合運用CRITIC-TOPSIS評價模型對許昌市2008—2017年水土資源的匹配特征及協(xié)調程度進行綜合分析。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

許昌市地處河南省中部,東經(jīng)113°03′～114°19′、北緯33°42′～34°24′,包括許昌市區(qū)、禹州市、鄢陵縣、襄城縣、長葛市5個地區(qū),其中建安區(qū)、魏都區(qū)在本研究中稱為許昌縣。該區(qū)域由于地處從山地通過丘陵和崗地到平原的過渡地帶,土壤肥沃;屬溫帶季風氣候,春、冬季節(jié)少雨,夏末秋初多雨;降水年際變動幅度大,且年內(nèi)分配不均,汛期降雨量占全年的62%以上;蒸發(fā)能力遠超過降雨,屬偏干旱區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究的基礎數(shù)據(jù)來自于《中國縣域統(tǒng)計年鑒》《許昌市統(tǒng)計年鑒》《許昌市水資源公報》等,這些數(shù)據(jù)包括許昌市5個縣域2008—2017年的水文、土地、人口、經(jīng)濟以及農(nóng)業(yè)等相關的數(shù)據(jù)資料。研究區(qū)以許昌市為中心,以東稱其為東部地區(qū),以西稱其為西部地區(qū),以北稱其為北部地區(qū),以南稱其為南部地區(qū)。

2 農(nóng)業(yè)水土資源評價方法

2.1 指標體系的建立

參考相關文獻資料[12,19-20]以及在了解許昌市農(nóng)業(yè)水土資源的基礎上,經(jīng)過篩選,選擇13個評價指標構建農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指標體系,這13個評價指標大致可以涵蓋許昌市水土資源的概況,具體見表1。

表1 許昌市農(nóng)業(yè)水土資源評價指標體系

2.2 TOPSIS評價模型

在構建許昌市農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價體系的基礎上,為排除人為主觀性,提高權重準確度,選用CRITIC法計算評價指標權重,運用TOPSIS[21-23]評價模型測算水土資源的綜合評價指數(shù),從時空的角度對許昌市農(nóng)業(yè)水土資源的配置關系進行動態(tài)分析。

2.2.1 構建標準化評價矩陣

原始評價指標矩陣為:

(1)

標準化處理后的評價矩陣為:

(2)

式中:xij為初始值;rij為標準化值;i=1、2、…、m;j=1、2、…、n。

2.2.2 確定指標權重

權重計算過程如下:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:Sj為第j個指標的標準差;fij為評價指標i和j之間的相關系數(shù);Zj為指標綜合信息量;Wj為第j個指標的權重。

規(guī)范加權矩陣為:

(7)

2.2.3 確定正負理想解

最優(yōu)、最劣向量分別為:

Y+=(ymax1,ymax2,…,ymaxn),

(8)

Y-=(ymin1,ymin2,…,yminn) 。

(9)

式中ymaxn、yminn分別表示式(6)中第n列的最大、最小值。

2.2.4 距離計算

距離的計算式分別為:

(10)

(11)

式中yij為加權后的標準化值。

2.2.5 計算綜合評價指數(shù)

綜合評價指數(shù)的計算式為:

(12)

當Ci大于等于0、小于等于1且Ci接近1時,表明綜合評價指數(shù)高;反之,表明綜合評價指數(shù)低。

3 結果分析

3.1 農(nóng)業(yè)水土資源時空分布及匹配

通過水土資源匹配系數(shù)測算[24]得到許昌市各地區(qū)水土資源匹配系數(shù)值,許昌市的水土資源分布情況如圖1所示。由圖1可以看出:許昌市單位面積水資源量在空間上分布不均衡,其年平均單位面積水資源量為1 648.28 m3/hm2,5個地區(qū)的單位面積水資源量排序為:許昌縣、禹州市、鄢陵縣、襄城縣、長葛市;許昌市耕地資源比例均在60%以上,耕地資源比例由高到低依次是鄢陵縣、許昌縣、襄城縣、長葛市、禹州市,許昌市西部地區(qū)多為山地,地形變化會影響耕地資源的分布,禹州市耕地資源占比較小。

圖1 許昌市水土資源空間分布情況

2008—2017年這10年間,許昌市各縣域的水土資源匹配系數(shù)值波動較大,總體呈現(xiàn)“東南優(yōu)、中部差”的匹配格局,如圖2所示。由圖2可知:2008—2017年,許昌縣水土匹配系數(shù)為全市最小值;2008—2017年,鄢陵縣的水土匹配系數(shù)達到最大值,為1 409 m3/hm2,原因是該縣域水土資源較為充足。土地利用率是影響水土資源匹配的原因之一,就全市而言,水資源的相對不足會影響到水資源的利用效率。以2017年為例,許昌縣的耕地面積占全市的22%,全市排名第二,水資源利用效率為24%,全市排名最低;東部的鄢陵縣為水資源利用效率高值區(qū),但土地利用率不太理想。從以上分析來看,兩地區(qū)的水土資源綜合條件滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。

圖2 許昌市水土資源匹配格局

許昌市水土資源匹配系數(shù)值在2008—2017年這10年里呈波動上升趨勢,如圖3所示。降水量的增加會引起水土資源匹配系數(shù)值的變化,如2008年平均降水量為619.0 mm,由于2010年汛期雨量偏多,所以2010年平均降水量比2008年的增加173.0 mm,水土資源匹配系數(shù)值變化幅度相應較大,2008年和2010年的水土資源匹配系數(shù)值分別為672 m3/hm2和1 047 m3/hm2;由于2011—2014年的降水量出現(xiàn)明顯下降,導致這期間許昌市各地區(qū)水土資源匹配系數(shù)值的變化呈明顯下降趨勢;2014年的平均降水量為560.3 mm,2015年汛期降雨量相對偏多,平均降水量也比上年多,增加18.10%,降水量的增加導致水土資源匹配系數(shù)值從2014年的671 m3/hm2逐漸增大到2015年的939 m3/hm2。圖3中2015—2017年許昌市的水土資源匹配系數(shù)值的變動幅度越來越小,這可能與耕地資源的穩(wěn)定以及水利工程建設、水資源綜合利用量及用水結構的調整相關。

文不在繁，貴在簡。《摘編》收錄了總書記十八大以來關于扶貧工作的8個專題242段經(jīng)典論述，一字一句無不字字珠璣、句句經(jīng)典?！墩帯罚ǘ┲小稗r(nóng)村要發(fā)展，農(nóng)民要致富，關鍵靠支部”短短15字，指出了脫貧攻堅工作必須夯實黨的領導政治保障、抓好組織建設促脫貧攻堅，在基層組織建設、選人用人上夯實脫貧攻堅基礎；《摘編》（三）中提到“要一家一戶摸情況，張家長、李家短都要做到心中有數(shù)”，寥寥數(shù)語，簡短實在，道出了“貴在精準，重在精準，成敗之舉在于精準”的重要性和關鍵性。

圖3 2008—2017 年許昌市水土匹配系數(shù)變化情況

3.2 農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)測算及其結果的時空分布格局

3.2.1 農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指標權重分析

經(jīng)計算,許昌市農(nóng)業(yè)水土資源各評價指標權重結果如下:

Wj=[X1X2…X13]=

[0.071 0.085 … 0.097]。

(13)

在13項農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指標中:用水總量(X5)、農(nóng)業(yè)用水定額(X13)、人均用水量(X7)和人口密度(X3)這4項指標的權重都大于0.085,說明這4項指標是影響許昌市水土資源綜合評價指數(shù)的主要因素,其次為農(nóng)業(yè)機械化程度(X12)、人均水資源量(X4)等,農(nóng)業(yè)水資源利用效率(X6)的權重最小,為0.068。許昌市農(nóng)業(yè)水土資源評價指標權重相差較小,說明文中篩選的13項評價指標對許昌市農(nóng)業(yè)水土資源的影響程度差別不大。農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)不僅僅取決于內(nèi)在自然資源持有量的條件,還受到其他外在因素的較大影響,比如資源利用的技術水平等,所以在對農(nóng)業(yè)水土資源進行評價時,要綜合考慮各方面的影響因素。

3.2.2 農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值的時空分布格局

許昌市農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)結果見表2。

表2 許昌市農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)結果

由表2可以看出:許昌市農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值排序為:鄢陵縣、襄城縣、禹州市、長葛市、許昌縣,許昌市5個地區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)的理想貼進度為0.409～0.560,鄢陵縣的綜合評價指數(shù)值最大,其理想貼進度為0.560,高于其他地區(qū);許昌縣的綜合評價指數(shù)值最小,其理想貼進度僅為0.409,農(nóng)業(yè)水土資源的優(yōu)化利用狀況較差,與鄢陵縣相差0.151?？傮w來說,許昌市農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)處于中等水平,水土資源各功能之間要相互促進,才能使許昌市的農(nóng)業(yè)水土資源得到最優(yōu)化利用。

圖4 2008年和2017年許昌市農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)結果

1)2008年和2017年農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值較大的分別為鄢陵縣和襄城縣,其次為許昌縣,許昌縣位于許昌市的中部,耕地資源和水資源都較為充足;鄢陵縣、襄城縣分別位于許昌市的東部和西南部,多年平均年降水量分別為725.9 mm和739.5 mm,水資源十分豐富,東部地區(qū)多為沖積平原,西南地區(qū)有較少山區(qū),大多為平原,耕地資源相對充足,兩地區(qū)的水土資源匹配系數(shù)值分別為1 409 m3/hm2、1 138 m3/hm2,大于許昌市的水土資源匹配系數(shù)的均值;農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值較小的為禹州市、長葛市,兩地區(qū)分別位于許昌市的西部和北部,西部地區(qū)以山地丘陵為主,耕地資源少,兩地區(qū)多年平均年降水量分別為656.7 mm和673.5 mm,水資源相比其它地區(qū)來說較為欠缺。

2)許昌市大部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值呈現(xiàn)輕微的波動,總體趨于上升趨勢。從排名動態(tài)變化來看,農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)排名進步的是鄢陵縣和禹州市,鄢陵縣從2008年的第5名上升到2017年的第1名;禹州市從2008 年的第4名上升到2017年的第3名;襄城縣從2008年的第1名下降到2017年的第2名,許昌縣從2008年的第2名下降到2017年的第4名,長葛市從2008年的第3名下降到2017年的第5名。禹州市和襄城縣這兩個地區(qū)2008年和2017年的農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值變化較小;相比禹州和襄城縣兩個地區(qū)來說,許昌縣和長葛市2008年和2017年的農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值變化較大,鄢陵縣2008年和2017年的農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值變化最大,但鄢陵縣2008年的農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值小于2017年的,許昌縣和長葛市的與之相反,這可能與當年該地農(nóng)業(yè)水土資源利用的方式有關?？傮w來看,許昌市農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值較為穩(wěn)定,其變化呈輕微的上升趨勢,這與研究區(qū)土地利用結構變化特別是與研究區(qū)水資源利用程度有關。

4 結語

文中共選取13個指標構建評價指標體系,采用TOPSIS對許昌市農(nóng)業(yè)水土資源的綜合評價指數(shù)進行評價分析,得到以下結果:

1)許昌市水土資源空間分布不均衡,部分縣域水土資源匹配程度較差。2008—2017年各縣域的水土資源匹配系數(shù)波動較大,總體呈現(xiàn)“東南優(yōu)、中部差”的匹配格局。

2)不同地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)存在差異,綜合評價指數(shù)最高的是鄢陵縣,其理想貼進度為0.560;綜合評價指數(shù)最低的為許昌縣,其理想貼進度僅為0.409;許昌市整體的農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)的理想貼進度為0.409～0.560,農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)處于中等水平,需要采取一定措施加以提高,以使許昌市的水土資源得到最優(yōu)化利用。

3)對比2008年和2017年許昌市農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)結果知,許昌市大部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值變化呈現(xiàn)輕微的波動,總體趨于上升趨勢。

采用CRITIC法來確定評價指標的權重,選用TOPSIS評價方法構建農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價模型計算許昌市的農(nóng)業(yè)水土資源綜合評價指數(shù)值,計算結果和排名結果均與許昌市水土資源的實際情況吻合,說明本文所采用的方法是可行的,但該模型的計算結果,只能是綜合評價指數(shù)的相對等級,建議后期研究中采用不同的研究方法或者采用同種方法分析不同區(qū)域,對比分析所得結果的差異,以便更加切實地反映某個區(qū)域的水土資源狀況。因此,根據(jù)當?shù)貙嶋H情況建立適合當?shù)氐脑u價指標體系、選擇合理的指標確定方法以及構建可行的評價模型是水土資源綜合評價的重要部分。同時要不斷改善水土資源綜合評價的過程,以期得到更加科學合理的評價結果。