遼陽灌區續建配套與節水改造效果評價

楊 靜

(遼陽灌區管理中心，遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

20世紀50-70年代我國興建了許多灌區水利設施，為改善當地農業生產條件，促進灌區建設和農業發展發揮著重要的支撐作用，受當時技術水平、建設投資和歷史條件等因素限制，灌區普遍存在水利設施老化、原配套程度低、用水損失嚴重、工程標準偏低、渠系淤積等問題。自1998年以來，為提高灌區用水效率并保障農業糧食生產，我國啟動了一系列的灌區節水配套改造項目，持續完善和節水改造了全國402處大型灌區[1-4]。由于灌區節水改造涉及到影響因素多、投資資金大且覆蓋范圍廣，續建配套與節水改造屬于一個較長的投入過程，因此系統科學的評價灌區節水改造效果十分重要。根據評價結果，揭示各影響因子與改造效果之間的制約關系，可為改造方案的經濟合理性分析及其優化設計提供一定的指導作用[5]。

文章以遼陽中型灌區節水配套改造二期項目為例，選擇2012年、2018年為灌區改造前、后的水平年，所需數據主要來源于灌區實際評估相關資料。權重的計算為節水改造效果評價的重要環節，一般選用主、客觀賦權法確定評判指標權重。其中，主觀賦權法主要有Satty法、成對比較法、專家評分法等，在實際應用中這些方法易受決策者的工作經驗、個人偏好、知識結構等因素的影響，計算結果的透明性和再現性較差；客觀賦權法主要有相關系數法、熵權法、秩和比法和模糊定權法等，這類方法能夠有效避免人為因素的干擾，但解釋性較差。

文章綜合考慮主、客觀兩種賦權法的優缺點，對灌區節水改造效果各項指標權重利用組合法計算，采用模糊優選法系統評判分析了灌區改造效果[6]。

1 灌區續建配套與節水改造效果評價模型

1.1 層次結構評價體系

經濟、社會和生態環境等方面的改變為灌區節水配套改造效果的主要體現，結合遼陽灌區節水改造的目標要求及續建配套的工程特點，考慮參評指標的內涵及其貢獻率大小，從投資與效益、節水與配套、經濟社會與農業、生態環境、水利用率和水土資源6個方面選擇評判指標。然后依據各要素之間的邏輯關系構建節水改造效果評價體系，如表1所示。

表1 灌區節水配套改造效果評價體系

表1中：C1-C4分別為人均GDP、農業產值比重、畝均糧食產量、經糧作物種植面積比；C5-C8為農業用水量比例、耕地灌溉百分比、水資源開發利用程度、地下水開發利用程度；C9-C12為骨干渠道防滲率、骨干建筑物配套率、田間工程配套率、田間節水灌溉程度；C13-C15為畝均灌溉用水量、灌溉水利用效率、渠系水利用效率；C16-C19為地下水升降程度、森林覆蓋率、節水量生態利用百分比、耕地鹽堿化面積；C20-C23為實際投資率、有效灌溉面積增加比例、水費實收率、灌區總收入。

1.2 多目標模糊優選模型

引入G=(G1，G2，…，Gm)、D=(D1，D2，…，Dn)為多目標決策問題的目標集與方案集，則關于m個評價指標n個方案的決策特征值矩陣為：X=(xij),i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。不同指標對評價結果的影響趨勢存在差異，為了將各指標轉化為相對于優的隸屬度分別利用下式進行歸一化處理，指標值越大則效果評價越優型：

(1)

指標值越小則效果評價越優型：

(2)

將決策特征值矩陣按照隸屬度計算方法轉化為隸屬度矩陣，即R=(rij)。然后選擇隸屬度矩陣中各行中的最大值構成理想的最優方案，其表達式為：

rg=(rg1,rg2,…,Rgm)=(max1i,max2i,…,maxmi)=

(1,1,…,1)

(3)

選擇隸屬度矩陣中各行中的最小值構成理想的最劣方案，其表達式為：

rb=(rb1,rb2,…,Rbm)=(min1i,min2i,…,minmi)=

(0,0,…,0)

(4)

將參考系統的兩級依據相對隸屬度定義為優、劣等，則方案j隸屬于劣等方案rb、優等方案rg的隸屬度為ubj、ugj。根據各方案的劣屬度ubj、優屬度ugj，構造相應的劃分矩陣：

(5)

約束條件為：0≤ugj≤1，0≤ubj≤1，ugi+ubj=1，j=1,2,…,n。

設定各影響因子的加權向量λ=(λ1,λ2,…,λm)T，且滿足∑λ=1。方案j在p=1時的對優等方案相對隸屬度ugj的最優值按照歐式加權距優、劣距離平方和最小的準則推求，其目標函數如下：

(1+ugj)2∑λi(rij-rbj)2}

(6)

方案j的歐式加權距優、劣距離計算公式分別為：

(7)

(8)

其中，ubj=1-ugj。然后對目標函數進行求導運算，令導數值為0，則灌區節水改造效果模糊評價模型可轉化為如下方程，即：

(9)

式中：λi為考慮專家評分法和熵權法確定的比例系數；ugj為決策優屬度。

1.3 組合法確定指標權重

1.3.1 熵權法

熵反映了樣本數據在信息論中的相對變化速率，熵的大小代表了指標信息在系統中的無序程度，可根據該理論確定權重值。熵權法確定權重的主要依據為各參數構成的判斷矩陣，信息量越大則該參數提供的有效信息越多，對節水改造效果評價的貢獻率就越高，所賦予的權值越大；反之，信息量越低則樣本提供的信息越少，對節水改造效果評價的貢獻率就越低，由此計算的權值就越小。為提高評價結果的可靠性與合理性，運用熵值法確定指標權重時應盡量降低主觀性影響。

采用歸一化處理公式將決策特征矩陣X=(xij)轉化為隸屬度矩陣R=(rij)，然后依據信息熵的定義利用下式計算指標i在灌區j中的熵，即：

(10)

(11)

其中，k為反映系統樣本數的某一常數，系統熵值在有序度為0時最大；當系統無序分布樣本為m時，則有fij=1/m。為了使上式更具有意義，若fij=0時，則fijlnfij=0；若lnfij=1，則fijlnfij=e。

最后選用下述公式確定節水改造效果各指標的熵權ωi，即：

(12)

1.3.2 專家賦分法

專家法是對同類各項指標的重要程度依據專家在該領域的實踐經驗給出判別，從而確定各參評指標的相對權重，因此屬于主觀賦權法。根據熵權法和專家法計算結果，對指標i的組合權重利用下式計算，其表達式為：

(13)

1.4 多目標多層次系統模糊優選方法

根據待評價樣本的具體情況將評價體系劃分為H層，若參評指標有m個，則優選計算流程如下：

1) 對各指標初始值利用歸一化公式進行計算，由此構造灌區節水改造的相對隸屬度矩陣。

2) 運用專家法和熵權法分別對參評指標的權重進行計算，并對各指標綜合權重利用公式(3)計算。

3) 根據計算式(9)和隸屬度矩陣元素及綜合權重構造相對優屬度矩陣，由此確定準則層模糊矩陣如下：

(14)

4) 重復以上計算流程獲取更高層次的優屬度矩陣，方案或決策j的優屬度向量即為最高層H的單元系統數據，即：

uj=(u1,u2,…,un)

(15)

不同決策或方案的優劣程度按照最大隸屬度原則即可確定，最終輸出各方案的排序和效果評價結果。

2 實例分析

結合灌區節水配套改造項目相關資料，隨機選取遼陽灌區內10個子灌區作為待評樣本，對各子灌區節水改造前、后狀況運用上述綜合評價體系和多目標模糊評價模型進行分析，各子灌區的基本信息如表2所示。

表2 節水改造效果評價的初始值

2.1 準則層相對優屬度

采用計算式(1)或(2)對各子灌區成本型、效益型評價指標進行統一處理，然后利用專家法和熵權法計算確定統一處理后的各指標綜合權重，其中專家法是對各參評指標邀請5位參評專家賦分，取平均值為主觀賦權值，結果見表3。

根據專家法和熵權法權重計算結果，利用式(13)確定參評指標綜合權重。然后利用最優歐式距離計算公式和相對隸屬度計算結果，確定評價體系準則層各指標基本值，如表4所示。

表3 參評指標的相對隸屬度

2.2 目標層相對優屬度

根據歸一化處理公式、專家法、熵權法對準則層各指標值分別進行計算，從而確定該層指標的相對優屬度矩陣和綜合權重，然后利用最優歐式距離公式確定目標層排序值，如表4。

表4 準則層各參數優屬度

根據表4可知，節水配套改造項目實施后均在不同程度上提升了灌區的運行狀況。改造效果因灌區投資大小、環境條件、建設規模等不同存在一定的差異。節水改造效果較為顯著的有X5、X6、X7子灌區，uj值>0.7；節水改造效果處于中等的有X2、X3、X9子灌區，uj值處于0.5-0.7范圍；節水改造效果處于中等偏下的有X10子灌區，uj值接近0.5；改造效果較差的子灌區為X1、X4。綜上分析，運行管理狀況良好、地方配套資金落實率高、前期基礎較高且投資額較大的灌區的改造效果較好。

3 結 論

1) 結合灌區節水配套改造相關資料，從多個不同方面構建了可量化評價的多指標評價體系，然后對灌區改造前后的運行狀況利用模糊數學綜合法進行科學評價。對灌區節水改造效果運用多目標模糊優選法評價時，需從因素層至目標層逐級計算，為了獲取更加系統、全面的灌區改造信息，確定了影響灌區改造效果的關鍵因素[7]。

2) 節水改造效果評價受權重計算的影響較為明顯，基于專家法和熵權法的綜合權重不僅提高了評價結果的可信度和可靠度，而且彌補了單一方法權重計算存在的不足。另外，文中選用節水改造前、后的指標值進行計算仍存在一定局限性，為進一步提高評價結果的客觀真實性可將評價點以年為單位的時段平均值替代。