山东省农业适水发展水平的模糊综合评价

王 昕, 赵汝鹏, 李庆国, 张立志, 刘丰铭, 刘玉玉

(1.山东省水利科学研究院, 山东 济南 250014; 2.济南大学 水利与环境学院, 山东 济南 250022;3.水发规划设计有限公司, 山东 济南 250100)

近年来,随着人类社会经济发展,环境变化下区域水资源短缺和分布不均、供水用水矛盾加剧等问题,已成为我国特别是北方缺水地区绿色与高质量发展的瓶颈,基于“四水四定”原则探讨区域适水发展至关重要[1-2]。适水发展是指在有限水资源的基础上,依靠技术革新等手段,优化产业结构,提高水资源效益比,从而实现多领域的协调发展[3-4]。农业是经济社会稳定发展的压舱石,同时也是用水大户,但在未来用水结构中的比例正不断受到压缩,围绕国家粮食安全重大战略需求,适水发展是农业生产必然选择。适水农业就是以水定农业规模、种植结构、作物产量,削弱水资源开发利用对农业发展的不利影响,保障水资源可持续利用和农业可持续发展[5]。开展农业适水评价将有助于提升对区域农业发展水平的认识,剖析影响农业适水发展的因素与问题,更好地探求未来适水发展方案与道路。

农业适水发展目前尚处于初步探索阶段,部分学者仅在概念和理论、水资源结构优化等视角进行了探讨。杜朝阳等[4]通过分析京津冀地区水资源短缺的问题,首次提出建立以适水发展为主题的水资源可持续发展途径与对策。康绍忠[3]结合国家节水方案首次提出了农业适水发展的定义,在概念剖析与解读基础上,提出了农业领域节水发展的可行性方案。徐征和等[6]以位山灌区为例,站在适水发展的角度,提出了灌区优化水资源配置和高效利用的供水管理手段。在农业适水发展水平评价方面,相关研究尚较少见。

本文中在整理分析2000—2018年山东省农业基础数据基础上,依据水资源适应性理论[7],构建适水评价三级指标体系,提出层次分析法(AHP)和基于指标相关性的指标权重确定(CRITIC)主客观组合赋权的农业适水模糊综合评价方法,计算并分析各级指标变化规律[8-11],评价山东省农业适水发展水平,以期为优化农业水资源利用方向提供参考。

1 山东省农业用水现状

山东省是我国重要的农业大省,农业增加值一直稳居全国第一。2018年有效灌溉面积占比由2010年的64.8%提升至69.1%,灌溉水有效利用系数为0.640 6[5],Ⅴ类水功能区及以上占比达到93.71%[12]。

1.1 种植业用水量及用水定额

2000—2018年山东省种植业用水量及比例见图1。 由图可见, 2000—2018年山东省农业用水占用水总量比例持续保持在50%以上,但种植业用水量及其占比仍呈现总体下降的趋势,由2000年种植业用水量1.658 4×1011m3降为2018年1.146 8×1011m3,占用水总量的比例由67.96%下降到53.93%。

图1 2000—2018年山东省种植业用水量及比例

在山东省农业用水总量持续下降的趋势下, 农业水资源分配不均、 种植业用水比例下降将直接影响粮食生产。 用水定额是反映用水水平的重要指标, 对山东省综合种植灌溉定额进行统计分析, 夏收粮食、 秋收粮食采用一年两熟制度, 棉花、 油料作物一年一季, 蔬菜一年两熟, 瓜果为一年一熟。 粮食、 油料作物、 棉花、 蔬菜、 瓜果种植面积比例分别为68.71%、 12.04%、 3.10%、 12.50%、 3.60%, 设粮食、 油料作物、 棉花和瓜果的复种系数为1, 蔬菜为2。 得到山东省种植业综合灌溉定额为每年11.17 m3/hm2, 分析结果见表1。

表1 山东省种植业综合用水定额计算结果

1.2 林牧渔用水

2000—2018年山东省林牧渔业用水量及比例见图2。随着人工养殖、人工林等快速发展,山东省林牧渔业用水量在2000—2004年增长趋势明显。随着养殖规模和林业面积逐渐稳定,林牧渔业用水量在2005—2012年间处于基本稳定状态。近年来,随着国家和山东省对行业节水的支持力度增加,养殖及林业技术提升,2013—2018年林牧渔业用水量有所下降,但节水压减程度有限。

图2 2000—2018年山东省林牧渔业用水量及比例

2 评价指标体系

2.1 评价指标体系

依据山东省农业生产现状,基于适水发展理论,并参考水资源评价相关标准,构建关于水资源背景、 农业生产水平及区域社会经济相协调的3个子系统、 14个指标组成的评价体系[13-15],如表2所示。其中指标体系中地表水利用率u1、地下水利用率u2、地下水资源占比u4、 地下水位埋深变化量u6、缺水率u7、 粮食作物与经济作物种植面积之比(简称粮经比例)u8、 农业用水占比u12、 单位产值化肥施用量u14等8个为负向指标;水环境优劣指数u3、 单位耕地面积水资源量u5、 灌溉水利用系数u8、 有效灌溉面积占比u9、 节水灌溉面积占比u10、 农业贡献率u13为等6个为正向指标。

表2 农业适水发展综合评价指标体系

2.2 评价指标标准的确定

通过参考现有水资源评价中指标分级标准[15-20],以及联合国人口行动组织关于农业及用水的相关标准,结合山东省农业发展的实际状况,本文中将农业适水评价等级划分为强(Ⅰ级)、中(Ⅱ级)、弱(Ⅲ级),各等级标准如表3所示。

表3 农业适水评价等级划分

3 农业适水模糊综合评价方法

设ui代表所选取的各个评价指标,其中i=1,2,…,m,m为指标个数,则评价指标集U表示为

U={u1,u2,u3,,um}。

(1)

设vj代表所构建的评价等级,其中j=1,2,…,n,则评价指标集V表示为

V={v1,v2,,vn}。

(2)

为了避免各等级出现浮动现象发生,对各指标值进行模糊化处理,正向指标计算公式[16]为

(3)

(4)

(5)

式中:k1为等级v1与v2的边界值;k3为等级v2与v3的边界值;k2为等v2的中值, 即k2=(k1+k3)/2。负向指标u1、u2、u7、u8、u12、u13、u16则将“≥”改为“≤”,“<”改为“>”后采用相同的计算公式处理。

确定各评价指标在等级集合中不同评价等级的程度,称为隶属度。模糊综合评价矩阵R表示为

(6)

式中: 元素rij表示评价指标ui相对于评价等级vj的模糊隶属度。

已知上述矩阵R,按式(7)计算模糊综合矩阵。

B=WR=(w1,w2,…,wm)R=(b1,b2,…,bn) ,

(7)

式中:B为模糊综合矩阵;W为指标权重向量;wi为指标i的权重值,依据AHP法和CRITIC法计算;bj为评价对象隶属于等级j的模糊综合评价向量。

根据综合评价向量bj分别计算对Xv1、Xv2、Xv3对应取值a1=70～100,a2=40～70,a3=0～40,得出各评价对象的综合评分,计算公式为

(8)

式中k为反映各等级指标对适水发展的影响程度, 数值越大, 影响程度越大, 本文中k取1。

4 山东省农业适水发展水平综合评价

4.1 数据来源

本文中评价指标数据均来源于2010—2018年的《中国统计年鉴》《山东省统计年鉴》《山东省水资源公报》《山东省水利年鉴》,以及相关水文资料。

4.2 山东省农业适水发展水平及变化

研究根据相关统计资料,计算综合指标权重向理W=(0.021, 0.016, 0.012, 0.005, 0.011, 0.021, 0.305, 0.093, 0.04, 0.032, 0.178, 0.057, 0.154, 0.056),通过模糊综合评价分别求得各指标的相对隶属度,运用式(8)求得山东省农业适水发展水平综合评分,结果如表4所示,各目标层评分情况如图3所示。

表4 山东省农业适水发展水平综合评分值

图3 山东省农业适水发展水平综合评价结果

由图可以看出,2010—2018年山东省农业适水发展水平平均综合评价指数为0.436,多年整体呈先下降后上升趋势,综合评价值的指标集中隶属度等级v2均略高于隶属度等级v1、v3,说明山东省多年农业适水能力处于中等偏弱水平。2015—2018年的评价指数虽然低于0.5,但综合评价指数整体有上升趋势, 能看出自2015年以来山东省适水农业整体呈良性发展,尽管子系统情况不一, 综合评价指数可以反映山东省农业适水水平变化规律。

水资源背景子系统评价指数2014年下降至近8年来最低点, 为0.357, 说明2014年山东省水资源因素较大地影响了农业发展。 经济社会相协调子系统2010—2018年间的评价指数均高于0.6, 且多年处于平稳上升的状态, 反映农业用水与整体社会用水协调上处于较高水平且呈良好发展趋势。 农业生产水平子系统2010—2018年的评价指数整体呈缓慢下降趋势, 主要原因是农业缺水率逐年上升、 粮经比例增大、 灌溉水利用系数增长率较低等问题导致, 这也是未来影响山东省农业适水发展的主要因素。

4.3 现状年农业适水发展水平评价

利用山东省现状年2018年相关资料,分别对3个子系统的14个指标与农业适水发展评价3个等级标准的关系进行详细分析,结果见图4。

由图4(a)可见,2018年水资源背景目标层中地表水利用率为54.5%,地下水利用率为69.5%,单位耕地面积水资源量为4 532.85 m3/hm2, 水环境优劣指数为93.71%等, 计算可知综合评价指数大于0.7, 说明该目标层6个指标整体较强。 根据图4(b), 2018年缺水率达到44.18%, 灌溉系数为0.640 6, 有效灌溉面积占比为69.1%,节水灌溉面积占比为44.5%,得到农业生产水平隶属度等级v3高于v1、v2,其综合评价指数为0.348,说明农业生产水平目标层适水发展能力较弱,相较于水资源背景目标层相比评价综合指数减少了51.69%。由图4(c)可以看出, 2018年与经济社会相协调目标层中农业用水占比为54%,农业贡献率为1.12,单位产值化肥施用量为0.028,计算得出综合评价指数为0.662, 说明该目标层适水发展能力较强,与农业生产水平目标层综合指数相比增大了47.7%。由图4(d)可知,2018年农业适水发展综合指数中Ⅰ级评价指数为0.205,Ⅱ级评价指数为0.316,Ⅲ级评价指数为0.48,现状条件下山东省农业适水发展能力水平总体处于中等偏弱水平。其中农业生产水平子系统Ⅰ级评价指数适水能力处于偏弱状态,主要由于该目标层中农业缺水率指标偏大,且该指标权重占比达到0.305。同时基于现状年条件,农业用水占比与多年相比处于最低水平,仅占54%,粮经比例上升到3.15。虽然农田灌溉水利用系数达到0.640 6,农业用水效率和节水水平从历史上看已达最高水平,但综合评价指数仍较低。综上所述,优化农业种植结构、合理分配区域水资源是解决农业可持续发展中存在问题的关键所在。

5 结论

在分析2000—2018年山东省农业基础数据基础上,依据水资源适应性理论,构建适水评价三级指标体系,提出AHP和CRITIC主客观组合赋权的农业适水模糊综合评价方法,计算并分析各级指标变化规律,评价山东省农业适水发展水平,得到如下结论:

1)农业适水模糊综合评价结果可以综合反映山东省农业适水发展水平及变化趋势。2010—2018年山东省农业适水发展综合平均评价指数为0.436, 呈现先下降后上升的趋势,2010—2018年多年适水发展呈现中等偏弱水平,但同时也具备一定发展潜力。

2)缺水率、粮经比例、农业用水占比3个指标成为山东省农业适水发展的主要制约因素,所反映的农业生产水平目标层成为制约社会经济发展的重要压力源。

3)基于现状年的综合评价分析结果,Ⅰ级评价指数为0.205,Ⅱ级评价指数为0.316,Ⅲ级评价指数为0.48,2018年综合评价指数为0.444。农业适水能力整体为中等偏弱水平,均有指数上升的趋势。应继续加强农业水资源供需结构优化,提高农业用水效率,最大限度地发挥其社会经济效益。