基于AHP-熵权法的农业节水技术综合效益评价_高金花

关键词 : 节水灌溉技术 ; AHP ; 熵权法 ; 综合效益

中图分类号 : S274 文献标识码 : A

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2019.12.010

0 引言

近年来，随着人口的增长和耕地面积 的减少，大 力推广农业节水灌溉技术对保障农业可持续发展、缓 解水资源短缺具有重要意义［1］ 。全国农业工作会议

提出以绿色发展、友好环境、带动农民增粮增收等为 考核指标，建立效益优先、质量兴农、绿色兴农的农业 考核评价体系。因此，建立农业节水灌溉技术综合评 价体系不仅要注重经济效益，同时也要以社会效益、 生态效益为抓手。 由于节水灌溉技术种类较多，如何 因地制宜地选择科学合理的灌溉方式变得尤为重要。 农业节水灌溉技术综合效益评价就是从多维角度出 发，对不同农业节水灌溉技术带来的综合效益进行评 估，从而选出最佳的节水灌溉技术，来辅助农民及农 业主管部门。

吉林省西部地区是我国北方脆弱带的一部分，也

是世界三大苏打盐碱地集中分布区之一［2］ 。该地区 干旱机率达 68% ～ 90%，粮食减产可达 18 亿 ～ 23 亿 kg，土壤盐碱化面积已占该地区国土总面积的 31%， 干旱缺水和土壤盐碱化等生态问题影响着吉林省西 部地区农业生产效率及农业生产形势。 目前，吉林省

收稿日期 : 2018－07－18

基金项目 : 吉林省科技厅重大项 目 ( 20140204051SF ) ; 吉林省科技厅

项目 (2014817)

作者简介 : 高金花( 1969－) ，女，吉林桦甸人，副教授，博士， ( E－mail)

zgsherry@ sina．com。

通讯作者 : 高晓珊 ( 1992－) ，女，吉林通化人，硕士研究生， ( E－mail)

1440984498@ qq．com。

文章编号 : 1003－188X (2019) 12－0058－06

为响应国家节水增粮的号召，已经采取高效农业节水 灌溉技术，如膜下滴灌技术、暗管排水技术、高光效膜 下滴灌技术、膜下滴灌+ 暗管排水技术［3－5］。

本文以松原市前郭县灌溉实验地为例，在综合考 虑不同农业节水灌溉技术带来的经济效益、生态效益 及社会效益的基础上构建综合效益评价体系，应用 AHP－熵权法确定指标综合权重，采用线性加权法对 膜下滴灌+ 暗管排水、膜下滴灌及传统漫灌 3 种节水 灌溉技术进行评价研究，从而选出适合吉林省前郭县 的节水灌溉技术。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

研究区位于吉林省松原市前郭县前诸尔钦村，东 经 124°49'，北纬 45°18'，平均海拔为 134m，年平均气 温 4．5℃ ，年平均日照时数 2 879．8h，年平均降水量为 400 ～ 500mm，为大陆性季风气候。试验区为砂壤土， 土壤容重为 1．53g / cm3 ，土壤初始持水量 24%，土壤初 始含盐量为 0．2%。

1．2 试验方案

试验方案为 3 个处理 : 处理一，膜下滴灌+ 暗管排 水方案(简称 T1 ，下同) ; 处理二，膜下滴灌方案 ( T2 ) ;

处理三，传统漫灌种植方案 (T3 ) 。T1 采用的暗管排水 系统由 3 条南北方向布置的 PVC 波纹吸水管和 1 条 东西方向布置的 PE 集水管组成，暗管内径均 100mm， 暗管间距 8m，暗管埋深 0．8m，暗管外包有无纺布。T1 与 T2 采用的膜下滴灌系统由 PE 干管、PE 支管、毛管

·58 ·

和地膜 等 组 成。 其 中，干 管 内 径 34mm，干 管 外 径 40mm ; 支管内径 28．8mm，支管外径 32mm ; 毛管直径 16mm，毛管间距 0．6m ; 滴头间距 0．3m，滴头额定流量 为 2．1L / h，且二者均采用一行一管、两行一膜的种植 模式，灌水量相同。T1 、T2 、T3 株距和行距分别为 20、 60cm，且施肥时间、施肥次数及施肥量均相同。不 同 处理之间采用隔水塑料进行防渗处理。

1．3 AHP－熵权法

目前，农业节水技术灌溉评价方法有 Ｒough Set、 AHP、熵权法及模糊评价法等［6－9］，本文主要采用主客

观相结合的 AHP－熵权法来确定各项评价指标综合权 重值。

1．3．1 AHP 法主观权重的确定

层 次 分 析 法 ( Analytic Hierarchy Process，简 称 AHP ) 由运筹学家托马斯 · 塞蒂正式提出［10］ 。该方法 是通过 9 级标度表对准则层、指标层的各项评价指标 进行两两 比较，进而构造判断矩阵 A = ( aij ) n× n 。其 中，aij 表示第 i 个指标对第j 个指标的重要程度。通 过主观权重公式求得各项评价指标权重值，即

bi

构造判断矩阵时可能存在不合理性，需要将矩阵 的一致性检验指标除以平均随机一致性指标，即 CＲ = CI/ＲI 。当 CＲ ＜ 0．1 时，一致性满足要求 ; 否则，重新 调整判断矩阵，直到一致性满足为止。

1．3．2 熵权法客观权重的确定

熵权法是在综合考虑各项评价指标所提供信息 的基础上，构建评价指标原始数据矩阵 X = ( xij ) m× n 。

其中，xij 为第 i 样本的第j 个指标值。 由于原始矩阵 之间量纲不同，所以采用极值法对原始数据进行标准 化处理，得标准化矩阵 Ｒ = ( Ｒ ij ) m× n ［11］ 。越大越优的 效益型指标采用公式 ( 3 ) ，越小越优的成本型指标采 用公式(4) ，即

1．3．3 AHP－熵权法综合权重的确定

AHP 法求得的指标权重侧重决策者的主观偏好， 熵权法的权重侧重数据之间相互关系［12－13］ 。为了使 指标权重具有准确性和科学性，应将 AHP 确定 的主 观权重与熵权法确定的客观权重相结合，来求得评价 指标的综合权重。考虑主观权重与客观权重的偏差， 选择加法集成法建立综合权重公式 ( 8 ) 。为求出权重 系数 β ，则需联立最小二乘优化函数(9) ，并用 MatLab

求得。

χj = βwj' + ( 1 － β) w j ″

minH = [ (χj － wj' ) 2 + (χj － w j ″) 2 ]

1．3．4

采用线性加权法求得各项节水灌溉技术的综合效

益测度值，即

Vi = rij χj ( 10)

2 结果与分析

2．1 构建节水灌溉技术评价指标体系

为了准确反映 3 个处理各自的综合效益，构建评

价指标体系时以生态效益、经济效益、社会效益相互 耦合的发展理念为指导，以科学性、代表性、一致性为 原则，同时结合前郭县节水灌溉实验相关数据［14］，建

立农业节水灌溉技术综合效益评价体系，如 图 1 所示。

图 1 农业节水灌溉技术综合效益评价体系

Fig．1 Comprehensive benefit evaluation system of agricultural water－saving irrigation technology

·59 ·

2．1．1 经济效益

农业经济效益评价指标种类繁多，指标间的关系 颇为复杂，因而参考国内学者对农业经济效益指标的 相关研究，主要从产值、物耗产值率及劳动生产率 3

个指标考虑，各指标含义及计算公式如下 :

1) 产值 C1 。

C1 = V × Y ( 11)

式中 C1 —单位面积玉米产值(元/ hm2 ) ;

V —单位面积玉米产量(kg / hm2 ) ;

Y —玉米单价，实验区玉米单价为 2．24 元/ kg。

2) 物耗产值率 C2 。物耗产值率是指单位土地面 积农作物总产值与农作物耗资金之比。

C1

N

式中 C2 —物耗产值率 ;

N —单位面积玉米物耗资金(元/ hm2 ) 。

3) 劳动生产率 C3 。劳动生产率是指每个农业劳 动者在单位时间内带来的总产值。

C1 ( 13)

式中 C3 —劳动生产率(元/ 人) ;

L —单位面积年用工量(人/ hm2 ) 。

2．1．2 生态效益

提高生态效益是建设现代农业的重要环节之一。 结合松原市前郭县节水灌溉实验地的现状和发展特 点，将水分利用效率、土壤含盐量及农田化肥污染作 为生态效益的主要考虑因素，各因素的含义及相应的

指标值如下 :

1) 水分利用效率 C4 。水分利用效率是指单位面 积农作物的总产量与农作物生育期内的实际耗水量 之比。

式中 C4 —水分利用效率(kg / m3 ) ;

ETa —单位面积玉米全生育内的耗水量 ( m3 / hm2 ) ;

W2 － W1 —单位面积玉米全生育内的土壤含水 量之差(m3 / hm2 ) ;

Ｒ —单位面积玉米全生育内的降雨量 ( m /3 hm2 ) ;

I —单位 面积玉米全生育内的灌水量 ( m3 /

hm2 ) ;

G —单位面积玉米全生育内的渗漏量 ( m3 / hm2 ) ;

U —单位面积玉米全生育内的地下水补给量 (m3 / hm2 ) 。

2) 土壤含盐量 C5 。用烘干法测定土层深度为 60cm 时玉米不同生育阶段的平均土壤含盐量，T1 、T2 、 T3 分别为 1．22‰、1．44‰、1．82‰。

3) 农田化肥污染 C6 。农田化肥污染主要是作物 未利用的肥料( 以氮、磷元素为主) 通过下渗水转移至

作物根系以下而造成的污染。从肥料流失率的角度 考虑，肥料流失越多，污染就越严重。根据我 国节水 灌溉网可知 : 在吉林省中西部旱区，T3 传统种植 的肥 料利用率为 30%，肥料流失率为 70%，则农田化肥污 染程度为 70%; T2 采用膜下滴灌种植技术，该技术可 使肥料利用率达到 60%，肥料流失率为 40%，则 T2 的 农田化肥污染程度为 40%; T1 是在采用膜下滴灌的基 础上应用暗管排水技术，由于流失的肥料随着入渗水 进入排水暗管，并且暗管出水口直接接入具有净化作

用人工潜流湿地，人工湿地对农业废水的处理效率可 达 50%［15］，所 以 T1 的农田化肥污染程度为 40% － (40%× 50%) = 20%。

2．1．3 社会效益

基于 3 种节水灌溉技术的内在联系与差别，社会 效益评价指标因素的选取应考虑农业技术施工难易 度、农业技术先进水平及农民收入贡献率 3 个方面。 其中，农业技术施工难易度和农业技术先进水平为定

性指标。各指标因素的含义如下 :

1) 农业技术施工难易度 C7 。根据前郭县实验地 各自节水灌溉技术的施工难易情况进行对比分析，从 而确定 3 个处理的农业技术施工难易度。规定判别 值在［0，1］之间，判别值越大，节水灌溉技术的施工程

度就会越难。本文以 T2 为参照对象，来确定 T1 与 T3 节水灌溉技术的施工难易度。T2 铺设干管、支管、毛 管及地膜，将其技术施工难易度值定为 0．5; T1 不仅需 要铺设地膜及管带，还需要埋设暗管，因此 T1 施工难 易性相对 T2 较为困难，将其技术施工难易度定为 0．7 ; T3 为传统灌溉模式，即不需要暗管排水也不需要膜下 滴灌，其施工难易度相对 T2 较为简单，将其施工难易

性的判别值定为 0．2。

2) 农业技术先进水平 C8 。选择先进的节水灌溉 技术是提高农作物综合效益的一种有效手段。农业 节水灌溉技术的先进水平是指为促进农业生产力的 发展使用先进的农业节水灌溉技术来代替落后的农

·60 ·

业节水灌溉技术。基于 3 种节水灌溉的技术先进性，

将判别值规定在［0，1］之间，即判别值越大技术先进 性越佳。本文以 T2 为参照对象，T2 的技术先进性赋值 为 0．5; T1 在 T2 的基础上考虑了暗管排水技术，该技术 是通过暗管将土壤中的盐分排出达到淋盐洗盐的目 的，且排水暗管使用年限较长，所以在技术水平上 T1 相对于 T2 更为先进，则 T1 的判别值为 0．7; T3 为传统种 漫灌植模式，其技术先进性相对于 T2 较为落后，则技

术先进性判别值为 0．1。

3) 农民收入贡献率 C9 。

C9 =

式中 C9 —农民收入贡献率(人/ hm2 ) ;

N — 区域农业总人口，前郭县 N = 43 万人 ; M — 区域农业总产值，前郭县 M = 155 亿元。

根据上述公式计算出不同处理的各项评价指标 值，如表 1 所示。

表 1 不同处理的各项指标值

Table 1 The index values of different treatments

2．2 节水灌溉技术综合效益评价

2．2．1 节水灌溉技术评价指标权重

1) AHP 法。考虑到吉林省前郭县干旱少雨和土 壤盐碱化趋于严重等生态环境问题，为使前郭县节水 灌溉实验地的综合效益值达到最佳，不仅要注重经济 效益，而且要加强生态效益和社会效益的提高。所 以，B1 与 B2 同等重要，根据 9 级标度表，其标度值为 1 ; 同理，认为 B1 比 B3 稍微重要，其标度值为 2; B2 与 B3

也同等重要，其标度值为。建立判断矩阵 A－B，然后 用一致性检验公式对 A－B 判断矩阵进行检验，当判断 矩阵通过一致性检验时，根据公式 ( 1 ) 和公式 ( 2 ) ，即

可求得准则层的各项指标权重。 同理，建立判断矩阵 B1－C、B2－C、B3－C，如表 2 所示 ; 最终确定指标层对目

标层的主观权重，如表 3 所示。

2) 熵权法。采用公式 ( 3 ) 和公式 (4 ) 将 3 个处理 各项指标值构成的原始数据矩阵进行标准化处理，得 标准化矩阵 ; 然后，根据公式 (5 ) 和公式 (7 ) 计算各项 评价指标的信息熵及客观权重，如表 3 所示。

3) AHP－熵权法。联立综合权重公式与最小二乘 函数公式，并将主观权重和客观权重代入，应用 Mat-

Lab 软件求出 β = 0．5，最终算出前郭县灌溉实验区各 项评价指标的综合权重。

表 2 判断矩阵及其一致性检验结果

Table 2 The comparison matrix and consistency test results

·61 ·

表 3 标准化矩阵及权重计算结果

Table 3 Standardized matrix and weight calculation results

标准化矩阵

评价指标

T1 T1 T3

AHP 法

准则层权重 指标层权重 主观权重 信息熵值 客观权重

AHP－熵权法

综合权重

2．2．2 节水灌溉技术综合效益测度值

采用公式( 10 ) 将标准化矩阵和各项指标的综合 权重进行线性加权，求出各项处理的综合效益测度值 及综合效益排序，如表 4 所示。

表 4 各处理的效益测度值

Table 4 The efficiency measure value of each treatment

2．3 节水灌溉技术综合效益评价结果分析

为了更加直接地观察和分析吉林省松原市前郭 县 3 种节水灌溉技术的经济效益、生态效益、社会效 益及综合效益测度得分情况，将测度得分结果用图 2 表示。 由表 4 及图 2 可以看出 :

1) 3 种节水灌溉技术的综合效益测度值排序为 T1 (0．665) ＞ T3 (0．566) ＞T2 (0．324) 。可见，膜下滴灌+ 暗管排水技术使前郭县实验地综合效益达到最佳。

2) 从经济效益可知，T1 的经济效益测度值要小于 T2 与 T3 。虽然 T1 的玉米产值最高，但是物耗产值率和 劳动生产率相对较小，且经济效益的指标权重排序为 物耗产 值 率 ( 0．132 ) ＞产 值 ( 0．118 ) ＞ 劳 动 生 产 率

(0．114) 。 由此可见，要想增加前郭县的玉米经济效 益，在注重提高产值及劳动生产效率的同时，更应该

注重物耗产值率。

3) 社会效益的得分情况为 T1＞T2＞T3 ，采用膜下滴 灌+ 暗管排水技术更有助于提高前郭县的社会效益。

农民收入贡献率对社会效益的贡献程度要大于农业

技术施工难易度和农业技术先进水平。

4) 生态效益的测度排序为 T1 ＞T2 ＞T3 。T1 生态效 益测度得分值为 T2 的 2．1 倍，T3 无得分。可见，膜下滴 灌+ 暗管排水技术相对于膜下滴灌和传统漫灌更有助 于改善吉林西部前郭县干旱缺水、土壤盐碱化及农业 化肥污染等若干生态环境问题。

图 2 不同处理效益测度值

Fig．2 Different processing benefit measure value 3 结论

针对如何能够选出综合效益最佳的农业节水灌 溉技术，采用 了主观赋权 AHP 法与客观赋权熵权法 相结合的评价方法。 以吉林省前郭县灌溉实验地为 研究对象，从经济效益、生态效益、社会效益 3 个维度 选取了 9 个评价指标，构建了节水灌溉综合效益评价 指标体系。通过 AHP－熵权法对评价指标进行综合赋 权，并根据线性加权法实现了 3 种节水灌溉技术的综 合效益测度，最终确定膜下滴灌+ 暗管排水技术的综

·62 ·

合效益测度值最大。结果表明 : 运用 AHP－熵权法可 以科学、合理地选出综合效益最佳的节水灌溉技术。

参考文献 :

［1］ 许迪，吴普特，梅旭荣，等．我国节水农业科技创新成效与

进展［J］．农业工程学报，2003，19 (3) : 5－9．

［2］ 李取生，李秀军，李晓军，等．松嫩平原苏打盐碱地治理与

利用［J］．资源科学，2003，25 ( 1) : 15－20．

［3］ 高金花，周庆瑜，柏宇，等．DSSAT 模型在玉米膜下滴灌模

式下的应用研究［J］．水利水 电技术，2016，47 ( 4 ) : 145－

149．

［4］ 高金花，柏宇，葛胜，等．区域玉米水肥耦合制度的优化研

究— 以长春市绿园区为例［J］．中国农村水利水电，2016 (4) : 4－7．

［5］ 高金花，柏宇，廉冀宁．玉米高光效膜下滴灌试验研究［J］．

农机化研究，2016，38 (3) : 179－182．

［6］ 卢玉邦，郭龙珠，郎景波．综合评价方法在节水灌溉方式选

择中的应用［J］．农业工程学报，2006，22 (2) : 33－36．

［7］ 宁宝权，陕振沛．农业节水灌溉项目优选－基于改进模糊

物元分析模型［J］．农机化研究，2016，38 (4) : 49－52．

［8］ 肖俊龙，刘永强，田浪，等．熵权模糊物元模型在节水灌溉

综合效益评价 的应用［J］．排灌机械工程学报，2016，34 (9) : 809－814．

［9］ 翟治芬，王兰英，孙敏章，等．基于 AHP 与 Ｒough Set 的农

业节水技术综合评价［J］．生态学报，2012，32 ( 3 ) : 931－

941．

［10］ Saaty T L．The Analytic Hierarchy Process［M］．New York :

McGraw－Hill，1980．

［11］ Mon D L．Evaluating weapon system using fuzzy analytic hi-

erarchy process based on entropy weight［J］．Fuzzy Sets ＆ Systems，1994，62 (2) : 127－134．

［12］ 周振民，李延峰，范秀，等．基于 AHP 和改进熵权法的城

市节水状况综合评价研究［J］．中国农村水利水电，2016 (2) : 37－41．

［13］ 倪九派，李萍，魏朝富，等．基于 AHP 和熵权法赋权的区

域土地开发整理潜力评价［J］．农业工程学报，2009，25 (5) : 202－209．

［14］ 廉冀宁．吉林省西部玉米膜下滴灌结合暗管系统水盐运

移试验研究［D］．长春 : 长春工程学院，2017 : 8－44．

［15］ 周艳丽，佘宗莲，孙文杰．水平潜流人工湿地脱氮除磷研

究进展［J］．水资源保护，2011，27 (2) : 42－48．

Comprehensive Benefit Evaluation of Agricultural Water－Saving Technology Based on AHP－Entropy Weight Method

Gao Jinhua1，2 ，Gao Xiaoshan1，2 ，Lian Jining1，2 ，Bai Yu3 ，Wang Li1

( 1．College of Water Ｒesources and Environmental Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，

China ; 2．Laboratory of Applied Disaster Prevention in Water Conservation Engineering of Jilin Province，Changchun

130012，China; 3．School College of Water Ｒesources and Hydropower Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072， China)

Abstract : AHP method and Entropy Weight method are widely used in comprehensive benefit evaluation research of agri- cultural water－saving irrigation technology，respectively．As AHP attaches more importance on subjective experience and Entropy Weight method emphasizes on objective law，these two methods are combined for the comprehensive benefit eval- uation of agricultural water－saving irrigation technology in this study．The comprehensive benefit evaluation index system of agricultural water－saving irrigation technology is constructed by three benefits dimensions of economic，ecological and social．Take the water－saving irrigation Experimental Site in Qianguo County，Jilin Province as an Example．Matlab is applied to calculate the combined weight value determined by AHP－Entropy method，and linear weighting method is ap- plied to achieve comprehensive benefit measurement．The results show that the comprehensive benefit values of three agri-

cultural water－saving irrigation technologies in the evaluation，are drip irrigation under film and subsurface tube drainage

technology (0．665) ＞ drip irrigation under film technology (0．557) ＞ Tradition flood irrigation technology (0．324) ．The drip irrigation under film and subsurface tube drainage technology not only increases the yield of corn and income of farm- ers，but also improves the ecological environment such as drought and water shortage，soil salinization in Qianguo Coun- ty，Songyuan，Jilin Province．The AHP－ entropy method can be used to select the best agricultural water－saving irriga- tion technology for farmers and agricultural departments．

Key words : water saving irrigation technology ; Analytic Hierarchy Process ; entropy weight method ; comprehensive benefit

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