基于AHP的小型灌溉渠道量水設(shè)備選型分析

王滇紅，楊春蕾，蔡守華，孫 浩

（1.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，210029，南京；2.揚州大學(xué)，225009，揚州）

基于AHP的小型灌溉渠道量水設(shè)備選型分析

王滇紅1，楊春蕾2，蔡守華2，孫 浩1

（1.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，210029，南京；2.揚州大學(xué)，225009，揚州）

小型灌溉渠道量水設(shè)備類型很多，在生產(chǎn)實踐中經(jīng)常遇到如何選型的問題?？偨Y(jié)了目前常用幾種量水設(shè)備的技術(shù)特性，在此基礎(chǔ)上提出一種基于層次分析法（AHP）的小型灌溉渠道量水設(shè)備選型方法。該方法以量水設(shè)備選型為目標層，以測流范圍、淹沒度、測量精度、工程造價、測流及管護方便程度為準則層，以常用的量水設(shè)備為方案層。分析結(jié)果表明，針對我國南方大中型灌區(qū)，梯形斷面斗農(nóng)渠量水設(shè)施的優(yōu)選順序為分流量水計、圓柱形量水槽、量水檻、矩形無喉段量水槽、巴歇爾量水槽。優(yōu)選結(jié)果對以上所述地區(qū)灌區(qū)斗農(nóng)渠量水設(shè)備的選擇具有一定的指導(dǎo)價值。

灌區(qū)；量水設(shè)備；層次分析法；優(yōu)選

根據(jù)人均或畝均水資源擁有量，我國是一個水資源貧乏的國家，隨著經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，水資源供需矛盾日益嚴重。同時，我國又是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水占全國總用水量的60%以上，灌溉用水浪費現(xiàn)象嚴重。為此，各地十分重視灌區(qū)量水，以改善灌溉用水管理水平，提高灌溉水利用率。一般情況下，大中型灌區(qū)干支渠多利用進水閘或分水閘進行量水，斗農(nóng)渠則適宜采用特設(shè)量水設(shè)備進行量水。目前，已研發(fā)應(yīng)用的特設(shè)量水設(shè)備種類很多，如何為斗農(nóng)渠選擇合適的量水設(shè)備是灌區(qū)量水工作中經(jīng)常遇到的問題。各類量水設(shè)備在性能特點上各不相同，依靠主觀判斷的傳統(tǒng)選型方法，有可能導(dǎo)致決策錯誤。事實上，量水設(shè)備的選型涉及多方面的因素，但是目前還未見利用決策模型進行量水設(shè)備選擇的相關(guān)研究。為此，本文嘗試采用層次分析法，將定性問題定量化，以提高量水設(shè)備選擇的科學(xué)決策水平。

層次分析法 （Analytic Hierarchy Process，簡稱 AHP）是 Thomas L.Saaty于20世紀70年代提出的決策方法，它是一種綜合人們主觀判斷的客觀方法，也是一種結(jié)合定量與定性研究的方法，能有效處理難以完全用定量方法來分析的復(fù)雜問題，可以將復(fù)雜的問題分解成若干層次，在比原問題簡單得多的層次上逐步分析；可以將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達和處理，也可以自我檢驗對某類問題的主觀判斷是否前后有矛盾。

一、常用特設(shè)量水設(shè)備的技術(shù)性能

灌區(qū)特設(shè)量水設(shè)備主要有巴歇爾量水槽、矩形無喉段量水槽、量水檻（長喉道量水槽）、直壁量水槽、拋物線形喉口量水槽、平坦V形堰、平頂堰、薄壁堰、圓柱形量水槽、噴嘴、分流量水計等，而對于斗農(nóng)級小型灌溉渠道，目前較常用的主要有巴歇爾量水槽、矩形無喉段量水槽、量水檻、圓柱形量水槽、分流量水計等。

巴歇爾量水槽是由短直喉道、上游收縮段和下游擴散段組成。收縮段的槽底是水平的，喉道的槽底向下游傾斜，擴散段槽底的傾斜方向與喉道相反。巴歇爾槽水頭損失小、壅水高度小，在自由流條件下，量水精度較高，測流范圍大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，適合在流量變幅大的渠道上使用。

矩形無喉段量水槽主要有進口收縮段、矩形喉口、出口擴散段以及上下游水尺組成，上游進口段以1∶3折角收縮，下游出口段以1∶6折角擴散，進口和出口寬度相等。該槽為平底開敞式，施工方便，能很好地適應(yīng)緩坡渠道測流，不致產(chǎn)生淹沒出流和大的壅水，造價較低，在喉道處測量精度較高，但在淹沒出流的情況下量水精度較差。

量水檻屬長喉道量水槽，控制段狹長，臨界流態(tài)在喉段內(nèi)保持距離較長，且流態(tài)不易受下游水位影響，水頭損失小，量水精度髙，淹沒度可達95%，能較好地防止泥沙淤積和漂浮物阻塞，造價低，但是當斷面尺寸較大時，量水槽的尺寸也較大，增加了一定工程量。

圓柱形量水槽是直接在原有渠道軸線上設(shè)置一個具有足夠剛度的圓柱體，促使水流在該處形成臨界水流狀態(tài)來測流的一種小型量水設(shè)備，無須改變原有渠道斷面結(jié)構(gòu)。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、制作安裝簡便、測流精度較高、既可做成固定式又可做成移動式、管理方便、不易產(chǎn)生淤積等特點。

分流量水計利用文丘里管作過水主管，并在其喉管處連接一裝有水表的支管，支管進口設(shè)在主管上或與上游水體連接，在自由流及淹沒流條件下量水精度均可達95%以上，靈敏度高，測流范圍大，水頭損失小，結(jié)構(gòu)簡單，建造及安裝容易，小型分流量水計可制成全套預(yù)制件安裝；不足之處是不能測得瞬時流量，來水含沙量過大時，會增加水表沖洗的工作量。

上述常用的5種量水設(shè)備性能指標匯總見表1，實際選擇時，應(yīng)綜合考慮測流范圍、淹沒度（相當于水頭損失，淹沒度越小，水頭損失越大）、量水精度、工程造價、測流管護方便程度等指標，選擇適宜的量水設(shè)備。

二、層次分析基本原理

1.建立層次結(jié)構(gòu)

層次分析法是將影響目標的各項因素分成若干階梯狀層級，通過兩兩比較的方法確定判斷矩陣，綜合得出各方案的權(quán)重，最后得出各項方案的優(yōu)劣排序。一個完整的層次分析模型一般分為三層，第一層為目標層，第二層為準則層，第三層為方案層。

本文針對南方大中型灌區(qū)梯形斷面斗農(nóng)渠，比較常用的巴歇爾量水槽、矩形無喉段量水槽、量水檻、分流量水計以及圓柱形量水槽5種特設(shè)量水設(shè)備的優(yōu)劣?？紤]到量水設(shè)備的選型一般遵循水頭損失小 （淹沒度大）、測量精度髙、測流范圍廣、使用管理方便、施工方便、造價低廉等原則，因此選擇測流范圍、淹沒度、測量精度、工程造價、測流及管護方便程度5項因素作為評判指標，以巴歇爾量水槽、矩形無喉段量水槽、量水檻（長喉道量水槽）、分流量水計以及圓柱形量水槽5種量水設(shè)備為方案層，構(gòu)造出量水設(shè)備選型模型如圖1所示。

2.確定單層次相對重要度向量

通過查閱文獻，聽取專家意見，根據(jù)判斷矩陣的構(gòu)建方法，得出準則層判斷矩陣H-B，見表2，以及方案層判斷矩陣B1-C、B2-C、B3-C、B4-C、B5-C，分別見表3～表7。

表1 5種量水設(shè)備性能指標對比

圖1 量水設(shè)備選型評判指標體系圖

表2 準則層判斷矩陣H-B

表3方案層判斷矩陣B1-C

表4方案層判斷矩陣B2-C

表5方案層判斷矩陣B3-C

表6方案層判斷矩陣B4-C

表7方案層判斷矩陣B5-C

然后根據(jù)判斷矩陣計算出相對重要度向量（特征向量）W的分量wi：

則 相 對 重 要 度 向 量 W=（w1，w2，w3，…wn）T，然后對歸一化處理得出W′。根據(jù)W′即可得出同一層次各相應(yīng)元素對于上一層次某元素的相對重要性排序值，即為層次單排序。計算結(jié)果分別見表2～表7權(quán)重列。

為了防止判斷矩陣的不一致性，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。

當CR≤0.1時，即表示判斷矩陣具有非常滿意的一致性，判斷矩陣是合理的。否則，代表評審者作出的評價意見不夠客觀，比較結(jié)果之間發(fā)生沖突，此時需要對因素進行重新評價，使一致性比率CR達到小于等于0.1的要求。

經(jīng)計算，判斷矩陣 H-B、B1-C、B2-C、B3-C、B4-C、B5-C 的 CR 值分別為0.0389、0.010 3、0.054 6、0.005 5、0.013 9、0.0096，均滿足層次單排序一致性檢驗。

3.層次總排序

綜合重要度向量的計算自上而下進行，即某一級因素的綜合重要度是以上一級因素綜合重要度為權(quán)重的加權(quán)和。假設(shè)判斷矩陣H-B的權(quán)重為b1～bm（m=1～5），其下一級判斷矩陣B-C的權(quán)重為 ci（i=1～5），ci=（c1i，c2i，……，cin）T（n=1～5），則 Cj（j=1～5）的綜合重要度權(quán)重向量公式如下，最后計算可以得出層次總排序矩陣如表9所示。

表8 平均隨機一致性指標RI取值表

表9 層次總排序矩陣

對于層次總排序矩陣也需進行一致性檢驗，以確保層次總排序結(jié)果滿足一致性要求。

當CR＜0.1時，層次總排序結(jié)果具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣中的元素取值，以保證結(jié)果滿足一致性。

進行層次總排序一致性檢驗如下：

可見，滿足一致性檢驗。

根據(jù)表9中的權(quán)重總排序，得出各個量水設(shè)備的優(yōu)選順序依次為分流量水計、圓柱形量水槽、量水檻、矩形無喉段量水槽、巴歇爾槽。

三、分析與結(jié)論

我國南方大中型灌區(qū)灌溉作物以水稻為主，灌水較為頻繁，且斗農(nóng)兩級渠道數(shù)量眾多，若采用傳統(tǒng)的量水槽進行量水，每次灌水需觀測量水槽上下游水尺讀數(shù)及過流時間。目前農(nóng)村勞動力價格提高較快，測流成本將會很大。以江蘇省高郵灌區(qū)為例，共有斗渠3 250條，若采用傳統(tǒng)的量水槽量水，按目前的管理人員數(shù)量，不可能完成全部斗渠的測流任務(wù)。分流量水計最大特點是可自行累計水量，測流特別方便，不要求每次灌水前去觀測流量并記錄放水時間，只需進行例行巡視維護即可。定期巡視雖需要一定用工投入，但遠遠低于傳統(tǒng)的測流用工。而且分流量水計造價較低，精度較高，因此分流量水計列于首位，具有客觀合理性。分流量水計的不足之處是，內(nèi)置水表對水質(zhì)要求較高，而南方地區(qū)灌溉水源以河流及湖庫水為主，含沙量較少，有利于分流量水計的推廣應(yīng)用。懸浮物雜質(zhì)可以通過攔污裝置加以攔截，并通過定期的人工巡視加以清理。目前機械水表價格低廉，可以安裝一個備用水表，以提高測流的可靠性。

圓柱形量水槽結(jié)構(gòu)簡單，一般是預(yù)制圓筒或圓柱，再運至現(xiàn)場安裝，施工安裝十分方便，量水精度也有保障。因此，若斗農(nóng)渠數(shù)量較少，測流用工投入有保障，則圓柱形量水槽也是一種較好的選擇。

南方部分經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，灌溉量水引入了現(xiàn)代自動觀測技術(shù)，即利用水位傳感器自動采集上下游水位，并自動計算過水量和累計水量。在這種情況下，量水檻和矩形無喉段量水槽均是較理想的選擇。因為這類量水槽技術(shù)成熟，不同規(guī)格渠道均有成熟的定型設(shè)計，再結(jié)合現(xiàn)代的觀測技術(shù)，可以獲得更可靠的觀測結(jié)果。

本文給出的排序結(jié)果主要針對南方一般的大中型灌區(qū)梯形斷面斗、農(nóng)渠特設(shè)量水設(shè)備的選擇。小型灌溉渠道量水設(shè)施類型很多，選擇量水設(shè)施的制約因素也很多。假如渠道為U形渠道，拋物線形喉口量水槽、直壁量水槽也是可行的備選方案。因此，在其他情況下，宜根據(jù)具體情況建立相應(yīng)的決策模型，選擇合適的量水設(shè)施。

[1]葉金俊.層次分析法在采運設(shè)備選型中的應(yīng)用[J].林業(yè)勘察設(shè)計,1998（2）.

[2]汪應(yīng)洛，陶謙坎.運籌學(xué)與系統(tǒng)工程[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

[3]史伏初.農(nóng)用分流式量水計[J].農(nóng)田水利與小水電,1985（12）.

[4]冉聃頡，王文娥，胡笑濤.梯形喉口無喉道量水槽水力性能試驗研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2017,36(9).

[5]徐義軍，韓啟彪.我國灌區(qū)量水槽研究概述[J].節(jié)水灌溉,2012(5).

[6]Parshall R L.The Improved Venturi Flume[M].USA:Colorado Experiment Station,Fort Collins,Coloado Agricultural College,1928.

[7]Cox A L,Thornton C I,Abt S R.Supercriticalflowmeasurementusingalarge Parshall flume[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering,2013,139(8).

[8]Singh J,Mittal S K,Tiwari H L.Discharge relation for small Parshall flume in free flow condition[J].International Journal of Research in Engineering and Technology,2014,3(4).

[9]Hager W H.Modifed trapezoidal Venturi channel[J].J of Irrigation and DrainageEngineering,ASCE,1986,112(3).

Selection of water metering equipment for small irrigation canals based on AHP//

Wang Dianhong,Yang Chunlei,

Cai Shouhua,Sun Hao

There are many types of water metering equipment for small irrigation canals.A summary is made on technical features of some water metering equipment,which is used as the base to select metering equipment for small irrigation canals by means of Analytic Hierarchy Process (AHP).The method uses the type of metering equipment as the target,scope of flow measurement submergence ratio and accuracy,cost,flow measurement and convenience of operation and maintenance as the criteria and meters that commonly used as the options.The evaluation results show that the preferable sequence of metering facilities for trapezoidal cross-section lateral canal should be distributary water meter,cylinder-shaped measuring flume,water metering cage,rectangle cut-throat water measuring flume and Parshall flume,which can be used as guidance for the selection of metering facilities in large and medium irrigation districts in southern part of China.

irrigation district;water metering equipment;Analytic Hierarchy Process(AHP);optimized selection

S27+TV

B

1000-1123（2017）23-0040-04

2017-10-12

王滇紅，高級工程師，主要從事農(nóng)田水利工程設(shè)計、咨詢和科研工作。

江蘇省水利科技項目(2016013)。

責(zé)任編輯 張瑜洪