漳河灌區節水改造綜合效益評價

樂志華，邵東國，李浩鑫，徐保利(武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

1998年，我國啟動大型灌區續建配套與節水改造試點項目，旨在解決灌區渠系及建筑物工程老化不配套、灌區管理體制不完善等問題，提高灌區用水效率及抗災減災能力，保障灌區糧食生產安全。由于灌區節水改造涉及因素多、投資大，其實施方案是否經濟合理、工程建設是否發揮效益，都需要有科學的綜合評價分析[1-5]，為決策部門制訂合理的灌區管理措施和節水改造措施提供依據。

大型灌區節水改造綜合評價屬于多指標、多目標評價問題，用直觀對比分析法往往難以獲得理想結果，需要采用綜合評價方法[6,7]。而指標權重的確定對于評價結果的合理性起著至關重要的作用，目前諸多的綜合評價方法中所依據的權重主要采用兩類方法確定，即主觀賦權法與客觀賦權法。其中主觀賦權的方法主要有層次分析法、專家評價法、綜合指數法等，客觀賦權的方法主要有因子分析法、突變理論、熵值法等[8,9]。主觀賦權依賴于專家的知識、經驗，權重確定受人為因素干擾較大；而客觀賦權單純利用指標的客觀信息確定權重，可以有效消減人為干擾。考慮到主觀賦權的缺點，本文選用客觀賦權方法-改進熵值法進行灌區綜合評價，既可以克服主觀賦權法無法避免的隨機性、臆斷性問題，還可以有效解決多指標變量間信息的重疊問題。

本文依據漳河灌區節水改造以來2000-2013年的工程建設與管理運行數據，采用改進熵值法，對灌區節水改造后的綜合效益進行評價，分析灌區改造后用水效率以及綜合效益的變化，尋找灌區綜合效益的主控因素，為調整灌區改造的目標、布局、投資方向提供參考。

1 漳河灌區基本概況

漳河灌區地處湖北江漢平原西北部，水資源豐富，耕地面積達17.368萬hm2，以水稻、小麥、棉花、油菜為主要種植作物，是湖北省糧食主產區之一。灌區建成于1966年，形成以漳河水庫為骨干，中小型水利設施為基礎，提水泵站作補充的大、中、小相結合，蓄、引、提相配合的水利灌溉網。運行多年后，灌區渠系及建筑物工程老化失修、灌溉面積萎縮、水資源浪費等問題突出。為保障灌區的供水、灌溉、糧食生產等功能，從1998年開始實施灌區的續建配套與節水改造工程建設，規劃工程總投資18.36億元。

2 基于改進熵值法的漳河灌區合評價

2.1 評價指標體系的確立

灌區綜合評價指標體系需要能綜合反映灌區運行狀況，投資效果[10]。本文依據灌區節水改造對作物種植結構、輸水灌水過程、灌區運行管理，經濟產出四個方面的作用，遵循指標選取的實用性、代表性、科學性等原則，結合節水改造項目的特點及工程項目管理的目標要求，構建漳河灌區節水改造綜合評價指標體系[11-14]。改進熵值法評價指標體系(圖1)從種植情況、節水效益、運行管理、經濟效益4個角度(準則層)選取11個指標(指標層)作為灌區節水改造綜合評價(目標層)的依據。各指標的涵義見表1。

圖1 灌區綜合效益評價指標體系Fig.1 Evaluation indexes of the comprehensive benefit evaluation

2.2 改進熵值法的基本原理和計算步驟

在信息論中，信息熵描述了樣本數據變化的相對速率，數據的離散程度越大，信息熵越小，其提供的信息量越大，該指標對綜合評價的影響越大，其權重也應越大；反之，各指標值差異越小，信息熵就越大，其提供的信息量則越小，該指標對評價結果的影響也越小，其權重亦應越小，改進熵值法即是依據該原理來確定權重的一種評價方法[15-17]。在綜合評價中由此得到的指標權重描述了指標數值變化的相對幅度[15]。

表1 灌區綜合效益評價指標涵義Tal.1 Definitions of indexes of the comprehensive benefit evaluation

傳統熵值法計算過程中包含對數和熵的運算，常因指標數據中的負值或極端值不能直接計算相應的權重值，而改進熵值法彌補了這一缺陷。所以本文依據熵值法改進的研究成果[18-20]，使用改進熵值法對漳河灌區綜合評價。

改進熵值法計算步驟：

(1)原始指標數據處理。

越大越優指標，x′ij=xij

(1)

(2)

(2)借助標準化處理法消除指標的量綱差異：

(3)

式中：μj代表該指標數據的平均值；σj代表該指標數據標準差；x″為經過標準化后的指標值；m為方案個數；n為指標個數；標準化后的數值常存在負數，需要將標準化后的數值進行平移：

Zij=x″ij+k

(4)

式中：Zij為平移后的指標值；k為平移值。一般地x″ij的范圍在-5～5之間，k的取值可以在0～5之間；

(3)計算第j項指標下第i個年份的占該指標的比重pij：

(5)

(4)第j項指標的信息熵值ej：

(6)

(5)計算第j項指標的權重ωj：

(7)

(6)計算第i個年份綜合評價得分Fi：

(8)

2.3 基于改進熵值法的漳河灌區綜合評價

根據改進熵值法對漳河灌區節水改造后14個年份11個指標的數據進行處理，得到各年份占指標的比重值、指標的權重值以及14個年份的綜合評價得分排序，見表2和表3。

由式(5)求出的第j項指標下第i個年份占該指標的比重值反應的是不同年份在同一指標下的差異,該值越大，說明節水改造后第i個年份的該指標現狀相對于其他年份越好。結果顯示，灌區節水改造后，11個評價指標現狀除水費實收率之外，都有大幅度改善。糧食作物比例、渠道防滲率、田間水利用系數、單位灌溉面積糧食產量均在2012、2013年該值達最大，即這兩個年份該項指標現狀優于其他年份。說明灌區自1998年節水改造以來，作物種植結構的調整、渠道的襯砌防滲、田間節水等改造成效顯著。分析漳河灌區2000-2013年農業灌溉引水量的變化，發現灌區節水改造后農業灌溉引水量整體呈下降趨勢，這為緩解日益加劇的工農業爭水矛盾以及擴大灌區供水效益提供了機會。

表2 灌區各指標的權重值及第j個年份在第i項指標下占的比重Tab.2 The weight value and proportion of each index of irrigation district

表3 灌區綜合評價得分與排序Tab.3 Goals and rankings of the comprehensive evaluation

指標的權重反映了指標在評價過程中的重要程度，權重越大，說明該指標在綜合評價中所起到的作用越大。從表2可以看出指標的權重值范圍在0.80～0.94，差異較小，即各指標在評價中對節水改造綜合效益貢獻均衡，說明灌區節水改造均衡發展。

表3為灌區綜合評價的最終結果，得分越高，表示灌區節水改造綜合效益就越好。從2000-2010年灌區的綜合得分逐步上升，說明該階段灌區經過節水改造工程建設，各水利設施得到修復，管理運行結構得到完善，綜合效益持續增長。2010-2013年灌區綜合效益呈下降趨勢，分析原因發現灌區區域內自2010起連續5年干旱，導致灌區整體效益下降。由于灌區本身屬低丘陵區，沖溝短淺、蓄水有限，其抗旱能力低；但從評價結果發現，灌區2010年雖受干旱影響，但相對2009年綜合效益依然先有增長，隨后才逐漸下降，說明灌區節水改造后，抗旱能力得到提升，但依然不足，需要繼續加強灌區抗旱蓄水工程的建設。

2.4 灌區綜合效益主控因素分析

為分析影響灌區綜合效益的主要因素，利用改進熵值法對灌區種植情況、節水效益、運行管理、經濟效益4項指標(準則層)進行綜合評價得分計算并排序，最終評價排序結果見表4。分析準則層4項指標各年份的排序與相應年份灌區綜合排序，發現灌區的運行管理該指標的排序波動對灌區綜合排序影響小，如2000、2013年運行管理排序分別為5和13,2000、2013年灌區綜合評價排序卻分別為12和4；但各年份灌區綜合評價排序與作物種植、節水效益、經濟效益3個指標排序相當，說明作物種植、節水效益、經濟效益3個指標排序為影響灌區綜合排序的主要因素。所以灌區綜合效益的主控因素為作物種植、節水效益、經濟效益，在作物種植結構、節水、經濟產出3個方面情況的改善可促進灌區綜合效益的提高。

表4 灌區綜合評價準則層排序Tab.4 Ranks of the comprehensive evaluation of criterion layer

3 結 論

本文在構建灌區綜合效益評價指標體系的基礎上，建立了基于改進熵值法的灌區綜合評價方法。主要結論有：

(1)根據漳河灌區的實際情況，選取能綜合反映灌區綜合效益的11個指標，并根據指標的屬性將指標分類，建立灌區綜合評價的指標體系。

(2)應用改進熵值法評價漳河灌區綜合效益，得到灌區11個評價指標的權重以及14個年份的綜合效益評價結果。結果分析表明漳河灌區節水改造工程取得良好的成效，糧食生產能力及用水效率都得到提高，灌區水利設施狀況得到改善。評價結果與灌區實際情況相符合，也驗證了改進熵值法應用與灌區綜合效益評價的合理性。

(3)通過分析灌區綜合評價得分與準則層排序，得到灌區綜合效益的主控因素為種植情況、節水效益、經濟效益三個方面，說明漳河灌區整體建設水平依然不高，并依此提出灌區建設意見。

(4)本文在綜合評價時，缺乏衡量灌區生態環境效益的指標，需要在后續的討論研究中進一步完善。

□

[1] 韓振中，姚宛艷，張順堯. 大型灌區現狀和節水改造緊迫程度評價[J]. 中國農村水利水電，2002，(6)：16-19.

[2] 張燕妮. 大型灌區水資源綜合效益評價[D]. 陜西楊凌：西北農林科技大學水利與建筑工程學院，2010.

[3] 韓振中，閆冠宇，劉云波，等. 大型灌區續建配套與節水改造評價指標體系的研究[J]. 中國農村水利水電，2002，(7)：17-21.

[4] 張會敏，李占斌，姚文藝，等. 灌區續建配套與節水改造效果多層次多目標模糊評價[J]. 水利學報，2008，39(2)：212-217.

[5] 杜麗娟，劉 鈺，雷 波. 灌區節水改造環境效應評價研究進展[J]. 水利學報，2010，41(5)：613-615.

[6] 柯勁松. 江西省大型灌區運行狀況綜合評價[J]. 中國農村水利水電，2008，(10)：64-68.

[7] 霍 星，史海濱，楊松益，等. 基于層次分析-蟻群算法的內蒙古大型灌區節水改造綜合評價[J]. 農業工程學報，2014，30(17)：132-140.

[8] 李浩鑫，邵東國，何思聰，等. 基于循環修正的灌溉用水效率綜合評價方法[J]. 農業工程學報，2014，30(5)：65-70.

[9] 王文川，李筱峰，徐冬梅，等. 大型灌區節水改造綜合效益評價方法研究[J]. 中國農村水利水電，2010，(1)：119-123.

[10] 舒衛萍. 山東省灌區綜合評價[D]. 武漢：武漢大學水利水電學院，2005.

[11] 朱秀珍. 大型灌區運行狀況綜合評價研究[D]. 武漢：武漢大學水利水電學院，2005.

[12] 王文浩. 高標準農田水利工程后評價指標體系研究[D]. 陜西楊凌：西北農林科技大學水利與建筑工程學院，2013.

[13] 游 黎. 大型灌區運行狀況綜合評價指標體系與評價方法研究[D]. 西安：西安理工大學水利水電學院，2010.

[14] 呂朝陽，郭宗樓. 節水灌區指標體系與總效益評價方法探討研究[J]. 節水灌溉，2008，(3)：20-54.

[15] 張永凱. 熵值法在干旱區資源型城市可持續發展評價中的應用[J]. 資源與產業，2006，8(5)：1-6.

[16] 郭顯光. 熵值法及其在綜合評價中的應用[J]. 財貿研究，1996，(6)：56-60.

[17] 黃 蓉. 基于熵權值法的水利綜合考核評價研究[J]. 陜西水利，2013，(6)：116-118.

[18] 葉宗裕. 關于多指標綜合評價中指標正向化和無量綱化方法的選擇[J]. 浙江統計，2003，(4)：24-25.

[19] 郭顯光. 改進的熵值法及其在經濟效益評價中的應用[J]. 系統工程理論與實踐，1998，18(12)：98-102.

[20] 葉 斌. 基于改進熵值法的內河水運評價研究[D].成都：成都理工大學管理科學學院，2012.