黄淮平原节水高效灌溉技术综合评价分析

郭乙霏，潘国强，王文婷，郭二旺，雷存伟，陈 静

(1. 东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030；2. 河南省水利科学研究院， 郑州 450003；3. 河南省焦作市防汛抗旱通讯站，河南 焦作 454150；4. 河南省焦作市水利勘测设计院，河南 焦作 454003；5.河南省环境监测中心，郑州 450003)

黄淮平原区季节干旱时有发生，灌水对当地作物稳产、增收是非常重要的措施[1]。根据黄淮平原的灌溉需求，对适宜节水灌溉技术进行综合评价和筛选对缓解灌溉用水与水资源短缺矛盾、保障国家粮食安全具有重要意义。节水灌溉技术主要包括低压管道、喷灌、微喷灌、滴灌和传统地面灌溉等灌溉技术[2]。目前，在我国土地流转和规模化经营模式下，种植农户越来越认识到改进灌溉技术对提高农业生产效率的重要性；加之种植农户对水资源短缺的现状越来越警觉，纷纷主动引进节水灌溉技术，水利部也配套和改进了大型灌区的灌溉工程，使得我国的节水高效灌溉事业得到迅速发展[3,4]。

本文通过分析黄淮海平原节水与灌溉的状况，进而对节水灌溉的影响指标进行体系化构建，制定节水灌溉技术选择标准和方法，并对节水灌溉技术提出综合评价[5,6]，给区域种植区选择适宜的节水灌溉技术提供理论参考。

1 材料与方法

节水灌溉技术评价模型首先要依据评价的主体，确定评价指标，其次是运用相应的数学方法对选定的指标进行综合评价。

1.1 节水灌溉技术的影响因素

(1)经济因素。工程投资和投资回收期，经济内部收益率和经济效益费用比，经济净现值及灌溉成本[7]。

(2)技术因素。灌水均匀度和强度，灌溉水有效利用系数，对水质、种植品种玉米、地形等适应性，土壤渗透量。

(3)社会因素。农民满意度、施工难易程度、水源条件、节水量、经济承受能力、政府扶持力度、节能量、节约耕地情况、增产幅度。

(4)管理因素。生产管理体制、管理难易程度、管理人员要求、省工程度[8]。

(5)农业生态因素。对水肥一体化及机械化适应程度、改善作物农田小气候、土壤侵蚀及排盐情况、对地下水可持续利用及土壤水库调蓄能力影响。

1.2 技术指标体系及模型的构建

在众多的影响因素中可以通过层次分析的方法形成一个选择评判值，且该评判值无量纲，方便对相应的灌水技术进行适宜性比较，筛选出适宜的灌水技术[9]。

根据节水灌溉技术影响因素，建立节水灌溉技术综合评价指标体系(见图1)。图1采用评判模型，层次结构通常分为目标层、准则层和因素层[8]。通过图1确定出每个方案的总排序及综合效果评价值。

图1 适宜节水灌溉技术筛选的层次结构

1.3 指标的量化处理

在确定指标体系时，要尽可能考虑影响到节水灌溉方式选择的各种因素，这些指标有的是可定量的，但有的只能定性描述，这些定性描述的指标为定性指标，为便于评价，要对这些定性指标采取量化处理，量化处理采用模糊评判法[10]。让5个或以上相关领域的专家对定性指标按规定的评语进行评判并计算其隶属度。专家计算的隶属度的平均隶属度作为该指标的隶属度。

指标评语集：

C=﹛C1(很好)，C2(较好)，C3(一般)，C4(较差)，C5(很很差)﹜

标准隶属度：

U=(1.0，0.75，0.5，0.25，0)

1.4 指标的规范化与同趋化

有的评价指标越大越好，为正向指标，有的评价指标越小越好，为负向指标，还有的指标有量纲，有的指标没有量纲。例如灌水均匀度、灌溉水分利用效率、效益费用比、农民满意程度和节水、增产效果等为正向指标，其值越大越好；如投资回收期、水资源短缺程度等为负向指标，其值越小越好。因此，需要对除正向指标外的其他指标进行规范化处理。

(1)指标的规范化。对数量级差异过大的指标和具有量纲的指标采用一定的处理，即用同一指标数列中每个指标值都除以数列中最大指标值，其结果值为规范化指标值αxij。具体计算公式如下：

(2)指标的同趋化。指标的同趋化的目的是让评价都为同一方向，对指标小者为优的采用指标转置的方法，具体计算公式如下：

式中：αxij为处理后的指标值；xmax为指标中最大值；xmin为指标中最小值；xij为原指标值。

1.5 指标权重和综合评价值

按以下方法计算各指标的权重值：

式中：αxij为第i行乘 第j列的无量纲化值 (0<αxij≤1)；xij是处理i和变量j的实际值；xmax和xmin是每个变量的最大值和最小值；βxij是每个变量的无量化系数；m是处理i和变量j的实际值的个数；Index为综合评价值。

2 黄淮平原种植区域灌溉技术筛选

黄淮平原种植区包括山东、河南全部，河北的中南部，山西中南部，江苏和安徽北部，是全国最大的粮食集中产区。该区属温带半湿润气候，年均降水量500～800 mm，多数集中在6月下旬至9月上旬，自然条件对作物生长发育极为有利。但由于气温高，蒸发量大，降雨较集中，经常发生春旱夏涝等自然灾害。黄淮平原种植区目前仍以大水漫灌模式为主，灌溉水源为地下水。目前，在土地流转政策和土地规模化经营模式下，适宜黄淮平原的节水灌溉技术仍在进一步探索当中，因为在冬小麦—夏玉米一年两熟种植制度下，适宜小麦灌溉技术的同时，还必须满足玉米田间灌溉。当前，喷灌技术和微喷灌技术在解决黄淮平原灌溉问题上表现突出。

2.1 指标的量化

通过专家打分和资料查询得到农业生态中各子类指标值，以及社会、经济、管理、技术指标的量化值[11]，见表1。

表1 黄淮平原种植区各灌溉技术指标值

2.2 指标的处理

对表1指标中的工程投资、投资回收期、灌溉成本运用公式进行同趋化处理、然后再对工程投资、投资回收期、经济效益费用比、经济净现值、灌溉成本、灌水强度、土壤渗透量、增产幅度运用公式进行规范化处理，各指标无量纲后的值见表2。

表2 黄淮平原种植区灌溉指标同趋化和规范化后的指标值

2.3 各项指标的权重衡量

通过建立准则层、目标层的权重矩阵，借助数理统计方法，计算各项指标的平均值、方差及均方，最后求出βxij值，将βxij值除以βxij的总和，可以得出各指标值的权重值，计算结果见表3。

表3 黄淮平原种植区各指标值的权重分析

2.4 综合计算

按照公式求出目标层的综合评价值index，计算结果见表4。微喷灌综合因子为0.52，数值最高，总排序为微喷灌>喷灌>低压管灌>滴灌>畦灌，因此黄淮平原种植区最适宜灌溉技术为微喷灌技术。

表4 黄淮平原种植区适宜灌溉技术综合排序

2.5 方案的确定

根据表4的计算结果可知，选择微喷灌技术，即微喷管带灌溉。黄淮平原种植区微喷灌技术综合评价值最高，是因为其在灌水均匀度、农民欢迎程度、改善农田小气候及对水质的适应情况上表现突出。

在需求分析和基础数据的基础上，通过专家打分将定性指标量化。根据种植区特点，采用较为常见的5种节水灌溉技术模式，通过实验验证、专家评价，选择出最优节水灌溉技术。

3 结 语

(1)节水灌溉技术适宜是指对技术、经济、社会、管理和农业生态环境的适宜，黄淮平原种植区节水灌溉适宜技术的指标体系，综合考虑了投资、效益、相关技术推广的满意度、管理制度，全面考虑到了各种影响因素。

(2)在各项指标体系规范化和同趋化基础上，建立了节水灌溉适宜技术选择的层次分析数学模型，创新提出了一种综合评价计算方法。

(3)以黄淮平原种植区划为单位，评判了种植区的适宜灌溉技术。在喷灌、滴灌、微喷灌、低压管灌和畦灌5种方案中，运用所建立模型选择了最优的灌水技术。结果表明，黄淮平原种植区适宜微喷灌，即微喷带灌溉技术。