王慧寧，劉 東,2,3,4，胡宇祥，尚關(guān)蕾(.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院， 哈爾濱 50030；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源提高利用重點實驗室，哈爾濱50030；3.黑龍江省糧食產(chǎn)能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，哈爾濱 50030；4.黑龍江省普通高校節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，哈爾濱 50030)

我國水資源相對貧乏，人口增長和社會經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致水資源的供需矛盾日益加劇。水資源匱乏將嚴重制約工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、人民生活水平的提高及社會、經(jīng)濟、環(huán)境的持續(xù)發(fā)展。我國水資源受季風(fēng)氣候和地理位置的共同影響分布極不均衡，旱澇災(zāi)害頻繁，灌溉農(nóng)業(yè)成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路，灌區(qū)的地位和作用愈顯重要。目前我國灌區(qū)普遍存在著工程標準低、配套不全、老化失修、滲漏損失嚴重、效益衰減等一系列工程問題，灌區(qū)水量損失的50%以上出現(xiàn)在輸水渠道[1]，形勢嚴峻，急需解決。

灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性反應(yīng)輸水系統(tǒng)的輸水能力及對灌區(qū)的適宜程度，并且直接影響灌區(qū)的經(jīng)濟社會效益?，F(xiàn)有的適宜性評價研究的主要方向為土壤[2]、耕地[3]、城市建設(shè)用地[4]等土地資源利用方面。針對灌區(qū)評價，研究成果較多，諸如灌區(qū)運行狀況評價[5]、節(jié)水改造效果評價[6]、生態(tài)效益評價[7]等，對灌區(qū)尤其是灌區(qū)的輸水系統(tǒng)進行適宜性評價尚屬少見。本文在總結(jié)前人研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展角度，綜合分析灌區(qū)輸水系統(tǒng)的輸水能力、效益生態(tài)及供需狀況等因素，進行灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性評價研究具有較強的必要性和前瞻性。灌區(qū)輸水系統(tǒng)領(lǐng)域的適宜性評價研究較少，目前國內(nèi)尚未形成比較系統(tǒng)的研究體系，有些評價指標沒有明確的標準可供遵循。因此，應(yīng)選擇能夠解決模糊性的問題且經(jīng)過實踐檢驗行之有效的方法對其進行評價。適宜性評價方法主要有[8]模糊綜合評判法、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、經(jīng)驗指數(shù)法、極限條件法和物元理論[9]，其中物元理論能夠以形式化的模型解決不相容的復(fù)雜問題，適用于多指標評價[10]。因此，本文采用結(jié)合模糊集和歐氏貼近度的物元模型，將層析分析法和熵權(quán)法引入權(quán)重計算，對蛤蟆通灌區(qū)、倭肯河灌區(qū)和江川灌區(qū)的輸水系統(tǒng)進行適宜性評價。

1 灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性內(nèi)涵辨析

適宜性評價研究主要見于土地適宜性評價，土地適宜性評價[11]是通過綜合分析土地的自然和社會屬性，探究土地對于預(yù)定用途的適宜與否及其適宜程度。應(yīng)用于灌區(qū)輸水系統(tǒng)進行適宜性評價則可以理解為根據(jù)灌區(qū)的現(xiàn)狀，從灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的角度研究灌區(qū)對于設(shè)計任務(wù)與目標是否適宜及其適宜程度。

輸水系統(tǒng)是灌區(qū)的最重要組成部分，其建設(shè)的好壞直接決定著灌區(qū)建設(shè)的成功與否，影響著灌區(qū)的正常運行。一個灌區(qū)若想平穩(wěn)健康的發(fā)展，必須有支持其正常運行的輸水系統(tǒng)。同時，灌區(qū)的輸水系統(tǒng)作為灌區(qū)的一部分，本身也應(yīng)具備一定的功能從而能夠適宜并促進灌區(qū)的發(fā)展。因此，灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的內(nèi)涵可以從以下幾個方面理解[12]：①從灌區(qū)輸水系統(tǒng)本身的功能考慮，灌區(qū)的輸水系統(tǒng)應(yīng)具備良好的輸水能力。②從灌區(qū)的建設(shè)任務(wù)、目標及今后發(fā)展的角度，主要表現(xiàn)在灌區(qū)的輸水系統(tǒng)能夠保證灌區(qū)正常運行，進而為灌區(qū)帶來一定的經(jīng)濟社會效益，以促進灌區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展。③從灌區(qū)的可持續(xù)性角度，灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境，關(guān)系到灌區(qū)能否可持續(xù)發(fā)展，對灌區(qū)非常重要。灌區(qū)輸水系統(tǒng)作為灌區(qū)的最重要組成部分，它在給灌區(qū)帶來經(jīng)濟社會效益的同時也對灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了一定的威脅，因此，灌區(qū)的輸水系統(tǒng)應(yīng)具備生態(tài)可持續(xù)性。④從供需平衡的角度，主要表現(xiàn)在灌區(qū)的輸水系統(tǒng)應(yīng)有合適的規(guī)模，合理的空間布局，其輸水能力應(yīng)能夠滿足灌區(qū)的用水需求而不造成浪費。

總之，灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性應(yīng)表現(xiàn)在其輸水能力能夠滿足灌區(qū)的用水需求而不造成浪費，又能夠為灌區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展起到一定的促進作用而不危害生態(tài)環(huán)境。

2 評價指標的確定

灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價的目的是綜合反映所評價灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜與否及適宜程度。灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的影響因素很多，依據(jù)灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性內(nèi)涵，主要考慮3個方面因素：輸水能力、效益生態(tài)及供需狀況。評價指標體系共分為3個層次[13]，分別為目標層、準則層和指標層。目標層為單一目標，將影響灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的3個影響因素作為準則層，準則層下面根據(jù)其內(nèi)涵劃分確定指標層，參考已有研究[1,14-17]，結(jié)合評價指標的可獲取性，選取輸水能力指標：輸水渠道襯砌率、渠道工程單位投資、灌溉面積率、單位灌溉面積用水量；效益生態(tài)指標：單位灌溉面積效益、農(nóng)民人均收入、地下水開采率；供需狀況指標：單位灌溉面積渠道長度、輸水渠道占地率，構(gòu)建灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價指標體系，如圖1所示。

圖1 灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價指標體系Fig.1 Irrigation water conveyance system suitability evaluation index system

3 模糊物元模型

3.1 模糊物元和復(fù)合模糊物元

事物名稱N關(guān)于特征c的量值v組成的有序三元組R=(N,c,v)，簡稱為物元。N，c和v稱為物元的三要素。具有模糊性的量值，便稱為模糊物元。N的n個特征c1,c2,…,cn和相應(yīng)的模糊量值v1,v2,…,vn組合在一起，稱為n維模糊物元，簡記為R=(N,c,v)。

m個事物的n維物元組合在一起，構(gòu)成了m個事物n維復(fù)合物元，記作Rm×n，若Rm×n中的量值為具有模糊性的量值，則稱為m個事物n維復(fù)合模糊物元，記作Rm×n[18]，見式(1)。

(1)

式中：Rm×n為m個事物n維復(fù)合模糊物元；uik為第i個事物第k項特征對應(yīng)的模糊量值，i=1,2,…,m，k=1,2,…,n。

3.2 從優(yōu)隸屬度原則

各單項評價指標的模糊量值隸屬于標準方案中相應(yīng)模糊量值的程度，稱為從優(yōu)隸屬度。以此建立的原則，稱為從優(yōu)隸屬度原則。一般有兩種類型的指標[18]，即越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型，采用如下公式分別計算其從優(yōu)隸屬度。

越大越優(yōu)型指標：

uik=Xik/maxXik

(2)

越小越優(yōu)型指標：

uik=minXik/Xik

(3)

式中：uik為從優(yōu)隸屬度，i=1,2,…,m，k=1,2,…,n；maxXik、minXik為所有評價指標Xik中的最大值和最小值。

3.3 標準模糊物元與差平方復(fù)合模糊物元

由Rm×n中各方案從優(yōu)隸屬度中的最大值或最小值確定標準模糊物元R0n，即：

(4)

標準模糊物元R0n與復(fù)合模糊物元Rm×n中各項差的平方構(gòu)成差平方復(fù)合模糊物元RΔ[18]，即：

(5)

式中：Δji=(u0i-uji)2，i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。

3.4 層次分析法和熵權(quán)法結(jié)合確定權(quán)重

根據(jù)已建評價指標體系，分別運用層次分析法[19]和熵權(quán)法[8]計算準則層權(quán)重ωi和指標層權(quán)重θj，進而得到指標的綜合權(quán)重[20]ψj。

3.5 歐氏貼近度和綜合評價

貼近度表征被評價方案與標準方案的貼近程度，其值越大表示兩者越接近，越小則相距較遠。多種計算公式可以用于計算兩物元的貼近度，考慮本文的評價意義，采用歐氏貼近度[21]計算。

(6)

式中：ρHj為第j個評價樣本與標準樣本的貼近度。

進而構(gòu)造歐氏貼近度復(fù)合模糊物元RρH，即：

(7)

根據(jù)式(7)計算出的貼近度大小可進行方案的優(yōu)劣排序，進而完成評價等別的劃分。

4 實例應(yīng)用

以黑龍江省農(nóng)墾紅興隆管理局蛤蟆通灌區(qū)、江川灌區(qū)及依蘭縣倭肯河灌區(qū)(見圖2)灌區(qū)現(xiàn)狀進行輸水系統(tǒng)適宜性評價。蛤蟆通灌區(qū)[22]始建于1979年，位于黑龍江省寶清縣境內(nèi),灌區(qū)總面積2.97萬hm2，設(shè)計灌溉面積2.08萬hm2。倭肯河[23]灌區(qū)始建于日偽時期，位于松花江右岸級支流倭肯河下游左岸河谷平原區(qū)依蘭縣境內(nèi)，灌區(qū)總土地面積3.4萬hm2，設(shè)計灌溉面積2.15萬hm2。江川灌區(qū)[24]始建于20世紀70年代，位于黑龍江省松花江下游南岸，樺川縣境內(nèi)，總面積4.49萬hm2，設(shè)計灌溉面積2.07萬hm2。

圖2 灌區(qū)位置圖Fig.2 Location of irrigations

以上3個灌區(qū)均為建設(shè)年代久遠的大型灌區(qū)，規(guī)模相似具備可比性，且都存在工程標準低、配套不全、老化失修、滲漏損失嚴重、效益衰減等一系列工程問題，這些問題嚴重制約著灌區(qū)的正常運行及灌區(qū)效益的充分發(fā)揮，選擇以上3個灌區(qū)進行輸水系統(tǒng)適宜性評價并進行比較，為灌區(qū)的節(jié)水改造提出建議。數(shù)據(jù)來源于各灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造實施方案。參考已有研究[1]和指標數(shù)據(jù)分布情況，根據(jù)灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性狀況，將其分為三級，Ⅰ級為高適宜，Ⅱ級為一般適宜，Ⅲ級為低適宜。各灌區(qū)評價指標數(shù)值及分級標準見表1。

4.1 建立評價模型

(1)根據(jù)表2數(shù)據(jù)，確定3個灌區(qū)及灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性3個分級標準中各評價指標的R6×9復(fù)合物元。

表1 灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價指標值及分級標準Tab.1 Irrigation water conveyance system suitability evaluation index and classification criteria

(2)根據(jù)步驟(1)確定的復(fù)合物元，由式(2)、式(3)確定從優(yōu)隸屬度。

(3)取步驟(2)中從優(yōu)隸屬度最大值構(gòu)成標準方案的模糊物元。進而由式(5)構(gòu)建差平方復(fù)合模糊物元RΔ。

(4)采用層次分析法計算準則層權(quán)重 ，熵權(quán)法計算指標層權(quán)重 ，進而確定各指標綜合權(quán)重 ，計算結(jié)果見表2。

表2 灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價指標權(quán)重 Tab.2 Irrigation water conveyance system suitability evaluation index weight

(5)采用式(6)、式(7)計算得到各灌區(qū)的歐氏貼近度RρH。

RρH=

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)計算出的貼近度，可得到灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性由強到弱為蛤蟆通灌區(qū)、倭肯河灌區(qū)、江川灌區(qū)。通過貼近度比較可看出蛤蟆通灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性為Ⅱ級，說明輸水系統(tǒng)的適宜性一般，基本能夠滿足灌區(qū)的正常發(fā)展需要，而倭肯河灌區(qū)和江川灌區(qū)輸水系統(tǒng)是適宜性為Ⅲ級，說明這兩個灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性較低，很大程度上阻礙了灌區(qū)的正常發(fā)展。3個灌區(qū)建設(shè)年代較為久遠，建設(shè)標準低，運行時間長，是其輸水系統(tǒng)適宜性程度不佳的主要原因。根據(jù)評價指標權(quán)重計算結(jié)果，輸水渠道的襯砌率、渠道工程單位投資、單位灌溉面積渠道長度及輸水渠道占地率對灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性影響較大。蛤蟆通灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性為Ⅱ級，但若管理不善，很有可能降至Ⅲ級。輸水渠道襯砌率和渠道工程單位投資較低，是導(dǎo)致倭肯河灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性較低的主要因素。江川灌區(qū)輸水渠道的襯砌率較低、單位灌溉面積渠道長度較長是造成江川灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性較低的主要原因。

5 結(jié) 語

通過對灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性進行評價得到以下結(jié)論。

(1)運用基于AHP-熵權(quán)法的模糊物元模型對灌區(qū)的輸水系統(tǒng)進行適宜性評價，選取多個影響灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的評價指標，構(gòu)建灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性評價指標體系，保證了評價結(jié)果的可靠性。主客觀權(quán)重相結(jié)合的權(quán)重確定方法，減少了評價指標權(quán)重確定過程中的主觀性，避免了客觀權(quán)重過于依賴于樣本數(shù)據(jù)的缺陷。結(jié)果準確、客觀的顯示了各灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性。

(2)適宜性評價結(jié)果顯示3個灌區(qū)輸水系統(tǒng)的適宜性程度距適宜灌區(qū)發(fā)展還有一定的差距，各灌區(qū)應(yīng)引起注意，輸水渠道的襯砌率、單位灌溉面積渠道長度、渠道工程單位投資及輸水渠道占地率為灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的主要影響因素，各灌區(qū)可在今后的續(xù)建配套與節(jié)水改造過程中加以重視。

(3)本文選取3個規(guī)模相似的灌區(qū)進行輸水系統(tǒng)適宜性評價是在全面反映灌區(qū)輸水系統(tǒng)總體狀況的基礎(chǔ)上，探究灌區(qū)輸水系統(tǒng)與灌區(qū)相互適宜、協(xié)調(diào)發(fā)展的程度，以切實提高灌區(qū)輸水系統(tǒng)適宜性的一次嘗試，對于評價指標及其評價標準的確定還需在今后的研究過程中不斷加以完善。

[1] 吳洪偉.中國重點中型灌區(qū)節(jié)水配套改造發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2012.

[2] Ande O T. Soil suitability evaluation and management for cassava production in the derived savanna area of southwestern Nigeria [J]. International Journal of Soil Science, 2011,6(2):142-149.

[3] Keshavarzi A, Sarmadian F, Ahmadi A. Spatially-based model of land suitability analysis using Block Kriging[J]. Australian Journal of Crop Science, 2011,5(12):1 533-1 541.

[4] Zhang X, Fang C, Wang Z, et al. Urban construction land suitability evaluation based on improved multi-criteria evaluation based on GIS (MCE-GIS): Case of New Hefei City, China[J]. Chinese Geographical Science, 2013,23(6):740-753.

[5] Seckler D, R K Sampath, S K Raheja. An index for measuring the performance of irrigation management systems with an application[J]. Water Resources Bulletin, 1998,24(4):855-860.

[6] Lilienfeld A, Asmild M. Estimation of excess water use in irrigated agriculture: a data envelopment analysis approach [J]. Agriculture water management, 2007,94(1):71-85.

[7] Ooi CA, Liew CL. An overview of irrigation, drainage and flood control projects in Malaysia[C]∥ Environmental impact assessment for irrigation, drainage and flood control. Malaysia: Proceeding of the national conference Kuala Terenggaun, 1994:13-17.

[8] 劉 鑫，王素芬，郝新梅. 紅崖山灌區(qū)機井空間布局適宜性評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(2)：101-109.

[9] 范樹平，劉友兆，張紅梅，等. 基于層次模糊物元模型的承接產(chǎn)業(yè)用地空間適宜評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(6)：266-276.

[10] 蔡 文. 物元模型及其應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)技術(shù)文獻出版社，1994.

[11] 陳守煜，柴春嶺，蘇艷娜. 可變模糊集方法及其在土地適宜性評價中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(3)：95-97.

[12] 許文娟. 城市公共交通與城市發(fā)展的適應(yīng)性研究[J]. 價值工程，2012，31(29)：108-109.

[13] 王少麗，劉大剛，許 迪，等. 基于模糊模式識別的農(nóng)田排水再利用適宜性評價[J]. 排灌機械工程學(xué)報，2015，33(3)：239-245.

[14] 楊松益. 內(nèi)蒙古大型灌區(qū)節(jié)水改造效益綜合評價方法與應(yīng)用研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[15] 趙阿麗. 灌區(qū)節(jié)水改造綜合效益評價和灌溉水資源合理配置研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2005.

[16] 徐詩涵，劉 東，包音濤濤. 響水灌區(qū)渠道輸水能力模糊綜合評價[J]. 節(jié)水灌溉，2014，(1)：69-71.

[17] 李慧伶，王修貴，崔遠來，等. 灌區(qū)運行狀況綜合評價的方法研究[J]. 水科學(xué)進展，2006，17(4)：543-548.

[18] 付 強.數(shù)據(jù)處理方法及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2006：339-341.

[19] 常建娥，蔣太立. 層次分析法確定權(quán)重的研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版)，2007，29(1)：153-156.

[20] 龍騰銳，趙 欣，林于廉，等.M-AHP-熵權(quán)組合賦權(quán)法在垃圾滲濾液處理技術(shù)評價中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境工程學(xué)報，2010，4(11)：2 455-2 460.

[21] 肖芳淳.模糊物元貼近度聚類分析的研究[J].新疆石油地質(zhì)，1999, 19(4)：281-283.

[22] 王宇平, 劉 蕊. 蛤蟆通灌區(qū)總干渠塌坡處理方案的選擇[J]. 水利科技與經(jīng)濟, 2013,19(1)：110-112.

[23] 秦洪玉. 倭肯河灌區(qū)建設(shè)對環(huán)境的影響評價[J]. 水利科技與經(jīng)濟, 2013, 19(6)：57-58.

[24] 張秀圣，趙宏偉，張 健.江川灌區(qū)改革措施與經(jīng)驗[J].水利科技與經(jīng)濟，2006，12(7): 413-414.