基于AHP的灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)綜合評價(jià)體系研究
——以湖北省東風(fēng)渠灌區(qū)為例

李盧祎，魚京善，李紅華，陳基培，王纖陽，姜 淇

(北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875)

0 引 言

灌區(qū)是中國糧食安全的基礎(chǔ)保障，截至到2019年，我國灌溉面積達(dá)0.47 億hm2，居世界第一，耕地面積1.2 億hm2，居世界第三，已建成大型灌區(qū)459處，中型灌區(qū)7 300多處。近年來，續(xù)建配套和節(jié)水改造工程的建設(shè)運(yùn)行，使得灌區(qū)在節(jié)水改造、節(jié)水灌溉的發(fā)展上受到了空前重視，有效的提升了灌區(qū)的水資源利用效率。但同時(shí)，灌區(qū)在基礎(chǔ)設(shè)施、用水需求、管理手段、智慧發(fā)展和生態(tài)健康等方面依舊存在著許多問題，灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的呼聲不斷涌現(xiàn)。聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)將灌溉現(xiàn)代化定義為：“灌溉現(xiàn)代化是在體制與制度的改革的基礎(chǔ)上，對農(nóng)田技術(shù)上與管理上革新的過程，其目標(biāo)是改進(jìn)對勞動力資源、水資源、經(jīng)濟(jì)資源和環(huán)境資源的利用，改進(jìn)對農(nóng)民的輸配水服務(wù)。”[1]。20世紀(jì)80年代美國已經(jīng)出現(xiàn)了灌溉現(xiàn)代化這一理念；以色列采用節(jié)水的灌溉技術(shù)，灌溉水有效利用系數(shù)大大提升。2017年中央一號文件明確提出建設(shè)現(xiàn)代化灌區(qū)，我國水利部提出截止到2025年的現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)目標(biāo)—— “節(jié)水高效、設(shè)施完善、管理科學(xué)、生態(tài)良好”，進(jìn)一步提高灌排工程的效率和效益。國內(nèi)已有許多灌區(qū)開始進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)，如山東的打漁張灌區(qū)[2]、寧夏利通灌區(qū)[3]、湖南巖馬灌區(qū)[4]等。

根據(jù)2017年中央一號文件精神、結(jié)合水利部要求與國內(nèi)外學(xué)者的研究，現(xiàn)代化灌區(qū)的建設(shè)可以概括為：在保障灌區(qū)安全的基礎(chǔ)上，以灌區(qū)節(jié)水配置改造為現(xiàn)階段重點(diǎn)，以打造生態(tài)化的現(xiàn)代灌區(qū)為總體方向，著力打造“四個灌區(qū)”：安全灌區(qū)、節(jié)水灌區(qū)、綠色灌區(qū)與數(shù)字灌區(qū)。

安全灌區(qū)是指建立完善的安全保障體系，防止洪澇災(zāi)害，保證飲水安全、排水安全，避免因灌溉工程帶來人民的生命財(cái)產(chǎn)和健康損失；節(jié)水灌區(qū)是指合理優(yōu)化地配置使用水資源，有較完善的排灌系統(tǒng)和可靠的水源供水能力，廣泛采用節(jié)水技術(shù)，水源供需平衡，充分發(fā)揮水資源的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益；綠色灌區(qū)能保護(hù)和改善生態(tài)系統(tǒng)，具有較高的水污染防治水平，特別是能夠保持和改善骨干水源和灌區(qū)內(nèi)地表水和地下水的水質(zhì)，保證灌區(qū)的生態(tài)用水量和灌區(qū)排放水質(zhì)；數(shù)字灌區(qū)指為促進(jìn)現(xiàn)代化信息化灌區(qū)管理，在灌區(qū)運(yùn)行管理中廣泛采用高科技技術(shù)，使灌區(qū)具有現(xiàn)代化信息管理和優(yōu)化配水的能力。

在“四個灌區(qū)”中，安全灌區(qū)是基礎(chǔ)，節(jié)水灌區(qū)是重點(diǎn)，綠色灌區(qū)是目標(biāo)，數(shù)字灌區(qū)是手段，力爭2025年基本實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化，2035年完全實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化?，F(xiàn)代化灌區(qū)具有較高的農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力與生產(chǎn)效率，能夠極大地滿足農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與國家現(xiàn)代化進(jìn)程對灌區(qū)發(fā)展的要求。

針對以上4個灌區(qū)概念，本文研究在國內(nèi)外參考文獻(xiàn)及規(guī)范基礎(chǔ)上利用AHP方法建立了灌區(qū)現(xiàn)代化評價(jià)體系，并以湖北省東風(fēng)渠灌區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證研究，得到了東風(fēng)渠灌區(qū)在2018、2025、2035年的評價(jià)值，評價(jià)體系將為灌區(qū)評價(jià)和灌區(qū)管理提供理論依據(jù)和方法基礎(chǔ)。

1 灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)評價(jià)指標(biāo)體系

1.1 評價(jià)體系建立的基本原則

灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)是一個相對的過程，需要與社會的經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展相對應(yīng)，因此，灌區(qū)現(xiàn)代化評價(jià)體系也在不斷更新發(fā)展中。目前，針對國內(nèi)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)，許多學(xué)者提出了涉及工程、生態(tài)、管理等多方面的灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)評價(jià)體系?？傮w來看，這些指標(biāo)體系為引導(dǎo)灌區(qū)未來發(fā)展趨勢、為灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)提供量化依據(jù)上產(chǎn)生了相當(dāng)積極的作用，但由于對灌區(qū)現(xiàn)代化認(rèn)識的不斷更新，灌區(qū)現(xiàn)代化評價(jià)體系亟需進(jìn)一步的總結(jié)和拓展。應(yīng)水利部2025年“節(jié)水高效、設(shè)施完善、管理科學(xué)、生態(tài)良好”的現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)目標(biāo)，將安全保障、農(nóng)業(yè)灌溉排水、管理與服務(wù)、生態(tài)環(huán)境、信息化建設(shè)、效率與效益6個方面作為維度層，建立現(xiàn)代化灌區(qū)指標(biāo)體系。

在維度層的基礎(chǔ)上，從國內(nèi)外從參考文獻(xiàn)及規(guī)范中收集到41個指標(biāo)[5-10]，遵循指標(biāo)具有系統(tǒng)性與代表性、可操作性與可采集性、定性和定量結(jié)合、導(dǎo)向性與可擴(kuò)展性的篩選原則，利用德爾菲法篩選出24個指標(biāo)，以明確灌區(qū)現(xiàn)階段現(xiàn)代化水平，設(shè)置現(xiàn)代化建設(shè)目標(biāo)，從而使灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的廣度和深度不斷拓展。

1.2 評價(jià)體系

灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)評價(jià)體系的構(gòu)建按安全保障、農(nóng)業(yè)灌溉排水、管理與服務(wù)、生態(tài)環(huán)境、信息化建設(shè)和效率與效益六大類劃分出一級指標(biāo)16個，二級指標(biāo)24個，指標(biāo)框架詳見圖1。

2 指標(biāo)評價(jià)方法

2.1 指標(biāo)的無量綱化處理

在指標(biāo)選取中大部分指標(biāo)選用已是無量綱類的指標(biāo)，除此以外，由于評價(jià)指標(biāo)體系的量綱不同, 指標(biāo)的功能也不同, 并且指標(biāo)間數(shù)量差異較大, 使得不同指標(biāo)間在量上不能直接進(jìn)行比較, 為此, 須對統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理[11]。公式如下：

(1)

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重的確定是評價(jià)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建中非常重要的一步。一方面，權(quán)重能夠科學(xué)的反映指標(biāo)的變化對于評價(jià)目標(biāo)的影響程度，另一方面，權(quán)重能夠體現(xiàn)每一個指標(biāo)相對于其他指標(biāo)的重要程度。權(quán)重確定的方法較多, 如多元統(tǒng)計(jì)分析法、模糊方程求解法、層次分析法、專家咨詢法等[10]。由于影響灌區(qū)現(xiàn)代化水平的因素較多, 因素間相互關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn), 本文采用層次分析法 (AHP) 確定各因素的權(quán)重。

2.3 灌區(qū)現(xiàn)代化評價(jià)數(shù)學(xué)模型

W=X·Y

(2)

式中：W=(w1，w2，…，wn)，為n個水平年的綜合效益評價(jià)結(jié)果向量；X=(x1，x2，…，xm)，為m個評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量；Y=(yij)m×n，為n個水平年各指標(biāo)的無量綱化數(shù)據(jù)矩陣。

3 實(shí)例分析——以湖北省東風(fēng)渠灌區(qū)為例

3.1 湖北省東風(fēng)渠灌區(qū)基本概況

東風(fēng)渠灌區(qū)位于湖北省宜昌市東南部，東鄰沮漳河，西連黃柏河，南抵長江，北靠荊山山脈。灌區(qū)涉及當(dāng)陽市、枝江市、夷陵區(qū)、猇亭區(qū)及高新區(qū)的22個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，國土面積2 437 km2，耕地面積14.3 萬hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積7.7 萬hm2，有效灌溉面積6.8 萬hm2，現(xiàn)有干支渠247條，長1 630.3 km，建有大型水庫1座、中型水庫13座、小型水庫188座，塘堰39 676口，總蓄水能力6.5 億m3，承擔(dān)灌區(qū)7.6 萬hm2農(nóng)田灌溉和189.7 萬人飲水安全。灌區(qū)生產(chǎn)的商品糧占全市總量的62%，素有“宜昌糧倉”的美譽(yù)，其工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在宜昌市國民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略地位。

圖1 灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)評價(jià)指標(biāo)體系框圖

目前，灌區(qū)工程設(shè)施漏水嚴(yán)重，水量損失大，渠系水利用系數(shù)低。灌區(qū)管理、通訊設(shè)施落后。大多數(shù)渠段堤頂樹木、雜草叢生，沒有維護(hù)通道，信息不能傳遞，渠道日常維護(hù)難度大。為保持灌區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)化發(fā)展，急需進(jìn)行灌區(qū)現(xiàn)代化改造。本文在湖北省東風(fēng)渠灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃的基礎(chǔ)上，以灌區(qū)有關(guān)資料為參考，對現(xiàn)狀年(2018年)和未來不同年份(2025、2035年)的灌區(qū)現(xiàn)代化水平應(yīng)用層次分析法進(jìn)行分析研究。

3.2 研究區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系

研究區(qū)的評價(jià)指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、維度層、要素層和指標(biāo)層4層，評價(jià)模型可見圖1。東風(fēng)渠灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)評價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)計(jì)算方法及不同年份的指標(biāo)數(shù)值可見表1，這些指標(biāo)可以綜合的反應(yīng)出灌區(qū)的現(xiàn)代化水平。

3.3 研究區(qū)指標(biāo)無量綱化處理

為保證各指標(biāo)具有可比性，利用公式(1)對各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理后得到研究區(qū)2018年、2025年與2035年3個水平年各指標(biāo)的無量綱化數(shù)據(jù)矩陣Y=(yij)24×3。

3.4 各類評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

研究區(qū)灌區(qū)現(xiàn)代化評價(jià)模型確立后，利用層次分析法對各個指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行賦值。得到目標(biāo)層維度層(B1～B6)相對于 “灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)”(A)以及各項(xiàng)指標(biāo)相對于維度層(B1～B6)的權(quán)重矩陣(表2-表8)。

表1 東風(fēng)渠灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)評價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法及數(shù)值

續(xù)表1 東風(fēng)渠灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)評價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法及數(shù)值

表2 判斷矩陣A-Bj及其特征值

表3 判斷矩陣B1-Ci及其特征值

表4 判斷矩陣B2-Ci及其特征值

表5 判斷矩陣B3-Ci及其特征值

表6 判斷矩陣B4-Ci及其特征值

(3)

各個指標(biāo)Ci相對于目標(biāo)層A的權(quán)重向量cj的計(jì)算公式為：

(4)

3.5 研究區(qū)灌區(qū)現(xiàn)代化評價(jià)結(jié)果

由上述方法得到在2018、2025、2035年湖北省宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)的安全保障、農(nóng)業(yè)灌溉排水、生態(tài)環(huán)境、管理與服務(wù)、信息化建設(shè)、效率與效益的矩陣，由于2035年可視為完全實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，因此矩陣可轉(zhuǎn)化為R1(0.833,0.913,1.000)，R2(0.821,0.961, 1.000)，R3(0.729,0.832, 1.000)，R4(0.768,0.898, 1.000)，R5(0.611,0.792, 1.000)，R6(0.915, 1.000, 1.000)。評價(jià)系數(shù)變化趨勢如圖2所示。

表7 判斷矩陣B5-Ci及其特征值

表8 判斷矩陣B6-Ci及其特征值

圖2 不同評價(jià)年份評價(jià)系數(shù)變化趨勢

宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)在不同規(guī)劃年現(xiàn)代化綜合水平的評價(jià)矩陣轉(zhuǎn)化為：R(0.784,0.906,1.000)，符合設(shè)定的2025年基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，2035年完全實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的目標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文利用層次分析法，在國內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，建立起了包含目標(biāo)層、維度層、指標(biāo)層的多層次、多目標(biāo)、多因素的灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)綜合評價(jià)體系。體系中包含有6個維度、16個一級指標(biāo)與24個二級指標(biāo)，對灌區(qū)的現(xiàn)代化水平進(jìn)行全面的評價(jià)。分析計(jì)算出各個二級指標(biāo)對于評價(jià)目標(biāo)及灌區(qū)現(xiàn)代化水平的權(quán)重。在典型灌區(qū)進(jìn)行運(yùn)用，驗(yàn)證了所提的數(shù)學(xué)模型和規(guī)劃目標(biāo)的科學(xué)性。