基于正態(tài)云模型的遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率評價

齊士強

(盤錦市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 盤錦 124000)

近年來,居民生活及工業(yè)用水需求正隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展逐漸提升,農(nóng)業(yè)可供用水量不斷壓縮,加之農(nóng)業(yè)用水效率偏低,長期大水漫灌為主致使農(nóng)業(yè)用水面臨著嚴峻的形勢[1]。中國農(nóng)業(yè)用水占總用水量的73.4%,其中約90%屬于農(nóng)田灌溉用水,一直以來都是第一用水大戶,且普遍存在用水浪費、灌溉效率低的現(xiàn)象[2-3]。農(nóng)業(yè)節(jié)水的關(guān)鍵是有效提升其用水效率,故科學(xué)評價用水效率對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用及緩解農(nóng)田灌溉供水壓力具有重要意義。

農(nóng)業(yè)用水效率評價涉及因素多、覆蓋范圍廣,采用經(jīng)濟學(xué)生產(chǎn)函數(shù)法構(gòu)建較完善的評價體系,可以有效解決輸配水、耗水等信息匱乏的問題,比較適用于水資源產(chǎn)出效率的測算。目前,總體航可以將農(nóng)業(yè)用水效率評價分成兩類:①采用生產(chǎn)函數(shù)和經(jīng)濟學(xué)原理分析農(nóng)業(yè)水資源的投入產(chǎn)出,在此基礎(chǔ)上測算用水效率;②應(yīng)用數(shù)學(xué)模型和評價體系測算區(qū)域用水效率。葉瀾濤等[4]以灌區(qū)為例,采用灌溉水生產(chǎn)率、水資源利用系數(shù)等指標和模糊數(shù)學(xué)法評價了其用水效率;劉瑜等[5]運用DEA理論評價了湖北省17個地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水效率,通過關(guān)鍵因子識別確定水資源利用主要受生態(tài)效益的影響;王學(xué)淵等[6]結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù),從宏觀層面上利用農(nóng)業(yè)水資源生產(chǎn)配置效率模型評價分析我國用水效率,通過與SFA法、DEA模型測算結(jié)果對比驗證了該模型的可靠性;楊揚等[7]利用DEA模型測算了灌溉水利用率及農(nóng)業(yè)用水效率;佟金萍等[8]以長江流域10個省份為例,采用Tobit和超效率DEA模型分析了區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率和變化特征。文章結(jié)合相關(guān)研究方法,采用熵權(quán)-正態(tài)云模型評價了遼寧省2013—2020年農(nóng)業(yè)用水效率,旨在為區(qū)域用水結(jié)構(gòu)科學(xué)規(guī)劃以及農(nóng)業(yè)用水效率提升提供一定支持。

1 農(nóng)業(yè)用水效率評價體系

文章結(jié)合農(nóng)業(yè)用水相關(guān)文獻資料,遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、層次性和可操作性等原則,從用水效益、用水情況、種植結(jié)構(gòu)和節(jié)水情況子系統(tǒng)選擇7項指標構(gòu)建評價體系。然后參考前人研究成果及《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)資料,并考慮遼寧省及全國范圍內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)平均值和極值合理劃分農(nóng)業(yè)用水效率評價等級,農(nóng)業(yè)用水效率評價體系與等級標準如表1所示。

表1 農(nóng)業(yè)用水效率評價體系與等級標準

2 正態(tài)云模型

2.1 云模型理論

云模型實現(xiàn)定量描述與定性概念的轉(zhuǎn)換處理,該方法彌補了不確定系統(tǒng)計算時模糊數(shù)學(xué)和概率論存在的不足,而實際問題不確定性能夠被解決的關(guān)鍵在于云發(fā)生器,該模型已廣泛應(yīng)用于圖像處理、決策分析和識別等諸多領(lǐng)域[9-10]。

(1)

則論域U上的x近似服從正態(tài)或半正態(tài)分布,以超熵He、熵En和期望Ex表示正態(tài)云的3個數(shù)字特征,利用公式(2)可以確定其特征值(Ex,En,He)。其中,超熵He代表云滴的離散程度,這是熵En的熵;熵En和期望Ex代表定性概念可接受的云滴(x,μ(x))取值區(qū)間以及在論域U上概念C的分布中心值。

(2)

式中:vmax、vmin代表參評指標在等級區(qū)間的熵、下限,考慮變量的模糊度確定超熵He取值,結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗和文獻資料超熵值He取0.01。

2)步驟2:云發(fā)生器。這是一種利用Matlab編程軟件生成云的算法,包括正向和逆向云發(fā)生器。對于農(nóng)業(yè)用水效率考慮選用正向云發(fā)生器進行計算,具體如下:

(3)

式中:[x,U′(x)]為生成的云滴。重復(fù)以上步驟生成一定數(shù)量的云滴,采用平均值法對生成m個云滴[x,U′(x)]的平均隸屬度U(x)進行計算,即:

(4)

最后,通過標準化處理可以確定參評指標j隸屬于5個等級的隸屬度矩陣R=(rij),標準化公式如下:

(5)

2.2 熵權(quán)法計算權(quán)重

事件的無序程度可以應(yīng)用信息論中的熵來衡量,熵權(quán)法主要是通過熵值Ei來反應(yīng)參評指標所包含的有效信息量,信息量越大則該指標對評價結(jié)果的影響越大,賦予的權(quán)重也就越大[11-12],故利用熵權(quán)法計算指標權(quán)重。

1)步驟1:設(shè)待評價樣本i的第j項指標初始數(shù)據(jù)為xji,則由m個評價對象的n個指標所構(gòu)成的判斷矩陣為X=(xjin×m),其中j=1,2,…,n;i=1,2,…,m。由于各指標的單位或數(shù)量級不統(tǒng)一,應(yīng)針對越大越優(yōu)型(正向)和越小越優(yōu)型(負向)指標初始數(shù)據(jù)利用下式進行標準化處理:

(6)

式中:xji、rji為初始數(shù)據(jù)和標準化值;min(xj)、max(xj)為參評指標j在所有待評價對象中的最小和最大值。

2)步驟2:采用下列公式計算指標熵值Hj和權(quán)重wj,即:

(7)

(8)

(9)

2.3 劃分評價等級

采用加權(quán)平均法計算農(nóng)業(yè)用水效率評價等級,d=1、2、3、4、5分別對應(yīng)Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級,農(nóng)業(yè)用水效率的綜合隸屬度矩陣G利用下式計算:

G=WjTR

(10)

然后將d與對應(yīng)隸屬度分量利用下式進行求和,從而確定最終評價等級,即:

(11)

式中:Ld為隸屬于等級d的程度。

3 實例分析

3.1 研究區(qū)概況

遼寧省是中國農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟大省,在東北老工業(yè)基地、沿海經(jīng)濟帶及環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)建設(shè)中具有重要地位。根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展水平和地理區(qū)位條件,可以將全省劃分成遼東、遼西、遼南、遼北四大區(qū)域,下轄14個地市。該區(qū)域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候,降水居中,受氣候環(huán)境和地理條件影響境內(nèi)降水時空分布不均,境內(nèi)河湖眾多、河網(wǎng)密布。近年來,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提升,當?shù)厮Y源短缺問題日趨突出,在用水總量中遼寧省農(nóng)業(yè)用水占比最高,科學(xué)評價農(nóng)業(yè)用水效率對于緩解區(qū)域水資源供需矛盾,優(yōu)化調(diào)整農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)及發(fā)展政策具有重要意義。

3.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)作物總產(chǎn)量、節(jié)水灌溉與有效灌溉面積、各農(nóng)作物及糧食作物種植面積等數(shù)據(jù)來源于2014—2020年遼寧省統(tǒng)計年鑒,農(nóng)業(yè)灌溉用水量和灌溉水有效利用等數(shù)據(jù)來源于2013—2020年水資源公報,采用插值法補充個別年份缺失數(shù)據(jù),農(nóng)業(yè)用水效率評價指標初始數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 農(nóng)業(yè)用水效率評價指標初始數(shù)據(jù)

3.3 權(quán)重計算

1)建立判斷矩陣。對表2中的正向和負向指標利用公式(6)進行標準化處理,從而建立歸一化判斷矩陣X,即:

(12)

2)熵權(quán)法確定權(quán)重。采用公式(7)～(9)計算各指標熵值Hj和權(quán)重Wj:Hj=(0.9752,0.9718,0.9768,0.9802,0.9771,0.9769,0.9782),Wj=(0.1514,0.1722,0.1416,0.1209,0.1398,0.1410,0.1331)。

3.4 確定等級

對于不同評價等級,農(nóng)業(yè)用水效率各參評指標的云模型數(shù)字特征(Ex,En,He)利用公式(2)計算,其中He統(tǒng)一取0.01。然后利用正向云發(fā)生器計算云模型特征參數(shù),采用公式(3)～(5)和公式(11)計算隸屬度矩陣R=(rji)及各年農(nóng)業(yè)用水效率等級,如表3。根據(jù)以上計算結(jié)果,利用公式(10)～(11)計算確定2013—2020年遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率綜合評價等級,2013—2020年農(nóng)業(yè)用水效率各指標如表3所示。

表3 2013—2020年農(nóng)業(yè)用水效率各指標

3.4 結(jié)果分析

2013—2021年農(nóng)業(yè)用水效率評價等級,如圖1所示。遼寧省2013—2020年農(nóng)業(yè)用水效率總體呈上升趨勢,評價等級在2020年達到峰值,但在2017—2018年有所下降。具體而言,遼寧省2013—2016年農(nóng)業(yè)用水效率處于較低至中等之間的狀態(tài),2017年達到中等水平。2016—2017年農(nóng)業(yè)用水效率等級出現(xiàn)等級跨越,從政策上這與遼寧省2016年要求提高用水效率和嚴格控制用水總量,并在2017年省內(nèi)考核范圍中納入最嚴格水資源管理落實情況等有關(guān)。從數(shù)據(jù)上,2017年相比2016年農(nóng)業(yè)用水量減少約12.8%,而農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量與總產(chǎn)值不斷增大,農(nóng)業(yè)用水效率明顯提升。2018—2018年農(nóng)業(yè)用水效率等級有所下降,這主要是因為2018年農(nóng)業(yè)用水量明顯增大。2018年農(nóng)業(yè)用水較2017年提高10.1%,而農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量與總產(chǎn)值只提高2.8%和2.2%,農(nóng)業(yè)用水量增長高于農(nóng)業(yè)產(chǎn)量與產(chǎn)值增加的影響,從而使得2018年用水效益有所下降。2018—2020年農(nóng)業(yè)用水效率等級有所增加,但增幅較為緩慢,這是因為水資源管理效應(yīng)逐漸減弱,如每方水農(nóng)作物產(chǎn)量指標等級趨向平穩(wěn),指標數(shù)據(jù)接近閾值。結(jié)合具體情況,遼寧省灌溉設(shè)施改造提升積極性不強、小型農(nóng)田水利建后管護主體不明和產(chǎn)權(quán)不清等問題,對提升農(nóng)業(yè)用水效率產(chǎn)生一定的制約,雖然要求限制水資源使用,但并未真正提升用水效率,所以評價等級呈現(xiàn)出短期明顯增長,最嚴格水資源管理政策效應(yīng)過后,農(nóng)業(yè)用水效率增長變緩。

圖1 2013—2021年農(nóng)業(yè)用水效率評價等級

由2013—2020年各指標等級可知,研究期間糧食作物種植比例C4和節(jié)水灌溉面積率C3始終處于較低水平,雖然節(jié)水灌溉面積率表現(xiàn)出逐漸上升趨勢,但增幅較低,遼寧省應(yīng)加強節(jié)水技術(shù)研發(fā)與資金投入,進一步完善小型農(nóng)田水利配套設(shè)施,通過財政補貼的方式提高農(nóng)民節(jié)水灌溉主動性。農(nóng)業(yè)萬元GDP用水量C7與耕地有效灌溉率C2處于較低至中等之間的水平,但農(nóng)業(yè)萬元GDP用水量C7的上升速率較快,這表明遼寧省水資源管理取得了顯著成效[13]。灌溉水有效利用系數(shù)C1總體達到中等水平,但2020年灌溉水有效系數(shù)相較于全國平均還存在一定差距,遼寧省應(yīng)加快完善灌區(qū)管理制度和配套設(shè)施,逐步實現(xiàn)灌區(qū)節(jié)水高效化和高效節(jié)水灌溉比例的提升。每方水農(nóng)作物產(chǎn)量C6和農(nóng)作物多樣性C5達到較高水平,遼寧省應(yīng)利用多樣性優(yōu)勢引導(dǎo)農(nóng)民對低耗水作物的種植,用產(chǎn)值替代產(chǎn)量優(yōu)勢,推動農(nóng)產(chǎn)品品牌化、優(yōu)質(zhì)化、綠色化和標準化,深化加工業(yè)改革促進農(nóng)產(chǎn)品高質(zhì)量、高產(chǎn)值目標的實現(xiàn)。

4 結(jié) 論

1)文章從用水效益、用水情況、種植結(jié)構(gòu)和節(jié)水狀況的角度上選擇7個指標構(gòu)建評價體系,采用熵權(quán)法計算參評指標權(quán)重,應(yīng)用正態(tài)云模型處理參評指標初始數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,遼寧省2013—2020年農(nóng)業(yè)用水效率總體呈上升趨勢,評價等級在2020年達到峰值,但在2017—2018年有所下降。遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率的提升主要受節(jié)水灌溉面積比例小這一指標的制約,對此應(yīng)完善灌區(qū)管理制度,加強農(nóng)田水利和節(jié)水設(shè)施改造。

2)正態(tài)云模型與傳統(tǒng)模糊數(shù)學(xué)法相比不僅體現(xiàn)了系統(tǒng)的模糊性,還對系統(tǒng)中的熵賦予了不確定性,并進一步傳遞到各等級隸屬度上,從而使得評價結(jié)果在一定范圍內(nèi)波動。農(nóng)業(yè)用水效率評價是一個不確定性、模糊性較強的復(fù)雜性系統(tǒng)問題,所以利用該模型表現(xiàn)出較好普適性和可靠性。在確定超熵時,該模型主要是利用經(jīng)驗值,難以準確反映出整體不確定性,今后仍需進一步改進該模型。