农业水资源评估方法

第三节　农业水资源评估方法

一、常用农业水资源评估方法

水资源评估是区域可持续发展测度的重要内容，是研究区域水资源承载能力和合理配置的基础。经过多年研究，在传统的水量分析法的基础上已形成了一些比较成熟的评估方法，如主成分分析法、层次分析法、水文分析法、水动力学的解析法、有限元法、系统分析法、回归分析法、投入产出分析法、模拟分析法、最优化方法、、数值法以及电模拟法、系统理论法、关联分析法、模糊数学法、模糊综合评判法、灰色评判方法、灰色聚类分析法、灰色综合分析法和神经网络法等。由于水资源评估中，不确定因素较多，各种方法所做出的农业水资源评价结果都各有优缺点，因而在方法选用上是比较困难的。因此，要建立农业水资源评价模型，对现状及未来水资源量进行评估，首先要了解一些比较成熟的方法，然后再考虑建立不同农区具有物理背景的反映地表水、土壤水、降水与地下水转化机制及蒸发、下渗、作物吸收等水循环过程，引水、灌水、开采等水资源开发利用活动的农业水资源评价模型。

在水资源规划中Eeffndy提出分布式水文模型如ANSWERS，TOPOG，ToPnadSHE的应用。在对肯尼亚的克里河流域水资源进行评价时，Jayakrishna曾尝试使用SWAT——连续水质模型中土壤及水评价工具，通过模拟从1978到1997年间克里河流域中水的流速、流量以及沉积物的状况，发现详细的有用数据的输入是水质模型评价水资源的一个主要问题。建立在随机程序模拟上的高斯模拟方法由Casrtignano等用于对意大利南部一个面积约100平方公里的地区的土壤水和硝态氮的含量的评估，然后描述不同地区土壤水和硝态氮在利用上的差异。

区域水量平衡法可以用来分析各区单位面积的平均用水量。该方法从宏观着眼，将区域进、出水总量和区内储存水量变化的平衡差作为主要考量对象，而不考虑区内各部分水量间(地面水、地下水和土壤水等)的相互转化关系，可以有效避免计算过程中的人为误差。计算方法简单，能够直观反映各地农业用水量的实际数值是此法的优点。

专家系统评价法也是目前国内常用的一种分析方法。该方法根据广泛收集的信息资料，通过不同层次的分析得出有用结论。简要介绍步骤如下：

假设最低层第A个指标的判断原则为

pij（k）＝C［xij（k）］　　（1）

然后推求各指标的评分值为Pij（k）。

由于指标序列中各个指标对总目标的逐层重要性权重值W(L)(k)存在差异，因此需逐层计算评价值:

评价值Eij说明了i地区在j时段的水资源状况，开发利用程度或管理水平。公式（2）是多项代数式的普通形式，其中包括了多种指标评分和权重乘积。这个公式可以根据具体资料，针对不同评价要求和重点设计出综合经验公式。

目前我国系统分析方法在水资源评价工作中的应用以水资源系统模型（WBDS系统—安徽省水资源数据库模型）为处于较成熟阶段的成功案例。该模型根据安徽省的实际情况，把大量水文及水资源数据录入数据库，初步建立了具有适宜性的数据库。这个模型的建立正是在一个具有众多可供选择的方法的复杂的水资源决策方案中，选用系统分析法的优势体现。

水动力法(数值模拟、有限元法和有限差分法等)是一种能够更加精确地评价水资源问题的方法，它为水资源评价提供了新的研究途径，同时扩大了水文模拟技术的应用范围。目前也是世界上相关学者机构研究探索的新途径。

神经网络预测方法也是一种对水资源管理提供可用数据结论的实用方法。该方法认为实际需水量包含了所有变量因素，因而可以作为网络的输出层；而在目标规划年有明确规划量的影响需水量变化的特征因素可以作为输入层。为了使预测需水量与训练样本一样，采用历年统计资料为样本训练网络。这样，预测需水量就包含了所有影响训练样本中需水量变化的因素，也使历年实际需水量成为其考察因素及其自身变化规律的外延。

水资源评价的方法还可以采取单项指标法、多项指标法和综合评价法等三种指标评估的方法。单项指标法是选择单一指标针对区域内水资源的特定属性进行评价，如水资源人均占有量、水资源利用率等；多项指标法是选取多项指标针对区域评价对象进行评价。首先要进行的是单项指标评价，接下来采用算术平均法、加权平均法等数学方法和技术处理手段，求出多项指标的综合数值，从而得出多项指标评价的结果；综合评价法在水资源评价中的应用还处在探索阶段，我们不妨将水资源评价指标所涉及的各项内容进行适当归纳，划分为某几种类型的指标，再采用多项指标法进行评价，最后再进行分类评价。在某种程度上，这样的做法也可以反映出所需评价的区域内水资源的综合特征。

值得一提的是，目前国内外关于水资源评估的方法中有为数不少来自于或依托于计算机技术应用的方法。比如，基于GIS软件应用的分析方法，利用UML语言编程的评估方法等。

通过GIS软件ARCVIEW的空间分析功能，可以生成区域降水等值线和径流等值线，进而计算区域降水量和地表径流量及其统计特征参数，这是一种计算区域水资源量的新方法。具体到这种方法在我国浙江省湖州市水资源量的计算中的应用，试验获得了精确的计算结果，与实际情况相符合，证明了这种方法的适用性，可见GIS是水资源管理的一个有效工具。然而，目前的研究中基于数据库的评价软件与GIS的结合开发应用的较少，还停留在探索阶段。

基于面向对象的UML标准建模语言，用RationalRoes建立UML软件系统基础上的模型进行水资源供需平衡评价系统设计和系统分析在我国也有了一定的开发和应用。在针对宝鸡峡灌区系统的研究中，研究工作者开就发了32位中文版Windows平台上的水资源供需平衡评价软件，进行了科学系统的研究和探索。这为探讨应用更好的水资源评估方法奠定了良好的基础。

二、构建农业水资源评估方法的原则

宏观上来看，自然资源是与社会、经济以及生态环境相互耦合的复杂系统，农业水资源也不能够例外。农业水资源的可持续利用水平可以真实地反映出水资源与农业发展相协调的程度。本章中给出了应用Delphi方法确定农业水资源可持续利用指标体系的过程，再用AHP理论与Delphi方法结合来确定权重，最后运用模糊综合评判法对农业水资源的可持续利用做出定量的分析与评价。

（一）科学性原则

遵照区域农业水资源可持续利用分析的机理，选取能够真实反映各子系统和指标间的相互联系的指标体系。指标要做到概念明确，科学、客观、真实地度量和反映区域水资源复合系统的结构和功能的现状以及未来发展趋势、发展潜力和目标实现的程度。

（二）整体性原则

从全局出发，设置能够综合反映影响区域可持续发展的各种主要因素的指标体系。既要包括反映资源、环境、人口、经济等各子系统发展的指标，又要涵盖表征以上各子系统相互协调的指标。

（三）可操作性原则

指标体系中的指标内容应作到简单明了。定量指标计算简便，定性资料全面且可量化。尽量选择具有独立性、代表性的综合性以及能够反映区域共性的指标，尽可能采用指标量化和数据取得的难易程度适当的指标，指标名称、计算方法尽量与国内外通用的内容相一致。

（四）动态与静态相结合原则

由于资源的可持续利用是一个不断发展变化的过程。“农业水资源开发利用同样是变化着的时间系统和多层次空间系统，是时间维和空间维的统一”。⁽¹⁶⁾因此，建立的指标体系必须做到既能够反映长时间因子的调整的情况，也能够反映短时间内因子的改变性状，既要有动态指标又要有静态指标。

（五）数量与质量相结合原则

随着社会经济的发展，水资源与水环境问题愈来愈突出，因此，水资源评价要做到全面、系统，不仅要摸清区域水资源的数量，而且要了解不同水质的数量分布和变化情况，对水量和水质做出综合评价。

三、评估体系设计

（一）指标体系确定

首先要遵从农业水资源可持续利用的机理，分析各评价因素的逻辑关系，通过吸收借鉴已有指标的研究成果，对评价方案做出层次分明、条理清晰的系统分析，在拟定评价指标体系结构层次模型后进一步采用Delphi法，优化评价指标体系。

美国运筹学家萨蒂于20世纪70年代末提出的层次分析法（AHP）是一种新的系统分析方法。该方法注重定性分析与定量分析相结合，对非定量事件同样要做定量分析的一种简便有效的方法。通过分析复杂的问题的各组成因素，将其分解成组，并按照彼此之间的支配关系分级组成有层次的结构，再用两两比较的方式确定各个层次中诸因素的相对重要性。最后，在决定诸因素相对重要性的总排序时综合人的判断以获得更具实际意义的结论。这种方法适用于求解结构较为复杂，决策准则较多，不易量化的决策问题的影响因素的权重。

（二）单因素权重值的确定

事实上，农业水资源可持续利用评价目标是要通过对农业水资源可持续利用能力和协调状况的评判来确定水资源与社会、经济、生态的协调程度。在众多确定权重的方法中，最常用的方法有因子分析法、层次分析法、综合评判法、时间序列法、德菲尔法等。本章中我们采用德菲尔法和层次分析法相结合的方法来确定指标权重。

1.构造判断矩阵

要确定上下层之间元素的隶属关系，则必须先确定递阶层次结构。一般地，比较复杂的问题的元素的权重不容易直接获得，所以我们采用AHP导出权重的方法，通过两两元素相互比较，构造出判断矩阵。

矩阵形式如下：

矩阵中的元素b_ij表示以评价目标为参照系，要素B_i对于B_j相对重要性。即有：

b_ij＝Wi／Wj，

Wi是通过专家打分得到的对评价对象的每个因素B_j相对A于的分值。

矩阵A中的元素满足b_ij＝1／b_ji。

2.计算权重

这里的权重是指使用“和法”计算得到的下层因素对上层因素的影响程度。对于一致的判断矩阵，其每一列归一化后就是相应的权重向量。当矩阵的元素不一致时，每一列归一化后结果近似于权重向量。“和法”就是采用个列向量的算术平均值作为权重向量。

3.一致性检验

当人们需要对复杂问题所涉及的诸因素进行两两比较时，不可能做出完全精确的判断，出现误差甚至自相矛盾都是在所难免的。一般地，判断难度随着判断阶数的提高而增大，同时偏差的大小也与判断阶数的大小成正比。因此，我们引入评判矩阵一致性判断指标C.I.，其公式如下：

式中：λ_ma为矩阵A的最大特征值；

n为矩阵的阶数；

（Aω）₁为表示向量Aω的第i个分量。

查找相应的判断矩阵平均一致性随机指标R.I，见表5-1。

表4-4　判断矩阵平均一致性随机指标

计算一致性比例C.R.：

当时C.R.＜0.1，认为判断矩阵的一致性是可以接受的；

当时C.R.≥0.1，应该对判断矩阵作适当的修改。

（三）评价指标隶属度的确定

指标隶属度是表征评价指标隶属于农业水资源可持续利用的程度，为此将指标特征值矩阵转换为模糊矩阵。对于定性指标通过聘请专家按五级打分，再分别进行赋值；对于定量指标假定可持续的影响呈S型，并把曲线转化为折线函数进行计算，借鉴国内外相关研究，确定S型隶属度曲线转折点取值，以此为依据对定量指标进行标准化。

指标值越大与隶属度值越大，则计算公式如下：

（四）综合模糊评价模型的确定

综合模糊评判是综合运用层次分析法和模糊评判法来解决多因素、多指标评价问题的一种方法。在定性因素的评判过程中，许多模糊现象很难明确地划定界限，无法用通常的简单数字来表达，所以只能用模糊数学来处理。所谓模糊评判就是根据给出的评判标准和实测值，经过模糊变换后对事物做出评价的一种方法。农业水资源可持续利用评价采用模糊数学中多因子2级评判法，第1级对所有指标进行综合评价，第2级对准则层分别进行评价。

综合评定向量B表示评价点对评价等级的隶属度

其中，A为由各评价因子的权重分配构成的权向量，即因子权重模糊矩阵，R为各评价因子对评价等级的隶属度，即模糊关系矩阵R＝（r_ij）_m×n。