基于組合權重的灌區輸水系統適宜性模糊物元模型

王慧寧，劉 東,2,3,4，胡宇祥，尚關蕾(.東北農業大學水利與建筑學院， 哈爾濱 50030；2.農業部農業水資源提高利用重點實驗室，哈爾濱50030；3.黑龍江省糧食產能提升協同創新中心，哈爾濱 50030；4.黑龍江省普通高校節水農業重點實驗室，哈爾濱 50030)

我國水資源相對貧乏，人口增長和社會經濟發展導致水資源的供需矛盾日益加劇。水資源匱乏將嚴重制約工農業生產的發展、人民生活水平的提高及社會、經濟、環境的持續發展。我國水資源受季風氣候和地理位置的共同影響分布極不均衡，旱澇災害頻繁，灌溉農業成為我國農業發展的必由之路，灌區的地位和作用愈顯重要。目前我國灌區普遍存在著工程標準低、配套不全、老化失修、滲漏損失嚴重、效益衰減等一系列工程問題，灌區水量損失的50%以上出現在輸水渠道[1]，形勢嚴峻，急需解決。

灌區輸水系統的適宜性反應輸水系統的輸水能力及對灌區的適宜程度，并且直接影響灌區的經濟社會效益。現有的適宜性評價研究的主要方向為土壤[2]、耕地[3]、城市建設用地[4]等土地資源利用方面。針對灌區評價，研究成果較多，諸如灌區運行狀況評價[5]、節水改造效果評價[6]、生態效益評價[7]等，對灌區尤其是灌區的輸水系統進行適宜性評價尚屬少見。本文在總結前人研究經驗的基礎上，從灌區可持續發展角度，綜合分析灌區輸水系統的輸水能力、效益生態及供需狀況等因素，進行灌區輸水系統的適宜性評價研究具有較強的必要性和前瞻性。灌區輸水系統領域的適宜性評價研究較少，目前國內尚未形成比較系統的研究體系，有些評價指標沒有明確的標準可供遵循。因此，應選擇能夠解決模糊性的問題且經過實踐檢驗行之有效的方法對其進行評價。適宜性評價方法主要有[8]模糊綜合評判法、層次分析法、神經網絡法、經驗指數法、極限條件法和物元理論[9]，其中物元理論能夠以形式化的模型解決不相容的復雜問題，適用于多指標評價[10]。因此，本文采用結合模糊集和歐氏貼近度的物元模型，將層析分析法和熵權法引入權重計算，對蛤蟆通灌區、倭肯河灌區和江川灌區的輸水系統進行適宜性評價。

1 灌區輸水系統適宜性內涵辨析

適宜性評價研究主要見于土地適宜性評價，土地適宜性評價[11]是通過綜合分析土地的自然和社會屬性，探究土地對于預定用途的適宜與否及其適宜程度。應用于灌區輸水系統進行適宜性評價則可以理解為根據灌區的現狀，從灌區可持續發展的角度研究灌區對于設計任務與目標是否適宜及其適宜程度。

輸水系統是灌區的最重要組成部分，其建設的好壞直接決定著灌區建設的成功與否，影響著灌區的正常運行。一個灌區若想平穩健康的發展，必須有支持其正常運行的輸水系統。同時，灌區的輸水系統作為灌區的一部分，本身也應具備一定的功能從而能夠適宜并促進灌區的發展。因此，灌區輸水系統適宜性的內涵可以從以下幾個方面理解[12]：①從灌區輸水系統本身的功能考慮，灌區的輸水系統應具備良好的輸水能力。②從灌區的建設任務、目標及今后發展的角度，主要表現在灌區的輸水系統能夠保證灌區正常運行，進而為灌區帶來一定的經濟社會效益，以促進灌區的經濟社會發展。③從灌區的可持續性角度，灌區的生態環境，關系到灌區能否可持續發展，對灌區非常重要。灌區輸水系統作為灌區的最重要組成部分，它在給灌區帶來經濟社會效益的同時也對灌區的生態環境構成了一定的威脅，因此，灌區的輸水系統應具備生態可持續性。④從供需平衡的角度，主要表現在灌區的輸水系統應有合適的規模，合理的空間布局，其輸水能力應能夠滿足灌區的用水需求而不造成浪費。

總之，灌區輸水系統的適宜性應表現在其輸水能力能夠滿足灌區的用水需求而不造成浪費，又能夠為灌區的經濟社會發展起到一定的促進作用而不危害生態環境。

2 評價指標的確定

灌區輸水系統適宜性評價的目的是綜合反映所評價灌區輸水系統的適宜與否及適宜程度。灌區輸水系統適宜性的影響因素很多，依據灌區輸水系統適宜性內涵，主要考慮3個方面因素：輸水能力、效益生態及供需狀況。評價指標體系共分為3個層次[13]，分別為目標層、準則層和指標層。目標層為單一目標，將影響灌區輸水系統適宜性的3個影響因素作為準則層，準則層下面根據其內涵劃分確定指標層，參考已有研究[1,14-17]，結合評價指標的可獲取性，選取輸水能力指標：輸水渠道襯砌率、渠道工程單位投資、灌溉面積率、單位灌溉面積用水量；效益生態指標：單位灌溉面積效益、農民人均收入、地下水開采率；供需狀況指標：單位灌溉面積渠道長度、輸水渠道占地率，構建灌區輸水系統適宜性評價指標體系，如圖1所示。

圖1 灌區輸水系統適宜性評價指標體系Fig.1 Irrigation water conveyance system suitability evaluation index system

3 模糊物元模型

3.1 模糊物元和復合模糊物元

事物名稱N關于特征c的量值v組成的有序三元組R=(N,c,v)，簡稱為物元。N，c和v稱為物元的三要素。具有模糊性的量值，便稱為模糊物元。N的n個特征c1,c2,…,cn和相應的模糊量值v1,v2,…,vn組合在一起，稱為n維模糊物元，簡記為R=(N,c,v)。

m個事物的n維物元組合在一起，構成了m個事物n維復合物元，記作Rm×n，若Rm×n中的量值為具有模糊性的量值，則稱為m個事物n維復合模糊物元，記作Rm×n[18]，見式(1)。

(1)

式中：Rm×n為m個事物n維復合模糊物元；uik為第i個事物第k項特征對應的模糊量值，i=1,2,…,m，k=1,2,…,n。

3.2 從優隸屬度原則

各單項評價指標的模糊量值隸屬于標準方案中相應模糊量值的程度，稱為從優隸屬度。以此建立的原則，稱為從優隸屬度原則。一般有兩種類型的指標[18]，即越大越優型和越小越優型，采用如下公式分別計算其從優隸屬度。

越大越優型指標：

uik=Xik/maxXik

(2)

越小越優型指標：

uik=minXik/Xik

(3)

式中：uik為從優隸屬度，i=1,2,…,m，k=1,2,…,n；maxXik、minXik為所有評價指標Xik中的最大值和最小值。

3.3 標準模糊物元與差平方復合模糊物元

由Rm×n中各方案從優隸屬度中的最大值或最小值確定標準模糊物元R0n，即：

(4)

標準模糊物元R0n與復合模糊物元Rm×n中各項差的平方構成差平方復合模糊物元RΔ[18]，即：

(5)

式中：Δji=(u0i-uji)2，i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。

3.4 層次分析法和熵權法結合確定權重

根據已建評價指標體系，分別運用層次分析法[19]和熵權法[8]計算準則層權重ωi和指標層權重θj，進而得到指標的綜合權重[20]ψj。

3.5 歐氏貼近度和綜合評價

貼近度表征被評價方案與標準方案的貼近程度，其值越大表示兩者越接近，越小則相距較遠。多種計算公式可以用于計算兩物元的貼近度，考慮本文的評價意義，采用歐氏貼近度[21]計算。

(6)

式中：ρHj為第j個評價樣本與標準樣本的貼近度。

進而構造歐氏貼近度復合模糊物元RρH，即：

(7)

根據式(7)計算出的貼近度大小可進行方案的優劣排序，進而完成評價等別的劃分。

4 實例應用

以黑龍江省農墾紅興隆管理局蛤蟆通灌區、江川灌區及依蘭縣倭肯河灌區(見圖2)灌區現狀進行輸水系統適宜性評價。蛤蟆通灌區[22]始建于1979年，位于黑龍江省寶清縣境內,灌區總面積2.97萬hm2，設計灌溉面積2.08萬hm2。倭肯河[23]灌區始建于日偽時期，位于松花江右岸級支流倭肯河下游左岸河谷平原區依蘭縣境內，灌區總土地面積3.4萬hm2，設計灌溉面積2.15萬hm2。江川灌區[24]始建于20世紀70年代，位于黑龍江省松花江下游南岸，樺川縣境內，總面積4.49萬hm2，設計灌溉面積2.07萬hm2。

圖2 灌區位置圖Fig.2 Location of irrigations

以上3個灌區均為建設年代久遠的大型灌區，規模相似具備可比性，且都存在工程標準低、配套不全、老化失修、滲漏損失嚴重、效益衰減等一系列工程問題，這些問題嚴重制約著灌區的正常運行及灌區效益的充分發揮，選擇以上3個灌區進行輸水系統適宜性評價并進行比較，為灌區的節水改造提出建議。數據來源于各灌區續建配套與節水改造實施方案。參考已有研究[1]和指標數據分布情況，根據灌區輸水系統適宜性狀況，將其分為三級，Ⅰ級為高適宜，Ⅱ級為一般適宜，Ⅲ級為低適宜。各灌區評價指標數值及分級標準見表1。

4.1 建立評價模型

(1)根據表2數據，確定3個灌區及灌區輸水系統適宜性3個分級標準中各評價指標的R6×9復合物元。

表1 灌區輸水系統適宜性評價指標值及分級標準Tab.1 Irrigation water conveyance system suitability evaluation index and classification criteria

(2)根據步驟(1)確定的復合物元，由式(2)、式(3)確定從優隸屬度。

(3)取步驟(2)中從優隸屬度最大值構成標準方案的模糊物元。進而由式(5)構建差平方復合模糊物元RΔ。

(4)采用層次分析法計算準則層權重 ，熵權法計算指標層權重 ，進而確定各指標綜合權重 ，計算結果見表2。

表2 灌區輸水系統適宜性評價指標權重 Tab.2 Irrigation water conveyance system suitability evaluation index weight

(5)采用式(6)、式(7)計算得到各灌區的歐氏貼近度RρH。

RρH=

4.2 結果分析

根據計算出的貼近度，可得到灌區輸水系統適宜性由強到弱為蛤蟆通灌區、倭肯河灌區、江川灌區。通過貼近度比較可看出蛤蟆通灌區輸水系統的適宜性為Ⅱ級，說明輸水系統的適宜性一般，基本能夠滿足灌區的正常發展需要，而倭肯河灌區和江川灌區輸水系統是適宜性為Ⅲ級，說明這兩個灌區輸水系統的適宜性較低，很大程度上阻礙了灌區的正常發展。3個灌區建設年代較為久遠，建設標準低，運行時間長，是其輸水系統適宜性程度不佳的主要原因。根據評價指標權重計算結果，輸水渠道的襯砌率、渠道工程單位投資、單位灌溉面積渠道長度及輸水渠道占地率對灌區輸水系統的適宜性影響較大。蛤蟆通灌區輸水系統適宜性為Ⅱ級，但若管理不善，很有可能降至Ⅲ級。輸水渠道襯砌率和渠道工程單位投資較低，是導致倭肯河灌區輸水系統適宜性較低的主要因素。江川灌區輸水渠道的襯砌率較低、單位灌溉面積渠道長度較長是造成江川灌區輸水系統適宜性較低的主要原因。

5 結 語

通過對灌區輸水系統的適宜性進行評價得到以下結論。

(1)運用基于AHP-熵權法的模糊物元模型對灌區的輸水系統進行適宜性評價，選取多個影響灌區輸水系統適宜性的評價指標，構建灌區輸水系統適宜性評價指標體系，保證了評價結果的可靠性。主客觀權重相結合的權重確定方法，減少了評價指標權重確定過程中的主觀性，避免了客觀權重過于依賴于樣本數據的缺陷。結果準確、客觀的顯示了各灌區輸水系統適宜性。

(2)適宜性評價結果顯示3個灌區輸水系統的適宜性程度距適宜灌區發展還有一定的差距，各灌區應引起注意，輸水渠道的襯砌率、單位灌溉面積渠道長度、渠道工程單位投資及輸水渠道占地率為灌區輸水系統適宜性的主要影響因素，各灌區可在今后的續建配套與節水改造過程中加以重視。

(3)本文選取3個規模相似的灌區進行輸水系統適宜性評價是在全面反映灌區輸水系統總體狀況的基礎上，探究灌區輸水系統與灌區相互適宜、協調發展的程度，以切實提高灌區輸水系統適宜性的一次嘗試，對于評價指標及其評價標準的確定還需在今后的研究過程中不斷加以完善。

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