基于可變模糊集的現(xiàn)代化灌區(qū)評價(jià)方法研究

許欣然，楊路華,2，武前明，茍萬里，邸志剛

(1.天津農(nóng)學(xué)院，天津 300384；2.天津市農(nóng)業(yè)水利技術(shù)工程中心，天津 300384；3.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054)

據(jù)我國水利普查數(shù)據(jù)[1]，全國大型灌區(qū)大約有456 處，中型灌區(qū)約7 293 處，占全國有效灌溉面積的50.1%，占全國糧食產(chǎn)量的50%左右。大中型灌區(qū)是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力軍，是國家糧食安全的重要支撐。黨的十八大提出了“四化同步”，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展首選應(yīng)在灌區(qū)，2017年中央一號文件明確提出建設(shè)現(xiàn)代化灌區(qū)，灌區(qū)現(xiàn)代化是實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)十九大提出的到2035年基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化目標(biāo)的具體措施?，F(xiàn)今，國內(nèi)外已不斷地出現(xiàn)“現(xiàn)代化灌區(qū)”一詞。美國在20世紀(jì)80年代第一次提出了灌溉現(xiàn)代化這一新理念；以色列采用壓力灌溉技術(shù)，發(fā)展以節(jié)水、高效、創(chuàng)匯和完備農(nóng)業(yè)體系為特征的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，加快灌區(qū)現(xiàn)代化的發(fā)展；我國也有許多大型灌區(qū)開始進(jìn)行現(xiàn)代化提升改造，如江西的贛撫平原灌區(qū)、江蘇的渠南灌區(qū)[2]、內(nèi)蒙古的河套灌區(qū)[3]。

國內(nèi)外有很多學(xué)者對現(xiàn)代灌區(qū)進(jìn)行研究，王修貴[4]對現(xiàn)代灌區(qū)的特征作了描述。樓豫紅[5]等對四川省的灌區(qū)進(jìn)行研究，提出了建設(shè)現(xiàn)代灌區(qū)的內(nèi)容。穆建新[6]等人建立了農(nóng)田水利現(xiàn)代化評價(jià)體系，建立三級指標(biāo)，根據(jù)不同區(qū)域所占的比重計(jì)算三級指標(biāo)的指標(biāo)值。韓振中[7]建立了由5個(gè)一級指標(biāo)、20個(gè)二級指標(biāo)組成的大型灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)評價(jià)體系。王文川[8]等人利于可變模糊集理論，建立了一種新型有效的灌區(qū)節(jié)水改造綜合評價(jià)方法。 C M Burt[9]等人通過對美國西部灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)，對灌區(qū)的低壓灌溉進(jìn)行了研究。C Rocamora[10]等人以西班牙灌區(qū)為案例，對現(xiàn)代化灌區(qū)的能源節(jié)約提出相應(yīng)的解決措施。目前關(guān)于灌區(qū)現(xiàn)代化的內(nèi)涵還不全面，未從適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化要求角度反映出新時(shí)代特征，且未有一個(gè)統(tǒng)一明確的指標(biāo)體系，本文對新時(shí)代下的現(xiàn)代化灌區(qū)進(jìn)行研究，建立現(xiàn)代化灌區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系并進(jìn)行評價(jià)。

1 現(xiàn)代化灌區(qū)內(nèi)涵特征及評價(jià)指標(biāo)體系

1.1 現(xiàn)代化灌區(qū)內(nèi)涵及特征

灌區(qū)一般是指有可靠水源和引、輸、配水渠道系統(tǒng)和相應(yīng)排水溝道的灌溉面積[11]，承擔(dān)著國家糧食安全、引水灌溉、防洪排澇、生態(tài)恢復(fù)等功能。根據(jù)2017年中央一號文件精神，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中的水利現(xiàn)代化落腳到灌區(qū)上，就是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化。新時(shí)代下現(xiàn)代化灌區(qū)更加突出服務(wù)于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的定位、傳統(tǒng)水利與現(xiàn)代化信息技術(shù)深度融合、綠水青山的生態(tài)理念。新時(shí)代下的現(xiàn)代化灌區(qū)，功能上應(yīng)適宜或服務(wù)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)集約化與機(jī)械化生產(chǎn)方式、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)種植方式、家庭農(nóng)場經(jīng)營方式，技術(shù)上應(yīng)是灌區(qū)生產(chǎn)運(yùn)行管理與互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)信息化的深度融合，發(fā)展上堅(jiān)持灌區(qū)綠色與生態(tài)，綠水青山就是金山銀山。所以現(xiàn)代化灌區(qū)就是將先進(jìn)的技術(shù)、新穎的材料(設(shè)備)、創(chuàng)新的管理制度及信息化技術(shù)應(yīng)用到灌區(qū)中，并加強(qiáng)灌區(qū)的生態(tài)文明、安全保障建設(shè)。

因此，現(xiàn)代化灌區(qū)的內(nèi)涵可概括為：①有力的防澇減災(zāi)，灌區(qū)要有安全保障措施，建設(shè)強(qiáng)有力的防澇減災(zāi)設(shè)施；②健全的工程設(shè)備，主要體現(xiàn)在灌區(qū)水利工程中的水源工程、輸配水工程、灌溉排水工程、渠系建筑物及設(shè)備的健全；③先進(jìn)的信息化管理體系，體現(xiàn)在灌區(qū)信息化的監(jiān)測、采集和管理，用水計(jì)量設(shè)施的完善，以及灌區(qū)現(xiàn)代化管理制度；④高效的灌溉生產(chǎn)，灌區(qū)要以節(jié)約水資源和高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)為核心，集約化與機(jī)械化的生產(chǎn)方式，建設(shè)成高效型現(xiàn)代化灌區(qū)；⑤綠色的生態(tài)環(huán)境，兼顧水體凈化、減少面源污染、鹽堿地治理，打造地綠、水清、景美的現(xiàn)代化節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)。

黨的十九大報(bào)告明確提出中國特色社會(huì)主義進(jìn)行新時(shí)代，灌區(qū)通過水利工程建設(shè)、信息化建設(shè)、水生態(tài)治理，增添新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備，采用先進(jìn)、完善的管理模式和集約化、機(jī)械化的生產(chǎn)方式。新時(shí)代下現(xiàn)代化灌區(qū)特征可概括為：安全防災(zāi)、水電保障、設(shè)施完善、用水節(jié)約、管理先進(jìn)、經(jīng)營集約、生產(chǎn)高效、市場運(yùn)作、綠色環(huán)保、發(fā)展持續(xù)。打造成“安全”、“健全”、“先進(jìn)”、“高效”、“綠色”型現(xiàn)代化灌區(qū)。

1.2 現(xiàn)代化灌區(qū)指標(biāo)體系

根據(jù)灌區(qū)的內(nèi)涵和特征，從安全保障、工程建設(shè)、信息化管理與服務(wù)、效益與效率和生態(tài)文明等5個(gè)方面建立現(xiàn)代化灌區(qū)指標(biāo)體系，遵循評價(jià)體系科學(xué)性、系統(tǒng)性、綜合性、層次性、簡潔性等原則，將這5個(gè)方面作為一級指標(biāo)，進(jìn)行灌區(qū)現(xiàn)代化評價(jià)。現(xiàn)代化灌區(qū)內(nèi)涵特征與評價(jià)指標(biāo)關(guān)系如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代化灌區(qū)內(nèi)涵特征與指標(biāo)關(guān)系圖Fig.1 The relationship between the connotation and the evaluation index of modernization irrigation district

在一級指標(biāo)基礎(chǔ)上，從國內(nèi)外參考文獻(xiàn)及規(guī)范中收集到41個(gè)指標(biāo)中，利用德爾菲法篩選出25個(gè)二級指標(biāo)，構(gòu)成現(xiàn)代化灌區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系。

現(xiàn)代化灌區(qū)具有時(shí)效性，隨著社會(huì)不斷發(fā)展，不同時(shí)段下的灌區(qū)現(xiàn)代化程度不同。根據(jù)黨的十九大報(bào)告中提出2035年基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化的戰(zhàn)略目標(biāo)，建設(shè)現(xiàn)代化灌區(qū)的時(shí)間點(diǎn)確定在2035年。查閱相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，借鑒發(fā)達(dá)國家、地區(qū)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，并收集我國15個(gè)大型灌區(qū)近30年的發(fā)展軌跡，采用趨勢法，分析未來20年灌區(qū)評價(jià)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)值，綜合確定到2035年現(xiàn)代化灌區(qū)評價(jià)指標(biāo)的閾值。并利用二元模糊對比分析法[13]確定各指標(biāo)權(quán)重?，F(xiàn)代化灌區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系與指標(biāo)閾值權(quán)重如表1所示。

2 可變模糊集評價(jià)方法

可變模糊集理論是描述事物量變、質(zhì)變的數(shù)學(xué)語言與量化工具，定義了相對隸屬度函數(shù)、相對差異函數(shù)與模糊可變集理論模型，提高了評價(jià)識別與決策的可靠性[12]。該方法主要用于分析系統(tǒng)中模糊現(xiàn)象、事物和概念的相對性和動(dòng)態(tài)可變性，將研究的問題對立統(tǒng)一和辯證認(rèn)識有機(jī)地結(jié)合起來，能夠準(zhǔn)確地給出一個(gè)區(qū)域內(nèi)的等級趨勢，與二元模糊對比分析法計(jì)算出的指標(biāo)權(quán)重相結(jié)合，將每一個(gè)一級指標(biāo)隸屬到4個(gè)等級上，可以很準(zhǔn)確的看出每個(gè)指標(biāo)相對于4個(gè)等級的隸屬度，評價(jià)過程中對指標(biāo)都進(jìn)行了模糊處理，得出的結(jié)果具有統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性。方法涉及的范圍有洪水災(zāi)害、灌區(qū)節(jié)水改造、灌區(qū)干旱程度等。

表1 現(xiàn)代化灌區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system of modernization irrigation district

2.1 評價(jià)方法

根據(jù)：

μA(u)+μAc(u)=1

(1)

則：

uA(u)=[1+DA(u)]/2

(2)

(2)相對差異函數(shù)。相對差異函數(shù)模型：X=[c,d]，x為X區(qū)間內(nèi)的任意點(diǎn)的量值，區(qū)間(a,b)屬于區(qū)間[c,d]，M可為區(qū)間[a,b]的中點(diǎn)。

當(dāng)x落在M點(diǎn)左側(cè)時(shí)的相對差異函數(shù)模型為：

(3)

(4)

當(dāng)x落在M點(diǎn)右側(cè)時(shí)的相對差異函數(shù)模型為：

(5)

(6)

DA(u)=-1x?(c,d)

(7)

式中：β為非負(fù)指數(shù)，通?？蔀?。DA(u)得出后，根據(jù)式(2)可得到相對隸屬度uA(u)。

(3)可變模糊評價(jià)模型。

可變模糊評價(jià)模型：

(8)

(9)

(10)

式中：α為模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)，α=1，α=2；wi為指標(biāo)權(quán)重；uA(xij)為各分級下指標(biāo)的相對隸屬度；p為距離參數(shù)，p=1為海明距離，p=2為歐式距離。

并利用級別特征值進(jìn)行分級評價(jià)。

H=(1,2,…,c)VAh

(11)

2.2 評價(jià)的分級

現(xiàn)代化灌區(qū)評價(jià)按照現(xiàn)代化實(shí)現(xiàn)程度由高到低排序分為4個(gè)等級：Ⅰ(全面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化)、Ⅱ(基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化)、Ⅲ(部分實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化)、Ⅳ(未實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化)。 根據(jù)《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》、《防洪標(biāo)準(zhǔn)》等水利相關(guān)規(guī)范及研究成果，對二級指標(biāo)進(jìn)行等級劃分，等級上限值為指標(biāo)的閾值，等級的下限值為目前較差灌區(qū)現(xiàn)狀平均值?，F(xiàn)代化灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)劃分見表2。根據(jù)現(xiàn)代化灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)劃分的等級，利用可變模糊集方法，推算出現(xiàn)代化灌區(qū)實(shí)現(xiàn)程度等級特征值H，見表3。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 灌區(qū)基本情況

潘莊灌區(qū)位于山東省德州市西部，屬國家大型引黃灌區(qū)。灌區(qū)土地面積5 867 km2，設(shè)計(jì)灌溉面積33.33 萬hm2，有效灌溉面積23.8 萬hm2，種植小麥、玉米等作物。潘莊引黃總干渠全長91.3 km，包括輸沙渠11.9 km，輸水渠79.4 km，渠道底寬為26～46 m，流量為150～80 m3/s。灌區(qū)骨干渠道干渠有53條，合計(jì)長度838.84 km，共襯砌長度為18.7 km；支渠有407條，合計(jì)長度2 081 km，共襯砌長度為8 km。田間工程共有斗渠3 292條，合計(jì)長度3 701.5 km，共襯砌長度為128.3 km。排水干溝共11條，合計(jì)長度56.6 km。灌區(qū)經(jīng)過長年運(yùn)行，盡管進(jìn)行了灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造，但仍然存在工程配套差、用水效率低、生態(tài)環(huán)境差以及管理能力低等問題。2016年灌區(qū)制定了現(xiàn)代發(fā)展改造規(guī)劃，結(jié)合灌區(qū)實(shí)際情況，擬進(jìn)行灌溉排水工程、信息化工程、水生態(tài)保護(hù)與水文化建設(shè)、灌區(qū)管理等4方面的布局與調(diào)整，建設(shè)成為現(xiàn)代灌區(qū)，下面對灌區(qū)現(xiàn)狀及改造效果進(jìn)行評價(jià)。

表2 指標(biāo)等級劃分Tab.2 Index level division

表3 現(xiàn)代化實(shí)現(xiàn)程度等級特征值HTab.3 Characteristic value H of modernization realization level

3.2 數(shù)據(jù)處理

本文的信息化辦公實(shí)現(xiàn)率，是定性指標(biāo)，從3S技術(shù)應(yīng)用、灌區(qū)信息管理系統(tǒng)、旱澇災(zāi)害預(yù)警和灌溉預(yù)報(bào)、防災(zāi)決策系統(tǒng)和灌溉決策支持系統(tǒng)等4個(gè)方面去判斷，利用專家評分法進(jìn)行量化。本文有單方耗水生產(chǎn)糧食和萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量兩個(gè)帶量綱的指標(biāo)，可采用目標(biāo)值比較法進(jìn)行無量綱化處理。地下水超采率和旱澇災(zāi)害面積比兩個(gè)逆向指標(biāo)，利用1減去指標(biāo)的目標(biāo)值得到的數(shù)為正向化的指標(biāo)值。

3.3 灌區(qū)現(xiàn)狀評價(jià)結(jié)果與分析

本次以德州潘莊灌區(qū)為例，收集灌區(qū)現(xiàn)狀相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)。并根據(jù)潘莊現(xiàn)代灌區(qū)規(guī)劃，收集到潘莊進(jìn)行現(xiàn)代化改造后各指標(biāo)應(yīng)到達(dá)的目標(biāo)值，對該灌區(qū)進(jìn)行現(xiàn)代化評價(jià)。見表4。

利用可變模糊集理論方法，取p=2，α=1歐式距離。通過模糊評價(jià)模型，分別得出灌區(qū)現(xiàn)狀和改造后的二級指標(biāo)下各級的相對隸屬度，得出一級指標(biāo)下的各級綜合隸屬度，最后歸一化處理后分別得到現(xiàn)狀的VAh1和改造后的VAh2。

表4 潘莊灌區(qū)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Index calculation results of Panzhuang irrigation district

VAh1=[0.099, 0.252, 0.318, 0.331]

VAh2=[0.640, 0.283, 0.076, 0]

根據(jù)式(11)得出：

H1=2.917

H2=1.421

并計(jì)算潘莊灌區(qū)現(xiàn)狀和改造后指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)分別與指標(biāo)閾值的比值，對于改造后指標(biāo)的數(shù)據(jù)高于閾值的比值均取1。分別得出灌區(qū)現(xiàn)狀與改造后指標(biāo)占比的雷達(dá)圖，如圖2和圖3所示。

圖2 現(xiàn)狀占比雷達(dá)圖Fig.2 The status quo radar figure

圖3 改造后占比雷達(dá)圖Fig.3 The situation after modernization quo radar figure

根據(jù)表4，灌區(qū)現(xiàn)狀的評價(jià)結(jié)果處于Ⅲ級水平，表明現(xiàn)代化水平處于部分實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化程度，與潘莊灌區(qū)正要進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)的實(shí)際情況相吻合；灌區(qū)改造后的評價(jià)結(jié)果處于Ⅰ級水平，現(xiàn)代化水平處于全面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化程度，說明潘莊實(shí)行現(xiàn)代化改造的措施是可行的。同時(shí)表明本文建立的現(xiàn)代化灌區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系及評價(jià)方法可行合理，可以作為現(xiàn)代化灌區(qū)評價(jià)依據(jù)。根據(jù)圖2和圖3，綜合分析得出大型灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)應(yīng)注意：注重灌區(qū)的安全保障，加強(qiáng)防洪排澇災(zāi)害的措施；加強(qiáng)建設(shè)水利工程設(shè)施、信息化控制設(shè)施，完善灌區(qū)管理制度；提高灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；維持灌區(qū)生態(tài)平衡，全面治理水土流失、鹽堿化等問題。

4 結(jié) 語

通過分析新時(shí)代下現(xiàn)代化灌區(qū)的內(nèi)涵及其特征，建立了較完善的灌區(qū)現(xiàn)代化評價(jià)體系，并確定了2035年評價(jià)指標(biāo)所到達(dá)的閾值。利用二元對比分析法，確定了各級指標(biāo)的權(quán)重，基于可變模糊集理論建立了灌區(qū)現(xiàn)代化評價(jià)數(shù)學(xué)模型，對潘莊灌區(qū)現(xiàn)狀及進(jìn)行現(xiàn)代化改造后的狀況進(jìn)行評價(jià)，該評價(jià)結(jié)果和所分析改造前后的雷達(dá)圖均與灌區(qū)的實(shí)際情況相符合。所以建立的灌區(qū)現(xiàn)代化評價(jià)指標(biāo)體系適合評價(jià)現(xiàn)代化灌區(qū)，指標(biāo)體系比較全面的概況了現(xiàn)代化灌區(qū)的硬指標(biāo)，為現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)提供參考依據(jù)。

□

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