基于組合權(quán)重TOPSIS模型的溫室西瓜調(diào)虧灌溉綜合效益評價

魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

我國是一個水資源短缺的農(nóng)業(yè)大國，節(jié)約灌溉用水，提高水分利用率，對于水資源的高效利用具有重要意義[1-3]。西瓜是一種耗水量較大的作物，提高西瓜水分利用率，實現(xiàn)西瓜旱作栽培，是干旱區(qū)西瓜優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)面臨的重要課題。非充分灌溉是利用作物本身具有一定的生理節(jié)水與抗旱能力，針對水資源的緊缺性與用水效率低下的普遍性而提出的一種節(jié)水技術(shù)。調(diào)虧灌溉是非充分灌溉的重要體現(xiàn)[4]，可通過對作物生育的某些階段，人為施加一定的水分脅迫，調(diào)節(jié)植物的生長和營養(yǎng)物質(zhì)分配，達到節(jié)水提質(zhì)增效的目的。Yesim E等[5]研究發(fā)現(xiàn)：適度的水分虧缺可提高大田西瓜可溶性固形物和糖含量，減小瓜皮厚度。鄭健等[6-7]研究表明：調(diào)虧灌溉能夠調(diào)整作物營養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)系，并有利于改善果實品質(zhì)、提高水分利用效率。鄭健等[8]采用E601型蒸發(fā)器控制灌溉水量，研究調(diào)虧灌溉對溫室西瓜水分利用效率及品質(zhì)的影響。截至目前，有關(guān)溫室西瓜調(diào)虧灌溉制度綜合評價的研究還比較少。

TOPSIS (technique for order preference by similarity to ideal solution)模型稱為“逼近理想解排序方法”，是有限方案多目標決策評價的一種常用技術(shù)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，將AHP和熵的概念引入到評價指標權(quán)重的確定中，采用組合權(quán)重TOPSIS模型對溫室西瓜不同調(diào)虧灌溉方案進行綜合評價[9]，以期為干旱區(qū)西瓜滴灌灌溉制度提供理論參考。

1 調(diào)虧灌溉評價體系建立

1.1 評價指標體系

溫室西瓜調(diào)虧灌溉制度評價體系包括西瓜生長性狀、果實品質(zhì)與水分利用3個方面。其中生長性狀包括株高、莖粗、坐果率、葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率與葉片水分利用率7項指標；果實品質(zhì)包括單果重量、果皮厚、果實縱徑、果實橫徑、果形指數(shù)(縱徑/橫徑)、VC含量、蛋白質(zhì)含量與可溶性固形物含量8項指標；水分利用包括產(chǎn)量與灌溉水利用率2項指標[9]。由此，選取影響灌溉制度評價的3個方面17項指標進行綜合評價(評價指標體系見表1)。

表1 溫室西瓜調(diào)虧灌溉制度評價體系

1.2 指標權(quán)重

1.2.1 熵權(quán)法

將評價指標矩陣X=(xij)m×n歸一化，形成判斷矩陣B=(bij)m×n。

(1)

式中i——評價方案；j——評價指標；xmax、xmin——第j個指標在各方案中的最大與最小值。

定義第j個評價指標的熵值，則有

(2)

(3)

則第j個評價指標的熵權(quán)為βj，得權(quán)重向量β=(β1，β2，βj，…，βn)，即

(4)

1.2.2 層次分析法

層次分析法(AHP)是由運籌學(xué)家薩迪(T.L.Saaty)于1977年建立的一種非結(jié)構(gòu)決策理論，目前廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)、經(jīng)濟管理等領(lǐng)域。該方法首先針對評價體系(見表1)，由專家對不同層次指標的相對重要性進行兩兩對比，并以1～9的標度進行量化；之后，由量化結(jié)果構(gòu)造兩兩對比的判斷矩陣，對其進行排序計算，確定評價指標權(quán)重；最后，通過對判斷矩陣進行一致性檢驗以保證計算的科學(xué)性和可靠性，若檢驗通過，表明結(jié)果可信，反之需重新賦值。

本文選擇AHP法和熵權(quán)法對評價指標進行組合賦權(quán)，確定指標權(quán)重：

(5)

式中αj和βj——AHP法和熵權(quán)法確定的指標權(quán)重。

2 調(diào)虧灌溉評價模型

TOPSIS法是根據(jù)評價對象與理想目標的接近程度進行排序的，計算步驟如下：

a. 形成決策矩陣。指標集為C=(C1,C2,…,Cn)，方案Mi對應(yīng)指標Cj的值為zij，形成多目標決策矩陣Z=(zij)m×n。

(6)

對上述矩陣進行無量綱處理，構(gòu)建標準化矩陣V=(vij)m×n。

；j=1,2,…,n

(7)

式中vij——第i個方案的第j個指標的標準化值，將其與指標權(quán)重相乘，得加權(quán)標矩陣R=(rij)m×n；

rij=wj·vij，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n

(8)

越大越優(yōu)型指標

(9)

越小越優(yōu)型指標

(10)

(11)

(12)

根據(jù)εi值的大小對方案集合Mi排序，εi越大方案越優(yōu)，反之越劣。

3 模型應(yīng)用

根據(jù)劉煉紅等[9]的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，對溫室西瓜不同調(diào)虧灌溉制度進行綜合評價，調(diào)虧灌溉制度設(shè)計見表2，各處理下的作物生長、品質(zhì)等情況見表3。

表2 西瓜不同生育期灌溉頻率處理 單位：d

注Ep為一定時間間隔內(nèi)的蒸發(fā)量。

表3 不同處理西瓜生長與品質(zhì)指標

注 各指標單位見表1。

3.1 計算決策矩陣

利用表3中的9個處理的17個評價指標構(gòu)建決策矩陣Z，根據(jù)式(7)進行無量綱化處理，得標準化決策矩陣V，見表4。

表4 評價指標標準化值

3.2 確定指標權(quán)重

根據(jù)AHP法計算得到評價指標權(quán)重α=(0.0456，0.0515，0.0533，0.0803，0.0554，0.0712，0.0711，0.0405，0.0701，0.0471，0.0544，0.075，0.0612，0.0558，0.0612，0.0473，0.0586)；由熵值法計算得評價指標權(quán)重β=(0.0477，0.0457，0.0524，0.0793，0.0561，0.0692，0.0725，0.0438，0.0612，0.0564，0.0542，0.0709，0.0659，0.0526，0.0607，0.0557，0.0556)；由式(5)計算得到組合權(quán)重w=(0.0360，0.0389，0.0462，0.1053，0.0514，0.0815，0.0852，0.0294，0.0709，0.0439，0.0488，0.0884，0.0667，0.0485，0.0615，0.0435，0.0539)。

3.3 加權(quán)決策矩陣

根據(jù)式(8)得到加權(quán)決策矩陣X，見表5。

表5 評價指標加權(quán)計算值

3.4 貼進度計算

根據(jù)評價指標的性質(zhì)，利用式(9)或式(10)計算得到正、負理想解；由式(11)、式(12)計算各評價方案與正、負理想解的距離S+、S-及相對貼近度εi，計算結(jié)果如下：

S+=(0.0016，0.0008，0.0016，0.0004，0.0016，0.0012，0.0014，0.0008，0.0026)；

S-=(0.0010，0.0012，0.0006，0.0025，0.0005，0.0007，0.0006，0.0014，0.0001)；

εi=(0.3853，0.6041，0.2772，0.8555，0.2266，0.3709，0.2987，0.6512，0.0499)。

根據(jù)各評價方案的貼近度值，對其進行優(yōu)劣排序(見表6)。

表6 各方案貼進度計算及排序

由表6可知，T4處理為最優(yōu)調(diào)虧灌溉制度，即在保證總灌水量相等的前提下，苗期每4d灌1次水、開花坐果期每2d灌1次水、果實膨大期每4d灌1次水、成熟期每6d灌1次水，此灌溉制度為最優(yōu)灌溉制度。

3.5 評價結(jié)果分析

由表3可知，T4處理的株高和莖粗均最大，且具有較高的光合能力和水分利用率，這保證了植株的正常營養(yǎng)生長，會制造出更多的光合產(chǎn)物，在抵御早春逆境脅迫時更有優(yōu)勢。在產(chǎn)量和水分利用率方面，T4處理有著較高的單果質(zhì)量、總產(chǎn)量和灌溉水利用效率，且T4的果實蛋白質(zhì)含量相對較高，甜度高，綜合品質(zhì)較優(yōu)。此外，T4處理的果皮最薄，僅8.30mm，增加了西瓜的可食用部分。綜上所述，T4處理為最優(yōu)灌溉方案是科學(xué)可信的，也是正確的。

通過與劉煉紅[9]分析結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)論完全一致(T4處理為最優(yōu)方案)，這不僅驗證了本模型的準確性，也說明其計算結(jié)果是可靠與科學(xué)的。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了基于TOPSIS法的溫室西瓜調(diào)虧灌溉綜合效益評價模型，對評價指標引入熵權(quán)法與AHP法計算組合賦權(quán)，并將上述方法用于不同調(diào)虧灌溉方案的綜合評價與優(yōu)選，結(jié)果表明T4處理為最優(yōu)調(diào)虧灌溉制度。研究結(jié)果為干旱區(qū)作物調(diào)虧灌溉提供了一定的理論參考。

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