任盼，費(fèi)良軍*，馮纏利，同海麗，姜瑞瑞，介飛龍，高旭艷，陳思遠(yuǎn)

?區(qū)域農(nóng)業(yè)水管理?

基于模糊層次分析法的節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)綜合評價(jià)

任盼1，費(fèi)良軍1*，馮纏利2，同海麗2，姜瑞瑞1，介飛龍1，高旭艷2，陳思遠(yuǎn)1

（1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；2.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，西安 710001）

【目的】全面系統(tǒng)評價(jià)大型灌區(qū)的生態(tài)健康狀況，為我國糧食安全及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供重要保障?！痉椒ā繌墓喔裙?jié)水系統(tǒng)、灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量、灌區(qū)生態(tài)資源、社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、服務(wù)管理體系及人文生態(tài)環(huán)境6個(gè)方面初步構(gòu)建了節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)綜合評價(jià)指標(biāo)體系，利用篩選模型從36個(gè)指標(biāo)中優(yōu)選出了19個(gè)評價(jià)指標(biāo)，表達(dá)了85.57%的信息，基于層次分析法和模糊綜合評價(jià)法，提出了節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)綜合評價(jià)模型，并對陜西省交口抽渭灌區(qū)進(jìn)行了綜合評價(jià)實(shí)證研究?！窘Y(jié)果】交口抽渭灌區(qū)處于中等健康水平，綜合評價(jià)等級優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格等級的隸屬度綜合得分分別為：0.224、0.169、0.409、0.159、0.039；準(zhǔn)則層的評價(jià)中，灌溉節(jié)水系統(tǒng)、灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量、灌區(qū)生態(tài)資源和社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)處于中等水平，服務(wù)管理體系和人文生態(tài)環(huán)境處于優(yōu)秀水平，并分析了交口抽渭節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)的健康性受到破壞的原因?！窘Y(jié)論】交口抽渭灌區(qū)的服務(wù)管理較好，但節(jié)水工程和灌區(qū)生態(tài)環(huán)境仍與現(xiàn)代化灌區(qū)存在一定差距。

節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)；模糊綜合評價(jià)；層次分析法；交口抽渭灌區(qū)

0 引言

灌區(qū)是一個(gè)綜合的“自然-人工-社會”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[1]，為我國糧食安全和農(nóng)業(yè)節(jié)水提供了重要保障。過去的灌區(qū)建設(shè)和管理的重點(diǎn)是灌區(qū)節(jié)水改造[2]，過度重視水利工程的經(jīng)濟(jì)效益，而忽略了灌區(qū)工程的健康運(yùn)行及對生態(tài)環(huán)境的影響[3]，導(dǎo)致土壤次生鹽堿化、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、灌區(qū)水環(huán)境污染、地下水埋深下降等問題突出，而解決這些問題的前提是需要將灌區(qū)視為一個(gè)完整可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)，建立節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)理念[4]。目前對于節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)的嚴(yán)格定義尚不統(tǒng)一[5]，綜合來說，實(shí)現(xiàn)“自然-社會-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”可持續(xù)和諧發(fā)展、達(dá)到水資源開發(fā)利用高效、渠系工程布局合理、水-植物-土壤生態(tài)系統(tǒng)健康、灌區(qū)建設(shè)與流域生態(tài)環(huán)境發(fā)展相協(xié)調(diào)是節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)的核心內(nèi)容[6-7]?！狙芯恳饬x】依據(jù)節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)內(nèi)涵要求，針對灌區(qū)突出的生態(tài)環(huán)境惡化、生產(chǎn)力水平低等問題，進(jìn)行灌區(qū)健康評價(jià)有助于發(fā)現(xiàn)灌區(qū)存在的主要問題并有針對性地構(gòu)建節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

【研究進(jìn)展】關(guān)于灌區(qū)綜合評價(jià)的研究，方延旭等[8]建立了灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系，包括結(jié)構(gòu)屬性、生態(tài)環(huán)境、整體功能性及社會經(jīng)濟(jì)要素的指標(biāo)，并采用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的二級模糊綜合評價(jià)法評估北野廠再生水灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況；Wang等[9]基于shapely值將模糊綜合評價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)法、拉開檔次法、主成分分析法、熵權(quán)法進(jìn)行動態(tài)組合建立灌區(qū)綜合評價(jià)模型，構(gòu)建的指標(biāo)體系包括灌區(qū)工程保障、管理水平、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展5個(gè)方面；Zhang等[10]以生態(tài)環(huán)境、現(xiàn)代化水平、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與效益3個(gè)方面建立了灌區(qū)健康評價(jià)指標(biāo)體系。在綜合評價(jià)方法方面，模糊評價(jià)法[11]、主成分分析法[12]、灰色關(guān)聯(lián)法[13]等廣泛應(yīng)用于灌區(qū)綜合評價(jià)研究。其中，主成分分析法在第一個(gè)主成分分量的貢獻(xiàn)率<85%時(shí)，結(jié)果具有多重性且無評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；灰色關(guān)聯(lián)法只適用于指標(biāo)較少的簡單模型，在評價(jià)過程中與方案極值高度一致，影響評估的穩(wěn)定性。而模糊綜合評價(jià)以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)最大隸屬度原則將定性、定量評價(jià)指標(biāo)利用隸屬度函數(shù)求出各方案的隸屬等級進(jìn)行綜合評判?！厩腥朦c(diǎn)】然而，先前的灌區(qū)評價(jià)體系主要基于灌區(qū)的工程、運(yùn)行管理以及經(jīng)濟(jì)效益等內(nèi)容建立，考慮灌區(qū)生態(tài)環(huán)境因素較少，不能體現(xiàn)節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)的內(nèi)涵，而且在評價(jià)指標(biāo)較多時(shí)，一方面權(quán)重難以分配，另一方面即使確定了權(quán)重分配，由于要滿足歸一性，每一指標(biāo)分配的權(quán)重必然很小。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于此，本文依據(jù)節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)的概念及內(nèi)涵要求，構(gòu)建節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)健康評價(jià)指標(biāo)體系，應(yīng)用模糊評價(jià)-層次分析相結(jié)合的模型評價(jià)節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)健康水平，并以陜西省交口抽渭灌區(qū)為例對模型進(jìn)行驗(yàn)證，以期為大中型灌區(qū)的生態(tài)健康性診斷提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 評價(jià)指標(biāo)體系的確立

1.1.1 評價(jià)指標(biāo)海選

節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)具有“生態(tài)系統(tǒng)健康、資源高效利用、灌區(qū)科學(xué)管理、工程設(shè)施配套、經(jīng)濟(jì)效益良好”的特征。本文依據(jù)節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)的概念及內(nèi)涵要求[14]，在借鑒國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上[11, 15-16]，結(jié)合我國灌區(qū)的實(shí)際建設(shè)狀況，采用階梯層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)體系，并遵循科學(xué)性、可行性、全面性相結(jié)合的原則，選取相互獨(dú)立、易獲取、可量化指標(biāo)組成節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)健康評價(jià)指標(biāo)體系。本文初步構(gòu)建的評價(jià)體系分為3層：以灌區(qū)合理建設(shè)并健康可持續(xù)運(yùn)行作為目標(biāo)層，以灌溉節(jié)水系統(tǒng)、灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量、灌區(qū)生態(tài)資源、社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、服務(wù)管理體系及人文生態(tài)環(huán)境6個(gè)方面作為指標(biāo)體系的準(zhǔn)則層，對準(zhǔn)則層分解獲得36個(gè)評價(jià)指標(biāo)作為指標(biāo)層，初選的指標(biāo)體系如表1所示。

表1 節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)健康評價(jià)初選指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)符合度

注 M、V、P、T、C、R、S分別表示指標(biāo)的可測性、敏感性、可預(yù)測性、典型性、可控性、響應(yīng)性、穩(wěn)定性；指標(biāo)19畝均用水量下降率=（灌區(qū)5 a平均畝均用水量-灌溉定額）/灌溉定額。

1.1.2 評價(jià)指標(biāo)初篩

為保證對節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評價(jià)，借鑒Dale等[17]的研究，單個(gè)指標(biāo)入選原則為8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：可測性（Measurability，M），敏感性（Vulnerability，V），可預(yù)測性（Predictability，P），典型性（Typicality，T），可控性（Controllability，C），整體性（Integrity，I），響應(yīng)性（Responsibility，R），穩(wěn)定性（Stability，S）。其中，整體性是針對整個(gè)指標(biāo)體系構(gòu)建，經(jīng)全面統(tǒng)計(jì)的上述指標(biāo)體系已滿足該要求。逐一確認(rèn)每個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)符合度，如表1所示，發(fā)現(xiàn)25個(gè)指標(biāo)符合的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量不少于5個(gè)，可以直接保留：其他11項(xiàng)指標(biāo)符合的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量少于5個(gè)，故予以剔除。

1.1.3 評價(jià)指標(biāo)優(yōu)化篩選

本文采用評價(jià)指標(biāo)選擇模型[18]對指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選，構(gòu)建的步驟分為：構(gòu)建關(guān)系矩陣(j×g)、構(gòu)建入選標(biāo)準(zhǔn)度矩陣(g×7)、評價(jià)指標(biāo)優(yōu)化。

經(jīng)過初步篩選的評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建關(guān)系矩陣(j×g)，其中是指標(biāo)體系中第-1層的第個(gè)指標(biāo)，是指標(biāo)體系中第層的第個(gè)指標(biāo)。當(dāng)?shù)趯拥闹笜?biāo)與第1層的指標(biāo)有關(guān)聯(lián)時(shí)，r的值為1，否則r的值為0。

根據(jù)不包括整體性的7個(gè)原則，建立行7列的入選標(biāo)準(zhǔn)矩陣(g×7)來選取指標(biāo)，當(dāng)某指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)時(shí)c=1，否則為0。

若某指標(biāo)滿足可測、敏感、典型、可控及穩(wěn)定5個(gè)入選標(biāo)準(zhǔn)，則直接入選，其余指標(biāo)待定。根據(jù)以上原則，構(gòu)建向量，滿足標(biāo)準(zhǔn)的值為1，否則為0。

為保證指標(biāo)體系的完備性與簡潔性，目標(biāo)函數(shù)可設(shè)為：

式中：c為第個(gè)指標(biāo)的取值，c=1表示第個(gè)指標(biāo)入選，否則被刪除。當(dāng)指標(biāo)滿足5個(gè)及5個(gè)以上標(biāo)準(zhǔn)時(shí)保留，即：

構(gòu)建向量=[c1,c2,…,c]，為保證指標(biāo)層之間互相聯(lián)系，則需要滿足：

為保證指標(biāo)體系的完備性，所有指標(biāo)的權(quán)重之和需達(dá)到一定精度，選擇主成分分析法常用的0.85作為指標(biāo)完備性的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

式中：W=[W1,W2,…,W]是所有指標(biāo)權(quán)重構(gòu)成的矩陣。

1.1.4 節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)評價(jià)指標(biāo)優(yōu)化篩選

確定各指標(biāo)的權(quán)重是指標(biāo)優(yōu)化篩選的條件，對經(jīng)初步篩選后保留的25個(gè)指標(biāo)采用層次分析法計(jì)算獲得各指標(biāo)的權(quán)重，如表2所示。

表2 初選指標(biāo)權(quán)重

據(jù)式（1）—式（3），結(jié)合初篩后的25個(gè)評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建入選標(biāo)度矩陣（25×7），關(guān)系矩陣（25×6），×T分別為：

=[1,c2,1,1,c5,c6,1,1,1,1,1,c12,1,1,1,c16,1,1,1,c20,c1,1,1,1,1]，可見有c2等7個(gè)指標(biāo)不能確定是否保留。

CI×R=[3+c2,2+c5+c6,4+c12,2+c16,3+c20,4+c1]>0，由于c為0或1，則CI×R>0的條件已經(jīng)滿足，表明指標(biāo)體系間具有聯(lián)系性。

選擇主成分分析法對指標(biāo)進(jìn)行刪減，采用公式×W>0.85確保指標(biāo)的完備性與整體性。

×W=[1,c2,1,1,c5,c6,1,1,1,1,1,c12,1,1,1,c16,1,1,1,c20,c1,1,1,1,1]×W=0.812 5+0.024 4c2+0.032 6c5+0.040 8c6+0.043 2c12+0.016 6c16+0.008 7c20+0.021 6c21>0.85，則0.024 4c2+0.032 6c5+0.040 8c6+0.043 2c12+0.016 6c16+0.008 7c20+0.021 6c21>0.037 5，因?yàn)?i>c=0或1，要使上式大于0.037 5，則c不能全為0。

故本文將36個(gè)指標(biāo)優(yōu)化到19個(gè)指標(biāo)入選節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系，如表3所示。最終計(jì)算×W的值為85.57%，表示本文建立的指標(biāo)體系用52.78%的指標(biāo)表達(dá)了85.57%的信息，可全面反應(yīng)節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)的各種屬性，并保證了指標(biāo)的簡潔與整體性。

表3 優(yōu)化后的節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注 各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)在參照文獻(xiàn)[11, 19]的基礎(chǔ)上確定。

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是利用模糊層次分析模型評價(jià)的基礎(chǔ)，直接影響評價(jià)結(jié)果的合理性。本研究各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)在參照國家適用標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)研究成果[11, 19]的基礎(chǔ)上確定，如表3所示，各指標(biāo)的健康級別分為“優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格”5級，以反映灌區(qū)健康狀況從優(yōu)到劣的變化。

1.2 節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)健康評價(jià)模型的構(gòu)建

考慮到節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)的評價(jià)指標(biāo)涉及因素較多，因素屬性跨越自然、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會等多個(gè)領(lǐng)域，且是定性與定量指標(biāo)結(jié)合，一方面需要每個(gè)指標(biāo)都涉及，另一方面要保證每個(gè)指標(biāo)信息的全面性，因此采用模糊評價(jià)和層次分析相結(jié)合的方法，首先運(yùn)用層次分析法建立遞階結(jié)構(gòu)，計(jì)算指標(biāo)層權(quán)重，其次利用多層次模糊綜合評價(jià)法對灌區(qū)現(xiàn)狀做出評估。其模型構(gòu)建可分為4個(gè)步驟：建立因素集和評語集、確立指標(biāo)權(quán)重集、構(gòu)建模糊評判矩陣和模糊層次綜合評判。

1.2.1 建立因素集和評語集

節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)中的因素集為評價(jià)對象的指標(biāo)體系組成的集合，即=(1,2, …,36)。表示灌溉節(jié)水系統(tǒng)、灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量、灌區(qū)生態(tài)資源、社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、服務(wù)管理體系及人文生態(tài)環(huán)境6類評價(jià)指標(biāo)的集合，u表示第項(xiàng)指標(biāo)。根據(jù)灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，將其劃分為5級并組成評價(jià)集=(1,2, …,5)，對應(yīng)的評語等次為=（優(yōu)秀，良好，中等，及格，不及格），反映灌區(qū)總體狀況從優(yōu)到劣的變化。

1.2.2 確定指標(biāo)權(quán)重集

運(yùn)用層次分析法確定指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，從準(zhǔn)則層開始，采用比例標(biāo)度法將同一層次的兩兩指標(biāo)進(jìn)行比較并確定相對重要性，準(zhǔn)則層及指標(biāo)層重復(fù)該操作并構(gòu)造判斷矩陣，即=(a)×n，各標(biāo)度含義如表4所示。通過計(jì)算判斷矩陣的最大特征根max及其對應(yīng)的特征向量，即=max，將特征向量歸一化作為指標(biāo)體系中的權(quán)重。求特征向量常用的方法有和積法和方根法，本研究采用和積法求判斷矩陣的最大特征根和對應(yīng)的特征向量。具體做法如下：

矩陣中的元素按列均一化，即

將歸一化后的矩陣的同一行的元素相加，即

其對應(yīng)向量=(1,2,…,w)即為各指標(biāo)的權(quán)重向量。

表4 各標(biāo)度數(shù)值含義

注a為因素之間的相對重要性比值。

為滿足對高維判斷矩陣的一致性要求，采用一致性指標(biāo)和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，的值如表5所示。

表5 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的值

1.2.3 構(gòu)建模糊評判矩陣

構(gòu)造模糊評判矩陣的關(guān)鍵是確定各個(gè)指標(biāo)的隸屬度，為消除各等級間數(shù)值相差不大而評語等級可能相差一級的跳躍現(xiàn)象，構(gòu)造隸屬度函數(shù)時(shí)參照文獻(xiàn)[8]可將其進(jìn)行模糊化處理。對于2、3、4這3個(gè)中間區(qū)間，令指標(biāo)值落在區(qū)間中間隸屬度最大，由中間向兩側(cè)按線性遞減處理；對于1、5這2個(gè)邊界區(qū)間，令距離臨界值越遠(yuǎn)，屬二側(cè)區(qū)間的隸屬度越大，構(gòu)造的隸屬函數(shù)如式（12）—式（16）。針對節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)影響因素特征，對于定量的正向指標(biāo)（如灌溉水利用系數(shù)），各指標(biāo)隸屬度直接運(yùn)用上式計(jì)算；對于定量的負(fù)向指標(biāo)（如鹽漬化指數(shù)）隸屬度計(jì)算時(shí)將上式中“＞”、“＜”、“≥”、“≤”分別互換。

式中：1為“優(yōu)秀”與“良好”的臨界值，3為“良好”與“中等”的臨界值，5為“中等”與“及格”的臨界值，7為“及格”與“不及格”的臨界值，2為1和3的平均值，4為3和5的平均值，6為5和7的平均值。

對于定性指標(biāo)，各評語隸屬度的確定如表6所示。

表6 定性指標(biāo)隸屬度評價(jià)矩陣

根據(jù)各指標(biāo)特征，由隸屬度函數(shù)計(jì)算各準(zhǔn)則層隸屬度矩陣1、2、3、4、5、6合并為隸屬度矩陣。根據(jù)最大隸屬度原則判斷6個(gè)準(zhǔn)則層的健康級別。

式中：r表示第個(gè)指標(biāo)屬于第級別的隸屬度。

1.2.4模糊層次綜合評判

根據(jù)指標(biāo)權(quán)重集和模糊評判矩陣，得出灌區(qū)在5個(gè)健康級別的隸屬度矩陣，采用最大隸屬度原則判斷灌區(qū)健康狀態(tài)。

式中：為指標(biāo)權(quán)重集；為模糊評判矩陣。

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況

交口抽渭灌區(qū)是一座灌排并舉的大型電力抽排工程，地處陜西省關(guān)中東部（北緯34°33′20″—34°50′00″，東經(jīng)109°15′25″—109°48′45″），地理位置如圖1所示，屬暖溫帶半干旱季風(fēng)區(qū)，降水年內(nèi)分布不均，蒸發(fā)量大。灌區(qū)西起臨潼區(qū)石川河，東到大荔縣沙苑地區(qū)，南起渭河北岸，北到蒲城鹵泊灘，灌區(qū)總面積10.24億hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積7.93億hm2，有效灌溉面積7.53億hm2，轄灌西安、渭南兩市的臨潼、閆良、臨渭、富平、蒲城、大荔六縣（區(qū)）21個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)丝?7.25萬人。該工程于20世紀(jì)分兩期建成，1966年一期工程建成通水，1970年4月全面建成通水。經(jīng)過50 a的運(yùn)行，灌區(qū)糧食持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，累計(jì)抽水104.9億m3，累計(jì)生產(chǎn)糧食187.24億kg，棉花4.77億kg，是陜西省農(nóng)業(yè)發(fā)展、糧食安全的重要保障。

圖1 研究區(qū)位置

2.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)評價(jià)指標(biāo)體系搜集交口抽渭灌區(qū)2020年的統(tǒng)計(jì)資料，原始數(shù)據(jù)主要來自《陜西省交口抽渭灌區(qū)“十四五”續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造可行性研究報(bào)告》、《陜西省水利統(tǒng)計(jì)年鑒2020》、《陜西省水資源公報(bào)2020》及以前學(xué)者的研究成果[20-21]等，部分?jǐn)?shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)地市2020年統(tǒng)計(jì)年鑒、國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、水資源公報(bào)等資料確定。

2.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算與分析

本文應(yīng)用層次分析法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)比例標(biāo)度法（表4）對將指標(biāo)體系中同一層指標(biāo)相對于上一層指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣-，運(yùn)用和積法對判斷矩陣進(jìn)行歸一化后并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，準(zhǔn)則層的判斷矩陣如表7所示，灌溉節(jié)水系統(tǒng)中指標(biāo)層權(quán)重的計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表7 判斷矩陣A-B及權(quán)重

注max= 6.036 8,= 0.007 2,= 1.240 0,= 0.005 8< 0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。

表8 灌溉節(jié)水系統(tǒng)（B1）中指標(biāo)層權(quán)重表

注max= 6.395 9,= 0.077 9,= 1.240 0,= 0.062 8 < 0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。

運(yùn)用同樣賦權(quán)方法對灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量、灌區(qū)生態(tài)資源、社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、服務(wù)管理體系及人文生態(tài)環(huán)境中指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，依次計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果如表9所示。由此可計(jì)算出41個(gè)指標(biāo)的最終權(quán)重，指標(biāo)最終權(quán)重等于指標(biāo)層相對準(zhǔn)則層權(quán)重與準(zhǔn)則層相對目標(biāo)層權(quán)重的乘積，如灌溉水利用系數(shù)5最終權(quán)重為0.242 3×0.546 9=0.132 5。

表9 節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)健康評價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重

在節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系中，從準(zhǔn)則層來看（表7），灌溉節(jié)水系統(tǒng)、灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量和灌區(qū)生態(tài)資源的權(quán)值最大，均為0.242 3，表明這3方面在灌區(qū)建設(shè)與管理中最重要，人文生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)次之，服務(wù)管理體系權(quán)值最小，僅為0.053 4。在指標(biāo)層中（表7），地表水氨氮質(zhì)量濃度（10）的權(quán)重為0.161 5，其數(shù)值最大，反映出地表水環(huán)境污染程度是灌區(qū)最關(guān)注的指標(biāo)，其次灌溉水利用系數(shù)（5）、節(jié)水灌溉覆蓋率（6）、鹽漬化指數(shù)（18）、地表水水質(zhì)（13）及化肥使用強(qiáng)度（35）的權(quán)重也相對較高，說明灌區(qū)運(yùn)行中較注重節(jié)水體系與生態(tài)環(huán)境，而體現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和服務(wù)管理體系的指標(biāo)權(quán)重相對較小，“兩費(fèi)”落實(shí)情況（28）及灌溉管理人員業(yè)務(wù)素質(zhì)（26）這2個(gè)指標(biāo)的權(quán)重均小于0.02，其中，灌溉管理人員業(yè)務(wù)素質(zhì)（26）占有的權(quán)重比值最小，為0.009 3。上述結(jié)果同灌區(qū)實(shí)際狀況基本一致，主要以節(jié)水及保護(hù)生態(tài)環(huán)境為主要目標(biāo)，對社會效應(yīng)及服務(wù)管理等關(guān)注較少。

2.4 模糊綜合評價(jià)計(jì)算與分析

以交口抽渭灌區(qū)為例開展節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)模糊綜合評價(jià)，按照隸屬度函數(shù)式（12）—式（16）及表6分別確定各指標(biāo)隸屬度，各指標(biāo)現(xiàn)狀值及計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 各指標(biāo)現(xiàn)狀值及隸屬度計(jì)算結(jié)果

交口抽渭灌區(qū)的灌溉節(jié)水系統(tǒng)（1）、灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量（2）、灌區(qū)生態(tài)資源（3）、社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)（4）、服務(wù)管理體系（5）及人文生態(tài)環(huán)境（6）的評價(jià)結(jié)果如下：

以1、2、3、4、5、6構(gòu)成節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)綜合評價(jià)的隸屬度矩陣，則綜合評價(jià)結(jié)果為：=×=[0.224, 0.169, 0.409, 0.159, 0.039]。

根據(jù)分級情況，交口抽渭灌區(qū)在優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格級別的隸屬度綜合得分分別為：0.224、0.169、0.409、0.159、0.039，按照最大隸屬度原則，交口抽渭灌區(qū)的健康狀況屬于中等級別。目標(biāo)層及各個(gè)準(zhǔn)則層評價(jià)等級如圖2所示，交口抽渭灌區(qū)的灌溉節(jié)水系統(tǒng)處于中等狀態(tài)的隸屬度綜合得分為0.532，制約因素主要是灌溉水利用系數(shù)（5）和節(jié)水灌溉覆蓋率（6）；灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量處于中等狀態(tài)的隸屬度為0.400，制約因素主要是地表水氨氮質(zhì)量濃度（10）；灌區(qū)生態(tài)資源處于中等狀態(tài)的隸屬度為0.523，制約因素主要是地下水水質(zhì)（14）、地表水水質(zhì)（13）和地下水利用指數(shù)（12）；社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)處于中等狀態(tài)的隸屬度為0.677，制約因素主要是畝均用水量下降率（19）；在服務(wù)管理體系和人文生態(tài)環(huán)境方面，隸屬于優(yōu)秀的得分分別為0.746、0.528，但人文生態(tài)環(huán)境方面在及格和不及格級別的隸屬度綜合得分仍分別有0.128和0.245，制約因素主要是生活垃圾無害化處理率（33）和生活污水處理率（32）。由此可知，交口抽渭灌區(qū)的服務(wù)管理較好，但灌溉節(jié)水、生態(tài)環(huán)境保護(hù)仍處于中等水平，表明之前的灌區(qū)節(jié)水改造工程較重視經(jīng)濟(jì)效益，而忽略了對生態(tài)環(huán)境的影響。

圖2 節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)綜合評價(jià)級別

3 討論

節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)是提高灌區(qū)水資源利用效率、改善灌溉條件、保障糧食安全和促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。交口抽渭灌區(qū)作為西北干旱地區(qū)典型的提水灌區(qū)，對灌區(qū)健康狀況進(jìn)行客觀的綜合評價(jià)，研究灌區(qū)存在的主要問題并提出對策，能夠促進(jìn)大型灌區(qū)可持續(xù)健康發(fā)展。與尹杰杰等[22]僅采用模糊綜合評判法和崔金濤等[11]僅采用層次分析法的研究相比，本文構(gòu)建的集成模糊-層次分析綜合評價(jià)模型，優(yōu)勢在于用定量化的方法消除指標(biāo)的不確定性，并將評價(jià)指標(biāo)體系分成遞階層次結(jié)構(gòu)，運(yùn)用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，分層次進(jìn)行模糊綜合評判，得到的評價(jià)結(jié)果更加客觀。此外，費(fèi)良軍等[23]在大型灌區(qū)運(yùn)行狀況綜合評價(jià)中，指標(biāo)體系主要包括水源保證情況、工程配套率、管理措施指標(biāo)、節(jié)水節(jié)能與增產(chǎn)指標(biāo)及生態(tài)環(huán)境等指標(biāo)，雖考慮了生態(tài)效益部分，但未對節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)復(fù)合系統(tǒng)的整體評價(jià)展開深入研究，本文重點(diǎn)考慮了灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量、灌區(qū)生態(tài)資源及人文生態(tài)文化等方面指標(biāo)。但節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)綜合評價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及生態(tài)、景觀、經(jīng)濟(jì)、人文、水體物理、化學(xué)及生物等多方面因素，而我國灌區(qū)類型多樣，因此對于評價(jià)指標(biāo)的選取、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定都待進(jìn)一步研究和完善，并且隨著社會的發(fā)展，對灌區(qū)運(yùn)行狀況的評估要求越來越高，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不同等級范圍的劃分也會隨之改變。

根據(jù)模糊層次分析綜合評價(jià)結(jié)果，交口抽渭灌區(qū)在服務(wù)管理體系方面已有了一定的提升，但在灌溉節(jié)水系統(tǒng)、灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量、灌區(qū)生態(tài)資源、人文生態(tài)環(huán)境及社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)方面與現(xiàn)代化節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的差距。在通過多次實(shí)地調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，交口抽渭灌區(qū)的健康性受到威脅的原因主要包括：一方面，工程灌溉供水保障能力不足，灌區(qū)水源單一，受渭河來水影響大，因水源河段控導(dǎo)工程水毀嚴(yán)重，易造成枯水期間灌溉取水脫流，灌區(qū)骨干渠系和田間末級渠系工程老化失修，輸水損失嚴(yán)重，水資源利用效率較低；另一方面，灌區(qū)排水溝系由于運(yùn)行時(shí)間長，年久失修，導(dǎo)致溝內(nèi)雜草叢生，岸坡剝蝕、塌落以及人們隨意傾倒垃圾形成淤積，使得灌區(qū)排水不暢，部分農(nóng)田產(chǎn)生明水，造成地下水位上升、土壤鹽漬化；加之目前灌區(qū)人民生態(tài)節(jié)水意識較差，生活垃圾規(guī)范化處理不足，生產(chǎn)生活污水無處理排入排水溝，農(nóng)田過量使用農(nóng)藥化肥產(chǎn)生面源污染，忽略了對環(huán)境的污染，使灌區(qū)的生態(tài)健康進(jìn)一步惡化。因此，交口抽渭灌區(qū)應(yīng)有針對性的對輸水運(yùn)行中存在砌護(hù)損壞、積水、滲漏等問題進(jìn)行修復(fù)改造，在以后的管理中以配套完善灌溉排水工程、保護(hù)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境、改善灌區(qū)人民生活環(huán)境及強(qiáng)化農(nóng)民生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識為重點(diǎn)，建設(shè)成為節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)。

4 結(jié)論

1）基于節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)的概念內(nèi)涵，從灌溉節(jié)水系統(tǒng)、灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量、灌區(qū)生態(tài)資源、社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、服務(wù)管理體系及人文生態(tài)環(huán)境6個(gè)準(zhǔn)則層，通過初步選擇與優(yōu)化篩選，將指標(biāo)數(shù)量從最初的36個(gè)精簡到19個(gè)，表達(dá)了85.57%的整體信息。

2）構(gòu)建了模糊層次分析綜合評價(jià)模型，以陜西省交口抽渭灌區(qū)為例進(jìn)行綜合評價(jià)，結(jié)果顯示灌區(qū)整體處于中等健康水平（隸屬度為0.409），與灌區(qū)實(shí)際情況相符，說明綜合評價(jià)模型切實(shí)可行。

3）按照隸屬度最大原則，各準(zhǔn)則層的評價(jià)結(jié)果表明，交口抽渭灌區(qū)的灌溉節(jié)水系統(tǒng)、灌區(qū)環(huán)境質(zhì)量、灌區(qū)生態(tài)資源和社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)處于中等水平，服務(wù)管理體系和人文生態(tài)環(huán)境處于優(yōu)秀水平，應(yīng)加強(qiáng)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及節(jié)水工程配套完善。

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Fuzzy Analytic Hierarchy Process for Evaluating Ecological Health of Water-saving Irrigation Districts

REN Pan1, FEI Liangjun1*, FENG Chanli2, TONG Haili2, JIANG Ruirui1, JIE Feilong1, GAO Xuyan2, CHEN Siyuan1

(1. State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China;2. Shaanxi Water Conservancy and Electric Power Survey and Design Institute, Xi’an 710001, China)

【Objective】Keeping irrigation districts healthy is critical to maintaining their economic and ecological service. We present a new method in this paper to comprehensively and systematically evaluate health of large irrigation districts. 【Method】We used 36 indexes to characterize each irrigation water-saving system based on the following aspects: environmental quality of the irrigation area, ecological resource of the irrigation area, socioeconomic effect, service management, and humanistic ecological environment. Screening narrowed the indexes to19 which represent 85.57 % of the information on effect of the irrigation system. Based on these indexes, we combined the analytic hierarchy process and the fuzzy comprehensive evaluation method to evaluate ecological service of the water-saving irrigation districts. The model was applied to Jiaokou Irrigation District in Shaanxi province, China. 【Result】The health of Jiaokou Irrigation district was moderate, and scores of the comprehensive evaluation index at excellent, good, moderate, fair and poor levels were 0.224, 0.169, 0.409, 0.159 and 0.039 respectively. For the six aspects used in the evaluation, the effect of environmental quality of irrigation area, ecological resources, and social and economic effects were all moderate level, while the service management system and the humanistic ecological environment were at excellent level. 【Conclusion】On average, the service management of Jiaokou Irrigation district is good though there is still room for improvement. The method and results presented in this paper can help to improve maintenance of water-saving irrigation districts and prolong their ecological service.

water-saving ecological irrigation district; fuzzy comprehensive evaluation; analysis hierarchical process; Jiaokou irrigation district

1672 - 3317（2022）07 - 0129 - 11

S27

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022161

任盼, 費(fèi)良軍, 馮纏利, 等. 基于模糊層次分析法的節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)綜合評價(jià)[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(7): 129-139.

REN Pan, FEI Liangjun, FENG Chanli, et al. Fuzzy Analytic Hierarchy Process for Evaluating Ecological Health of Water-saving Irrigation Districts[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 129-139.

2022-03-28

陜西省水利科技項(xiàng)目（2021slkj-17）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52079105）

任盼（1999-），女。碩士研究生，主要從事生態(tài)灌區(qū)與農(nóng)業(yè)水資源研究。E-mail: 2891045723@qq.com

費(fèi)良軍（1963-），男。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉與生態(tài)灌區(qū)研究。E-mail: feiliangjun2008@163.com

責(zé)任編輯：白芳芳