基于i-Tree模型的大型灌區節水改造效益評估研究

梁軼飛

(桐城市水利局，安徽 安慶 231400)

0 引 言

農業在國民經濟發展過程中占有重要地位，水資源的短缺不但影響著農業的發展，更成為制約國民經濟穩定發展的關鍵因素。近年來，城市化與現代化進程逐漸加速，大量的水資源投入到城市化建設中，農業用水量逐年下降[1-2]。與此同時，城市化與工業化的快速發展造成水資源污染加重，水質的惡化導致農業用水量逐漸下降，且目前大部分地區依舊使用傳統的灌溉方式，技術較為落后，水資源浪費情況頻發，水利用系數較低，影響農業發展。

灌溉在農業發展過程中具有重要作用，為了推動農業發展，我國政府開展了針對性技術改造，以提升灌溉效率。隨著灌區節水改造的完成，灌區的水資源利用率、社會經濟效益得到極大的改善。相比普通灌區，大型灌區的面積較大，灌溉種類較多。為了更好地實施大型灌區節水改造工作，以往的研究構建出多種大型灌區節水改造效益評估方法。如文獻[3]提出了一種應用歷史數據對大型灌區節水改造效果進行評估的方法。此方法具有評估效果準確的優點，但計算量較大，使用復雜[3]。針對上述方法的使用問題，在本次研究中將選定牯牛背水庫灌區作為研究對象，應用i-Tree模型，優化傳統大型灌區節水改造效益評估方法。希望通過本次研究，為今后的灌區改造提供經驗，實現水資源節約與生態環境改善的目標。

1 基于i-Tree模型的大型灌區節水改造效益評估方法設計

通過對國內外大型灌區節水改造效益評估方法的分析結果，在現有研究成果的基礎上，運用經濟學與數學構建i-Tree模型節水改造效益評估方法，具體內容見圖1。

圖1 大型灌區節水改造效益評估過程

本次研究將定性分析與定量分析相結合，對采集到的灌區數據進行處理后，帶入設定的評估過程中，完成效果評估。

1.1 效益評估指標設定

根據文獻研究結果，將評估指標設定為6類，大致可劃分為社會、環境、技術、生態、農業以及其他6個領域。本次研究中，將主要對農業灌溉指標展開優化。具體指標如下：

1) 有效灌溉面積增長率。通過文獻研究可知，有效灌溉面積是利用灌溉工程進行正常灌溉的土地面積之和，具體公式如下：

(1)

式中：Q為有效灌溉面積增長率；m2為改造后有效灌溉面積增長值；m1為節水改造前有效灌溉面積。

2) 節水灌溉面積。此指標主要表示達到節水灌溉標準的土地面積。通常使用節水灌溉面積增長率表示。具體指標計算過程如下：

(2)

式中：Z為節水灌溉面積增長率；b1為改造后節水灌溉面積增長值；b2為節水改造前節水灌溉面積。

3) 穩定灌溉面積。所謂的穩定灌溉面積是指旱澇保收灌溉面積，在本次研究中使用穩定灌溉面積增長率表示。

(3)

式中：Y為穩定灌溉面積增長率；c1為改造后穩定灌溉面積增長值；c2為節水改造前穩定灌溉面積。

(4)

(5)

當計算結果為式(4)內容時，指標取值越大越好。當計算結果為式(5)內容時，指標取值越小越好。使用以上兩公式對采集到的指標原始數據進行整理與分析，為后續的評估提供指標基礎。

1.2 評估指標權重計算

(6)

(7)

上述公式中，包含多個目標函數，對此公式求解后可得到綜合權重計算結果。根據節水改造的工作特征，將式(7)的一階導數條件設定如下：

(8)

將上述公式展開，則有：

(9)

對上述公式進行求值，并對計算結果進行歸一化處理，則有：

(10)

將此計算結果代入式(6)中，得到評估指標計算權重。同時，根據此計算結果，對評級指標體系中的指標進行排序，具體結果見表1。

表1 評估指標權重排序

使用表1中內容，結合傳統評估方法，完成大型灌區改造效益評估過程。

1.3 構建大型灌區改造效益評估模型

針對傳統效益評估方法的使用問題，在本次研究中選用i-Tree模型結合上述處理后的評估指標與指標權重，構建大型灌區改造效益評估模型。根據i-Tree模型使用需求，對構建的指標體系展開處理，僅保留必需指標作為評估結果的衡量條件。為了更好發揮節水改造后灌區效益，在本次研究中將年余數截留總量作為節水效益之一，并將其引入到剔除次要指標后的指標體系中，具體計算過程如下：

E=O*H*s

(11)

式中：O為大型灌區面積；H為灌區有效防滲表面率；s為區域內年降水量。

將此指標增加到效益評估指標體系后，對指標的隸屬函數[8]展開計算，得到指標隸屬函數曲線。見圖2。

圖2 評估指標隸屬函數曲線

(12)

式中：r(j)為指標線性投影特征值。

使用式(12)得到指標的特征值，并將其應用到傳統評估方法中，得到新型評估模型，具體公式如下：

maxR(a)=DiHi

(13)

約束條件可設定為：

(14)

其中：a(i)為單一指標評估結果。

由上述公式，可得到最終效益評估結果。對上文中設計內容進行整合后，將其引入傳統方法中，至此基于i-Tree模型的大型灌區節水改造效益評估方法設計完成。

2 實驗論證分析

2.1 實驗環境

在本次研究中提出基于i-Tree模型的大型灌區節水改造效益評估方法，此方法主要針對傳統評估方法在使用中的不足展開優化，力求在傳統方法的基礎上，提升評估的準確性，降低評估方法的計算難度。構建實驗環節，并選取兩種傳統方法與新型方法進行對照實驗，分析此方法的使用效果。

本次實驗過程中，選取牯牛背水庫灌區作為實驗對象，獲取相應的數據作為實驗數據，為新型評估方法與傳統評估方法的對比提供基礎。牯牛背水庫灌區位于桐城市掛車河上流，洪水位93.64 m，校核洪水位97.83 m，對于下游與周圍的灌區至關重要。獲取該灌區近10年歷史數據，為本次研究提供基礎。在本次實驗過程中，計算量較大，需要使用高精度計算機完成實驗中的計算過程。

2.2 實驗條件

將歷史數據根據年限整合，使用新型評估方法與傳統方法對年限數據進行評估，得到評估結果。為了更好地完成實驗過程，預先獲取了近10年的灌區節水改造效益評估結果作為參照組，具體數據見表2。

表2 灌區節水改造效益評估結果

在本次實驗中，將灌區節水改造效益綜合評估結果劃分為3個等級，使用新型評估方法與傳統方法對牯牛背水庫灌區進行評估后，與預設結果進行對比，確定不同方法的評估精度。與此同時，選擇數據質量以及指標選擇合理性作為其他實驗指標，對新型評估方法的使用效果加以分析。

2.3 實驗結果

見表3。

表3 評估結果分析

由實驗結果可以看出，新型評估方法的評估結果與預設結果較為一致，可見此評估方法的使用效果較好，使用此方法可得到可信度較高的評估結果。傳統方法的評估精度相對較差，與預設結果相差較大，通過此結果可知，傳統方法的評估精度相對較低，不利于獲取可信度較高的評估結果。為了對此結果展開更加細致的分析，將其體現為誤差率，具體圖像見圖3。

圖3 評估結果誤差值

根據圖3中數據可以看出，新型評估方法的評估結果誤差值控制在3%以內，傳統方法評估結果誤差值基本在5%～10%左右。此兩種方法使用誤差差異明顯，證實了兩種方法的使用效果差異較大，且新型評估方法使用后不易造成誤差，可得到較好的評估結果。為了確定評估結果差異較大的原因，使用數據質量指標對新型評估方法與傳統方法的數據使用效果進行分析，具體結果見圖4。

圖4 評估方法數據質量

由圖4中可知，新型評估方法的數據處理質量較高，使用此部分數據對于評估結果的精度具有控制作用，可見新型評估方法的數據處理能力較好。傳統方法的數據處理質量較差，使用此兩種方法得到數據處理結果不足以應用到評估過程中，將此部分數據應用到評估過程中，會對評估結果造成一定的影響。綜合上述實驗結果可知，新型評估方法的數據處理能力較高。

對表4中數據進行分析后可以發現，新型評估方法指標適配性相對較高，將此指標與數據處理結果相結合，可得到可靠性較高的評估結果。傳統方法1與傳統方法2的指標適配性相對較低。與此同時，由上述實驗結果可知，傳統方法的數據處理能力較差，得不到理想的評估結果。

表4 指標體系與評估數據適配性

對本次實驗中的3組實驗結果進行綜合分析后，可以確定新型評估方法具有相應的應用價值，且新型方法的評估結果可靠性較高，在今后的研究中可使用此方法對灌區節水改造效益進行評估，為其他灌區的改造提供經驗。

3 結 語

針對傳統大型灌區節水改造效益評估方法的使用問題，在本次研究中針對當前存在的問題，使用i-Tree模型傳統方法展開優化。經實驗驗證可知，文中提出的新型評估方法使用效果優于傳統方法，在一定程度上可有效解決傳統方法的使用效果，但也存在相應的問題。本次研究中主要對指標體系構建進行了細致的分析與規劃，根據評估方法的應用要求，增設了部分指標，豐富了評估指標體系的組成部分。對方法中的其他部分并未進行分析，在今后的設計中還需要針對其他部分的不足進行優化與完善，以此提升評估方法的綜合利用效果。