基于多因子模型的农业水资源安全评价

2019-09-06吴有刚

水科学与工程技术 2019年4期

吴有刚

（湖北省武穴市水利和湖泊局，湖北武穴436400）

水资源安全概念是在20世纪90年代提出，是基于食品和能源安全基础上增加的一个新领域。目前，水资源安全定义尚未具有统一标准，主要从社会安全、经济安全、环境安全等方面着手，比较公认的水资源安全概念是指国家或区域利益不因供水灾害，干旱缺水，水质污染，水环境破坏等造成严重损失，水资源的自然循环过程和系统不受破坏或严重威胁，在某一具体历史发展阶段下，水资源能够满足区域国民经济和社会可持续发展的需要。

国内外学者在这领域已有很多研究成果，主要涉及的研究成果在概念、模型探讨、方法理论研究等方面［1-2］。刘布春［3］等人推敲了农业水资源安全概念的组成要素，包括自然属性、社会属性和人为属性等内涵；周安康［4］等人以宝鸡峡灌区为例，在建立实际评价指标基础上运用综合评判模型进行农业水资源安全评价并分析影响主要因素；王鹏等［5］采用AHP法赋权，运用模糊综合评判法进行灌区农业水资源安全评价，并提出针对性建议。从模型计算方法上也有一定进展，主要是从定量与定性分析、实例与理论结合分析、数据统计分析等方面出发。本研究依托于水资源安全与管理理论，通过水资源与供水、用水、社会经济和生态环境之间相互关系来研究农业水资源安全发展状况，根据农业水资源影响因子分析，提出保障农业水安全有效策略。

1 评价目标

水资源安全既是城市水资源管理的核心内容与终极目标，也是农业灌区水资源安全状况的体现，直接关系到群众生活和经济社会发展需要，也反映了农业水资源所处良好状况和存在安全隐患的用水指标，从而为保证水安全评价提供科学的理论依据，对进一步保障水安全对策与措施提供可靠的数据支撑。

2 研究方法

2.1 数学模型建立

2.1.1 指标赋权

层次分析法［6-7］是一种多层次多目标的决策分析方法，是定性与定量相结合，复杂系统进行模型化和量化的一种思维过程。该方法主要是将模型理论与主观经验相结合，分析层次体系间的非序列关系，对评价者提出有效的决策判断。基本思路是在准侧目标和问题因素基础上分相互联系的若干层次，构建分系统分层次的框架模型，然后对同一层次的任意2个因素进行重要性判断，确定该层次因素的单序排列权重和层次间的总排序，直到计算最低层次在最高层次中的权重比例，最终确定方案的优劣排序，该方法的运用具有可靠性高，相对误差较小的优点。

2.1.1.1 建立层次结构

将灌区农业水资源安全评价体系作为层次分析的第1层，即目标层。将水资源量、供水、用水、社会经济和生态绩效作为层次分析的第2层，即系统层。在系统层的基础上，筛选出具有代表性的评价指标，并进行相关性组合，将各评价指标的层次分析作为第3层，即指标层。

2.1.1.2 构造判断矩阵

由于评价指标的影响程度不同，本次采用专家咨询和1～9标度法构造判断矩阵：

其中，αij=vi/vj表示第i个因子对第j个因子的重要程度，同时αij还要满足如下情况条件：（1）αij=1，αij≥0（i=1，2，…，n）；（2）αij=1/αji（j=1，2，…，n）

2.1.1.3 指标权重

单层次排列：

重复以上计算公式计算各个评价指标的权重值Vi，该项权重值表示该层次相对于上一层次所对应的相对重要程度比例，即单层次排序。

（2）多层次总排列：

式中 k∈n；θij为第k层对k-1层第j个因素的单排序权重值；αj为k-1层第j个因素的总排序权重值；θi为第k层因素的总排序权重值；m为k-1层包含的因素。

2.1.1.4 一致性检验

判断矩阵一致性检验包括了单排序一致性检验和层次总排序一致性检验，一般情况下，当随机一致性比率时，表明判断矩阵单排序的结构满足一致性要求。其中一致性指标并进行判断，μ 为判断矩阵最大特征值，平均随机一致性指标如表1。

表1 平均随机一致性指标

2.1.2 综合评价模型

农业水资源安全评价涉及较多领域，属于多层次跨系统的多因素评价问题。目前，灌区农业水资源安全评价方法较多，层次分析法、模糊综合评价法、单因子评价法、神经网络等方法广泛的应用于农业水安全评价当中。本文采用模糊评价法中的多因子评判模型，对层次机构中的第2层系统层和第3层指标层进行综合评价，计算公式如下［8］：

式中 Xa为第a类系统评价结果值；n为构造判断矩阵阶数；Vj为单层次排序权重值；Pj为矩阵对应指标的评定系数；Y为系统综合评价值；θi为指标层因素的总排序权重值；Pi为矩阵对应指标的评定系数。

根据农业水资源特点划定理想标准等级，将农业水资源安全评判结果与理想标准等级进行比较，来说明农业水资源实际情况下的等级范围，具体等级如表2。

表2 农业水资源安全评价理想标准等级

2.2 评价指标体系构建及等级标准划分

合理的评价指标体系在构建原则基础上建立。农业水资源安全评价指标体系是一个面积广和跨领域的复杂系统，各个评价指标存在质变与量变的发展关系。根据国内外相关参考文献，结合水安全评价的方法与函数内涵，以湖北省水资源特点为背景，充分考虑社会经济、人口增长和环境变化等影响因素，结合农业水资源的分布与特点，建立目标层（L）、系统层（N）和指标层（M）为框架的纵向3层、横向武大系统的指标体系，共选取17个影响评价指标。

目标层是农业水资源可持续利用达到安全的综合评价状况，反映出资源、人口、经济、环境的相关和谐发展关系。

系统层是各个领域系统复杂与协调的关系，主要是由水资源系统N1、供水系统N2、用水系统N3、社会经济系统N4和生态环境系统N5所构成。

指标层是系统层的具体体现，反映研究区域的实际状况，具体框架如图1。

图1 农业水资源安全评价指标体系

农业水资源安全评价等级标准划分如表3。

表3 农业水资源安全评价指标等级划分

3 农业水资源安全综合评价

3.1 研究概况

湖北省地处亚热带季风性湿润气候，年平均气温15～17 ℃，降水充沛，降水地域分布呈由南向北递减趋势。全省平均降水量1309.5mm，比常年偏多11.0%。全省水资源总量1248.76亿m3，人均水资源总量2116m3。全省用水总量中，农业用水143.96亿m3，占49.6%，农田灌溉亩均用水量349m3，比上一年增加9.1%，农村人均生活用水量94L/d，基本上保持不变。农田灌溉水有效利用系数为0.511，大型灌区达到0.504，小型灌区达到0.545，与2016年相比，全省及不同规模灌区的农田灌溉水有效利用系数均有提高。

3.2 数据来源

研究中数据主要是来源于2017年的《湖北省统计年鉴》、《湖北省各市州水资源统计公报》、《湖北省水资源公报》、《湖北省及其各市州农业统计年鉴》以及部分参考文献，其中有些指标值通过计算综合获得。

3.3 农业水安全综合评价分析

3.3.1 评价指标权重确定

根据层次分析法计算原理和步骤，结合单层次排列计算和多层次总排列计算公式，得到各层评价指标的权重值。进行一致性检验，L-N总排序一致性检验得到CR=0.0155，N1-M，N2-M，N3-M，N4-M，N5-M单排序一致性检验得到CR 分别为0.0979，0.0919，0.0682，0.0644，0.0745，其值都满足随机一致性比率时，说明判断矩阵单排序和总排序的结构满足一致性要求，进行权重分配是合理可靠。评价指标权重计算结果分别为：

N=（0.3087，0.2751，0.2147，0.1352，0.0663）；

M1-3=（0.2987，0.2631，0.4382）；

M4-6=（0.2973，0.1638，0.5390）；

M7-9=（0.2202，0.4162，0.3636）；

M10-13=（0.3529，0.3529，0.1177，0.1765）；

M14-17=（0.5327，0.1784，0.1786，0.1103）。

3.3.2 综合评价结果

根据湖北省水资源和农业统计年鉴等数据原始资料，以2017年基准水平年，考虑到水资源利用、农业水利工程现状、当地农作的种植种类和面积、农村人口和经济的发展、农业对环境的影响程度等方面进行农业水资源安全综合评价。通过建立模糊评价法中的多因子评判模型，计算得到湖北省农业水资源安全系统综合评价值Y=3.524，以下系统层次的系统评价结果值分别为：水资源系统X1=2.693，供水系统X2=2.257，用水系统X3=2.216，社会经济系统X4=2.874，生态环境系统X5=1.923。

根据表2评价等级分析，湖北省农业水资源安全系统综合评价处于基本安全范围内，且水资源、供水、用水、社会经济系统的层次系统评价值均处于2～4范围内，属于基本安全状态，处于安全中的偏低水平，尤其是生态环境系统的评价值X5=1.923最小，说明在整体评价水平中生态环境占有重要影响因素，农业生活和面污染源是重要的污染源，河流污染严重，灌溉水源的水质受到很大影响，是重点考虑解决的问题。供水系统X2=2.257，耕地灌溉率和农业供水工程完好率评价等级均为2，说明对农业水资源安全影响较大，同时供水系统评价值小于水资源系统评价值，说明水资源未充分利用，应加强水资源开发利用率，提升开发空间，加强采取措施来增大水资源承载能力；用水评价值基本上处于供需平衡状态，属于中等水平，但还是存在灌溉措施落后的浇灌方式，渠道利用系数较低，同时人民节水意识较低，也降低了水资源利用率；社会经济系统是处于5个系统中的较高值，属于中高水平，因此，湖北省农业水资源安全处于隐患与安全共存的状态，应从5个系统方面采取有效措施加以保障农业水资源安全。