遼陽市灌區運行水平綜合評價
——以燈塔灌區和渾沙灌區為例

劉 芳

(燈塔市水利灌溉服務中心，遼寧 遼陽 111300)

0 引 言

灌區對保障國家糧食安全及推動農村經濟發展發揮著巨大作用，灌區可持續發展也是促進當地社會經濟、農業及其他相關產業發展的重要基礎。調查顯示，我國90%以上的經濟作物和75%的糧食生產于灌區耕地，灌區可持續發展對區域水土保持、水源涵養、風沙治療、生態保護、用水和糧食安全等具有顯著作用[1]。目前，我國灌區普遍存在運行效率低、管理水平不高、配套不完整、水利設施老化及建設標準低等問題，所以利用科學的方法與完善的指標體系綜合評價灌區運行狀況，對灌區投資決策與現代化建設具有重要意義[2]。

當前，常用的灌區運行水平評價方法有數據包絡法、改進突變理論、灰色關聯理論、模糊綜合法、改進密切值法、連續蟻群算法、改進TOPSIS法等，實際應用時這些方法的適用性很高，但仍存在一定不足，其中灰色關聯法、密切值法及改進TOPSIS法具有較高的數據精度要求；模糊數學法存在較強的主觀性，權重計算時易出現偏差且評價過程較為復雜；不同的控制變量維度使得改進突變理論勢函數存在較大差異，由此產生更加復雜運算[3-4]。秩和比RSR統計方法被廣泛應用于統計、教育、體育等領域，對于綜合評價醫療衛生條件也具有較強適用性。由于對初始數據精度要求低、計算步驟簡單、適用性良好，評價過程秩參與運算，所以加權RSR法能夠有效排除極端參數值的影響，綜合評價灌區運行狀況時具有良好適用性[5-7]。

文章將評價指標主、客觀權重利用博弈論法進行綜合賦權，并以遼陽市燈塔灌區、渾沙灌區為例，利用加權RSR法綜合評估了灌區運行狀況，通過對比分析驗證了模型評估精度，可為灌區節水改造和現代化建設提供決策依據[8]。

1 灌區運行水平綜合評價體系

1.1 選取評價因子

灌區運行水平評價應考慮可持續發展、灌溉面積、渠系輸配水、社會經濟、生產效率等因素，文章結合遼陽市灌區實際運行情況，遵循實用性、科學性和系統性等原則選擇30項典型評價因子，并按照梯階層次結構建立評價體系如表1所示。

1.2 確定指標權重

目前，主、客觀賦權法為權重賦值的兩種常用方法，其中主觀賦權法賦值的依據為決策者的信息偏好與直接經驗，而客觀賦權法獲取權值的基礎為數學模型和決策信息矩陣。這兩種方法的特點及適用范圍不同，前者受個人經驗與信息偏好的不同使得權值往往存在較強主觀性，評價結果的穩定性較差；后者對決策者知識經驗、科學判斷的考慮不足，很容易導致不符合實際情況的現象。對此，為減少單一賦權法對灌區運行水平評價可能引起的偏差，切實提高評價結果的客觀性與科學性，考慮對各指標主、客觀權重利用博弈論法組合優化[9]。

表1 遼陽市灌區運行水平評價體系及指標權重

1.2.1 主觀權重(G1法)

采用序關系分析法(G1法)獲取各評價因子的主觀權重時，先依據專家意見直觀判斷不同因子的重要程度，即遵循一定的準則和專家自身經驗對n個因子x1、x2、…、xn排序，若存在關系式x1>x2>…>xn，則認為各評價因子確立了不劣于關系；然后利用wk-1/wk代表評價因子Ck-1與Ck之間的重要度之比，并采用公式wk-1/wk=rk衡量各專家的理性判斷，其中k=2、3、…、n；最后，各評價因子的主觀權重wn利用以下公式求解，計算式為：

(1)

按照以上流程和G1法計算公式可以獲取所有參評因子的主觀權重，由此構造主觀權系數為：w(1)={w11，w12，Λ，w1n}。

1.2.2 客觀權重(熵權法)

熵能夠反映信息系統所處的狀態，系統中信息的無序程度可以利用熵值的大小來描述，熵值越小則系統的無序程度越高，反之則越低[10]。因此，可以引入熵的概念用求解指標的客觀權重，對于定量問題的判斷分析具有較好適用性。其中，參評因子所攜帶的有效信息量為熵權法確定客觀權重的根本依據，熵值越小所攜帶的有效信息量越多，對灌區運行的重要度越高，由此賦予的權值越大。根據該方法求出各因子客觀權重系數：w(2)={w21，w22，Λ，w2n}，詳細流程如下：

步驟1：歸一化處理。設參評因子數和灌區數為n、m，從而構造原始矩陣為P=(pij)m×n，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。考慮到不同指標的單位、量綱不同無法直接參與運算，所以要歸一化處理構造標準矩陣P*=(pij*)m×n。灌區運行水平效益型、成本型指標的歸一化公式如下：

(2)

(3)

步驟2：熵值的計算。對于具有n個評判因子的m個灌區樣本，采用下式獲取指標j的熵值Kj，即：

(4)

步驟3：權重的計算。采用已求解的熵值和公式(5)獲取指標j的熵權，即：

(5)

1.2.3 綜合權重(博弈論法)

運用博弈論法以納什平衡為協調目標處理不同權重之間的沖突關系，經協調分析實現主、客觀權重的最優。對灌區運行水平各參評因子利用L種方法賦權，設方法q賦予的權向量為w(q)={wq1，wq2，Λ，wqn}，其中q=1,2，…,L，αq為L種賦權方法的線性組合系數，則任意線性組合的L個不同權向量表示為：

(6)

根據博弈論思想尋求各因子權重之間的協調一致性關系，設離差極小化為各個Wi與W的優化目標，從而構造目標函數如下：

(7)

然后對目標函數利用矩陣的微分性質進行最優化一階求導，由此可獲取組合系數α，其表達式為：

(8)

最后利用歸一化公式對以上結果處理，并將處理后的線性組合系數代入公式(6)，按照該方法求解的因子權重W即為綜合權重，處理公式為：

(9)

2 基于秩和比法的評價模型

2.1 基本原理

根據優劣程度對各項指標排序，并對參評樣本各因子的秩及其權重作乘積運算獲取無量綱的WRSR值，然后按照計算的WRSR值和編制的WRSR頻率分布表構造回歸方程，并將各參評樣本利用回歸方程推算的WRSR值排列。

2.2 綜合評價模型

步驟1：編秩。按照從小到大的原則將灌區產量x1、x2、x3、x4、x5的統計量排列為x(1)、x(2)、x(3)、x(4)、x(5)，若存在條件x1=x(5)，則該樣本中x1的秩為5；若x1、x2、x3、x4、x5的產量依次為3、1、2、-1、0，則樣本中所對應的秩為5、3、4、1、2。采用以上方法可以將n個參評因子的m個灌區樣本排列成n列m行的數據表，然后對每個因子隸屬于各參評灌區的秩求解，并遵循從小到大或從大到小的原則編制效益型和成本型指標的秩，若同一指標關于不同對象的秩相等，則取平均值。

步驟2：秩和比RSR的計算。灌區i的RSR值利用以下公式求解，即：

(10)

所有參評因子權重相等的情況下可以利用上式求解，若不完全相等則利用下式求解灌區i的加權秩和比WRSR，即：

(11)

式中：wj為參評因子j的綜合權重。

步驟3：概率單位的確定。按照從低到高的次序和編制的WRSR頻率分布表排列WRSR值，對灌區i的累積頻率進行逐項求解，即：pi=i/m，以1-1/4m估計最后一項累計頻率。以概率單位Probiti轉化處理參評因子i的累積頻率pi，對照表見表2，其中Probiti為標準正態離差+5。

表2 概率單位對照表

步驟4：構造回歸方程。設定因變量或者自變量為WRSR、概率單位Probit，由此構造直線回歸方程Probit=a+bWRSR或WRSR=a+bProbit。

步驟5：結果排序。將所有參評樣本按照推算的WRSR值從大到小排序，排序越靠前灌區運行水平越高。

3 實例應用

3.1 灌區概況

燈塔灌區總控制面積420km2，其中葠窩水庫為主要水源，渠首工程位于壩址下游9km處，以有壩自流引水作為灌區取水方式，其中進水閘及攔河壩總長345m。依據葠窩水庫原設計供水量，每年向灌區供應水資源2.84億m3，設計灌溉2.6萬hm2，因灌區工程不配套實際灌水田面積為1.65萬hm2。灌區建設時受歷史條件、施工經驗、資金投入及質量標準等限制，整體質量較差，多處未達到設計標準，經過長期的運行絕大部分工程存在原配套程度低、用水損失嚴重、水利設施老化、工程標準偏低、渠系淤積等問題，加之運行管理不善進一步加速了灌區的老化失修。為進一步提升整個灌區運行效率和農業灌溉用水率，擺脫灌區低效率、高能耗、低標準的現狀，急需更新改造灌區現狀。燈塔灌區更新改造的內容：①渠首加固維修；②渠道防滲及防滲襯砌總計323.3 km，其中總干渠渠道防滲5.5km，防滲襯砌17.4km，干渠和支渠防滲襯砌94km、206km；③改擴建支渠以上渠系建筑物共357座；④為給渾沙灌區補水提供6m3/s及恢復水田3733hm2，將原五分干加寬改造成總干渠，使總干渠長度由33km延長到43.5km，將現五分干06、07和08引支加寬改造成六分干、七分干和八分干。

渾沙灌區總面積430km2，設計、有效和實際農田灌溉面積2.1萬hm2、1.4萬hm2、1.23萬hm2，現有總干渠1條(長28km)，分干渠6條(長52.9km)，支渠45條(長126.2km)，斗渠110條(長120.1km)。2013-2018年完成了渾沙灌區配套改造5期工程，其中完成骨干渠道襯砌42.96km，骨干建筑物47座，改造管理站房5座，灌區信息自動化建設(閘門量水設備40套、渠道流量計量設備21臺、監控系統設備88臺、主監控中心1處、子監控中心4處)，實現了灌區自動化管理。

3.2 權重計算

根據各項因子值可以構造初始決策矩陣A=(aij)m×n，其中aij為評價分析灌區i的第j項因子。通過向用水戶協會、灌區管理部門、水利部等有關人員發放問卷，統計整理有效問卷獲取G1法主觀權重；然后利用熵權法與決策矩陣求解客觀權重，采用博弈論法將主、客觀權重相耦合獲取最終的組合權重。

3.3 推算WRSR估算值

依據燈塔灌區、渾沙灌區管理運行實際情況，采用節水改造有關調查數據擬合WRSR曲線，見圖1。由此獲取的擬合回歸方程為WRSRfit=0.2851+0.0657Probit，并利用該方程綜合評價灌區運行水平，如表3所示。

圖1 擬合曲線

表3 運行水平綜合評價

3.4 結果分析

根據表3可知，按照WRSRfit大小渾沙灌區明顯優于燈塔灌區，可見渾沙灌區2013-2018年完成的節水改造5期工程發揮了巨大成效。結合相關資料，渾沙灌區節水改造工程的實施顯著提升了農田灌溉用水率，從最初的0.41快速增大至0.65，由此可節約灌溉用水量1506萬m3，這為減少農業灌溉水費支出、建立良好的灌水秩序和按水量征收水費制度等創造了有力條件；此外，節水改造工程完善了田間灌溉系統和提高了農田灌溉保證率，有效解決了遼陽市農業發展長期面臨的用水問題，對保護區域生態環境及維持社會安定具有積極作用。通過實施綠化整治、機耕道路修整和渠道護砌等措施，逐漸實現了渠道順直、斷面規范、坡面憑證、渠堤綠樹成蔭的目標，為改善農村交通條件、加強水土保持、美化灌區自然環境和調節農村小氣候等提供基礎保障。

將渾沙灌區、燈塔灌區運行水平利用較為常用的改進密切值法評價，結果顯示渾沙灌區排序仍然高于燈塔灌區，可見這兩種方法評價結果保持較好的一致性，都能較為客觀準確的反映灌區運行情況。相對于其他方法秩和比法具有簡單的運算過程、較高的建模效率，該方法以秩次參與運算，所以能夠減少評價結果受參評因子微小或巨大差異的影響程度，降低極端特殊情況對評價結果的不利作用，從而保證評價結果的客觀性和準確性。

4 結 語

1)文章結合遼陽市灌區運行實際情況，從多個不同方面選擇30項典型指標，按照梯階層次結構建立綜合評價體系，并對各因子權重利用G1法、熵權法和博弈論法進行賦權，由此保證權重計算的準確度。

2)選取燈塔灌區、渾沙灌區為研究對象，利用加權秩和比法綜合評價了其運行水平，結果顯示渾沙灌區明顯優于燈塔灌區，渾沙灌區2013-2018年完成的節水改造5期工程發揮了巨大成效。該評價結果與相關調查資料保持一致，且與較為常用的改進密切值法評價結果高度吻合，從而驗證了改進秩和比法的可靠性和評價體系的可行性。

3)受政府政策、節水改造投資、用戶參與度和當地經濟發展等條件限制，不同灌區的運行水平存在一定差異。為進一步提升燈塔灌區運行水平，應加快落實各項更新改造的內容，加固維修渠首工程、防滲襯砌干支渠及改擴建總干渠，促進水權交易和節水灌溉的推廣。