北票市節水灌溉方式的優化選擇

劉洪梅

(遼寧省北票市大三家水利服務站，遼寧 朝陽 122113)

1 水資源開發利用現狀

1.1 水資源情況

北票市總面積4469km2，地處N41°20′和42°30′，E120°16′-121°20′之間，位于朝陽北部。該地區屬于大陸性季風氣候區，為遼西低山丘陵地帶，年均降水量454.0mm，且7-9月為降雨集中期。北票市位于半干旱地區，降雨的滲入補給為地下水補給的主要來源。氣溫變化特點、蒸散發和降水量多少等因素均可對地下水的形成都起到控制作用，由于地表徑流條件好，可滲入地下的降雨僅有10%-20%，大部分匯集于河谷排出縣外。土壤侵蝕和沖蝕溝發育在集中降雨作用下更加突出，從而加速了地下水的排泄與徑流[1-4]。

境內主要有東官營河、牤牛河、十八臺河、西柳河及老寨川河等支流，從屬于大、小凌河流域。常年有明水的河流有大凌河、牤牛河，其他支流大部分為季節性河流，雨季降水集中易形成2-4h的山洪。根據水資源統計相關資料，該區域水資源總量多年平均值為26529萬m3，其中地下和地表水分別為19270、26220萬m3，地下可利用量11274m3。

1.2 水資源利用

目前，北票市已建14座水庫，其中：小(1)、小(2)型水庫分別有7座、6座；塘壩、方塘、井房和渠道建筑物分別為18、64、2561、420座，提水站15處，自流灌渠36條，渠道防滲56.40km，機電井大口井2561眼，配套管路2075km。北票市2011年總用水量8956萬m3，其中7548萬m3來源于地下水供給，統計分析各行業用水如下：生態環境、城鎮公共、林牧漁業、農田灌溉、農業發展、農村生活和城鎮居民生活用水分別為13、135、697、3905、2668、823、715m3。

比較分析現狀年與取用水總量控制指標，北票市地下水、地表水和水資源總量控制指標在“十二五”期間分別為0.77、0.15和0.92億m3，現狀年的地下水、地表水和實際總用水量分別為0.75、0.15、0.89億m3。城鎮節水器具普及率和農田灌溉水有效利用系數控制指標分別為98%、0.62，現狀用水系數為0.60接近控制指標。另外，該區域地表水開發率較低，地下水開采處于采補平衡狀態，地下與地表水開發率分別68.0%、8.1%。水資源開發利用程度37.1%，相對于60%的警戒線還存在一定的開發潛力。

1.3 存在的問題分析

1)水資源矛盾突出。根據社會經濟和用水量指標分析結果，資源性、工程性缺水為北票市面臨的突出問題。2011年北票市人均用水量153m3/人，遠遠低于同期全省平均值340m3/人；萬元GDP用水量56.2 m3/萬元顯著低于全國同期的281m3，城鎮和農民居民生活用水明顯低于同期全省平均值；人均占有量、畝均用水量分別為453m3/人和3090m3/hm2，也顯著低于同期全省平均值的820m3/人、8205m3/hm2。

2)可開采難度大。地處遼西丘陵地帶的北票市，受蒸發量大、降水分布不均及地形地貌等條件限制地表水利用效率較低，同時由于水利工程較少和河流來水不均，機電井提水補充為需水高峰的主要來源[5]。

3)用水效率低。目前，由于還未建立較為系統、成熟的農業節水技術服務體系，使得一些先進的節水措施不能及時有效的服務于工農業發展，加之北票市區政供水系統設施陳舊、輸水管線老化和滴、冒、跑、漏等現象嚴重，農田灌溉用水效率較低[6]。

為了提高灌溉用水效率和水資源可持續利用水平，有必要對不同灌溉方式進行優選研究，這不僅符合當前社會發展與經濟建設的一項迫切要求，而且與生態環境、水土資源利用、農業可持續長遠發展相關[7]。

2 基于層次分析模型的節水灌溉方式優選

優選評價節水灌溉方式時應考慮各方面因素的綜合影響，若僅僅依靠某一指標或從某一個角度分析通常存在片面性。在判斷分析多指標、多層次綜合性問題時，層次分析法具有較好的邏輯性和較高的準確度，可根據標準化處理和不同灌溉方式的評判值進行排序，從而給出最佳的模式[8-10]。層次分析法主要是將灌溉效應各影響因素按照完成目標的程度和問題的性質分解為若干個層次，通過對比分析兩兩元素間的相對重要性構造具有一定關聯性的遞階層次結構，然后采用1-9標度法對比分析兩兩因素的重要性，最終確定灌溉效益單排序及總排序評價值。

2.1 構建層次分析模型

2.1.1 總排序

設定S、M分別為單因素矩陣和權重矩陣，其中S=(E,T,H)T、M=(M1，M2，M3)，則不同灌溉方式的綜合經濟效果評價值Z的計算方法如下：

Z=M×S

(1)

2.1.2 單排序

假定Ee、Mg分別為國民經濟指標矩陣及其的權重矩陣，其中Ee=(E1,E2，E3，E4)T、Mg=(Mg1、Mg2、Mg3、Mg4)，則國民經濟子系統的綜合評價值E計算方法如下：

E=Mg×Ee

(2)

引入Tt、Mt分別為工程技術指標矩陣及其的權重矩陣，其中Tt=(T1，T2，T3)T、Mt=(Mt1，Mt2，Mt3)，則工程技術子系統的綜合評價值T計算公式如下：

T=Mt×Tt

(3)

設定Hs、Ms分別為社會影響及其權重矩陣，其中Hs=(H1，H2，H3，H4，H5)T、Ms=(Ms1，Ms2，Ms3，Ms4，Ms5)，則社會子系統的效應評價值H計算公式如下：

H=Ms×Hs

(4)

2.2 構造判斷矩陣

選擇經驗豐富且長期從事灌區節水改造工程的6-10名專家組成小組，對各因素間的重要度進行判斷并建立各層次判斷矩陣B={bij}n×n，其中bij為依據1-9標度法對比分析的兩兩因素重要程度，判別標準見表1。

表1 判斷矩陣B的標度準則

2.3 確定指標權重

不同灌溉方式的各指標權重值計算方法如下：

步驟一：根據乘積運算法計算矩陣B中各行元素的積Pi，其計算公式如下：

(5)

式中：n為判斷矩陣B的階數。

步驟二：采用下式計算確定Pi的n次方根值，其表達式為：

(6)

(7)

步驟四：按照1-9標度準則對n個元素的權重進行單排序并構造相應的權向量，對矩陣B的最大特征根λmax進行求解。從數學的角度可證明矩陣B屬于正互反矩陣，因此必然存在正實數λmax。對不同灌溉方式進行優選分析時，依據專家評分構造的判斷矩陣并不一定符合一致性要求，所以還需要引入CI指標衡量其一致性，其計算方法為：

(8)

(9)

一致性指標CI值為0，則灌溉方式優選評判矩陣符合一致性檢驗；否則，應對一致性選用指標RI重新檢驗，不同階數矩陣其RI值檢驗標準，見表2。

表2 平均隨機一致性RI檢驗指標值

2.4 獲取社會評價指標

節水灌溉方式評判體系中可量化的指標為工程技術和國民經濟子系統所包含的各項參數，這些參數可通過具體的計算確定；社會評價子系統中各參數均屬于定性指標，考慮選用模糊數學評判法獲取此類指標的量化值，具體流程為：按照規定的評語邀請6-10名長期從事灌區節水改造的工程人員，針對給定的指標作出科學的評判，并確定相應的隸屬度。

結合節水灌溉的具體情況和相關技術要求，將評判等級劃分V={V1,V2，V3，V4，V5}，所對應的評語依次為很好、較好、一般、較差和很差，所對應的隸屬度為1.0、0.8、0.5、0.2、0.0。根據隸屬度評判標準和不同灌溉方式的評語，確定N個專家的評分均值及其所對應的各參數平均隸屬度。

2.5 相關指標的處理

節水灌溉效益評價體系中可量化的正向指標為工程技術和國民經濟子系統所包含的各項參數，此類評價值越大則灌溉方式越優；負向指標有投資回收期和運行管理難以程度，此類指標值越小則灌溉方式越優。另外，由于部分指標存在量綱而無法直接參與計算。所以，對不同節水灌溉方式運用層次分析法進行評價時，有必要對有量綱和負向指標進行標準處理。

由于不同指標的量綱存在差異而無法直接用于計算評價，且正向與負向指標對綜合評價結果的影響不同。所以，對不同節水灌溉方式利用層次分析法進行優選評價時，必須先進行規范化處理。其中，將數列中每一個指標除以該數列中的最大值即為規范化處理，即：

Eii=Ei/Emax

(10)

通過轉換處理使得各項指標對評價結果的影響趨勢相同，該過程即為同趨勢化處理。選用求補法和大小值進行轉置計算，其表達式為：

Eii=Emax+Emin-Ei

(11)

式中：Emax、Emin分別為最大與最小值；Ei、Eii分別為規范化處理前與處理后值。

3 實例應用

小管出流灌、滴灌和噴灌為北票市節水灌溉的3種待優選方案，為優選出最佳的灌溉方式選用層次分析法和以上計算公式進行分析[11]。

結合北票市節水灌溉多年調查資料和相關試驗數據，確定不同灌溉方式的各指標初始值，然后采用規范化計算公式對T1、T2、E1和E4指標進行處理，同趨勢化和標準化計算E3指標，結果見表3。

表3 不同灌溉方式的指標初始值與標準值

依據1-9標度準則，對結構層次體系中的各層級中每一個指均邀請專家進行評判并構造判斷矩陣，經過一致性檢驗確定指標單排序與總排序。檢驗結果和權重計算見表4所示，其中λmax值為3.118，CI、RI、CR值分別為0.0095、0.610、0.025，檢驗結果符合要求。

表4 基于層次分析法的權重計算

對單層次中指標E、H、T分別利用文中所述公式進行計算，然后根據綜合評價值Z計算公式確定不同灌溉方式的綜合評判，見表5所示。

表5 權重計算及綜合效益排序

對比分析等3種灌溉方式的綜合評價值，結果顯示綜合評價值最高的為滴灌方式，具有顯著的工程技術、社會評價和國民經濟效益，因此選擇滴灌作為北票市最佳的灌溉方式。

4 結 論

灌溉方式的選擇應考慮各方面因素的綜合影響，對于此類問題層次分析法具有較好的適用性。文章以北票市為例，結合該區域灌溉工程實際情況和不同灌溉模式特征，從社會評價、工程技術和經濟性等方面優選了適合當地的最佳節水灌溉模式，可為提高農田灌溉用水效率及其綜合效益評價提供一定指導。