基于可變模糊集的區域節水灌溉發展水平評價研究

張麗娜，朱 瑋，于倩雯

(1.湖北經濟學院經濟與環境資源學院，武漢 430205；2. 中國銀行常州新北支行，江蘇 常州 213000；3. 河海大學 商學院，南京 211100)

近年來，黨和政府高度重視節水灌溉工作。2012年1月，國務院正式頒布了《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，提出要加大農業節水力度，完善和落實節水灌溉的產業支持，大力發展高效節水灌溉。2012年《國家農業節水綱要(2012-2020年)》(國辦發〔2012〕55號)，提出要把節水灌溉作為經濟社會可持續發展的一項重大戰略任務。2014年《水利部關于深化水利改革的指導意見》中提出建立健全的灌溉排水、農村供水的專業化服務組織及專業化基層水利的服務體系。而對節水灌溉現狀水平進行科學合理的評價是制定節水灌溉規劃的重要前提。因此，進行區域節水灌溉發展水平評價，及時發現節水灌溉工程及技術存在的問題，有針對性地分類增加灌溉面積，有利于為區域農業生產的持續發展提供用水保障。

目前，節水灌溉發展水平評價主要思路包括單一的效益評價以及多層次多指標的綜合評價。①單一效益評價。如李平[1]等結合積因子位次方法對節水灌溉效益進行評價。②多層次多指標評價。Qassim Abdi等[2]對澳大利亞谷爾本山區采用小定額灌溉后的節水效率和經濟效益進行評價，馬建琴[3]等采用改進層次分析的模糊綜合評價模型對不同灌水控制下夏玉米的耗水量及產量特性進行評價，于倩雯[4]等提出了基于區間直覺模糊TOPSIS法的節水灌溉工程方案優選模型，鄭和祥[5]等引入基于信息熵的模糊物元評價模型，開展牧區節水灌溉工程后評價，樓豫紅[6]等采用集對分析方法對四川省各地區節水灌溉發展現狀為進行評價計算，呂麗華[7]等運用模糊集理論對黑龍港平原區3種節水技術模式進行了技術優屬度評價，王蘭英[8]等構建了農業節水技術綜合評價指標體系，并運用AHP法與Rough Set法對西北半干旱地區的農業節水技術進行綜合評價，Rodrigues等[9]指出滴灌的含濕量小于噴灌的含濕量使得該地區滴灌的節水效率要高于噴灌的節水效率，可變模糊集理論[10]作為解決系統中的模糊現象、模糊事物、模糊概念的一種有效方法，在工程、生態、風險等綜合評價研究領域得到廣泛應用，柯麗娜[11]等建立基于可變模糊集理論的海島可持續發展綜合評價模型，對遼寧省長海縣2001-2011年可持續發展的狀況進行評價驗證，趙剛[12]等采用集對分析-可變模糊集評價模型和基于指數超標法的賦權重方法分析研究2008-2011年間水利現代化指數的時空變化特征，潘爭偉[13]等構建基于集對分析與可變模糊集的區域水資源系統脆弱性評價模型，驗證了安徽省水資源系統脆弱性實際狀況為中度脆弱。

綜合可知，模糊綜合評價法、層次分析法以及其他定量指標分析對我國節水灌溉水平評價具有重要的方法指導作用，但是區域節水灌溉發展水平評價是一個具有不確定性和模糊性交互作用的復雜決策問題，現有評價方法的評價結果難以相互驗證，評價結果的可靠性難以保障。基于此，本文利用可變模糊集理論在評價過程中具有相互驗證評價結果的優勢，構建基于可變模糊集的區域節水灌溉發展水平評價模型，以保證評價結果具有可靠性。

1 可變模糊集的基本原理

2 區域節水灌溉發展水平評價模型的構建

2.1 模型構建的基本思路

在對區域節水灌溉發展水平進行評價時，假設給定的評價對象集為u，由評價指標所構成的指標集為O={o1,o2,…，om}，評價對象下各評價指標屬性值構成了區域節水灌溉發展水平評價指標特征值向量x={x1,x2,…,xm}=xj。首先，運用基于綜合熵權法[14]及二元比較法[15]組合賦權，確定評價指標體系的權重，組合賦權過程為：在使用熵權法確定評價指標的客觀權重之后，再征取專家意見，若客觀權重基本符合評價的判斷與偏好，則不需要對客觀權重進行調整；若不符合評價的判斷與偏好，則采用二元對比法對客觀權重進行調整。其次，建立區域節水灌溉發展水平評價等級區間，對定性指標和定量指標分別依據三角模糊數2級比例量化法和有關規劃、規范、標準的形式建立5級評價標準；最后計算m個評價指標的相對隸屬度，再對評價對象進行可變模糊評價，并得出最終評價結果。模型構建的基本思路見圖1。

圖1 區域節水灌溉發展水平評價模型構建的基本思路

2.2 模型構建的基本步驟

基于可變模糊集理論的區域節水灌溉發展水平評價模型構建的基本步驟如下：

步驟1：設區域節水灌溉發展水平評價對象集為u，根據建立的m個指標按照c個級別，運用基于綜合熵權法及二元比較法組合賦權，確定評價指標體系的權重ωj。然后對定性指標和定量指標分別依據三角模糊數2級比例量化法和有關規劃、規范、標準的形式建立5級評價標準，形成區域節水灌溉發展水平等級區間矩陣Z=(zjh)m×c。

步驟2：依據c個級別的等級區間矩陣，計算指標體系吸引區間[a,b]矩陣Iab=([a,b]jh)m×c，由此計算指標體系排斥區間[c,d]矩陣Icd=([c,d]jh)m×c，其中，j=1,2,…,m；h=1,2,…,c。

步驟3：確定評價指標j相對于級別h的矩陣IM=(mjh)m×c。

取λ=1，當x處于M點左側時，相對差異函數模型可為：

(1)

當x處于M點右側時，其相對差異函數模型為：

(2)

當x處于X區域外時，其相對差異函數模型為：

(3)

式中：α為模型優化準則參數，α=1為最小一乘方準則，α=2為

最小二乘方準則；p為距離參數，p=1為海明距離，p=2為歐式距離。

3 算例分析

3.1 數據收集及處理

截至2014年末，陜西省常用耕地面積達到286.699 萬hm2，占全省土地面積的13.9%，主要農作物播種面積426.213 萬hm2；全年灌溉面積179.819 萬hm2，農業有效灌溉率僅為42.79%，而且由于節水灌溉資金的投入不足，全省干、支、斗渠道防滲比例僅為65%左右，建設任務還十分繁重。因此，本文將陜西省作為節水灌溉發展水平評價的區域，選擇2014年作為評價基準年，評價陜西省節水灌溉發展水平，并分析陜西省節水灌溉發展中存在的問題，為促進未來陜西省節水灌溉的發展提出建議。根據陜西省節水灌溉發展規劃要求，綜合考慮各個區域節水灌溉發展的現狀，結合區域節水灌溉發展水平評價指標體系，收集陜西省及各轄市、區節水灌溉發展水平評價所需要的基礎數據，見表1。

在表1中，節水技術的表征指標依次為噴微灌面積比例A11、灌溉水利用系數A12、每公頃灌溉用水量A13、已建渠道防滲率A14、作物種植結構合理性A21、耐旱作物種植面積比例A22；節水管理的表征指標依次為政府政策指數B11、用戶參與水平B12、水價合理性B21、計量收費普及率B22、灌溉制度合理性B23；節水效益的表征指標依次為灌溉水分生產率C11、單位水量農業產值C12、主要農作物單位面積產量C13、農業結構調整水平C21、農產品品質改善程度C22、農作物植被覆蓋率C31、水土流失治理水平C32；節水可持續性的表征指標依次為技術推廣體系建設水平D11、農業節水技術集成水平D12、農業缺水指數D21、人均水資源量D22和人均耕地面積D23。

表1 陜西省節水灌溉發展水平評價的數據采集

續表1 陜西省節水灌溉發展水平評價的數據采集

注：定量數據來源為《陜西省水利統計年鑒》、《陜西省農業統計年鑒》、《陜西省水資源公報》和《陜西省統計年鑒》，定性數據通過專家咨詢及機構調查采集。

3.2 陜西省節水灌溉發展水平評價

為了檢驗評價結果的穩定性，變換模型中的參數組合。以下考慮可變模糊評價模型的其他3種組合情況，計算結果見表2。

表2 陜西省節水灌溉發展水平可變模糊集特征值結果

由此驗證，基于可變模糊集的陜西省節水灌溉發展水平的評價結果介于 “一般”與“較好”之間。節水灌溉的發展取得了成效，總體呈現較好的發展趨勢，但其發展程度還相對較低，說明陜西省節水灌溉在發展中還存在一些問題。

同理，對陜西省各市、區節水灌溉發展水平進行可變模糊評價(α=1且p=1)，得到評價的結果見表3。

表3 陜西省各市、區節水灌溉發展水平可變模糊評價級別特征值排序

從表3中可以看出楊凌區、銅川市、寶雞市、咸陽市的級別特征值較小，分別為2.121、2.302、2.373、2.488，說明這幾個地區的節水灌溉發展得較好，水平相對較高。而榆林市、安康市、商洛市幾個地區的級別特征值稍大，說明這幾個地區的節水灌溉發展水平相對較低一些。這主要是因為：陜西省是水資源十分緊缺的省份，自20世紀50年代推行節水灌溉技術以來，全省各個地區一直將發展節水灌溉作為緩解水資源矛盾，提高農業綜合生產能力的舉措之一，截止2014年，陜西省共發展節水灌溉面積85.062 萬hm2，全省農業灌溉水利用系數平均達到0.54，略高于全國的平均水平，不僅提高了水的利用率和農田灌溉保證率，而且加快了農民的致富步伐，推動了農民高效發展。但是，當前農村的生產方式落后，使推廣噴灌、微灌等高效節水形式受到一定制約，農民對節水灌溉投入的積極性、農民傳統的澆地習慣、水資源管理滯后、用水混亂、污染嚴重等因素限制了陜西省節水灌溉的發展。

4 結論與討論

對區域節水灌溉發展水平進行評價研究，有利于分析影響區域節水灌溉發展的主要限制因素，完善區域節水灌溉發展水平評價的指標體系，推動區域節水灌溉沿著科學、健康的軌道發展。本文提出了基于可變模糊集的區域節水灌溉發展水平評價模型，以此來確定區域節水灌溉發展水平的等級。該模型可以充分利用所得到的信息，通過變換模型及模型參數，使得評價結果得到相互驗證，并提高評價成果的可 信度。通過對陜西省節水灌溉的發展水平進行實證分析，驗證模型的合理性與有效性。通過實證分析，得到該省節水灌溉發展的評價結果為一般偏向好。一方面，表明該省節水灌溉的發展取得了一些效果，但也存在節水技術研發應用落后、節水管理有欠缺等問題。另一方面，也表明采用可變模糊評價方法來處理現實應用中的一些不確定性的評價問題具有可行性。

為了提高陜西省節水灌溉的發展水平，結合評價結果，提出如下建議：①建議統籌安排，科學制定節水灌溉發展規劃。在制定節水灌溉發展規劃時，需充分體現節水灌溉的系統性，充分考慮當地的自然地理條件、農業生產經營方式、農業作物種類及水資源的承載能力，以水土資源的優化配置為目的，促進多種水源的高效綜合利用。②完善灌溉政策，健全管理體制。省級政府應及時頒布有利于全省節水灌溉發展的指導性文件，完善相應的政策配套及法律法規。各級政府應大力推進水價改革，發揮價格的杠桿作用，并建立合理健全的獎勵補助制度，以充分調動農民的積極性。③加強科研，大力推廣節水灌溉技術。注重節水灌溉新技術、新材料、新工藝的自主研發與創新，因地制宜，促進節水灌溉技術的不斷推廣。鼓勵政府和企業與高校及科研機構合作，不斷完善產、學、研相結合的節水灌溉技術創新體系。

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