基于CRITIC-TOPSIS的许昌市农业水土资源评价

曹连海, 刘晓博, 张志强, 黄佳

(1.华北水利水电大学 测绘与地理信息学院,河南 郑州 450046;2.华北水利水电大学 地球科学与工程学院,河南 郑州 450046)

水土资源是人类生产活动的基础物质条件,是区域社会、经济、生态可持续发展的重要因素,是农业可持续发展的关键[1-2]。区域水土资源时空分布不均衡,水资源与土地资源开发力度的加大,会影响并制约区域的农业产业高质量发展[3-4]。对水土资源匹配特征的研究有利于掌握水土资源的利用情况,分析水土资源利用特征,对进一步缓解区域水土资源利用的矛盾具有重要的指导意义;其次,通过对水土资源综合评价,有利于掌握区域存在的问题,以缓解水土资源矛盾,促进区域水资源与耕地资源的科学合理利用。因此,综合评价农业水土资源有助于农业水土资源利用率的提高[5-6],也有利于农业产业可持续发展。

近年来,农业水土资源综合研究越来越受到学术界的重视,现有的研究成果多是针对水资源承载力[7]和土地资源利用进行评价研究,并得到了一系列有价值的研究成果。马晓洪等[8]、黄克威等[9]、何俊仕等[10]、王志新等[11]、杨剑等[12]分别采用改进的模糊综合评判法、基于DEA的水土资源匹配模型、灰色关联法、改进的TOPSIS评价法、熵权TOPSIS评价方法等对水土资源匹配程度以及水土资源利用进行评价分析。现有的成果对水土资源整体效能评价研究不充分,且多集中于省域等大尺度,市域尺度上的研究成果较少。在研究方法上,由于水土资源综合评价指数具有较强的综合性特点,相关研究者们多从水土资源匹配系数、洛伦茨曲线、基尼系数[13-14]来综合反映水土资源匹配的程度[15-16]。TOPSIS评价方法应用较广,多应用于城市旅游与可持续发展的评价研究中[17],该评价方法具有充分利用原始数据、减少信息损失等优点[18]。

本文以许昌市为研究区,以“科学合理利用水土资源”为目标,针对许昌市非农业用水增加、农业用水减少,以及土地利用程度降低、土地利用形势严峻等情况,综合运用CRITIC-TOPSIS评价模型对许昌市2008—2017年水土资源的匹配特征及协调程度进行综合分析。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

许昌市地处河南省中部,东经113°03′～114°19′、北纬33°42′～34°24′,包括许昌市区、禹州市、鄢陵县、襄城县、长葛市5个地区,其中建安区、魏都区在本研究中称为许昌县。该区域由于地处从山地通过丘陵和岗地到平原的过渡地带,土壤肥沃;属温带季风气候,春、冬季节少雨,夏末秋初多雨;降水年际变动幅度大,且年内分配不均,汛期降雨量占全年的62%以上;蒸发能力远超过降雨,属偏干旱区。

1.2 数据来源

本研究的基础数据来自于《中国县域统计年鉴》《许昌市统计年鉴》《许昌市水资源公报》等,这些数据包括许昌市5个县域2008—2017年的水文、土地、人口、经济以及农业等相关的数据资料。研究区以许昌市为中心,以东称其为东部地区,以西称其为西部地区,以北称其为北部地区,以南称其为南部地区。

2 农业水土资源评价方法

2.1 指标体系的建立

参考相关文献资料[12,19-20]以及在了解许昌市农业水土资源的基础上,经过筛选,选择13个评价指标构建农业水土资源综合评价指标体系,这13个评价指标大致可以涵盖许昌市水土资源的概况,具体见表1。

表1 许昌市农业水土资源评价指标体系

2.2 TOPSIS评价模型

在构建许昌市农业水土资源综合评价体系的基础上,为排除人为主观性,提高权重准确度,选用CRITIC法计算评价指标权重,运用TOPSIS[21-23]评价模型测算水土资源的综合评价指数,从时空的角度对许昌市农业水土资源的配置关系进行动态分析。

2.2.1 构建标准化评价矩阵

原始评价指标矩阵为:

(1)

标准化处理后的评价矩阵为:

(2)

式中:xij为初始值;rij为标准化值;i=1、2、…、m;j=1、2、…、n。

2.2.2 确定指标权重

权重计算过程如下:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:Sj为第j个指标的标准差;fij为评价指标i和j之间的相关系数;Zj为指标综合信息量;Wj为第j个指标的权重。

规范加权矩阵为:

(7)

2.2.3 确定正负理想解

最优、最劣向量分别为:

Y+=(ymax1,ymax2,…,ymaxn),

(8)

Y-=(ymin1,ymin2,…,yminn) 。

(9)

式中ymaxn、yminn分别表示式(6)中第n列的最大、最小值。

2.2.4 距离计算

距离的计算式分别为:

(10)

(11)

式中yij为加权后的标准化值。

2.2.5 计算综合评价指数

综合评价指数的计算式为:

(12)

当Ci大于等于0、小于等于1且Ci接近1时,表明综合评价指数高;反之,表明综合评价指数低。

3 结果分析

3.1 农业水土资源时空分布及匹配

通过水土资源匹配系数测算[24]得到许昌市各地区水土资源匹配系数值,许昌市的水土资源分布情况如图1所示。由图1可以看出:许昌市单位面积水资源量在空间上分布不均衡,其年平均单位面积水资源量为1 648.28 m3/hm2,5个地区的单位面积水资源量排序为:许昌县、禹州市、鄢陵县、襄城县、长葛市;许昌市耕地资源比例均在60%以上,耕地资源比例由高到低依次是鄢陵县、许昌县、襄城县、长葛市、禹州市,许昌市西部地区多为山地,地形变化会影响耕地资源的分布,禹州市耕地资源占比较小。

图1 许昌市水土资源空间分布情况

2008—2017年这10年间,许昌市各县域的水土资源匹配系数值波动较大,总体呈现“东南优、中部差”的匹配格局,如图2所示。由图2可知:2008—2017年,许昌县水土匹配系数为全市最小值;2008—2017年,鄢陵县的水土匹配系数达到最大值,为1 409 m3/hm2,原因是该县域水土资源较为充足。土地利用率是影响水土资源匹配的原因之一,就全市而言,水资源的相对不足会影响到水资源的利用效率。以2017年为例,许昌县的耕地面积占全市的22%,全市排名第二,水资源利用效率为24%,全市排名最低;东部的鄢陵县为水资源利用效率高值区,但土地利用率不太理想。从以上分析来看,两地区的水土资源综合条件满足农业生产的需要。

图2 许昌市水土资源匹配格局

许昌市水土资源匹配系数值在2008—2017年这10年里呈波动上升趋势,如图3所示。降水量的增加会引起水土资源匹配系数值的变化,如2008年平均降水量为619.0 mm,由于2010年汛期雨量偏多,所以2010年平均降水量比2008年的增加173.0 mm,水土资源匹配系数值变化幅度相应较大,2008年和2010年的水土资源匹配系数值分别为672 m3/hm2和1 047 m3/hm2;由于2011—2014年的降水量出现明显下降,导致这期间许昌市各地区水土资源匹配系数值的变化呈明显下降趋势;2014年的平均降水量为560.3 mm,2015年汛期降雨量相对偏多,平均降水量也比上年多,增加18.10%,降水量的增加导致水土资源匹配系数值从2014年的671 m3/hm2逐渐增大到2015年的939 m3/hm2。图3中2015—2017年许昌市的水土资源匹配系数值的变动幅度越来越小,这可能与耕地资源的稳定以及水利工程建设、水资源综合利用量及用水结构的调整相关。

文不在繁，贵在简。《摘编》收录了总书记十八大以来关于扶贫工作的8个专题242段经典论述，一字一句无不字字珠玑、句句经典。《摘编》（二）中“农村要发展，农民要致富，关键靠支部”短短15字，指出了脱贫攻坚工作必须夯实党的领导政治保障、抓好组织建设促脱贫攻坚，在基层组织建设、选人用人上夯实脱贫攻坚基础；《摘编》（三）中提到“要一家一户摸情况，张家长、李家短都要做到心中有数”，寥寥数语，简短实在，道出了“贵在精准，重在精准，成败之举在于精准”的重要性和关键性。

图3 2008—2017 年许昌市水土匹配系数变化情况

3.2 农业水土资源综合评价指数测算及其结果的时空分布格局

3.2.1 农业水土资源综合评价指标权重分析

经计算,许昌市农业水土资源各评价指标权重结果如下:

Wj=[X1X2…X13]=

[0.071 0.085 … 0.097]。

(13)

在13项农业水土资源综合评价指标中:用水总量(X5)、农业用水定额(X13)、人均用水量(X7)和人口密度(X3)这4项指标的权重都大于0.085,说明这4项指标是影响许昌市水土资源综合评价指数的主要因素,其次为农业机械化程度(X12)、人均水资源量(X4)等,农业水资源利用效率(X6)的权重最小,为0.068。许昌市农业水土资源评价指标权重相差较小,说明文中筛选的13项评价指标对许昌市农业水土资源的影响程度差别不大。农业水土资源综合评价指数不仅仅取决于内在自然资源持有量的条件,还受到其他外在因素的较大影响,比如资源利用的技术水平等,所以在对农业水土资源进行评价时,要综合考虑各方面的影响因素。

3.2.2 农业水土资源综合评价指数值的时空分布格局

许昌市农业水土资源综合评价指数结果见表2。

表2 许昌市农业水土资源综合评价指数结果

由表2可以看出:许昌市农业水土资源综合评价指数值排序为:鄢陵县、襄城县、禹州市、长葛市、许昌县,许昌市5个地区的农业水土资源综合评价指数的理想贴进度为0.409～0.560,鄢陵县的综合评价指数值最大,其理想贴进度为0.560,高于其他地区;许昌县的综合评价指数值最小,其理想贴进度仅为0.409,农业水土资源的优化利用状况较差,与鄢陵县相差0.151。总体来说,许昌市农业水土资源综合评价指数处于中等水平,水土资源各功能之间要相互促进,才能使许昌市的农业水土资源得到最优化利用。

图4 2008年和2017年许昌市农业水土资源综合评价指数结果

1)2008年和2017年农业水土资源综合评价指数值较大的分别为鄢陵县和襄城县,其次为许昌县,许昌县位于许昌市的中部,耕地资源和水资源都较为充足;鄢陵县、襄城县分别位于许昌市的东部和西南部,多年平均年降水量分别为725.9 mm和739.5 mm,水资源十分丰富,东部地区多为冲积平原,西南地区有较少山区,大多为平原,耕地资源相对充足,两地区的水土资源匹配系数值分别为1 409 m3/hm2、1 138 m3/hm2,大于许昌市的水土资源匹配系数的均值;农业水土资源综合评价指数值较小的为禹州市、长葛市,两地区分别位于许昌市的西部和北部,西部地区以山地丘陵为主,耕地资源少,两地区多年平均年降水量分别为656.7 mm和673.5 mm,水资源相比其它地区来说较为欠缺。

2)许昌市大部分地区的农业水土资源综合评价指数值呈现轻微的波动,总体趋于上升趋势。从排名动态变化来看,农业水土资源综合评价指数排名进步的是鄢陵县和禹州市,鄢陵县从2008年的第5名上升到2017年的第1名;禹州市从2008 年的第4名上升到2017年的第3名;襄城县从2008年的第1名下降到2017年的第2名,许昌县从2008年的第2名下降到2017年的第4名,长葛市从2008年的第3名下降到2017年的第5名。禹州市和襄城县这两个地区2008年和2017年的农业水土资源综合评价指数值变化较小;相比禹州和襄城县两个地区来说,许昌县和长葛市2008年和2017年的农业水土资源综合评价指数值变化较大,鄢陵县2008年和2017年的农业水土资源综合评价指数值变化最大,但鄢陵县2008年的农业水土资源综合评价指数值小于2017年的,许昌县和长葛市的与之相反,这可能与当年该地农业水土资源利用的方式有关。总体来看,许昌市农业水土资源综合评价指数值较为稳定,其变化呈轻微的上升趋势,这与研究区土地利用结构变化特别是与研究区水资源利用程度有关。

4 结语

文中共选取13个指标构建评价指标体系,采用TOPSIS对许昌市农业水土资源的综合评价指数进行评价分析,得到以下结果:

1)许昌市水土资源空间分布不均衡,部分县域水土资源匹配程度较差。2008—2017年各县域的水土资源匹配系数波动较大,总体呈现“东南优、中部差”的匹配格局。

2)不同地区农业水土资源综合评价指数存在差异,综合评价指数最高的是鄢陵县,其理想贴进度为0.560;综合评价指数最低的为许昌县,其理想贴进度仅为0.409;许昌市整体的农业水土资源综合评价指数的理想贴进度为0.409～0.560,农业水土资源综合评价指数处于中等水平,需要采取一定措施加以提高,以使许昌市的水土资源得到最优化利用。

3)对比2008年和2017年许昌市农业水土资源综合评价指数结果知,许昌市大部分地区的农业水土资源综合评价指数值变化呈现轻微的波动,总体趋于上升趋势。

采用CRITIC法来确定评价指标的权重,选用TOPSIS评价方法构建农业水土资源综合评价模型计算许昌市的农业水土资源综合评价指数值,计算结果和排名结果均与许昌市水土资源的实际情况吻合,说明本文所采用的方法是可行的,但该模型的计算结果,只能是综合评价指数的相对等级,建议后期研究中采用不同的研究方法或者采用同种方法分析不同区域,对比分析所得结果的差异,以便更加切实地反映某个区域的水土资源状况。因此,根据当地实际情况建立适合当地的评价指标体系、选择合理的指标确定方法以及构建可行的评价模型是水土资源综合评价的重要部分。同时要不断改善水土资源综合评价的过程,以期得到更加科学合理的评价结果。