基于灰色關聯模型的松花江流域大型灌區現狀評價

崔亞鋒,陳 菁,代小平

(1.水利部松遼水利委員會流域規劃與政策研究中心,吉林長春 130021; 2.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098;3.華北水利水電大學水利學院,河南鄭州 450011)

基于灰色關聯模型的松花江流域大型灌區現狀評價

崔亞鋒1,陳 菁2,代小平3

(1.水利部松遼水利委員會流域規劃與政策研究中心,吉林長春 130021; 2.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098;3.華北水利水電大學水利學院,河南鄭州 450011)

通過實地問卷調研,獲得松花江流域大型灌區運行現狀基礎數據,結合當地灌區實際情況,建立灌區現狀評價指標體系,采用熵值法確定指標權重,并運用灰色關聯模型對灌區運行現狀進行評價,最終得出松花江流域大型灌區運行現狀優劣程度,評價結果將為松花江流域大型灌區節水改造及其投資的優先次序確定提供參考依據。

松花江流域;大型灌區;熵值法;灰色關聯模型;現狀評價

2009年4月8日,國務院召開國務院常務會議,討論并原則通過《全國新增1000億斤糧食生產能力規劃(2009—2020年)》,會議指出,糧食安全始終是治國安邦的頭等大事,也是當前擴大內需、應對國際金融危機的重要基礎。必須堅持立足國內實現糧食基本自給的方針,建立糧食生產持續穩定發展的長效機制,保護和調動農民種糧積極性、科技人員創新積極性、地方政府抓糧積極性,著力提高土地產出率、資源利用率和勞動生產率,增強糧食綜合生產能力和抗風險能力,確保國家糧食安全[1]。

東北地區是我國糧食生產核心區,是我國最大的玉米、優質粳稻和大豆產區,包括黑龍江、吉林、遼寧三省,占全國糧食生產核心區縣總數的31%。據國家統計局統計,2008年東北三省糧食產量約8925.3萬t,占全國糧食產量的16.9%[2]。東北地區為中國濕地資源最為豐富的地區,濕地類型以淡水沼澤和湖泊為主,總面積為673.78萬hm2,占東北地區總面積的8.53%,占全國濕地總面積的17.51%。濕地與人類的生存息息相關,是天然的蓄水庫和重要的基因庫,因此,在保護東北地區濕地的前提下,增加糧食產量,需要在現有耕地的基礎上,節約水資源,提高土地的利用效率和作物的產量。東北地區大型灌區眾多,尤以松花江流域中的松嫩平原居多,其流域內的大型灌區分布廣泛,對其運行現狀進行評價,及時反饋灌區存在的問題,對于灌區今后的節水改造具有重大意義,也為提高糧食產量作出貢獻。

關于灌區現狀的評價,國內外已經開展了大量的研究工作,1990年聯合國糧農組織召開了關于性能評價研討會,在實例應用研究中作了灌區比較評價。1990—2000年間,國外眾多學者對該領域進行了研究,主要有 Molden等[3]、Svendsen等[4]和Bos[5]。Svendsen等[4]利用系統分析的方法對灌區評價進行研究,為灌區性能評價奠定了基礎,此方法的優點在于將復雜的灌溉過程分為幾個系統分開來研究。

國內對于灌區評價最早的研究者是茆智教授,他在研究我國的灌區現狀時,提出了一套比較全面的評價指標,并且對湖北漳河灌區在改造之前的運行現狀進行了評價,分析了灌區尚存在的不足之處,提出了一些相應的改進措施[6]。周明耀等[7]運用低階多層次灰色評價方法對灌區管理現狀進行了評價[7]。王久順等[8]運用投影尋蹤技術對灌區改造進行了評價。

筆者認為,對于灌區運行現狀的研究若僅局限于單一灌區,不進行灌區之間的比較,則意義不大,通過灌區之間的比較,并且把分析結果及時反饋給灌區管理單位,使其了解到自身的問題所在以及與其他灌區之間的差異,對灌區今后的發展將十分有利。

1 熵值法及灰色關聯評價模型

1.1 熵值法

指標權重確定一般分為主觀賦權法和客觀賦權法。主觀賦權法確定出的指標權重主要取決于專家的知識結構、工作經驗及偏好,存在著主觀隨意性,可能影響評價結果的客觀性。故本文采用客觀賦權法中的熵值法,對指標進行賦權。

熵值法基本步驟如下:

a.計算第j項指標下,第i個灌區的特征比重

對于越大越優型指標,指標值xij直接代入上式計算;對越少越優型指標,則先取指標值xij的倒數,再代入上式計算。

b.計算第j項指標的熵值

其中k＞0,ej＞0。如果xij對于給定的j全部相等,那么Pij=此時ej=k ln(n)。

ijj

c.計算指標xj的差異性系數

d.確定權重

1.2 灰色關聯模型

灰色關聯法是基于灰色系統和關聯分析的一種評價方法。灰色理論是介于完全可知和完全不可知之間的,灰色性廣泛存在于各種系統中;關聯分析是根據系統各因素間或各系統行為間的數據列或指標列的發展態勢與行為做相似或相異程度的比較,以判斷因素的關聯與行為的接近。關聯分析具有以下優點,不追求大樣本,不要求數據有特殊的分布,計算量比回歸分析小,可以得到較多的信息(關聯序、關聯矩陣等)。

灰色關聯模型符合本文評價松花江流域大型灌區運行現狀的要求,可以使不同灌區間進行關聯分析,另外對于同一個灌區而言,也能使其進行橫向的等級關聯分析,與其他模型相比,灰色關聯模型更能突出灌區對比的重點,從而評價結果更接近實際情況[10]。其基本步驟如下:

1.2.1 灌區狀況與評價指標間的關聯關系

灌區運行狀況綜合評價中,灌區的總體性能是通過諸多評價指標綜合反映的。因此,灌區總體性能與評價因子之間存在一定的關聯關系。從數學上描述,設灌區總體性能定義為γ,相應的m個評價因子記為xj,則xj與γ的關聯關系可表示為

式中:f{·}為集合{x1,x2,…,xm}相對于γ的關聯測度函數;θ(⊕)稱為灰量,表示這種關聯函數中不確定信息或不完全的缺省部分;S=(x,y,z)為空間坐標量,表示不同空間的灌區;T為時間坐標量。

1.2.2 關聯模式識別模型的建立

a.樣本矩陣的建立。設有n個待評價灌區,共有m個評價指標,每個灌區的所有評價指標值用向量表示,記為xi=(xi1,xi2,…,xim),i=1,2,…,n,從而得到原始評價矩陣Xn×m=(xij)n×m。

式中:xij為第i個灌區第j個指標的觀測值,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

b.評價指標標準矩陣的建立。設灌區運行狀況按C個級別進行識別,C個級別的指標標準特征值矩陣為

式中:shj為第j個指標第h級別的標準值,h=1,2,…,C;j=1,2,…,m。

c.矩陣元素規格化。為消除指標物理量綱不同帶來的影響,在評價之前需將樣本矩陣和標準矩陣中各指標元素規格化。設1級為灌區運行狀況很好,C級為灌區運行狀況很差,這兩種狀況的相對隸屬度分別定為1和0。第二級至C-1級為灌區運行狀況很好與很差兩個極點間的中間狀態。灌區評價指標值與指標標準值對灌區運行狀況的相對隸屬度分別按線性內插式確定。

①對于指標數值越大指標性能越好的指標,如渠系水利用系數、收入支出比、水費實收率等,可按下列形式分別變換X,S矩陣

樣本矩陣 Xn×m,標準矩陣SC×m規格化后分別記為

e.關聯度及綜合評價關聯矩陣的計算。第i個灌區與第h級標準之間的相似程度,可用關聯度γih=(ai,bh)表示,即

式中:wj為第j個指標的權重。

2 灌區現狀評價指標體系

2.1 評價指標體系建立

世界銀行推薦的一套灌區快速評價指標體系分為外部指標和內部指標。其中針對現狀評價的指標總共44個,可以歸并為水平衡指標、農業生產率和經濟指標,以及環境指標3類[11]。

國際水管理研究院(IWMI)在灌區性能評價方面做了很多工作,并且在為性能比較提出了9個關鍵性的指標,這套指標數目比較少,但是揭示了關于灌區的足夠信息,詳見表1。

表1 IWMI推薦使用評價指標

表2 松花江流域大型灌區評價指標體系

結合上述評價指標,從我國灌區的實際情況出發,結合松花江流域地域特點,提出適合松花江流域灌區的評價指標體系,詳見表2。

2.2 評價指標目標值確定

根據本文第2節確定的指標體系,結合全國灌區各個指標的平均值和松花江流域灌區基本情況,以及松花江流域近期各項灌區規劃,最終確定各個評價指標目標值,詳見表3。

表3 各評價指標目標值

3 實例應用

通過實地調研,對松花江流域大型灌區有了更進一步的了解,根據世界銀行和國際水管理研究院推薦的灌區評價指標體系,結合松花江流域灌區區域特點,建立了一套適合松花江流域灌區的指標評價體系,運用熵值法確定指標權重,基于灰色關聯模型,對松花江流域26個大型灌區進行現狀評價。灌區分布示意圖如圖1。

圖1 松花江流域(哈爾濱市以上)大型灌區分布示意圖

圖1中,從1號到26號灌區分別為永舒榆灌區、洮兒河灌區、前郭灌區、松沐灌區、梨樹灌區、飲馬河灌區、海龍灌區、白沙灘灌區、引嫩灌區、東升灌區、南引灌區、紅岸灌區、躍進灌區、查哈陽灌區、牧場灌區、富南灌區、富西灌區、龍安橋灌區、友誼灌區、音河灌區、江東灌區、興旺灌區、衛星灌區、西泉眼灌區、永安灌區、澇州灌區。

3.1 指標權重確定

根據本文1.1節熵值法的具體步驟,結合對松花江流域大型灌區實地調研數據,最終確定11個指標權重如下:

Wj=(0.123 7,0.114 1,0.165 8,0.279 2, 0.007 4,0.002 4,0.008 4,0.067 6,0.087 9, 0.092,0.0514)

3.2 灌區現狀評價

根據1.2節中灰色關聯模型的具體步驟,通過灰色關聯評價模型對松花江流域灌區進行現狀評價,得出灌區運行現狀情況,詳見表4。

表4 松花江流域大型灌區運行現狀

4 結 論

由表4可以總結出,目前灌區運行狀況處于差和較差級別的較多,占受評灌區總數的一半,具體結果詳見表5。

表5 灌區等級統計表

通過對松花江流域大型灌區現狀進行分析和等級劃分,可以為松花江流域大型灌區節水改造優先次序提供理論依據,從而提高灌區性能,加大灌區糧食生產能力,為早日實現全國增產千億斤糧食計劃多作貢獻。

[1]晉農.國務院辦公廳發布《全國新增1000億斤糧食生產能力規劃(2009—2020年)》[J].當代農機,2009 (11):46-46.

[2]侯聰.2010年東北地區糧食生產形勢調查[J].農業展望,2010(7):29-32.

[3]MOLDEN D J,GATEST K.Performancemeasures for evaluation of irrigation water delivery systems[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering,1990(6):804-823.

[4]SMALL L E,SVENDSENM.A framework for assessing irrigation performance[J].Irrigation and Drainage Systems, 1990(4):44-50.

[5]BOS M G.Performance assessment for irrigation and drainage[J].Irrigation and Drainage Systems,1997(1): 35-42.

[6]MAO Zhi.Identification of cause of poor performance of a typical large-sized irrigation scheme in south China[J]. Hydraulic Research,1989(4):16-20.

[7]周明耀,陳朝如,彭懷英.灌溉管理的遞階多層次灰色評價方法[J].系統工程理論與實踐,2000(4):120-126.

[8]王順久,侯玉,張欣莉,等.灌區改造綜合評價的投影尋蹤模型[J].灌溉排水,2002(4):32-34.

[9]張衛民.基于熵值法的城市可持續發展評價模型[J].廈門大學學報:哲學社會科學版,2004(2):109-115.

[10]朱秀珍,李遠華,崔遠來,等.運用灰色關聯法進行灌區運行狀況綜合評價[J].灌溉排水學報,2004(6):44-48.

[11]中國灌溉排水發展中心,世界銀行學院.灌區現代化理念與灌區快速評估方法[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

F407.9

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1003 -9511(2013)04 -0054 -05

2012-12 -01 編輯:陳玉國)

10.3969/j.issn.1003 -9511.2013.04.014

水利部公益性行業專項經費項目(201001023)

崔亞鋒(1986—),男,遼寧朝陽人,碩士,主要從事水土資源規劃與管理研究。