劉俊紅，萬玉文，方 崇

(廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023)

近年來，為了提高糧食產(chǎn)量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中濫用化肥農(nóng)藥，受污染的農(nóng)田呈上升趨勢，造成了農(nóng)業(yè)面源污染加劇，既污染地下水和地表水，還降低了土壤保水保肥能力，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1,2]。農(nóng)業(yè)面源污染控制是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容，但農(nóng)業(yè)面源污染成因復(fù)雜，防控治理難度大，已成為目前我國農(nóng)村最大的環(huán)境治理難題[3]。

農(nóng)業(yè)面源污染的治理研究受到各方關(guān)注。近年來，茆智[4]提出了治理農(nóng)業(yè)面源污染的“四道防線”農(nóng)田水利系統(tǒng)，并在廣西桂林青獅潭灌區(qū)開展了研究，取得了良好的效果。為了綜合評估農(nóng)業(yè)污染治理效果，本文在分析“四道防線”農(nóng)田節(jié)水防污型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[5]，引入TOPSIS評價(jià)法對其治污效果進(jìn)行綜合評價(jià)。

TOPSIS法，也稱為逼近于理想解的排序方法，是一種對多項(xiàng)指標(biāo)或?qū)Χ鄠€(gè)項(xiàng)目的比較分析方法，對樣本資料無特殊要求，具有計(jì)算簡便、結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，故得到廣泛應(yīng)用[6]。筆者以廣西桂林青獅潭灌區(qū)為研究對象，對其“四道防線”的農(nóng)田綜合減污能力進(jìn)行評價(jià)。

1 基于熵權(quán)TOPSIS法的數(shù)學(xué)模型

基于熵權(quán)TOPSIS 法的基本原理為[7]：對原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行歸一化，分別求出理想的最優(yōu)項(xiàng)目和最劣項(xiàng)目，通過求解各待評項(xiàng)目與最佳項(xiàng)目之間的距離，比較該項(xiàng)目與最佳項(xiàng)目的接近程度，并以此結(jié)果評價(jià)各待評項(xiàng)目優(yōu)劣。分析步驟如下[8]。

1.1 建立初始判斷矩陣

設(shè)有m個(gè)項(xiàng)目、n個(gè)屬性，采集到的第i個(gè)目標(biāo)的第j個(gè)屬性的評判數(shù)據(jù)為xij，則初始判斷矩陣V為：

(1)

1.2 構(gòu)建規(guī)范化矩陣

(2)

(3)

式中：xjmin、xjmax分別為同指標(biāo)下不同方案中分別為第j個(gè)指標(biāo)值的最小值和最大值。

1.3 構(gòu)建加權(quán)判斷矩陣

Z=(rij)m×n

(4)

1.4 評價(jià)指標(biāo)熵權(quán)的計(jì)算

熵是對系統(tǒng)無序度的一種度量，系統(tǒng)越無序，熵越大，指標(biāo)的離散程度與綜合評價(jià)結(jié)果密切相關(guān)。根據(jù)熵的這一特性，判斷某個(gè)指標(biāo)的離散程度可用熵值表示。因此，可根據(jù)各項(xiàng)目指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

設(shè)有n個(gè)評價(jià)指標(biāo)、m個(gè)評價(jià)項(xiàng)目，評價(jià)指標(biāo)的熵為：

(5)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

其中：

(6)

計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)W：

W=(wj)1′n

(7)

1.5 確定矩陣距離尺度

(8)

(9)

1.6 計(jì)算理想解和反理想解

其計(jì)算公式如下：

(10)

(11)

1.7 計(jì)算各方案對最優(yōu)解的相對貼近度

(12)

1.8 項(xiàng)目評價(jià)

根據(jù)Ci的值按從小到大的順序?qū)Ω髟u價(jià)項(xiàng)目進(jìn)行排列。排序結(jié)果貼近度Ci值越大，該項(xiàng)目越優(yōu)，Ci值最大的為最優(yōu)項(xiàng)目。

2 評價(jià)實(shí)例

2.1 評價(jià)指標(biāo)體系建立的基本原則

評價(jià)農(nóng)田節(jié)水減污系統(tǒng)綜合減污能力的評價(jià)，必須要有一套明確的量化指標(biāo)，指標(biāo)體系的建立在農(nóng)田綜合減污能力評價(jià)中起到關(guān)鍵作用，關(guān)系到評價(jià)結(jié)果的可信度。構(gòu)建科學(xué)合理的綜合減污能力評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)遵循科學(xué)性、典型性原則、動態(tài)性、可量化原則基本原則[9]。

在農(nóng)田節(jié)水減污系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)體系確定后，采用TOPSIS 法對評價(jià)指數(shù)進(jìn)行定量分析，以保證評價(jià)結(jié)果真實(shí)有效。具體步驟如下：第一步，根據(jù)地表水評價(jià)指標(biāo)體系，實(shí)測各指標(biāo)值，并將各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；第二步，計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的信息熵，進(jìn)而計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重；第三步，計(jì)算各項(xiàng)目與理想解的貼近度，按貼近度的大小排序，以此作為評價(jià)節(jié)水減污效果優(yōu)劣的依據(jù)。

2.2 評價(jià)體系的構(gòu)建

表1 農(nóng)田節(jié)水減污系統(tǒng)的評判矩陣 mg/L

2.3 實(shí)例分析

本文以廣西壯族自治區(qū)桂林市青獅潭灌區(qū)枧江頭試驗(yàn)區(qū)為研究對象，分別在靈川縣、臨桂縣建立4個(gè)面積為66.7 hm2的稻田進(jìn)行試驗(yàn)，4個(gè)人工濕地和8條生態(tài)溝渠，將田間水肥最優(yōu)調(diào)控、草溝、濕地、骨干生態(tài)溝四道防線相互串聯(lián)，形成一個(gè)整體的農(nóng)田節(jié)水防污系統(tǒng)[10]。

農(nóng)田節(jié)水防污系統(tǒng)是基于削減稻田面源污染的“四道防線”系統(tǒng)。第一道防線(源頭控制)：田間節(jié)水減排，以達(dá)到水肥高效利用，從源頭控制面源污染的排放；第二道防線(草溝)：將稻田污水引入塘堰濕地進(jìn)行凈化；第三道防線(塘堰濕地)：植物攔截與吸收、渠內(nèi)土壤吸附、微生物降解等作用截留凈化農(nóng)田排水中的污染物；第四道防線(生態(tài)骨干溝)：對從濕地排入骨干溝的水再次凈化[5]。本系統(tǒng)可充分利用我國南方現(xiàn)有的水塘和低洼地并將其改造為人工濕地，充分利用田間排水溝道并將其改造為生態(tài)溝，投資少，節(jié)水減污效果明顯。

圖1 枧江頭試驗(yàn)區(qū)示意圖

2013年1月至2015年12月期間，通過現(xiàn)場取樣、試驗(yàn)分析，對該減污系統(tǒng)的“四道防線”削減稻田面源污染的綜合效果開展了研究。本文根據(jù)實(shí)測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用基于熵權(quán)TOPSIS評價(jià)方法對該系統(tǒng)中“四道防線”的綜合減污效果進(jìn)行評價(jià)。具體分析過程如下：

(1)建立規(guī)范化矩陣。對特征矩陣進(jìn)行規(guī)范化處理，得到規(guī)格化評價(jià)矩陣V′：

(2)計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的熵。由式(5)、(6)得：

Hj=(0.842 4，0.863 2，0.836 1，0.790 4，0.803 8)

(3)構(gòu)造權(quán)重規(guī)范化向量。由式(7)計(jì)算權(quán)重：

wj=(0.182，0.158，0.190，0.243，0.227)

(4)確定理想解和反理想解。根據(jù)式(8)、(9)分別計(jì)算出判斷矩陣的理想解和反理想解：

Z+=(0.179 1， 0.126 6，0.185 6，0.220 1，0.214 5)

Z-=(0，0，0，0，0)

(5)計(jì)算距離尺度。用式(10)、(11)分別求出各項(xiàng)目與最優(yōu)解、最劣解的距離尺度：

D+=(0.287 9，0.344 0，0.302 5，0.310 2)

D-=(0.242 4，0.115 7，0.233 4，0.279 5)

(6)計(jì)算理想解的貼近度。由式(12)得到各項(xiàng)目的貼近度：

C=(0.457 1，0.251 7，0.435 5，0.474 0)

評價(jià)結(jié)果見表2。

表2 農(nóng)田節(jié)水減污系統(tǒng)的貼近度與排序

評價(jià)項(xiàng)目貼近度的大小可以綜合反映出綜合減污效果程度，從表2中可以看出，4個(gè)參評項(xiàng)目貼近度依次為：45.71%、25.17%、43.55%、47.40%。據(jù)此，各個(gè)防污方案的綜合保障能力大小依次排序?yàn)椋旱谒牡婪谰€>第一道防線>第三道防線>第二道防線，評價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)[10]中的實(shí)際情況相符。在4個(gè)參評的防污方案中，第四道防線的貼近度為47.40%，貼近度最大，說明該方案綜合減污效果最優(yōu)；第二道防線的貼近度為25.17%，貼近度最小，說明該方案最差。源頭控制、塘堰濕地、骨干溝等三道防線的貼近度介于43%～48%，貼近度較為接近，說明這三道防線減污效果相差不大。

由表1可以看出：“四道防線”中各個(gè)防線對總氮、氨氮、硝態(tài)氮、總磷、可溶磷等污染指標(biāo)均有一定的消減效果。其中，第四道防線的總氮、氨氮、可溶磷等負(fù)荷削減率最高，作為試驗(yàn)區(qū)的最后一道防線，第四道防線即骨干生態(tài)溝，梯形斷面，長102 m，平均寬度1.6 m、深1.2 m，縱坡為1/2 000，溝中主要種植水花生、水葫蘆、辣草等植物。表明過水?dāng)嗝娲?、水位深、流速較小等水力條件，是各類污染物的削減主要條件，“四道防線”整體綜合治理效果明顯。

本試驗(yàn)中，試驗(yàn)區(qū)的第一道防線，即在枧江頭田間的2塊樣板田中，分別選用傳統(tǒng)淹灌模式加同一氮肥施肥量分2次投施，以及間歇灌溉模式加同一氮肥施肥量分4次投施的兩種不同的水肥模式進(jìn)行綜合調(diào)控，其治理效果也比較顯著。從而說明優(yōu)化水肥管理模式，有效控制施肥次數(shù)， 是從源頭控制面源的有效舉措。

作為第二道防線的草溝，由于溝內(nèi)主要為當(dāng)?shù)匾吧囊翱嗦椤⑺莸戎参?。且試?yàn)溝長96.5 m，寬0.2 m，深0.25 m，縱坡1/2 000，溝壁直立，不利植物生長，又渠道縱坡過緩，流速過小，雖有一定的減污效果，但比起另外三道防線來說，效果相對較弱。

綜上所述，在農(nóng)田面源污染治理中，合理選用灌溉方式與有效控制投施農(nóng)肥次數(shù)，加大骨干溝的過水?dāng)嗝?，主槽道?nèi)種植本地優(yōu)勢的水生植物，減緩坡降，降低流速，延長水體停留時(shí)間，污水凈化效果較好；此外，將骨干溝與塘堰濕地串聯(lián)一起進(jìn)行綜合減污，對濕地再次凈化，是治理農(nóng)田面源污染的重要工程措施。

3 結(jié) 論

(1)農(nóng)田節(jié)水減污系統(tǒng)效果的評價(jià)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程。本文提出了TOPSIS法減污效果分析模 型，計(jì)算簡便、結(jié)果可靠，采用熵權(quán)法確定權(quán)重，綜合考慮各評價(jià)指標(biāo)特征值之間的差異，避免指標(biāo)權(quán)重分配的不合理性，減小人為賦權(quán)的主觀性影響。

(2)通過實(shí)例分析，可找到農(nóng)田節(jié)水減污系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)“四道防線”的改進(jìn)提供了參考，同時(shí)也為廣西稻田節(jié)水灌溉、面源污染的削減以及水肥高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

(3)評價(jià)指標(biāo)和權(quán)重取值對評價(jià)結(jié)果影響較大。在后續(xù)研究中，應(yīng)加強(qiáng)對評價(jià)指標(biāo)的選擇和對指標(biāo)權(quán)重的確定等方面研究，在實(shí)際節(jié)水減污方案中還應(yīng)考慮不同地域和農(nóng)作物類別，合理選擇評價(jià)因素，確定最優(yōu)減污方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王 靜,郭熙盛,呂國安,等. 農(nóng)業(yè)面源污染研究進(jìn)展及其發(fā)展態(tài)勢分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016,(9):21-24.

[2] 馮 燕. 農(nóng)村面源污染治理模式的演進(jìn)[J]. 理論與改革, 2016,(6):161-166.

[3] 魏保興,李桂新,甘 幸,等. 節(jié)水防污型農(nóng)田水利系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[J]. 節(jié)水灌溉, 2016,(7):60-64.

[4] 茆 智. 水稻節(jié)水灌溉在節(jié)水增產(chǎn)防污中發(fā)揮重要作用[J]. 中國水利, 2009,(21): 11-12.

[5] 潘 樂. 水稻灌區(qū)節(jié)水防污型農(nóng)田水利系統(tǒng)減輕農(nóng)業(yè)面源水污染研究[D]. 武漢：武漢大學(xué), 2012.

[6] 王 虹,余金鳳,方 崇. TOPSIS模型在小型農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施綜合評價(jià)中的應(yīng)用[J]. 節(jié)水灌溉, 2013,(6):70-72.

[7] 梁 薇,陸春芽. 優(yōu)勢關(guān)系下賦權(quán)法和TOPSIS的膜下滴灌模式評價(jià)[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2013,(5):70-73.

[8] 方 崇,張春樂,陸明本. 基于熵權(quán)的TOPSIS模型在右江灌區(qū)節(jié)水改造效益綜合評價(jià)中的應(yīng)用[J]. 節(jié)水灌溉, 2011,(2):52-54,65.

[9] 張 萍,盧少勇,潘成榮. 基于層次-灰色關(guān)聯(lián)法的洱海農(nóng)業(yè)面源污染控制技術(shù)綜合評價(jià)[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2017,(9):50-55.

[10] 萬玉文,茆 智. 節(jié)水防污型農(nóng)田水利系統(tǒng)構(gòu)建及其效果分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015,(3):137-145.