基于可變模糊集的現代化灌區評價方法研究

許欣然，楊路華,2，武前明，茍萬里，邸志剛

(1.天津農學院，天津 300384；2.天津市農業水利技術工程中心，天津 300384；3.中國灌溉排水發展中心，北京 100054)

據我國水利普查數據[1]，全國大型灌區大約有456 處，中型灌區約7 293 處，占全國有效灌溉面積的50.1%，占全國糧食產量的50%左右。大中型灌區是我國農業生產的主力軍，是國家糧食安全的重要支撐。黨的十八大提出了“四化同步”，農業現代化發展首選應在灌區，2017年中央一號文件明確提出建設現代化灌區，灌區現代化是實現水利現代化、農業現代化關鍵環節，是實現十九大提出的到2035年基本實現社會主義現代化目標的具體措施。現今，國內外已不斷地出現“現代化灌區”一詞。美國在20世紀80年代第一次提出了灌溉現代化這一新理念；以色列采用壓力灌溉技術，發展以節水、高效、創匯和完備農業體系為特征的現代化農業，加快灌區現代化的發展；我國也有許多大型灌區開始進行現代化提升改造，如江西的贛撫平原灌區、江蘇的渠南灌區[2]、內蒙古的河套灌區[3]。

國內外有很多學者對現代灌區進行研究，王修貴[4]對現代灌區的特征作了描述。樓豫紅[5]等對四川省的灌區進行研究，提出了建設現代灌區的內容。穆建新[6]等人建立了農田水利現代化評價體系，建立三級指標，根據不同區域所占的比重計算三級指標的指標值。韓振中[7]建立了由5個一級指標、20個二級指標組成的大型灌區現代化建設評價體系。王文川[8]等人利于可變模糊集理論，建立了一種新型有效的灌區節水改造綜合評價方法。 C M Burt[9]等人通過對美國西部灌區現代化建設，對灌區的低壓灌溉進行了研究。C Rocamora[10]等人以西班牙灌區為案例，對現代化灌區的能源節約提出相應的解決措施。目前關于灌區現代化的內涵還不全面，未從適應農業現代化要求角度反映出新時代特征，且未有一個統一明確的指標體系，本文對新時代下的現代化灌區進行研究，建立現代化灌區評價指標體系并進行評價。

1 現代化灌區內涵特征及評價指標體系

1.1 現代化灌區內涵及特征

灌區一般是指有可靠水源和引、輸、配水渠道系統和相應排水溝道的灌溉面積[11]，承擔著國家糧食安全、引水灌溉、防洪排澇、生態恢復等功能。根據2017年中央一號文件精神，農業現代化中的水利現代化落腳到灌區上，就是實現灌區現代化。新時代下現代化灌區更加突出服務于現代化農業的定位、傳統水利與現代化信息技術深度融合、綠水青山的生態理念。新時代下的現代化灌區，功能上應適宜或服務現代化農業集約化與機械化生產方式、現代化農業種植方式、家庭農場經營方式，技術上應是灌區生產運行管理與互聯網+、大數據、云平臺信息化的深度融合，發展上堅持灌區綠色與生態，綠水青山就是金山銀山。所以現代化灌區就是將先進的技術、新穎的材料(設備)、創新的管理制度及信息化技術應用到灌區中，并加強灌區的生態文明、安全保障建設。

因此，現代化灌區的內涵可概括為：①有力的防澇減災，灌區要有安全保障措施，建設強有力的防澇減災設施；②健全的工程設備，主要體現在灌區水利工程中的水源工程、輸配水工程、灌溉排水工程、渠系建筑物及設備的健全；③先進的信息化管理體系，體現在灌區信息化的監測、采集和管理，用水計量設施的完善，以及灌區現代化管理制度；④高效的灌溉生產，灌區要以節約水資源和高效優質生產為核心，集約化與機械化的生產方式，建設成高效型現代化灌區；⑤綠色的生態環境，兼顧水體凈化、減少面源污染、鹽堿地治理，打造地綠、水清、景美的現代化節水型生態灌區。

黨的十九大報告明確提出中國特色社會主義進行新時代，灌區通過水利工程建設、信息化建設、水生態治理，增添新工藝、新技術、新設備，采用先進、完善的管理模式和集約化、機械化的生產方式。新時代下現代化灌區特征可概括為：安全防災、水電保障、設施完善、用水節約、管理先進、經營集約、生產高效、市場運作、綠色環保、發展持續。打造成“安全”、“健全”、“先進”、“高效”、“綠色”型現代化灌區。

1.2 現代化灌區指標體系

根據灌區的內涵和特征，從安全保障、工程建設、信息化管理與服務、效益與效率和生態文明等5個方面建立現代化灌區指標體系，遵循評價體系科學性、系統性、綜合性、層次性、簡潔性等原則，將這5個方面作為一級指標，進行灌區現代化評價。現代化灌區內涵特征與評價指標關系如圖1所示。

圖1 現代化灌區內涵特征與指標關系圖Fig.1 The relationship between the connotation and the evaluation index of modernization irrigation district

在一級指標基礎上，從國內外參考文獻及規范中收集到41個指標中，利用德爾菲法篩選出25個二級指標，構成現代化灌區評價指標體系。

現代化灌區具有時效性，隨著社會不斷發展，不同時段下的灌區現代化程度不同。根據黨的十九大報告中提出2035年基本實現社會主義現代化的戰略目標，建設現代化灌區的時間點確定在2035年。查閱相關規范與標準，借鑒發達國家、地區的發展經驗，并收集我國15個大型灌區近30年的發展軌跡，采用趨勢法，分析未來20年灌區評價指標應達到的目標值，綜合確定到2035年現代化灌區評價指標的閾值。并利用二元模糊對比分析法[13]確定各指標權重。現代化灌區評價指標體系與指標閾值權重如表1所示。

2 可變模糊集評價方法

可變模糊集理論是描述事物量變、質變的數學語言與量化工具，定義了相對隸屬度函數、相對差異函數與模糊可變集理論模型，提高了評價識別與決策的可靠性[12]。該方法主要用于分析系統中模糊現象、事物和概念的相對性和動態可變性，將研究的問題對立統一和辯證認識有機地結合起來，能夠準確地給出一個區域內的等級趨勢，與二元模糊對比分析法計算出的指標權重相結合，將每一個一級指標隸屬到4個等級上，可以很準確的看出每個指標相對于4個等級的隸屬度，評價過程中對指標都進行了模糊處理，得出的結果具有統一性和準確性。方法涉及的范圍有洪水災害、灌區節水改造、灌區干旱程度等。

表1 現代化灌區評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of modernization irrigation district

2.1 評價方法

根據：

μA(u)+μAc(u)=1

(1)

則：

uA(u)=[1+DA(u)]/2

(2)

(2)相對差異函數。相對差異函數模型：X=[c,d]，x為X區間內的任意點的量值，區間(a,b)屬于區間[c,d]，M可為區間[a,b]的中點。

當x落在M點左側時的相對差異函數模型為：

(3)

(4)

當x落在M點右側時的相對差異函數模型為：

(5)

(6)

DA(u)=-1x?(c,d)

(7)

式中：β為非負指數，通常可為1。DA(u)得出后，根據式(2)可得到相對隸屬度uA(u)。

(3)可變模糊評價模型。

可變模糊評價模型：

(8)

(9)

(10)

式中：α為模型優化準則參數，α=1，α=2；wi為指標權重；uA(xij)為各分級下指標的相對隸屬度；p為距離參數，p=1為海明距離，p=2為歐式距離。

并利用級別特征值進行分級評價。

H=(1,2,…,c)VAh

(11)

2.2 評價的分級

現代化灌區評價按照現代化實現程度由高到低排序分為4個等級：Ⅰ(全面實現現代化)、Ⅱ(基本實現現代化)、Ⅲ(部分實現現代化)、Ⅳ(未實現現代化)。 根據《節水灌溉工程技術規范》、《防洪標準》等水利相關規范及研究成果，對二級指標進行等級劃分，等級上限值為指標的閾值，等級的下限值為目前較差灌區現狀平均值。現代化灌區標準劃分見表2。根據現代化灌區標準劃分的等級，利用可變模糊集方法，推算出現代化灌區實現程度等級特征值H，見表3。

3 實例應用

3.1 灌區基本情況

潘莊灌區位于山東省德州市西部，屬國家大型引黃灌區。灌區土地面積5 867 km2，設計灌溉面積33.33 萬hm2，有效灌溉面積23.8 萬hm2，種植小麥、玉米等作物。潘莊引黃總干渠全長91.3 km，包括輸沙渠11.9 km，輸水渠79.4 km，渠道底寬為26～46 m，流量為150～80 m3/s。灌區骨干渠道干渠有53條，合計長度838.84 km，共襯砌長度為18.7 km；支渠有407條，合計長度2 081 km，共襯砌長度為8 km。田間工程共有斗渠3 292條，合計長度3 701.5 km，共襯砌長度為128.3 km。排水干溝共11條，合計長度56.6 km。灌區經過長年運行，盡管進行了灌區續建配套與節水改造，但仍然存在工程配套差、用水效率低、生態環境差以及管理能力低等問題。2016年灌區制定了現代發展改造規劃，結合灌區實際情況，擬進行灌溉排水工程、信息化工程、水生態保護與水文化建設、灌區管理等4方面的布局與調整，建設成為現代灌區，下面對灌區現狀及改造效果進行評價。

表2 指標等級劃分Tab.2 Index level division

表3 現代化實現程度等級特征值HTab.3 Characteristic value H of modernization realization level

3.2 數據處理

本文的信息化辦公實現率，是定性指標，從3S技術應用、灌區信息管理系統、旱澇災害預警和灌溉預報、防災決策系統和灌溉決策支持系統等4個方面去判斷，利用專家評分法進行量化。本文有單方耗水生產糧食和萬元農業產值用水量兩個帶量綱的指標，可采用目標值比較法進行無量綱化處理。地下水超采率和旱澇災害面積比兩個逆向指標，利用1減去指標的目標值得到的數為正向化的指標值。

3.3 灌區現狀評價結果與分析

本次以德州潘莊灌區為例，收集灌區現狀相關指標數據。并根據潘莊現代灌區規劃，收集到潘莊進行現代化改造后各指標應到達的目標值，對該灌區進行現代化評價。見表4。

利用可變模糊集理論方法，取p=2，α=1歐式距離。通過模糊評價模型，分別得出灌區現狀和改造后的二級指標下各級的相對隸屬度，得出一級指標下的各級綜合隸屬度，最后歸一化處理后分別得到現狀的VAh1和改造后的VAh2。

表4 潘莊灌區指標計算結果Tab.4 Index calculation results of Panzhuang irrigation district

VAh1=[0.099, 0.252, 0.318, 0.331]

VAh2=[0.640, 0.283, 0.076, 0]

根據式(11)得出：

H1=2.917

H2=1.421

并計算潘莊灌區現狀和改造后指標相關數據分別與指標閾值的比值，對于改造后指標的數據高于閾值的比值均取1。分別得出灌區現狀與改造后指標占比的雷達圖，如圖2和圖3所示。

圖2 現狀占比雷達圖Fig.2 The status quo radar figure

圖3 改造后占比雷達圖Fig.3 The situation after modernization quo radar figure

根據表4，灌區現狀的評價結果處于Ⅲ級水平，表明現代化水平處于部分實現現代化程度，與潘莊灌區正要進行現代化建設的實際情況相吻合；灌區改造后的評價結果處于Ⅰ級水平，現代化水平處于全面實現現代化程度，說明潘莊實行現代化改造的措施是可行的。同時表明本文建立的現代化灌區評價指標體系及評價方法可行合理，可以作為現代化灌區評價依據。根據圖2和圖3，綜合分析得出大型灌區現代化建設應注意：注重灌區的安全保障，加強防洪排澇災害的措施；加強建設水利工程設施、信息化控制設施，完善灌區管理制度；提高灌區灌溉水有效利用系數；維持灌區生態平衡，全面治理水土流失、鹽堿化等問題。

4 結 語

通過分析新時代下現代化灌區的內涵及其特征，建立了較完善的灌區現代化評價體系，并確定了2035年評價指標所到達的閾值。利用二元對比分析法，確定了各級指標的權重，基于可變模糊集理論建立了灌區現代化評價數學模型，對潘莊灌區現狀及進行現代化改造后的狀況進行評價，該評價結果和所分析改造前后的雷達圖均與灌區的實際情況相符合。所以建立的灌區現代化評價指標體系適合評價現代化灌區，指標體系比較全面的概況了現代化灌區的硬指標，為現代化灌區建設提供參考依據。

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