基于逼近理想解法的 汾河流域節水灌溉發展水平評價

呂 平，馬娟娟

(1.山西省水利水電科學研究院 太原 030002；2.太原理工大學水利科學與工程學院 太原 030024)

0 引 言

區域性節水灌溉發展水平的科學評價是制定本區域節水灌溉發展規劃的基礎，也是緩解區域性用水緊張局面、促進農業高效發展的關鍵，同時對于推動區域節水灌溉工程科學規劃，保證區域水安全和良好的生態環境具有重要意義。近年來，節水灌溉發展水平評價指標體系有定性評價、定量評價、定性和定量綜合評價，由主要指標構建簡單的評價體系發展到利用多指標或多目標構建綜合評價體系；如層次分析法、因子分析法、灰色關聯度等方法被應用到節水灌溉發展水平綜合評價中，但以上方法都存在區域性節水灌溉發展現狀與反映差距較大的問題。層次分析法是建立評價層次結構模型、構造判斷矩陣的基礎上求特征值來確定各評價因子及指標重要性權重，判斷矩陣主要受評判標準的支配，評判標準的客觀性較難量化判斷；因子分析法對評價指標正態標準化過程中信息發生丟失、特征提取性下降，因子方差貢獻率與指標實際應取權重值差別較大；灰色關聯度法是以指標間相互關聯比對結果為基礎的客觀性評價，但不能很好的反映人類管理行為與客觀環境間互相作用[1]。

逼近理想解法(TOPSIS)，又稱優劣解距離法，是求解多屬性決策問題的一種新方法，其原理是根據有限個評價對象與理想化目標接近程度進行排序，在現有的評價對象中進行優劣評價[1]。本項目建立了適合汾河流域節水灌溉發展水平綜合評價模型即基于逼近理想解法評價模型，它適用于定性與定量指標相結合的多指標、多單元的大體系、大流域的評價[2]，計算方法具有準確性和穩定性高的特點，較真實的反映了被評價流域的節水灌溉管理發展現狀。目前，在國內的節水灌溉發展水平綜合評價模型中具有先進性。

1 建立節水灌溉發展水平評價指標體系

構建汾河流域節水灌溉發展水平綜合評價指標體系，針對節水灌溉具有的工程性、管理性、農藝性等相關特點，確定工程、管理、農藝等3項專題指標，經過選擇并確定分屬于專題指標的各項單項指標。

(1)工程措施。節水灌溉工程措施專題指標主要確定有6項單項指標，分別為灌溉用水量占總用水量的百分比(%)，節水灌溉面積占有效灌溉面積的百分比(%)，灌溉水利用系數，毛灌溉定額，管灌面積占有效灌溉面積的百分比，微噴灌占有效灌溉面積的百分比，全部為定量指標。

(2)管理措施。節水灌溉管理措施專題指標主要確定有6項單項指標，分別為政策法規，政府支持，技術推廣體系的建立，宣傳教育，公眾參與，計量收費普及率(%)；計量收費普及率為定量指標，其余均為定性指標。

(3)農藝措施。農藝措施專題指標主要是反映一個區域是否制定合理的灌溉制度、農業種植結構和產出狀況，根據資料收集情況，確定的主要單項指標有糧食平均產量和農村居民人均純收入，兩項均為定量指標。

2 確定評價指標權重

本項目采用了熵權法和層次分析法兩種方法綜合確定單項指標權重，層次分析法一定程度上比較充分反映專家的知識和經驗，但往往會因為主觀個人因素和研究人員的知識經驗的局限性而造成偏差，具有較強的主觀隨意性。熵權法是一種客觀賦權法，存在缺陷是未反映研究人員的經驗，同時易受離散極值的影響。

2.1 熵權法

熵權法具體算法是將多目標矩陣Y=(yij)m×n進行歸一化處理，計算各個指標的熵權值。本評價方案中除灌溉用水量占總用水量的百分比和毛灌溉定額為成本型指標，其余均為效益性指標，歸一化公式如下：

對于效益型指標，歸一化如式(1)：

(1)

對于成本型指標，歸一化如式(2)：

(2)

式中：i為評價對象(方案)；j為評價指標；m為評價對象(方案)個數；n為評價指標個數，1≤i≤m，1≤j≤n；yjmax，yjmin分別為第j個指標在各個評價對象(i)中最大值和最小值；

經過歸一化公式計算后，形成新的判斷矩陣Z=(zij)；計算第j個評價指標熵值如式(3)：

(3)

式中：i為評價對象(方案)；j為評價指標；m為評價對象個數；n為評價指標個數。

經過如下公式(4)計算得出第j個評價指標的熵權值βj，公式如下：

(4)

因此得出客觀權重向量β=(β1β2β3βj…βn),n為評價指標個數。

2.2 綜合賦權法

層次分析法(AHP)屬于主觀賦權法且為常用方法。熵權法屬于客觀賦權法，鑒于主客觀權重確定方法存在的缺陷與不足，現將主觀賦權法和客觀賦權合理的結合起來，可以盡量消除兩者方法的弊端，可以較為真實的反映各個評價指標的權重，綜合賦權公式如式(5)：

(5)

式中：1≤j≤n；αj為層次分析法賦予評價指標j權重值；βj為熵權法賦予評價指標j權重值。

3 構建逼近理想解法模型

逼近理想解法是根據有限的評價對象與理想化目標的貼近度進行排序的方法，基本原理是通過計算評價對象與正理想解、負理想解的距離來進行排序，如果與正理想解距離最接近，且距離負理想解最遠，則為最佳方案或者最優解，反之則為最差方案，或者最劣解[3]；

將確定的評價指標分級，采用均值標準差分級法，均值標準差分級法，具體分級區間如下：

[…(N-3aS,N-aS),(N-aS,N+aS)，(N+aS,N+3aS)…]

式中：N為各個評價指標的算術平均值；標準差為S；a為可設定的常數；N代表各個評價指標數列的中心；標準差S代表數列的離散程度。

因此方案Di(評價方案為汾河流域包含的行政區域，含k-1級臨界分級標準的值)和評價指標Fj形成了多目標決策矩陣Y=(yij)m×n；將矩陣Y采用公式(1)和公式(2)歸一化后，形成新的決策矩陣Z=(zij)m×n，如下矩陣公式(6)表示：

(6)

上述評價指標都帶有不同的量綱，因此需要對決策矩陣式Z=(zij)m×n采用無量綱化公式進行處理，具體方法如下公式(7)，從而構筑新的矩陣X=(xij)m×n。

(7)

式中：i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n。

xij為第i個評價對象(方案)的第j個指標的標準化值。

將無量綱化矩陣X=(xij)m×n與綜合指標權重相乘，得到加權標準化矩陣R=(rij)m×n,Wj為每個評價指標的綜合權重，綜合權重由公式(5)確定，計算公式如(8)：

rij=xij×wj

(8)

完成上述步驟后，計算第j個指標的正理想解和負理想解

式中：i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n。

計算各評價方案與正理想解和負理想解的距離，一般采用歐式距離，其計算公式如式(9)和式(10)：

(9)

(10)

計算各評價方案與最佳方案的相對貼近度，如公式(11)：

(11)

式中：i=1,2,3,…,m。

按相對貼近度的大小排序，Ci越大越接近100，表示第i個評價方案越接近最優水平，如果Ci越小，表示第i個評價方案越接近最差水平。

4 汾河流域節水灌溉水平綜合評價

汾河是山西省內第一大河流，汾河流域位于山西省中南部，南北長412.5 km，東西寬188 km，流域面積39 471 km2,為黃河第二大支流,占山西省國土總面積的25.3 %。汾河流域為山西省政治、經濟、文化中心，同時也是重要的生態功能區、人口密集區、糧棉主產區、經濟發達區。2014年12月山西省委省政府提出啟動實施汾河流域生態修復的重大戰略決策，本項目立足于汾河流域生態環境綜合治理工程戰略決策目標和規劃原則，構建基于逼近理想解法的區域性節水灌溉發展水平綜合評價模型，對汾河流域節水灌溉發展水平提出正確的評價，為山西省在汾河流域的生態綜合治理科學規劃和建設提供重要依據。

4.1 評價資料收集與整理

汾河流域節水灌溉發展水平評價數據主要來源是2012年度的山西省水資源公報、統計年鑒、節水通報以及地方水行政部門提供的統計資料。

4.2 評價結果

4.2.1 評價指標的綜合權重計算

評價指標的綜合賦權權重結果見表1。

表1 評價指標的綜合賦權權重表

4.2.2 評價矩陣計算結果

根據上述步驟，確定的14個評價指標和4個臨界分界值組成的矩陣非數據指標值轉化為相對量數據構建多目標決策矩陣Y=(yij)m×n，如下；

歸一化決策矩陣Z=(zij)m×n如下(保留五位小數點)：

無量綱化矩陣為X=(xij)m×n如下(保留五位小數點):

加權標準化決策矩陣R=(rij)m×n如下(保留五位小數點)：

4.2.3 正負理想解計算結果

確定加權標準化矩陣后，可以計算第j個指標的正理想解 和負理想解 (保留五位小數點):

4.2.4 歐式距離

計算各評價方案與理想解和負理想解的歐式距離(保留五位小數點)：

4.2.5 貼進度計算和評價結果

根據公式(11)計算貼近度(保留三位小數)，貼近度的四個臨界值分別為：Ⅰ臨界值為70.908，Ⅱ臨界值為62.963，Ⅲ為54.968，Ⅳ為46.995；判別標準為：大于或等于Ⅰ臨界值為“好”，介于Ⅰ和Ⅱ之間為“較好”，介于Ⅱ和Ⅲ之間為“一般”，介于Ⅲ和Ⅳ之間為“較差”，小于Ⅳ臨界值的為“差”；汾河流域區域節水灌溉水平的貼近度計算和評價結果如表2所示。

表2 汾河流域區域節水灌溉水平的貼近度計算和評價結果

5 分析及建議

根據貼近度計算和評價結果，汾河流域節水灌溉發展水平綜合評價為“一般”，這個評價是對汾河流域所包括的太原、忻州(寧武和靜樂縣)、晉中、臨汾、運城、呂梁6個地市40個縣的總評價，依據指標劃分等級和現狀資料分析，汾河流域各項指標均處于較低水平。分析其原因主要是：①農業灌溉水利用率不高，2012年度灌溉水利用系數僅為0.5，低于全省灌溉水利用系數同期平均水平0.52，也低于全國同期平均水平0.516。②節水灌溉工程體系和服務配套體系不完善，由于汾河流域灌溉設施老化，田間工程配套率差，使節水灌溉工程服務能力明顯下降，大中型灌區量水設施實有率僅為38.2 %，干支渠渠防滲率低，建筑物配套不全。③各相關主體節水動力不足，主要原因有以下三個方面：a.農村外出務工創收人員不斷增多，農業生產收入占農民總收入的比重越來越小，在農田灌溉工程投入積極性不高。b.灌區管理單位公益性基本支出和工程維修養護費用保障水平不高，其收益主要靠征收水費，因此發展節水灌溉內在的積極性受到影響。c.農業比較效益低、投資回報周期長，直接影響了部分地方政府投入節水灌溉的積極性。④節水型社會建設的管理制度、法規制度、配套政策以及激勵約束機制不健全，未真正建立起農業用水總量控制、定額管理的政策體系，對浪費灌溉用水的行為約束力太弱，對節約用水未能給予直接補償獎勵。

針對以上指標評價結果和原因分析，提出以下建議：①發展高效節水灌溉農業，合理配置水土資源。在大水網工程覆蓋和水土條件較好的區域發展水澆地和高效節水灌溉，同時繼續加大現有大中小型灌區續建配套和節水改造力度，提高節水水平，逐步提高農田灌溉水有效利用系數。②依靠政府行政法規手段，健全完善法律法規體系，堅持依法治水，建立水資源三條紅線控制指標體系，實行用水總量、用水效率和水功能區達標年度考核制度，制定《汾河流域保護條例》，明確水資源管理與保護、水污染防治、生態保護等內容。③充分發揮水價的經濟杠桿作用，制定水權交易、轉讓規則，逐步建立水權、水市場試點工作，真正做到對浪費灌溉用水的行為約束，對節約用水給予直接補償獎勵。④試點建立用水戶協會組織，用水戶協會在節約勞動力、降低水費開支，增強公眾參與度、提高農戶參與的層次和水平有很好的效果，同時對作物生產力、灌溉水利用率、灌溉用水政策的制定與改善具有積極的影響。

以上是從汾河流域評價結果和節水灌溉現狀出發，在工程保障、政策保障、經濟保障、組織保障提出可行性建議。

6 結 論

(1)本項目構建了基于逼近理想解法的區域節水灌溉發展水平綜合評價模型，在實際應用中，本評價計算模型具有穩定性和準確性，較真實的反映了汾河流域節水灌溉現狀。

(2)本計算模型不僅在其他流域節水灌溉發展水平評價中具有實際的應用價值，而且在水利其他領域，如節水型社會建設、旱情等方面，同樣具有重要的推廣價值。

(3)汾河流域2012年度的節水灌溉發展水平處于“一般”水平，需從工程、政策、經濟、組織保障等方面采取有力措施，推動汾河流域的生態建設和節水灌溉沿著科學軌道上發展。