盤山灌區節水水平評估

張洪梅

(盤山縣住建事務服務中心，遼寧 盤錦 124100)

0 引 言

中國農業用水占比受生活、工業等用水量的增大呈下降趨勢，但仍處于超過60%的較高水平，在落實節水優先戰略中農業灌溉用水占據重要地位。因此，區域農業節水水平與灌區節水狀況直接相關。灌區節水的內涵可概括為：在經濟合理、技術可能、自然規律的情況下，農作物生產中最大限度的吸收可用水源量，從而盡可能的獲取高的產量和消耗少的水資源。所以，用水效率、節水措施、節水技術和節水工程為體現灌區節水程度的主要方面，為發現灌區節水潛力和節水存在的問題應了解節水水平所處的位置并摸清灌區用水、節水技術。針對灌區到底是否節水、如何合理評判節水效果和節水工作開展情況等，以上問題均屬于節水評價的范疇?？茖W合理的評價灌區節水水平，對于更好地發揮灌區作用和提高對灌區節水水平的認識具有重要的積極作用[1]。

綜合評價灌區節水程度屬于一項多要素復雜的系統性問題，且各要素間往往存在相互關聯，其中綜合評價法為獲取客觀評價結果的常用方法。當前，節水水平的評價方法有灰色聚類法、人工神經網絡法、模糊數學法、AHP法等[2-7]，以上方法在應用過程中均存在一定的缺陷，一般無法全面客觀的體現灌區節水水平。例如，人工神經網絡法存在穩定性差、收斂速度慢等問題，灰色居來法具有評價結果和關聯系數不確定等問題，模糊數學和AHP法存在可靠性低且權重計算具有較大的隨機性。為了解決以上方法存在的模糊性和隨機性問題，更加合理的確定指標權重，對盤山灌區節水水平利用可變模糊迭代模型耦合云模型法進行綜合評價。

1 云模型及可變模糊聚類迭代評估模型

1.1 云模型

李德毅等構建了一種能夠轉換定量描述與定性概念的云模型[8-9]，通過3個數值超熵He、熵En、期望Ex描述云數字特征，考慮不確定性和模糊性特征實現定性問題的定量描述。

不同評價等級下的各參評因子云數字，可結合云模型表示為如下表達式，即：

(1)

(2)

He=k

(3)

式中：Cmax、Cmin為灌區節水水平某一等級的最大和最小值；k為常數項，可參考變量模糊閾度適當調整。

采用正態云發生器和云滴數據獲取各節水指標隸屬程度，其數學式如下：

(4)

1.2 可變模糊聚類迭代模型

設m個指標特征值向量{x1j,x2j,…,xmj}對應的n個樣本集合為{x1,x2,…,xn}，聚類分析參評樣本構造特征值矩陣X=(xij)，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…n；xij為評價指標i關于對象j的特征值。考慮到各參評因子單位和量綱的不同，采用歸一化公式對初始值處理，從而標準矩陣R=(rij)。按照c個類別將存在m個指標特征值的n個樣本聚類分析，構造的聚類矩陣如下：

U=(uhj)

(5)

(6)

設uhj為類別h關于樣本j的隸屬度，則利用下式確定節水水各評價因子的廣義歐式加權距離：

Dhj=uhjdhj

(7)

采用綜合權衡量類別c與樣本j的差異，其數學表達式為：

(8)

通過上述轉換處理可有f(u,s,w)=[f1(u1,s,w),f2(u2,s,w),…,fn(un,s,w)]，由此可構造目標函數如下：

minf(u,s,w)=[f1(u1,s,w),f2

(u2,s,w),…,fn(un,s,w)]

(9)

可變模糊數學模型利用拉格朗日函數確定，所對應的計算式為：

(10)

(11)

(12)

灌區節水水平各項評價因子的最優權重w利用可變模糊聚類模型迭代運算確定，且計算流程為：①設定ε1為迭代運算精度；②設定初始模糊聚類中心矩陣、聚類矩陣和權重矩陣為S(λ)=(Sij(λ))、U(λ)=(uhj(λ))、W(λ)=(wi(λ))，其中λ=0；③采用相應的公式確定wi(λ+1)；④若符合條件max|wi(λ+1)-wi(λ)|≤ε1，則終止迭代運算，否則重復上述步驟直至滿足要求。

1.3 模糊綜合評價模型

評價指標權重及其隸屬度利用云模型求解，灌區節水水平綜合評價值y運用合成算法確定，其數學式為y=wu，其中u、w為各評價等級下的樣本隸屬度和各指標權重。

2 盤山灌區節水水平綜合評價

根據所構造的模型和綜合指標評價灌區節水水平，該過程涉及到的因素較多且存在一定的模糊性，為保證評價結果的客觀準確性有必要建立符合實際情況的評價體系。

2.1 灌區概況

盤山灌區屬于遼寧省大型灌區之一，地處大遼河、繞陽河、遼河、大凌河四條河流的下游，介于E121°27'-122°29'、N40°25'-41°27'，占地面積1072km2，其中耕地面積5.04萬hm2，設計和實灌面積為3.9萬hm2、3.71萬hm2。盤山灌區下轄雙繞、西繞、雙南3個區，先已形成林成線、渠成網、田成方的大型灌區。為進一步提升灌溉水利用率和整個灌區運行效率，逐步擺脫灌區低效率、高能耗、低標準的現狀，盤山縣水利局本著重點突出、注重實效、節水防滲、連片集中的原則，建設實施盤山灌區二期節水改造項目。該項目承擔的建設任務為：重建和維修灌排站12座、7座，重建橋梁和穿堤涵洞6座、8座，重建7座渡槽與1座倒虹吸，節水襯砌3處，干渠清擴7處，維修、新建和重建水閘共9座。為了最大限度的發揮節水改造工程的功能作用，文章結合節水農業特點和盤山灌區運行相關資料，采用合適的方法評價分析續建配套節水改造后的灌區節水水平[10-16]。

2.2 評價體系和等級劃分標準

將灌區節水水平評價體系按照層次分析法原理劃分為指標層、系統層、評語層和目標層4級，其中評語層包括節水型、過渡型和耗水型。耗水型用水效率低且節水規模相對小，節水水平為初始狀態但節水潛力較大；過渡型具有一定的節水灌溉規模，處于節水型與耗水型之間的過渡水平，仍存在較大的節水潛力；節水型具有相當高的節水水平，用水效率高且達到飽和狀態。根據節水的具體內涵，提升用水產出率和傳輸效率為節水的根本目標。因此，灌區節水評價的主要對象為產出節水和輸送節水，二者重要性相同且相互影響。維持和提高農作物產出為評價指標選取、節水水平評價的基本原則，考慮灌區運行實際情況選取5項代表性指標構建評價體系。較單一因子綜合指標能夠更加系統體現灌區節水的各方面內容，然而各因子間通常具有一定的信息重疊，由此無法保證結果的合理性。對此，文章遵循代表性、可操作性、科學性和系統性原則選取較為常用的灌區節水評價因子，為消除重復運算的影響對各個指標權重利用可變模糊聚類迭代模型加以修正，通過對因子數量的限制降低重疊運算的概率，在一定程度上確保了評價結果的科學合理性。

將各指標等級結合盤山灌區實際情況和文獻資料劃分為3個標準，灌區節水水平評價體系與分級標準，見表1。

表1 灌區節水水平評價體系與分級標準

2.3 云模型參數及隸屬度

根據計算公式(1)-(3)和各指標分級標準，確定灌區節水水平各等級云模型參數，灌區節水各等級云模型參數，見表2。

表2 灌區節水各等級云模型參數

不同等級下各項參數的云模型采用云發生器生成，灌區節水水平各評價指標去模型，如圖1。根據盤山灌區節水改造項目設計資料和灌區運行相關數據，獲取各項指標2008-2017年數據，盤山灌區2008—2017年各指標值，見表3，不同節水水平下各因子的相對隸屬度運用計算式(4)求解，盤山灌區節水水平隸層度，見表4。

(a)單位灌溉取水量

(b)渠系水利用系數

(c)灌溉水利用系數

(d)綜合凈灌溉定額

(e)單位水糧食產量

表3 盤山灌區2008-2017年各指標值

表4 盤山灌區節水水平隸屬度

2.4 確定權重

設定w0=(0.2,0.2,0.2,0.2,0.2)為灌區節水各指標初始權重，依據初始權重向量和云模型隸屬度計算公式確定初始模糊聚類中心矩陣S0、矩陣U0。ε1值取0.1，運用文中相關公式和R、S0、U0結果，獲取各指標最優權向量為w=(0.15，0.22，0.18，0.17，0.28)。

2.5 結果分析

盤山灌區節水水平利用公式y=wu求解，綜合評價結果如表5。從表5可知，盤山灌區2008-2011年節水程度屬于耗水型狀態，灌區節水水平從2012年開始不斷上升，達到過渡型節水程度。為了更好的突出該方法的科學有效性，將評價結果與模糊數學法對比分析。相對于主成分、層次分析等其它綜合方法，針對評價系統的內部問題模糊綜合法有效解決了傳統方法存在唯一解的問題，通過模糊化處理保證了評價結果的準確性，但仍需要進一步改進隸屬度函數的確定。根據表5評價結果，兩種方法確定的節水水平發生轉變的時間節點為2012年、2011年，這也是二者的主要差異。盤山灌區2008年建設實施的續建配套二期節水改造項目，在2012年前后項目基本達效，相對于2012年之前灌區水利用系數得到大幅度提升。因此，該評價結果與灌區實際情況保持較好的一致性，同時在權重計算和隸屬度方面文章方法更加合理。

表5 灌區節水水平評價

當前，依據灌溉定額大小確定節水水平為我國大多數灌區節水評價的主要方法，在實際應用時該方法具有簡便易行的優點，但無法體現農作物產出的變化特征。根據綜合灌溉定額評價結果，盤山灌區屬于耗水型的年份僅有2008年，其它時段為過渡型節水狀態，所以還不夠準確合理。可見，單一指標往往無法從整體上反映灌區的綜合水平，而僅僅反映某一方面上灌溉的節水狀況。根據文章所構建的模型，灌溉水和渠系水利用系數在耗水型階段均處于較低水平，所對應的數值為0.332/0.501，灌區存在較大的節水潛力且整體節水水平不高；灌溉水和渠系水利用系數在過渡型階段得到明顯提升，相應的數值為0.488、0.556。雖然單方水糧食產量指標達到2.5kg/m3的較高水平，但其他指標較國外和全國平均水平仍存在一定的差距。所以，在綜合凈灌溉定額、單位灌溉取水量、灌溉水和渠系水利用系數等方面，盤山灌區仍有較大的提升空間，應加強節水管理和節水工程建設。

3 結 論

文章對灌區節水水平利用可變模糊循環迭代模型和云模型進行綜合評價，該方法有效解決了隸屬度存在的模糊性和隨機性問題，更加合理的確定各指標權重。結果發現，盤山灌區2008-2017年節水水平整體呈不斷上升趨勢，仍需要進一步提升灌溉水水和渠系水利用系數。