基于逼近理想解法的 汾河流域節(jié)水灌溉發(fā)展水平評(píng)價(jià)

呂 平，馬娟娟

(1.山西省水利水電科學(xué)研究院 太原 030002；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 太原 030024)

0 引 言

區(qū)域性節(jié)水灌溉發(fā)展水平的科學(xué)評(píng)價(jià)是制定本區(qū)域節(jié)水灌溉發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)，也是緩解區(qū)域性用水緊張局面、促進(jìn)農(nóng)業(yè)高效發(fā)展的關(guān)鍵，同時(shí)對(duì)于推動(dòng)區(qū)域節(jié)水灌溉工程科學(xué)規(guī)劃，保證區(qū)域水安全和良好的生態(tài)環(huán)境具有重要意義。近年來(lái)，節(jié)水灌溉發(fā)展水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系有定性評(píng)價(jià)、定量評(píng)價(jià)、定性和定量綜合評(píng)價(jià)，由主要指標(biāo)構(gòu)建簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)體系發(fā)展到利用多指標(biāo)或多目標(biāo)構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系；如層次分析法、因子分析法、灰色關(guān)聯(lián)度等方法被應(yīng)用到節(jié)水灌溉發(fā)展水平綜合評(píng)價(jià)中，但以上方法都存在區(qū)域性節(jié)水灌溉發(fā)展現(xiàn)狀與反映差距較大的問(wèn)題。層次分析法是建立評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣的基礎(chǔ)上求特征值來(lái)確定各評(píng)價(jià)因子及指標(biāo)重要性權(quán)重，判斷矩陣主要受評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的支配，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的客觀性較難量化判斷；因子分析法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中信息發(fā)生丟失、特征提取性下降，因子方差貢獻(xiàn)率與指標(biāo)實(shí)際應(yīng)取權(quán)重值差別較大；灰色關(guān)聯(lián)度法是以指標(biāo)間相互關(guān)聯(lián)比對(duì)結(jié)果為基礎(chǔ)的客觀性評(píng)價(jià)，但不能很好的反映人類管理行為與客觀環(huán)境間互相作用[1]。

逼近理想解法(TOPSIS)，又稱優(yōu)劣解距離法，是求解多屬性決策問(wèn)題的一種新方法，其原理是根據(jù)有限個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想化目標(biāo)接近程度進(jìn)行排序，在現(xiàn)有的評(píng)價(jià)對(duì)象中進(jìn)行優(yōu)劣評(píng)價(jià)[1]。本項(xiàng)目建立了適合汾河流域節(jié)水灌溉發(fā)展水平綜合評(píng)價(jià)模型即基于逼近理想解法評(píng)價(jià)模型，它適用于定性與定量指標(biāo)相結(jié)合的多指標(biāo)、多單元的大體系、大流域的評(píng)價(jià)[2]，計(jì)算方法具有準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，較真實(shí)的反映了被評(píng)價(jià)流域的節(jié)水灌溉管理發(fā)展現(xiàn)狀。目前，在國(guó)內(nèi)的節(jié)水灌溉發(fā)展水平綜合評(píng)價(jià)模型中具有先進(jìn)性。

1 建立節(jié)水灌溉發(fā)展水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

構(gòu)建汾河流域節(jié)水灌溉發(fā)展水平綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，針對(duì)節(jié)水灌溉具有的工程性、管理性、農(nóng)藝性等相關(guān)特點(diǎn)，確定工程、管理、農(nóng)藝等3項(xiàng)專題指標(biāo)，經(jīng)過(guò)選擇并確定分屬于專題指標(biāo)的各項(xiàng)單項(xiàng)指標(biāo)。

(1)工程措施。節(jié)水灌溉工程措施專題指標(biāo)主要確定有6項(xiàng)單項(xiàng)指標(biāo)，分別為灌溉用水量占總用水量的百分比(%)，節(jié)水灌溉面積占有效灌溉面積的百分比(%)，灌溉水利用系數(shù)，毛灌溉定額，管灌面積占有效灌溉面積的百分比，微噴灌占有效灌溉面積的百分比，全部為定量指標(biāo)。

(2)管理措施。節(jié)水灌溉管理措施專題指標(biāo)主要確定有6項(xiàng)單項(xiàng)指標(biāo)，分別為政策法規(guī)，政府支持，技術(shù)推廣體系的建立，宣傳教育，公眾參與，計(jì)量收費(fèi)普及率(%)；計(jì)量收費(fèi)普及率為定量指標(biāo)，其余均為定性指標(biāo)。

(3)農(nóng)藝措施。農(nóng)藝措施專題指標(biāo)主要是反映一個(gè)區(qū)域是否制定合理的灌溉制度、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和產(chǎn)出狀況，根據(jù)資料收集情況，確定的主要單項(xiàng)指標(biāo)有糧食平均產(chǎn)量和農(nóng)村居民人均純收入，兩項(xiàng)均為定量指標(biāo)。

2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

本項(xiàng)目采用了熵權(quán)法和層次分析法兩種方法綜合確定單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，層次分析法一定程度上比較充分反映專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，但往往會(huì)因?yàn)橹饔^個(gè)人因素和研究人員的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的局限性而造成偏差，具有較強(qiáng)的主觀隨意性。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，存在缺陷是未反映研究人員的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)易受離散極值的影響。

2.1 熵權(quán)法

熵權(quán)法具體算法是將多目標(biāo)矩陣Y=(yij)m×n進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)值。本評(píng)價(jià)方案中除灌溉用水量占總用水量的百分比和毛灌溉定額為成本型指標(biāo)，其余均為效益性指標(biāo)，歸一化公式如下：

對(duì)于效益型指標(biāo)，歸一化如式(1)：

(1)

對(duì)于成本型指標(biāo)，歸一化如式(2)：

(2)

式中：i為評(píng)價(jià)對(duì)象(方案)；j為評(píng)價(jià)指標(biāo)；m為評(píng)價(jià)對(duì)象(方案)個(gè)數(shù)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)，1≤i≤m，1≤j≤n；yjmax，yjmin分別為第j個(gè)指標(biāo)在各個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象(i)中最大值和最小值；

經(jīng)過(guò)歸一化公式計(jì)算后，形成新的判斷矩陣Z=(zij)；計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)熵值如式(3)：

(3)

式中：i為評(píng)價(jià)對(duì)象(方案)；j為評(píng)價(jià)指標(biāo)；m為評(píng)價(jià)對(duì)象個(gè)數(shù)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

經(jīng)過(guò)如下公式(4)計(jì)算得出第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)值βj，公式如下：

(4)

因此得出客觀權(quán)重向量β=(β1β2β3βj…βn),n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2.2 綜合賦權(quán)法

層次分析法(AHP)屬于主觀賦權(quán)法且為常用方法。熵權(quán)法屬于客觀賦權(quán)法，鑒于主客觀權(quán)重確定方法存在的缺陷與不足，現(xiàn)將主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)合理的結(jié)合起來(lái)，可以盡量消除兩者方法的弊端，可以較為真實(shí)的反映各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，綜合賦權(quán)公式如式(5)：

(5)

式中：1≤j≤n；αj為層次分析法賦予評(píng)價(jià)指標(biāo)j權(quán)重值；βj為熵權(quán)法賦予評(píng)價(jià)指標(biāo)j權(quán)重值。

3 構(gòu)建逼近理想解法模型

逼近理想解法是根據(jù)有限的評(píng)價(jià)對(duì)象與理想化目標(biāo)的貼近度進(jìn)行排序的方法，基本原理是通過(guò)計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解、負(fù)理想解的距離來(lái)進(jìn)行排序，如果與正理想解距離最接近，且距離負(fù)理想解最遠(yuǎn)，則為最佳方案或者最優(yōu)解，反之則為最差方案，或者最劣解[3]；

將確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)，采用均值標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)法，均值標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)法，具體分級(jí)區(qū)間如下：

[…(N-3aS,N-aS),(N-aS,N+aS)，(N+aS,N+3aS)…]

式中：N為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的算術(shù)平均值；標(biāo)準(zhǔn)差為S；a為可設(shè)定的常數(shù)；N代表各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)列的中心；標(biāo)準(zhǔn)差S代表數(shù)列的離散程度。

因此方案Di(評(píng)價(jià)方案為汾河流域包含的行政區(qū)域，含k-1級(jí)臨界分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的值)和評(píng)價(jià)指標(biāo)Fj形成了多目標(biāo)決策矩陣Y=(yij)m×n；將矩陣Y采用公式(1)和公式(2)歸一化后，形成新的決策矩陣Z=(zij)m×n，如下矩陣公式(6)表示：

(6)

上述評(píng)價(jià)指標(biāo)都帶有不同的量綱，因此需要對(duì)決策矩陣式Z=(zij)m×n采用無(wú)量綱化公式進(jìn)行處理，具體方法如下公式(7)，從而構(gòu)筑新的矩陣X=(xij)m×n。

(7)

式中：i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n。

xij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象(方案)的第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

將無(wú)量綱化矩陣X=(xij)m×n與綜合指標(biāo)權(quán)重相乘，得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R=(rij)m×n,Wj為每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，綜合權(quán)重由公式(5)確定，計(jì)算公式如(8)：

rij=xij×wj

(8)

完成上述步驟后，計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的正理想解和負(fù)理想解

式中：i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n。

計(jì)算各評(píng)價(jià)方案與正理想解和負(fù)理想解的距離，一般采用歐式距離，其計(jì)算公式如式(9)和式(10)：

(9)

(10)

計(jì)算各評(píng)價(jià)方案與最佳方案的相對(duì)貼近度，如公式(11)：

(11)

式中：i=1,2,3,…,m。

按相對(duì)貼近度的大小排序，Ci越大越接近100，表示第i個(gè)評(píng)價(jià)方案越接近最優(yōu)水平，如果Ci越小，表示第i個(gè)評(píng)價(jià)方案越接近最差水平。

4 汾河流域節(jié)水灌溉水平綜合評(píng)價(jià)

汾河是山西省內(nèi)第一大河流，汾河流域位于山西省中南部，南北長(zhǎng)412.5 km，東西寬188 km，流域面積39 471 km2,為黃河第二大支流,占山西省國(guó)土總面積的25.3 %。汾河流域?yàn)樯轿魇≌?、?jīng)濟(jì)、文化中心，同時(shí)也是重要的生態(tài)功能區(qū)、人口密集區(qū)、糧棉主產(chǎn)區(qū)、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)。2014年12月山西省委省政府提出啟動(dòng)實(shí)施汾河流域生態(tài)修復(fù)的重大戰(zhàn)略決策，本項(xiàng)目立足于汾河流域生態(tài)環(huán)境綜合治理工程戰(zhàn)略決策目標(biāo)和規(guī)劃原則，構(gòu)建基于逼近理想解法的區(qū)域性節(jié)水灌溉發(fā)展水平綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)汾河流域節(jié)水灌溉發(fā)展水平提出正確的評(píng)價(jià)，為山西省在汾河流域的生態(tài)綜合治理科學(xué)規(guī)劃和建設(shè)提供重要依據(jù)。

4.1 評(píng)價(jià)資料收集與整理

汾河流域節(jié)水灌溉發(fā)展水平評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)主要來(lái)源是2012年度的山西省水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒、節(jié)水通報(bào)以及地方水行政部門(mén)提供的統(tǒng)計(jì)資料。

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

4.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重計(jì)算

評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合賦權(quán)權(quán)重結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合賦權(quán)權(quán)重表

4.2.2 評(píng)價(jià)矩陣計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述步驟，確定的14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和4個(gè)臨界分界值組成的矩陣非數(shù)據(jù)指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)量數(shù)據(jù)構(gòu)建多目標(biāo)決策矩陣Y=(yij)m×n，如下；

歸一化決策矩陣Z=(zij)m×n如下(保留五位小數(shù)點(diǎn))：

無(wú)量綱化矩陣為X=(xij)m×n如下(保留五位小數(shù)點(diǎn)):

加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣R=(rij)m×n如下(保留五位小數(shù)點(diǎn))：

4.2.3 正負(fù)理想解計(jì)算結(jié)果

確定加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣后，可以計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的正理想解 和負(fù)理想解 (保留五位小數(shù)點(diǎn)):

4.2.4 歐式距離

計(jì)算各評(píng)價(jià)方案與理想解和負(fù)理想解的歐式距離(保留五位小數(shù)點(diǎn))：

4.2.5 貼進(jìn)度計(jì)算和評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)公式(11)計(jì)算貼近度(保留三位小數(shù))，貼近度的四個(gè)臨界值分別為：Ⅰ臨界值為70.908，Ⅱ臨界值為62.963，Ⅲ為54.968，Ⅳ為46.995；判別標(biāo)準(zhǔn)為：大于或等于Ⅰ臨界值為“好”，介于Ⅰ和Ⅱ之間為“較好”，介于Ⅱ和Ⅲ之間為“一般”，介于Ⅲ和Ⅳ之間為“較差”，小于Ⅳ臨界值的為“差”；汾河流域區(qū)域節(jié)水灌溉水平的貼近度計(jì)算和評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

表2 汾河流域區(qū)域節(jié)水灌溉水平的貼近度計(jì)算和評(píng)價(jià)結(jié)果

5 分析及建議

根據(jù)貼近度計(jì)算和評(píng)價(jià)結(jié)果，汾河流域節(jié)水灌溉發(fā)展水平綜合評(píng)價(jià)為“一般”，這個(gè)評(píng)價(jià)是對(duì)汾河流域所包括的太原、忻州(寧武和靜樂(lè)縣)、晉中、臨汾、運(yùn)城、呂梁6個(gè)地市40個(gè)縣的總評(píng)價(jià)，依據(jù)指標(biāo)劃分等級(jí)和現(xiàn)狀資料分析，汾河流域各項(xiàng)指標(biāo)均處于較低水平。分析其原因主要是：①農(nóng)業(yè)灌溉水利用率不高，2012年度灌溉水利用系數(shù)僅為0.5，低于全省灌溉水利用系數(shù)同期平均水平0.52，也低于全國(guó)同期平均水平0.516。②節(jié)水灌溉工程體系和服務(wù)配套體系不完善，由于汾河流域灌溉設(shè)施老化，田間工程配套率差，使節(jié)水灌溉工程服務(wù)能力明顯下降，大中型灌區(qū)量水設(shè)施實(shí)有率僅為38.2 %，干支渠渠防滲率低，建筑物配套不全。③各相關(guān)主體節(jié)水動(dòng)力不足，主要原因有以下三個(gè)方面：a.農(nóng)村外出務(wù)工創(chuàng)收人員不斷增多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收入占農(nóng)民總收入的比重越來(lái)越小，在農(nóng)田灌溉工程投入積極性不高。b.灌區(qū)管理單位公益性基本支出和工程維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用保障水平不高，其收益主要靠征收水費(fèi)，因此發(fā)展節(jié)水灌溉內(nèi)在的積極性受到影響。c.農(nóng)業(yè)比較效益低、投資回報(bào)周期長(zhǎng)，直接影響了部分地方政府投入節(jié)水灌溉的積極性。④節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的管理制度、法規(guī)制度、配套政策以及激勵(lì)約束機(jī)制不健全，未真正建立起農(nóng)業(yè)用水總量控制、定額管理的政策體系，對(duì)浪費(fèi)灌溉用水的行為約束力太弱，對(duì)節(jié)約用水未能給予直接補(bǔ)償獎(jiǎng)勵(lì)。

針對(duì)以上指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果和原因分析，提出以下建議：①發(fā)展高效節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)，合理配置水土資源。在大水網(wǎng)工程覆蓋和水土條件較好的區(qū)域發(fā)展水澆地和高效節(jié)水灌溉，同時(shí)繼續(xù)加大現(xiàn)有大中小型灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造力度，提高節(jié)水水平，逐步提高農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。②依靠政府行政法規(guī)手段，健全完善法律法規(guī)體系，堅(jiān)持依法治水，建立水資源三條紅線控制指標(biāo)體系，實(shí)行用水總量、用水效率和水功能區(qū)達(dá)標(biāo)年度考核制度，制定《汾河流域保護(hù)條例》，明確水資源管理與保護(hù)、水污染防治、生態(tài)保護(hù)等內(nèi)容。③充分發(fā)揮水價(jià)的經(jīng)濟(jì)杠桿作用，制定水權(quán)交易、轉(zhuǎn)讓規(guī)則，逐步建立水權(quán)、水市場(chǎng)試點(diǎn)工作，真正做到對(duì)浪費(fèi)灌溉用水的行為約束，對(duì)節(jié)約用水給予直接補(bǔ)償獎(jiǎng)勵(lì)。④試點(diǎn)建立用水戶協(xié)會(huì)組織，用水戶協(xié)會(huì)在節(jié)約勞動(dòng)力、降低水費(fèi)開(kāi)支，增強(qiáng)公眾參與度、提高農(nóng)戶參與的層次和水平有很好的效果，同時(shí)對(duì)作物生產(chǎn)力、灌溉水利用率、灌溉用水政策的制定與改善具有積極的影響。

以上是從汾河流域評(píng)價(jià)結(jié)果和節(jié)水灌溉現(xiàn)狀出發(fā)，在工程保障、政策保障、經(jīng)濟(jì)保障、組織保障提出可行性建議。

6 結(jié) 論

(1)本項(xiàng)目構(gòu)建了基于逼近理想解法的區(qū)域節(jié)水灌溉發(fā)展水平綜合評(píng)價(jià)模型，在實(shí)際應(yīng)用中，本評(píng)價(jià)計(jì)算模型具有穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，較真實(shí)的反映了汾河流域節(jié)水灌溉現(xiàn)狀。

(2)本計(jì)算模型不僅在其他流域節(jié)水灌溉發(fā)展水平評(píng)價(jià)中具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，而且在水利其他領(lǐng)域，如節(jié)水型社會(huì)建設(shè)、旱情等方面，同樣具有重要的推廣價(jià)值。

(3)汾河流域2012年度的節(jié)水灌溉發(fā)展水平處于“一般”水平，需從工程、政策、經(jīng)濟(jì)、組織保障等方面采取有力措施，推動(dòng)汾河流域的生態(tài)建設(shè)和節(jié)水灌溉沿著科學(xué)軌道上發(fā)展。