石羊河流域武威属区高效节水灌溉综合效益研究

武 雪，牛最荣，张 芮，薛 媛，赵 霞

（甘肃农业大学 水利水电工程学院，兰州 730070）

0 引 言

高效节水灌溉是指最大限度地降低水资源在输、灌过程中的无效损失，根据当地供水条件和作物需水规律，充分高效利用灌溉用水，以达到作物的技术经济性、社会效益、生态效益的最优值[1]。【研究意义】农业高效节水对水资源的可持续利用和区域经济、社会发展尤为重要，代表了现代农业的发展方向。【本研究的切入点】甘肃石羊河流域武威属区农业以灌溉为主，农业用水占比高，用水过程中水资源损耗大。随着人口的增加、工业化、城镇化的快速发展以及生态环境需水的增加，导致非农业用水量大幅增加，农业灌溉用水不断被压缩，发展高效节水灌溉具有十分重要的意义。【研究进展】目前，在政府引导、农户积极参与等模式下，该区域大力发展高效节水灌溉工程，有效保证了农业节水高效生产。【拟解决的关键问题】如何及时、科学评价其综合效益，总结高效节水灌溉发展经验，查找存在问题，提出解决对策，对今后该区域和西北内陆河绿洲灌区发展高效节水灌溉工程具有重要的指导意义。区域节水灌溉发展水平的准确评价是保证本地区科学规划与建设，缓解用水紧张局面，促进水资源高效利用的重要手段，也对保障区域水安全、粮食安全具有重要意义。

国内外节水灌溉效益评价大致经历了3 个阶段：单一工程单项效益评价阶段、单一工程综合效益评价阶段以及区域节水综合效益评价阶段。一个区域会同时发展多个节水灌溉工程，因此区域多个节水工程从技术、经济、生态、环境等方面的综合效益的评价问题也逐步发展[2]。许多学者对节水灌溉的评价方法作了研究，综合分析评判法常见的有层次分析法、主成分分析法、Delphi 法、模糊综合评价法、灰色关联法、集对分析法等。由于综合评价是定性与定量、微观与宏观、主观与客观相结合的评价，常常采用2 种方法耦合的方式进行评价研究。如王书吉[3]采用综合集成赋权法评价灌区节水改造效益，认为基于单位化约束条件的综合集成赋权法能兼顾主客观影响因素，有较好的实际应用价值；李彩会[4]选择物元-层次分析法对水利建设项目的经济和影响后评价进行了研究，认为物元分析法可以很好地定量影响后评价中影响程度的优劣分界，层次分析法结合了主观判断将推理过程合理量化，避免出现逻辑错误；郭乙霏等[5]借助层次分析和模糊数学方法对区域高效节水灌溉进行综合评价，提出黄淮平原种植区最适宜的灌溉技术是微喷灌；薛媛等[6]提出从项目规划与实施、政策制定与效果、工程质量与效益、项目运行管理与可持续性等4 个维度，基于层次分析法的模糊综合评价法研究区域高效节水灌溉的综合效果。目前，基于层次分析法的模糊综合评价法已成为一种使用较广泛的方法，解决复杂的多因素决策问题，既能克服层次分析法对指标不易量化的主观性，又能避免模糊综合评价法对指标权重的忽视[7]。

本文以甘肃石羊河流域武威属区为研究区域，综合考虑工程规划、建设、投资、管理、使用等方面，从经济效益、社会效益和生态效益等方面出发构建评价指标，基于数学模糊理论并结合层次分析法（The Analytic Hierarchy Process，AHP），对甘肃石羊河流域武威属区高效节水灌溉工程实施后的综合效益进行评价，得到的结果以0-1 的形式量化呈现，使评价结果更加直观准确，为节水灌溉技术的进一步实施提供理论依据和技术支撑。

1 研究区高效节水灌溉工程概况

1.1 流域概况

石羊河流域位于河西走廊东端，全流域可分为南部祁连山山地、中部绿洲灌溉区和北部干旱区，贯穿武威市辖区的3 县1 区，即凉州区、民勤县、古浪县和天祝县。其中凉州区位于河西走廊东端，祁连山北麓，处于石羊河流域中上游；民勤县地处武威市东北部，石羊河流域下游。石羊河流域武威属区属典型的大陆性气候温带干旱区，降水稀少、蒸发强烈、空气干燥[8]。区域内以农业发展为主，多年平均水资源总量仅11.17 亿m3、人均占有量不足600 m3，需水矛盾突出[9-11]。下游地区灌区地下水矿化度高达4.18 g/L以上，地下水质不符合灌溉要求，使用高矿化度水灌溉使盐碱地面积不断扩大[12]。

1.2 数据获取

课题组于2017 年8—9 月在石羊河流域天祝县、古浪县、凉州区、民勤县等武威属区的所有县区全覆盖式开展了实地调查，共调查高效节水灌溉工程46 处，其中低压管灌13 处，占总调查工程的28%；滴灌28 处，占总调查工程的61%；喷灌5 处，占总调查工程的11%。与水行政管理部门负责人，相关技术人员、农户等访谈多次，发放调查问卷并收回有效问卷170 份。

通过组织调查组进行现场调查、与当地工作人员座谈、入户访谈和发放调查问卷等方式获取相关信息。结合参考文献[13-16]、咨询相关专家的意见对数据进行了筛选处理，建立了甘肃石羊河流域武威属区高效节水灌溉指标体系。

2 构建指标体系和评价方法

2.1 评价指标

建立系统评价指标体系，应具有一定的科学性原则、可操作性原则、简洁性原则和针对性原则。因此，在设定武威区域高效节水灌溉工程综合效益评价指标体系时，必须围绕节水、抗旱、增产3 个方面，以经济效益、生态效益和社会效益3 大尺度为标准，以区域经济、社会、环境耦合发展为目标，选择相关指标。参考文献[17]，确定经济、社会和生态效益评价指标体系，具体如下：

1）经济效益指标

高效节水灌溉工程的经济效益，应从工程本身的可行性和工程的实施对区域农业带来的变化衡量。最终确定经济效益指标为：扩大灌溉面积、灌溉水利用系数、水分生产率、工程投资、经济效益费用比、经济内部收益率、工程配套完善率、工程使用率和运行管理的难易程度。

①大灌溉面积。扩大灌溉面积实施的节水效应和综合措施效果的指标之一，在一定程度上能够反映区域高效节水灌溉工程实施水平。通过实施高效节水灌溉工程，由“浇地”转向“浇作物”，节约水量是水资源紧缺地区扩大灌溉面积的主要水源。然而每个区域的水资源总量是有限的，这一指标并非越大越好，实施节水必然要改变当地的水文循环，超过上限标准会引起当地环境朝着不利的方向发展。

②灌溉水利用系数。灌溉水利用系数是田间所需水量与渠首引入总水量的比值。综合反映了灌区的工程状况、农业水资源利用程度、灌水技术和灌溉用水管理水平，是衡量农业节水程度的重要指标。自2000年以来，我国农田灌溉水有效利用系数不断提高，2017 年底已达到0.542，在高效节水灌溉项目区甚至达到0.8 以上，与传统灌溉方式相比，可节水20%～50%[18]，依据《微灌工程技术规范》（GB/T50485—2009）和《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T20203—2006），高效节水灌溉方式中低压管灌灌溉水利用系数≥0.80，滴灌≥0.90。结合我国实际并参考国外节水灌溉先进国家的情况，将其上限定为0.89，下限定为0.80。

③水分生产率。水分生产率是反映节水灌溉效率产出的重要指标之一，也是衡量农业生产水平和农业用水科学性与合理性的综合指标。它可用作物消耗单位水量的产出量表示。我国现状水分生产率除个别区域达到较高水平，全国平均水平约为1.0 kg/m3左右。因此，将这一指标的范围定为0.8～2.0 kg/m3[19]。

④工程投资。工程投资一般是指某项工程从筹建开始到全部竣工投产为止所发生的全部资金投入。高效节水灌溉工程投资是高效节水灌溉工程建设的保证，如果工程投资不能到位将会严重影响工程建设质量。

⑤经济效益费用比。经济效益费用比（EBCR）通常简称益本比，指单位费用所获得的效益，以项目效益现值与费用现值之比表示，反映了节水灌溉的经济合理性和可行性。只有当经济效益费用比大于或等于1 时，该项目才能获得经济效益，即经济上是合理的。

⑥经济内部收益率。经济内部收益率（EIRR）是国民经济评价中的重要指标，用于衡量项目在经济上是否可行，反映工程项目对当地经济增长的贡献指标。根据《水利建设项目经济评价规范》，经济内部收益率（EIRR）以项目计算期内各年净效益现值累计等于0 时的折现率表示[20]。

⑦工程配套完善率。配套工程是指与主体工程相配套的工程，配套工程的完善率直接关系着高效节水灌溉工程的使用效果。

工程配套完善率=工程配套数/工程数×100%。（1）

⑧工程使用率。工程使用率是衡量一个区域高效节水灌溉工程管理水平和经济收益的重要指标。水利工程技术的管理情况、灌溉技术的应用程度以及农户的接受和利用情况都直接反映经济效益情况。

⑨运行管理的难易程度。运行管理的难易程度可从工程运行操作的方便程度和操作人员的劳动力强度等方面来衡量。节水灌溉的管理、运行和维护一般由基层水管单位和农户负责，如果太复杂，会降低设备的利用率，影响节水灌溉工程的利用程度，从而影响经济效益。

2）社会效益指标

社会效益是从社会发展层面考虑工程对区域农业、农户、农业生产、农村发展的影响。最终确定社会效益指标为：符合水利现代化要求程度、符合区域农业结构调整程度、农民个人的增收节支程度、农业用水管理体制改善程度、农民节水意识改进程度。

⑩符合水利现代化要求程度。农田节水灌溉的工程建设不仅从微观上考虑当地的实际情况，更要从宏观上考虑符合水利现代化要求的程度，是衡量是否符合现代化农业发展水平的一个重要指标。

⑪符合区域农业结构调整程度。优化调整农业结构，促进农业农村经济发展，主要在于粮食作物、经济作物种植比例的调整。节水灌溉工程技术建设时要考虑是否符合当地区域农业结构调整和农业发展要求。通过推广管灌、微喷灌，调整区域农业结构，提高人民生活水平。

⑫农民个人的增收节支程度。节水灌溉工程一般属于小型农田水利工程或属于大中型水利工程的田间配套工程，建设和管理大都以农民为主体，因此在重视区域节水整体效益的同时，必须注重农民获得的真实效益。只有调动农民的积极性和主动性，节水灌溉工程才能获得一定程度的社会效益。因此，农民增收节支程度可用节水灌溉实施前后农业生产成本和收入的变化来衡量。

⑬农业用水管理体制改善程度。农业用水管理体制对节水灌溉效益的发挥具有重要作用。一套行之有效的管理体制帮助促进节水灌溉的顺利实施，提高农民节水的意识，调动基层水管理单位节水建设的积极性。有效的管理办法是加快高效节水灌溉工程进程的必要手段。

⑭农民节水意识改进程度。节水意识的改进是高效节水灌溉工程长效运行的有力保障，由于各种因素的影响，农民的用水意识一直停留在漫灌的误区中，认为水分和作物之间的关系为水分越多越好。随着高效节水灌溉知识的不断普及，农民开始逐渐意识到水分过多会对作物生长带来不利影响。这个指标可以衡量节水灌溉的社会效益。

3）生态效益指标

农业生产与生态环境建设休戚相关，高效节水灌溉工程的推广必然会影响到流域或灌区生态环境建设方面。参考文献[17]，结合武威高效节水灌溉工程发展的实际情况，确定生态效益指标为：节水率、省工率、节地率、对当地生态环境的影响、对水资源环境的影响。

⑮节水率。节水是发展节水灌溉的初衷，其大小受到工程类型、节水技术、设备先进程度、管理水平等各种因素的综合影响，很难用一种标准衡量。在相同产量或产值的情况下能否节约灌溉水资源就成为衡量其效益的主要指标。

⑯省工率。省工率是由节水灌溉前用工数与采用节水灌溉后用工数之差，再除以釆用节水灌溉前用工数得到的，可以反映实施节水灌溉工程前后的管理单位灌溉耕地所需要的劳力变化。

⑰节地率。节地率可以采用节水灌溉工程实施后扩大的灌溉面积与扩大前的灌溉面积的比值来衡量。表示工程实施前后所占耕地的变化。

⑱对生态环境的影响。节水灌溉工程的建设必须以保护当地生态环境为前提，以适合和促进当地水循环系统和其他生态系统的良性发展为目的，对生态环境的影响是衡量节水灌溉工程好坏的一个重要指标。

⑲对水环境的影响。水环境指各种污染物作用于水体的状况。采用节水灌溉方式会比传统灌溉方式更加节约水资源，对地表水资源和地下水资源的水量和水质有不同程度的改善。随着污水灌溉面积的减少，提高产量的同时，水资源污染程度逐渐降低。

2.2 AHP-模糊综合评价方法

1）AHP 的概念和分析步骤

层次分析法（The Analytic Hierarchy Process，AHP）是由运筹学家萨迪（Saaty. T. L）于1977 年建立的一种非结构决策理论，它可对复杂问题做出准确、科学的决策，改变了人们对复杂问题主要靠主观判断进行决策的状况，特别适用于那些难于完全定量分析的复杂问题。AHP 法具有良好的逻辑性、系统性、简洁性和实用性等优点，使评价过程能很好地与人的思维过程相拟合，更容易被理解掌握[21]。

AHP 分析法分析问题的步骤[22-25]：

①将总目标分层次，一般来说可以分为3 类：目标层、准则层、因素层，建立层次结构模型。

②对同一层的指标进行比较，运用1-9 标度法构造两两比较判断矩阵C={Cij}。

③采用方根法计算判断矩阵的最大特征根λmax和特征向量X={x1，x2，…，xn}，计算CI和CR进行判断矩阵的一致性检验，计算方法如式（2）、式（3）。

④当判断矩阵满足一致性检验，即CR<0.1 时，将对应特征根λmax的特征向量X归一化后，得到单层次各因素间的权重值W，即层次单排序结果。

⑤利用单排序结果进行总层次排序，这一过程由最高层次到最低层次逐步进行。例如第K准则层权重为Ak，其因素的权重分别为（W11，W12，…，Wij）T，则在总层次中这些因素的权重分别为AkWij，即层次总排序。

2）模糊综合评价的概述和评价模型

在实际评估过程中，评估对象往往受到各种不确定因素的影响，许多事物并没有明确的界定，而是处于一种难以把握与掌控的灰色模糊的状态。模糊综合评价法[26-28]就是在充分考虑这些模糊因素后基于模糊数学而建立的一种针对项目模糊性的评价方法。

① 单因素评价模型

单个因素的评价采用Ycj=A⋅R，（j=1，2，…，4）模型，其中Ycj指单因素评价结果，A指影响该因素的各指标所占权重，R指影响该因素的各指标的隶属度。例如本文经济效益评价模型见式（4）。

② 综合评价模型

区域综合效益评价采用Y=AC·Ycj，（j=1，2，…，4）模型，其中Y指区域综合效益评价结果，AC指准则层单因素所占权重，Ycj指准则层单因素所属隶属度。评价过程见式（5）。

2.3 评价基本流程

武威区域高效节水灌溉工程区域综合效益评价方法采用层次分析（AHP）和模糊数学理论方法，具体评价流程图如图1。

3 评价模型的构建与评价结果

3.1 权重的计算

采用AHP 分析法计算各指标权重，构造判断矩阵，计算CI和CR，对矩阵的一致性进行计算验证，一致性较好。

对于准则层指标形成的3 阶判断矩阵，最大特征值λmax=3.025 1，RI=0.58，CI=0.01，CR=0.02<0.1，矩阵满足一致性要求；同理，相对于因素层指标形成的判断矩阵，如9 阶经济效益判断矩阵，5 阶社会效益判断矩阵和5 阶生态效益判断矩阵，其最大特征值λmax分别为9.936 3、5.352 1、5.433 6，计算得CI分别为0.12、0.09、0.11；CR分别为0.05<0.1、0.08<0.1、0.098<0.1。因此，所构造的判断矩阵均满足一致性要求，用AHP 法进行各指标权重计算，结果见表1。

图1 AHP 模糊综合评价法流程 Fig.1 Flow diagram of evaluation on AHP-fuzzy method

表1 基于AHP 法的各指标权重 Table 1 Weight of indicators based on AHP method

表2 等级划分标准 Table 2 Grade of indicators

3.2 评价指标等级划分

节水灌溉综合效益评价指标分为定量指标和定性指标，本研究根据对试验区现场调研的情况，在文献[29]和征求专家意见的基础上，建立了如下的评价判断标准（表2）。

定性指标分为5 级，通过专家打分法将其量化，例如符合水利现代化要求程度，将指标分为非常显著、比较显著、一般显著、基本显著、不显著5 级标准，分值分别用9～10、7～9、5～7、3～5、0～3 表示；农民节水意识改进程度指标分成节水意识非常强、比较强、一般强、基本强、不强5 级标准，分值分别用9～10、7～9、5～7、3～5、0～3 表示，这样可以把定性指标量化。

定量指标的数据根据定义来获取，定性指标根据专家评分法量化。

3.3 隶属度计算

隶属度是指评价对象隶属于评价等级I 级—V 级的程度。根据高效节水灌溉工程综合效益评价指标与评价等级划分标准（表2），常采用专家打分的方法确定定性指标的隶属度，定量指标的隶属度根据上下限值法确定。根据隶属度计算方法和现场调查数据，隶属度的计算结果见表3。

表3 因素层指标隶属度 Table 3 membership of the factor Layer indicators

3.4 评价结果

以经济效益，生态效益和社会效益耦合作为区域综合效益，采用AHP 分析法和模糊数学理论法，研究石羊河流域武威属区高效节水灌溉工程综合效益。经济效益研究结果见式（6）、社会效益研究结果见式（7）、生态效益研究结果见式（8）、区域综合效益研究结果见式（9）。

根据隶属度最大原则，计算结果中最大的数值所对应的评价集元素即为最终评价结果。从经济效益综合计算结果 1CY（6）、社会效益综合计算结果 2CY（7）和生态效益综合计算结果 3CY（8）可以看出，石羊河流域武威属区经济效益和生态效益评价等级为I 级，社会效益为Ⅱ级。

从综合效益计算结果Y（9）可以看出，石羊河流域武威属区高效节水灌溉工程实施后的综合效益评价等级为I 级。

从各指标的隶属度（表3）可以看出，石羊河流域武威属区高效节水灌溉工程对当地生态环境的影响（C34）、对当地水环境的影响（C35）和灌溉水利用系数（C12）都属I 级，正向影响显著；符合水利化发展水平程度（C21）为Ⅱ级；对区域农业结构调整程度（C22）的符合度较低，为Ⅲ级。进一步加强对农业结构调整的耦合度是石羊河流域武威属区高效节水灌溉工程非常重要的一步。

4 讨论与结论

1）从评价结果看，石羊河流域武威属区经济效益和生态效益评价等级为I 级，社会效益为Ⅱ级。这一结果与一些学者[6,30]的观点相吻合。谯修全[31]提出，石羊河流域武威属区在实施高效节水灌溉项目以来，作物普遍增产15%～30%，节水率提高了30%左右；农业用水总量得到了有效控制，地下水开采量逐步趋于稳定，部分区域出现了逐年下降的良好态势。高效节水灌溉项目为农业和生态可持续发展及水资源可持续利用方面发挥了重要作用。因此，建议继续加快推进高效节水灌溉工程建设，实现经济-社会-生态协调可持续发展。

2）对区域农业结构调整程度（C22）的符合度较低，为Ⅲ级。主要原因是农业种植相对效益较低、农户调整种植结构的积极性不高、农村劳动力缺乏，基本为老人和留守儿童、缺乏调整种植结构的意识和能力。因此，加大作物种植结构调整和土地流转力度，以虚拟水资源战略为重要举措，扩大低耗水、高收益、适宜滴灌的（葡萄、瓜果等）特色作物种植面积，通过种植大户推进高效节水灌溉工程，扩大和夯实高效节水灌溉项目的节水能力，为当地生态屏障建设腾退足够水量。同时，政府部门应出台相应节水恢复生态专项补偿配套政策，保证农户节水不增负、节水能持续，为石羊河流域武威属区的农业迈向现代化进程奠定基础。

3）本文选择高效节水灌溉工程综合效益评价的区域大尺度评价，为石羊河流域武威属区水资源科学规划、合理配置和高效利用提供基础，也对保障区域水安全、粮食安全具有重要意义。