基于灰色關聯(lián)模型的松花江流域大型灌區(qū)現(xiàn)狀評價

崔亞鋒,陳 菁,代小平

(1.水利部松遼水利委員會流域規(guī)劃與政策研究中心,吉林長春 130021; 2.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098;3.華北水利水電大學水利學院,河南鄭州 450011)

基于灰色關聯(lián)模型的松花江流域大型灌區(qū)現(xiàn)狀評價

崔亞鋒1,陳 菁2,代小平3

(1.水利部松遼水利委員會流域規(guī)劃與政策研究中心,吉林長春 130021; 2.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098;3.華北水利水電大學水利學院,河南鄭州 450011)

通過實地問卷調研,獲得松花江流域大型灌區(qū)運行現(xiàn)狀基礎數(shù)據(jù),結合當?shù)毓鄥^(qū)實際情況,建立灌區(qū)現(xiàn)狀評價指標體系,采用熵值法確定指標權重,并運用灰色關聯(lián)模型對灌區(qū)運行現(xiàn)狀進行評價,最終得出松花江流域大型灌區(qū)運行現(xiàn)狀優(yōu)劣程度,評價結果將為松花江流域大型灌區(qū)節(jié)水改造及其投資的優(yōu)先次序確定提供參考依據(jù)。

松花江流域;大型灌區(qū);熵值法;灰色關聯(lián)模型;現(xiàn)狀評價

2009年4月8日,國務院召開國務院常務會議,討論并原則通過《全國新增1000億斤糧食生產(chǎn)能力規(guī)劃(2009—2020年)》,會議指出,糧食安全始終是治國安邦的頭等大事,也是當前擴大內(nèi)需、應對國際金融危機的重要基礎。必須堅持立足國內(nèi)實現(xiàn)糧食基本自給的方針,建立糧食生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的長效機制,保護和調動農(nóng)民種糧積極性、科技人員創(chuàng)新積極性、地方政府抓糧積極性,著力提高土地產(chǎn)出率、資源利用率和勞動生產(chǎn)率,增強糧食綜合生產(chǎn)能力和抗風險能力,確保國家糧食安全[1]。

東北地區(qū)是我國糧食生產(chǎn)核心區(qū),是我國最大的玉米、優(yōu)質粳稻和大豆產(chǎn)區(qū),包括黑龍江、吉林、遼寧三省,占全國糧食生產(chǎn)核心區(qū)縣總數(shù)的31%。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計,2008年東北三省糧食產(chǎn)量約8925.3萬t,占全國糧食產(chǎn)量的16.9%[2]。東北地區(qū)為中國濕地資源最為豐富的地區(qū),濕地類型以淡水沼澤和湖泊為主,總面積為673.78萬hm2,占東北地區(qū)總面積的8.53%,占全國濕地總面積的17.51%。濕地與人類的生存息息相關,是天然的蓄水庫和重要的基因庫,因此,在保護東北地區(qū)濕地的前提下,增加糧食產(chǎn)量,需要在現(xiàn)有耕地的基礎上,節(jié)約水資源,提高土地的利用效率和作物的產(chǎn)量。東北地區(qū)大型灌區(qū)眾多,尤以松花江流域中的松嫩平原居多,其流域內(nèi)的大型灌區(qū)分布廣泛,對其運行現(xiàn)狀進行評價,及時反饋灌區(qū)存在的問題,對于灌區(qū)今后的節(jié)水改造具有重大意義,也為提高糧食產(chǎn)量作出貢獻。

關于灌區(qū)現(xiàn)狀的評價,國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的研究工作,1990年聯(lián)合國糧農(nóng)組織召開了關于性能評價研討會,在實例應用研究中作了灌區(qū)比較評價。1990—2000年間,國外眾多學者對該領域進行了研究,主要有 Molden等[3]、Svendsen等[4]和Bos[5]。Svendsen等[4]利用系統(tǒng)分析的方法對灌區(qū)評價進行研究,為灌區(qū)性能評價奠定了基礎,此方法的優(yōu)點在于將復雜的灌溉過程分為幾個系統(tǒng)分開來研究。

國內(nèi)對于灌區(qū)評價最早的研究者是茆智教授,他在研究我國的灌區(qū)現(xiàn)狀時,提出了一套比較全面的評價指標,并且對湖北漳河灌區(qū)在改造之前的運行現(xiàn)狀進行了評價,分析了灌區(qū)尚存在的不足之處,提出了一些相應的改進措施[6]。周明耀等[7]運用低階多層次灰色評價方法對灌區(qū)管理現(xiàn)狀進行了評價[7]。王久順等[8]運用投影尋蹤技術對灌區(qū)改造進行了評價。

筆者認為,對于灌區(qū)運行現(xiàn)狀的研究若僅局限于單一灌區(qū),不進行灌區(qū)之間的比較,則意義不大,通過灌區(qū)之間的比較,并且把分析結果及時反饋給灌區(qū)管理單位,使其了解到自身的問題所在以及與其他灌區(qū)之間的差異,對灌區(qū)今后的發(fā)展將十分有利。

1 熵值法及灰色關聯(lián)評價模型

1.1 熵值法

指標權重確定一般分為主觀賦權法和客觀賦權法。主觀賦權法確定出的指標權重主要取決于專家的知識結構、工作經(jīng)驗及偏好,存在著主觀隨意性,可能影響評價結果的客觀性。故本文采用客觀賦權法中的熵值法,對指標進行賦權。

熵值法基本步驟如下:

a.計算第j項指標下,第i個灌區(qū)的特征比重

對于越大越優(yōu)型指標,指標值xij直接代入上式計算;對越少越優(yōu)型指標,則先取指標值xij的倒數(shù),再代入上式計算。

b.計算第j項指標的熵值

其中k＞0,ej＞0。如果xij對于給定的j全部相等,那么Pij=此時ej=k ln(n)。

ijj

c.計算指標xj的差異性系數(shù)

d.確定權重

1.2 灰色關聯(lián)模型

灰色關聯(lián)法是基于灰色系統(tǒng)和關聯(lián)分析的一種評價方法?；疑碚撌墙橛谕耆芍屯耆豢芍g的,灰色性廣泛存在于各種系統(tǒng)中;關聯(lián)分析是根據(jù)系統(tǒng)各因素間或各系統(tǒng)行為間的數(shù)據(jù)列或指標列的發(fā)展態(tài)勢與行為做相似或相異程度的比較,以判斷因素的關聯(lián)與行為的接近。關聯(lián)分析具有以下優(yōu)點,不追求大樣本,不要求數(shù)據(jù)有特殊的分布,計算量比回歸分析小,可以得到較多的信息(關聯(lián)序、關聯(lián)矩陣等)。

灰色關聯(lián)模型符合本文評價松花江流域大型灌區(qū)運行現(xiàn)狀的要求,可以使不同灌區(qū)間進行關聯(lián)分析,另外對于同一個灌區(qū)而言,也能使其進行橫向的等級關聯(lián)分析,與其他模型相比,灰色關聯(lián)模型更能突出灌區(qū)對比的重點,從而評價結果更接近實際情況[10]。其基本步驟如下:

1.2.1 灌區(qū)狀況與評價指標間的關聯(lián)關系

灌區(qū)運行狀況綜合評價中,灌區(qū)的總體性能是通過諸多評價指標綜合反映的。因此,灌區(qū)總體性能與評價因子之間存在一定的關聯(lián)關系。從數(shù)學上描述,設灌區(qū)總體性能定義為γ,相應的m個評價因子記為xj,則xj與γ的關聯(lián)關系可表示為

式中:f{·}為集合{x1,x2,…,xm}相對于γ的關聯(lián)測度函數(shù);θ(⊕)稱為灰量,表示這種關聯(lián)函數(shù)中不確定信息或不完全的缺省部分;S=(x,y,z)為空間坐標量,表示不同空間的灌區(qū);T為時間坐標量。

1.2.2 關聯(lián)模式識別模型的建立

a.樣本矩陣的建立。設有n個待評價灌區(qū),共有m個評價指標,每個灌區(qū)的所有評價指標值用向量表示,記為xi=(xi1,xi2,…,xim),i=1,2,…,n,從而得到原始評價矩陣Xn×m=(xij)n×m。

式中:xij為第i個灌區(qū)第j個指標的觀測值,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

b.評價指標標準矩陣的建立。設灌區(qū)運行狀況按C個級別進行識別,C個級別的指標標準特征值矩陣為

式中:shj為第j個指標第h級別的標準值,h=1,2,…,C;j=1,2,…,m。

c.矩陣元素規(guī)格化。為消除指標物理量綱不同帶來的影響,在評價之前需將樣本矩陣和標準矩陣中各指標元素規(guī)格化。設1級為灌區(qū)運行狀況很好,C級為灌區(qū)運行狀況很差,這兩種狀況的相對隸屬度分別定為1和0。第二級至C-1級為灌區(qū)運行狀況很好與很差兩個極點間的中間狀態(tài)。灌區(qū)評價指標值與指標標準值對灌區(qū)運行狀況的相對隸屬度分別按線性內(nèi)插式確定。

①對于指標數(shù)值越大指標性能越好的指標,如渠系水利用系數(shù)、收入支出比、水費實收率等,可按下列形式分別變換X,S矩陣

樣本矩陣 Xn×m,標準矩陣SC×m規(guī)格化后分別記為

e.關聯(lián)度及綜合評價關聯(lián)矩陣的計算。第i個灌區(qū)與第h級標準之間的相似程度,可用關聯(lián)度γih=(ai,bh)表示,即

式中:wj為第j個指標的權重。

2 灌區(qū)現(xiàn)狀評價指標體系

2.1 評價指標體系建立

世界銀行推薦的一套灌區(qū)快速評價指標體系分為外部指標和內(nèi)部指標。其中針對現(xiàn)狀評價的指標總共44個,可以歸并為水平衡指標、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率和經(jīng)濟指標,以及環(huán)境指標3類[11]。

國際水管理研究院(IWMI)在灌區(qū)性能評價方面做了很多工作,并且在為性能比較提出了9個關鍵性的指標,這套指標數(shù)目比較少,但是揭示了關于灌區(qū)的足夠信息,詳見表1。

表1 IWMI推薦使用評價指標

表2 松花江流域大型灌區(qū)評價指標體系

結合上述評價指標,從我國灌區(qū)的實際情況出發(fā),結合松花江流域地域特點,提出適合松花江流域灌區(qū)的評價指標體系,詳見表2。

2.2 評價指標目標值確定

根據(jù)本文第2節(jié)確定的指標體系,結合全國灌區(qū)各個指標的平均值和松花江流域灌區(qū)基本情況,以及松花江流域近期各項灌區(qū)規(guī)劃,最終確定各個評價指標目標值,詳見表3。

表3 各評價指標目標值

3 實例應用

通過實地調研,對松花江流域大型灌區(qū)有了更進一步的了解,根據(jù)世界銀行和國際水管理研究院推薦的灌區(qū)評價指標體系,結合松花江流域灌區(qū)區(qū)域特點,建立了一套適合松花江流域灌區(qū)的指標評價體系,運用熵值法確定指標權重,基于灰色關聯(lián)模型,對松花江流域26個大型灌區(qū)進行現(xiàn)狀評價。灌區(qū)分布示意圖如圖1。

圖1 松花江流域(哈爾濱市以上)大型灌區(qū)分布示意圖

圖1中,從1號到26號灌區(qū)分別為永舒榆灌區(qū)、洮兒河灌區(qū)、前郭灌區(qū)、松沐灌區(qū)、梨樹灌區(qū)、飲馬河灌區(qū)、海龍灌區(qū)、白沙灘灌區(qū)、引嫩灌區(qū)、東升灌區(qū)、南引灌區(qū)、紅岸灌區(qū)、躍進灌區(qū)、查哈陽灌區(qū)、牧場灌區(qū)、富南灌區(qū)、富西灌區(qū)、龍安橋灌區(qū)、友誼灌區(qū)、音河灌區(qū)、江東灌區(qū)、興旺灌區(qū)、衛(wèi)星灌區(qū)、西泉眼灌區(qū)、永安灌區(qū)、澇州灌區(qū)。

3.1 指標權重確定

根據(jù)本文1.1節(jié)熵值法的具體步驟,結合對松花江流域大型灌區(qū)實地調研數(shù)據(jù),最終確定11個指標權重如下:

Wj=(0.123 7,0.114 1,0.165 8,0.279 2, 0.007 4,0.002 4,0.008 4,0.067 6,0.087 9, 0.092,0.0514)

3.2 灌區(qū)現(xiàn)狀評價

根據(jù)1.2節(jié)中灰色關聯(lián)模型的具體步驟,通過灰色關聯(lián)評價模型對松花江流域灌區(qū)進行現(xiàn)狀評價,得出灌區(qū)運行現(xiàn)狀情況,詳見表4。

表4 松花江流域大型灌區(qū)運行現(xiàn)狀

4 結 論

由表4可以總結出,目前灌區(qū)運行狀況處于差和較差級別的較多,占受評灌區(qū)總數(shù)的一半,具體結果詳見表5。

表5 灌區(qū)等級統(tǒng)計表

通過對松花江流域大型灌區(qū)現(xiàn)狀進行分析和等級劃分,可以為松花江流域大型灌區(qū)節(jié)水改造優(yōu)先次序提供理論依據(jù),從而提高灌區(qū)性能,加大灌區(qū)糧食生產(chǎn)能力,為早日實現(xiàn)全國增產(chǎn)千億斤糧食計劃多作貢獻。

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2012-12 -01 編輯:陳玉國)

10.3969/j.issn.1003 -9511.2013.04.014

水利部公益性行業(yè)專項經(jīng)費項目(201001023)

崔亞鋒(1986—),男,遼寧朝陽人,碩士,主要從事水土資源規(guī)劃與管理研究。