辽宁省农业用水效率评价

王贺余

(辽宁省白石水库管理局有限责任公司，辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

调查资料显示，全国总用水量的62.5%为农业灌溉水，用水量达到3842.5亿m3，其用水效率为0.52显著低于发达国家先进水平。辽宁省属于中国东北地区重要的粮食生产基地，境内各支流纵横交错、蜿蜒曲折，雨量充沛且水源丰富，其中农业用水分比重达到55%以上且以林牧渔业和农田灌溉用水为主，2017年辽宁省农田灌溉用水和农业用水分别为277.5亿m3和316.2亿m3，用水效率相对于发达国家和全国平均水平仍具有较大差距，当前存在巨大的节水潜力。近年来，人口的增加和社会的发展使得辽宁省用水量急剧增加，水资源供需紧张为当前面临的突出问题，其中造成该问题的主要根源是农业用水所占比过大，大量的农业用水对社会经济的可持续发展产生严重的制约，进一步激化了原本紧张的水资源供需矛盾。所以，开展用水效率评价模型的研究具有重要意义[1-7]。

1 农业用水效率研究现状

农业用水效率评价属于一项多层次、多要素复杂的系统性问题，对水资源的产出效率按照经济学生产函数法分析具有一定适用性，通过构建系统完善的指标体系能够较好的解决耗水、输配水等用水效率信息缺乏的问题。当前，关于农业用水效率的评价总体可分为如下两大类：①农业水资源的投入产出利用生产函数模型和经济学理论分析，由此确定用水效率；②选用合适的评价指标和模型分析用水效率。Kaneko等对多个省份的农业用水效率利用随机前沿分析SFA法进行了系统分析；王学渊等[8]依据全国31个省区统计数据和农业水资源生产配置效率模型，评价分析了中国宏观层面的用水效率，并对比分析了DEA理论和SFA法测算结果的准确性；刘渝等[9]以湖北省17个地区为例，利用DEA模型评价分析不同区域的农业用水效率，通过对引起用水效率低下的原因分析提出生态效益为影响水资源利用的重要参数；叶澜涛等[10]采用模糊数学法和灌溉水生产率、水资源利用系数等指标，综合评价了灌区灌溉用水效率。文章结合现有研究资料和辽宁省农业用水现状，从灌溉面积和灌溉水利用等方面选取6项指标构建评价体系，将模糊物元法和奇异值分解法相耦合综合评价2008-2017年辽宁省农业用水效率。

2 改进的AHP模糊物元模型

2.1 基于奇异值分解权重计算

Saaty教授提出了一种综合考虑定量计算与定性分析的多属性系统决策的AHP层次分析法，可将决策者个人因素与评价中的复杂因素相结合，通过定量化处理专家经验有效解决了忽视决策者偏好而过于追求数据统计规律的问题。AHP法在定量评价多层次、多要素水资源领域的应用越来越广泛，且特征向量EM法为已有案例中应用最多的权重计算法，但以主特征向量近似的作为未知权重仍存在一定的质疑。对此，学者Gass S I与Golany B按照信息法则和矩阵最优近似定理提出了奇异值分解SVD法，决策偏好的最优近似为奇异值分解权重计算的基本依据。针对农业用水效率各指标权重的计算，考虑对传统的AHP法利用奇异值分解加以改进，详细流程如下：

1)判断矩阵的构造。农业用水效率各评价指标相对于上一层目标的重要程度按照专家咨询法和Satty教授提出的1-9标度法确定，各层次两两判断矩阵按照梯阶层次结构构造。设定A为存在4项指标的准则层两两判断矩阵，则参数1相对于2的重要度可表示为b12，由此构造的矩阵为：

(1)

2)评价指标权重奇异值分解计算。设n×n阶矩阵为A，则利用奇异值分解公式(2)对矩阵A进行处理，即：

(2)

3)计算权重。若A为农业用水效率完全判断矩阵，则采用下式求解权重向量：

(3)

式中：wi为农业用水效率评价指标i的权重，即第i各权重向量分量。

若A为农业用水效率非完全判断矩阵，则可接受的最优矩阵权重利用信息量公式求解，其表达式为：

(4)

2.2 模糊物元模型

针对存在不确定性、模糊性的农业用水效率评价，模糊物元模型具有较强的适用性与可行性。设参评样本为2008-2017年的辽宁省农业用水效率，采用物元模型评价分析各年份的效率水平，具体步骤如下：

1)步骤1：构造模糊物元矩阵。选取2008-2017年农业用水效率为参评样本，各年份参评指标均有6个，由此可构造模糊物元矩阵为：

(5)

式中：xij为参评方案j中第i个指标的模糊量值，其中i=1,2,…,6；j=1,2,…,10。

2)步骤2：求解差平方矩阵。标准模糊物元矩阵R0n按照各参评因子的最大从优隶属度值构造，差平方矩阵R△采用标准模糊物元中元素与各指标从优隶属度的差平凡构造。从优隶属度与标准模糊物元R0n中各项差的平方表示为△ij，i=1,2,…,6；j=1,2,…,10，矩阵表达式为：

(6)

3)步骤3：生成帖进度。参评样本优劣排序的基本依据帖进度的大小，农业用水效率最终评价结果利用欧式帖进度ρij生成，其计算公式为：

RρH=[ρH1，ρH2…，ρH10]

(7)

(8)

3 综合评价体系

3.1 农业用水效率评价

为农田灌溉的高效用水总体目标必须采用系统、完善的指标体系，例如王国华、李绍飞等选取水分生产效率、水资源利用系数、节水灌溉面积占比等构建综合评价体系，但按照田间水和渠系水利用情况获取的灌溉水利用率，在过程中存在信息重叠的现象，从而导致评价结果与实际情况存在一定的偏差；封志明等选取水分利用率、节水潜力、水分盈亏率、灌溉效率、降水量、耗水生产效率等指标建立农业用水效率评价体系，由于不同评价指标的相容性较差，因此部分指标值在数据资料缺乏的区域难以获取；邵东国等从种植面积、灌溉面积和灌溉水利用三大子系统中选取粮食作物种植比、节水灌溉面积率、单方水产值和灌溉水有效利用系数等具有较强代表性的指标建立评价体系。根据结合辽宁省农业水资源分布特征，综合考虑国内外现有研究成果和相关资料，在遵循代表性、层次性、科学性、可获取性、区域性、独立性和整体性等原则的基础上，选取节水灌溉面积率、单方水产值、农田灌溉水耗水率等典型指标建立评价体系，然后采用SVD法计算确定各项评价指标权重，辽宁省农业用水效率评价体系，见表1。

表1 辽宁省农业用水效率评价体系

根据辽宁省农业统计年鉴、水资源公报、农业经济调查报告等相关资料提取2008-2017年农业用水效率各指标初始值，个别指标结合农业水资源实际情况和专家意见确定。2008-2017年辽宁省农业用水效率各指标初始值，见表2。

表2 2008-2017年辽宁省农业用水效率各指标初始值

根据各指标变异系数和序列值可知，数据存在较小的变异特征。将辽宁省2008-2017年的农业用水效率评价值利用基于奇异值分解的模糊物元模型确定，结果发现最终评价值均>0.70，最大值为0.94，可见该评价结果与真实状况存在一定偏差。农业用水效率评价数据的区分度不大且总体处于较高水平，不利于农业用水效率不同年份间的对比分析。鉴于此，文章采用极值无量纲法处理各指标初始数据，由此放大不同指标间的差异性，效益型和成本指标的无量纲化处理公式为：

(9)

(10)

采用模糊物元模型和处理后的指标数据，经计算输出具有较高区分度的农业用水效率评价结果，2008-2017年辽宁省农业用水效率，见表3。

3.2 结果分析

采用直方分布及其移动均曲线反映农业用水效率评价值，辽宁省2008-2017年农业用水效率，见图1。根据图1可知，辽宁省2008-2018年农业用水效率最大值为2017年的0.684，多年平均值为0.424，不同年份之间未呈现出明显的数值聚集现象，整体上分布较为均为。辽宁省农业用水效率总体表现出波动上升的变化特征，除个别年份(2010年、2014年)其它年份均呈增大趋势。辽宁省农业用水效率峰值发生在2013年和2017年，依据初始数据统计结果2013年的作物水分利用率最低且农田灌溉耗水率最低，2017年的耕地有效馆概率、节水灌溉面积率和单方水产值均达到最大值，各指标变化趋势与综合评价结果保持较高的一致性，这也体现了评价模型和选取的指标具有良好适用性与可行性。

表3 2008-2017年辽宁省农业用水效率

图1 辽宁省2008-2017年农业用水效率

4 结 论

1)针对判断矩阵权重利用奇异值分解法求解，模糊物元模型的初始输入数据为极值无量纲化处理后的指标系列值，由此放大了不同指标之间的差异性，评价结果能够更加直观、明显的反映不同年份的用水效率差异性。辽宁省农业用水效率总体表现出波动上升的变化特征，除个别年份(2010年、2014年)其它年份均有所增加。

2)辽宁省大部分流域中上游和60%-70%的降水发生在汛期，水资源可利用率较低。辽西、辽东地区存在较大的水资源差异，辽西地区降水量总体小于辽东。根据辽宁省最严格水资源管理和可持续发展规划，该区域特殊和中等干旱年缺水量达到48.2、28.5亿m3。评价结果显示，辽宁省仍存在较大的节水潜力，用水效率呈不断增大趋势。所以，解决辽宁省水资源供给矛盾的根本途径是提高农业水资源利用效率和加强农业节水技术推广。

3)文章所构造的评价模型仍存在一定的优化空间，如对于实际情况与权重计算存在较大差异时，如何更加合理、准确的构造判断矩阵；采用极值无量纲法处理评价指标初始数据，虽然可方法不同年份的差异性，但评价结果使得用水效率值总体偏小，如何增大区分度值仍需要进一步的深入研究。