遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)

王賀余

(遼寧省白石水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

調(diào)查資料顯示，全國總用水量的62.5%為農(nóng)業(yè)灌溉水，用水量達(dá)到3842.5億m3，其用水效率為0.52顯著低于發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平。遼寧省屬于中國東北地區(qū)重要的糧食生產(chǎn)基地，境內(nèi)各支流縱橫交錯(cuò)、蜿蜒曲折，雨量充沛且水源豐富，其中農(nóng)業(yè)用水分比重達(dá)到55%以上且以林牧漁業(yè)和農(nóng)田灌溉用水為主，2017年遼寧省農(nóng)田灌溉用水和農(nóng)業(yè)用水分別為277.5億m3和316.2億m3，用水效率相對(duì)于發(fā)達(dá)國家和全國平均水平仍具有較大差距，當(dāng)前存在巨大的節(jié)水潛力。近年來，人口的增加和社會(huì)的發(fā)展使得遼寧省用水量急劇增加，水資源供需緊張為當(dāng)前面臨的突出問題，其中造成該問題的主要根源是農(nóng)業(yè)用水所占比過大，大量的農(nóng)業(yè)用水對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重的制約，進(jìn)一步激化了原本緊張的水資源供需矛盾。所以，開展用水效率評(píng)價(jià)模型的研究具有重要意義[1-7]。

1 農(nóng)業(yè)用水效率研究現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)屬于一項(xiàng)多層次、多要素復(fù)雜的系統(tǒng)性問題，對(duì)水資源的產(chǎn)出效率按照經(jīng)濟(jì)學(xué)生產(chǎn)函數(shù)法分析具有一定適用性，通過構(gòu)建系統(tǒng)完善的指標(biāo)體系能夠較好的解決耗水、輸配水等用水效率信息缺乏的問題。當(dāng)前，關(guān)于農(nóng)業(yè)用水效率的評(píng)價(jià)總體可分為如下兩大類：①農(nóng)業(yè)水資源的投入產(chǎn)出利用生產(chǎn)函數(shù)模型和經(jīng)濟(jì)學(xué)理論分析，由此確定用水效率；②選用合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)和模型分析用水效率。Kaneko等對(duì)多個(gè)省份的農(nóng)業(yè)用水效率利用隨機(jī)前沿分析SFA法進(jìn)行了系統(tǒng)分析；王學(xué)淵等[8]依據(jù)全國31個(gè)省區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)水資源生產(chǎn)配置效率模型，評(píng)價(jià)分析了中國宏觀層面的用水效率，并對(duì)比分析了DEA理論和SFA法測(cè)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；劉渝等[9]以湖北省17個(gè)地區(qū)為例，利用DEA模型評(píng)價(jià)分析不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)用水效率，通過對(duì)引起用水效率低下的原因分析提出生態(tài)效益為影響水資源利用的重要參數(shù)；葉瀾濤等[10]采用模糊數(shù)學(xué)法和灌溉水生產(chǎn)率、水資源利用系數(shù)等指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)了灌區(qū)灌溉用水效率。文章結(jié)合現(xiàn)有研究資料和遼寧省農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀，從灌溉面積和灌溉水利用等方面選取6項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，將模糊物元法和奇異值分解法相耦合綜合評(píng)價(jià)2008-2017年遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率。

2 改進(jìn)的AHP模糊物元模型

2.1 基于奇異值分解權(quán)重計(jì)算

Saaty教授提出了一種綜合考慮定量計(jì)算與定性分析的多屬性系統(tǒng)決策的AHP層次分析法，可將決策者個(gè)人因素與評(píng)價(jià)中的復(fù)雜因素相結(jié)合，通過定量化處理專家經(jīng)驗(yàn)有效解決了忽視決策者偏好而過于追求數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的問題。AHP法在定量評(píng)價(jià)多層次、多要素水資源領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，且特征向量EM法為已有案例中應(yīng)用最多的權(quán)重計(jì)算法，但以主特征向量近似的作為未知權(quán)重仍存在一定的質(zhì)疑。對(duì)此，學(xué)者Gass S I與Golany B按照信息法則和矩陣最優(yōu)近似定理提出了奇異值分解SVD法，決策偏好的最優(yōu)近似為奇異值分解權(quán)重計(jì)算的基本依據(jù)。針對(duì)農(nóng)業(yè)用水效率各指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算，考慮對(duì)傳統(tǒng)的AHP法利用奇異值分解加以改進(jìn)，詳細(xì)流程如下：

1)判斷矩陣的構(gòu)造。農(nóng)業(yè)用水效率各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于上一層目標(biāo)的重要程度按照專家咨詢法和Satty教授提出的1-9標(biāo)度法確定，各層次兩兩判斷矩陣按照梯階層次結(jié)構(gòu)構(gòu)造。設(shè)定A為存在4項(xiàng)指標(biāo)的準(zhǔn)則層兩兩判斷矩陣，則參數(shù)1相對(duì)于2的重要度可表示為b12，由此構(gòu)造的矩陣為：

(1)

2)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重奇異值分解計(jì)算。設(shè)n×n階矩陣為A，則利用奇異值分解公式(2)對(duì)矩陣A進(jìn)行處理，即：

(2)

3)計(jì)算權(quán)重。若A為農(nóng)業(yè)用水效率完全判斷矩陣，則采用下式求解權(quán)重向量：

(3)

式中：wi為農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)i的權(quán)重，即第i各權(quán)重向量分量。

若A為農(nóng)業(yè)用水效率非完全判斷矩陣，則可接受的最優(yōu)矩陣權(quán)重利用信息量公式求解，其表達(dá)式為：

(4)

2.2 模糊物元模型

針對(duì)存在不確定性、模糊性的農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)，模糊物元模型具有較強(qiáng)的適用性與可行性。設(shè)參評(píng)樣本為2008-2017年的遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率，采用物元模型評(píng)價(jià)分析各年份的效率水平，具體步驟如下：

1)步驟1：構(gòu)造模糊物元矩陣。選取2008-2017年農(nóng)業(yè)用水效率為參評(píng)樣本，各年份參評(píng)指標(biāo)均有6個(gè)，由此可構(gòu)造模糊物元矩陣為：

(5)

式中：xij為參評(píng)方案j中第i個(gè)指標(biāo)的模糊量值，其中i=1,2,…,6；j=1,2,…,10。

2)步驟2：求解差平方矩陣。標(biāo)準(zhǔn)模糊物元矩陣R0n按照各參評(píng)因子的最大從優(yōu)隸屬度值構(gòu)造，差平方矩陣R△采用標(biāo)準(zhǔn)模糊物元中元素與各指標(biāo)從優(yōu)隸屬度的差平凡構(gòu)造。從優(yōu)隸屬度與標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0n中各項(xiàng)差的平方表示為△ij，i=1,2,…,6；j=1,2,…,10，矩陣表達(dá)式為：

(6)

3)步驟3：生成帖進(jìn)度。參評(píng)樣本優(yōu)劣排序的基本依據(jù)帖進(jìn)度的大小，農(nóng)業(yè)用水效率最終評(píng)價(jià)結(jié)果利用歐式帖進(jìn)度ρij生成，其計(jì)算公式為：

RρH=[ρH1，ρH2…，ρH10]

(7)

(8)

3 綜合評(píng)價(jià)體系

3.1 農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)

為農(nóng)田灌溉的高效用水總體目標(biāo)必須采用系統(tǒng)、完善的指標(biāo)體系，例如王國華、李紹飛等選取水分生產(chǎn)效率、水資源利用系數(shù)、節(jié)水灌溉面積占比等構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系，但按照田間水和渠系水利用情況獲取的灌溉水利用率，在過程中存在信息重疊的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的偏差；封志明等選取水分利用率、節(jié)水潛力、水分盈虧率、灌溉效率、降水量、耗水生產(chǎn)效率等指標(biāo)建立農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)體系，由于不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的相容性較差，因此部分指標(biāo)值在數(shù)據(jù)資料缺乏的區(qū)域難以獲取；邵東國等從種植面積、灌溉面積和灌溉水利用三大子系統(tǒng)中選取糧食作物種植比、節(jié)水灌溉面積率、單方水產(chǎn)值和灌溉水有效利用系數(shù)等具有較強(qiáng)代表性的指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系。根據(jù)結(jié)合遼寧省農(nóng)業(yè)水資源分布特征，綜合考慮國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果和相關(guān)資料，在遵循代表性、層次性、科學(xué)性、可獲取性、區(qū)域性、獨(dú)立性和整體性等原則的基礎(chǔ)上，選取節(jié)水灌溉面積率、單方水產(chǎn)值、農(nóng)田灌溉水耗水率等典型指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系，然后采用SVD法計(jì)算確定各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)體系，見表1。

表1 遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)體系

根據(jù)遼寧省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)調(diào)查報(bào)告等相關(guān)資料提取2008-2017年農(nóng)業(yè)用水效率各指標(biāo)初始值，個(gè)別指標(biāo)結(jié)合農(nóng)業(yè)水資源實(shí)際情況和專家意見確定。2008-2017年遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率各指標(biāo)初始值，見表2。

表2 2008-2017年遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率各指標(biāo)初始值

根據(jù)各指標(biāo)變異系數(shù)和序列值可知，數(shù)據(jù)存在較小的變異特征。將遼寧省2008-2017年的農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)值利用基于奇異值分解的模糊物元模型確定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最終評(píng)價(jià)值均>0.70，最大值為0.94，可見該評(píng)價(jià)結(jié)果與真實(shí)狀況存在一定偏差。農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的區(qū)分度不大且總體處于較高水平，不利于農(nóng)業(yè)用水效率不同年份間的對(duì)比分析。鑒于此，文章采用極值無量綱法處理各指標(biāo)初始數(shù)據(jù)，由此放大不同指標(biāo)間的差異性，效益型和成本指標(biāo)的無量綱化處理公式為：

(9)

(10)

采用模糊物元模型和處理后的指標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算輸出具有較高區(qū)分度的農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)結(jié)果，2008-2017年遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率，見表3。

3.2 結(jié)果分析

采用直方分布及其移動(dòng)均曲線反映農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)值，遼寧省2008-2017年農(nóng)業(yè)用水效率，見圖1。根據(jù)圖1可知，遼寧省2008-2018年農(nóng)業(yè)用水效率最大值為2017年的0.684，多年平均值為0.424，不同年份之間未呈現(xiàn)出明顯的數(shù)值聚集現(xiàn)象，整體上分布較為均為。遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率總體表現(xiàn)出波動(dòng)上升的變化特征，除個(gè)別年份(2010年、2014年)其它年份均呈增大趨勢(shì)。遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率峰值發(fā)生在2013年和2017年，依據(jù)初始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果2013年的作物水分利用率最低且農(nóng)田灌溉耗水率最低，2017年的耕地有效館概率、節(jié)水灌溉面積率和單方水產(chǎn)值均達(dá)到最大值，各指標(biāo)變化趨勢(shì)與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果保持較高的一致性，這也體現(xiàn)了評(píng)價(jià)模型和選取的指標(biāo)具有良好適用性與可行性。

表3 2008-2017年遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率

圖1 遼寧省2008-2017年農(nóng)業(yè)用水效率

4 結(jié) 論

1)針對(duì)判斷矩陣權(quán)重利用奇異值分解法求解，模糊物元模型的初始輸入數(shù)據(jù)為極值無量綱化處理后的指標(biāo)系列值，由此放大了不同指標(biāo)之間的差異性，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠更加直觀、明顯的反映不同年份的用水效率差異性。遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率總體表現(xiàn)出波動(dòng)上升的變化特征，除個(gè)別年份(2010年、2014年)其它年份均有所增加。

2)遼寧省大部分流域中上游和60%-70%的降水發(fā)生在汛期，水資源可利用率較低。遼西、遼東地區(qū)存在較大的水資源差異，遼西地區(qū)降水量總體小于遼東。根據(jù)遼寧省最嚴(yán)格水資源管理和可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃，該區(qū)域特殊和中等干旱年缺水量達(dá)到48.2、28.5億m3。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，遼寧省仍存在較大的節(jié)水潛力，用水效率呈不斷增大趨勢(shì)。所以，解決遼寧省水資源供給矛盾的根本途徑是提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率和加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)推廣。

3)文章所構(gòu)造的評(píng)價(jià)模型仍存在一定的優(yōu)化空間，如對(duì)于實(shí)際情況與權(quán)重計(jì)算存在較大差異時(shí)，如何更加合理、準(zhǔn)確的構(gòu)造判斷矩陣；采用極值無量綱法處理評(píng)價(jià)指標(biāo)初始數(shù)據(jù)，雖然可方法不同年份的差異性，但評(píng)價(jià)結(jié)果使得用水效率值總體偏小，如何增大區(qū)分度值仍需要進(jìn)一步的深入研究。