基于物元分析的閆潭灌區(qū)水資源綜合效益研究

(1.菏澤市閆潭送水干線工程管理處，山東 菏澤 274000；2.菏澤市洙趙新河流域工程管理處，山東 菏澤 274000)

我國降水和地表水資源相對缺乏的北方地區(qū)，仍然存在農(nóng)業(yè)耕地灌溉水資源利用率偏低的問題[1-2]。作為基礎(chǔ)性戰(zhàn)略經(jīng)濟資源，水資源的數(shù)量、質(zhì)量、分布制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局、民生發(fā)展、環(huán)境安全。21世紀(jì)以來，國家提出了水生態(tài)文明建設(shè)，著力于水資源優(yōu)化配置來緩解水資源短缺的問題。本文以閆潭灌區(qū)為例，采用物元分析模型探究近17年來灌區(qū)水資源效益變化趨勢及其平均格局，以期為灌區(qū)水資源管理、分配提供參考依據(jù)，同時為提升水資源利用效率提供數(shù)據(jù)。

1 物元分析方法

物元分析是結(jié)合形式邏輯與模糊數(shù)學(xué)提出的以邏輯細(xì)胞三元組為基礎(chǔ)橫斷科學(xué)之一，用以解決互不相容問題，成為“硬”“軟”科學(xué)重要的方法論內(nèi)容。物元分析理論應(yīng)用于水資源綜合效益評價方面，其數(shù)學(xué)過程如下。

a.構(gòu)建水資源綜合效益基礎(chǔ)物元。利用物元有序三元組表示水資源綜合效益的結(jié)構(gòu)層次性特征，即R=(M，C，X)，其中R表示物元矩陣，M為水資源綜合效益，C為其綜合效益的特征屬性指標(biāo)，X為相對應(yīng)指標(biāo)的量值。若M有n個指標(biāo)屬性特征，則其基礎(chǔ)物元矩陣見式(1)[3]：

(1)

b.根據(jù)相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建物元的經(jīng)典域和節(jié)域。其思想就是構(gòu)建指標(biāo)量值與評價標(biāo)準(zhǔn)之間的模糊關(guān)系。因此，經(jīng)典域物元矩陣Rj描述見式(2)：

(2)

式中 (j= 1，2…m)——指標(biāo)評價區(qū)間；

(i=1，2…n)——指標(biāo)排序；

Mj——水資源綜合效益評價標(biāo)準(zhǔn)的第j個等級；

Ci——評價指標(biāo)體系中的第i項指標(biāo)。

Xji=(aji，bji)為Mj關(guān)于Ci所規(guī)定的量值范圍。其節(jié)域矩陣見式(3)：

(3)

式中Ms——評價等級區(qū)間矩陣；

Xsi= (asi，bsi)——Ms關(guān)于Ci所取的指標(biāo)取值范圍。

c.計算關(guān)聯(lián)隸屬度，關(guān)聯(lián)隸屬度表征單一指標(biāo)距離評價標(biāo)準(zhǔn)之間的距離，其計算以指標(biāo)量值大小為基礎(chǔ)。關(guān)聯(lián)度計算見式(4)：

(4)

其中，

(5)

(6)

|Xji|=|aji-bji|

(7)

式中ρ(xi，Xji)——第i個指標(biāo)的距離到經(jīng)典域區(qū)間的距離;

ρ(xi，Xsi)——其距離節(jié)域的矢量長度。

d.確定綜合關(guān)聯(lián)度根據(jù)各評價對象與每一評價區(qū)間的隸屬度值進行加權(quán)求和，則為綜合關(guān)聯(lián)度，公式見式(8)：

(8)

式中Kj(xi)——評價對象S0的第i項指標(biāo)在第j級評價區(qū)間的關(guān)聯(lián)度；

wi——第i個指標(biāo)的權(quán)重;

Kj(S0)——待評對象P0的綜合關(guān)聯(lián)度。

e.確定對象評定等級，參考田浪[5]等的研究方案劃分評價等級。

2 水資源綜合效益評價指標(biāo)體系與分級標(biāo)準(zhǔn)

2.1 水資源綜合效益評價指標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)建

水資源效益指一定區(qū)域內(nèi)水資源供給產(chǎn)生的綜合效益，包括社會效益、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益。由于其影響因素眾多，在參考前人的研究基礎(chǔ)上[1-2,5-6]，遵循層次性、普適性、可得性等原則提取了具有高頻、獨立性的指標(biāo)因子，用以構(gòu)建水資源效益評價指標(biāo)體系，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 水資源效益評價指標(biāo)體系

2.2 水資源綜合效益評價標(biāo)準(zhǔn)

評價標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)著物元分析中的經(jīng)典域，是水資源綜合效益評價的關(guān)鍵內(nèi)容。通常，該標(biāo)準(zhǔn)要求具有普世通用性，即能夠適用于其他類似的問題解決；層次性，即評價標(biāo)準(zhǔn)的層級能夠反映水資源效益及其指標(biāo)屬性的變化特征；可操作性，即數(shù)據(jù)來源可得可靠，指標(biāo)可描述且量級化。鑒于此，在參考了聯(lián)合國糧農(nóng)組織所推薦的灌區(qū)綜合評價指南，以及山東省和全國通行的標(biāo)準(zhǔn)值[5-6]，劃分了灌區(qū)水資源綜合效益評價分級，其閾值劃分見表1。

表1 灌區(qū)水資源效益評價指標(biāo)閾值分級

3 案例分析

3.1 閆潭灌區(qū)概況

閆潭引黃灌區(qū)位于華北平原南部的菏澤市西南，涉東明、曹縣、單縣3縣局部，總面積達1350km2，總?cè)丝?32.2萬(2017年統(tǒng)計)。灌區(qū)耕地面積142萬畝，設(shè)計灌溉面積100萬畝，占全市總灌溉面積的1/3，主要作物類型為小麥、玉米、棉花、大豆等，平均復(fù)種指數(shù)為170%。閆潭灌區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量681.40mm，平均氣溫13.90℃，無霜期210天，平均日照時數(shù)為2579h。區(qū)域夏半年為豐水期，冬半年為枯水期，豐枯季節(jié)水量相差4.20倍，灌區(qū)區(qū)內(nèi)呈春旱秋澇的自然特點。灌區(qū)內(nèi)表層主要為砂壤土、壤土，性質(zhì)黏重、吸水性好。

以2017年為現(xiàn)狀年計算，灌區(qū)內(nèi)年需水量為4.70億m3，供水量為4.30億m3，用水缺口達0.40億m3。

3.2 閆潭灌區(qū)水資源綜合效益計算

基于圖1所示指標(biāo)，通過《菏澤統(tǒng)計年鑒》,閆潭灌區(qū)管理部門將閆潭灌區(qū)各項實測指標(biāo)數(shù)據(jù)提取出來，并運用文獻[4]所示的熵權(quán)法計算得到各指標(biāo)權(quán)重，代入式(4)～(7)，計算得到關(guān)聯(lián)度，由式(8)計算各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度。以閆潭灌區(qū)某一渠系為例，其關(guān)聯(lián)度與綜合關(guān)聯(lián)度見表2，可知該渠系在2017年的水資源綜合效益指數(shù)為0.022，其等級屬于“一般”水平。

3.3 閆潭灌區(qū)水資源綜合效益縱向評價

各項指標(biāo)的實測值是水資源綜合效益評價的基礎(chǔ)，需要指出的是各項指標(biāo)可能存在一定的測量誤差，鑒于此應(yīng)將該誤差考慮進去，識別變量誤差對評價結(jié)果的不確定性影響。關(guān)于這一問題，國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用局部靈敏度方法進行分析，即在計算某一評價對象綜合關(guān)聯(lián)度時，在保持其他指標(biāo)量值不變的條件下對其中之一的指標(biāo)量值取其±0.10的區(qū)間，計算指標(biāo)量值變化后的最大關(guān)聯(lián)度等級。應(yīng)用前述方法，計算2001—2017年閆潭灌區(qū)水資源綜合效益的關(guān)聯(lián)度指數(shù),得到結(jié)果見表2。

表2 2001—2017年閆潭灌區(qū)水資源效益綜合關(guān)聯(lián)度

上述計算結(jié)果顯示：近17年來，閆潭灌區(qū)水資源綜合效益波動于較差、一般、較好3個等級，但仍具有一定的趨勢特征。2001—2004年穩(wěn)定于較差等級，原因可能是21世紀(jì)初閆潭灌區(qū)各項工程措施基本建設(shè)完畢，但渠系管理、水資源配置等處于初級探索階段，因而水資源利用效率并不高；2005—2009年波動于較差與一般等級區(qū)間，說明該階段水資源綜合效益略有提高，可能受到外部不確定性因素影響；2010—2013年穩(wěn)定于一般等級，表明這時期內(nèi)灌區(qū)水資源利用技術(shù)水平有了一定程度提升；2014—2017年達到較好水平，主要由于近年來隨著水生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略提出，閆潭灌區(qū)管理部門系統(tǒng)升級了渠系灌溉設(shè)備、水資源調(diào)配，大大提高了灌溉效率與水資源利用率。需要指出的是，雖然灌區(qū)水資源綜合效益有所提升，但其水資源供需矛盾依然嚴(yán)峻、用水缺口較大，灌區(qū)水資源短缺的問題仍需長遠考慮。

3.4 閆潭灌區(qū)水資源綜合效益縱向評價

圖2 閆潭灌區(qū)水資源綜合效益評價空間分布

為更好掌握灌區(qū)內(nèi)各渠系的水資源效益，在Arcgis10.3平臺上繪制了各灌區(qū)的空間矢量圖，并將綜合關(guān)聯(lián)度進行空間表達，得到閆潭灌區(qū)水資源綜合效益評價空間分布圖見圖2?？芍摴鄥^(qū)內(nèi)水資源效益空間分布十分不均衡，各大渠系分屬于差、較差、一般和較好等級。22個渠系中有4個渠系水資源效益屬于差等級，說明水資源利用效率低下，主要分布于灌區(qū)的北部和西南部渠系較少的地帶；有9個渠系屬于較差等級；水資源綜合效益屬于一般水平的有6個；有3個渠系水資源綜合效益屬于良好級。由圖2可知，水資源綜合效益與渠系分布密切相關(guān)，這是由于灌區(qū)內(nèi)地形平坦、水體自流性差，遠離渠系的地帶水資源分配較少，相應(yīng)的灌溉設(shè)施未能全部發(fā)揮能效，進而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和居民收入，因而水資源綜合效益較低。

4 結(jié) 論

結(jié)合相關(guān)研究提出的水資源評價高頻指標(biāo)因子及其閾值標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建灌區(qū)水資源綜合效益評價物元分析模型，對閆潭灌區(qū)水資源綜合效益進行縱向與橫向評價，得出以下結(jié)論：物元分析模型維數(shù)擴充容易，對水資源綜合效益評判采用局部靈敏度識別，克服原始指標(biāo)量值測量誤差的影響，方法可靠、操作簡單、應(yīng)用性良好。2001—2017年來灌區(qū)水資源綜合效益的關(guān)聯(lián)度波動于較差、一般與良好等級區(qū)間內(nèi)，但其總的趨勢呈良性發(fā)展，隨著經(jīng)濟、技術(shù)水平提高，灌區(qū)水資源綜合利用率穩(wěn)步提升，但水資源缺乏仍是區(qū)域發(fā)展的限制因子。空間上灌區(qū)水資源綜合效益存在差異，因此，在今后渠線建設(shè)過程中應(yīng)區(qū)別對待，注重局部水資源均衡分配。灌區(qū)水資源供應(yīng)有限，對區(qū)內(nèi)經(jīng)濟與民生發(fā)展至關(guān)重要，但其生態(tài)效益同樣不可忽視。