盘山灌区节水综合效益评价

张洪梅

(盘山县住建事务服务中心，辽宁 盘锦124100)

0 引 言

近年来，我农业用水占比受生活、工业等用水量的增大呈下降趋势，但仍处于超过60%的较高水平，在落实节水优先战略中农业灌溉用水占据重要地位。实现农业可持续发展和解决水制约因素的关键是提高农业灌溉节水水平，加强对节水农业的发展。节水农业的发展会增加农业生产成本，投入相关的技术设备，这使得当地管理部门和农民生产技术面临着许多挑战，属于一项社会经济和生产技术的复杂问题[1]。所以，建立一套科学适用的评价体系和方法，特别是在荒漠、干旱缺水区科学评价灌溉节水效益，可为改善周边生态环境、涵养水源、维护区域内植被、减轻风沙威胁和抑制水土流失等发挥积极的作用。科学评价节水农业综合效益，有利于提高粮食产量和了解节水状态，可为指导灌区节水发展提供理论依据。当前，相关研究侧重于对生态环境、经济和社会等3方面的评价分析，较为常用的方法有灰色关联法、层次分析法等，虽然选取的指标能够普遍反映节水灌溉状况，但对于权重计算、指标选择的合理性缺乏更深层次的解释[2-5]。文章结合盘山灌区近5年相关资料，考虑节水农业的特点及综合效益评价思路提出Topsis法耦合多目标评价模型，确定灌区节水农业效益变化规律及其各年份的综合评分。

1 灌区概况

盘山灌区位于辽宁省西南部，处于辽河、大辽河、绕阳河、大凌河四河流的下游，介于E121°27'-122°29'、N40°25'-41°27'之间，占地面积1072km2，其中耕地面积5.04万hm2，设计和实灌面积3.91万hm2、3.71万hm2，属于辽宁省大型灌区之一。盘山灌区已形成林成线、渠成网、田成方的大型灌区，经过长期的服役运行灌区普遍存在水利设施老化、原配套程度低、用水损失严重、工程标准偏低、渠系淤积等问题，加之运行管理不善等因素作用加速了灌区的老化失修。在实际运行过程中渠系坍塌、脱坡、决口和冲刷等问题普遍存在，倒吸虹、渡槽和水闸等均受到不同程度的破坏，近年来水资源短缺使得水田减产问题突出[6-7]。

为提升灌溉水利用率和整个灌区运行效率，逐步摆脱灌区低效率、高能耗、低标准的现状，盘山县水利局本着节水防渗、连片集中、重点突出和注重实效的原则，将亟待解决改造渠系和重点项目列入改造范围[8-9]。盘山灌区节水改造二期项目建设任务共包括60项：重建12座、维修7座灌排站，重建桥6座，重建8座穿堤涵洞、1座倒虹吸和7座渡槽，节水衬砌3处，干渠清扩7处，重建、新建和维修闸5座、1座、3座。为了更加充分的利用有限的建设资金，最大限度的发挥节水改造项目的功能效应，文章结合盘山灌区相关资料和节水农业特点，运用多目标Topsis评价模型揭示了节水农业效益变化特征及其综合效益。

2 研究方法

2.1 数据来源

灌区节水效益评价相关数据分为定量和定性两大类，选取盘山县十三五规划和2018年统计年鉴作为社会经济数据来源，盘山灌区节水改造二期初步设计报告获取其它定量数据。采用专家评分法确定定性数据，将评价指标划分为很差、差、一般、较好、好5个等级，所对应的评分值为0-3、3-5、5-7、7-9、9-10。

2.2 研究方法

2.2.1 评价体系

现代节水农业有效集成了各种管理、农艺和工程，而不仅仅为单一的某项现代化技术，所以相应的效益评价标准应为一个系统、完善的体系。文章遵循针对性、简洁性、实用性和科学性等原则，结合辽阳灌区环境特征、相关政策、自然条件和社会经济状况，充分考虑环境、社会和经济效益各因子之间的复杂关系，借鉴国内外研究成果和文献资料，选取能够反映灌区节水效益的22个典型指标，构建包含定量和定性指标的效益评价体系如表1所示。

节水效益评价涉及到的范围广、因素多，因此选用多目标综合评价法确定灌区节水农业效益水平，其数学表达式如下：

(1)

式中：R为灌区节水效益评价值；aij、wij为评价指标标准化数值及其权重系数；wi为准则层各评价因子。

2.2.2 综合效益评价模型

1)主成分降维处理。降维处理为主成分分析的核心，它是利用线性组合的方法将原来彼此相关的多个指标转化为不相关或彼此独立的个数较少的综合指标。所研究问题的某些信息通过每个变量来描述，且在不同程度上各因子间存在相关性，所以统计获取的数据信息往往存在重叠，在定量分析时人们自然希望能够以减少的变量获取较多的信息，对于这一问题的处理主成分分析法具有较强的适用性和可行性。

表1 灌区节水效益评价体系

2)Topsis效益评价。Topsis法是一种基于客观数据的逼近理想解的评价法，在实际应用时能够保证评价结果的客观准确性。其中，最劣和最优方案的确定为Topsis法的计算基础，通过获取参评样本距离最劣和最优方案的贴近程度，确定最终的评价结果，其主要流程如下：

步骤一：根据选择的m个评价指标和盘山灌区效益评价的n个参评对象，构造初始矩阵如下：

X=(Xij)n×m

(2)

依据各指标的具体内涵将评价体系分为高优、低优两类指标，针对越大越优和越小越优型指标的归一化处理公式如下：

(3)

步骤二：在归一化处理过程中对各指标权重利用变异系数法确定，从而获取转化后的标准矩阵，即：Z=(Zij)n×m。由此，采用最大和最小指标值构成最劣、最优向量，其表达式如下：

(4)

根据相对接近度Ci值运算结果对参评样本的优劣程度排序，考虑到灌区节水改造效益和Topsis效益评价模式的一致性，获取的相对接近度值越大则效益越好。

步骤三：各指标客观权重利用变异系数法求解，将变异系数赋权法和逼近理想解的Topsis法相耦合构建灌区节水效益评价模型。建模思路为：将各指标权重运用变异系数法求解，从而建立标准化加权决策矩阵，运用相关公式求解各个方案与正、负理想点之间的贴近度，结合帖进度大小排列方案。

评价过程中因各要素单位和量纲存在差异，无法直接用于差别程度的对比分析。为消除各要素间的不可通透性，有必要对各项指标取值差异度利用变异系数来衡量，其数学公式如下：

(5)

式中：Rj、Dj、δj为评价因子j的均值、均方差和变异系数。

对灌区节水效益评价体系中的各项指标利用SPSS分析软件降维处理，从而获取节水综合效益评分矩阵，通过对评分矩阵的运算确定各因子权重及灌区综合效益。

3 结果分析

3.1 准则层效益指标

将盘山灌区节水农业状况利用22项效益评价指标分析[10]，运用SPSS主成分处理软件和Topsis标准化方法确定各指标贡献率及特征值，如表2所示。通常条件下，确定主成分个数的方法包括累计贡献率达到85%和特征值>1的两种方法，文章选取前者确定3个主成分。将原评价体系中的22个初始变量利用这3个主成分替代，其累计贡献率>91%满足要求，由此不仅实现了降维处理的目的，而且更加准确的体现了2014-2018年盘山灌区的节水效益变化特征。

表2 灌区节水效益评价主成分累计贡献率

盘山灌区各主成分不同年份的评分矩阵利用SPSS软件获取见表3，然后运用变异系数运算公式和主成分评分值确定主成分F1、F2、F3的权重值为0.3628、0.3361、0.3011。

表3 灌区节水效益评价主成分评分矩阵

从表3可知，节水效益评分最低和最高者为第三、第一主成分。

人均生产总值、经济效益费用比、水分生产率、内部收益率、灌溉水利用系数、农业用水量、主要农作物面积与第一主成分之间存在正相关性，而投资回收年限与第一主成分呈负相关，可见灌区节水改造项目的经济效益不显著。这些指标主要对盘山灌区经济效益产生影响，反映了灌区经济发展和用水情况。换而言之，灌区节水效益随着区域经济实力的提升呈增大趋势，这可能与改善当地用水结构、促进节水农业改造和地区经济发展相关。较其它主成分权重，第一主成分为最高值0.3628，可为区域农业发展和灌区节水改造提供一定指导。

节水机制推广水平、水费实收率、计量收费普及率、工程配套完善率、用水者协会管理面积、节水工程管护水平、政策法规配套率、用户参与水平与第二主成分呈显著正相关性，其权重值为0.3361，第二主成分体现了节水灌溉的社会效益水平。近年来，随着灌区农业信息化、产业化、机械化和农民速度的大幅度提升，为鼓励灌区节水农业发展当地政府制定实施了一系列优惠政策，建立了专业化服务体系和喷灌企业，对调动农民投资发展节水灌溉的积极性和促进灌区农业经济发展具有积极作用，保证了灌区节水效益的长期发挥和节水农业的建设质量。

森林覆盖率、排涝标准达标率、地下水及地表水资源利用率与第三主成分之间呈正相关性，其权重为最低值0.3011，可见第三主成分对生态环境的影响较为显著，且在节水改造项目实施过程中对生态环境的注重程度还不够。地表水为盘山灌区的农业用水来源，然而在每年的5-6月用水高峰期其自然降水量较少，水田渴水和春季干旱的现象频繁出现。盘山灌区地下水较为丰富，为缓解春季农业灌溉用水和工业发展水资源供给不足的问题，在合理开发地下水的同时要防止出现大水漫灌的出现。节水效益评价指标主成分评分矩阵见表4。

表4 节水效益评价指标主成分评分矩阵

盘山灌区2014-2018年效益评价值见表5。

准则层指标Ai的效益水平利用理论分解模型确定，表达式为：

Ai=Wijaij

(7)

式中：aij、wij为参评因子数值及其对应的权重。

表5 盘山灌区2014-2018年效益评价值

从表5运算结果可知，随着时间的推移灌区节水经济效益呈不断增大趋势，且较生态环境和社会效益而言经济效益更加显著。盘山灌区节水改造项目的实施在很大程度上促进了农村地区的发展和农业生产，调查显示盘山灌区节水改造二期项目的总经济效益年收入达到1689.75万元。

从社会效益的角度分析，盘山灌区节水改造项目的经济功能高于社会功能，管理人员的费用开支主要来源于灌区水费收入。因农业灌溉用水价格较低，水费仅够维持临时工程的维修和灌区正常管理，加之农业节水意识薄弱及农业大水漫灌模式较为常见，当地管理部门应加大节水宣传力度和各部门之间的协同配合，切实做好节水农业的示范和节水灌溉技术服务工作。

依据以上评价结果，盘山灌区节水灌溉二期项目的社会、经济效益远远高于生态效益，2014-2018年生态效益处于0.120-0.256范围。随着年份的增加效益值呈不断上升趋势，该变化特征与灌区实际情况基本相符。

3.2 综合效益评价

根据各主成分权重计算结果及其评分矩阵，采用Topsis法确定盘山灌区不同年份的节水综合效益距离最劣、最优方案的程度值Ci，如图1和表6所示。

表6 盘山灌区节水灌溉效益Topsis评价统计量

图1 盘山灌区节水灌溉综合效益值

根据图1和表6可知，盘山灌区2014-2016年节水灌溉效益存在一定差异，其中2018年的Ci值达到最大为0.680、最低值为2014年的0.578，该评价结果与灌区实际情况基本相符，可见所构建的评价体系和方法具有较强的适用性与可靠性。

灌区节水综合效益评价涉及建设投资、工程设计、区域经济发展等各个方面，建立健全节水机理机制、合理确定水价、政府的重视程度等管理策略对于提升灌溉节水效益十分重要。在灌区用水管理决策中农业节水管理政策发挥着主导作用，对于合理选择符合经济发展目标的管理模式极其重要。另外，为促进灌区节水持续、稳定、健康的发展，还要注重提升生态环境质量和优化水土资源，强调生态环境保护受节水农业发展的影响作用。

4 结 论

1)灌区节水灌溉涉及到的范围广、因素多，结合国内外研究成果和盘山灌区节水改造特点，从生态环境、经济和社会3个方面选取能够反映灌区状况的评价因子构建指标体系。然后对参评因子利用主成分法简化，从而确定累计贡献率超过85%的3个主成分，由此消除了相关性因子对效益评价的影响，并对盘山灌区节水改造效益利用Topsis方法科学评价。结果发现，盘山灌区节水改造综合效益最大和最小年份为2018年、2014年，评价结果与灌区实际情况基本相符，所构建的评价体系和方法具有较强的适用性与可靠性。

2)结合以上分析结果，应综合考虑生态、经济和社会效益的协调统一制定科学合理的灌区节水农业发展规划，从技术经济的角度加强农业节水灌溉研究，多渠道促进农业节水发展和灌溉资金的投入，强化各部门之间的协调配合和农业节水宣传力度，做好节水农业的示范和节水灌溉技术服务工作。