基于組合權(quán)重的灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性模糊物元模型

王慧寧，劉 東,2,3,4，胡宇祥，尚關(guān)蕾(.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院， 哈爾濱 50030；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源提高利用重點實驗室，哈爾濱50030；3.黑龍江省糧食產(chǎn)能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，哈爾濱 50030；4.黑龍江省普通高校節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，哈爾濱 50030)

我國水資源相對貧乏，人口增長和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致水資源的供需矛盾日益加劇。水資源匱乏將嚴(yán)重制約工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、人民生活水平的提高及社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的持續(xù)發(fā)展。我國水資源受季風(fēng)氣候和地理位置的共同影響分布極不均衡，旱澇災(zāi)害頻繁，灌溉農(nóng)業(yè)成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路，灌區(qū)的地位和作用愈顯重要。目前我國灌區(qū)普遍存在著工程標(biāo)準(zhǔn)低、配套不全、老化失修、滲漏損失嚴(yán)重、效益衰減等一系列工程問題，灌區(qū)水量損失的50%以上出現(xiàn)在輸水渠道[1]，形勢嚴(yán)峻，急需解決。

灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性反應(yīng)輸水系統(tǒng)的輸水能力及對灌區(qū)的適宜程度，并且直接影響灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會效益?，F(xiàn)有的適宜性評價研究的主要方向為土壤[2]、耕地[3]、城市建設(shè)用地[4]等土地資源利用方面。針對灌區(qū)評價，研究成果較多，諸如灌區(qū)運行狀況評價[5]、節(jié)水改造效果評價[6]、生態(tài)效益評價[7]等，對灌區(qū)尤其是灌區(qū)的輸水系統(tǒng)進(jìn)行適宜性評價尚屬少見。本文在總結(jié)前人研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展角度，綜合分析灌區(qū)輸水系統(tǒng)的輸水能力、效益生態(tài)及供需狀況等因素，進(jìn)行灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性評價研究具有較強(qiáng)的必要性和前瞻性。灌區(qū)輸水系統(tǒng)領(lǐng)域的適宜性評價研究較少，目前國內(nèi)尚未形成比較系統(tǒng)的研究體系，有些評價指標(biāo)沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)可供遵循。因此，應(yīng)選擇能夠解決模糊性的問題且經(jīng)過實踐檢驗行之有效的方法對其進(jìn)行評價。適宜性評價方法主要有[8]模糊綜合評判法、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、經(jīng)驗指數(shù)法、極限條件法和物元理論[9]，其中物元理論能夠以形式化的模型解決不相容的復(fù)雜問題，適用于多指標(biāo)評價[10]。因此，本文采用結(jié)合模糊集和歐氏貼近度的物元模型，將層析分析法和熵權(quán)法引入權(quán)重計算，對蛤蟆通灌區(qū)、倭肯河灌區(qū)和江川灌區(qū)的輸水系統(tǒng)進(jìn)行適宜性評價。

1 灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性內(nèi)涵辨析

適宜性評價研究主要見于土地適宜性評價，土地適宜性評價[11]是通過綜合分析土地的自然和社會屬性，探究土地對于預(yù)定用途的適宜與否及其適宜程度。應(yīng)用于灌區(qū)輸水系統(tǒng)進(jìn)行適宜性評價則可以理解為根據(jù)灌區(qū)的現(xiàn)狀，從灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的角度研究灌區(qū)對于設(shè)計任務(wù)與目標(biāo)是否適宜及其適宜程度。

輸水系統(tǒng)是灌區(qū)的最重要組成部分，其建設(shè)的好壞直接決定著灌區(qū)建設(shè)的成功與否，影響著灌區(qū)的正常運行。一個灌區(qū)若想平穩(wěn)健康的發(fā)展，必須有支持其正常運行的輸水系統(tǒng)。同時，灌區(qū)的輸水系統(tǒng)作為灌區(qū)的一部分，本身也應(yīng)具備一定的功能從而能夠適宜并促進(jìn)灌區(qū)的發(fā)展。因此，灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的內(nèi)涵可以從以下幾個方面理解[12]：①從灌區(qū)輸水系統(tǒng)本身的功能考慮，灌區(qū)的輸水系統(tǒng)應(yīng)具備良好的輸水能力。②從灌區(qū)的建設(shè)任務(wù)、目標(biāo)及今后發(fā)展的角度，主要表現(xiàn)在灌區(qū)的輸水系統(tǒng)能夠保證灌區(qū)正常運行，進(jìn)而為灌區(qū)帶來一定的經(jīng)濟(jì)社會效益，以促進(jìn)灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。③從灌區(qū)的可持續(xù)性角度，灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境，關(guān)系到灌區(qū)能否可持續(xù)發(fā)展，對灌區(qū)非常重要。灌區(qū)輸水系統(tǒng)作為灌區(qū)的最重要組成部分，它在給灌區(qū)帶來經(jīng)濟(jì)社會效益的同時也對灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了一定的威脅，因此，灌區(qū)的輸水系統(tǒng)應(yīng)具備生態(tài)可持續(xù)性。④從供需平衡的角度，主要表現(xiàn)在灌區(qū)的輸水系統(tǒng)應(yīng)有合適的規(guī)模，合理的空間布局，其輸水能力應(yīng)能夠滿足灌區(qū)的用水需求而不造成浪費。

總之，灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性應(yīng)表現(xiàn)在其輸水能力能夠滿足灌區(qū)的用水需求而不造成浪費，又能夠為灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用而不危害生態(tài)環(huán)境。

2 評價指標(biāo)的確定

灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價的目的是綜合反映所評價灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜與否及適宜程度。灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的影響因素很多，依據(jù)灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性內(nèi)涵，主要考慮3個方面因素：輸水能力、效益生態(tài)及供需狀況。評價指標(biāo)體系共分為3個層次[13]，分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。目標(biāo)層為單一目標(biāo)，將影響灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的3個影響因素作為準(zhǔn)則層，準(zhǔn)則層下面根據(jù)其內(nèi)涵劃分確定指標(biāo)層，參考已有研究[1,14-17]，結(jié)合評價指標(biāo)的可獲取性，選取輸水能力指標(biāo)：輸水渠道襯砌率、渠道工程單位投資、灌溉面積率、單位灌溉面積用水量；效益生態(tài)指標(biāo)：單位灌溉面積效益、農(nóng)民人均收入、地下水開采率；供需狀況指標(biāo)：單位灌溉面積渠道長度、輸水渠道占地率，構(gòu)建灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價指標(biāo)體系Fig.1 Irrigation water conveyance system suitability evaluation index system

3 模糊物元模型

3.1 模糊物元和復(fù)合模糊物元

事物名稱N關(guān)于特征c的量值v組成的有序三元組R=(N,c,v)，簡稱為物元。N，c和v稱為物元的三要素。具有模糊性的量值，便稱為模糊物元。N的n個特征c1,c2,…,cn和相應(yīng)的模糊量值v1,v2,…,vn組合在一起，稱為n維模糊物元，簡記為R=(N,c,v)。

m個事物的n維物元組合在一起，構(gòu)成了m個事物n維復(fù)合物元，記作Rm×n，若Rm×n中的量值為具有模糊性的量值，則稱為m個事物n維復(fù)合模糊物元，記作Rm×n[18]，見式(1)。

(1)

式中：Rm×n為m個事物n維復(fù)合模糊物元；uik為第i個事物第k項特征對應(yīng)的模糊量值，i=1,2,…,m，k=1,2,…,n。

3.2 從優(yōu)隸屬度原則

各單項評價指標(biāo)的模糊量值隸屬于標(biāo)準(zhǔn)方案中相應(yīng)模糊量值的程度，稱為從優(yōu)隸屬度。以此建立的原則，稱為從優(yōu)隸屬度原則。一般有兩種類型的指標(biāo)[18]，即越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型，采用如下公式分別計算其從優(yōu)隸屬度。

越大越優(yōu)型指標(biāo)：

uik=Xik/maxXik

(2)

越小越優(yōu)型指標(biāo)：

uik=minXik/Xik

(3)

式中：uik為從優(yōu)隸屬度，i=1,2,…,m，k=1,2,…,n；maxXik、minXik為所有評價指標(biāo)Xik中的最大值和最小值。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)模糊物元與差平方復(fù)合模糊物元

由Rm×n中各方案從優(yōu)隸屬度中的最大值或最小值確定標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0n，即：

(4)

標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0n與復(fù)合模糊物元Rm×n中各項差的平方構(gòu)成差平方復(fù)合模糊物元RΔ[18]，即：

(5)

式中：Δji=(u0i-uji)2，i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。

3.4 層次分析法和熵權(quán)法結(jié)合確定權(quán)重

根據(jù)已建評價指標(biāo)體系，分別運用層次分析法[19]和熵權(quán)法[8]計算準(zhǔn)則層權(quán)重ωi和指標(biāo)層權(quán)重θj，進(jìn)而得到指標(biāo)的綜合權(quán)重[20]ψj。

3.5 歐氏貼近度和綜合評價

貼近度表征被評價方案與標(biāo)準(zhǔn)方案的貼近程度，其值越大表示兩者越接近，越小則相距較遠(yuǎn)。多種計算公式可以用于計算兩物元的貼近度，考慮本文的評價意義，采用歐氏貼近度[21]計算。

(6)

式中：ρHj為第j個評價樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的貼近度。

進(jìn)而構(gòu)造歐氏貼近度復(fù)合模糊物元RρH，即：

(7)

根據(jù)式(7)計算出的貼近度大小可進(jìn)行方案的優(yōu)劣排序，進(jìn)而完成評價等別的劃分。

4 實例應(yīng)用

以黑龍江省農(nóng)墾紅興隆管理局蛤蟆通灌區(qū)、江川灌區(qū)及依蘭縣倭肯河灌區(qū)(見圖2)灌區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行輸水系統(tǒng)適宜性評價。蛤蟆通灌區(qū)[22]始建于1979年，位于黑龍江省寶清縣境內(nèi),灌區(qū)總面積2.97萬hm2，設(shè)計灌溉面積2.08萬hm2。倭肯河[23]灌區(qū)始建于日偽時期，位于松花江右岸級支流倭肯河下游左岸河谷平原區(qū)依蘭縣境內(nèi)，灌區(qū)總土地面積3.4萬hm2，設(shè)計灌溉面積2.15萬hm2。江川灌區(qū)[24]始建于20世紀(jì)70年代，位于黑龍江省松花江下游南岸，樺川縣境內(nèi)，總面積4.49萬hm2，設(shè)計灌溉面積2.07萬hm2。

圖2 灌區(qū)位置圖Fig.2 Location of irrigations

以上3個灌區(qū)均為建設(shè)年代久遠(yuǎn)的大型灌區(qū)，規(guī)模相似具備可比性，且都存在工程標(biāo)準(zhǔn)低、配套不全、老化失修、滲漏損失嚴(yán)重、效益衰減等一系列工程問題，這些問題嚴(yán)重制約著灌區(qū)的正常運行及灌區(qū)效益的充分發(fā)揮，選擇以上3個灌區(qū)進(jìn)行輸水系統(tǒng)適宜性評價并進(jìn)行比較，為灌區(qū)的節(jié)水改造提出建議。數(shù)據(jù)來源于各灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造實施方案。參考已有研究[1]和指標(biāo)數(shù)據(jù)分布情況，根據(jù)灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性狀況，將其分為三級，Ⅰ級為高適宜，Ⅱ級為一般適宜，Ⅲ級為低適宜。各灌區(qū)評價指標(biāo)數(shù)值及分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

4.1 建立評價模型

(1)根據(jù)表2數(shù)據(jù)，確定3個灌區(qū)及灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性3個分級標(biāo)準(zhǔn)中各評價指標(biāo)的R6×9復(fù)合物元。

表1 灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價指標(biāo)值及分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Irrigation water conveyance system suitability evaluation index and classification criteria

(2)根據(jù)步驟(1)確定的復(fù)合物元，由式(2)、式(3)確定從優(yōu)隸屬度。

(3)取步驟(2)中從優(yōu)隸屬度最大值構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)方案的模糊物元。進(jìn)而由式(5)構(gòu)建差平方復(fù)合模糊物元RΔ。

(4)采用層次分析法計算準(zhǔn)則層權(quán)重 ，熵權(quán)法計算指標(biāo)層權(quán)重 ，進(jìn)而確定各指標(biāo)綜合權(quán)重 ，計算結(jié)果見表2。

表2 灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價指標(biāo)權(quán)重 Tab.2 Irrigation water conveyance system suitability evaluation index weight

(5)采用式(6)、式(7)計算得到各灌區(qū)的歐氏貼近度RρH。

RρH=

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)計算出的貼近度，可得到灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性由強(qiáng)到弱為蛤蟆通灌區(qū)、倭肯河灌區(qū)、江川灌區(qū)。通過貼近度比較可看出蛤蟆通灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性為Ⅱ級，說明輸水系統(tǒng)的適宜性一般，基本能夠滿足灌區(qū)的正常發(fā)展需要，而倭肯河灌區(qū)和江川灌區(qū)輸水系統(tǒng)是適宜性為Ⅲ級，說明這兩個灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性較低，很大程度上阻礙了灌區(qū)的正常發(fā)展。3個灌區(qū)建設(shè)年代較為久遠(yuǎn)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，運行時間長，是其輸水系統(tǒng)適宜性程度不佳的主要原因。根據(jù)評價指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果，輸水渠道的襯砌率、渠道工程單位投資、單位灌溉面積渠道長度及輸水渠道占地率對灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性影響較大。蛤蟆通灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性為Ⅱ級，但若管理不善，很有可能降至Ⅲ級。輸水渠道襯砌率和渠道工程單位投資較低，是導(dǎo)致倭肯河灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性較低的主要因素。江川灌區(qū)輸水渠道的襯砌率較低、單位灌溉面積渠道長度較長是造成江川灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性較低的主要原因。

5 結(jié) 語

通過對灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性進(jìn)行評價得到以下結(jié)論。

(1)運用基于AHP-熵權(quán)法的模糊物元模型對灌區(qū)的輸水系統(tǒng)進(jìn)行適宜性評價，選取多個影響灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的評價指標(biāo)，構(gòu)建灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價指標(biāo)體系，保證了評價結(jié)果的可靠性。主客觀權(quán)重相結(jié)合的權(quán)重確定方法，減少了評價指標(biāo)權(quán)重確定過程中的主觀性，避免了客觀權(quán)重過于依賴于樣本數(shù)據(jù)的缺陷。結(jié)果準(zhǔn)確、客觀的顯示了各灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性。

(2)適宜性評價結(jié)果顯示3個灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性程度距適宜灌區(qū)發(fā)展還有一定的差距，各灌區(qū)應(yīng)引起注意，輸水渠道的襯砌率、單位灌溉面積渠道長度、渠道工程單位投資及輸水渠道占地率為灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的主要影響因素，各灌區(qū)可在今后的續(xù)建配套與節(jié)水改造過程中加以重視。

(3)本文選取3個規(guī)模相似的灌區(qū)進(jìn)行輸水系統(tǒng)適宜性評價是在全面反映灌區(qū)輸水系統(tǒng)總體狀況的基礎(chǔ)上，探究灌區(qū)輸水系統(tǒng)與灌區(qū)相互適宜、協(xié)調(diào)發(fā)展的程度，以切實提高灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的一次嘗試，對于評價指標(biāo)及其評價標(biāo)準(zhǔn)的確定還需在今后的研究過程中不斷加以完善。

[1] 吳洪偉.中國重點中型灌區(qū)節(jié)水配套改造發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2012.

[2] Ande O T. Soil suitability evaluation and management for cassava production in the derived savanna area of southwestern Nigeria [J]. International Journal of Soil Science, 2011,6(2):142-149.

[3] Keshavarzi A, Sarmadian F, Ahmadi A. Spatially-based model of land suitability analysis using Block Kriging[J]. Australian Journal of Crop Science, 2011,5(12):1 533-1 541.

[4] Zhang X, Fang C, Wang Z, et al. Urban construction land suitability evaluation based on improved multi-criteria evaluation based on GIS (MCE-GIS): Case of New Hefei City, China[J]. Chinese Geographical Science, 2013,23(6):740-753.

[5] Seckler D, R K Sampath, S K Raheja. An index for measuring the performance of irrigation management systems with an application[J]. Water Resources Bulletin, 1998,24(4):855-860.

[6] Lilienfeld A, Asmild M. Estimation of excess water use in irrigated agriculture: a data envelopment analysis approach [J]. Agriculture water management, 2007,94(1):71-85.

[7] Ooi CA, Liew CL. An overview of irrigation, drainage and flood control projects in Malaysia[C]∥ Environmental impact assessment for irrigation, drainage and flood control. Malaysia: Proceeding of the national conference Kuala Terenggaun, 1994:13-17.

[8] 劉 鑫，王素芬，郝新梅. 紅崖山灌區(qū)機(jī)井空間布局適宜性評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(2)：101-109.

[9] 范樹平，劉友兆，張紅梅，等. 基于層次模糊物元模型的承接產(chǎn)業(yè)用地空間適宜評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(6)：266-276.

[10] 蔡 文. 物元模型及其應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1994.

[11] 陳守煜，柴春嶺，蘇艷娜. 可變模糊集方法及其在土地適宜性評價中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(3)：95-97.

[12] 許文娟. 城市公共交通與城市發(fā)展的適應(yīng)性研究[J]. 價值工程，2012，31(29)：108-109.

[13] 王少麗，劉大剛，許 迪，等. 基于模糊模式識別的農(nóng)田排水再利用適宜性評價[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報，2015，33(3)：239-245.

[14] 楊松益. 內(nèi)蒙古大型灌區(qū)節(jié)水改造效益綜合評價方法與應(yīng)用研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[15] 趙阿麗. 灌區(qū)節(jié)水改造綜合效益評價和灌溉水資源合理配置研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2005.

[16] 徐詩涵，劉 東，包音濤濤. 響水灌區(qū)渠道輸水能力模糊綜合評價[J]. 節(jié)水灌溉，2014，(1)：69-71.

[17] 李慧伶，王修貴，崔遠(yuǎn)來，等. 灌區(qū)運行狀況綜合評價的方法研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2006，17(4)：543-548.

[18] 付 強(qiáng).數(shù)據(jù)處理方法及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2006：339-341.

[19] 常建娥，蔣太立. 層次分析法確定權(quán)重的研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版)，2007，29(1)：153-156.

[20] 龍騰銳，趙 欣，林于廉，等.M-AHP-熵權(quán)組合賦權(quán)法在垃圾滲濾液處理技術(shù)評價中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境工程學(xué)報，2010，4(11)：2 455-2 460.

[21] 肖芳淳.模糊物元貼近度聚類分析的研究[J].新疆石油地質(zhì)，1999, 19(4)：281-283.

[22] 王宇平, 劉 蕊. 蛤蟆通灌區(qū)總干渠塌坡處理方案的選擇[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì), 2013,19(1)：110-112.

[23] 秦洪玉. 倭肯河灌區(qū)建設(shè)對環(huán)境的影響評價[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì), 2013, 19(6)：57-58.

[24] 張秀圣，趙宏偉，張 健.江川灌區(qū)改革措施與經(jīng)驗[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2006，12(7): 413-414.