北疆社科研究丨王腾、樊才睿：基于层次分析—熵权法的内蒙古农牧交错带农业用水水平综合评价

编者按：

为深入贯彻落实党的二十大精神和自治区党委十一届六次全会精神，内蒙古自治区社会科学界联合会在微信公众号开设“北疆社科研究”专栏，旨在围绕习近平总书记交给内蒙古的五大任务和全方位建设模范自治区两件大事，持续刊发内蒙古自治区社会科学基金项目系列应用对策性研究成果，进一步凝聚引领社科界的专家学者，由衷地感党恩、听党话、跟党走、激发建设亮丽内蒙古、共圆伟大中国梦的热情和干劲，为全面建设社会主义现代化国家、全面推进中华民族伟大复兴贡献社科力量。

农业用水长期以来作为我国的用水大户，其用水占比可达65%以上，其中灌溉用水又占到农业总用水量的90%以上，可以说农业灌溉用水量的多少直接决定着区域水资源的利用水平。内蒙古地处我国北方干旱半干旱气候区，其境内的农牧交错带是我国东南部农耕区与西北部草原牧区相连接的生态过渡带，区域内农业、牧业接壤交替，可利用的水资源有限，区域生态环境较为脆弱。地理位置及生态环境等因素决定了水资源短缺是制约内蒙古农牧交错带的区域发展的重要限制因子。因此，大力发展农业节水灌溉，提升水资源利用效率，减少水资源浪费是区域生态文明建设和可持续发展的必要手段。

农业水资源利用效率受到工程技术、种植条件、经济水平、气候因素等影响差异较大，而如何精准的衡量各地区农业灌溉用水水平及灌溉效果仍是当前研究的热点问题。目前国内外的研究者对农业灌溉用水及其评估方式进行了大量的研究，主要针对不同地区的农业种植结构，结合水资源调控目标，对区域灌溉水利用效率及水资源承载力进行研究，同时结合农业节水的经济效益及环境效益，利用所产生的经济收益衡量农业节水灌溉水平。部分研究者对农业灌溉用水的评价方法及指标进行改进，结合国家政策、节水技术、资源环境等方面建立了指标体系。评价方法已经逐步由简单的农业灌溉用水定性描述，向定性定量多层次相结合的灌溉用水评价转变。农业用水评价研究虽然较多，但大多数研究是从单一方向出发对农业用水情况进行评价，而对农业水资源利用效率的综合性评价考虑较少。并且农业用水评价尚处于一个起步阶段，评价理论及方法还没有形成统一标准，均处于探索时期。现有的农业用水评价主要集中黄河流域腹地水资源相对充足的广阔农业种植区等，关于农牧交错带等地处于干旱半干旱区生态环境相对脆弱的农业用水评价研究较少。因此本文在现有农业水资源评价方法的基础上，考虑内蒙古农牧交错带自然环境特征，以2020年内蒙古自治区农牧交错带29个旗县农业水资源利用情况为研究对象，利用层次分析-熵权法和模糊综合评价相结合的方法，选取体现农牧交错带农业用水特征的指标，构建覆盖相对全面的指标体系，对内蒙古农牧交错带农业用水水平进行尝试性评价，为我国北方水资源持续利用和生态安全屏障的构筑提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古农牧交错带地处北纬39°35′—45°15′和东经109°36′—120°52′，横跨内蒙古东中西部地区，与山西省、河北省、辽宁省接壤，由赤峰的敖汉旗向西延伸至包头固阳县。按2016年农业部印发《关于北方农牧交错带农业结构调整的指导意见》中明确指出内蒙古农牧交错带重点区域共包含29个旗县（市、区），面积约1 455.15 hm2，行政区划见表1。该区域属于干旱半干旱气候区，年降水量在300～450 mm，降水量由东向西递减，年平均温度在1.5～3.7 ℃，土壤以棕钙土、栗钙土、栗褐土类型为主。交错带内放牧草地面积为501.39 hm2，农业耕地面积308.11 hm2，农业生产主要以小麦、玉米、马铃薯、甜菜、向日葵等作物为主。

表1  内蒙古农牧交错带行政区划

1.2 研究方法

1.2.1 层次分析-熵权法

构建农业节水水平评价体系，首先要确定各评价指标的权重，为加强权重确定的合理性和准确性，采用层次分析法确定主观权重，然后利用熵权法确定客观权重，最后将主观权重和客观权重进行耦合得到综合权重。

（1）层次分析法确定主观权重

确定主观权重，首先在结合内蒙古农牧交错带农业所处的自然环境状况下，考虑用水、节水、经济效益、供水环境等方面确定指标层次及指标体系，然后采用1～9比例标度法进行相互判断比对建立判断矩阵，通过矩阵运算，计算最大特征值和特征向量，进行一致性检验，若CR＜0.1，则通过检验，计算公式如下：

式中：λmax为判断矩阵的最大特征根，RI为随机一致性指标，RI在1～9阶矩阵取值分别为0，0，0.58，0.9，1.12，1.24，1.34，1.41，1.45。

（2）熵权法确定客观权重

客观权重确定首先需要构建评价指标矩阵A=（xij）m×n，然后计算指标特征比值rij，然后根据特征比值rij计算第j个指标的信息熵Sj，最后计算出相应指标权重vj，公式如下（3）～（5）：

（3） AHP－熵权法确定综合权重

在确定了评价指标主观权重和客观权重后，采用乘数归一法计算综合权重，计算公式为：

式中：aj为AHP-熵权法确定的综合权重。

1.2.2 模糊综合评价法

    模糊综合评价主要是通过模糊关系合成原理对多种模糊因素所影响的事物及现象进行总体评价，首先以层次分析-熵权法所确定的权重做为模糊评价的权重，然后确定模糊关系矩阵R，计算模糊子集隶属度，进行模糊运算，将各因素权向量P与模糊关系矩阵R相乘，确定评价对象的综合评价结果F。最后将评语集合分为五个等级T={高，较高，中，低，浪费}，对其赋值{5，4，3，2，1}分值，综合评价得分用X=F•T表示，最终确定评价结果。具体步骤如下：

1.3 数据来源

各指标数据主要来源于2020年的内蒙古自治区和农牧交错带所涉及到的乌兰察布市、呼和浩特市、包头市、锡林郭勒盟、赤峰市的统计年鉴和水资源公报以及相关行政事业单位的统计数据。

2 结果与分析

2.1 农牧交错带农业水资源利用现状

以2020年为现状年，对内蒙古自治区农牧交错带的5个盟市内29个旗县农业灌溉用水现状进行分析（图1）可以看出，内蒙古29个旗县每公顷农业灌溉用水量相差较大，最小灌溉用水量为多伦县，灌溉水量为582.41 m3/hm2，最大灌溉用水量为土默特右旗4 905.86 m3/hm2，灌溉水量是多伦县的16.8倍，平均灌溉用水量为2 585.04 m3/hm2，变异系数为0.38。灌溉水量整体呈现出东部地区高于西部地区和中部地区。对29个旗县灌溉水利效率进行分析，各旗县灌溉水利用效率全部都在55%以上，平均利用效率为68%，变异系数为0.14，整体变化相对较小。各旗县利用效率在全区灌溉水利用平均水平以上，最高利用水平为商都县，其灌溉水利用效率为84%。农牧交错带各旗县灌溉水利用效率分布不均，其中利用效率大于80%的旗县占比10.3%，利用效率在70%～80%的旗县占比37.9%，利用效率在60%～70%的旗县占比24.1%，利用效率在50%～60%的占比27.6%。整体来看，乌兰察布市和锡林郭勒盟的农牧交错带农田灌溉水利用效率较好，而赤峰市和呼和浩特市灌溉水利用情况相对较差。

2.2 农业节水评价指标体系构建

内蒙古农牧交错带地处我国北方干旱半干旱地区，常年降水少蒸发大，地表水资源短缺，生态环境相对脆弱，同时受经济发展和自然环境影响农业种植与畜牧生产活动呈现波动性交替并存的特点。因此，针对内蒙古农牧交错带所呈现出的农业用水环境的特殊性，以农业供水、用水、节水、种植、收益、环境等实际情况为基础，考虑气候干旱、水资源短缺、农业用水受限、农业牧业互相竞争等影响农业灌溉的主要因素，将农牧交错带农业用水评价体系划分为目标层、准则层、指标层。其中目标层为农业用水水平综合评价，准则层为农业用水、农业节水、经济效益、供水环境等4个子系统，农业用水子系统中主要包括农业灌溉用水占比、农业灌溉水利用系数、公顷灌溉水量等3个指标；农业节水子系统中主要包括节水作物种植面积比率、节水灌溉面积比率、高标准农田建设比率等3个指标；农业经济效益子系统中主要包括灌溉水生产效率、主要农作物产量、农业万元GDP用水量等3个指标；农业供水环境子系统中主要包括降水效率、供水模数、农牧业用水量比率、人均农业用水量等4个指标。供水环境指标具体反映内蒙古农牧交错带自然环境和社会环境特征对农业用水的影响。

在确定评价体系各项指标后，参考《国家农业节水纲要（2012—2020年）》、《全国高标准农田建设总体规划（2011—2020年）》、《全国现代灌溉发展规划（2012—2020年）》、《全国大型灌区续建配套与节水改造实施方案（2016—2020年）》、《节水灌溉工程技术规范》等文件以及相关文献。同时借鉴国家及地方水资源管理和节约用水监督检查、计划用水管理、重点监控用水单位监督管理、国家节水行动实施方案等工作内容和要求，确定各项指标的评价等级标准，如表2所示。

表2  农业水资源利用综合评标指标体系及评价标准

2.3 确定农业用水评价指标权重

以准则层权重确定为例，依据层次分析法的计算原则，同时结合专家咨询打分结果，得出评价指标体系准则层指标判断矩阵E：

采用近似解法计算权重并进行一致性检验，得出准则层判断矩阵E的最大特征根λmax=4.243，CI=0.081，CR=0.09＜0.1，该矩阵通过一致性检验，得到主观权重值为PA=0.143，PB=0.462，PC=0.224，PD=0.170。然后利用熵权法计算各指标信息熵确定信息权重，得到客观权重vA=0.210，vB=0.222，vC=0.218，vD=0.350。最后通过乘数合成归一法得到准则层的综合权重aA=0.125，aB=0.425，aC=0.203，aD=0.247。指标层权重计算方法与准则层一致，判断矩阵及最大特征根均通过一致性检验，其判断矩阵、一致性检验如表3所示，最终确定内蒙古农牧交错带农业用水综合评价指标权重如表4所示。

表3判断矩阵及一致性检验结果

表4 评价指标权重计算结果

内蒙古农牧交错带农业用水评价指标的权重值基本可以较好的反映出当前各旗县节水的真实状况。用水水平准则层的权重为0.125，节水水平准则层的权重为0.425，用经济效益准则层的权重为0.203，供水环境准则层的权重为0.247。在农业水资源利用效率评价体系中，节水措施发展的规模是影响农业用水效率的首要因素，因此节水准则层的权重明显高于其它三个准则层，而供水环境准则层权重大于用水效益准则层，主要由于内蒙古农牧交错带与其它农业种植区相比，具有其自然环境和经济结构的复杂性，环境因素和农业牧业交替发生，互相制约对农业节水措施的发展存在较大影响。而用水效益权重高于用水水平准则层，说明在评价体系中，各地在用水水平相近的情况下，更加关注农业用水所带来的经济效益。

2.4农牧交错带节水灌溉综合评价

采用模糊综合评价法对内蒙古农牧交错带农业节水进行评价，以2020年多伦县为例，进行模糊综合评价计算，确定各指标隶属度，建立关系矩阵：

最后，计算出多伦县农业用水水平的综合评价值为2.71，其值在2和3之间，表明该区域的农业用水水平中等，水资源利用效率水平一般。按照相同计算方法对内蒙古农牧交错带剩余的28个旗县2020年农业灌溉用水水平进行综合评价，其评价分值和评价等级如表5所示。从评价分值可以看出，内蒙古农牧交错带总体农业用水水平处于中等到较高水平之间，得分在3～4分用水水平为良好的有13个旗县，占总数的44.8%，得分在2～3分用水水平为中等的有16个旗县，占比55.2%。其中赤峰市的敖汉旗农业用水水平最高，评价得分为3.67分，达到了农业用水较高效利用状态，锡林郭勒盟太仆寺旗的农业用水水平最低，得分为2.26分，仅高出临界值0.26分，处于中等偏下水平。呼和浩特市5个旗县中除武川县农业用水水平处于中等水平外，得分为2.98分，其余4个旗县均达到了3.0分以上，处于较高用水水平。赤峰市的农业用水水平与其它盟市相比，整体较好，10个旗县中有9个旗县处于较高水平，1个旗县处于中等水平。乌兰察布市10个旗县农业用水水平整体处于中等水平，得分介于2.37～2.94，农业水资源利用效率一般，包头市和锡林郭勒盟4个旗县农业用水均处于中等水平，水资源利用效率有待进一步提升。

表5  农牧交错带各旗县农业用水综合评价结果

3 讨论

3.1 农业用水评价指标体系建立

农业用水综合评价具有明显的区域特性，受到地区经济结构、农业种植结构、节水管理措施等多方面因素的影响，具有很大的不确定性和模糊性。评价体系指标的选取在很大程度上决定了评价结果，因此科学的选择评价指标并确定指标权重是农业水资源利用评价的首要问题。内蒙古农牧交错带位于我国北方，地处干旱半干旱气候区，东西跨度大，涉及范围广，涵盖了内蒙古自治区的五个盟市。而现实环境中，各盟市旗县由于所处的地理位置，导致其自然生态环境和经济产业结构差异较大，农牧交错带东部旗县和西部差异明显。因此，针对各盟市旗县农业发展规模和自然环境特征，在考虑各地区经济发展情况的基础上，以各旗县的农业耕地灌溉用水、高标准农田建设、农业种植结构、灌溉水利用效率、农业灌溉投入产出等数据为基础，确定农业用水评价体系的基本框架。并在基本框架上额外考虑农牧交错带自然环境及农业牧业相互竞争对农业用水水平的影响。最终确定内蒙古农牧交错带农业用水综合评价体系，形成农业用水、农业节水、经济效益和供水环境等四方面的评价准则。

在评价过程中为了突出农牧交错带与其他农业种植地区农业水资源利用环境的差异，本研究以农业供水环境中的4项指标，代表内蒙古农牧交错带的区域特征。其中降水效率指标（D1）重点表现农牧交错带的自然环境特征对农业用水的影响，交错带中降水量由东向西递减，东部旗县降水多，可利用水资源丰富，而西部旗县受降水等自然因素限制，其农业用水更依赖于地表水和地下水灌溉。农业牧业用水量比率指标（D3）主要体现农牧交错带中农牧业发展结构以及相互竞争的关系对农业用水所产生的影响，农牧交错带可利用的水资源有限，而当地居民为了实现利益最大化，在不同的时间会选择效益高的农业或牧业，使二者呈现出竞争关系，而农业牧业的交错存在，则不利于高标准农田的建设和大规模节水措施的推广，使得农业高效用水受到限制。供水模数（D2）和人均农业用水量（D4）是从社会经济角度出发，考虑各旗县区域面积和人口数量对农业用水的影响，在农牧交错带中区域面积直接影响农业种植面积和农业灌溉规模，往往区域面积较大的旗县其牧业发展较多，而人口数量的增加则会加速城镇化，对农业和牧业发展起到相反的作用。因此，本研究的农业水资源利用评价体系总共构建了4个准则层13个指标，该指标体系的建立思路与王美慧在对长三角地区农业用水效率评价时较为接近，其在节水层面选取的指标更多的偏重于作物结构所造成的节水效果，而本研究在考虑作物结构的同时，更多的考虑农牧交错带特有的自然因素和经济结构因素所造成的节水效果。

3.2评价指标权重确定

内蒙古农牧交错带农业用水评价指标体系采用层次分析-熵权法确定各项指标权重，在用水准则层中农业灌溉用水权重为0.019、灌溉水利用系数权重为0.077、单位面积灌溉水量权重为0.029。在农业灌溉用水过程中，水资源利用效率作为首要关注问题，是农业水资源高效利用的核心，其权重占比较高，符合农业用水评价的实际需求。该结果与白惠婷对京津冀城郊农业园区水资源利用效率评估较为一致，在用水层面中，均将水资源利用效率放在首要位置。在节水准则层中节水作物种植比率、节水灌溉面积比率、高标准农田建设比率的权重分别为0.054，0.211，0.160，总体体现出农业灌溉过程中节水措施的重要性。就目前而言，在内蒙古农牧交错带，由于高标准农田的建设处于初始阶段，农田建设面积较小，更多灌溉农田主要采用喷灌、滴灌、防渗输水等各类节水灌溉措施，所以在本研究中节水灌溉率的权重要高于高标准农田建设比率权重。在经济效益准则层中灌溉水生产效率、主要农作物产量、农业万元GDP用水量等指标的权重分别为0.026，0.101，0.076，主要由于经济效益评价中更加关注农业灌溉用水后所产生的作物量和其所带来的GDP贡献，直接体现农业水资源的生产效率，所以其权重占比较高，该趋势也与刘学智等人对宁夏农业用水效率的研究较为一致。在供水环境准则层中降水效率的权重为0.073，供水模数的权重为0.017，农牧业用水量比率的权重为0.095，人均农业用水量的权重为0.070。除供水模数外，其它指标的权重较为接近，主要由于农牧交错带自然环境与社会环境存在众多因素对农业用水产生影响，而最关键的影响因素还是农业与牧业之间协调发展，如何妥善的处理好农业牧业之间竞争关系，也是农牧交错带今后主要的研究方向之一。

3.3 农业节水水平综合评价

内蒙古农牧交错带农业用水水平综合评价采用模糊综合评价法确定各旗县的评分结果，得分在0～5分，得分越高，其水资源利用水平越高。在评价结果为用水水平较高的13个旗县中，评价结果在3.5以上的仅有敖汉旗一地，评价结果在3～3.2有8个旗县，其分值与中等用水水平的临界阈值较接近，需引有关主管部门的注意，在部分极端气候年份，其用水水平有掉落到中等水平的风险。对于评价结果为中等水平的16个旗县中，武川县、土默特右旗、商都县、察哈尔右翼中旗、阿鲁科尔沁旗等5个旗县评价分值为2.8～3.0，较接近较高用水水平的临界阈值，可以通过推广节水器具、改变种植结构、加强灌溉用水管理、建设高标准农业等方式，改善农业用水现状，使其达到较高水平。

内蒙古农牧交错带农业用水综合评价从农牧交错带区域特征出发，得出评价结果。将综合评价结果与农业水资源利用效率研究中最常采用的指标作物水分利用效率（WUE）进行对比参考，利用Spearman等级相关系数进行相关分析，由图2可以看出，综合评价的等级排序与作物水分利用效率（WUE）等级排序间的相关系数为0.67，两者存在一定的相关性。主要由于作物水分利用效率（WUE）是从农作物单位耗水量的角度出发，以降低水量投入提升作物产量为目标去评估农业水资源的利用状况，其评价结果更多的考虑水资源成本效益问题。而本研究进行综合评价，在考虑成本效益的基础上，考虑了自然环境，节水管理等方面对农业用水的影响，所以其评价结果与作物水分利用效率（WUE）存在相关性，但又有所区别，导致相关系数仅达到0.67。

以往的农业用水评价更多的是集中地理环境简单、产业结构单一、以种植业为主的单纯农业区，其构建的农业用水评价指标体系对于存在牧业竞争影响，地理环境变化较大的农牧交错带并不适用。而本研究在考虑内蒙古农牧交错带农业节水特征、供水环境特征、经济效益特征的前提下，基于层次分析-熵权法构建信息覆盖相对全面的农牧交错带农业用水综合评价，是对农牧混交区域农业用水综合评价的大胆尝试，首次将内蒙古草原畜牧业对地区农业用水的影响例入评价指标，构建具有农牧交错带区域特色的农业用水评价体系，为更真实的反映农牧交错带农业水资源利用状况，为后续农牧交错区域农业用水的研究提供支持。

4 结 论

（1）内蒙古农牧交错带各旗县间农业灌溉用水量相差较大，整体呈现东高西低趋势，灌溉水量在582.41～4 905.86 m3/hm2，平均灌溉用水量为2 585.04 m3/hm2，变异系数为0.38，各旗县农业灌溉水利用效率整体水平高于自治区平均水平，利用效率平均值为68%，变异系数为0.14，东中西部地区中乌兰察布市和锡林郭勒盟农业灌溉用水最少，灌溉水利用效率较高。

（2）基于层次分析-熵权法的农业用水水平评价体系可以较好地反映内蒙古农牧交错带农业用水水平的指标权重，指标体系不仅体现农牧交错带各旗县所处自然环境差异，而且从准则层和指标层均体现出农牧交错带区域特征。主观客观相结合的权重确定方法也提高了评价精准性和科学性。

（3）内蒙古农牧交错带农业用水水平整体处于中等偏上水平，利用模糊综合法对29个旗县农业水资源利用进行综合评价，得出用水水平较高的旗县占比44.8%，中等水平占比55.2%，农业水资源利用水平为中等地区仍需大力发展节水措施，提升水资源利用效率。

本文是内蒙古自治区社会科学基金项目成果。

作者王腾，集宁师范学院讲师；樊才睿，乌兰察布地理空间大数据应用与环境监测重点实验室副教授。

本文转载自《水土保持学报》。