劉 見，張寄陽，寧東峰，秦安振，劉戰(zhàn)東，肖俊夫，劉俊明，張明智，丁鵬飛， 孫 彬

(1.許昌市農(nóng)田水利技術(shù)試驗(yàn)推廣站，河南 許昌 461000 ；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物需水與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng)453002；3.河南省水利科學(xué)研究院，鄭州 450000)

我國黃淮井灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源緊缺、利用效率低和地下水無序開發(fā)甚至過度超采，嚴(yán)重制約著生態(tài)環(huán)境改善和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。除采用限水灌溉、非充分灌溉、調(diào)虧灌溉、分根區(qū)交替灌溉等農(nóng)技措施外，破解困境的關(guān)鍵還在于加強(qiáng)農(nóng)田水利基本建設(shè)，發(fā)展高效節(jié)水灌溉[1,2]。噴灌是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的節(jié)水灌溉方式，在北方地區(qū)具有廣闊的前景[3]。與常規(guī)地面灌相比，噴灌具有灌水均勻、灌溉水利用系數(shù)高、對地形適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)械化程度高的特點(diǎn)[4,5]。同時，噴灌可以調(diào)節(jié)田間小氣候，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，與水肥藥一體化技術(shù)結(jié)合更能促進(jìn)規(guī)?；?jīng)營，減少農(nóng)業(yè)面源污染[6-9]。我國噴、微灌面積占總灌溉面積的比例僅為13.7%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的53.1%，且低于發(fā)展中國家的平均水平[10,11]，我國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉仍有較大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

氣候、土壤、地形、作物等的空間變異性決定了農(nóng)業(yè)灌溉生產(chǎn)的多樣性，優(yōu)選適合當(dāng)?shù)氐墓?jié)水灌溉模式是有效避免水資源浪費(fèi)、節(jié)約人力成本，發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要前提。節(jié)水灌溉模式的優(yōu)選與評價要與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平、生產(chǎn)經(jīng)營、管理體制相適應(yīng)。戚迎龍[12]對西遼河流域春玉米節(jié)水灌溉模式進(jìn)行了研究，認(rèn)為淺埋不覆膜滴灌綜合效益最高，適宜當(dāng)?shù)赝茝V應(yīng)用。王成剛研究得出半固定式噴灌是最適合嶺東南地區(qū)的節(jié)水灌溉方式[13]。王豐凱在阜蒙縣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉項(xiàng)目投資方案優(yōu)選中得出滴灌是最佳方案，其次是低壓管道灌溉[14]。黃淮井灌區(qū)農(nóng)業(yè)種植制度多以冬小麥-夏玉米連作為主，受地形、水文氣象、作物種植模式和人工成本增加的影響，節(jié)水灌溉產(chǎn)品和設(shè)備的推廣及應(yīng)用多以噴灌為主。盡管目前噴灌在該地區(qū)已得到長足的發(fā)展，但普遍存在“重建設(shè)，輕管理，缺評價”的不合理現(xiàn)象，尤其是對黃淮井灌區(qū)集中連片高效節(jié)水示范區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水設(shè)備的評價缺乏深入細(xì)致的調(diào)查和論證。本文以許昌市3.33 萬hm2高效節(jié)水示范區(qū)為例，通過建立綜合評價模型和計(jì)算方法，從經(jīng)濟(jì)、社會、技術(shù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)、資源等5個方面開展不同噴灌類型方案優(yōu)化分析研究，旨在探索適宜本地區(qū)的節(jié)水灌溉模式，為黃淮井灌區(qū)水資源開發(fā)利用和農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供技術(shù)支撐和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年10月至2018年10月在河南省許昌市3.33 萬hm2高效灌溉示范區(qū)內(nèi)(113°59′E，34°09′N)進(jìn)行，該示范區(qū)地處淮河流域潁河上游，屬雙洎河和黃河沖積平原，包括許昌市中部、許昌縣東部和長葛市東部。示范區(qū)平均海拔79.6 m，暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，多年平均氣溫14.7 ℃，年平均日照時數(shù)2 183 h，年平均降水量為698 mm，年平均蒸發(fā)量1 044 mm，地下水埋深大于5 m。試驗(yàn)田供試土壤為潮土，質(zhì)地為沙壤土，0～60 cm土壤平均干容重為1.43 g/cm3，田間持水量為25%(重量含水率)。示范區(qū)屬干旱和水資源緊缺地區(qū)，該區(qū)種植方式為冬小麥-夏玉米連作。為加快發(fā)展節(jié)水灌溉，提高水資源利用效率，夯實(shí)糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)基礎(chǔ)，嚴(yán)格按照國家灌溉工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，示范區(qū)內(nèi)建設(shè)有半固定式噴灌、智能化灌溉、小流量中心支軸噴灌機(jī)、地埋自動伸縮一體化噴灌、自驅(qū)動絞盤式噴灌、固定式噴灌等多種高效節(jié)水灌溉形式。

1.2 研究方法

1.2.1 評價指標(biāo)及其數(shù)據(jù)來源

示范區(qū)內(nèi)灌溉工程形式多樣，本研究選取半固定式噴灌、智能化灌溉、中心支軸式噴灌機(jī)、地埋自動伸縮一體化噴灌、自驅(qū)動絞盤式噴灌等五種推廣示范效果好的節(jié)水模式形成5種方案(分別為A、B、C、D、E)。由于節(jié)水灌溉技術(shù)的優(yōu)化選擇是由多種因素決定的，因此本文在冬小麥-夏玉米連作周期試驗(yàn)基礎(chǔ)上研究和借鑒國內(nèi)外節(jié)水灌溉評價指標(biāo)最終確定了5個一級指標(biāo)：經(jīng)濟(jì)評價、技術(shù)評價、社會評價、農(nóng)業(yè)生態(tài)評價、資源評價。相應(yīng)的二級指標(biāo)21個，指標(biāo)體系見表1。其中，工程投資、年維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用、灌水均勻度、灌水強(qiáng)度、灌溉水利用率是根據(jù)工程建設(shè)實(shí)際和2年具體投入運(yùn)行情況實(shí)測獲得。在冬小麥-夏玉米連作周期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，計(jì)算作物籽粒產(chǎn)出，利用水量平衡方程計(jì)算冬小麥和夏玉米全生育期耗水量。用水量和用電量由設(shè)備監(jiān)測記錄，與地面灌相比，計(jì)算連作周期的節(jié)水量和節(jié)能量。為客觀詳實(shí)獲取灌溉工程的實(shí)施效果，深入示范區(qū)內(nèi)建安區(qū)、長葛、禹州、鄢陵和襄縣等5個縣(市)區(qū)，發(fā)放調(diào)查問卷300余份，涉及農(nóng)戶、水管理協(xié)會、基層水管站、工程設(shè)計(jì)和施工單位以及相關(guān)專家。調(diào)查問卷以社會和生態(tài)指標(biāo)為主，采用指標(biāo)評語集V=(好，較好，適中，差，較差)，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)隸屬度集U=(1，0.8，0.6，0.4，0.2)，取平均隸屬度作為該指標(biāo)的量化隸屬函數(shù)值。

表1 節(jié)水灌溉模式綜合評價指標(biāo)體系

注：表中a、b、c、d分別為試驗(yàn)實(shí)測、專家和農(nóng)戶問卷調(diào)研、運(yùn)行設(shè)備監(jiān)測和水利年鑒、工程資料查閱。

1.2.2 指標(biāo)權(quán)重

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法。它根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)觀測值所提供信息的大小來確定指標(biāo)權(quán)重，能盡量消除各因素權(quán)重的主觀性，增強(qiáng)指標(biāo)的差異性和分辨性，以避免選取指標(biāo)的差異過小而造成的分析不清，從而達(dá)到全面反映各類信息的目的，使評價結(jié)果更符合實(shí)際[15]。

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

(1)

(2)

式中：i為評價方案；j為評價指標(biāo)；xmax和xmin分別為同一評價指標(biāo)的最大值和最小值；m為評價方案個數(shù)；k為評價指標(biāo)個數(shù)。

在本研究實(shí)際中，工程投資、年維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用、水電費(fèi)和作物耗水量均為成本型指標(biāo)，其余為效益型指標(biāo)。

(2)指標(biāo)信息熵。第j個指標(biāo)熵值：

(3)

(4)

(3)熵權(quán)確定。第j個指標(biāo)的熵權(quán)：

(5)

層次分析法(AHP)是把研究方案作為一個系統(tǒng)，按照相互影響和隸屬關(guān)系將因素聚集組合，形成多層次結(jié)構(gòu)模型，從而將主觀判斷轉(zhuǎn)換成模糊數(shù)學(xué)語言，有機(jī)結(jié)合定性與定量，清晰明確簡潔實(shí)用。在節(jié)水灌溉模式優(yōu)選、水資源與生態(tài)環(huán)境評價、飲用水安全等[13,16,17]水問題究中得到了廣泛應(yīng)用。其步驟包括建立層次結(jié)構(gòu)模型和因素間兩兩比較判斷矩陣、計(jì)算最大特征值和特征向量、一致性檢驗(yàn)等。該方法雖然充分地發(fā)揮了專家的知識和經(jīng)驗(yàn)，但是主觀隨意性太強(qiáng)。

本文綜合熵權(quán)法和層次分析法，兼顧數(shù)據(jù)本身及專家知識和經(jīng)驗(yàn)，從而科學(xué)確定指標(biāo)權(quán)重[18,19]。

(6)

式中：wj和βj分別為熵權(quán)法和層次分析法確定的權(quán)重；αj為得到的最終綜合權(quán)重。

1.2.3 節(jié)水灌溉模式評價模型構(gòu)建

Topsis法即接近理想方案排序法，其基本思路是在加權(quán)規(guī)范化決策矩陣的基礎(chǔ)上，確定評價方案與最優(yōu)解、最劣解的距離，然后計(jì)算相對接近度，其值越大，該方案越理想，否則為最差[20]。

(1)構(gòu)造規(guī)范化決策矩陣R。

(7)

規(guī)范化包括指標(biāo)的同趨化和歸一化，成本型指標(biāo)通過倒數(shù)法轉(zhuǎn)化為大值為優(yōu)。

(2)構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣V。

(8)

(9)

式中：W為方案指標(biāo)的權(quán)重矩陣。

(3)確定理想方案和負(fù)理想方案。第j個指標(biāo)的理想方案A*和負(fù)理想方案A-。

(10)

(4)計(jì)算距離和相對接近度。

(11)

(12)

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

通過工程資料查閱、大田試驗(yàn)計(jì)算、實(shí)地問卷調(diào)研和運(yùn)行設(shè)備監(jiān)測得出各方案統(tǒng)計(jì)指標(biāo)結(jié)果見表2。

表2 各方案指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值

為便于層次內(nèi)指標(biāo)分析比較和排序，需對原始數(shù)據(jù)作同趨化和無量綱化處理，計(jì)算方法見下式。經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會、農(nóng)業(yè)生態(tài)、資源等5種節(jié)水灌溉方案評價指標(biāo)規(guī)范化處理數(shù)值結(jié)果見表3。

Eij=Xij/Xmax(效益型指標(biāo))

(13)

Eij=(Xmax+Xmin-Xij)/Xmax(成本型指標(biāo))

(14)

式中：Eij為規(guī)范化后的指標(biāo)值；Xij為原始指標(biāo)值；Xmax和Xmin為原始指標(biāo)中的最大值和最小值。

表3 規(guī)范化處理后各方案指標(biāo)值

2.2 各指標(biāo)綜合權(quán)重的確定

通過AHP法計(jì)算指標(biāo)客觀權(quán)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)；根據(jù)熵值法公式(1)～(5)，計(jì)算得到數(shù)據(jù)熵權(quán)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)；根據(jù)公式(6)計(jì)算最終綜合權(quán)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 基于模糊綜合評判法和Topsis法的灌溉模式綜合評價結(jié)果

根據(jù)式(8)計(jì)算得到加權(quán)規(guī)范化矩陣：

根據(jù)式(10)得到理想方案和負(fù)理想方案，由公式(11)和(12)得到與正負(fù)理想方案的距離以及相近接近度。

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)

為確保評價結(jié)果的可靠性及準(zhǔn)確性，同時利用模糊綜合評判法[21,22]得出各節(jié)水灌溉模式最終評分依次為0.80、0.78、0.87、0.93、0.82。兩種方法求得的評價結(jié)果見表4。

表4 各方案評價結(jié)果

2.4 綜合評價結(jié)果分析

從表2可知，半固定式噴灌投資1.5 萬元/hm2，分別比智能化噴灌和地埋自動伸縮一體化噴灌減少64.3%和33.3%，年維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較智能化噴灌和中心支軸式噴灌機(jī)減少73.9%和28.6%，缺點(diǎn)是省工效益差。在效益費(fèi)用比方面，最大值和最小值分別出現(xiàn)在半固定式噴灌和智能化噴灌，大小分別為2.23和0.87。地埋自動伸縮一體化噴灌節(jié)能省工效益明顯，比中心支軸噴灌節(jié)能57.1%，省工效益是半固定式噴灌的4.8倍。中心支軸式噴灌機(jī)作物適應(yīng)性最強(qiáng)，但是耗電量比地埋自動伸縮一體化噴灌增加300 kWh/hm2。連作周期內(nèi)，智能化噴灌節(jié)水量為1 920 m3/hm2，較自驅(qū)動絞盤式噴灌節(jié)水26.3%，節(jié)水效果最好。

從表3可以看出，每種噴灌模式都有各自特點(diǎn)和適應(yīng)性。噴灌模式A工程投資低，效益費(fèi)用比高。噴灌模式B智能化程度高，節(jié)水效果最好。C噴灌模式作物適應(yīng)性最強(qiáng)。在農(nóng)民歡迎程度、節(jié)能量和水電費(fèi)用方面噴灌模式D占有優(yōu)勢。指標(biāo)權(quán)重排在前三位的是省工效益、效益費(fèi)用比和節(jié)水量，權(quán)重值分別為0.187、0.152和0.135?？梢娫诠喔确绞?jīng)Q策和實(shí)施前應(yīng)優(yōu)先考慮效益費(fèi)用和節(jié)水程度。

表4評價結(jié)果表明，運(yùn)用Topsis法和模糊評判法計(jì)算出來的總排序順序基本是一致的，均表現(xiàn)為D>C>E。其中，地埋自動伸縮一體化噴灌得分表現(xiàn)最高，分別為0.79和0.93。兩種方法中，噴灌模式A和B得分排序結(jié)果不同，Topsis法中B>A，模糊評判法中排序相反。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會、農(nóng)業(yè)生態(tài)、資源利用等環(huán)節(jié)，地埋自動伸縮一體化噴灌是黃淮井灌區(qū)冬小麥-夏玉米連作體系節(jié)水灌溉最佳模式。

3 討 論

評價體系和方法的選擇在很大程度上取決于灌溉系統(tǒng)的性質(zhì)和評價的目的[23]。指標(biāo)體系權(quán)重的確定主要有兩類方法，一是主觀賦值法，包括專家調(diào)查法、層次分析法、比較加權(quán)法和模糊統(tǒng)計(jì)法等，這類方法的特點(diǎn)是簡潔實(shí)用，但偏向性強(qiáng)；二是客觀賦值法，包括主成分分析法、熵權(quán)法、Critic法和均方差法等，這類方法的特點(diǎn)是精度高信息量大，但解釋性差。本文采用“AHP+熵權(quán)法”組合賦權(quán)，統(tǒng)籌兼顧主客觀因素，使結(jié)果更真實(shí)可靠。兩種評判方法中，半固定式噴施和智能化噴灌得分排序結(jié)果不一致，原因可能是：①指標(biāo)函數(shù)值到規(guī)范化值所用的指標(biāo)同趨勢化和歸一化方法不同；②Topsis法充分利用了統(tǒng)計(jì)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，信息損失少。就本文而言，模糊評判法和Topsis法得出的綜合評價結(jié)果均表現(xiàn)為D>C>E，結(jié)果符合生產(chǎn)實(shí)際，這也間接證明了評價方法和模型的可行性和正確性。

采用高效節(jié)水灌溉可整體提升井灌區(qū)的灌溉效率[24]。從流域、區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的全局出發(fā)，因地制宜地選用適宜的噴灌形式，應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)效益[25]。從評價得分來看，地埋自動伸縮一體化噴灌和中心支軸式噴灌機(jī)得分總排序處于前兩位，主要是因?yàn)槎邫C(jī)械化和自動化程度高，省水省力，作物適應(yīng)性強(qiáng)且不影響作物收割和田間耕作，受到老百姓普遍歡迎。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，用工緊缺和勞務(wù)費(fèi)用高是農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的突出問題。因此，省工省力的灌溉模式具有廣闊的應(yīng)用前景。自驅(qū)動絞盤式噴灌模式排名第三，該灌溉模式操作簡單機(jī)動靈活，噴灌強(qiáng)度大，適合大面積小麥、大豆等短稈作物。在夏玉米后期噴灌作業(yè)時，由于玉米莖稈障礙，自驅(qū)動絞盤車移動受阻，會對作物造成一定程度的傷害，這是值得重視并改進(jìn)的問題。隨著人工智能、現(xiàn)代信息技術(shù)等的應(yīng)用，多功能、低能耗、低成本、智能化、精準(zhǔn)化、綠色化的節(jié)水灌溉裝備是今后的發(fā)展趨勢[26,27]。本次研究中，智能化噴灌(半固定式噴灌)排名最低，主要在于智能化噴灌一次性投資較高，其投資費(fèi)用是其他噴灌模式的1.87～2.8倍。最重要的原因還在于其技術(shù)集成度高，設(shè)備出現(xiàn)故障時，需要專業(yè)技術(shù)人員全程維修，投資風(fēng)險大，回收成本慢。雖然半固定式噴灌投資費(fèi)用低，但是需要很高的人工成本，而且移動安裝不方便。然而，隨著灌溉現(xiàn)代化發(fā)展和勞動力成本快速增加，智能化噴灌可以根據(jù)土壤墑情、降雨等實(shí)時信息做到適時、適地、適量供水，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與效益，達(dá)到科學(xué)監(jiān)控精準(zhǔn)灌溉?？梢灶A(yù)見，智能化噴灌必將成為未來研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

4 結(jié) 語

(1)本文構(gòu)建了包括經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會、農(nóng)業(yè)生態(tài)、資源利用等5個方面的節(jié)水優(yōu)選綜合評價體系，提出一種兼顧主客觀因素的“AHP+熵權(quán)法”組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于Topsis法的灌溉管理綜合評價模型，并運(yùn)用模糊綜合評判法對該模型進(jìn)行驗(yàn)證。評價結(jié)果科學(xué)合理且符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況。

(2)地埋自動伸縮一體化噴灌模式節(jié)能省工效益明顯，比中心支軸噴灌節(jié)能57.1%，省工效益是半固定式噴灌的4.8倍，農(nóng)民歡迎程度高。指標(biāo)權(quán)重排在前三位的是省工效益、效益費(fèi)用比和節(jié)水量，權(quán)重值分別為0.187、0.152和0.135。在灌溉方式?jīng)Q策和實(shí)施前，應(yīng)優(yōu)先考慮效益費(fèi)用和節(jié)水程度。黃淮井灌區(qū)冬小麥-夏玉米連作體系節(jié)水灌溉模式排序?yàn)椋旱芈褡詣由炜s一體化噴灌>中心支軸式噴灌機(jī)>自驅(qū)動絞盤式噴灌>智能化噴灌(半固定式噴灌)。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下，黃淮井灌區(qū)采用地埋自動伸縮一體化噴灌可獲得最佳綜合效益，建議在該區(qū)域適度推廣和應(yīng)用。