河南省高效节水灌溉发展驱动因素分析及预测研究

毕庆生，裴贝贝，吴用

(河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002)

中国是世界上水资源相对缺乏的国家之一，人均淡水量不足世界人均淡水量的25%，随着经济社会的发展，水资源的瓶颈制约作用越来越突出。农业是用水大户，中国用于灌溉的水资源占全国总用水量比例巨大。大力发展节水灌溉、提高农业水资源利用效率对中国经济社会可持续发展具有十分重要的意义[1]。中国高度重视农业节水灌溉事业，尤其是近10年来，在节水灌溉方面出台了一系列鼓励政策，同时对节水灌溉设施建设等方面的经费投入在不断增长，对农业节水灌溉的研究也有了较大进展，成果丰硕。石晨阳等[2]采用专家访谈法及大数定理法对不同生态类型区不同作物经济灌溉下的用水量与节水量进行预测；尹剑等[3]研究了典型灌区主要作物的不同节水方案在不同水文频率年下的农业节水潜力；王迪等[4]采用融合Markov链的GM(1,1)模型对大型灌区农田有效灌溉面积进行了预测；虎海燕[5]提出了灌区在农业用水过程中通过用水指标控制和灌溉定额管理能够挖掘灌区节水潜力。然而，由于节水灌溉发展受到资源、经济、社会、技术和政策等多方面的影响，对高效节水灌溉驱动和制约因素的研究，以及对节水灌溉发展的预测十分困难。目前，节水灌溉相关研究主要集中在节水潜力分析和具体节水技术方法方面。薛媛等[6]通过选定4个准则层指标和19个目标层指标,以疏勒河流域高效节水灌溉项目为例,系统分析了各类指标的耦合影响,评价高效节水灌溉项目综合效果。赵令等[7]将农业节水潜力估算理论运用到中国粮食主产区,在现有的节水灌溉工程措施基础上对粮食主产区内各省份的农业灌溉节水潜力进行估算分析。王应武等[8]将农业灌区毛节水量与净节水量的区分与计算，发现节水措施实施后灌区毛节水量增加所带来的节水潜力显著,但是立足于净节水量角度的节水潜力提升不明显。余双喜[9]探讨了节水灌溉与农业机械化的关系以及节水灌溉技术。徐文静等[10]分析了节水灌溉中主要农田水利工程技术的优缺点,探讨了未来灌溉技术与相关装备的发展趋势。左黎明等[11]将基于安全协议的智能系统应用在节水灌溉中。然而除此之外，对喷灌、微灌和低压管灌等为主要方式的农业高效节水灌溉驱动和制约因素的研究及节水灌溉发展的预测研究还不够，尤其是综合性、定量化研究成果还不多见[12]。《农田水利条例》规定，编制农田水利规划应当统筹考虑经济社会发展水平、水土资源供需平衡、农业生产需求、灌溉排水发展需求和环境保护等因素。因此，为了提高农业节水灌溉相关政策和规划的针对性与科学性，有必要对节水灌溉驱动因素进行分析研究，并对高效节水灌溉面积发展进行预测。

影响高效节水灌溉发展的因素分为2大类。其中一类是直接因素，如政策因素、财政投入因素等，这类因素可导致高效节水灌溉面积的直接增加，尤其是财政投入与高效节水灌溉面积之间具有等价性，即财政投入越大，相应的高效节水灌溉面积的扩大就越快。另一类是潜在因素，如水资源短缺、地区经济发展水平、科研投入水平以及农业劳动力减少、粮食安全和农民增收等，这类因素在高效节水灌溉发展中发挥着潜在的推动作用，推动高效节水灌溉相关政策的出台、财政资金投入的增加等，进而推动了高效节水灌溉的发展。节水灌溉面积是衡量农业节水水平的重要指标，节水灌溉面积预测是进行农业用水预测的基础，也是进行节水灌溉发展规划、制定政策措施的基础。本研究主要分析潜在因素对高效节水灌溉面积增加的驱动作用。虽然这些潜在因素之间相互耦合，互为因果，作用机制十分复杂，很难通过一般相关分析方法来确定因素之间的相互关系，但是节水灌溉面积的变化是各种因素综合作用的持续的过程，其变化规律蕴含并表现在数据变化之中，因此可以视为非线性的时间序列[13]。灰色系统理论是研究小样本、贫信息以及包含不确定性因素系统的有效工具[14]。灰色系统理论把相关因素综合在一起视为一个复杂系统，通过系统行为特征值序列曲线之间几何形状的相似程度来判断相互之间联系紧密程度。GM(1,1)预测模型是灰色系统预测常用模型之一，模型以系统行为特征值序列为研究对象，对样本分布规律无特殊要求，十分适合对高效节水灌溉发展驱动因素分析及预测研究。

河南省近年来平均水资源总量约为4.04×1010m3，人均水资源占有量约为中国人均水资源占有量的20%，加之地表水资源受地形地貌、流域等影响，地区分布极为不均，水土资源及人口分布组合极不平衡，水资源的供需矛盾突出，是中国严重缺水的省份之一。河南省也是中国农业大省和灌溉面积大省，是国家粮食生产核心区，大力发展农业高效节水灌溉具有重要意义。本研究以河南省为例，以2007—2018年节水灌溉面积数据为基础，运用灰色系统理论，对河南省喷灌、微灌和低压管灌等高效节水灌溉发展驱动因素进行分析，通过节水灌溉面积序列来建立预测模型，计算高效节水灌溉面积与相关因素的综合灰色关联度，从而对其关联因素进行分析研究，并通过构建GM(1,1)模型对未来年份的节水灌溉面积进行预测，以期为相关部门制定发展规划和配套措施提供理论支持。

1 方法与数据来源

1.1 关联度计算

关联度包括灰色关联度和广义灰色关联度，其中广义灰色关联度又分为绝对关联度、相对关联度和综合关联度。关联度越大，序列之间的关系越密切，反之亦然。本研究使用的是广义灰色关联度，计算方法如下。

1.1.1 灰色绝对关联度ε0i计算 利用均值算子对数据序列进行标准化处理，生成均值像数据序列Xi，计算始点零化像和|Si|：

(1)

(2)

(3)

最后计算系统行为序列X0与某个因素序列Xi(i≠0)的灰色绝对关联度ε0i：

(4)

1.1.2 灰色相对关联度γ0i计算 首先计算均值像数据序列Xi初值像，即

(5)

然后按照绝对关联度的计算方法计算初值像X′i的绝对关联度，即为序列Xi的灰色相对关联度γ0i。计算方法见1.1.1。

1.1.3 灰色综合关联度ρ0i计算 灰色综合关联度ρ0i是由灰色绝对关联度ε0i和相对关联度γ0i构造而成，其构造式为：

ρ0i=θε0i+(1-θ)γ0i；(i=1，2，…，m)

(6)

式中：θ∈[0,1]，取θ=0.5。

1.2 GM(1,1)模型的建立

设所研究系统的特征值序列为：X(0)={x(0)(1)，x(0)(2)，x(0)(3)，…，x(0)(n)}，对该序列进行定性分析和准光滑性检验，根据分析和检验结果确定是否直接用于建模，或确定适当的算子，对算子作用后的序列建模[15]。在检验符合条件后，对其做累加操作生成一阶累加(1-AGO)序列X(1)：

X(1)={x(1)(k)；k=1,2,…,n}

(7)

对X(1)做准指数检验，在其符合准指数检验条件后，计算X(1)的紧临均值生成序列Z(1)：

Z(1)={z(1)(k)；k=2,3,…,n}

(8)

式中：z(1)(k)=0.5x(1)(k)+0.5x(1)(k-1)；(k=2,3,…,n)。

对灰色微分方程：

x(0)(t)+ax(1)(t)=b

(9)

式中：a为发展系数，b为灰色作用量。

按照最小二乘法原理，构建矩阵B和Y：

(10)

求出估计参数a，b，即：

(11)

得到时间响应序列为：

(12)

计算x(1)的模拟值，并累减生成得到原始数据序列x(0)的模拟值，即

(13)

对模型进行精度检验。通过相对误差、模拟误差、关联度、均方差比值和小误差概率[15]对残差进行考察，判断模型是否合格，确定其精度水平。

1.3 数据来源

本研究资料来源于2007—2018年《河南水利统计年鉴》《河南省统计年鉴》《中国水利统计年鉴》，以及河南水利网(http://slt.henan.gov.cn/bmzl/szygl/szygb/)等资料的整理。

2 结果与分析

2.1 河南省高效节水灌溉发展特点分析

由表1可知，2007—2018年河南省灌溉总面积由5 039.56×103hm2增加到5 408.31×103hm2，增加了7.32%，而同期低压管灌、喷灌和微灌形式的高效节水灌溉面积由714.24×103hm2增加到1 449.0×103hm2，增加了102.94%，年平均增长速度为8.57%；从节水灌溉发展趋势来看，高效节水灌溉面积增长虽有波动，但总体上呈快速增长趋势，高效节水灌溉面积占灌溉总面积的比例由2007年的14.17%提高到2018年的26.79%。在其他行业不断挤占农业水资源的情况下，高效节水灌溉在提高水资源利用率、保证农业生产发展和粮食产量，促进农业产业劳动力转移等方面发挥着越来越重要的作用。

从节水灌溉技术方式来看，2018年高效节水灌溉中单位面积投入小、技术含量较低的低压管灌占比高达84.64%，而单位面积资金投入大、技术含量高、灌水效率高、质量好的喷灌和微灌占比不到16%，其中喷灌占比为12.33%，微灌占比3.03%。总体来看，高效节水灌溉面积占比偏低。

表1 河南省2007—2018年高效节水灌溉面积与灌溉总面积

2.2 河南省高效节水灌溉发展驱动因素分析

2.2.1 驱动因素选取 高效节水灌溉发展的驱动因素很多，既包括水资源不足而引发的节水需求，以及城市化进程中农村劳动力转移带来的提高劳动效率的需求，也包括节水灌溉发展所带来的农副产品增加、农民增收等方面的激励驱动，以及技术进步带来的技术驱动等。第一，选用平均单位有效灌溉面积用水量降低来表示高效节水灌溉的节水效果。高效节水灌溉的发展提高了灌溉水利用率，降低灌溉用水量，但随着有效灌溉面积的增加和灌溉保证率的提高，对灌溉用水量的减少产生抵消作用，直接用灌溉用水总量难以显示高效节水灌溉节约水资源的情况。第二，选用河南省人均GDP来考察河南省经济发展对高效节水灌溉发展的驱动作用。人均GDP是了解和把握地区宏观经济运行状况的最有效工具。第三，选用河南省农业产业从业人员比例来分析农村劳动力转移对高效节水灌溉的驱动作用。高效节水灌溉可以提高劳动效率，节省劳动时间，符合当前农民进城务工之后，农村劳动力减少对提高农业生产劳动效率的需求。第四，选用同时期河南省总研发经费投入来考察科技研发投入水平对高效节水灌溉的驱动作用。高效节水灌溉技术含量高，除涉及农业和灌溉技术外，还涉及相关工业和制造业技术，是技术进步的综合结果。第五，选用有效灌溉面积、粮食总产量等因素考察农业生产条件的改善和农副产品增加对高效节水灌溉的激励驱动作用。随着社会生活水平的提高，人们对农产品的要求也越来越高，这种要求最终体现在农业生产的发展上，既包括农产品的增加，也包括农业生产条件的改善和生产能力的提升。第六，高效节水灌溉可极大地提高灌溉质量，提高农产品产量和品质，从而促进农村居民家庭人均收入的增加、农业总产值的增加。

根据以上分析，最终确定河南省平均单位有效灌溉面积用水量(X1)、人均GDP(X2)、农业产业从业人员比例(X3)、总研发经费(X4)、有效灌溉面积(X5)、粮食总产量(X6)、农村居民家庭人均收入(X7)和农业总产值(X8)共8个因素，分析各个因素与高效节水灌溉面积的关联度。将河南省平均单位有效灌溉面积的用水量(X1)、农业从业人员比例(X3)2个数据序列进行倒数处理，使其与高效节水灌溉面积呈正相关关系，然后对所有数据序列按式(1)进行标准化处理。数据标准化处理结果见表2。

表2 河南省2007—2018年高效节水灌溉面积及8个驱动因素 Table 2 The high-efficient water-saving irrigated area in Henan province from 2007 to 2018 and eight driving factors

2.2.2 关联度计算与分析 按照灰色关联理论，分别计算得到高效节水灌溉面积与8个驱动因素之间的灰色绝对关联度、相对关联度和综合关联度，计算结果见表3，其中取θ=0.5，即ρ=0.5ε+0.5γ。8个驱动因素与高效节水灌溉面积有较强的综合关联度，不低于0.557，这表明高效节水灌溉发展是各种因素综合作用的结果。按综合关联度大小排序为ρx3>ρx8>ρx2>ρx7>ρx6>ρx4>ρx5>ρx1。其中，高效节水灌溉与农业产业从业人员比例的综合关联度最大为0.848。高效节水灌溉面积与平均单位有效灌溉面积用水量的综合关联度最小为0.557。

表3 高效节水灌溉驱动因素及其关联度Table 3 The driving factors of high-efficient water-saving irrigation and their correlation degree

2.3 河南省高效节水灌溉面积预测

高效节水灌溉面积的发展是各种因素综合作用的结果。近10年来，中国经济快速发展，城市化进程不断深化，水资源短缺日益制约着经济社会发展，同时根据保障粮食安全、保护资源与环境等需要，中国出台了一系列促进高效节水的相关政策，高效节水灌溉面积呈现快速增长态势；此外，到2018年河南省高效节水灌溉面积在灌溉总面积中的占比仅为26.79%，发展空间较大，可以不考虑全省灌溉总面积对高效节水灌溉面积的限制性影响，采用GM(1,1)模型建模预测。

选用2007—2016年的高效节水灌溉面积数据进行建模，并用2017、2018年数据进行验证。经计算GM(1,1)模型的发展系数a=-0.084 989 6，灰色作用量b=538.692 701 1，据此所建GM(1,1)模型为：

(14)

以2007年数据为基础，基于上述模型，对河南省2008—2016年高效节水灌溉面积进行模拟，计算结果见表4。对2017、2018年进行验证，计算值分别为1 344.29×103和1 463.57×103hm2，相对误差分别为1.33%和1.00%，误差较小。

对预测模型作残差检验、关联度检验、均方差比值及小误差概率检验，计算结果见表5。参考检验精度标准[15]，预测模型各项检验值符合二级精度模型检验标准，且α=-0.084 989 6<0.3，可用于中长期预测。运用所建模型对2020、2025和2030年河南省高效节水灌溉面积进行预测，结果分别为1 734.7×103、2 653.25×103和4 058.17×103hm2。根据预测结果，2020—2030年，河南省高效节水灌溉面积仍将处于快速增长时期，年均增速将达到12.18%。

表4 河南省2008—2016年高效节水灌溉面积模拟结果

表5 模型精度检验值Table 5 Model accuracy test value

3 结论与建议

本研究结果表明，高效节水灌溉面积与8个驱动因素都具有较高的关联度，表明高效节水灌溉受多种因素影响。其中，高效节水灌溉与农业产业从业人员比例的综合关联度最大,为0.848，这表明农田灌溉是费时费力的农事活动，占用大量的劳动力，高效节水灌溉劳动效率高、劳动强度低，可释放大量农业劳动力，符合城市化快速发展进程对农业从业劳动力转移的需要。高效节水灌溉面积与农业总产值、人均GDP、农村居民家庭人均收入以及粮食总产量4项因素的综合关联度分别为0.791、0.728、0.713和0.703，表明高效节水灌溉对提高粮食产量、农民增收等相关性很高，在保障粮食安全、促进农民增收和推进农村经济发展等方面具有重要意义。高效节水灌溉面积与总研发经费的综合关联度为0.642，一方面是因为高效节水灌溉技术可以通过省外输入，不需要全部由本地研发；另一方面就全省总研发经费来讲，涉及高效节水灌溉方面的研发经费只是其中的一部分，因此研发经费投入对高效节水灌溉发展具有很强的推动作用。高效节水灌溉面积与有效灌溉面积的综合关联度为0.611，相对较低，这主要是因为有效灌溉面积发展主要受到水源等条件的影响，而高效节水灌溉更主要的是提高灌溉水的利用率和提高灌溉劳动效率，进而提高灌溉保证率，目前主要是对已有灌区进行配套和改造，因此在扩大有效灌溉面积方面的作用不是特别大。在8个驱动因素中，高效节水灌溉面积与平均单位有效灌溉面积用水量的综合关联度最小为0.557，一方面是因为平均单位有效灌溉面积用水量是按照全省进行统计计算的，目前高效节水灌溉面积占灌溉总面积的比例还较小，对全省平均灌溉用水量的统计结果影响较小；另一方面是因为高效节水灌溉提高了灌溉保证率，抵消了其在提高灌溉水利用率方面的作用。因此，作为农业大省和灌溉面积大省，河南省应把高效节水灌溉发展纳入全省经济社会发展总体规划，在各相关发展规划中对高效节水灌溉建设内容提出明确要求，共同推动，大力发展。

通过GM(1,1)模型预测高效节水灌溉面积结果来看，2020—2030年仍将是河南省高效节水灌溉面积快速发展时期，在不考虑灌溉总面积大规模增加的情况下，到2030年，高效节水灌溉面积占灌溉总面积的比例将由2018年的26.79%增加到70%以上。因此，做好发展规划非常重要，对2020—2030年河南省高效节水灌溉面积进行预测，根据预测结果制定发展规划，保障高效节水灌溉有序推进，稳步健康发展。此外，不同的灌溉方式之间存在差异，甚至会对农作物的生长产生一定的影响[16]。从喷灌、微灌和低压管灌等各种高效节水灌溉方式的结构比例来看，喷灌和微灌2种方式灌水效率高、质量高、节水效果好，但是一次性建设投入大规模的节水灌溉方式比例相对偏低。因此，随着经济实力增强，应适当加快喷灌和微灌的建设速度，充分发挥其高效、节水的技术优势。