黑龍江省西部地區(qū)節(jié)水灌溉工程適宜性評價(jià)

李美娟，李鐵男，王 俊

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

黑龍江省西部地區(qū)節(jié)水灌溉工程適宜性評價(jià)

李美娟，李鐵男，王 俊

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

為促使黑龍江省西部地區(qū)高效節(jié)水灌溉工程效益發(fā)揮最大化，建立了節(jié)水灌溉工程適宜性評價(jià)指標(biāo)體系，補(bǔ)充完善了技術(shù)類評價(jià)指標(biāo)，并應(yīng)用半結(jié)構(gòu)性模糊決策模型，優(yōu)選出黑龍江省西部地區(qū)適宜的節(jié)水灌溉工程。評價(jià)結(jié)果表明：當(dāng)前黑龍江省西部地區(qū)節(jié)水灌溉工程的優(yōu)先發(fā)展順序依次為中心支軸式噴灌、絞盤式噴灌、滴灌、移動(dòng)管道式噴灌。

節(jié)水灌溉工程；適宜性評價(jià)；黑龍江省西部

糧食安全、水資源安全一直是國家高度重視的戰(zhàn)略問題。黑龍江省耕地面積1586.6萬hm2，具有農(nóng)業(yè)規(guī)模化和集約化發(fā)展優(yōu)勢，在保障國家糧食安全中具有極為重要的戰(zhàn)略地位。為促進(jìn)糧食綜合生產(chǎn)能力不斷提高，國家在黑龍江省啟動(dòng)實(shí)施了2012—2015年 “節(jié)水增糧行動(dòng)”。 在“節(jié)水增糧行動(dòng)”實(shí)施過程中，很多地方由于沒有統(tǒng)籌考慮當(dāng)?shù)氐淖匀?、?jīng)濟(jì)、社會(huì)等諸多影響因素，影響了節(jié)水灌溉工程功能和效益的發(fā)揮[1-2]。黑龍江省西部地區(qū)發(fā)展的節(jié)水灌溉工程主要有中心支軸式噴灌工程、絞盤式噴灌工程、涂塑軟管移動(dòng)式噴灌工程、金屬管道移動(dòng)式噴灌工程和滴灌工程。各種灌溉工程的投入產(chǎn)出和對地形、水源、田塊格局、電力配套、經(jīng)濟(jì)條件，及管理水平等的要求存在差別。因此，有必要對節(jié)水灌溉項(xiàng)目在當(dāng)?shù)鼐C合條件下的適宜性進(jìn)行評價(jià)，優(yōu)選出適合本區(qū)域的節(jié)水灌溉工程。國內(nèi)節(jié)水灌溉效益綜合評價(jià)的方法有層次分析法、主成分分析法、TOPSIS法、模糊綜合評判法，及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。節(jié)水灌溉效益綜合評價(jià)指標(biāo)體系的建立也在逐步完善[3-5]。戈翠等[6]結(jié)合馬鈴薯灌溉的特點(diǎn)，應(yīng)用TOPSIS法對陜西省榆林市項(xiàng)目區(qū)的畦灌、滴灌、半固定式噴灌、大型噴灌機(jī)噴灌四種灌溉方式進(jìn)行綜合評價(jià)，得出該地區(qū)各種灌溉工程的優(yōu)劣排序。羅金耀等[2]應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析理論，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)三個(gè)方面對節(jié)水灌溉工程典型實(shí)例計(jì)算分析。路振廣等[7]建立了由政策、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、財(cái)務(wù)、資源、環(huán)境和社會(huì)7大類指標(biāo)組成的節(jié)水灌溉工程綜合評價(jià)指標(biāo)體系，并用改進(jìn)的二元相對比較法對定性指標(biāo)量化分析。王蒙[8]應(yīng)用模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行了低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)應(yīng)用適宜性評價(jià)。當(dāng)前，多數(shù)的綜合評價(jià)研究中對節(jié)水灌溉設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)詳細(xì)闡釋的較少，而在灌溉工程實(shí)踐應(yīng)用過程中，技術(shù)指標(biāo)最為重要。針對上述問題，結(jié)合在參與“節(jié)水增糧行動(dòng)”項(xiàng)目設(shè)計(jì)和管理調(diào)研中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)的問題，建立了多層次和多目標(biāo)的節(jié)水灌溉工程適宜性評價(jià)指標(biāo)體系，用半結(jié)構(gòu)性模糊決策模型，科學(xué)開展節(jié)水灌溉工程適宜性評價(jià)，因地制宜地提出黑龍江省西部地區(qū)適宜的節(jié)水灌溉工程，對充分發(fā)揮節(jié)水灌溉工程效益、保障國家糧食安全意義重大。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

黑龍江省西部地區(qū)耕地面積677.5萬hm2，海拔120～200 m，主要由河漫灘和一級階地組成，地面十分平坦。水資源總量225.60億m3，其中：地表水資源量156.81億m3，地下水資源量為113.06億m3，區(qū)域種植作物以玉米、大豆、雜糧等旱田作物為主，玉米種植比例最大。農(nóng)業(yè)灌溉以開發(fā)利用地下水為主，開采目的層包括松散巖類孔隙水、碎屑巖孔隙水、玄武巖孔洞裂隙水。在“節(jié)水增糧行動(dòng)”實(shí)施中，黑龍江省西部地區(qū)發(fā)展的節(jié)水灌溉工程主要有中心支軸式噴灌工程(方案1)、絞盤式噴灌工程(方案2)、涂塑軟管移動(dòng)式噴灌工程(方案3)、金屬管道移動(dòng)式噴灌工程(方案4),以及滴灌工程(方案5)。

1.2 適宜性評價(jià)指標(biāo)體系

適宜性評價(jià)的目的是優(yōu)選出適合當(dāng)?shù)卣巍⒆匀?、?jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等條件，并具有良好經(jīng)濟(jì)性的節(jié)水灌溉工程。因此，指標(biāo)選取包括了政治、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)資源四大類，建立了一個(gè)由8個(gè)定性指標(biāo)和8個(gè)定量指標(biāo)組成的適宜性評價(jià)指標(biāo)體系，除子系統(tǒng)1的指標(biāo)和子系統(tǒng)2中的指標(biāo)①③④⑥⑦為定性指標(biāo)外，其余為定量指標(biāo)，具體見表1。

表1 節(jié)水灌溉工程適宜性評價(jià)指標(biāo)體系

注：由于黑龍江省西部地區(qū)作物以玉米為主，評價(jià)指標(biāo)體系中的影響因子以玉米為分析對象。

1.3 多層次半結(jié)構(gòu)模糊綜合評價(jià)

由陳守煜提出的半結(jié)構(gòu)性決策可變模糊集理論與方法采用二元對比法來量化定性指標(biāo)，與定量指標(biāo)的量化原理從根本上是一致的。本文采用5級模糊優(yōu)選模型對節(jié)水灌溉工程進(jìn)行適宜性評價(jià)。

(1) 確定評價(jià)指標(biāo)的相對優(yōu)屬度。子系統(tǒng)2中的②和⑤、子系統(tǒng)3的指標(biāo)和子系統(tǒng)4的指標(biāo)為定量指標(biāo)。其中，越大越優(yōu)型指標(biāo)采用式(1)計(jì)算，越小越優(yōu)型指標(biāo)采用式(2)計(jì)算。對于定性指標(biāo)，根據(jù)二元對比法，通過二元比較，利用語氣算子與相對隸屬度之間的關(guān)系表便可確定其相對優(yōu)屬度[9]。

rij=(xij-minxij)/(maxxij-minxij)

(1)

rij=(maxxij-xij)/(maxxij-minxij)

(2)

式中：rij為方案j指標(biāo)i的相對優(yōu)屬度；xij為方案j指標(biāo)i的特征值；maxxij、minxij為方案j指標(biāo)i的最大、最小特征值。

(2) 確定權(quán)向量。各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)采用熵權(quán)法計(jì)算，各子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)利用二元對比法確定。

(3)確定方案優(yōu)屬度。5級模糊優(yōu)選模型計(jì)算公式如下：

(3)

aj=minaij

bj=maxaij

(4)

式中：aj為方案j的級別下限值，bj為方案j的級別上限值。5級模糊優(yōu)選模型的各個(gè)級別的相對優(yōu)屬度向量值S= (1，0.8，0.6，0.3，0)，將方案j的優(yōu)屬度值與S比較，即得方案j的級別；h=aj，aj+1，…，bj；j=1，2，…，n；Uhj為方案j對級別h的相對隸屬度；dhj為方案j與級別h之間差異的廣義權(quán)距離；Sh為級別h對應(yīng)的相對優(yōu)屬度值；Wi為指標(biāo)i的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 方案優(yōu)屬度計(jì)算

(1)指標(biāo)的相對優(yōu)屬度矩陣。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，利用式(1)、式(2)，以及二元對比法，計(jì)算得到各個(gè)子系統(tǒng)目標(biāo)的相對優(yōu)屬度矩陣為：

(2)權(quán)向量。根據(jù)上面得到的指標(biāo)優(yōu)屬度值，計(jì)算得到各子系統(tǒng)指標(biāo)的權(quán)向量分別為：

W1=(0.607，0.192，0.201) ，

W2=(0.081，0.083，0.088，0.088，0.015，0.637，0.008) ，

W3=(0.142，0.295，0.117，0.446)，

W4=(0.877，0.123)。

利用二元對比法得到的各子系統(tǒng)權(quán)向量W=(0.270，0.331，0.221，0.178)。

(3)方案優(yōu)屬度。①確定指標(biāo)體系第一層中各子系統(tǒng)方案的優(yōu)屬度。采用5級模糊優(yōu)選理論模型， 計(jì)算得到各子系統(tǒng)方案的相對優(yōu)屬度為：

u1=(0.898，0.811，0.770，0.770，0.728)，

u2=(0.962，0.771，0.572，0.444，0.382)，

u3=(0.678，0.783，0.783，0.787，0.889)，

u4=(0.110，0.076，0.038，0，1)。

②確定指標(biāo)體系第二層中各方案相對優(yōu)屬度。與第一層計(jì)算方法同理，由①中計(jì)算得知各子系統(tǒng)方案相對優(yōu)屬度矩陣為：

前面已經(jīng)確定子系統(tǒng)權(quán)向量W=(0.270，0.331，0.221，0.178)，則各方案優(yōu)屬度計(jì)算結(jié)果為U=( 0.736，0.695，0.635，0.608，0.665)，即方案1，2，3，4，5的相對優(yōu)屬度向量為0.736，0.695，0.635，0.608，0.665， 方案1最優(yōu)，其次為方案2和方案5。

2.2 評價(jià)結(jié)果分析

(1)方案1最優(yōu)，即在黑龍江省西部地區(qū)的主要項(xiàng)目區(qū)，中心支軸式噴灌工程的適宜性最高。盡管中心支軸式噴灌工程單位投資高，但其使用壽命長，在技術(shù)、增產(chǎn)、節(jié)水、省工等指標(biāo)上優(yōu)勢突出。尤其是黑龍江省西部地區(qū)的地塊規(guī)模、生產(chǎn)管理體制、水源、電力等能夠滿足中心支軸式噴灌工程的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

(2)方案2次之。絞盤式噴灌工程屬于半自動(dòng)化灌溉，它在灌水均勻度、運(yùn)行管理難易度、對作物適應(yīng)性等技術(shù)指標(biāo)上，以及增產(chǎn)能力等方面與中心支軸式噴灌工程相比較差。

(3)方案2比方案3、4、5優(yōu)，即絞盤式噴灌工程模式比移動(dòng)管道式噴灌工程和滴灌工程優(yōu)。滴灌工程灌溉水利用系數(shù)高，操作簡易，增產(chǎn)能力高，但畝投資太大，施工前期工程復(fù)雜，滴灌帶每年需要二次投資。移動(dòng)管道式噴灌工程需要人工移動(dòng)管道灌溉，自動(dòng)化程度太低。

3 結(jié) 論

本文建立了黑龍江省西部地區(qū)節(jié)水灌溉工程適宜性評價(jià)指標(biāo)體系，指標(biāo)體系中補(bǔ)充完善了節(jié)水灌溉工程技術(shù)類指標(biāo)，并對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的闡釋。應(yīng)用半結(jié)構(gòu)性模糊決策模型，評價(jià)出黑龍江省西部地區(qū)優(yōu)先發(fā)展的灌溉工程應(yīng)為中心支軸式噴灌工程和絞盤式噴灌工程。對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析得出，評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，半結(jié)構(gòu)性模糊決策模型可用于節(jié)水灌溉工程適宜性評價(jià)。

[1] 余鵬飛，金宏智，嚴(yán)海軍，等.東北四省區(qū)“節(jié)水增糧行動(dòng)”實(shí)施過程中的幾個(gè)問題與建議[J].節(jié)水灌溉，2013(8)：60-62.

[2] 羅金耀，李道西.節(jié)水灌溉多層次灰色關(guān)聯(lián)綜合評價(jià)模型研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2003， 22(5)：38-41.

[3] 周華.河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)節(jié)水灌溉工程評價(jià)[J].中國農(nóng)村水利水電，1999(8)：12-13.

[4] 高峰，雷聲隆，龐鴻賓. 節(jié)水灌溉工程模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評價(jià)模型研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(4)：84-87.

[5] 趙競成，陽放，王曉玲，等. 農(nóng)業(yè)高效用水工程綜合評價(jià)體系研究[J].節(jié)水灌溉， 2002(3)： 3-7.

[6] 戈翠.沙地馬鈴薯不同灌溉方式經(jīng)濟(jì)效益分析[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008.

[7] 路振廣，曹祥華. 節(jié)水灌溉工程綜合評價(jià)指標(biāo)體系與定性指標(biāo)量化方法[J].灌溉排水學(xué)報(bào)， 2001，20(1)：55-57.

[8] 王蒙.江蘇地區(qū)農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)應(yīng)用適宜性評價(jià)及模式研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2014.

[9] 陳守煜.水資源與防洪系統(tǒng)可變模糊集理論與方法[M] . 大連：大連理工大學(xué)出版社，2005.

The suitability evaluation of water-saving irrigation project in western region of Heilongjiang Province

LI Meijuan, LI Tienan, WANG Jun

(HeilongjiangProvinceHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

The suitability evaluation index system of water-saving irrigation project was established in order to maximize the benefit of these projects in western regions of Heilongjiang province. The most suitable water-saving irrigation project was elected by the semi-structured fuzzy decision model. The conclusion shows that the priority order of the water-saving irrigation project in western region in Heilongjiang province is the center pivot irrigation, winch sprinkler irrigation, drip ones and mobile pipe sprinkler irrigation.

water-saving irrigation project; suitability evaluation; western regions of Heilongjiang province.

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD12B01)

李美娟(1984-)，女，山西朔州人，工程師，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)及水資源高效利用研究。E-mail:Limeijuan198411@163.com。

S275

A

2096-0506(2017)05-0001-04