北屯灌區節水改造項目綜合效益評價分析

余 航

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

2018年，新疆自治區GDP總量約為1.15萬億元，在全國排名第26，其中第一產業所占比重為16.5%左右，遠高于全國平均水平(7.6%)，且全區有一半人口生活在農村地區。由此可知，第一產業對新疆自治區經濟發展、社會穩定極其重要。發展節水灌溉是保證全區農業可持續發展、解決區內用水矛盾的有效途徑，但前期必須對節水灌溉項目綜合效益進行評價，只有該指標滿足要求后才能順利實施。

1 項目區概況

北屯灌區位于新疆阿勒泰地區福海縣境內，目前灌區總人口4.1萬人，共包括5個農牧團場和農十師，灌區現有耕地2.06×104hm2。北屯灌區屬于典型大陸性氣候，干旱少雨且蒸發量大，目前灌區農業用水量達5.45×108m3/a，每年存在灌溉用水缺口320×104m3，30%耕地為傳統漫灌。為解決用水缺口問題，相關部門從2012年開始逐步對北屯灌區部分漫灌耕地(涉及面積0.28×104hm2)進行了節水改造，本文對該節水灌溉改造項目綜合效益進行評價。

2 綜合效益評價體系的建立

2.1 評價指標及分級標準確定

綜合效益評級體系建立應遵循以下幾個原則：①全面、簡明、有效；②定性與定量相結合；③具有可比性、通用性、互補性；④動態和靜態相結合[1]。

為了評價北屯灌區節水灌溉改造項目的綜合效益，共建立1個一級指標、7個二級指標、29個三級指標，具體見表1。本項目對定量指標的評估標準共分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 5個等級(Ⅰ級最高)；對定性指標劃分為促進(100～90)、較促進(90～70)、低促進(70～50)、較差(50～30)、差(30～0)[2]。

表1 北屯灌區節水灌溉改造項目綜合效益評價指標體系

2.2 評價指標權重的確定

由于評價指標較多，為了確定各個指標對綜合效益影響的重要度，需要確定各指標的權重。目前，常用的計算方法包括結構熵權法、熵權法、博弈論，為保證結果的準確性，本文采用以上3種方法共同計算指標權重[3]。

2.2.1 結構熵權法

結構熵權法結合主觀和客觀權重，綜合Delphi調查法和模糊分析法，形成典型排序，有效避免了數據的不確定性。該方法計算指標權重值wj公式見式(1)[4]：

(1)

式中：yj為總體認識度。

2.2.2 熵權法

熵權法是根據各項指標信息來構建矩陣，通過特定算法求出特征比重，根據熵值判斷信息離散程度，離散度越小，說明其有效性越大。該方法計算指標權重值wj公式見式(2)。

(2)

式中：Si為第i項熵值；m為總指標個數。

2.2.3 博弈論

博弈論結合以上兩種方法，采用MATLAB軟件將其優化后得到綜合權重，使最優權重和各個權重偏差盡量減小，尋找一致和妥協，使結果最合理化。該方法計算指標綜合權重值w*公式見式(3)[5]：

(3)

(4)

通過結合以上3種方法，得出北屯灌區節水改造項目不同指標權重對比圖(圖1)。由圖1可知，社會風氣好轉程度C6、促進經濟發展C7、經濟內部收益率C9、畝產節水率C17綜合權重位居前四，均超過0.05。

3 神經網絡綜合效益評價分析

以北屯灌區各項指標權重數據為基礎，為保證評價結果的準確性，本文分別利用BP神經網絡法和小波神經網絡法對其綜合效益進行評價分析。

3.1 基于BP神經網絡法的節水灌溉改造綜合效益評價

3.1.1 BP神經網絡原理和計算步驟

BP神經網絡是一種應用最廣泛的反向傳播神經算法，可以通過正反向傳輸而不斷修改神經元權值來降低誤差，由于是系統自動學習修改的，避免人為因素影響。計算步驟大致如下：①初始化，將各個指標權重值整理并輸入；②隨意選取一個指標輸入系統進行模擬訓練，直到誤差達到標準(0.000 1)，在調整權重時避免調節位居前列的指標；③將各指標權重輸入系統，得出最終的評價結果[6]。

3.1.2 評價結果分析

以2013-2017年節水灌溉改造項目區的數據為標準，通過BP網絡神經法分析得出其綜合效益，見圖2。其中，2013、2014兩年綜合效益等級為Ⅲ級，2015、2016、2017三年綜合效益等級為Ⅱ級。項目區于2015年徹底完成0.28×104hm2農田的節水灌溉改造，這是綜合效益等級提升的根本原因。

3.2 基于小波神經網絡法的節水灌溉改造綜合效益評價

3.2.1 小波神經網絡原理

根據研究內容，本項目選用連續性小波神經網絡，通過小波元代替神經元。其計算步驟大致分為：訓練→仿真→測試，本質和BP神經網絡一致。小波神經網絡有以下幾個優點：①學習能力強，收斂速度更快；②存在尺度、平移兩個參數因子，更有利于有效信息的提取；③隱含節點數少，結構簡單。

3.2.2 評價結果分析

數據基礎同BP神經網絡，最終分析綜合效益見圖3。與BP神經網絡評價結果相比，2013年綜合效益等級處于Ⅲ級和Ⅳ級之間，2017年處于Ⅰ級和Ⅱ級之間，其余年份一致，基本上兩種方法評價結果相符合。因此，最終確定2013-2017年北屯高效節水灌溉改造項目綜合效益等級為：Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅱ級、Ⅱ級。

圖3 小波神經網絡評價結果

4 結 語

通過建立和分析評價指標體系，得出北屯灌區節水灌溉改造項目對當地社會風氣好轉、促進經濟發展、內部收益、畝產節水率等均有較大影響。通過兩種神經網絡法評價，得出2013-2017年改造項目的綜合效益等級由Ⅲ級提升至Ⅱ級，節水改造效益顯著。由此可知，在第一產業所占比重較大地區，積極推進高效節水項目對于提升區域經濟、穩定社會關系等均有重要作用。