基于多目标评价及Topsis方法的节水农业综合效益评价----以黑龙江和平灌区为例

籍欢欢，胡振华，雷 波，杜丽娟

(1.山西农业大学林学院，山西 太谷 030800；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

0 引 言

中国是人口大国、农业大国和灌溉大国。近年来，受工业、生活等行业需求增加的影响，农业用水占比不断下降，但仍然占据60%以上，是我国第一用水大户，也是落实“节水优先”战略的主战场。大力发展节水农业，提高农业灌溉的节水水平是解决我国水制约因素，实现农业可持续发展的必然选择。发展节水农业涉及相关技术设备的投入、农业生产成本的增加，给农民生产技术和当地管理部门带来一系列的挑战，这不仅是一个技术问题，更是一个社会经济问题。因此，有必要建立科学适用的评价指标体系，尤其是在干旱、荒漠缺水地区，通过对节水农业效益评价，可对周边生态环境的改善发挥积极的作用，对该区域内植被的维护、水源的涵养、水土流失的抑制、风沙威胁的减轻等方面都有十分有利的影响[1]。对节水农业综合效益进行科学评价，有利于了解节水状态，对节水农业发展方向具有一定的指导意义，也为提高粮食产量作出贡献。现有的相关研究也主要从经济、社会和生态环境等三个方面开展综合评价，其方法主要集中在层次分析法、灰色关联法等传统的多目标综合评价方法[2-4]，指标的选择尽管能较为普遍代表节水农业的效益情况，但缺乏从更广泛的层次上解释指标的选择确定和权重的合理性。本文尝试以黑龙江庆安县和平灌区节水改造综合效益评价为案例，按照节水效益指标筛选、降维和综合评价的思路，建立基于多目标评价及Topsis方法的节水农业综合效益评价。

1 研究区概况

和平灌区位于黑龙江省中部庆安县，灌区有效灌溉面积2.4 万hm2，占全县耕地面积的70%，是庆安县乃至黑龙江省的水稻主产区和商品粮生产基地。灌区范围由东向西呈带状分布，西邻绥化市，东至铁力市双丰镇，南至哈伊公路，北至呼兰河为界。呼兰河及一级支流安邦河和拉林清河穿过灌区内部，与干渠平面交叉。灌区内地表水资源比较丰富，主要用于农业灌溉，年平均农业用水量为44 426 万m3，但水资源分布不平衡，年内分配差异大，尤其是春季农业灌溉用水量大，而降水较少，蒸发量大，造成水田在泡田、插秧期缺水严重。同时由于灌区工程不配套，渠系及田间建筑物老化、损毁，造成水毁、洪涝灾害频发[5]。灌区2000年列入国家大中型灌区节水改造与续建配套计划，经过十多年的节水改造投入，工程状况有了部分改善。但由于投入不足，导致灌区内主要干支渠只有少量的经过硬化防渗处理，渗漏损失严重，渠系水利用系数较低，造成水资源浪费严重；灌区量测水设施缺失，支渠及支渠以下渠道用水量无法准确计量[6]。

2 数据和方法

2.1 数据来源

文中数据主要是定性数据和定量数据。其中，社会经济数据主要来源于《庆安县统计年鉴(2016)》、《庆安县十三五规划》，灌区节水改造相关数据来源于《黑龙江省呼兰河灌区节水改造与续建配套和规划报告》，定性数据采用专家评分法[7]，将指标分为五级，分别为好、较好、一般、差、很差。其对应的分值为9～10、7～9、5～7、3～5、0～3来表示。

2.2 研究方法

2.2.1 评价模型及指标体系

现代节水农业不只是某项单一技术的现代化，而是各种工程、农艺、管理等措施的有效集成，因此与之对应的节水农业综合效益评价标准也应当是一个指标体系[8]。本文基于科学性、实用性、简捷性和针对性的原则[21],同时充分考虑影响研究区节水农业发展的主要因素，构建了节水农业综合效益评价指标模型和指标体系。

节水农业综合效益评价是多目标综合评价问题。其评价方法采用多目标综合评价方法[22]。其基本数学模型可以表述为：

(1)

式中：R为节水农业综合效益评价；wi为准则层；wij为指标层不同指标的系数；aij是指标层指标标准化数值。

本文从经济效益、社会效益和环境效益3个方面对节水农业综合效益进行评价。基于和平灌区的社会经济状况、自然条件、相关政策和环境特点，充分考虑节水农业效益各评价因子的复杂关系，借鉴国内学者的研究成果，重点选取与节水农业综合效益密切相关的22项有代表性的指标进行研究[9]，将定性指标与定量指标结合得到节水农业综合效益评价指标体系，详细指标如下：

经济效益指标A1：主要农作物产量a11(hm2)、农业用水量a12(亿m3)、亩均灌溉用水量a13(m3)、灌溉水利用系数a14、灌溉水分生产率a15、经济效益费用比a16(%)、经济内部收益率a17(%)、人均地区生产总值a18(万元)、投资回收年限a19(a)。

社会效益指标(A2)：用户参与水平a21、节水工程管护水平a22、计量收费普及率a23(%)、水费实收率a24(%)、用水者协会管理面积比例a25(%)、工程配套完善率a26(%)、政策法规配套情况a27、宣传教育水平a28、节水激励机制健全水平a29。

环境效益指标A3：灌区地表水资源开发利用a31(%)、灌区地下水资源开发利用a32(%)、灌区排涝标准达到率a33(%)、森林覆盖率a34(%)。

2.2.2 指标降维及综合效益评价方法

(1)基于主成分分析的指标降维方法。主成分分析法是利用降维的思想，将原来多个且彼此相关的指标用线性组合的方式转换为个数较少且彼此独立或不相关的综合指标[10]。由于每个变量都在不同程度上反映了所研究问题的某些信息，并且指标之间彼此都有一定的相关性，因而得到的统计数据反映的信息在一定程度上有重叠,人们自然希望在进行定量分析的过程中涉及的变量较少，而得到的信息量又较多,主成分分析法是解决这一问题的理想工具。

(2)基于Topsis方法的综合效益评价方法。Topsis(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)是一种逼近于理想解的评价方法[11]，计算基础来源于客观数据，具有较好的客观性。Topsis法是找出评价方案中的最优和最劣方案，并计算评价对象与最优方案和最劣方案的距离，获得各评价对象与最优方案的相对接近程度，从而据此评价。具体方法为：

针对和平灌区综合效益体系中n个评价对象某一指标层所选择的m个评价指标，可得到原始指标矩阵：

X=(Xij)n×m

(2)

对高优(越大越好)、低优(越小越好)指标分别进行归一化变换，即：

(高优正向指标)或

(3)

数据归一化中，采用变异系数法对指标赋权重[23]，得到转化矩阵：

Z=(Zij)n×m

(4)

则矩阵各评价指标中最大、最小值构成的最优、最劣向量分别为：

Z+=(Zmax1,Zmax2,…,Zmaxn)

Z-=(Zmin1,Zmin2,…,Zminxm)

(5)

按相对接近度Ci的大小排序，进行评价。因Topsis是效益型评价模式，而本文评价的是节水农业综合效益，所以其值越高，效益越好。

采用变异系数法确定指标权重，是一种客观赋权的方法[12，13]。运用逼近理想解的评价方法(Topsis)，建立结合变异系数赋权的Topsis法节水农业优选模型。结合变异系数赋权的Topsis法的基本思路是：在利用变异系数法确定各指标的权重之后，构造加权的规范决策矩阵，然后确定理想点和负理想点及各个方案与理想点的相对接近程度，将方案排序[14]。

由于评价指标体系中的各项指标的量纲不同，不宜直接比较其差别程度。为了消除各项评价指标的量纲不同的影响，需要用各项指标的变异系数来衡量各项指标取值的差异程度。各项指标的变异系数公式如下：

(6)

式中：δj，Dj，Rj分别为第j个评价指标的变异系数、均方差、均值。

以节水农业综合效益评价指标体系为基础，应用SPSS主成分分析方法对评价指标进行降维[15]，以此获得主成分得分矩阵，并以该得分矩阵确定熵权权重[16]，运用Topsis方法评价综合效益[17,18]。

3 结果分析

3.1 准则层指标评价

选取反映和平灌区综合效益的22个指标对节水农业状况进行分析，采用Topsis中数据标准化方法，应用SPSS分析，得出22个指标的特征值及贡献率，如表1所示。表1是主成分个数的选取，一般情况下对于主成分个数的提取有两种方法：一种是提取特征值大于1的主成分，一种是提取累积贡献率达到85% 的主成分。这里运用第二种方法，选取3个主成分[15]。用 3个主成分来代表原有的22个原始变量，此时累积贡献率已经达到92%，可以反映和平灌区2012-2016年间节水农业的变化趋势，达到了降维的目的。

表1 各主成分的特征值、方差贡献率及累积贡献率Tab.1 Eigenvalue, variance contribution rate and cumulative contribution rate of each principal component

根据SPSS可提取出和平灌区不用年份各主成分得分矩阵，如表2所示。将表中的计算所得到的主成分得分值带入变异系数公式中，得到各主成分因子的权重，主成分F1、F2、F3的权重分别为0.3622、0.3367、0.3011。从中可以看出，降维后，第一主成分最高，第三主成分最低。

表2 和平灌区不同年份各主成分得分矩阵Tab.2 Principal component score Matrix for different years in peaceful Irrigation District

通过分析表3可以看出，第一主成分与主要农作物产量、农业用水量、灌溉水利用系数、水分生产率、经济效益费用比、内部收益率、人均生产总值呈正相关，与投资回收年限成负相关，这表明节水农业没有取得很好的成效。这些指标主要反映的是和平灌区的用水及经济发展状况，是经济效益带来的影响。也就是说，地区经济实力的提升有助于节水农业效益的提高，这可能与当地的经济基础对节水农业的利用以及用水结构的改善有很大的关系。这一主成分的权重为0.362 2，为所有权重中的最高值，这可为节水农业与区域经济发展提供参考。

在第二种主成分上，用户参与水平、节水工程管护水平、计量收费普及率、水费实收率、用水者协会管理面积、工程配套完善率、政策法规配套率及节水机制推广水平都呈明显的正相关，这一主成分的权重为0.336 7，表明了社会效益的综合影响。近年来，随着农业机械化、农业产业化、农业信息化以及农民素质都有很大的提升，当地政府制订鼓励发展节水农业的优惠政策，建立保障机制，组建喷灌公司等专业化服务，不仅为节水农业的发展带来了新生机，而且极大地调动了农民群众投资发展节水农业的积极性，有效地保证了节水农业的建设质量和效益的长期发挥，促进了节水农业的健康发展。

表3 各主成分得分系数矩阵Tab.3 Principal component score coefficient matrices

在第三主成分上，灌区地表水资源和地下水资源利用率、排涝标准达到率以及森林覆盖率呈正相关的关系，反映的是生态环境带来的影响。这一主成分的权重为0.301 1，是所有权重中的最低值，说明生态环境效益并没有受到当地的重视。和平灌区是以地表水为主要水源的灌区，但是在5、6月份水稻泡田、插秧用水高峰期时，自然降水却很少，并且近十年来一直是春季干旱，水田渴水现象严重。灌区的地下水资源蕴藏丰富，可充分开发利用，一方面缓解工业发展用水和农业春季灌溉用水水资源不足的矛盾，另一方面也可以有效地防止由于大水漫灌而产生的土壤次生盐碱化。

根据评价理论模型的分解，准则层指标效益评价的模型为

Ai=wijaij

(7)

式中：Ai为准则层i的效益评价；wij和aij分别为权重和相应的指标值。

根据表4看出，经济效益呈现逐年上升的趋势，并且经济效益远远高于社会效益和生态环境效益。在“十二五”期间，节水农业改造给当地的农业生产、农村发展起了很好的促进作用。根据统计数据显示，和平灌区农业生产总值从527 288 万元增加到了785 581 万元。

表4 2012-2016年各效益评价值Tab.4 Evaluation values by benefit, 2012-2016

对于社会效益而言，当地农业社会功能低于经济功能。灌区靠收水费维持管理人员开支。由于用水价格比较低，只能维持灌区的正常管理，节余部分资金只能临时维修工程，维持简单的再生产，而且当地村民对于节水农业意识不强，所以应该强化组织领导与部门配合，建立健全节水灌溉技术服务体系，切实搞好节水农业的示范，并加大宣传力度。

根据评价结果显示，生态效益远远小于经济效益和社会效益，维持在0.121～0.254之间。但整体还是呈现上升发展的趋势，这与当地续建配套改造有着密切的关系。

3.2 综合效益分析

结果显示，2012-2016年综合效益由0.377提高到0.652，提高了0.275。在“十二五”规划实施后，各级政府对节水农业的重视、必要的资金投入、广大农民的参与和节水改造项目的实施，为当地的农业发展带来了新鲜的血液，强化了节水农业的地位，为农业的增产增收和农村发展奠定了良好的基础。

基于上述降维后得到的主成分矩阵和计算得到的权重，运用Topsis方法，得到和平灌区不同年份与最优、最劣方案的距离，以及与其最优方案的接近程度Ci值，见表5、图1。

表5 和平灌区节水农业综合效益Topsis评价统计量Tab.5 Statistics of Topsis Evaluation on Comprehensive benefit of Water-saving Agriculture in peaceful Irrigation District

图1 和平灌区节水农业综合效益评价结果Fig.1 Results of comprehensive benefit evaluation of water-saving agriculture in peaceful irrigation area

经表5和图1分析可知，2012-2016年和平灌区综合效益存在差异，Ci值最高年份出现在2016年，为0.682；最低值出现在2012年，为0.577。

4 结 语

(1)节水农业综合效益评价是一个多目标、多属性的评价过程，本文在国内外相关研究的基础上，结合和平灌区的特点，经认真筛选和分析，提出了包括社会效益、经济效益和环境效益三大类共22项评价指标体系。采用主成分分析法分别对其进行简化，简化后的评价指标体系由3个主成分组成，在一定程度上消除了因各评价指标的相关性对评价结果的影响，最后在运用Topsis方法对和平灌区综合效益评价。结果得出，综合效益最高的是2016年，最低的是2012年。

(2)根据评价结果，和平灌区要切实地制定好节水农业的发展规划，在规划时综合考虑节水农业的社会效益、经济效益和生态效益，用经济手段促进节水农业，加强节水技术的研究，多渠道增加节水灌溉资金投入，加强节水灌溉工程管理，强化组织领导与部门配合，建立健全节水灌溉技术服务体系，切实搞好节水农业的示范，并加大宣传力度，我国的节水农业工作必将有较大的发展。

节水农业综合效益评价与经济发展水平、工程设计水平、建设投资水平等密切相关，政府重视程度、水价合理性、节水激励机制健全水平等社会管理策略的发展也至关重要，同时合理制定水价也是促进农业节水可持续发展重要杠杆[19]。农业节水管理政策在农业水管理决策中起着重要作用，有利于引导用水户选择与经济社会发展目标相符的农业水管理方式[20]，同时应该重视节水农业的发展对生态环境带来的影响，不断优化水土资源及生态环境的质量，促进节水农业朝着稳定、健康的方向发展。