世行可持续农业发展项目灌溉水利用效率测算与影响因素分析

王春宏，张 芮，侯庆丰，孔庆文，谈存峰

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学财经学院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学马克思主义学院，甘肃 兰州 730070)

世界银行可持续发展农业项目贷款是完善农田基础设施，达到综合节水以增加农作物产量，改善农业生态环境、提高农业生产和抵御自然灾害能力的目的，进而促进农业可持续发展，其中灌溉水利用效率(IWUE)是项目产出指标中水资源高效利用措施关键指标之一，也是集中反映灌溉工程质量、灌溉技术水平和灌溉用水管理水平的一项综合指标[1]。目前正在全国开展的灌区续建配套建设，在工程规划和效益评估时，也主要以该指标为基础计算“节水量”，进而得出节水效益[2]。测算并研究该指标对项目产出效益评估具有一定参考价值。同时，进行IWUE影响因素分析研究和指标预测，对进一步稳定该指标保持和持续增长具有重要意义，为提高灌溉水有效利用系数制定具体措施具有指导意义[3]。

针对IWUE的测算，通常采用先测算出渠系水利用系数和田间水利用系数，然后两者相乘得出灌溉水利用效率传统方法[1]。近年来，许多学者探索出一种新的首尾测算法分析研究了部分灌区的灌溉水利用效率[4- 6]；也有部分学者采用传统测验法与“灌区首尾”测算等方法综合对比研究法测算IWUE[7]，并提出一种将首尾测定法与典型渠道测量法及相结合的一种综合修正方法[8- 10]。尽管IWUE测算方法已有很大改进，但传统测算方法由于其测算精度较高、技术要求简单，并能分别反映渠系输水和田间水利用的情况等特点，目前依旧是测算IWUE的一种普遍采用的方法。

在IWUE影响因素分析方面，刘玉金[11]基于主成分分析与多元线性回归分析了灌溉水利用效率影响因素，李浩鑫[12]等基于主成分分析和Copula函数研究了灌溉用水效率评价方法，熊佳[13]等基于SFA分析了灌溉水利用效率指标随时间变化规律，谢钱姣[14]等基于灰色预测法对农田灌溉水进行了研究，田青[15]运用数理统计趋势分析方法对兰州市红古区灌溉水利用系数指标进行了分析预测。可见，多数学者注重于单方面研究IWUE的影响因素评价体系或者预测分析，很少有将二者结合进行讨论，并缺少基于实际项目背景下的IWUE指标研究，而将影响因素与预测研究相结合可进一步在科学分析主要影响因素的基础上，合理预测指标的未来变化趋势，尤其对于指导项目实施方案具有显著意义。

本文结合项目区实际情况，采用传统分段统计法进行灌溉水利用效率指标的测算，并对项目区2014—2017年各地区灌溉水利用效率变化情况进行主成分影响因素分析和灰色预测研究，以期为持续提高项目区灌溉水利用效率提供理论依据。

1 项目概况与研究方法

1.1 项目概况

甘肃省世界银行贷款可持续发展农业项目于2014年底立项，主要建设内容为建设高标准农田，完善田间配套工程，实施工程节水、农艺节水和管理节水措施相结合的综合节水措施，提高现有耕地质量，提高农产品质量，改善农业生态环境，增加农作物产量，实现项目区农业生产的可持续发展，该项目计划总投资3.16亿元，其中水利工程建设投资1.71亿元。

1.2 项目区概况

该项目涉及甘肃省6个县(区)，依次用A、B、C、D、E和F区表示。截止2014年项目实施前，总耕地面积29004.73hm2，具有灌溉条件农田面积12880hm2，节水灌溉面积5413.2hm2，平整和深松耕面积18950.37hm2，干渠长度424.02km，支渠长度821.45km，斗渠长度1091.2km，农渠长度416.9km。

1.3 研究方法

1.3.1灌溉水利用效率测算方法

(1)灌溉水利用效率计算公式

灌溉水利用效率，指被作物有效利用的净灌溉水量占灌溉总引水量的比例，包括渠系水利用效率和田间灌溉水利用效率两部分。采用传统分段统计法确定灌溉水利用效率的计算公式[16]为：

IWUE=η田间·η渠系

(1)

式中，η田间—灌溉水利用效率；η渠系—渠系水利用系数。

渠系水利用系数反映了从渠首到末级渠道的各级输配水渠道的输水损失表示了整个渠系的水的利用率[8]。其计算方法为：

(2)

式中，n—灌区内末级固定渠条数；Wi—第i条末级固定渠道放出的水量，m3；W总—干渠首引进的总水量，m3。

田间灌溉水利用效率指被作物有效利用的净灌溉水量与末级固定渠道放出的水量之比。其计算方法为：

(3)

式中，I净—作物全生育期的田间净灌溉水量，m3/hm2；I田—全生育期末级固定渠道输入田间的单位面积水量，m3/hm2。

(2)样点选取方法

根据项目区基线调查实际，在综合考虑工程状况、灌溉水源条件、种植作物结构等因素基础上，项目监测小组采取抽样检查评价法，在各项目区随机抽取1个完整的灌溉单元，实际量测干渠首引进的总水量和所有末级固定渠道放出的水量，计算得出渠系水利用系数，并抽取3～5个具有清楚边界、大小形状规则的田块，通过实测灌水前后土壤含水率计算得出净灌溉定额，推求出项目区平均田间灌溉效率。

1.3.2数据统计与分析

运用Excel2010、SPSS 24.0、Matlab2016a软件进行数据处理；采用主成分分析法、灰色预测法进行结果分析。其中，主成分分析法利用降维思想，从影响灌溉水利用效率的多个因素中提取出贡献率累计值超过90%的主成分，其中各主成分均能包含并解释原始变量大部分信息，有效规避信息重叠影响，再根据因子荷载矩阵进行主成分影响程度分析。

由于灌溉水利用效率受诸多因素影响，包括确定性因素和不确定性因素，因此建立灰系统模型GM(1，1)[17]。具体研究方法[17]如下：

(1)假设原始序列为X(0)={x(0)(1)x(0)(2)…x(0)(n)}，其一阶累加生成序列为X(1)={x(1)(1)x(1)(2)…x(1)(n)}，所得灰微分方程

x(0)(k)+az(1)(k)=b

(4)

以k=2，3，…，n代入灰模型GM(1，1)，得方程组后将其以矩阵表示

(5)

记

由最小二乘法，可得模型参数估计。

(6)

由微分方程理论，得灰色模型GM(1，1)的解及其时间响应式为

(7)

(2)模型有效性检验：当系数a∈(-2，2)，原始序列X(0)的级比

(8)

满足σ(0)(k)∈(0.13537.389)时，所建模型GM(1，1)可行；当a取值满足

且级比σ(0)(k)取值满足

条件时，所建模型GM(1，1)满意且有效并可获得较高精度。

为k点的绝对误差。称

(9)

为k点的相对误差。p(k)=1-ε(k)为k点的模拟精度。称

(10)

为平均相对误差。p=1-ε为预测精度，一般在80%以上。

2 测算结果分析

2.1 灌溉水利用效率变化特征

2014—2017年各项目区灌溉水利用效率测算结果见表1。2014—2017年项目区平均渠系水利用系数、田间水利用系数、灌溉水利用效率三项指标逐年均有不同程度提高，分析原因，与水利基础设施建设与改善方面投资力度逐步加大、低压管道铺设面积增加明显、渠系建筑物整体进展速度和渠道防渗衬砌进度加快、节水灌溉工程和新增节水灌溉面积和平整深松耕面积均不同程度的有所提升等因素有关。

2014—2017年各项目区灌溉水利用效率增长速率趋势如图1所示。各项目区IWUE均随年份表现为不同程度的增长趋势，A、B、F区IWUE增长速率随年份呈现相似变化趋势，其中A和B区上升和下降的幅度较明显，上升原因是项目区渠道衬砌速度明显加快，超额完成项目年度计划要求的目标值；下降原因一是部分项目区受气象因素、作物需水情况及已完工工程使用情况影响，二是项目管理人员水平和作用发挥不足，导致IWUE增速减缓。C、D和E区IWUE随年份虽呈现增长趋势，但增速逐年减缓，以D区最为明显，分析原因为低压管道输水灌溉面积、渠道衬砌进度同比其他项目区慢，导致渠系水利用系数未达到计划要求值，最终灌溉水利用率相较于上年的增长速率减缓。

表1 2014—2017年各项目区灌溉水利用效率测算结果 单位：%

注：ηc指渠系水利用系数，ηf指田间水利用系数，IWUE指灌溉水利用效率。

表3 主成分提取结果

图1 2014—2017年各地区灌溉水利用效率增长速率趋势图

2.2 灌溉水利用效率影响因素分析

2.2.1影响因素选择

根据测算结果，结合2014—2017年项目区实际及监测数据资料，灌溉水利用效率受土地整改因素、项目投资及工程实施因素等多种因素综合影响。本文选取六个因素进行主成分分析，具体包括：新增节水灌溉面积(x1)/hm2、改善灌排服务设施农田面积(x2)/hm2、平整和深松耕土地面积(x3)/hm2、水利工程项目投资(x4)/万元、渠道衬砌长度(x5)/km、渠系建筑物及配套工程修建进度(x6)/%。

2.2.2主成分提取

通过对灌溉水利用效率影响因素的主次分析，以提取贡献度较高的能够最大程度概括所有影响因素主成分。在主成分提取前，为防止各因素之间产生共线性问题而影响分析结果，使用SPSS软件对原始数据进行共线性诊断，经诊断不存在共线性自变量，可进行主成分分析，即首先对原始数据进行标准化处理，然后对标准化数据进行主成分提取，得到相关系数矩阵和主成分提取结果。

表2 相关系数矩阵

由表2相关系数矩阵可知，大多数因素之间都存在一定程度的相关性，且相关系数较高，说明进行主成分分析具有一定合理性。由表3主成分提取结果，可看出前两个成分的特征值均大于1，其累计贡献率达94.747%，说明提取的两个主成分可以很好的概括并解释原始影响因素的大部分信息，表明主成分提取具有一定合理性。进一步得到因子荷载矩阵见表4。

表4 因子荷载矩阵

2.2.3影响IWUE主要因素

(1)第1主成分中x5、x2、x4、x3和x1占有很大比重，且第1主成分的贡献率达74.826%，可见增加x5、x2和加大x4具有较大的正贡献率，符合项目实际情况和测算分析结果。原因如下:

①x5在第1主成分中高达0.999的正荷载，其对灌溉水利用效率的影响并不是简单的直线关系，但总体上呈正比[18]，通过直接影响渠系水利用系数进一步影响灌溉水利用效率。项目在2016、2017年分别累计完成了项目计划x5的72%和93%，进展速度相较于其他工程最快，灌溉水利用效率也随渠系水利用系数的上升而大幅提高，说明提高渠道衬砌率对提高灌溉水利用效率尤为关键。渠道衬砌后会减少渠水渗漏，提高渠道的抗冲刷能力，降低渠系糙率，加大流速，增加渠道输水能力和挟沙能力，扩大灌溉水源，减少因渠道渗漏对地下水的补给量，减少渠道淤积，防止渠内生长杂草，降低灌水成本[19]，是提高渠系水利用系数最快、应用最普遍的工程技术措施之一，对灌溉水利用效率的影响极为显著。这与Won-Ho Nam[20]、肖雪[21]等研究渠道衬砌对灌溉水利用效率的影响和付强[22]、司振江[23]等对黑龙江省灌溉水利用效率影响因素分析与评价的研究结果一致。

②节水灌溉工程面积是代表一个区域灌溉工程的状况的主要指标，其占有效灌溉面积的比例与灌溉水有效利用系数有正相关关系[24]。项目实施过程中，x2、x1、x3亦呈逐年增加趋势，这些措施显著改变了项目区固有的不利于高效灌溉的土地结构，有效改善了项目区的灌水方式，扩大了高效节水灌溉面积，对于田间灌溉水利用系数的提高产生重要影响，进一步显著提高灌溉水利用率。

③水利工程项目资金的投入力度，与项目招标、项目进展速度和工程质量密切相关，间接影响灌溉水利用效率的提高。项目实施以来针对水利工程投资力度逐年加大，甚至挤占了其他项目工程的投入，对于项目区灌溉水利用效率连续四年提高有重要贡献。

(2)在第2主成分中，x6占有较大的正贡献率，体现在项目区进行分水闸、进水口、渠系交叉建筑物、机耕桥、涵洞等配套建筑物的建设有利于灌溉水利用效率的提高，但第2主成分仅占0.119的贡献率，可认为此因素影响程度较弱，原因是项目区虽建有一定量的渠系建筑物，但配套设施不够完善，利用度不够高。

2.3 灌溉水利用效率预测研究与趋势分析

2.3.1模型应用

(1)模型建立：假设以表1为非负原始序列，建立各项目区灌溉水利用系数的一阶累加生成序列和紧邻均值生成序列，由最小二乘法估计模型参数。使用Matlab和Excel软件计算得到各项目区的GM(1，1)模型及白化响应式，见表5。

(2)模型检验：计算X(0)的级比，判断是否满足σ(0)(k)∈(0.13537.389)和

并由已建立的GM(1，1)模型判断模型参数是否满足a∈(-0.4 0.4)。通过计算可得级比和模型参数均满足条件，可作数列灰预测，即说明建立的GM(1，1)模型是可行且有效的。

(3)精度检验：由已建立的模型，计算平均相对误差，预测精度均在99.96%以上，具体结果见表5。可见所建模型的模拟误差较小，精度很高，能很好的拟合实际，各项目区拟合如图2所示。

图2 各项目区灌溉水利用效率预测值拟合图

2.3.2预测结果

由上述过程可知模型应用效果理想，然而GM(1，1)模型理论上虽然可以进行长期预测，但真正有实际意义的、精度较高的预测值，仅仅是最近的一二个数据，其它更远的数据仅反映一种趋势，因此没有必要用一个模型去预测未来的所有值[25]。此处利用已建立的模型仅对2018年各地区灌溉水利用效率作出预测，研究指标后期变化趋势。具体各项目区预测值见表5。

根据预测结果，可见项目区灌溉水利用效率呈持续上升的发展态势，预计2018年该指标平均值将达到0.60，表明随着项目进度继续保持或逐渐加快条件下，各项目区工程投入使用度将提高、渠道修建及配套设施工程持续完善、农田改善和节水灌溉措施进一步加强、项目管理和维护水平上升，进而项目效益发挥也会愈加明显，灌溉水利用效率也会随之稳步提高。另外，随着节水型社会建设的不断深入和农田水利基础设施改造力度的加大以及种植结构的优化调整，农业用水效率将会逐渐提高[26]。这对于项目区的农业生产和经济发展具有重要意义。

表5 各项目区灌溉水利用效率模型预测精度及2018年预测值

3 结语

提高灌溉渠系水利用率是缓解我国水资源供需矛盾的主要措施之一，渠系水利用系数是合理评价渠道工作状况和节水灌溉工程管理水平的主要指标[8]。提高渠道衬砌率可以提高渠系水利用系数，进而显著提高IWUE；推行节水灌溉是提高灌溉水利用率和节约水资源的最直接措施[27]，IWUE会随着项目的持续推进逐渐上升。项目在实施过程中，渠道衬砌的逐步投入使用，使渠系水利用系数由项目前的52.2%提高到了60.8%，节水灌溉工程程度的提高促进田间灌溉水利用系数的提高，综合作用使得IWUE由46%提高到了54.4%，不仅提高了IWUE，而且为项目区生态环境建设及其它地区农田灌溉节约宝贵的水资源。因此，推进节水灌溉工程建设，减少渠系输水损失，提高渠系水利用系数[28]，以多种农业节水技术(包括渠系和田间工程的配套与完善，土地平整与标准田块建设，田间灌水技术改进、节水灌溉制度等)组合成最优配置，形成一套综合的节水高效农业技术体系，将会使IWUE得到进一步显著提高[29]。

为进一步提高项目区灌溉水利用效率，本文提出以下建议：

(1)项目区灌溉水利用效率能够逐年提高，主要得益于部分年度渠道衬砌工程相较于项目年度计划实现了超额完成，但同时也造成部分渠道衬砌土层太薄，且薄厚不均匀等问题，附加部分项目区工程管理人员作用发挥不佳等因素，影响灌溉水利用效率持续保持现有水平并进一步提高。建议渠道衬砌工程和渠系建筑物及渠系配套建设工程要考虑项目本身和项目区实际情况，配套建筑物与主体工程建设同步进行，既保证项目实施进度，也确保施工质量，加强工程管理，推行责任制，以期在工程建设中发挥好监理作用，间接促进基础设施建设发挥作用，将工程因素对灌溉水利用效率提高的影响程度降到最低。

(2)虽然各项目区渠系水利用效率和灌溉水利用效率逐年均有不同程度增长，但不同项目区之间差异性明显，区域间发展不平衡，长期持续可能形成两极分化，甚至出现负增长，影响项目区灌溉水利用效率整体提高。建议均衡考虑项目区实际发展情况，因地制宜，不同程度的强化工程节水和农艺节水以提高灌溉水的利用，增加非常规水利用和强化管理等为重点，建设节水高效的现代灌溉农业和集雨增效的现代旱作农业战略举措[30]，合理分配项目资金及配套资源，促进项目效益整体提升。

(3)专属水权和有竞争力的水价机制安排能够有效地鼓励农民的节水行为[31]，缺水意识对灌溉用水效率有显著影响[32]，加强灌溉用水管理，不仅本身可提高灌溉用水有效利用系数，而且也是保证各种节水措施正常发挥效益和提高灌溉效益的关键[33]。因此建议在项目区建设量水设施，完善项目区农业灌溉用水收费计量标准，加强灌溉用水管理，进行技术指导、示范培训，广泛宣传农业节水知识和成效，扶持农民用水户协会建设，实现自主管理，从而增强农民节水意识、促进高效节水、提高灌溉水利用效率。