北票市節(jié)水灌溉方式的優(yōu)化選擇

劉洪梅

(遼寧省北票市大三家水利服務(wù)站，遼寧 朝陽 122113)

1 水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 水資源情況

北票市總面積4469km2，地處N41°20′和42°30′，E120°16′-121°20′之間，位于朝陽北部。該地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，為遼西低山丘陵地帶，年均降水量454.0mm，且7-9月為降雨集中期。北票市位于半干旱地區(qū)，降雨的滲入補(bǔ)給為地下水補(bǔ)給的主要來源。氣溫變化特點(diǎn)、蒸散發(fā)和降水量多少等因素均可對(duì)地下水的形成都起到控制作用，由于地表徑流條件好，可滲入地下的降雨僅有10%-20%，大部分匯集于河谷排出縣外。土壤侵蝕和沖蝕溝發(fā)育在集中降雨作用下更加突出，從而加速了地下水的排泄與徑流[1-4]。

境內(nèi)主要有東官營河、牤牛河、十八臺(tái)河、西柳河及老寨川河等支流，從屬于大、小凌河流域。常年有明水的河流有大凌河、牤牛河，其他支流大部分為季節(jié)性河流，雨季降水集中易形成2-4h的山洪。根據(jù)水資源統(tǒng)計(jì)相關(guān)資料，該區(qū)域水資源總量多年平均值為26529萬m3，其中地下和地表水分別為19270、26220萬m3，地下可利用量11274m3。

1.2 水資源利用

目前，北票市已建14座水庫，其中：小(1)、小(2)型水庫分別有7座、6座；塘壩、方塘、井房和渠道建筑物分別為18、64、2561、420座，提水站15處，自流灌渠36條，渠道防滲56.40km，機(jī)電井大口井2561眼，配套管路2075km。北票市2011年總用水量8956萬m3，其中7548萬m3來源于地下水供給，統(tǒng)計(jì)分析各行業(yè)用水如下：生態(tài)環(huán)境、城鎮(zhèn)公共、林牧漁業(yè)、農(nóng)田灌溉、農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)村生活和城鎮(zhèn)居民生活用水分別為13、135、697、3905、2668、823、715m3。

比較分析現(xiàn)狀年與取用水總量控制指標(biāo)，北票市地下水、地表水和水資源總量控制指標(biāo)在“十二五”期間分別為0.77、0.15和0.92億m3，現(xiàn)狀年的地下水、地表水和實(shí)際總用水量分別為0.75、0.15、0.89億m3。城鎮(zhèn)節(jié)水器具普及率和農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)控制指標(biāo)分別為98%、0.62，現(xiàn)狀用水系數(shù)為0.60接近控制指標(biāo)。另外，該區(qū)域地表水開發(fā)率較低，地下水開采處于采補(bǔ)平衡狀態(tài)，地下與地表水開發(fā)率分別68.0%、8.1%。水資源開發(fā)利用程度37.1%，相對(duì)于60%的警戒線還存在一定的開發(fā)潛力。

1.3 存在的問題分析

1)水資源矛盾突出。根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和用水量指標(biāo)分析結(jié)果，資源性、工程性缺水為北票市面臨的突出問題。2011年北票市人均用水量153m3/人，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同期全省平均值340m3/人；萬元GDP用水量56.2 m3/萬元顯著低于全國同期的281m3，城鎮(zhèn)和農(nóng)民居民生活用水明顯低于同期全省平均值；人均占有量、畝均用水量分別為453m3/人和3090m3/hm2，也顯著低于同期全省平均值的820m3/人、8205m3/hm2。

2)可開采難度大。地處遼西丘陵地帶的北票市，受蒸發(fā)量大、降水分布不均及地形地貌等條件限制地表水利用效率較低，同時(shí)由于水利工程較少和河流來水不均，機(jī)電井提水補(bǔ)充為需水高峰的主要來源[5]。

3)用水效率低。目前，由于還未建立較為系統(tǒng)、成熟的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)服務(wù)體系，使得一些先進(jìn)的節(jié)水措施不能及時(shí)有效的服務(wù)于工農(nóng)業(yè)發(fā)展，加之北票市區(qū)政供水系統(tǒng)設(shè)施陳舊、輸水管線老化和滴、冒、跑、漏等現(xiàn)象嚴(yán)重，農(nóng)田灌溉用水效率較低[6]。

為了提高灌溉用水效率和水資源可持續(xù)利用水平，有必要對(duì)不同灌溉方式進(jìn)行優(yōu)選研究，這不僅符合當(dāng)前社會(huì)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的一項(xiàng)迫切要求，而且與生態(tài)環(huán)境、水土資源利用、農(nóng)業(yè)可持續(xù)長遠(yuǎn)發(fā)展相關(guān)[7]。

2 基于層次分析模型的節(jié)水灌溉方式優(yōu)選

優(yōu)選評(píng)價(jià)節(jié)水灌溉方式時(shí)應(yīng)考慮各方面因素的綜合影響，若僅僅依靠某一指標(biāo)或從某一個(gè)角度分析通常存在片面性。在判斷分析多指標(biāo)、多層次綜合性問題時(shí)，層次分析法具有較好的邏輯性和較高的準(zhǔn)確度，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理和不同灌溉方式的評(píng)判值進(jìn)行排序，從而給出最佳的模式[8-10]。層次分析法主要是將灌溉效應(yīng)各影響因素按照完成目標(biāo)的程度和問題的性質(zhì)分解為若干個(gè)層次，通過對(duì)比分析兩兩元素間的相對(duì)重要性構(gòu)造具有一定關(guān)聯(lián)性的遞階層次結(jié)構(gòu)，然后采用1-9標(biāo)度法對(duì)比分析兩兩因素的重要性，最終確定灌溉效益單排序及總排序評(píng)價(jià)值。

2.1 構(gòu)建層次分析模型

2.1.1 總排序

設(shè)定S、M分別為單因素矩陣和權(quán)重矩陣，其中S=(E,T,H)T、M=(M1，M2，M3)，則不同灌溉方式的綜合經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)值Z的計(jì)算方法如下：

Z=M×S

(1)

2.1.2 單排序

假定Ee、Mg分別為國民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)矩陣及其的權(quán)重矩陣，其中Ee=(E1,E2，E3，E4)T、Mg=(Mg1、Mg2、Mg3、Mg4)，則國民經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)值E計(jì)算方法如下：

E=Mg×Ee

(2)

引入Tt、Mt分別為工程技術(shù)指標(biāo)矩陣及其的權(quán)重矩陣，其中Tt=(T1，T2，T3)T、Mt=(Mt1，Mt2，Mt3)，則工程技術(shù)子系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)值T計(jì)算公式如下：

T=Mt×Tt

(3)

設(shè)定Hs、Ms分別為社會(huì)影響及其權(quán)重矩陣，其中Hs=(H1，H2，H3，H4，H5)T、Ms=(Ms1，Ms2，Ms3，Ms4，Ms5)，則社會(huì)子系統(tǒng)的效應(yīng)評(píng)價(jià)值H計(jì)算公式如下：

H=Ms×Hs

(4)

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

選擇經(jīng)驗(yàn)豐富且長期從事灌區(qū)節(jié)水改造工程的6-10名專家組成小組，對(duì)各因素間的重要度進(jìn)行判斷并建立各層次判斷矩陣B={bij}n×n，其中bij為依據(jù)1-9標(biāo)度法對(duì)比分析的兩兩因素重要程度，判別標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 判斷矩陣B的標(biāo)度準(zhǔn)則

2.3 確定指標(biāo)權(quán)重

不同灌溉方式的各指標(biāo)權(quán)重值計(jì)算方法如下：

步驟一：根據(jù)乘積運(yùn)算法計(jì)算矩陣B中各行元素的積Pi，其計(jì)算公式如下：

(5)

式中：n為判斷矩陣B的階數(shù)。

步驟二：采用下式計(jì)算確定Pi的n次方根值，其表達(dá)式為：

(6)

(7)

步驟四：按照1-9標(biāo)度準(zhǔn)則對(duì)n個(gè)元素的權(quán)重進(jìn)行單排序并構(gòu)造相應(yīng)的權(quán)向量，對(duì)矩陣B的最大特征根λmax進(jìn)行求解。從數(shù)學(xué)的角度可證明矩陣B屬于正互反矩陣，因此必然存在正實(shí)數(shù)λmax。對(duì)不同灌溉方式進(jìn)行優(yōu)選分析時(shí)，依據(jù)專家評(píng)分構(gòu)造的判斷矩陣并不一定符合一致性要求，所以還需要引入CI指標(biāo)衡量其一致性，其計(jì)算方法為：

(8)

(9)

一致性指標(biāo)CI值為0，則灌溉方式優(yōu)選評(píng)判矩陣符合一致性檢驗(yàn)；否則，應(yīng)對(duì)一致性選用指標(biāo)RI重新檢驗(yàn)，不同階數(shù)矩陣其RI值檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 平均隨機(jī)一致性RI檢驗(yàn)指標(biāo)值

2.4 獲取社會(huì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

節(jié)水灌溉方式評(píng)判體系中可量化的指標(biāo)為工程技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)所包含的各項(xiàng)參數(shù)，這些參數(shù)可通過具體的計(jì)算確定；社會(huì)評(píng)價(jià)子系統(tǒng)中各參數(shù)均屬于定性指標(biāo)，考慮選用模糊數(shù)學(xué)評(píng)判法獲取此類指標(biāo)的量化值，具體流程為：按照規(guī)定的評(píng)語邀請(qǐng)6-10名長期從事灌區(qū)節(jié)水改造的工程人員，針對(duì)給定的指標(biāo)作出科學(xué)的評(píng)判，并確定相應(yīng)的隸屬度。

結(jié)合節(jié)水灌溉的具體情況和相關(guān)技術(shù)要求，將評(píng)判等級(jí)劃分V={V1,V2，V3，V4，V5}，所對(duì)應(yīng)的評(píng)語依次為很好、較好、一般、較差和很差，所對(duì)應(yīng)的隸屬度為1.0、0.8、0.5、0.2、0.0。根據(jù)隸屬度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和不同灌溉方式的評(píng)語，確定N個(gè)專家的評(píng)分均值及其所對(duì)應(yīng)的各參數(shù)平均隸屬度。

2.5 相關(guān)指標(biāo)的處理

節(jié)水灌溉效益評(píng)價(jià)體系中可量化的正向指標(biāo)為工程技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)所包含的各項(xiàng)參數(shù)，此類評(píng)價(jià)值越大則灌溉方式越優(yōu)；負(fù)向指標(biāo)有投資回收期和運(yùn)行管理難以程度，此類指標(biāo)值越小則灌溉方式越優(yōu)。另外，由于部分指標(biāo)存在量綱而無法直接參與計(jì)算。所以，對(duì)不同節(jié)水灌溉方式運(yùn)用層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，有必要對(duì)有量綱和負(fù)向指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)處理。

由于不同指標(biāo)的量綱存在差異而無法直接用于計(jì)算評(píng)價(jià)，且正向與負(fù)向指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響不同。所以，對(duì)不同節(jié)水灌溉方式利用層次分析法進(jìn)行優(yōu)選評(píng)價(jià)時(shí)，必須先進(jìn)行規(guī)范化處理。其中，將數(shù)列中每一個(gè)指標(biāo)除以該數(shù)列中的最大值即為規(guī)范化處理，即：

Eii=Ei/Emax

(10)

通過轉(zhuǎn)換處理使得各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響趨勢相同，該過程即為同趨勢化處理。選用求補(bǔ)法和大小值進(jìn)行轉(zhuǎn)置計(jì)算，其表達(dá)式為：

Eii=Emax+Emin-Ei

(11)

式中：Emax、Emin分別為最大與最小值；Ei、Eii分別為規(guī)范化處理前與處理后值。

3 實(shí)例應(yīng)用

小管出流灌、滴灌和噴灌為北票市節(jié)水灌溉的3種待優(yōu)選方案，為優(yōu)選出最佳的灌溉方式選用層次分析法和以上計(jì)算公式進(jìn)行分析[11]。

結(jié)合北票市節(jié)水灌溉多年調(diào)查資料和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定不同灌溉方式的各指標(biāo)初始值，然后采用規(guī)范化計(jì)算公式對(duì)T1、T2、E1和E4指標(biāo)進(jìn)行處理，同趨勢化和標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算E3指標(biāo)，結(jié)果見表3。

表3 不同灌溉方式的指標(biāo)初始值與標(biāo)準(zhǔn)值

依據(jù)1-9標(biāo)度準(zhǔn)則，對(duì)結(jié)構(gòu)層次體系中的各層級(jí)中每一個(gè)指均邀請(qǐng)專家進(jìn)行評(píng)判并構(gòu)造判斷矩陣，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)確定指標(biāo)單排序與總排序。檢驗(yàn)結(jié)果和權(quán)重計(jì)算見表4所示，其中λmax值為3.118，CI、RI、CR值分別為0.0095、0.610、0.025，檢驗(yàn)結(jié)果符合要求。

表4 基于層次分析法的權(quán)重計(jì)算

對(duì)單層次中指標(biāo)E、H、T分別利用文中所述公式進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值Z計(jì)算公式確定不同灌溉方式的綜合評(píng)判，見表5所示。

表5 權(quán)重計(jì)算及綜合效益排序

對(duì)比分析等3種灌溉方式的綜合評(píng)價(jià)值，結(jié)果顯示綜合評(píng)價(jià)值最高的為滴灌方式，具有顯著的工程技術(shù)、社會(huì)評(píng)價(jià)和國民經(jīng)濟(jì)效益，因此選擇滴灌作為北票市最佳的灌溉方式。

4 結(jié) 論

灌溉方式的選擇應(yīng)考慮各方面因素的綜合影響，對(duì)于此類問題層次分析法具有較好的適用性。文章以北票市為例，結(jié)合該區(qū)域灌溉工程實(shí)際情況和不同灌溉模式特征，從社會(huì)評(píng)價(jià)、工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性等方面優(yōu)選了適合當(dāng)?shù)氐淖罴压?jié)水灌溉模式，可為提高農(nóng)田灌溉用水效率及其綜合效益評(píng)價(jià)提供一定指導(dǎo)。