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通過分析湖南省農村水資源的水質保護、水量保護、水生態系統保護以及與水資源保護相關的環境保護方面的具體情況和收集的基礎資料,按照層次法的基本思想,充分考慮指標體系的整體性和層次性,構建了包括目標層(A)、準則層(B)和指標層(C)的湖南省農村水資源保護評價指標體系,見表1。指標體系的準則層(B)包括農村生活用水及污染、農業用水及污染、鄉鎮工業用水及污染、水生態環境和農村水資源管理5個系統。指標層(C)按照指標選取原則和專家意見篩選出18個評價指標,指標選取的主要原則有:(1)定量和定性相結合。盡量采用定量指標,少量采用定性指標;(2)科學性。評價指標要基于科學嚴謹的數據,并盡可能覆蓋所有的評價內容;(3)可操作性。指標的數量要少而精,基礎資料的收集要具有一定的可行性和便捷性。
湖南省農村水資源保護現狀評價
1.基于最優組合權重的灰色關聯度分析法
灰色關聯度分析主要是用灰色系統理論方法對系統發展態勢的相互關系進行分析,該方法的實質是將無限空間問題用有限數值關系取代,根據曲線間的相似程度大小來判斷各因素的關聯程度。農村水資源系統作可以作為灰色系統(系統內部特征信息部分已知,部分未知)來研究。選取n個對象m個指標,xij為第i個對象第j個指標的數值(i=1,2,,,n;j=1,2,,,m),則評價矩陣為X=(xij)n@m,對原數據無量綱化處理后得到標準化矩陣Y=(ij)n@m?；谧顑灲M合權重的灰色關聯度的步驟如下:(1)計算最優組合權重。令X1表示層次分析法(AHP)計算得到的指標主觀權重向量,X2表示熵值法計算得到的指標客觀權重向量,wc表示最優組合權重向量,A=(A1,A2)T表示最優組合權重向量的線性表出系數組成的二維列向量。則計算最優組合權重向量表達式為（略）式中:A1,A2為線性表出系數,滿足單位化約束條件:A1+A=1且A1,A2\0。根據總離差最大化原理[13],選擇的最優組合權重向量應使所有評價指標的評價結果的總離差最大。于是求解最優組合權重向量的問題歸結于求解最優化問題:（略）式中:hj(Wc)為第j個評價指標結果與其他指標評價結果的總離差;Wcj為第j個指標的最優組合權重。求解此最優化問題得到式(2)的解A*1、A*2,作歸一化處理:（略）
2.計算結果及分析
以2010年湖南省6個縣市(長沙縣、韶山市、華容縣、平江縣、桃源縣、臨澧縣)的評價指標數據為樣本,對2010年湖南省水資源保護現狀進行評價。用AHP和熵值法分別計算各指標的主觀、客觀權重向量。求解此最優化問題(2),得到線性表出系數A1=0.6008,A2=0.3992,代入公式(1)可得到湖南省農村水資源保護現狀評價指標的最優組合權重向量,結果見表2。以2010年湖南全省的農村水資源保護評價指標數據為參考序列,6個縣市的評價指標數據為比較序列,由公式(3)計算參考序列與各比較序列的關聯系數,由公式(4)計算評價體系中指標層18個指標與目標層的基于最優組合權重的灰色關聯度,并進行排序,結果見表3。根據基于最優組合權重的灰色關聯度計算結果,將指標層18個指標根據灰色關聯度大小劃分為三級[16]:重要指標(rj>0105),一般指標(0102[rj[0105),次要指標(rj<0102),見圖1。重要指標為:C6,C7,C14,C17;一般指標為:C2,C4,C5,C7,C8,C9,C10,C12,C15,C16,C18;次要指標為:C1,C3,C11,C13?？梢缘贸?4個重要指標植被覆蓋率(C14)、政策規劃完備和執行度(C17)、農田有效灌溉比例(C6)、每公頃化肥施用量(C7)與湖南省農村水資源保護關聯程度最大。其原因是:河道采砂、圍湖造田、開荒造田等現象造成農村水域水面萎縮和植被退化;農村水資源保護的主體是政府,政府制定可行的政策和規劃對農村水資源保護至關重要;農民身處/水鄉0,節水意識淡薄,農業灌溉用水效率低;農民通過大量使用化肥農藥來達到增產增收產生的農業面源污染和大面積水產養殖造成的水體污染嚴重。因此,建議重點從植被恢復及水源涵養、完善政策規劃并貫徹落實、農業節水灌溉、農業面源污染防治等方面著手改善農村水資源保護現狀。一般性指標中,農業用水比例(C5)、工業用水重復利用率(C12)、每公頃農藥施用量(C8)、水功能區水質達標比例(C15)、農民用水戶協會覆蓋人口比例(C18)、水土流失比例(C16)、生活污水處理率(C4)等指標的關聯程度較大,這些方面也應引起足夠重視。鄉鎮工業用水比例(C11)、生活用水比例(C1)、入河排污口達標排放比例(C13)、生活垃圾處理率(C3)4個次要指標與湖南省農村水資源保護現狀關聯程度最小。但隨著農村社會經濟的發展,這些次要指標與農村水資源保護的關聯度很有可能會增大。
湖南省農村水資源保護評價指標變化趨勢預測
灰色預測是通過原始數據攜帶的信息和灰色模型,尋找灰色系統演變規律,對系統的未來狀態做出定量推測。本文采用優化了背景值和初始條件的GM(1.1)改進模型來預測評價指標變化趨勢。
1.GM(1.1)改進模型
1）GM(1.1)模型的改進
令初始非負序列為x(0)=(x(0)(1),x(0)(2),,,x(0)(n)),則x(0)的一次累加生成數(12AGO)序列為x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),,,x(1)(n)),其中x(1)(k)=Eki=1x(0)(i),(k=1,2,,,n)。x(1)的背景值序列z(1)=(z(1)(2),z(1)(3),,,z(1)(n)),優化構造得到的背景值鄰近生成公式[17]（略）:優化的背景值可以消除GM(1.1)模型中用z(1)(k)=015x(1)(k)+0.5x(1)(k-1)代替Qkk-1x(1)(t)dt產生的誤差,從而提高了模型模擬和預測精度。GM(1,1)模型的灰微分方程為x(0)(k)+Az(1)(k)=b,式中,a稱為發展系數,b為灰色作用量。將模型的初始條件由x(0)(1)改為x(1)的第n個分量x(1)(n),則灰微分方程的時間響應序列變為[18]:X^(1)(k+1)=(X^(1)(n)-b/a)e-a(k-n+1)+b/a(2)(k=1,2,,,n)用x(1)(n)作為初始條件,克服了以x(0)(1)為初始條件時不能充分利用最新信息的缺點,從而一定程度上提高了模型預測精度。
2）模型檢驗
(1)殘差檢驗。令殘差$(0),相對誤差U(k)=|$(0)|/x(0)(k)@100%(k=1,2,,,n)。(2)后驗差檢驗。令S1為初始序列x(0)的均方差,S2為殘差的均方差,則后驗差比C=S2/S1。p=P(|$(0)(k)-$|<016745S為小概率誤差,其中$(0)(k)為絕對殘差序列,$為殘差均值。給定相對誤差U(k)、小誤差概率P、后驗差比C的值,參照表4就可確定模型精度等級。
2.GM(1.1)模型的應用
以2000年-2010年湖南省農村水資源保護評價指標數據作為預測樣本,數據來源于湖南統計年鑒(2001-2011)、湖南省水資源公報(2000-2010)、湖南省環境公報(2000-2010)以及實地調研收集的基礎資料。由于GM(1,1)模型適合預測呈指數趨勢變化的時間序列,所以從湖南農村水資源保護評價指標體系中選取了10個時序性較好的指標進行變化趨勢預測,預測區間為2011年-2016年。預測指標包括:農村生活用水比例(C1)、農村飲用水安全達標比例(C2)、農業用水比例(C5)、農田有效灌溉比例(C6)、化肥施用量(C7)、農藥施用量(C8)、禽畜糞便的耕地負荷(C9)、水產養殖面積比(C10)、鄉鎮工業用水比例(C11)、植被覆蓋率(C14)。#p#分頁標題#e#
1）預測結果及分析
10個指標趨勢預測結果見圖2,結果表明:農村生活用水、農業用水占農村用水總量的比例逐漸降低,分別從2010年的6104%和77159%降到2016年的5142%和74157%;鄉鎮工業用水占農村用水總量的比例逐漸升高,從2010年的15107%升高到2016年的20108%;化肥施用量從2010年的624129kg/hm2升高到2016年的760170kg/hm2,2010年全國化肥施用量456194kg/hm2(2011中國農村統計年鑒數據);農藥施用量從2010年的31132kg/hm2升高到2016年的40158kg/hm2,2010年全國農藥施用量14145kg/hm2(2011中國農村統計年鑒數據);禽畜糞便的耕地負荷從2010年的24178t/hm2升高到2016年的28146t/hm2,接近禽畜糞便的還田限量30t/hm2[19];農村飲用水安全達標比例、農田有效灌溉比例、植被覆蓋率等指標逐漸升高,分別從2010年的43179%、71191%、57101%升高到2016年的52110%、74177%、60115%;水產養殖面積比從2010年的29122%降到2016年的25177%。從總體趨勢來看,2011年-2016年湖南農村生活、農業、鄉鎮工業用水結構趨于合理,農村生活用水、農業用水比例逐漸降低,鄉鎮工業用水比例逐漸升高;農業污染源有增加趨勢,每公頃化肥施用量、每公頃農藥施用量均大大超過全國平均值,禽畜糞便的耕地負荷接近禽畜糞便的還田限量;農村居民飲水狀況得到改善,農業節水抗旱能力和植被的水源涵養能力逐步提高;水產養殖面積比例減少,養殖產生的廢棄物對水體直接污染有所降低。
2）模型檢驗
GM(1.1)改進模型經過殘差檢驗和后驗差檢驗,相對誤差U(k)達到模型精度等級合格(ó),小誤差概率P達到模型精度等級良好(ò),后驗差比C達到模型精度等級合格(ó),整體表明GM(1.1)改進模型達到合格等級,模型可以合格運行,預測結果可靠性高,檢驗結果見表5。
結論
(1)采用基于最優組合權重的灰色關聯度分析法進行現狀評價,基于最優組合權重的灰色關聯度既保留了原始數據傳遞的客觀信息,又可以通過經驗判斷修正客觀信息的不足,更加直觀地體現了參考數列與各比較數列的關聯程度,提高了評價的科學性。(2)對湖南省農村水資源保護現狀評價結果表明,指標層中植被覆蓋率(C14)、政策規劃完備和執行度(C17)、農田有效灌溉比例(C6)、化肥施用量(C7)4個指標與湖南省農村水資源保護現狀關聯程度最大,表明植被恢復及水源涵養、完善政策規劃并貫徹落實、農業節水灌溉、農業面源污染防治是湖南省農村水資源保護的重點。鄉鎮工業用水比例(C11)、生活用水比例(C1)、入河排污口達標排放比例(C13)、生活垃圾處理率(C3)4個指標與湖南省農村水資源保護現狀關聯程度最小。(3)采用GM(1.1)改進模型,預測了評價指標體系中10個時序性較好指標在2011年-2016年變化趨勢。模型檢驗參數相對誤差U(k)、小誤差概率P、后驗差比C都達到合格等級,預測精度較高,預測結果可以為未來湖南農村水資源保護提供決策依據。（本文圖、表、公式略）
本文作者：朱金峰 梁忠民 湯曉芳 單位：南京河海大學 水文水資源學院 北京 中國農業節水和農村供水技術協會
