漳河灌區(qū)節(jié)水改造綜合效益評價

樂志華，邵東國，李浩鑫，徐保利(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

1998年，我國啟動大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造試點(diǎn)項(xiàng)目，旨在解決灌區(qū)渠系及建筑物工程老化不配套、灌區(qū)管理體制不完善等問題，提高灌區(qū)用水效率及抗災(zāi)減災(zāi)能力，保障灌區(qū)糧食生產(chǎn)安全。由于灌區(qū)節(jié)水改造涉及因素多、投資大，其實(shí)施方案是否經(jīng)濟(jì)合理、工程建設(shè)是否發(fā)揮效益，都需要有科學(xué)的綜合評價分析[1-5]，為決策部門制訂合理的灌區(qū)管理措施和節(jié)水改造措施提供依據(jù)。

大型灌區(qū)節(jié)水改造綜合評價屬于多指標(biāo)、多目標(biāo)評價問題，用直觀對比分析法往往難以獲得理想結(jié)果，需要采用綜合評價方法[6,7]。而指標(biāo)權(quán)重的確定對于評價結(jié)果的合理性起著至關(guān)重要的作用，目前諸多的綜合評價方法中所依據(jù)的權(quán)重主要采用兩類方法確定，即主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法。其中主觀賦權(quán)的方法主要有層次分析法、專家評價法、綜合指數(shù)法等，客觀賦權(quán)的方法主要有因子分析法、突變理論、熵值法等[8,9]。主觀賦權(quán)依賴于專家的知識、經(jīng)驗(yàn)，權(quán)重確定受人為因素干擾較大；而客觀賦權(quán)單純利用指標(biāo)的客觀信息確定權(quán)重，可以有效消減人為干擾?？紤]到主觀賦權(quán)的缺點(diǎn)，本文選用客觀賦權(quán)方法-改進(jìn)熵值法進(jìn)行灌區(qū)綜合評價，既可以克服主觀賦權(quán)法無法避免的隨機(jī)性、臆斷性問題，還可以有效解決多指標(biāo)變量間信息的重疊問題。

本文依據(jù)漳河灌區(qū)節(jié)水改造以來2000-2013年的工程建設(shè)與管理運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)熵值法，對灌區(qū)節(jié)水改造后的綜合效益進(jìn)行評價，分析灌區(qū)改造后用水效率以及綜合效益的變化，尋找灌區(qū)綜合效益的主控因素，為調(diào)整灌區(qū)改造的目標(biāo)、布局、投資方向提供參考。

1 漳河灌區(qū)基本概況

漳河灌區(qū)地處湖北江漢平原西北部，水資源豐富，耕地面積達(dá)17.368萬hm2，以水稻、小麥、棉花、油菜為主要種植作物，是湖北省糧食主產(chǎn)區(qū)之一。灌區(qū)建成于1966年，形成以漳河水庫為骨干，中小型水利設(shè)施為基礎(chǔ)，提水泵站作補(bǔ)充的大、中、小相結(jié)合，蓄、引、提相配合的水利灌溉網(wǎng)。運(yùn)行多年后，灌區(qū)渠系及建筑物工程老化失修、灌溉面積萎縮、水資源浪費(fèi)等問題突出。為保障灌區(qū)的供水、灌溉、糧食生產(chǎn)等功能，從1998年開始實(shí)施灌區(qū)的續(xù)建配套與節(jié)水改造工程建設(shè)，規(guī)劃工程總投資18.36億元。

2 基于改進(jìn)熵值法的漳河灌區(qū)合評價

2.1 評價指標(biāo)體系的確立

灌區(qū)綜合評價指標(biāo)體系需要能綜合反映灌區(qū)運(yùn)行狀況，投資效果[10]。本文依據(jù)灌區(qū)節(jié)水改造對作物種植結(jié)構(gòu)、輸水灌水過程、灌區(qū)運(yùn)行管理，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出四個方面的作用，遵循指標(biāo)選取的實(shí)用性、代表性、科學(xué)性等原則，結(jié)合節(jié)水改造項(xiàng)目的特點(diǎn)及工程項(xiàng)目管理的目標(biāo)要求，構(gòu)建漳河灌區(qū)節(jié)水改造綜合評價指標(biāo)體系[11-14]。改進(jìn)熵值法評價指標(biāo)體系(圖1)從種植情況、節(jié)水效益、運(yùn)行管理、經(jīng)濟(jì)效益4個角度(準(zhǔn)則層)選取11個指標(biāo)(指標(biāo)層)作為灌區(qū)節(jié)水改造綜合評價(目標(biāo)層)的依據(jù)。各指標(biāo)的涵義見表1。

圖1 灌區(qū)綜合效益評價指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation indexes of the comprehensive benefit evaluation

2.2 改進(jìn)熵值法的基本原理和計算步驟

在信息論中，信息熵描述了樣本數(shù)據(jù)變化的相對速率，數(shù)據(jù)的離散程度越大，信息熵越小，其提供的信息量越大，該指標(biāo)對綜合評價的影響越大，其權(quán)重也應(yīng)越大；反之，各指標(biāo)值差異越小，信息熵就越大，其提供的信息量則越小，該指標(biāo)對評價結(jié)果的影響也越小，其權(quán)重亦應(yīng)越小，改進(jìn)熵值法即是依據(jù)該原理來確定權(quán)重的一種評價方法[15-17]。在綜合評價中由此得到的指標(biāo)權(quán)重描述了指標(biāo)數(shù)值變化的相對幅度[15]。

表1 灌區(qū)綜合效益評價指標(biāo)涵義Tal.1 Definitions of indexes of the comprehensive benefit evaluation

傳統(tǒng)熵值法計算過程中包含對數(shù)和熵的運(yùn)算，常因指標(biāo)數(shù)據(jù)中的負(fù)值或極端值不能直接計算相應(yīng)的權(quán)重值，而改進(jìn)熵值法彌補(bǔ)了這一缺陷。所以本文依據(jù)熵值法改進(jìn)的研究成果[18-20]，使用改進(jìn)熵值法對漳河灌區(qū)綜合評價。

改進(jìn)熵值法計算步驟：

(1)原始指標(biāo)數(shù)據(jù)處理。

越大越優(yōu)指標(biāo)，x′ij=xij

(1)

(2)

(2)借助標(biāo)準(zhǔn)化處理法消除指標(biāo)的量綱差異：

(3)

式中：μj代表該指標(biāo)數(shù)據(jù)的平均值；σj代表該指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差；x″為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值；m為方案個數(shù)；n為指標(biāo)個數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值常存在負(fù)數(shù)，需要將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值進(jìn)行平移：

Zij=x″ij+k

(4)

式中：Zij為平移后的指標(biāo)值；k為平移值。一般地x″ij的范圍在-5～5之間，k的取值可以在0～5之間；

(3)計算第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個年份的占該指標(biāo)的比重pij：

(5)

(4)第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵值ej：

(6)

(5)計算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重ωj：

(7)

(6)計算第i個年份綜合評價得分Fi：

(8)

2.3 基于改進(jìn)熵值法的漳河灌區(qū)綜合評價

根據(jù)改進(jìn)熵值法對漳河灌區(qū)節(jié)水改造后14個年份11個指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各年份占指標(biāo)的比重值、指標(biāo)的權(quán)重值以及14個年份的綜合評價得分排序，見表2和表3。

由式(5)求出的第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個年份占該指標(biāo)的比重值反應(yīng)的是不同年份在同一指標(biāo)下的差異,該值越大，說明節(jié)水改造后第i個年份的該指標(biāo)現(xiàn)狀相對于其他年份越好。結(jié)果顯示，灌區(qū)節(jié)水改造后，11個評價指標(biāo)現(xiàn)狀除水費(fèi)實(shí)收率之外，都有大幅度改善。糧食作物比例、渠道防滲率、田間水利用系數(shù)、單位灌溉面積糧食產(chǎn)量均在2012、2013年該值達(dá)最大，即這兩個年份該項(xiàng)指標(biāo)現(xiàn)狀優(yōu)于其他年份。說明灌區(qū)自1998年節(jié)水改造以來，作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整、渠道的襯砌防滲、田間節(jié)水等改造成效顯著。分析漳河灌區(qū)2000-2013年農(nóng)業(yè)灌溉引水量的變化，發(fā)現(xiàn)灌區(qū)節(jié)水改造后農(nóng)業(yè)灌溉引水量整體呈下降趨勢，這為緩解日益加劇的工農(nóng)業(yè)爭水矛盾以及擴(kuò)大灌區(qū)供水效益提供了機(jī)會。

表2 灌區(qū)各指標(biāo)的權(quán)重值及第j個年份在第i項(xiàng)指標(biāo)下占的比重Tab.2 The weight value and proportion of each index of irrigation district

表3 灌區(qū)綜合評價得分與排序Tab.3 Goals and rankings of the comprehensive evaluation

指標(biāo)的權(quán)重反映了指標(biāo)在評價過程中的重要程度，權(quán)重越大，說明該指標(biāo)在綜合評價中所起到的作用越大。從表2可以看出指標(biāo)的權(quán)重值范圍在0.80～0.94，差異較小，即各指標(biāo)在評價中對節(jié)水改造綜合效益貢獻(xiàn)均衡，說明灌區(qū)節(jié)水改造均衡發(fā)展。

表3為灌區(qū)綜合評價的最終結(jié)果，得分越高，表示灌區(qū)節(jié)水改造綜合效益就越好。從2000-2010年灌區(qū)的綜合得分逐步上升，說明該階段灌區(qū)經(jīng)過節(jié)水改造工程建設(shè)，各水利設(shè)施得到修復(fù)，管理運(yùn)行結(jié)構(gòu)得到完善，綜合效益持續(xù)增長。2010-2013年灌區(qū)綜合效益呈下降趨勢，分析原因發(fā)現(xiàn)灌區(qū)區(qū)域內(nèi)自2010起連續(xù)5年干旱，導(dǎo)致灌區(qū)整體效益下降。由于灌區(qū)本身屬低丘陵區(qū)，沖溝短淺、蓄水有限，其抗旱能力低；但從評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灌區(qū)2010年雖受干旱影響，但相對2009年綜合效益依然先有增長，隨后才逐漸下降，說明灌區(qū)節(jié)水改造后，抗旱能力得到提升，但依然不足，需要繼續(xù)加強(qiáng)灌區(qū)抗旱蓄水工程的建設(shè)。

2.4 灌區(qū)綜合效益主控因素分析

為分析影響灌區(qū)綜合效益的主要因素，利用改進(jìn)熵值法對灌區(qū)種植情況、節(jié)水效益、運(yùn)行管理、經(jīng)濟(jì)效益4項(xiàng)指標(biāo)(準(zhǔn)則層)進(jìn)行綜合評價得分計算并排序，最終評價排序結(jié)果見表4。分析準(zhǔn)則層4項(xiàng)指標(biāo)各年份的排序與相應(yīng)年份灌區(qū)綜合排序，發(fā)現(xiàn)灌區(qū)的運(yùn)行管理該指標(biāo)的排序波動對灌區(qū)綜合排序影響小，如2000、2013年運(yùn)行管理排序分別為5和13,2000、2013年灌區(qū)綜合評價排序卻分別為12和4；但各年份灌區(qū)綜合評價排序與作物種植、節(jié)水效益、經(jīng)濟(jì)效益3個指標(biāo)排序相當(dāng)，說明作物種植、節(jié)水效益、經(jīng)濟(jì)效益3個指標(biāo)排序?yàn)橛绊懝鄥^(qū)綜合排序的主要因素。所以灌區(qū)綜合效益的主控因素為作物種植、節(jié)水效益、經(jīng)濟(jì)效益，在作物種植結(jié)構(gòu)、節(jié)水、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出3個方面情況的改善可促進(jìn)灌區(qū)綜合效益的提高。

表4 灌區(qū)綜合評價準(zhǔn)則層排序Tab.4 Ranks of the comprehensive evaluation of criterion layer

3 結(jié) 論

本文在構(gòu)建灌區(qū)綜合效益評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，建立了基于改進(jìn)熵值法的灌區(qū)綜合評價方法。主要結(jié)論有：

(1)根據(jù)漳河灌區(qū)的實(shí)際情況，選取能綜合反映灌區(qū)綜合效益的11個指標(biāo)，并根據(jù)指標(biāo)的屬性將指標(biāo)分類，建立灌區(qū)綜合評價的指標(biāo)體系。

(2)應(yīng)用改進(jìn)熵值法評價漳河灌區(qū)綜合效益，得到灌區(qū)11個評價指標(biāo)的權(quán)重以及14個年份的綜合效益評價結(jié)果。結(jié)果分析表明漳河灌區(qū)節(jié)水改造工程取得良好的成效，糧食生產(chǎn)能力及用水效率都得到提高，灌區(qū)水利設(shè)施狀況得到改善。評價結(jié)果與灌區(qū)實(shí)際情況相符合，也驗(yàn)證了改進(jìn)熵值法應(yīng)用與灌區(qū)綜合效益評價的合理性。

(3)通過分析灌區(qū)綜合評價得分與準(zhǔn)則層排序，得到灌區(qū)綜合效益的主控因素為種植情況、節(jié)水效益、經(jīng)濟(jì)效益三個方面，說明漳河灌區(qū)整體建設(shè)水平依然不高，并依此提出灌區(qū)建設(shè)意見。

(4)本文在綜合評價時，缺乏衡量灌區(qū)生態(tài)環(huán)境效益的指標(biāo)，需要在后續(xù)的討論研究中進(jìn)一步完善。

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[1] 韓振中，姚宛艷，張順堯. 大型灌區(qū)現(xiàn)狀和節(jié)水改造緊迫程度評價[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2002，(6)：16-19.

[2] 張燕妮. 大型灌區(qū)水資源綜合效益評價[D]. 陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，2010.

[3] 韓振中，閆冠宇，劉云波，等. 大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造評價指標(biāo)體系的研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2002，(7)：17-21.

[4] 張會敏，李占斌，姚文藝，等. 灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造效果多層次多目標(biāo)模糊評價[J]. 水利學(xué)報，2008，39(2)：212-217.

[5] 杜麗娟，劉 鈺，雷 波. 灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)評價研究進(jìn)展[J]. 水利學(xué)報，2010，41(5)：613-615.

[6] 柯勁松. 江西省大型灌區(qū)運(yùn)行狀況綜合評價[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2008，(10)：64-68.

[7] 霍 星，史海濱，楊松益，等. 基于層次分析-蟻群算法的內(nèi)蒙古大型灌區(qū)節(jié)水改造綜合評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(17)：132-140.

[8] 李浩鑫，邵東國，何思聰，等. 基于循環(huán)修正的灌溉用水效率綜合評價方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(5)：65-70.

[9] 王文川，李筱峰，徐冬梅，等. 大型灌區(qū)節(jié)水改造綜合效益評價方法研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2010，(1)：119-123.

[10] 舒衛(wèi)萍. 山東省灌區(qū)綜合評價[D]. 武漢：武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，2005.

[11] 朱秀珍. 大型灌區(qū)運(yùn)行狀況綜合評價研究[D]. 武漢：武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，2005.

[12] 王文浩. 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利工程后評價指標(biāo)體系研究[D]. 陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，2013.

[13] 游 黎. 大型灌區(qū)運(yùn)行狀況綜合評價指標(biāo)體系與評價方法研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，2010.

[14] 呂朝陽，郭宗樓. 節(jié)水灌區(qū)指標(biāo)體系與總效益評價方法探討研究[J]. 節(jié)水灌溉，2008，(3)：20-54.

[15] 張永凱. 熵值法在干旱區(qū)資源型城市可持續(xù)發(fā)展評價中的應(yīng)用[J]. 資源與產(chǎn)業(yè)，2006，8(5)：1-6.

[16] 郭顯光. 熵值法及其在綜合評價中的應(yīng)用[J]. 財貿(mào)研究，1996，(6)：56-60.

[17] 黃 蓉. 基于熵權(quán)值法的水利綜合考核評價研究[J]. 陜西水利，2013，(6)：116-118.

[18] 葉宗裕. 關(guān)于多指標(biāo)綜合評價中指標(biāo)正向化和無量綱化方法的選擇[J]. 浙江統(tǒng)計，2003，(4)：24-25.

[19] 郭顯光. 改進(jìn)的熵值法及其在經(jīng)濟(jì)效益評價中的應(yīng)用[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1998，18(12)：98-102.

[20] 葉 斌. 基于改進(jìn)熵值法的內(nèi)河水運(yùn)評價研究[D].成都：成都理工大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院，2012.