盘山灌区节水农业综合效益评价

杨 扬

(辽宁省盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘锦 124000)

0 引 言

我国属于农业、灌溉和人口大国，农业用水占比处于60%以上的较高水平，农业是我国第一用水大户以及“节水优先”战略落实的主战场。农业灌溉节水水平的提升和大力发展节水农业，为实现农业可持续发展及解决我国水制约因素的必然要求。农业生产成本的增加、相关技术设备的投入属于发展节水农业重点考虑的问题，这给当地管理部门与农民生产技术带来了挑战，也是一个涉及经济、社会、技术的系统性问题。因此，如何构建科学适用的评价模型和指标体系已成为现今研究的热点，特别是对缺水的荒漠或干旱地区，准确评价节水农业效益有利于减轻区域风沙威胁、涵养水源、抑制土壤侵蚀、维护林草植被等，并对改善周边生态环境、调节微气候发挥着明显成效。通过评价节水农业效益有助于指导农业未来发展方向，掌握灌区节水状态以及提升粮食产量。现有研究开展的综合评价一般涉及生态环境、经济、社会等方面，应用的综合评价法以灰色关联法、层次分析法等传统方法为主，尽管选择的普适性指标可以反映节水农业实际情况，但对权重的合理性和指标的选择确定还缺乏更深层次的解释[1-4]。鉴于此，文章尝试以盘山灌区节水改造二期工程为例，结合农业节水的特点以及参评因子选取、降维、综合评价的流程，利用Topsis多目标模型合理评价灌区的节水效益。

1 研究区概况

盘山灌区地处辽河三角洲冲积平原，位于大凌河、绕阳河、辽河、大辽河四河流的下游，东隔辽河、外辽河与海城市、台安县相邻，西靠北宁、凌海两市，南接市内兴隆台区与大洼县，西南濒临辽东湾，总面积1072km2。灌区内耕地面积5.05×104hm2，设计和实灌面积3.91×104hm2、3.71×104hm2，为辽宁省主要的产量区之一。根据盘山灌区各规划水平年水资源供需平衡分析，灌区水田灌溉具有一定的水源保证，但由于灌溉水利用系数低、泵站老化损坏严重等，部分泵站出水流量仅达到设计的60%。盘山灌区无独立水源，供水受上游来水限制，往往需要短时间大流量集中供水，2015年用水高峰泡插期用水量为1.2亿m3，而灌区总设计提水能力合计230 m3/s ，实际提水能力达到202 m3/s ，提水站日工作按21h 计，该时段排灌站可提水量为1.145亿m3，2015年水田缺水550万m3。灌区提水能力不能满足各水平年的需水要求，也就是水源有水引不到田间，需对灌区泵站及其渠系建筑物进行更新改造。

盘山灌区节水改造二期工程项目共有60项，排灌站19座(其中重建7座，维修12座)；桥6座(均为重建)；闸9座(其中重建5座，新建1座，维修3座)；穿堤涵洞8座(均为重建)；渡槽7座(均为重建)；倒虹吸1座(均为重建)；干渠清扩7处；节水衬砌3处。通过进一步更新、改造灌区建筑物，提高灌区水利用率和灌区整体运行效率，改善生态环境，加强农业生产措施，逐步摆脱灌区低效率、高能耗、低标准的状态。

2 数据与方法

2.1 数据来源

定量与定性数据为文中数据两大类型，其中灌区节水改造相关数据、社会经济数据来源于《盘山灌区节水改造二期工程初步设计报告》、《盘山县十三五规划》和《盘山县统计年鉴(2016)》等资料；根据专家评分法获取定性数据，按照0-3、3-5、5-7、7-9、9-10的评分区间划分很差、差、一般、较好、好5个等级。

2.2 研究方法

2.2.1 评价模型及指标体系

综合集成各种农艺、管理、工程等措施的现代节水农业，不再局限于某单项技术的现代化，故需要以一个指标体系全面分析节水农业效益[5]。文章结合盘山灌区环境特点、自然条件、相关政策和社会经济状况，充分考虑灌区节水农业的关键性制约因素及其复杂关系，参考相关文献资料和国内外研究成果，遵循针对性、便捷性、科学性和实用性等原则，从环境、经济、社会3个方面选择22项效益评价指标，并将定量与定性指标结合构建综合评价体系，如表1。

节水农业效益评价涉及因素多、覆盖范围广，一般利用多目标综合法评价灌区节水效益状况，即利用以下数学模型评价灌区节水效益：

(1)

式中：wi、wij为系统层和指标层所有参评指标权重；aij为参评指标标准化数值；R为农业节水综合效益。

2.2.2 降维处理及研究方法

1)参评指标的降维处理——主成分分析法。该方法是利用线性组合的方式将原来多个且彼此相关的指标转化为个数较少且不相关或彼此独立的综合指标，其核心为降维处理。参评样本的数据信息在不同程度上体现在每个变量上，且各因素之间具有密切关联，因此统计的数据信息大多存在一定的重叠，定量分析时人们自然希望获取的信息量较多而涉及的变量较少，针对此类问题主成分分析法的可行性和适用性较强。

表1 节水农业效益指标体系

2)节水农业效益评价——Topsis法。该方法是以客观数据为计算基础的逼近理想解评价法，其客观性、准确性较好。采用Topsis法的基础为确定最优和最劣评价方案，并准确计算最劣和最优方案与参评样本的距离，明确最优方案与各参评样本的贴近程度，以此作为评价的根本依据，其实现流程为：

步骤1：结合农业节水效益评价的m项指标和n个参评样本，构造初始指标矩阵：

X=(Xij)n×m

(2)

充分考虑不同指标的内涵特征，将所有参评因素划分为高优、低优两大类型，对于越大越优或越小越优型指标，利用以下公式归一化处理：

(3)

步骤2：完成初始数据归一化处理后，对各项参评指标利用变异系数法赋予权重，由此构造转化矩阵：

Z=(Zij)n×m

(4)

将所有参评样本中各项指标的最小、最大值集成，由此构成节水农业效益评价的最劣、最优向量，即：

Z+=(Zmax1,Zmax2,Λ,Zmaxn，)
Z-=(Zmin1,Zmin2,Λ,Zminm，)

(5)

然后对参评样本的优劣程度按照相对接近度Ci值排序，由于Topsis效益型评价模式与节水农业效益评价的一致性，故其值越高则节水农业效益越好。

步骤3：将评价指标权重利用客观赋权法——变异系数法计算，将逼近理想解的Topsis法与变异系数赋权法相耦合构建节水农业优选模型。其实现流程为：针对指标权重利用变异系数法计算，由此构造标准化加权决策矩阵，并利用有关公式求解各个决策方案与正、负理想点间的相对接近度，依据接近度大小排列方案优劣程度。

考虑到不同指标的量纲或单位存在差异，无法直接参与差别程度的评价分析。为消除不同量纲带来的效益评价不可通透性，可以对指标值的差异程度利用变异系数来度量，其计算公式为：

(6)

式中：Dj、Rj、δj为参评指标j的均方差、均值和变异系数。采用SPSS主成分分析软件降维处理节水农业效益评价的各项指标，由此确定节水农业效益主成分评分矩阵，将Topsis法与熵权权重相耦合，以评分矩阵为基础评价灌区综合效益。

3 结果与分析

3.1 准则层指标分析

根据已选取的22项指标反映盘山灌区的节水效益状况，综合利用Topsis中数据标准化法和SPSS主成分分析软件计算各指标贡献率与特征值。一般地，按特征值大于1或累计贡献率达到85%的原则提取主成分，由此选取的主成分个数如表2。原有的22个原始变量利用3个主成分来替代，该条件下的累计贡献率达到94%符合要求，从而实现复杂数据的降维数据，更加客观、准确的揭示2012-2016年盘山灌区的节水农业变化规律。

表2 主成分的累计贡献率

2012-2016年各主成分评分利用SPSS软件计算，如表3。采用变异系数公式输入各主成分评分，在此基础上确定相应的权重，即F1、F2、F3的主成分权值为0.3619、0.3364、0.3017。由此可知，降维处理后权重最高和最低的为第一、第三主成分。

表3 灌区节水效益评价主成分评分矩阵

由表4可知，第一主成分与人均生产总值、水分生产率、经济效益费用比、内部收益率、农业用水量、灌溉水利用系数、主要农作物产量之间存在正相关性，而投资回收年限与第一主成分呈负相关，由此表明节水改造工程的经济效益不明显。盘山灌区的经济发展及用水状况可以利用以上指标来衡量，这也是反映灌区经济效益的主要参数。换句话说，灌区节水农业效益随着地区经济实力的提升而提高，其原因为地区经济基础有利于改善灌区用水结构以及节水农业的利用。所有权重中第一主成分的权值最高为0.3619，对促进区域经济发展和农业节水具有积极作用[6,7]。

第二主成分与节水机制推广水平、计量收费普及率、水费实收率、工程配套完善率、节水工程管护水平、用水者协会管理面积、政策法规配套率、用户参与水平呈显著正相关性，其权值为0.3364，这也是反映灌区社会效益的主要参数。近年来，随着农民素质以及农业信息化、产业化、机械化的快速提升，当地政府建立保障制度、组建专业化喷灌服务体系以及制定鼓励节水农业发展的优惠政策，对保证节水农业效益、建设质量的长效发挥以及调动农民群众投资发展节水农业的积极性发挥着重要作用，为实现节水农业的持续发展提供了重要保障。

表4 主成分评分系数矩阵

第三主成分与森林覆盖率、灌区地下水利用率、涝标准达标率、地表水利用率呈正相关性，这也是反映灌区生态效益的主要参数。所有权重中第三主成分权重最小为0.3017，由此表明当地没有足够的重视灌区节水改造工程的生态效益。盘山灌区无独立水源，供水受上游来水限制，往往需要短时间大流量集中供水，2015年用水高峰泡插期的水田缺水550万m3。

然而，该灌区具有较为丰富的地下水，为环节农业春季灌溉用水和农业发展用水不足的矛盾，可对地下水实施合理的开发利用，同时防止土壤次生盐碱化及大水漫灌的发生。

通过分解评价理论模型计算准则层指标效益水平Ai，其计算式为：

Ai=wijaij

(7)

式中：wij、aij为参评指标权重及其评分值。由表5可知，盘山灌区经济效益表现出波动上升的变化特征，并且生态环境、社会效益远远低于经济效益。在促进农村经济发展、提高农业粮食产量等方面节水改造工程的实施发挥着积极作用，统计数据显示项目实施后的总经济效益达到1689.75万元/a。

表5 盘山灌区2014-2018年效益评价值

基于社会效益的视角，灌区节水改造工程的经济功能高于社会功能，管理人员开支主要依靠灌区水费收入。由于用水价格比较低只能维持灌区的正常管理，节余部分资金仅能维持简单的再生产和临时工程维修，此外灌区大水漫灌模式及村民农业节水意识薄弱等问题突出。因此，要强化部分配合与组织领导，加大农业节水宣传李阿杜，搞好节水农业的示范以及建立节水技术服务体系。结果表明，灌区节水农业的经济、社会效益明显高于生态效益，研究期间生态效益为0.124-0.257区间，由于续建配套的持续推进生态效益总体上呈波动上升取值。

3.2 综合效益评价

运用Topsis法和已确定的权重以及降维后的主成分矩阵，准确计算最劣、最优方案与不同年份盘山灌区的距离，并利用相关公式求解相应的接近度值Ci，如图1。从图1可知，不同年份盘山灌区的综合效益具有明显差异，其中2012年、2016年为综合效益的最低和最高年份。

图1 节水农业综合效益值

4 结 论

1)节水农业效益评价涉及因素、覆盖范围广，属于一项多属性、多目标综合评价的系统问题。文章结合盘山灌区特点和现有文献资料，经多次优化和反复论证最终选择22项指标构建效益评价体系，并对所有参评指标利用主成分法降维简化，筛选出累计贡献率超过85%的3个主成分，从而降低评价结果受不同参评因素相关性的作用。然后运用Topsis法和已确定的权重以及降维后的主成分矩阵，准确计算最优、最劣方案与不同年份的接近度值Ci，结果显示2012年、2016年为综合效益的最低和最高年份。

2)充分考虑评价结果，盘山灌区要综合考虑生态、经济、社会效益制定切实可行的农业节水发展规划，加强节水技术研究以及节水灌溉工程管理，强化部门配合与组织领导，切实搞好节水农业的示范以及节水灌溉资金的多渠道投入，加大宣传力度切实推动节水农业发展。

3)节水农业效益评价与建设投资、工程设计、经济发展水平等因素直接相关，同时节水激励机制健全水平、水价合理性、政府重视程度等社会管理策略也非常关键，为促进节水农业健康发展还要制定合理水价。在农业水管理决策中农业节水管理政策也发挥着关键作用，对促进社会经济发展目标与引导用水户选择相协调的管理模式起到积极作用。另外，应重视生态环境受节水农业发展的影响，提升生态环境质量及持续优化水土资源，实现持续健康、协调稳定的节水农业发展。