盘山灌区节水水平评估

张洪梅

(盘山县住建事务服务中心，辽宁 盘锦 124100)

0 引 言

中国农业用水占比受生活、工业等用水量的增大呈下降趋势，但仍处于超过60%的较高水平，在落实节水优先战略中农业灌溉用水占据重要地位。因此，区域农业节水水平与灌区节水状况直接相关。灌区节水的内涵可概括为：在经济合理、技术可能、自然规律的情况下，农作物生产中最大限度的吸收可用水源量，从而尽可能的获取高的产量和消耗少的水资源。所以，用水效率、节水措施、节水技术和节水工程为体现灌区节水程度的主要方面，为发现灌区节水潜力和节水存在的问题应了解节水水平所处的位置并摸清灌区用水、节水技术。针对灌区到底是否节水、如何合理评判节水效果和节水工作开展情况等，以上问题均属于节水评价的范畴。科学合理的评价灌区节水水平，对于更好地发挥灌区作用和提高对灌区节水水平的认识具有重要的积极作用[1]。

综合评价灌区节水程度属于一项多要素复杂的系统性问题，且各要素间往往存在相互关联，其中综合评价法为获取客观评价结果的常用方法。当前，节水水平的评价方法有灰色聚类法、人工神经网络法、模糊数学法、AHP法等[2-7]，以上方法在应用过程中均存在一定的缺陷，一般无法全面客观的体现灌区节水水平。例如，人工神经网络法存在稳定性差、收敛速度慢等问题，灰色居来法具有评价结果和关联系数不确定等问题，模糊数学和AHP法存在可靠性低且权重计算具有较大的随机性。为了解决以上方法存在的模糊性和随机性问题，更加合理的确定指标权重，对盘山灌区节水水平利用可变模糊迭代模型耦合云模型法进行综合评价。

1 云模型及可变模糊聚类迭代评估模型

1.1 云模型

李德毅等构建了一种能够转换定量描述与定性概念的云模型[8-9]，通过3个数值超熵He、熵En、期望Ex描述云数字特征，考虑不确定性和模糊性特征实现定性问题的定量描述。

不同评价等级下的各参评因子云数字，可结合云模型表示为如下表达式，即：

(1)

(2)

He=k

(3)

式中：Cmax、Cmin为灌区节水水平某一等级的最大和最小值；k为常数项，可参考变量模糊阈度适当调整。

采用正态云发生器和云滴数据获取各节水指标隶属程度，其数学式如下：

(4)

1.2 可变模糊聚类迭代模型

设m个指标特征值向量{x1j,x2j,…,xmj}对应的n个样本集合为{x1,x2,…,xn}，聚类分析参评样本构造特征值矩阵X=(xij)，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…n；xij为评价指标i关于对象j的特征值。考虑到各参评因子单位和量纲的不同，采用归一化公式对初始值处理，从而标准矩阵R=(rij)。按照c个类别将存在m个指标特征值的n个样本聚类分析，构造的聚类矩阵如下：

U=(uhj)

(5)

(6)

设uhj为类别h关于样本j的隶属度，则利用下式确定节水水各评价因子的广义欧式加权距离：

Dhj=uhjdhj

(7)

采用综合权衡量类别c与样本j的差异，其数学表达式为：

(8)

通过上述转换处理可有f(u,s,w)=[f1(u1,s,w),f2(u2,s,w),…,fn(un,s,w)]，由此可构造目标函数如下：

minf(u,s,w)=[f1(u1,s,w),f2

(u2,s,w),…,fn(un,s,w)]

(9)

可变模糊数学模型利用拉格朗日函数确定，所对应的计算式为：

(10)

(11)

(12)

灌区节水水平各项评价因子的最优权重w利用可变模糊聚类模型迭代运算确定，且计算流程为：①设定ε1为迭代运算精度；②设定初始模糊聚类中心矩阵、聚类矩阵和权重矩阵为S(λ)=(Sij(λ))、U(λ)=(uhj(λ))、W(λ)=(wi(λ))，其中λ=0；③采用相应的公式确定wi(λ+1)；④若符合条件max|wi(λ+1)-wi(λ)|≤ε1，则终止迭代运算，否则重复上述步骤直至满足要求。

1.3 模糊综合评价模型

评价指标权重及其隶属度利用云模型求解，灌区节水水平综合评价值y运用合成算法确定，其数学式为y=wu，其中u、w为各评价等级下的样本隶属度和各指标权重。

2 盘山灌区节水水平综合评价

根据所构造的模型和综合指标评价灌区节水水平，该过程涉及到的因素较多且存在一定的模糊性，为保证评价结果的客观准确性有必要建立符合实际情况的评价体系。

2.1 灌区概况

盘山灌区属于辽宁省大型灌区之一，地处大辽河、绕阳河、辽河、大凌河四条河流的下游，介于E121°27'-122°29'、N40°25'-41°27'，占地面积1072km2，其中耕地面积5.04万hm2，设计和实灌面积为3.9万hm2、3.71万hm2。盘山灌区下辖双绕、西绕、双南3个区，先已形成林成线、渠成网、田成方的大型灌区。为进一步提升灌溉水利用率和整个灌区运行效率，逐步摆脱灌区低效率、高能耗、低标准的现状，盘山县水利局本着重点突出、注重实效、节水防渗、连片集中的原则，建设实施盘山灌区二期节水改造项目。该项目承担的建设任务为：重建和维修灌排站12座、7座，重建桥梁和穿堤涵洞6座、8座，重建7座渡槽与1座倒虹吸，节水衬砌3处，干渠清扩7处，维修、新建和重建水闸共9座。为了最大限度的发挥节水改造工程的功能作用，文章结合节水农业特点和盘山灌区运行相关资料，采用合适的方法评价分析续建配套节水改造后的灌区节水水平[10-16]。

2.2 评价体系和等级划分标准

将灌区节水水平评价体系按照层次分析法原理划分为指标层、系统层、评语层和目标层4级，其中评语层包括节水型、过渡型和耗水型。耗水型用水效率低且节水规模相对小，节水水平为初始状态但节水潜力较大；过渡型具有一定的节水灌溉规模，处于节水型与耗水型之间的过渡水平，仍存在较大的节水潜力；节水型具有相当高的节水水平，用水效率高且达到饱和状态。根据节水的具体内涵，提升用水产出率和传输效率为节水的根本目标。因此，灌区节水评价的主要对象为产出节水和输送节水，二者重要性相同且相互影响。维持和提高农作物产出为评价指标选取、节水水平评价的基本原则，考虑灌区运行实际情况选取5项代表性指标构建评价体系。较单一因子综合指标能够更加系统体现灌区节水的各方面内容，然而各因子间通常具有一定的信息重叠，由此无法保证结果的合理性。对此，文章遵循代表性、可操作性、科学性和系统性原则选取较为常用的灌区节水评价因子，为消除重复运算的影响对各个指标权重利用可变模糊聚类迭代模型加以修正，通过对因子数量的限制降低重叠运算的概率，在一定程度上确保了评价结果的科学合理性。

将各指标等级结合盘山灌区实际情况和文献资料划分为3个标准，灌区节水水平评价体系与分级标准，见表1。

表1 灌区节水水平评价体系与分级标准

2.3 云模型参数及隶属度

根据计算公式(1)-(3)和各指标分级标准，确定灌区节水水平各等级云模型参数，灌区节水各等级云模型参数，见表2。

表2 灌区节水各等级云模型参数

不同等级下各项参数的云模型采用云发生器生成，灌区节水水平各评价指标去模型，如图1。根据盘山灌区节水改造项目设计资料和灌区运行相关数据，获取各项指标2008-2017年数据，盘山灌区2008—2017年各指标值，见表3，不同节水水平下各因子的相对隶属度运用计算式(4)求解，盘山灌区节水水平隶层度，见表4。

(a)单位灌溉取水量

(b)渠系水利用系数

(c)灌溉水利用系数

(d)综合净灌溉定额

(e)单位水粮食产量

表3 盘山灌区2008-2017年各指标值

表4 盘山灌区节水水平隶属度

2.4 确定权重

设定w0=(0.2,0.2,0.2,0.2,0.2)为灌区节水各指标初始权重，依据初始权重向量和云模型隶属度计算公式确定初始模糊聚类中心矩阵S0、矩阵U0。ε1值取0.1，运用文中相关公式和R、S0、U0结果，获取各指标最优权向量为w=(0.15，0.22，0.18，0.17，0.28)。

2.5 结果分析

盘山灌区节水水平利用公式y=wu求解，综合评价结果如表5。从表5可知，盘山灌区2008-2011年节水程度属于耗水型状态，灌区节水水平从2012年开始不断上升，达到过渡型节水程度。为了更好的突出该方法的科学有效性，将评价结果与模糊数学法对比分析。相对于主成分、层次分析等其它综合方法，针对评价系统的内部问题模糊综合法有效解决了传统方法存在唯一解的问题，通过模糊化处理保证了评价结果的准确性，但仍需要进一步改进隶属度函数的确定。根据表5评价结果，两种方法确定的节水水平发生转变的时间节点为2012年、2011年，这也是二者的主要差异。盘山灌区2008年建设实施的续建配套二期节水改造项目，在2012年前后项目基本达效，相对于2012年之前灌区水利用系数得到大幅度提升。因此，该评价结果与灌区实际情况保持较好的一致性，同时在权重计算和隶属度方面文章方法更加合理。

表5 灌区节水水平评价

当前，依据灌溉定额大小确定节水水平为我国大多数灌区节水评价的主要方法，在实际应用时该方法具有简便易行的优点，但无法体现农作物产出的变化特征。根据综合灌溉定额评价结果，盘山灌区属于耗水型的年份仅有2008年，其它时段为过渡型节水状态，所以还不够准确合理。可见，单一指标往往无法从整体上反映灌区的综合水平，而仅仅反映某一方面上灌溉的节水状况。根据文章所构建的模型，灌溉水和渠系水利用系数在耗水型阶段均处于较低水平，所对应的数值为0.332/0.501，灌区存在较大的节水潜力且整体节水水平不高；灌溉水和渠系水利用系数在过渡型阶段得到明显提升，相应的数值为0.488、0.556。虽然单方水粮食产量指标达到2.5kg/m3的较高水平，但其他指标较国外和全国平均水平仍存在一定的差距。所以，在综合净灌溉定额、单位灌溉取水量、灌溉水和渠系水利用系数等方面，盘山灌区仍有较大的提升空间，应加强节水管理和节水工程建设。

3 结 论

文章对灌区节水水平利用可变模糊循环迭代模型和云模型进行综合评价，该方法有效解决了隶属度存在的模糊性和随机性问题，更加合理的确定各指标权重。结果发现，盘山灌区2008-2017年节水水平整体呈不断上升趋势，仍需要进一步提升灌溉水水和渠系水利用系数。