基于物元分析的閆潭灌區水資源綜合效益研究

(1.菏澤市閆潭送水干線工程管理處，山東 菏澤 274000；2.菏澤市洙趙新河流域工程管理處，山東 菏澤 274000)

我國降水和地表水資源相對缺乏的北方地區，仍然存在農業耕地灌溉水資源利用率偏低的問題[1-2]。作為基礎性戰略經濟資源，水資源的數量、質量、分布制約著農業生產格局、民生發展、環境安全。21世紀以來，國家提出了水生態文明建設，著力于水資源優化配置來緩解水資源短缺的問題。本文以閆潭灌區為例，采用物元分析模型探究近17年來灌區水資源效益變化趨勢及其平均格局，以期為灌區水資源管理、分配提供參考依據，同時為提升水資源利用效率提供數據。

1 物元分析方法

物元分析是結合形式邏輯與模糊數學提出的以邏輯細胞三元組為基礎橫斷科學之一，用以解決互不相容問題，成為“硬”“軟”科學重要的方法論內容。物元分析理論應用于水資源綜合效益評價方面，其數學過程如下。

a.構建水資源綜合效益基礎物元。利用物元有序三元組表示水資源綜合效益的結構層次性特征，即R=(M，C，X)，其中R表示物元矩陣，M為水資源綜合效益，C為其綜合效益的特征屬性指標，X為相對應指標的量值。若M有n個指標屬性特征，則其基礎物元矩陣見式(1)[3]：

(1)

b.根據相關評價標準構建物元的經典域和節域。其思想就是構建指標量值與評價標準之間的模糊關系。因此，經典域物元矩陣Rj描述見式(2)：

(2)

式中 (j= 1，2…m)——指標評價區間；

(i=1，2…n)——指標排序；

Mj——水資源綜合效益評價標準的第j個等級；

Ci——評價指標體系中的第i項指標。

Xji=(aji，bji)為Mj關于Ci所規定的量值范圍。其節域矩陣見式(3)：

(3)

式中Ms——評價等級區間矩陣；

Xsi= (asi，bsi)——Ms關于Ci所取的指標取值范圍。

c.計算關聯隸屬度，關聯隸屬度表征單一指標距離評價標準之間的距離，其計算以指標量值大小為基礎。關聯度計算見式(4)：

(4)

其中，

(5)

(6)

|Xji|=|aji-bji|

(7)

式中ρ(xi，Xji)——第i個指標的距離到經典域區間的距離;

ρ(xi，Xsi)——其距離節域的矢量長度。

d.確定綜合關聯度根據各評價對象與每一評價區間的隸屬度值進行加權求和，則為綜合關聯度，公式見式(8)：

(8)

式中Kj(xi)——評價對象S0的第i項指標在第j級評價區間的關聯度；

wi——第i個指標的權重;

Kj(S0)——待評對象P0的綜合關聯度。

e.確定對象評定等級，參考田浪[5]等的研究方案劃分評價等級。

2 水資源綜合效益評價指標體系與分級標準

2.1 水資源綜合效益評價指標系統構建

水資源效益指一定區域內水資源供給產生的綜合效益，包括社會效益、經濟效益、環境效益。由于其影響因素眾多，在參考前人的研究基礎上[1-2,5-6]，遵循層次性、普適性、可得性等原則提取了具有高頻、獨立性的指標因子，用以構建水資源效益評價指標體系，其結構示意圖見圖1。

圖1 水資源效益評價指標體系

2.2 水資源綜合效益評價標準

評價標準對應著物元分析中的經典域，是水資源綜合效益評價的關鍵內容。通常，該標準要求具有普世通用性，即能夠適用于其他類似的問題解決；層次性，即評價標準的層級能夠反映水資源效益及其指標屬性的變化特征；可操作性，即數據來源可得可靠，指標可描述且量級化。鑒于此，在參考了聯合國糧農組織所推薦的灌區綜合評價指南，以及山東省和全國通行的標準值[5-6]，劃分了灌區水資源綜合效益評價分級，其閾值劃分見表1。

表1 灌區水資源效益評價指標閾值分級

3 案例分析

3.1 閆潭灌區概況

閆潭引黃灌區位于華北平原南部的菏澤市西南，涉東明、曹縣、單縣3縣局部，總面積達1350km2，總人口132.2萬(2017年統計)。灌區耕地面積142萬畝，設計灌溉面積100萬畝，占全市總灌溉面積的1/3，主要作物類型為小麥、玉米、棉花、大豆等，平均復種指數為170%。閆潭灌區屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，多年平均降水量681.40mm，平均氣溫13.90℃，無霜期210天，平均日照時數為2579h。區域夏半年為豐水期，冬半年為枯水期，豐枯季節水量相差4.20倍，灌區區內呈春旱秋澇的自然特點。灌區內表層主要為砂壤土、壤土，性質黏重、吸水性好。

以2017年為現狀年計算，灌區內年需水量為4.70億m3，供水量為4.30億m3，用水缺口達0.40億m3。

3.2 閆潭灌區水資源綜合效益計算

基于圖1所示指標，通過《菏澤統計年鑒》,閆潭灌區管理部門將閆潭灌區各項實測指標數據提取出來，并運用文獻[4]所示的熵權法計算得到各指標權重，代入式(4)～(7)，計算得到關聯度，由式(8)計算各評價等級的綜合關聯度。以閆潭灌區某一渠系為例，其關聯度與綜合關聯度見表2，可知該渠系在2017年的水資源綜合效益指數為0.022，其等級屬于“一般”水平。

3.3 閆潭灌區水資源綜合效益縱向評價

各項指標的實測值是水資源綜合效益評價的基礎，需要指出的是各項指標可能存在一定的測量誤差，鑒于此應將該誤差考慮進去，識別變量誤差對評價結果的不確定性影響。關于這一問題，國內外學者廣泛采用局部靈敏度方法進行分析，即在計算某一評價對象綜合關聯度時，在保持其他指標量值不變的條件下對其中之一的指標量值取其±0.10的區間，計算指標量值變化后的最大關聯度等級。應用前述方法，計算2001—2017年閆潭灌區水資源綜合效益的關聯度指數,得到結果見表2。

表2 2001—2017年閆潭灌區水資源效益綜合關聯度

上述計算結果顯示：近17年來，閆潭灌區水資源綜合效益波動于較差、一般、較好3個等級，但仍具有一定的趨勢特征。2001—2004年穩定于較差等級，原因可能是21世紀初閆潭灌區各項工程措施基本建設完畢，但渠系管理、水資源配置等處于初級探索階段，因而水資源利用效率并不高；2005—2009年波動于較差與一般等級區間，說明該階段水資源綜合效益略有提高，可能受到外部不確定性因素影響；2010—2013年穩定于一般等級，表明這時期內灌區水資源利用技術水平有了一定程度提升；2014—2017年達到較好水平，主要由于近年來隨著水生態文明建設的戰略提出，閆潭灌區管理部門系統升級了渠系灌溉設備、水資源調配，大大提高了灌溉效率與水資源利用率。需要指出的是，雖然灌區水資源綜合效益有所提升，但其水資源供需矛盾依然嚴峻、用水缺口較大，灌區水資源短缺的問題仍需長遠考慮。

3.4 閆潭灌區水資源綜合效益縱向評價

圖2 閆潭灌區水資源綜合效益評價空間分布

為更好掌握灌區內各渠系的水資源效益，在Arcgis10.3平臺上繪制了各灌區的空間矢量圖，并將綜合關聯度進行空間表達，得到閆潭灌區水資源綜合效益評價空間分布圖見圖2。可知該灌區內水資源效益空間分布十分不均衡，各大渠系分屬于差、較差、一般和較好等級。22個渠系中有4個渠系水資源效益屬于差等級，說明水資源利用效率低下，主要分布于灌區的北部和西南部渠系較少的地帶；有9個渠系屬于較差等級；水資源綜合效益屬于一般水平的有6個；有3個渠系水資源綜合效益屬于良好級。由圖2可知，水資源綜合效益與渠系分布密切相關，這是由于灌區內地形平坦、水體自流性差，遠離渠系的地帶水資源分配較少，相應的灌溉設施未能全部發揮能效，進而影響農業生產水平和居民收入，因而水資源綜合效益較低。

4 結 論

結合相關研究提出的水資源評價高頻指標因子及其閾值標準構建灌區水資源綜合效益評價物元分析模型，對閆潭灌區水資源綜合效益進行縱向與橫向評價，得出以下結論：物元分析模型維數擴充容易，對水資源綜合效益評判采用局部靈敏度識別，克服原始指標量值測量誤差的影響，方法可靠、操作簡單、應用性良好。2001—2017年來灌區水資源綜合效益的關聯度波動于較差、一般與良好等級區間內，但其總的趨勢呈良性發展，隨著經濟、技術水平提高，灌區水資源綜合利用率穩步提升，但水資源缺乏仍是區域發展的限制因子。空間上灌區水資源綜合效益存在差異，因此，在今后渠線建設過程中應區別對待，注重局部水資源均衡分配。灌區水資源供應有限，對區內經濟與民生發展至關重要，但其生態效益同樣不可忽視。