黄淮井灌区冬小麦-夏玉米连作喷灌模式综合评价与优选研究

刘 见，张寄阳，宁东峰，秦安振，刘战东，肖俊夫，刘俊明，张明智，丁鹏飞， 孙 彬

(1.许昌市农田水利技术试验推广站，河南 许昌 461000 ；2.中国农业科学院农田灌溉研究所 农业农村部作物需水与调控重点实验室，河南 新乡453002；3.河南省水利科学研究院，郑州 450000)

我国黄淮井灌区农业水资源紧缺、利用效率低和地下水无序开发甚至过度超采，严重制约着生态环境改善和农业可持续发展。除采用限水灌溉、非充分灌溉、调亏灌溉、分根区交替灌溉等农技措施外，破解困境的关键还在于加强农田水利基本建设，发展高效节水灌溉[1,2]。喷灌是一种技术成熟、应用广泛的节水灌溉方式，在北方地区具有广阔的前景[3]。与常规地面灌相比，喷灌具有灌水均匀、灌溉水利用系数高、对地形适应性强、机械化程度高的特点[4,5]。同时，喷灌可以调节田间小气候，提高作物产量和品质，与水肥药一体化技术结合更能促进规模化经营，减少农业面源污染[6-9]。我国喷、微灌面积占总灌溉面积的比例仅为13.7%，远低于发达国家的53.1%，且低于发展中国家的平均水平[10,11]，我国农业节水灌溉仍有较大发展潜力。

气候、土壤、地形、作物等的空间变异性决定了农业灌溉生产的多样性，优选适合当地的节水灌溉模式是有效避免水资源浪费、节约人力成本，发展高效节水农业的重要前提。节水灌溉模式的优选与评价要与当地经济发展水平、生产经营、管理体制相适应。戚迎龙[12]对西辽河流域春玉米节水灌溉模式进行了研究，认为浅埋不覆膜滴灌综合效益最高，适宜当地推广应用。王成刚研究得出半固定式喷灌是最适合岭东南地区的节水灌溉方式[13]。王丰凯在阜蒙县农业节水灌溉项目投资方案优选中得出滴灌是最佳方案，其次是低压管道灌溉[14]。黄淮井灌区农业种植制度多以冬小麦-夏玉米连作为主，受地形、水文气象、作物种植模式和人工成本增加的影响，节水灌溉产品和设备的推广及应用多以喷灌为主。尽管目前喷灌在该地区已得到长足的发展，但普遍存在“重建设，轻管理，缺评价”的不合理现象，尤其是对黄淮井灌区集中连片高效节水示范区农业节水设备的评价缺乏深入细致的调查和论证。本文以许昌市3.33 万hm2高效节水示范区为例，通过建立综合评价模型和计算方法，从经济、社会、技术、农业生态、资源等5个方面开展不同喷灌类型方案优化分析研究，旨在探索适宜本地区的节水灌溉模式，为黄淮井灌区水资源开发利用和农业发展规划提供技术支撑和决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2016年10月至2018年10月在河南省许昌市3.33 万hm2高效灌溉示范区内(113°59′E，34°09′N)进行，该示范区地处淮河流域颍河上游，属双洎河和黄河冲积平原，包括许昌市中部、许昌县东部和长葛市东部。示范区平均海拔79.6 m，暖温带大陆性季风气候，雨热同期，多年平均气温14.7 ℃，年平均日照时数2 183 h，年平均降水量为698 mm，年平均蒸发量1 044 mm，地下水埋深大于5 m。试验田供试土壤为潮土，质地为沙壤土，0～60 cm土壤平均干容重为1.43 g/cm3，田间持水量为25%(重量含水率)。示范区属干旱和水资源紧缺地区，该区种植方式为冬小麦-夏玉米连作。为加快发展节水灌溉，提高水资源利用效率，夯实粮食稳产增产基础，严格按照国家灌溉工程建设标准和技术要求，示范区内建设有半固定式喷灌、智能化灌溉、小流量中心支轴喷灌机、地埋自动伸缩一体化喷灌、自驱动绞盘式喷灌、固定式喷灌等多种高效节水灌溉形式。

1.2 研究方法

1.2.1 评价指标及其数据来源

示范区内灌溉工程形式多样，本研究选取半固定式喷灌、智能化灌溉、中心支轴式喷灌机、地埋自动伸缩一体化喷灌、自驱动绞盘式喷灌等五种推广示范效果好的节水模式形成5种方案(分别为A、B、C、D、E)。由于节水灌溉技术的优化选择是由多种因素决定的，因此本文在冬小麦-夏玉米连作周期试验基础上研究和借鉴国内外节水灌溉评价指标最终确定了5个一级指标：经济评价、技术评价、社会评价、农业生态评价、资源评价。相应的二级指标21个，指标体系见表1。其中，工程投资、年维修养护费用、灌水均匀度、灌水强度、灌溉水利用率是根据工程建设实际和2年具体投入运行情况实测获得。在冬小麦-夏玉米连作周期试验基础上，计算作物籽粒产出，利用水量平衡方程计算冬小麦和夏玉米全生育期耗水量。用水量和用电量由设备监测记录，与地面灌相比，计算连作周期的节水量和节能量。为客观详实获取灌溉工程的实施效果，深入示范区内建安区、长葛、禹州、鄢陵和襄县等5个县(市)区，发放调查问卷300余份，涉及农户、水管理协会、基层水管站、工程设计和施工单位以及相关专家。调查问卷以社会和生态指标为主，采用指标评语集V=(好，较好，适中，差，较差)，对应的标准隶属度集U=(1，0.8，0.6，0.4，0.2)，取平均隶属度作为该指标的量化隶属函数值。

表1 节水灌溉模式综合评价指标体系

注：表中a、b、c、d分别为试验实测、专家和农户问卷调研、运行设备监测和水利年鉴、工程资料查阅。

1.2.2 指标权重

熵权法是一种客观赋权方法。它根据各项指标观测值所提供信息的大小来确定指标权重，能尽量消除各因素权重的主观性，增强指标的差异性和分辨性，以避免选取指标的差异过小而造成的分析不清，从而达到全面反映各类信息的目的，使评价结果更符合实际[15]。

(1)数据标准化。

(1)

(2)

式中：i为评价方案；j为评价指标；xmax和xmin分别为同一评价指标的最大值和最小值；m为评价方案个数；k为评价指标个数。

在本研究实际中，工程投资、年维修养护费用、水电费和作物耗水量均为成本型指标，其余为效益型指标。

(2)指标信息熵。第j个指标熵值：

(3)

(4)

(3)熵权确定。第j个指标的熵权：

(5)

层次分析法(AHP)是把研究方案作为一个系统，按照相互影响和隶属关系将因素聚集组合，形成多层次结构模型，从而将主观判断转换成模糊数学语言，有机结合定性与定量，清晰明确简洁实用。在节水灌溉模式优选、水资源与生态环境评价、饮用水安全等[13,16,17]水问题究中得到了广泛应用。其步骤包括建立层次结构模型和因素间两两比较判断矩阵、计算最大特征值和特征向量、一致性检验等。该方法虽然充分地发挥了专家的知识和经验，但是主观随意性太强。

本文综合熵权法和层次分析法，兼顾数据本身及专家知识和经验，从而科学确定指标权重[18,19]。

(6)

式中：wj和βj分别为熵权法和层次分析法确定的权重；αj为得到的最终综合权重。

1.2.3 节水灌溉模式评价模型构建

Topsis法即接近理想方案排序法，其基本思路是在加权规范化决策矩阵的基础上，确定评价方案与最优解、最劣解的距离，然后计算相对接近度，其值越大，该方案越理想，否则为最差[20]。

(1)构造规范化决策矩阵R。

(7)

规范化包括指标的同趋化和归一化，成本型指标通过倒数法转化为大值为优。

(2)构造加权规范化矩阵V。

(8)

(9)

式中：W为方案指标的权重矩阵。

(3)确定理想方案和负理想方案。第j个指标的理想方案A*和负理想方案A-。

(10)

(4)计算距离和相对接近度。

(11)

(12)

2 结果与分析

2.1 数据规范化处理

通过工程资料查阅、大田试验计算、实地问卷调研和运行设备监测得出各方案统计指标结果见表2。

表2 各方案指标统计值

为便于层次内指标分析比较和排序，需对原始数据作同趋化和无量纲化处理，计算方法见下式。经济、技术、社会、农业生态、资源等5种节水灌溉方案评价指标规范化处理数值结果见表3。

Eij=Xij/Xmax(效益型指标)

(13)

Eij=(Xmax+Xmin-Xij)/Xmax(成本型指标)

(14)

式中：Eij为规范化后的指标值；Xij为原始指标值；Xmax和Xmin为原始指标中的最大值和最小值。

表3 规范化处理后各方案指标值

2.2 各指标综合权重的确定

通过AHP法计算指标客观权重β=(0.043，0.061，0.080，0.032，0.123，0.067，0.020，0.037，0.066，0.044，0.013，0.032，0.020，0.036，0.023，0.010，0.016，0.026，0.077，0.044，0.129)；根据熵值法公式(1)～(5)，计算得到数据熵权重W=(0.083，0.082，0.079，0.090，0.078，0.092，0.078，0，0.008，0.008，0.004，0.003，0.002，0.014，0.002，0.001，0.001，0.092，0.111，0.079，0.091)；根据公式(6)计算最终综合权重α=(0.056 00，0.079 42，0.101 06，0.046 02，0.151 74，0.098 16，0.025 28，0.000 06，0.008 26，0.005 25，0.000 91，0.001 60，0.000 72，0.007 85，0.000 84，0.000 20，0.000 32，0.038 41，0.135 06，0.055 59，0.187 24)。

2.3 基于模糊综合评判法和Topsis法的灌溉模式综合评价结果

根据式(8)计算得到加权规范化矩阵：

根据式(10)得到理想方案和负理想方案，由公式(11)和(12)得到与正负理想方案的距离以及相近接近度。

A*=(0.031 1,0.045 8,0.052 7,0.021 8,0.083 8,0.046 1,0.011 7,0,0.004 5,0.002 7,0.000 5, 0.000 8,0.000 4,0.004 2,0.000 4,0.000 1,0.000 2,0.019 0,0.067 9,0.028 8,0.102 6)

A-=(0.011 1,0.012 1,0.0351,0.019 3,0.032 6,0.042 6,0.010 7,0,0.002 9,0.001 7,0.000 3,0.000 6,0.000 3,0.002 5,0.000 3,0.000 1,0.000 1,0.015 6,0.053 7,0.018 3,0.020 9)

S*=(0.082 7,0.065 3,0.028 8,0.025 3,0.046 5)

S-=(0.066 9,0.083 8,0.092 6,0.094 2,0.067 3)

C=(0.45,0.56,0.76,0.79,0.59)

为确保评价结果的可靠性及准确性，同时利用模糊综合评判法[21,22]得出各节水灌溉模式最终评分依次为0.80、0.78、0.87、0.93、0.82。两种方法求得的评价结果见表4。

表4 各方案评价结果

2.4 综合评价结果分析

从表2可知，半固定式喷灌投资1.5 万元/hm2，分别比智能化喷灌和地埋自动伸缩一体化喷灌减少64.3%和33.3%，年维修养护费用较智能化喷灌和中心支轴式喷灌机减少73.9%和28.6%，缺点是省工效益差。在效益费用比方面，最大值和最小值分别出现在半固定式喷灌和智能化喷灌，大小分别为2.23和0.87。地埋自动伸缩一体化喷灌节能省工效益明显，比中心支轴喷灌节能57.1%，省工效益是半固定式喷灌的4.8倍。中心支轴式喷灌机作物适应性最强，但是耗电量比地埋自动伸缩一体化喷灌增加300 kWh/hm2。连作周期内，智能化喷灌节水量为1 920 m3/hm2，较自驱动绞盘式喷灌节水26.3%，节水效果最好。

从表3可以看出，每种喷灌模式都有各自特点和适应性。喷灌模式A工程投资低，效益费用比高。喷灌模式B智能化程度高，节水效果最好。C喷灌模式作物适应性最强。在农民欢迎程度、节能量和水电费用方面喷灌模式D占有优势。指标权重排在前三位的是省工效益、效益费用比和节水量，权重值分别为0.187、0.152和0.135。可见在灌溉方式决策和实施前应优先考虑效益费用和节水程度。

表4评价结果表明，运用Topsis法和模糊评判法计算出来的总排序顺序基本是一致的，均表现为D>C>E。其中，地埋自动伸缩一体化喷灌得分表现最高，分别为0.79和0.93。两种方法中，喷灌模式A和B得分排序结果不同，Topsis法中B>A，模糊评判法中排序相反。综合考虑经济、技术、社会、农业生态、资源利用等环节，地埋自动伸缩一体化喷灌是黄淮井灌区冬小麦-夏玉米连作体系节水灌溉最佳模式。

3 讨 论

评价体系和方法的选择在很大程度上取决于灌溉系统的性质和评价的目的[23]。指标体系权重的确定主要有两类方法，一是主观赋值法，包括专家调查法、层次分析法、比较加权法和模糊统计法等，这类方法的特点是简洁实用，但偏向性强；二是客观赋值法，包括主成分分析法、熵权法、Critic法和均方差法等，这类方法的特点是精度高信息量大，但解释性差。本文采用“AHP+熵权法”组合赋权，统筹兼顾主客观因素，使结果更真实可靠。两种评判方法中，半固定式喷施和智能化喷灌得分排序结果不一致，原因可能是：①指标函数值到规范化值所用的指标同趋势化和归一化方法不同；②Topsis法充分利用了统计指标原始数据，信息损失少。就本文而言，模糊评判法和Topsis法得出的综合评价结果均表现为D>C>E，结果符合生产实际，这也间接证明了评价方法和模型的可行性和正确性。

采用高效节水灌溉可整体提升井灌区的灌溉效率[24]。从流域、区域经济社会发展的全局出发，因地制宜地选用适宜的喷灌形式，应兼顾经济、社会、生态效益[25]。从评价得分来看，地埋自动伸缩一体化喷灌和中心支轴式喷灌机得分总排序处于前两位，主要是因为二者机械化和自动化程度高，省水省力，作物适应性强且不影响作物收割和田间耕作，受到老百姓普遍欢迎。在调研中发现，用工紧缺和劳务费用高是农业发展面临的突出问题。因此，省工省力的灌溉模式具有广阔的应用前景。自驱动绞盘式喷灌模式排名第三，该灌溉模式操作简单机动灵活，喷灌强度大，适合大面积小麦、大豆等短秆作物。在夏玉米后期喷灌作业时，由于玉米茎秆障碍，自驱动绞盘车移动受阻，会对作物造成一定程度的伤害，这是值得重视并改进的问题。随着人工智能、现代信息技术等的应用，多功能、低能耗、低成本、智能化、精准化、绿色化的节水灌溉装备是今后的发展趋势[26,27]。本次研究中，智能化喷灌(半固定式喷灌)排名最低，主要在于智能化喷灌一次性投资较高，其投资费用是其他喷灌模式的1.87～2.8倍。最重要的原因还在于其技术集成度高，设备出现故障时，需要专业技术人员全程维修，投资风险大，回收成本慢。虽然半固定式喷灌投资费用低，但是需要很高的人工成本，而且移动安装不方便。然而，随着灌溉现代化发展和劳动力成本快速增加，智能化喷灌可以根据土壤墒情、降雨等实时信息做到适时、适地、适量供水，从而提高农业生产效率与效益，达到科学监控精准灌溉。可以预见，智能化喷灌必将成为未来研究的重点和热点。

4 结 语

(1)本文构建了包括经济、技术、社会、农业生态、资源利用等5个方面的节水优选综合评价体系，提出一种兼顾主客观因素的“AHP+熵权法”组合赋权法确定指标权重，在此基础上构建基于Topsis法的灌溉管理综合评价模型，并运用模糊综合评判法对该模型进行验证。评价结果科学合理且符合农业生产实际情况。

(2)地埋自动伸缩一体化喷灌模式节能省工效益明显，比中心支轴喷灌节能57.1%，省工效益是半固定式喷灌的4.8倍，农民欢迎程度高。指标权重排在前三位的是省工效益、效益费用比和节水量，权重值分别为0.187、0.152和0.135。在灌溉方式决策和实施前，应优先考虑效益费用和节水程度。黄淮井灌区冬小麦-夏玉米连作体系节水灌溉模式排序为：地埋自动伸缩一体化喷灌>中心支轴式喷灌机>自驱动绞盘式喷灌>智能化喷灌(半固定式喷灌)。在当前经济和技术条件下，黄淮井灌区采用地埋自动伸缩一体化喷灌可获得最佳综合效益，建议在该区域适度推广和应用。