农业节水技术评价研究绪论

　　第一章 绪论

　　1.1 本文研究背景。

　　水是人类生产和生活过程中必不可少的基本自然资源，是经济社会可持续发展得以实现的物质基础。我国的水资源相对匮乏，淡水资源只占世界总量的 8%,而人均占有水资源量仅约为 2200 m3,只相当于世界对应值的 25%（章力建 2005）。我国作为农业大国，近年来农业用水占到社会总用水量的七成以上。从东南地区到西北地区几乎所有耕地种植的绝大多数作物在不同程度上都需要灌溉，而目前灌溉的耕地面积仅为国家耕地总面积的 42%,农田灌溉水量却高达农业用水量的 90%~95%（黄修桥 2001）。同时用水效率低，据统计，目前我国灌溉水利用率仅在 45%左右，相较于发达国家低了20%~40%（吴景社 2003）；经计算每立方米水平均生产粮食仅为 1 千克，基于我国农田灌溉水资源投入最多而浪费最严重、农业节水潜力巨大的基本国情，我国农业节水灌溉势在必行。

　　随着人口数量的增长和经济的迅速发展，我国水资源的短缺问题愈加严重，节水工作愈来愈受到重视，我国在节水灌溉新技术的应用基础及前沿与关键技术创新研究及应用推广、节水灌溉关键设备与重大产品研制开发及后续产业化、节水技术综合体系的集成与示范工程建设等方面做了大量的工作，取得了较为显着的成绩（段生梅 2009;吴普特 2005）。20世纪50年代着力进行水资源的开发及农田灌溉的发展（吴普特 2010）；20世纪60年代进入节水技术的试验研究时代（雷波 2004）；20世纪70年代开始大规模应用并推广渠道防渗技术、畦田改造技术；20世纪80年代进而实现低压管道输水技术的大范围推广同时实行微喷灌等节水新技术的试点示范（孟夏 2008）。20世纪的90年代，我国的节水农业发展进入了新时期，如今节水技术已发展成以工程节水技术和农艺节水技术为主的技术体系（周扬 2012）。

　　目前，我国农业节水技术的发展成就显着，但同时也存在着诸多问题。主要体现在由于我国地区条件的差异性和节水灌溉技术的复杂性，使节水灌溉方式的推广成为一个复杂而重要的问题。而目前大多数节水灌溉方式的推广都缺乏相对合理的适宜性评价，尤其是在技术与区域以及作物结合方面，实际状况大多单纯为了节水而采取节水措施，最终往往首选综合效益最高的技术，而实际上，最优的不一定是最合适的。

　　1.2 研究目的和意义。

　　农业技术创新是发展现代节水农业的关键，对保障我国粮食安全、水安全和生态安全均具有十分重要的意义。近年来，随着我国的农业新技术的水平提高，推广范围也随之越来越广。然而，有些地区农业技术的推广应用不当而产生负效应的问题日益突出，农业新技术也随之无疾而终，其原因的构成包括多方面因素，包括工程建设初期的工程设计、建设过程中施工质量等方面的原因，也包括工程建成后投入运行过程中的管理因素，究其根本原因是技术推广应用的规划设计过程中未进行科学全面的适宜性评价。

　　技术创新的最终目标是把科技创新产出的成果有效转化为现实的生产力，换句话说就是将研发出来的新技术进行推广和应用（张顺玲 2006）。因此，农业技术适应性评价的相关研究就显得非常重要，这是实现生产力转化的关键环节。

　　农业节水技术作为一项农业新技术，研究其适应性具有很大的理论与现实价值。从理论角度讲，其适应性不仅仅是技术本身发展及配套政策和措施的可行性问题，还受到各地区自然、社会、经济等方面的制约，需要数亿农民的参加和积极投入。同时，由于我国地区条件的差异性和节水灌溉技术的复杂性，必须将两者结合起来进行因地制宜技术推广应用。且在当前中国的土地政策所有制下，技术的最终使用者还是小农户，所以尤其要注重发挥农民自身节水的积极性，他们对技术的认可决定性地影响农业生产实践中节水技术的扩散和发展（戚春燕 2013）。

　　因此，通过对农业节水技术对地区的可行性、农户微观角度对节水技术的认可程度、技术应用的可持续性来反映节水技术的适应性，具有很强的科研价值，可为指导生产实践提供一定的理论指导。此外，通过对农户这一基本生产单位进行分析，为分析更大区域或者范围做了铺垫，为农业节水技术进一步的推广、适应和应用奠定基础。

　　1.3 农业节水技术适宜性评价研究进展。

　　农业节水技术的适宜性评价多是通过综合效益本身来反映的，以往对于节水技术的综合效益研究分为两个阶段：单一效益的评价阶段和综合效益的评价阶段。前者主要是围绕工程对于水资源的利用效果和经济效益对节水灌溉模式展开评价，后者则结合考虑节水系统对地区经济之外的社会方面和生态环境方面的积极或消极作用进而对节水系统的综合效益问题进行评价（雷波 2006）。

　　1.3. 1 节水工程的单一效益评价。

　　Manuel Martin Rodriguez 等在西班牙旱作地区对节水工程经济效益研究中，提出了此类地区节水工程针对经济效益的评价方式，其思维主线是对处于相近自然、地理条件下的旱作农业区进行节水灌溉处理后同未处理情况进行对比各自不同的生产状况，进而估算节水技术的经济效益（武前明 2009）。针对这种评价思路，Manuel Martin Rodriguez 等（2002）人在西班牙的主要旱作地区进行了研究。以区域内未采用节水灌溉措施的已有数据作基础，并以其他条件基本相同而采用节水技术的地区同时段内的生产数据作参照，来确定传统旱作农业的相关数据，最后提出了对节水农业的经济效益进行数学评价的模型（吴景社 2004）。程吉林等在喷灌工程前期规划设计中克服了传统比较方法仅仅对几个主要经济指标、技术指标的比较以及仅限于两个方案间比较优选等种种缺陷，采取以模糊数学理论为基础的层次分析方法，对不可量化的包括技术方面和经济方面的指标、水源不同类型、施工过程中进度及管理安排、以及相应的投资水平等在内的影响因素分别采取语言化的模糊评价（吴景社 2004）。并利用方根法进行子因素的相对权重计算及检验，和采取专家会议法协商或者层次分析理论进而得出各因素的权重达到综合评判的目的。刘维峰等建立高效节水的目标函数定性分析后，采取层次分析方法主要针对灌溉区域面积、节约水资源量、工程总投资和经济净现值等指标进行节水灌溉方式的选择，并实现控制投资或区域面积相同时，选择最佳灌水方式的方法（武前明 2009）。接着，环境问题愈发严重，众多学者逐渐将节水灌溉工程对环境的积极或消极影响考虑到评价内。蒋听等在宁夏的盐池县地区利用项目示范区实测数据，分析针对节水灌溉工程建成并运行后产生的生态环境效应（雷波 2011）。FAO 进行灌溉对于地区农业的影响研究得出主要影响包括：加重土壤侵蚀，农药对地表水和地下水造成的污染；农田灌溉水中所含营养物质增殖水中草类、藻类植物，渠道的富营养化（雷波 2011）。齐学斌等（2000）研究发现喷滴灌实施地区的农田附近生物学发生了环境变异、生物的多样性发生了变化及继而导致农作物产生的病虫害情况；单从渠道衬砌来说，其明显影响了地表水补给地下水的水资源量。郭宗娄等（1999）构建了灌溉排水工程的环境影响评价的指标体系及评价模型；在此之后，他又改进了环境影响评价的相关方法，并建立了采用加权方法进行综合评价的模型和神经网络评价模型，最终得到了相对合理的实现定量评价的模型结果（杜丽娟 2010）。

　　1.3.2 节水工程的综合效益评价。

　　学术界越来越关注节水技术体系对研究区域包括社会经济方面及生态环境方面的影响基础上，开始对节水系统的综合效益评价进行了探讨（王景雷 2002）。姚崇仁从节水灌溉的内涵出发，认为针对干旱缺水灌区的农田节水灌溉评价标准的确定问题应该考虑作物整个生育期的灌溉需求，制定较为全面的节水灌溉评价标准，作为衡量节水灌溉及其实现程度的依据。在农田灌溉过程中的节水潜力进行综合评价时，要同时考虑地区经济、社会发展、技术特点、生态环境、地表水及地下水开发以及节约能源等尽可能全面的"非经济"因素（P. M. S. Jayathilaka 201;褚琳琳 2011）。因此，将其指标定为物质性和精神性两大类指标，并针对用数学方法计算农田灌溉过程中存在的节水潜力进行综合评判，设计此方面通用的计算软件（黄琳琳 2007）。罗金耀（1998）进行节水系统的综合评价得出：依据对于系统的影响因素分析进而构建评价指标体系的过程，需要同时考虑经济、生态环境、作物种类、工程建设前规划及建设后运行管理等不同方面。在实际评价工作时，提出包含上述因素的六大类指标在内的指标体系，并在定性指标提出专家评估预测等方法。在此基础上建立节水灌溉的综合评价模型，并尝试在计算指标的可能满意度的方法前提下进行节水灌溉系统的综合评价研究。候维东（2000）等在井灌项目综合评价研究中认为，结合井灌节水项目的特点，井灌节水综合评价模型应该在传统的层次分析方法基础上，参照灰色关联的有关理论，充分利用两种方法的优点，整合专家意见，定性指标、定量指标资料为计算机建构模型提供理论及数据基础，达到对系统进行科学分析与评估的目的。把井灌工程的综合效益依据影响因素建立成经济范畴、生态环境范畴、区域社会范畴三个准则层，在此基础上进一步分解，最后构建包含经济层面、社会层面以及生态环境层面等五个层面的评价井灌工程的综合效益指标体系。周维博等在评价干旱、半干旱灌区水资源利用的综合效益中得出：此类气候条件下地区水资源供应不足和社会因素以及生态环境保护都对农业的发展产生作用。所以，选取灌区水资源利用的综合效益评价指标工作中，需同时考虑经济、社会和生态三方面的效益。为此，采取层次分析方法把灌区水资源利用的综合效益评价指标总体分为三个层次，首先第一层：

　　目标层设置为干旱半干旱灌区水资源利用的综合效益；其次第二层：准则层设置为经济、生态和环境三大方面的效益；第三层为评价指标层（吴景社 2004）。

　　1.3.3 节水技术的适宜性评价方法。

　　节水方式的适应性评价的方法大体经历了两个阶段：大尺度规范性的定量研究阶段和实证性的定性研究阶段。最开始的节水技术适应性评价是定性研究国家尺度或者完整的工程体系。随着科研深度加深，对于节水工程的评价，学术界不只是停留在定性层面，而是逐渐向定量的实证研究拓展（刘兴华 2006）。

　　1.3.3.1 节水方式的定性规范性研究许志方（1981）选取包含工程的效益费用比、回收期、水资源有效利用、设备和材料、水价及运行管理等方面的指标进行水利工程技术及经济评价，虽然分析了动态性，但缺乏社会和环境因素的考虑；黄修桥等（1999）认为评价指标应以灌概实际用水量、农田灌溉水的利用系数以及灌溉工程技术方面的指标为主，指出节水灌溉的综合效益同时涵盖水资源、能源、耕地等的节约量以及作物产量和经济效益等的增加量。蔡焕杰等对农业用水的管理评价研究中从技术特点、经济效益、社会条件和环境保护层面入手，全面表征灌溉排水系统的运行现状、农田用水的管理情况、农作物增产效果和经济增益情况、水资源的有效利用以及生态环境保护的方面状况。以上都属于尺度较大的研究且多只是进行了定性的评价。

　　1.3.3.2 节水方式的定量实证性研究。

　　随着科研深度加深，对于节水灌溉工程的评价，学术界不只是停留在定性层面，而是逐渐向定量的实证研究拓展。Charles Mburtt（1988）开发出专门评价灌溉工程的相关程序，选取包含灌水质量方面、运行管理方面、工程耗资方面、水资源及能源节约方面的指标。

　　许多专家认为区域具有地区差异性和因素层次性的庞大系统，依据实际条件采用不同的节水灌溉技术，其不同技术间会产生影响作用，明显得出运用某些节水灌溉工程的效益机械加和并不能体现地区内工程所产生的总体效益。因此，随着研究深入，又将尺度逐渐转换为大尺度（刘兴华 2006）。张庆华等（2002）深入剖析层次分析的研究理论，构建包含灌溉工程的灌溉质量、工程投资收益情况、运行管理可持续性、地区各方面的适宜性等方面包含的不同因素评价模型，系统介绍了用于选择节水灌溉方式的总排序程序、单排序流程及其计算各指标权重的方法。

　　1.3.3.3 节水技术适宜性评价方法的结合应用。

　　随着研究的深入，学术界发现现行使用的评价方法都有相应的不足之处。例如，专家评估法多是应用概率统计方法，算取各评估结果的平均值作为指标权重；层次分析方法的流程是构建具有层次结构的模型，并利用两两指标间对比得出其判断矩阵，最后以特征值判定各指标的隶属度。此法虽然采取相对严谨的数学方法进行计算，但其结果的准确性受制于所定的评判标准的主观性。此类方法属于模糊评判方法，一般情况下结果相对合理，而遇到系统内容复杂情况就需要建立多个隶属度函数，致使过程相对繁琐复杂。因此，学术界开始将注重各评价方法的结合在节水灌溉综合效益中的应用（周明耀2000）。姚崇仁（1995）针对干旱半干旱地域的水资源短缺灌区的灌水方案，构建包含方案的经济效益费用方面、生态环境方面、水资源有效利用效益在内的综合评价的指标体系，有机结合层次分析理论和系统动力法进行评判缺水灌区的节约水量的潜力大小，评判结果相对合理；卢玉邦（2006）应用多层次及其包含的多指标模糊优选评判模型对节水灌溉工程进行优选，采用层次分析法和专家判断法相结合的主观和客观分析方法界定各层次各指标的权重，有效避免了前期权重确定不准及不客观的问题，提出"经济-资源-社会"评价系统。在构建适合干旱地域全面规划的综合评判模型和计算方法基础上实现松嫩平原灌区干旱农田的节水灌溉系统的评价分析，为干旱地域水资源合理开发及后续利用和地区农业用水规划提出决策的现实依据。赵会强、锥文生等依据神经网络相关理论，建构以农业节水等指数为主的指标体系实现河北省所属十余个地区的节水评价；葛书龙选取工程的用水情况、运行状况、投入产出方面的指标，结合灰色系统方法实现苏北已有水利项目的评估。这一研究阶段所应用的评价方法较好的克服了前期不准确、不客观的缺点，并能够与前期的层次分析方法合理结合，最终得出包含各层次的效益量化数值。邵光成等（2007）在膜下滴灌模式评价中指出以往方案优选理论对灌水方案评价过程中存在的掺杂主观因素和各影响因素对评价目标的重要性描述等缺陷，提出将加速遗传算法和投影寻踪相结合建立模型，进行膜下滴灌模式下多种灌水方式的对比评价。并进行了实例验证，对现行多种灌水模式的系统评价及对比优选，研究得出：理论上综合考虑不同灌水模式下的作物产量、产出品质、单方水增产效果等情况基本上与实际上试验田的情况相符，说明模型实现了可观、全面地体现各影响因素对于总体目标的重要性和方向性。

　　1.4 现有研究中存在的主要问题。

　　综上所述，近年来农业节水技术的发展，国内外学术界在节水技术适宜性评价方面的研究已取得了一定的进展，但仍存在着需要完善的问题。

　　1）目前已有不同节水技术优化选择及其推广可行性的研究大多是以各项节水技术的参数和自上而下的统计数据为基础，较少与特定区域的具体实践相结合，因而难以确切反映当地的实际情况。

　　2）目前国内外相关方面的研究学者论证的用于方案优选方法及理论推动了节水技术的适应性评价的发展，如模糊评判方法、灰色优选理论、层次分析方法等，同时此类方法又各自存在着弊端（T.R. Nisar Ahamed 2000;邵光成 2007）。迄今为止，还没有一个相对合理的选取评价方法的标准，因此，灌区农业节水技术的适宜性评价方法有待进一步完善。

　　3）评价指标的选择具有较大的随意性，构建的指标体系针对性不强，不能反映所研究灌区特有的水资源、经济、社会和生态环境特征，影响区域节水技术适应性评价的客观性。指标选取不全面或指标重复的缺点较为严重。以往研究中，指标的选取往往采用经验法，可能会导致指标选取不完整或者指标重复的问题。建立相对独立、有代表性和针对性强的指标体系是灌区节水技术适应性评价中首先要解决的问题，因此必须选用合适的方法构建指标体系。

　　4）对于指标权重的确定现有主观和客观两种确定方法。灌区节水技术适应性评价方法中，确定指标的权重系数为综合评价过程中的核心工作（朱秀珍 2004）。但目前常用的两类方法都具有其各自的应用局限性：主观赋值法依赖于受访专家的专业知识和科研经验，受人为因素干扰较大；客观赋值法具有模糊随机性，因此，其结果解释性不强，存在一定的缺陷。这两类方法确定的权重值具有一定的局限性，权重确定结果较片面，不能保证其结果的可靠性。

　　1.5 研究内容。

　　针对以往研究中存在的主要问题，本研究主要采用频度分析、德尔菲方法构建农业节水技术适宜性评价指标体系和评价模型，并应用于河套灌的不同节水技术适宜性评价，提出适宜灌区现状的节水技术。其具体研究内容如下：

　　1.5.1 农业节水技术的适宜性内涵分析。

　　在对节水技术体系和灌区尺度的节水技术对于地域适宜性分析基础上，深入分析节水技术针对特定地区的适宜性评价内涵，并以此提出相应的原则，为后续具体构建评价节水技术对于灌区尺度的适宜性指标体系提供理论线索和依据。

　　1.5.2 建立农业节水技术适宜性评价的指标体系。

　　根据适宜性内涵的细致分析，提出节水技术区域适宜性的评价指标体系具体构建的原则，利用频度统计分析与德尔菲专家打分相结合方法，构建节水技术对于研究区域适宜性评价的指标体系。

　　1.5.3 农业节水技术适宜性评价模型的建立。

　　利用已建立的节水技术对于研究区域适宜性的具体评价指标体系，采用基于遗传投影寻踪方法，构建灌区节水技术适宜性具体评价模型。

　　1.5.4 实现对内蒙古河套灌区的不同节水技术的适宜性评价。

　　在上述指标体系和模型建立的基础上，进行内蒙古河套灌区具体的田间节水技术区域适宜性评价的指标体系，利用遗传投影寻踪模型进行灌区田间节水技术的适宜性评价。

　　1.6 研究方法和研究方案。

　　1.6.1 研究方法。

　　（1）统计资料与野外实地调查资料综合分析。收集整理灌区近年来的社会经济、规划资料及作物用水等已有统计资料，找出研究需要而资料中不完善部分，通过野外参与式实地调查进行补充和完善。

　　（2）适宜性评价方法的结合应用。节水技术适宜性评价具有较强综合性、包容性、和动态性等特性，其影响因素众多、系统复杂，使得一系列已有的方案优选理论及方法受到很大限制，因此，各评价方法的合理结合如灰色系统理论、人工神经网络等与层次分析方法的结合，融入加速遗传计算方法的投影寻踪数学模型等方法对于这种复杂大系统的优化体现出了优越性（邵光成 2007）。

　　（3）探索性理论分析和实证性研究有机结合。围绕农业生产实际中节水技术区域适宜性这一中心，探索其影响因素，在节水技术地区适宜性内涵的理论分析基础上，应用典型研究区域实地调研数据，对节水技术地区适宜性评价实现实证研究分析，探究促进地区进步的适宜农业节水技术。

　　1.6.2 研究方案。

　　（1）查阅并分析国内外关于节水技术适宜性已有理论和研究，合理建立节水技术综合技术体系并分析其中各技术特点，并以灌区为尺度分析节水技术对于各灌区的适宜性。

　　（2）依据适宜性理论，深入分析节水技术区域适宜性评价的内涵，并以此提出节水技术区域适宜性评价的原则，为适宜性具体评价的指标体系的建立提供宏观思路。

　　（3）选择具有代表性的典型灌区，采取入户入田的野外参与式调查方式收集灌区农业用水和节水、作物结构和生态环境状况，分析灌区目前存在的主要问题，调研和分析结果为农业节水技术评价指标体系的构建与量化提供基础（王娟 2010）。

　　（4）节水技术区域适宜性评价的指标体系的建立。

　　在总结文献的基础上，提出节水技术评价指标体系构建的原则和方法，并利用频度统计分析与德尔菲专家打分相结合的方法，构建节水技术区域适宜性评价的指标体系。

　　（5）节水技术适宜性评价模型建立及求解。

　　根据节水技术适宜性评价的核心是实现多维评价指标合理综合为一维指标的过程，以便在低维空间中实现对多种积水技术进行评价的理论（孟夏 2008）。通过对节水技术适宜性评价指标的分析及相应的规范化处理，建立针对适宜性评价的投影寻踪分类模型，并利用实码加速遗传的算法实现模型的合理优化及投影值求解，达到进行多种节水技术的适宜性评价目的。

　　（6）节水技术区域适宜性评价模型的具体应用。

　　在对河套灌区现有节水技术进行野外调研基础上，筛选出灌区主要的现存及考虑引用田间节水技术，依据数据可得性及指标重要性选取节水技术区域适宜性评价的具体指标，以河套灌区为例，验证节水技术适宜性评价工作的合理性及可行性。