盤山灌區(qū)節(jié)水水平評(píng)估

張洪梅

(盤山縣住建事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124100)

0 引 言

中國農(nóng)業(yè)用水占比受生活、工業(yè)等用水量的增大呈下降趨勢(shì)，但仍處于超過60%的較高水平，在落實(shí)節(jié)水優(yōu)先戰(zhàn)略中農(nóng)業(yè)灌溉用水占據(jù)重要地位。因此，區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水水平與灌區(qū)節(jié)水狀況直接相關(guān)。灌區(qū)節(jié)水的內(nèi)涵可概括為：在經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可能、自然規(guī)律的情況下，農(nóng)作物生產(chǎn)中最大限度的吸收可用水源量，從而盡可能的獲取高的產(chǎn)量和消耗少的水資源。所以，用水效率、節(jié)水措施、節(jié)水技術(shù)和節(jié)水工程為體現(xiàn)灌區(qū)節(jié)水程度的主要方面，為發(fā)現(xiàn)灌區(qū)節(jié)水潛力和節(jié)水存在的問題應(yīng)了解節(jié)水水平所處的位置并摸清灌區(qū)用水、節(jié)水技術(shù)。針對(duì)灌區(qū)到底是否節(jié)水、如何合理評(píng)判節(jié)水效果和節(jié)水工作開展情況等，以上問題均屬于節(jié)水評(píng)價(jià)的范疇。科學(xué)合理的評(píng)價(jià)灌區(qū)節(jié)水水平，對(duì)于更好地發(fā)揮灌區(qū)作用和提高對(duì)灌區(qū)節(jié)水水平的認(rèn)識(shí)具有重要的積極作用[1]。

綜合評(píng)價(jià)灌區(qū)節(jié)水程度屬于一項(xiàng)多要素復(fù)雜的系統(tǒng)性問題，且各要素間往往存在相互關(guān)聯(lián)，其中綜合評(píng)價(jià)法為獲取客觀評(píng)價(jià)結(jié)果的常用方法。當(dāng)前，節(jié)水水平的評(píng)價(jià)方法有灰色聚類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊數(shù)學(xué)法、AHP法等[2-7]，以上方法在應(yīng)用過程中均存在一定的缺陷，一般無法全面客觀的體現(xiàn)灌區(qū)節(jié)水水平。例如，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法存在穩(wěn)定性差、收斂速度慢等問題，灰色居來法具有評(píng)價(jià)結(jié)果和關(guān)聯(lián)系數(shù)不確定等問題，模糊數(shù)學(xué)和AHP法存在可靠性低且權(quán)重計(jì)算具有較大的隨機(jī)性。為了解決以上方法存在的模糊性和隨機(jī)性問題，更加合理的確定指標(biāo)權(quán)重，對(duì)盤山灌區(qū)節(jié)水水平利用可變模糊迭代模型耦合云模型法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 云模型及可變模糊聚類迭代評(píng)估模型

1.1 云模型

李德毅等構(gòu)建了一種能夠轉(zhuǎn)換定量描述與定性概念的云模型[8-9]，通過3個(gè)數(shù)值超熵He、熵En、期望Ex描述云數(shù)字特征，考慮不確定性和模糊性特征實(shí)現(xiàn)定性問題的定量描述。

不同評(píng)價(jià)等級(jí)下的各參評(píng)因子云數(shù)字，可結(jié)合云模型表示為如下表達(dá)式，即：

(1)

(2)

He=k

(3)

式中：Cmax、Cmin為灌區(qū)節(jié)水水平某一等級(jí)的最大和最小值；k為常數(shù)項(xiàng)，可參考變量模糊閾度適當(dāng)調(diào)整。

采用正態(tài)云發(fā)生器和云滴數(shù)據(jù)獲取各節(jié)水指標(biāo)隸屬程度，其數(shù)學(xué)式如下：

(4)

1.2 可變模糊聚類迭代模型

設(shè)m個(gè)指標(biāo)特征值向量{x1j,x2j,…,xmj}對(duì)應(yīng)的n個(gè)樣本集合為{x1,x2,…,xn}，聚類分析參評(píng)樣本構(gòu)造特征值矩陣X=(xij)，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…n；xij為評(píng)價(jià)指標(biāo)i關(guān)于對(duì)象j的特征值?？紤]到各參評(píng)因子單位和量綱的不同，采用歸一化公式對(duì)初始值處理，從而標(biāo)準(zhǔn)矩陣R=(rij)。按照c個(gè)類別將存在m個(gè)指標(biāo)特征值的n個(gè)樣本聚類分析，構(gòu)造的聚類矩陣如下：

U=(uhj)

(5)

(6)

設(shè)uhj為類別h關(guān)于樣本j的隸屬度，則利用下式確定節(jié)水水各評(píng)價(jià)因子的廣義歐式加權(quán)距離：

Dhj=uhjdhj

(7)

采用綜合權(quán)衡量類別c與樣本j的差異，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(8)

通過上述轉(zhuǎn)換處理可有f(u,s,w)=[f1(u1,s,w),f2(u2,s,w),…,fn(un,s,w)]，由此可構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)如下：

minf(u,s,w)=[f1(u1,s,w),f2

(u2,s,w),…,fn(un,s,w)]

(9)

可變模糊數(shù)學(xué)模型利用拉格朗日函數(shù)確定，所對(duì)應(yīng)的計(jì)算式為：

(10)

(11)

(12)

灌區(qū)節(jié)水水平各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的最優(yōu)權(quán)重w利用可變模糊聚類模型迭代運(yùn)算確定，且計(jì)算流程為：①設(shè)定ε1為迭代運(yùn)算精度；②設(shè)定初始模糊聚類中心矩陣、聚類矩陣和權(quán)重矩陣為S(λ)=(Sij(λ))、U(λ)=(uhj(λ))、W(λ)=(wi(λ))，其中λ=0；③采用相應(yīng)的公式確定wi(λ+1)；④若符合條件max|wi(λ+1)-wi(λ)|≤ε1，則終止迭代運(yùn)算，否則重復(fù)上述步驟直至滿足要求。

1.3 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及其隸屬度利用云模型求解，灌區(qū)節(jié)水水平綜合評(píng)價(jià)值y運(yùn)用合成算法確定，其數(shù)學(xué)式為y=wu，其中u、w為各評(píng)價(jià)等級(jí)下的樣本隸屬度和各指標(biāo)權(quán)重。

2 盤山灌區(qū)節(jié)水水平綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)所構(gòu)造的模型和綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)灌區(qū)節(jié)水水平，該過程涉及到的因素較多且存在一定的模糊性，為保證評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性有必要建立符合實(shí)際情況的評(píng)價(jià)體系。

2.1 灌區(qū)概況

盤山灌區(qū)屬于遼寧省大型灌區(qū)之一，地處大遼河、繞陽河、遼河、大凌河四條河流的下游，介于E121°27'-122°29'、N40°25'-41°27'，占地面積1072km2，其中耕地面積5.04萬hm2，設(shè)計(jì)和實(shí)灌面積為3.9萬hm2、3.71萬hm2。盤山灌區(qū)下轄雙繞、西繞、雙南3個(gè)區(qū)，先已形成林成線、渠成網(wǎng)、田成方的大型灌區(qū)。為進(jìn)一步提升灌溉水利用率和整個(gè)灌區(qū)運(yùn)行效率，逐步擺脫灌區(qū)低效率、高能耗、低標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，盤山縣水利局本著重點(diǎn)突出、注重實(shí)效、節(jié)水防滲、連片集中的原則，建設(shè)實(shí)施盤山灌區(qū)二期節(jié)水改造項(xiàng)目。該項(xiàng)目承擔(dān)的建設(shè)任務(wù)為：重建和維修灌排站12座、7座，重建橋梁和穿堤涵洞6座、8座，重建7座渡槽與1座倒虹吸，節(jié)水襯砌3處，干渠清擴(kuò)7處，維修、新建和重建水閘共9座。為了最大限度的發(fā)揮節(jié)水改造工程的功能作用，文章結(jié)合節(jié)水農(nóng)業(yè)特點(diǎn)和盤山灌區(qū)運(yùn)行相關(guān)資料，采用合適的方法評(píng)價(jià)分析續(xù)建配套節(jié)水改造后的灌區(qū)節(jié)水水平[10-16]。

2.2 評(píng)價(jià)體系和等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

將灌區(qū)節(jié)水水平評(píng)價(jià)體系按照層次分析法原理劃分為指標(biāo)層、系統(tǒng)層、評(píng)語層和目標(biāo)層4級(jí)，其中評(píng)語層包括節(jié)水型、過渡型和耗水型。耗水型用水效率低且節(jié)水規(guī)模相對(duì)小，節(jié)水水平為初始狀態(tài)但節(jié)水潛力較大；過渡型具有一定的節(jié)水灌溉規(guī)模，處于節(jié)水型與耗水型之間的過渡水平，仍存在較大的節(jié)水潛力；節(jié)水型具有相當(dāng)高的節(jié)水水平，用水效率高且達(dá)到飽和狀態(tài)。根據(jù)節(jié)水的具體內(nèi)涵，提升用水產(chǎn)出率和傳輸效率為節(jié)水的根本目標(biāo)。因此，灌區(qū)節(jié)水評(píng)價(jià)的主要對(duì)象為產(chǎn)出節(jié)水和輸送節(jié)水，二者重要性相同且相互影響。維持和提高農(nóng)作物產(chǎn)出為評(píng)價(jià)指標(biāo)選取、節(jié)水水平評(píng)價(jià)的基本原則，考慮灌區(qū)運(yùn)行實(shí)際情況選取5項(xiàng)代表性指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系。較單一因子綜合指標(biāo)能夠更加系統(tǒng)體現(xiàn)灌區(qū)節(jié)水的各方面內(nèi)容，然而各因子間通常具有一定的信息重疊，由此無法保證結(jié)果的合理性。對(duì)此，文章遵循代表性、可操作性、科學(xué)性和系統(tǒng)性原則選取較為常用的灌區(qū)節(jié)水評(píng)價(jià)因子，為消除重復(fù)運(yùn)算的影響對(duì)各個(gè)指標(biāo)權(quán)重利用可變模糊聚類迭代模型加以修正，通過對(duì)因子數(shù)量的限制降低重疊運(yùn)算的概率，在一定程度上確保了評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)合理性。

將各指標(biāo)等級(jí)結(jié)合盤山灌區(qū)實(shí)際情況和文獻(xiàn)資料劃分為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，灌區(qū)節(jié)水水平評(píng)價(jià)體系與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 灌區(qū)節(jié)水水平評(píng)價(jià)體系與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 云模型參數(shù)及隸屬度

根據(jù)計(jì)算公式(1)-(3)和各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定灌區(qū)節(jié)水水平各等級(jí)云模型參數(shù)，灌區(qū)節(jié)水各等級(jí)云模型參數(shù)，見表2。

表2 灌區(qū)節(jié)水各等級(jí)云模型參數(shù)

不同等級(jí)下各項(xiàng)參數(shù)的云模型采用云發(fā)生器生成，灌區(qū)節(jié)水水平各評(píng)價(jià)指標(biāo)去模型，如圖1。根據(jù)盤山灌區(qū)節(jié)水改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料和灌區(qū)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，獲取各項(xiàng)指標(biāo)2008-2017年數(shù)據(jù)，盤山灌區(qū)2008—2017年各指標(biāo)值，見表3，不同節(jié)水水平下各因子的相對(duì)隸屬度運(yùn)用計(jì)算式(4)求解，盤山灌區(qū)節(jié)水水平隸層度，見表4。

(a)單位灌溉取水量

(b)渠系水利用系數(shù)

(c)灌溉水利用系數(shù)

(d)綜合凈灌溉定額

(e)單位水糧食產(chǎn)量

表3 盤山灌區(qū)2008-2017年各指標(biāo)值

表4 盤山灌區(qū)節(jié)水水平隸屬度

2.4 確定權(quán)重

設(shè)定w0=(0.2,0.2,0.2,0.2,0.2)為灌區(qū)節(jié)水各指標(biāo)初始權(quán)重，依據(jù)初始權(quán)重向量和云模型隸屬度計(jì)算公式確定初始模糊聚類中心矩陣S0、矩陣U0。ε1值取0.1，運(yùn)用文中相關(guān)公式和R、S0、U0結(jié)果，獲取各指標(biāo)最優(yōu)權(quán)向量為w=(0.15，0.22，0.18，0.17，0.28)。

2.5 結(jié)果分析

盤山灌區(qū)節(jié)水水平利用公式y(tǒng)=wu求解，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如表5。從表5可知，盤山灌區(qū)2008-2011年節(jié)水程度屬于耗水型狀態(tài)，灌區(qū)節(jié)水水平從2012年開始不斷上升，達(dá)到過渡型節(jié)水程度。為了更好的突出該方法的科學(xué)有效性，將評(píng)價(jià)結(jié)果與模糊數(shù)學(xué)法對(duì)比分析。相對(duì)于主成分、層次分析等其它綜合方法，針對(duì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的內(nèi)部問題模糊綜合法有效解決了傳統(tǒng)方法存在唯一解的問題，通過模糊化處理保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，但仍需要進(jìn)一步改進(jìn)隸屬度函數(shù)的確定。根據(jù)表5評(píng)價(jià)結(jié)果，兩種方法確定的節(jié)水水平發(fā)生轉(zhuǎn)變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2012年、2011年，這也是二者的主要差異。盤山灌區(qū)2008年建設(shè)實(shí)施的續(xù)建配套二期節(jié)水改造項(xiàng)目，在2012年前后項(xiàng)目基本達(dá)效，相對(duì)于2012年之前灌區(qū)水利用系數(shù)得到大幅度提升。因此，該評(píng)價(jià)結(jié)果與灌區(qū)實(shí)際情況保持較好的一致性，同時(shí)在權(quán)重計(jì)算和隸屬度方面文章方法更加合理。

表5 灌區(qū)節(jié)水水平評(píng)價(jià)

當(dāng)前，依據(jù)灌溉定額大小確定節(jié)水水平為我國大多數(shù)灌區(qū)節(jié)水評(píng)價(jià)的主要方法，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)該方法具有簡便易行的優(yōu)點(diǎn)，但無法體現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)出的變化特征。根據(jù)綜合灌溉定額評(píng)價(jià)結(jié)果，盤山灌區(qū)屬于耗水型的年份僅有2008年，其它時(shí)段為過渡型節(jié)水狀態(tài)，所以還不夠準(zhǔn)確合理?？梢姡瑔我恢笜?biāo)往往無法從整體上反映灌區(qū)的綜合水平，而僅僅反映某一方面上灌溉的節(jié)水狀況。根據(jù)文章所構(gòu)建的模型，灌溉水和渠系水利用系數(shù)在耗水型階段均處于較低水平，所對(duì)應(yīng)的數(shù)值為0.332/0.501，灌區(qū)存在較大的節(jié)水潛力且整體節(jié)水水平不高；灌溉水和渠系水利用系數(shù)在過渡型階段得到明顯提升，相應(yīng)的數(shù)值為0.488、0.556。雖然單方水糧食產(chǎn)量指標(biāo)達(dá)到2.5kg/m3的較高水平，但其他指標(biāo)較國外和全國平均水平仍存在一定的差距。所以，在綜合凈灌溉定額、單位灌溉取水量、灌溉水和渠系水利用系數(shù)等方面，盤山灌區(qū)仍有較大的提升空間，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)水管理和節(jié)水工程建設(shè)。

3 結(jié) 論

文章對(duì)灌區(qū)節(jié)水水平利用可變模糊循環(huán)迭代模型和云模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，該方法有效解決了隸屬度存在的模糊性和隨機(jī)性問題，更加合理的確定各指標(biāo)權(quán)重。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盤山灌區(qū)2008-2017年節(jié)水水平整體呈不斷上升趨勢(shì)，仍需要進(jìn)一步提升灌溉水水和渠系水利用系數(shù)。