孫瑜輝 ，岳春芳，王慶杰，覃 姍，李藝珍

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

我國從20世紀(jì)90年代中期以來，不斷激發(fā)農(nóng)民，推動(dòng)農(nóng)戶參與灌溉管理[1]，田間節(jié)水灌溉運(yùn)行管理模式的運(yùn)用可使農(nóng)民灌溉管理水平不斷提高、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本條件得到改善，同時(shí)能夠促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)增收和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。2017年召開的水利援疆工作會(huì)議顯示，近5 a全疆(含兵團(tuán))發(fā)展高效節(jié)水灌溉面積累計(jì)達(dá)到333.6 萬hm2，并將繼續(xù)擴(kuò)大發(fā)展南北疆節(jié)水灌溉面積。自治區(qū)水利廳在水利工作會(huì)議上指出，要不斷加大南北疆田間節(jié)水建設(shè)力度，提高標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化建設(shè)和管理水平[2]。針對(duì)目前新疆部分地區(qū)農(nóng)田節(jié)水灌溉工程建成后，農(nóng)戶對(duì)田間灌溉運(yùn)行管理模式適用條件理解不到位、設(shè)備維護(hù)不足、管理不規(guī)范、盲目效仿其他管理模式等現(xiàn)象，需要采用綜合評(píng)價(jià)方法從不同管理模式中優(yōu)選出最適宜當(dāng)?shù)氐墓?jié)水灌溉運(yùn)行管理模式。因此采用經(jīng)濟(jì)的田間運(yùn)行管理模式是建設(shè)新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，對(duì)田間灌溉進(jìn)行規(guī)范化管理可充分發(fā)揮農(nóng)田小型水利工程的節(jié)水作用，同時(shí)也是推動(dòng)新型農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、高效節(jié)水經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要前提。

本文采用屬性識(shí)別理論結(jié)合熵權(quán)法確定權(quán)重的方法進(jìn)行綜合優(yōu)選。程乾生教授(1997)提出了屬性識(shí)別模型[3]，即有效解決有序分割問題的新型評(píng)價(jià)方法；李群教授(2002)在屬性識(shí)別基礎(chǔ)上，構(gòu)建了屬性區(qū)間識(shí)別理論模型[4]；張先起(2013)等人運(yùn)用熵權(quán)屬性識(shí)別模型比較不同壩系布局方案的優(yōu)劣[5]，選出符合小流域壩系的最優(yōu)方案；劉洋(2017)等人利用屬性區(qū)間識(shí)別模型進(jìn)行采礦方法的優(yōu)選，將灰色接近度判斷屬性級(jí)別與置信度準(zhǔn)則的選取進(jìn)行了對(duì)比，灰色接近度判斷屬性級(jí)別更客觀精確[6]。熵權(quán)屬性識(shí)別模型還用于水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)、地下水開采評(píng)價(jià)等多方面領(lǐng)域[7-9]。

1 建立屬性識(shí)別模型

1.1 屬性識(shí)別理論

節(jié)水灌溉田間管理模式的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有多屬性特征，屬性識(shí)別的指導(dǎo)思想是利用屬性集原理[3]，在研究空間對(duì)備選模式進(jìn)行屬性判斷，通過定量描述備選模式指標(biāo)值在研究空間上與標(biāo)準(zhǔn)值的屬性程度，最終識(shí)別評(píng)定出最優(yōu)方案。

設(shè)G為備選管理模式的全體，即研究對(duì)象空間或最大屬性集。Gi∈G(i=1,2,…,n) 為備選管理模式，B1，B2，…，Bm為管理模式Gi的m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，第i個(gè)模式Gi的第j個(gè)指標(biāo)Bj的測(cè)量值為gij(即指標(biāo)值)(1≤i≤n，1≤j≤m)。A為G中某類屬性空間，評(píng)價(jià)集(F1,F2,…,Fk)為屬性空間A的有序分割類，且滿足F1>F2>…,>Fk，表示管理模式的優(yōu)度依次減小。如已知每個(gè)指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣，寫成分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣如下：

F1F2…Fk

(1)

式中：bjk滿足bj1

1.2 指標(biāo)值屬性測(cè)度

在識(shí)別優(yōu)選管理模式前，首選要確定備選模式指標(biāo)趨近于標(biāo)準(zhǔn)值的程度，即屬性測(cè)度，其定義是指用一個(gè)數(shù)來定量表示屬性集A中的x個(gè)元素“x∈A”的程度，將這個(gè)數(shù)記為L(x∈A)或Lx(A)，稱它為x∈A的屬性測(cè)度。一般屬性測(cè)度為[0，1]。

計(jì)算指標(biāo)值gij具有屬性Fk的屬性測(cè)度υijk=υ(gij∈Fk)，則當(dāng)gij≤bj1時(shí)，取υij1=1，υij2=υij3=…=υijk=0；當(dāng)gij≥bjk時(shí)，取υijk=1，υij1=υij2=…=υijk-1=0；當(dāng)bjt≤gij≤bj(t+1)時(shí)，?。?/p>

(2)

1.3 管理模式級(jí)別判定與分析

(1)計(jì)算得到第i個(gè)模式的各指標(biāo)測(cè)量值的屬性測(cè)度之后，再分別計(jì)算第i個(gè)模式Gi在一級(jí)指標(biāo)中的屬性測(cè)度υik=υ(Gi∈Fk)。根據(jù)指標(biāo)權(quán)重可計(jì)算得到屬性測(cè)度υik：

(3)

1≤i≤n，1≤k≤K

(2)根據(jù)各模式的屬性測(cè)度進(jìn)行比較分析。若按照置信度準(zhǔn)則，對(duì)置信度λ(0.5≤λ≤1)一般取0.6～0.7，計(jì)算ki：

當(dāng)滿足上式時(shí)的分割空間為k，則Gi屬于Fki類。

置信度λ的具體值是人為確定的，為了盡量減少主觀因素的影響，引入灰色接近度[6]進(jìn)行模式級(jí)別判斷，進(jìn)一步驗(yàn)證管理模式Gi與理想模式屬性測(cè)度之間的灰色接近度，從而以最接近的值為依據(jù)確定模式的評(píng)價(jià)級(jí)別。記第k類理想模式的屬性測(cè)度υok=(1,1,…,1)，k=(1,2,…,K),則管理模式Gi的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與第k類的灰色接近系數(shù)為：

σijk=(1+|υijk-1|)-1

灰色接近度為：

(4)

k=1,2,…,K

管理模式Gi所屬類別, 根據(jù)比較K個(gè)接近度Rik與理想模式接近程度來判斷屬于Fki類。

(3)得到Gi屬于Fki類后再計(jì)算管理模式Gi的優(yōu)越度分?jǐn)?shù)，則根據(jù)pGi的大小對(duì)Gi進(jìn)行排序和分析。計(jì)算pGi：

或者k>t+1)

(5)

根據(jù)優(yōu)越度分?jǐn)?shù)pGi的大小對(duì)Gi進(jìn)行比較優(yōu)選出最適宜的管理模式。

2 指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定方法

(1)建立n個(gè)方案m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣：R=(gij)n×m。

(2)因各指標(biāo)計(jì)量單位不同，為了防止指標(biāo)同質(zhì)化，在綜合評(píng)價(jià)前先進(jìn)行歸一化處理，把指標(biāo)的值轉(zhuǎn)化為相對(duì)值。即將判斷矩陣歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣D如下：

(6)

式中：gmax、gmin分別為同指標(biāo)下的最大值和最小值。

(3)根據(jù)熵的定義，n個(gè)模式m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為：

為使lnfij有意義，一般需要假定當(dāng)fij=0時(shí)，fijlnfij=0。但當(dāng)fij=1時(shí)，lnfij也等于0，這顯然不切合實(shí)際，與熵所表述的含義相悖，因此，需對(duì)fij加以修正，將其定義為：

(8)

(4)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)W：

W=(ηj)1×m

(9)

3 管理模式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 確定指標(biāo)體系

管理模式的影響因素很多，如何使選取的指標(biāo)具有針對(duì)性和可行性，能夠反映管理模式的實(shí)際效果，對(duì)構(gòu)建指標(biāo)與模型的準(zhǔn)確性有很大影響。在詳細(xì)分析運(yùn)行管理模式特點(diǎn)及管理原則的基礎(chǔ)上[10,11]，構(gòu)建了節(jié)水灌溉運(yùn)行管理模式綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。以管理效益、經(jīng)濟(jì)效益、可持續(xù)效益3個(gè)準(zhǔn)則層出發(fā)，建立11個(gè)二級(jí)指標(biāo)。指標(biāo)體系見圖1。

圖1 節(jié)水灌溉運(yùn)行管理模式優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值

結(jié)合節(jié)水灌溉管理宗旨和各指標(biāo)在發(fā)揮管理作用時(shí)所占的比例，根據(jù)呼圖壁縣年鑒、實(shí)地調(diào)研、專家指導(dǎo)和前人研究經(jīng)驗(yàn)，擬定了節(jié)水灌溉管理模式優(yōu)選的指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，即管理效益、經(jīng)濟(jì)效益、可持續(xù)效益、綜合屬性優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，綜合屬性優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)值由3個(gè)二級(jí)指標(biāo)值確定。依據(jù)評(píng)價(jià)集(F1,F2,…,Fk)的定義，將評(píng)定等級(jí)分為3級(jí){Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ}，且滿足Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ，表示管理模式的優(yōu)度依次減小，因熵值法表示的值為越大越優(yōu)，而單位面積種植作物成本為越小越優(yōu)，因此表2經(jīng)濟(jì)效益標(biāo)準(zhǔn)值將“單位面積種植作物成本”、“單位面積系統(tǒng)運(yùn)行成本”采用負(fù)值表示的方式。為了便于分析和計(jì)算，定量指標(biāo)值計(jì)算單位用元/hm2，kg/hm2表示，定性指標(biāo)值用百分?jǐn)?shù)表示，見表1、表2、表3、表4。

表1 管理效益標(biāo)準(zhǔn)

表2 經(jīng)濟(jì)效益標(biāo)準(zhǔn)

表3 可持續(xù)效益標(biāo)準(zhǔn) %

表4 管理模式綜合標(biāo)準(zhǔn) %

4 實(shí)例分析

4.1 研究區(qū)概況

新疆昌吉州呼圖壁縣大豐鎮(zhèn)位于烏魯木齊市東北部100 km，西距石河子市50 km，處于呼圖壁縣西部距離縣城28 km，地處天山中段北麓、準(zhǔn)格爾盆地南緣，地形以平原為主，平均海拔460 m，處于中緯度西風(fēng)帶控制之下，平均氣溫6.7 ℃，年降水量167 mm，無霜期平均180 d。大豐鎮(zhèn)土地資源豐富，日照充足，熱量充沛，生產(chǎn)條件優(yōu)越，交通便利，全鎮(zhèn)面積453 km2，耕地面積1.23 萬hm2，主要種植作物為棉花。

根據(jù)實(shí)地調(diào)研選取了呼圖壁縣大豐鎮(zhèn)“農(nóng)業(yè)合作社+管理員”、“農(nóng)民用水協(xié)會(huì)+管理員”、“畜牧公司+農(nóng)戶”、“大戶自行管理”4種典型的運(yùn)行管理模式，但是依然有部分村鎮(zhèn)的農(nóng)戶在田間灌溉管理方面尚未形成統(tǒng)一的管理模式，設(shè)備維護(hù)術(shù)能力較薄弱，灌溉管理不規(guī)范，在種植、灌溉運(yùn)行等方面勞動(dòng)力投入較大，產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)收益提高緩慢等。針對(duì)這些情況，有待選擇一個(gè)適宜的管理模式，即可節(jié)約運(yùn)行成本和勞動(dòng)生產(chǎn)力，又提高經(jīng)濟(jì)收益。

本文從提升灌溉管理能力，節(jié)約運(yùn)行成本，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)循環(huán)發(fā)展等方面出發(fā)，對(duì)“農(nóng)業(yè)合作社+管理員”、“農(nóng)民用水協(xié)會(huì)+管理員”、“畜牧公司+農(nóng)戶”、“大戶自行管理”4種典型管理模式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選擇適宜的運(yùn)行管理模式，便于統(tǒng)一品種、種植、灌溉、施肥、病蟲害防治、田間管理、采摘、出售等，充分發(fā)揮節(jié)水灌溉技術(shù)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)農(nóng)戶采用先進(jìn)的管理方式，推動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)值

“農(nóng)業(yè)合作社+管理員”、“農(nóng)民用水協(xié)會(huì)+管理員”、“畜牧或灌溉公司+農(nóng)戶”、“大戶自行管理”4種管理模式，分別用G1、G2、G3、G4表示。管理模式定量評(píng)價(jià)指標(biāo)值參考實(shí)際調(diào)研獲取，定性評(píng)價(jià)指標(biāo)由專家對(duì)應(yīng)打分獲取。各指標(biāo)屬性值見表5。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)值

4.3 管理模式綜合評(píng)價(jià)

4.3.1 管理效益優(yōu)選

根據(jù)評(píng)價(jià)體系中管理效益的4個(gè)二級(jí)指標(biāo)，對(duì)4個(gè)模式中的管理效益進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)值見表1，管理效益的4個(gè)二級(jí)指標(biāo)值見表6。

表6 管理效益指標(biāo)值

(1)計(jì)算管理效益各指標(biāo)的權(quán)重。按照公式(6)對(duì)管理效益各指標(biāo)屬性值進(jìn)行歸一化處理得到矩陣D。

由公式(7)、(8)計(jì)算各指標(biāo)的熵Hj：

由公式(9)計(jì)算得到各指標(biāo)的權(quán)重W：

(2)由1.2節(jié)和公式(3)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算各類模式的屬性測(cè)度：

Ⅲ Ⅱ Ⅰ

(3)由公式(4)計(jì)算各模式在管理效益中與評(píng)定等級(jí)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)的灰色接近程度，進(jìn)一步驗(yàn)證管理效益中更有優(yōu)勢(shì)的管理模式，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 管理效益與標(biāo)準(zhǔn)值的灰色接近度

由表7可知，模式G1的評(píng)定等級(jí)為Ⅰ級(jí)，G2的等級(jí)為Ⅱ級(jí)，G3的等級(jí)為Ⅰ級(jí)，G4的等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

(4)由公式(5)計(jì)算各模式的管理效益優(yōu)越度，見表8。由表8可知，管理效益優(yōu)越度分值由高到低依次是G1為2.837、G3為2.121、G2為1.702、G4為1.634。

表8 各模式管理效益優(yōu)越度

4.3.2 經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)選

根據(jù)上述方法同樣計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的屬性測(cè)度，經(jīng)濟(jì)效益標(biāo)準(zhǔn)值見表2，經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)值見表5，各模式經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)越度計(jì)算結(jié)果見表9。

由公式(5)計(jì)算得出，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)越度分值由高到低依次是G3為2.546、G1為2.348、G4為2.328、G2為2.190。

4.3.3 可持續(xù)效益優(yōu)選

根據(jù)上述方法同樣計(jì)算可持續(xù)效益指標(biāo)的屬性測(cè)度，可持續(xù)效益標(biāo)準(zhǔn)值見表3，可持續(xù)效益指標(biāo)值見表5，各模式可持續(xù)效益優(yōu)越度分值計(jì)算結(jié)果見表10。

表9 各模式經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)越度

表10 各模式可持續(xù)效益優(yōu)越度

模式G1、G2、G3、G4在可持續(xù)效益指標(biāo)中的等級(jí)依次為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)。優(yōu)越度分值由高到低依次是G1為2.786、G2為2.056、G3為1.951、G4為1.479。

4.3.4 對(duì)4種模式的最終優(yōu)選

通過二級(jí)指標(biāo)的屬性測(cè)度計(jì)算，4種管理模式的綜合屬性值見表11。

表11 綜合屬性值

利用以上方法計(jì)算出各管理模式與標(biāo)準(zhǔn)值的灰色接近度見表12，各模式G1、G2、G3、G4等級(jí)依次為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)。分值排序見表13。

表12 綜合灰色接近度

表13 各模式綜合優(yōu)越度

模式的優(yōu)越度分值為：模式G1為2.916、模式G2為1.672、模式G3為2.269、模式G4為1.593。得到最適宜模式排序?yàn)椋耗Ｊ紾1、模式G2、模式G3、模式G4。因此，模式G1“農(nóng)業(yè)合作在+管理員”為最適宜管理方案，G3“畜牧公司+農(nóng)戶”管理模式可以作為備選方案。運(yùn)用熵權(quán)屬性識(shí)別模型在評(píng)價(jià)過程中能夠更加客觀精確地評(píng)選出最適宜管理模式，且計(jì)算結(jié)構(gòu)清晰明了。

5 結(jié) 語

農(nóng)田節(jié)水灌溉運(yùn)行管理模式的優(yōu)選需要從管理效益、經(jīng)濟(jì)效益、可持續(xù)效益等多方面綜合考慮，模式的優(yōu)選與指標(biāo)體系的構(gòu)建均需要綜合考慮指標(biāo)的屬性。選用熵權(quán)屬性識(shí)別模型應(yīng)用于農(nóng)田節(jié)水灌溉運(yùn)行管理方式的評(píng)選中，首先引入熵值法賦權(quán)的理論，通過熵值計(jì)算來確定各指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用屬性識(shí)別理論構(gòu)建了節(jié)水灌溉運(yùn)行管理模式綜合評(píng)價(jià)模型，在管理模式屬性空間上進(jìn)行屬性測(cè)度計(jì)算，通過灰色接近度計(jì)算指標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)值的接近程度，從而確定屬性評(píng)價(jià)等級(jí)，并根據(jù)計(jì)算優(yōu)越度分值確定最適宜管理模式。模型通過熵值法賦權(quán)能夠減少主觀賦權(quán)或指標(biāo)同等化因素，評(píng)價(jià)等級(jí)選擇用灰色接近度確定，避免因主觀選擇置信度的值而影響屬性測(cè)度的判斷，計(jì)算過程思路清晰、結(jié)果合理，為更多的節(jié)水灌區(qū)農(nóng)戶選擇合理、適宜的管理模式提供決策方法，在發(fā)展新型農(nóng)業(yè)灌溉管理方面，推動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。