梁軼飛

(桐城市水利局，安徽 安慶 231400)

0 引 言

農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展過程中占有重要地位，水資源的短缺不但影響著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，更成為制約國民經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的關鍵因素。近年來，城市化與現(xiàn)代化進程逐漸加速，大量的水資源投入到城市化建設中，農(nóng)業(yè)用水量逐年下降[1-2]。與此同時，城市化與工業(yè)化的快速發(fā)展造成水資源污染加重，水質(zhì)的惡化導致農(nóng)業(yè)用水量逐漸下降，且目前大部分地區(qū)依舊使用傳統(tǒng)的灌溉方式，技術較為落后，水資源浪費情況頻發(fā)，水利用系數(shù)較低，影響農(nóng)業(yè)發(fā)展。

灌溉在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中具有重要作用，為了推動農(nóng)業(yè)發(fā)展，我國政府開展了針對性技術改造，以提升灌溉效率。隨著灌區(qū)節(jié)水改造的完成，灌區(qū)的水資源利用率、社會經(jīng)濟效益得到極大的改善。相比普通灌區(qū)，大型灌區(qū)的面積較大，灌溉種類較多。為了更好地實施大型灌區(qū)節(jié)水改造工作，以往的研究構建出多種大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評估方法。如文獻[3]提出了一種應用歷史數(shù)據(jù)對大型灌區(qū)節(jié)水改造效果進行評估的方法。此方法具有評估效果準確的優(yōu)點，但計算量較大，使用復雜[3]。針對上述方法的使用問題，在本次研究中將選定牯牛背水庫灌區(qū)作為研究對象，應用i-Tree模型，優(yōu)化傳統(tǒng)大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評估方法。希望通過本次研究，為今后的灌區(qū)改造提供經(jīng)驗，實現(xiàn)水資源節(jié)約與生態(tài)環(huán)境改善的目標。

1 基于i-Tree模型的大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評估方法設計

通過對國內(nèi)外大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評估方法的分析結果，在現(xiàn)有研究成果的基礎上，運用經(jīng)濟學與數(shù)學構建i-Tree模型節(jié)水改造效益評估方法，具體內(nèi)容見圖1。

圖1 大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評估過程

本次研究將定性分析與定量分析相結合，對采集到的灌區(qū)數(shù)據(jù)進行處理后，帶入設定的評估過程中，完成效果評估。

1.1 效益評估指標設定

根據(jù)文獻研究結果，將評估指標設定為6類，大致可劃分為社會、環(huán)境、技術、生態(tài)、農(nóng)業(yè)以及其他6個領域。本次研究中，將主要對農(nóng)業(yè)灌溉指標展開優(yōu)化。具體指標如下：

1) 有效灌溉面積增長率。通過文獻研究可知，有效灌溉面積是利用灌溉工程進行正常灌溉的土地面積之和，具體公式如下：

(1)

式中：Q為有效灌溉面積增長率；m2為改造后有效灌溉面積增長值；m1為節(jié)水改造前有效灌溉面積。

2) 節(jié)水灌溉面積。此指標主要表示達到節(jié)水灌溉標準的土地面積。通常使用節(jié)水灌溉面積增長率表示。具體指標計算過程如下：

(2)

式中：Z為節(jié)水灌溉面積增長率；b1為改造后節(jié)水灌溉面積增長值；b2為節(jié)水改造前節(jié)水灌溉面積。

3) 穩(wěn)定灌溉面積。所謂的穩(wěn)定灌溉面積是指旱澇保收灌溉面積，在本次研究中使用穩(wěn)定灌溉面積增長率表示。

(3)

式中：Y為穩(wěn)定灌溉面積增長率；c1為改造后穩(wěn)定灌溉面積增長值；c2為節(jié)水改造前穩(wěn)定灌溉面積。

(4)

(5)

當計算結果為式(4)內(nèi)容時，指標取值越大越好。當計算結果為式(5)內(nèi)容時，指標取值越小越好。使用以上兩公式對采集到的指標原始數(shù)據(jù)進行整理與分析，為后續(xù)的評估提供指標基礎。

1.2 評估指標權重計算

(6)

(7)

上述公式中，包含多個目標函數(shù)，對此公式求解后可得到綜合權重計算結果。根據(jù)節(jié)水改造的工作特征，將式(7)的一階導數(shù)條件設定如下：

(8)

將上述公式展開，則有：

(9)

對上述公式進行求值，并對計算結果進行歸一化處理，則有：

(10)

將此計算結果代入式(6)中，得到評估指標計算權重。同時，根據(jù)此計算結果，對評級指標體系中的指標進行排序，具體結果見表1。

表1 評估指標權重排序

使用表1中內(nèi)容，結合傳統(tǒng)評估方法，完成大型灌區(qū)改造效益評估過程。

1.3 構建大型灌區(qū)改造效益評估模型

針對傳統(tǒng)效益評估方法的使用問題，在本次研究中選用i-Tree模型結合上述處理后的評估指標與指標權重，構建大型灌區(qū)改造效益評估模型。根據(jù)i-Tree模型使用需求，對構建的指標體系展開處理，僅保留必需指標作為評估結果的衡量條件。為了更好發(fā)揮節(jié)水改造后灌區(qū)效益，在本次研究中將年余數(shù)截留總量作為節(jié)水效益之一，并將其引入到剔除次要指標后的指標體系中，具體計算過程如下：

E=O*H*s

(11)

式中：O為大型灌區(qū)面積；H為灌區(qū)有效防滲表面率；s為區(qū)域內(nèi)年降水量。

將此指標增加到效益評估指標體系后，對指標的隸屬函數(shù)[8]展開計算，得到指標隸屬函數(shù)曲線。見圖2。

圖2 評估指標隸屬函數(shù)曲線

(12)

式中：r(j)為指標線性投影特征值。

使用式(12)得到指標的特征值，并將其應用到傳統(tǒng)評估方法中，得到新型評估模型，具體公式如下：

maxR(a)=DiHi

(13)

約束條件可設定為：

(14)

其中：a(i)為單一指標評估結果。

由上述公式，可得到最終效益評估結果。對上文中設計內(nèi)容進行整合后，將其引入傳統(tǒng)方法中，至此基于i-Tree模型的大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評估方法設計完成。

2 實驗論證分析

2.1 實驗環(huán)境

在本次研究中提出基于i-Tree模型的大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評估方法，此方法主要針對傳統(tǒng)評估方法在使用中的不足展開優(yōu)化，力求在傳統(tǒng)方法的基礎上，提升評估的準確性，降低評估方法的計算難度。構建實驗環(huán)節(jié)，并選取兩種傳統(tǒng)方法與新型方法進行對照實驗，分析此方法的使用效果。

本次實驗過程中，選取牯牛背水庫灌區(qū)作為實驗對象，獲取相應的數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)，為新型評估方法與傳統(tǒng)評估方法的對比提供基礎。牯牛背水庫灌區(qū)位于桐城市掛車河上流，洪水位93.64 m，校核洪水位97.83 m，對于下游與周圍的灌區(qū)至關重要。獲取該灌區(qū)近10年歷史數(shù)據(jù)，為本次研究提供基礎。在本次實驗過程中，計算量較大，需要使用高精度計算機完成實驗中的計算過程。

2.2 實驗條件

將歷史數(shù)據(jù)根據(jù)年限整合，使用新型評估方法與傳統(tǒng)方法對年限數(shù)據(jù)進行評估，得到評估結果。為了更好地完成實驗過程，預先獲取了近10年的灌區(qū)節(jié)水改造效益評估結果作為參照組，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 灌區(qū)節(jié)水改造效益評估結果

在本次實驗中，將灌區(qū)節(jié)水改造效益綜合評估結果劃分為3個等級，使用新型評估方法與傳統(tǒng)方法對牯牛背水庫灌區(qū)進行評估后，與預設結果進行對比，確定不同方法的評估精度。與此同時，選擇數(shù)據(jù)質(zhì)量以及指標選擇合理性作為其他實驗指標，對新型評估方法的使用效果加以分析。

2.3 實驗結果

見表3。

表3 評估結果分析

由實驗結果可以看出，新型評估方法的評估結果與預設結果較為一致，可見此評估方法的使用效果較好，使用此方法可得到可信度較高的評估結果。傳統(tǒng)方法的評估精度相對較差，與預設結果相差較大，通過此結果可知，傳統(tǒng)方法的評估精度相對較低，不利于獲取可信度較高的評估結果。為了對此結果展開更加細致的分析，將其體現(xiàn)為誤差率，具體圖像見圖3。

圖3 評估結果誤差值

根據(jù)圖3中數(shù)據(jù)可以看出，新型評估方法的評估結果誤差值控制在3%以內(nèi)，傳統(tǒng)方法評估結果誤差值基本在5%～10%左右。此兩種方法使用誤差差異明顯，證實了兩種方法的使用效果差異較大，且新型評估方法使用后不易造成誤差，可得到較好的評估結果。為了確定評估結果差異較大的原因，使用數(shù)據(jù)質(zhì)量指標對新型評估方法與傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)使用效果進行分析，具體結果見圖4。

圖4 評估方法數(shù)據(jù)質(zhì)量

由圖4中可知，新型評估方法的數(shù)據(jù)處理質(zhì)量較高，使用此部分數(shù)據(jù)對于評估結果的精度具有控制作用，可見新型評估方法的數(shù)據(jù)處理能力較好。傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)處理質(zhì)量較差，使用此兩種方法得到數(shù)據(jù)處理結果不足以應用到評估過程中，將此部分數(shù)據(jù)應用到評估過程中，會對評估結果造成一定的影響。綜合上述實驗結果可知，新型評估方法的數(shù)據(jù)處理能力較高。

對表4中數(shù)據(jù)進行分析后可以發(fā)現(xiàn)，新型評估方法指標適配性相對較高，將此指標與數(shù)據(jù)處理結果相結合，可得到可靠性較高的評估結果。傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2的指標適配性相對較低。與此同時，由上述實驗結果可知，傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)處理能力較差，得不到理想的評估結果。

表4 指標體系與評估數(shù)據(jù)適配性

對本次實驗中的3組實驗結果進行綜合分析后，可以確定新型評估方法具有相應的應用價值，且新型方法的評估結果可靠性較高，在今后的研究中可使用此方法對灌區(qū)節(jié)水改造效益進行評估，為其他灌區(qū)的改造提供經(jīng)驗。

3 結 語

針對傳統(tǒng)大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評估方法的使用問題，在本次研究中針對當前存在的問題，使用i-Tree模型傳統(tǒng)方法展開優(yōu)化。經(jīng)實驗驗證可知，文中提出的新型評估方法使用效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法，在一定程度上可有效解決傳統(tǒng)方法的使用效果，但也存在相應的問題。本次研究中主要對指標體系構建進行了細致的分析與規(guī)劃，根據(jù)評估方法的應用要求，增設了部分指標，豐富了評估指標體系的組成部分。對方法中的其他部分并未進行分析，在今后的設計中還需要針對其他部分的不足進行優(yōu)化與完善，以此提升評估方法的綜合利用效果。