灌區運行水平綜合評價研究進展

易銀蓮，崔寧博,2，張青雯，馮 禹,，胡笑濤，龔道枝

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室水利水電學院，四川 成都 610065； 2.南方丘區節水農業研究 四川省重點實驗室，成都 610066；3.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 4.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所作物高效用水與抗災減損國家工程實驗室，北京 100081)

0 引 言

灌區是中國糧食安全的基礎保障，也是推動國民經濟可持續發展的重要基礎設施。中國現有大型灌區402處、中型灌區5 200多處，占全國耕地總面積超過50%，生產了全國70%以上的糧食，80%以上的經濟作物[1]。灌區的良性運行對保障國家糧食安全、水安全具有不可替代的重要作用，同時對灌區自身生態環境改善有積極作用，對其所在區域植被生態系統維護、水土流失抑制、水源涵養、風沙危害削減等方面都有重要影響。灌區運行水平科學有效的評價，對于提升灌區的效率與效益、實現灌區可持續發展具有重大意義。

目前中國灌區運行管理水平普遍較低，特別是灌區信息化、智慧化建設滯后，現代化灌區建設任重道遠。灌區是一個極其復雜的“生態-經濟-社會”復合系統，灌區評價涉及的指標數目眾多，范圍極廣，屬于多層次、多因素的綜合評價問題，目前缺乏統一的評價標準。從現有的研究來看，灌區運行水平綜合評價指標體系的構建一般為多層次、多指標形式，主要考慮工程質量、管理水平、節水灌溉效應、生態環境效應和社會經濟效益等。灌區運行水平綜合評價指標權重確定方法可分為基本賦權法、綜合賦權法，基本賦權法有層次分析法[2]、GI法、拉開檔次法[3]等，綜合賦權法集成主客觀賦權法的優點，應用廣泛。灌區運行水平綜合評價方法可分為單一評價法和綜合評價法，單一評價法有灰色關聯法[4]、TOPSIS法[5]、投影尋蹤法[6]、改進密切值法[7]等，綜合評價法融合優化不同的評價方法，如灰色關聯理論-密切值法[8]、PCA-Copula評價法[9]、基于循環修正的組合評價法[10]等，具有克服評價結果不一致的優點，應用前景廣闊。由于權重確定方法、評價方法多種多樣，使得現有灌區運行水平綜合評價模型結果差異較大。

為實現對灌區的科學有效評價、促進灌區運行水平不斷提升，本文圍繞灌區運行水平綜合評價，闡述了灌區運行水平綜合評價指標的分類及構建原則，梳理了權重因子的確定方法及各種評價方法的優缺點，指出現階段灌區運行水平綜合評價存在的問題，并提出灌區運行水平綜合評價在未來的重點研究方向。

1 灌區運行水平綜合評價指標體系的構建

灌區運行水平綜合評價指標體系(Comprehensive Evaluation Index System of Irrigation Area Operation Level, CEISIO)是進行灌區運行水平綜合評價的基礎，評價指標選取既要反映灌區當前運行存在的問題，又要體現灌區未來發展趨勢；其建立應遵循以下原則：全面性和概括性相結合，系統性和層次性相結合，可行性與可操作性相結合，可比性與靈活性相結合[11]。灌區運行水平綜合評價指標一般有兩種分類方法，第一種分為定性和定量指標，第二種分為效益型和成本型指標；同時，由于指標的量綱不同，指標的功能不同，且指標間數值差異較大，所以應對指標進行無量綱化處理。常見的CEISIO構建方法為分級構建與分層構建兩種，分級構建即分為一級指標、二級指標，以此類推，分層構建主要是分為目標層、準則層、指標層等；還有學者提出以驅動力-狀態-響應(D-S-R)模型為框架建立CEISIO，包括目標層、準則層、要素層和指標層共4層。本文從工程質量、管理水平、節水灌溉效應、生態環境效應和社會經濟效益5個層面探討灌區運行水平綜合評價涉及的具體指標。

1.1 灌區工程質量水平評價

工程質量是灌區正常運行的重要保證，是提升灌區灌溉保證率的關鍵。灌區工程主要包括水源工程、渠道工程、排水工程、田間工程及量控設施。水源工程包括壩、閘、堰等各類擋水、引水及蓄水建筑物；渠道工程是灌區的主體工程，干、支渠起輸水作用，斗、農、毛渠起配水作用，渠道的規劃設計、配套設施、防滲措施、完好情況等對灌區工程質量都有十分重要的影響[12]；排水工程在灌區內的布置與渠道相對應，其完好情況對灌區運行有重要影響；田間工程完好的水平將顯著影響灌溉的效率與效益；量控設施是嚴格按計劃配水的保障。灌區工程質量水平評價指標體系如表1所示。

表1 灌區工程質量水平評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of engineering quality level in irrigation district

灌區管理水平決定了灌區效益能否充分發揮，灌區管理水平提升可以促進灌溉效益與灌區自我能力建設的不斷提高。良好的灌區管理能處理好水的高效利用，最大限度地創造經濟、社會與生態效益，實現灌區水的優化配置和灌溉水的合理調度[16]。田娟等[17]應用因子分析原理建立了灌區管理水平評價的綜合指標-綜合因子；高偉增等[18]提出對灌區用水管理綜合評價時，把指標分為效率評價、效益評價和財務評價3個層次；謝崇寶等[19]提出以灌區供水服務的安全性、公平性、可靠性和靈活性來衡量現代灌區管理水平。灌區管理水平評價指標體系如表2所示。

表2 灌區管理水平評價指標體系Tab.2 Evaluation index system of management level in irrigation district

1.2 灌區節水灌溉效應評價

灌區節水灌溉效應反映了灌區的用水效率與效益，是灌區運行水平評價的重要指標。常用的灌溉用水指標包括渠系水利用系數、田間水利用系數和灌溉水利用系數等。近年來有研究指出灌溉水利用系數對灌區運行水平綜合評價的貢獻較小[21]，因其忽視了水在系統內的重復利用。馮峰等[12]提出用水流向跟蹤法，對灌溉水有效利用率影響因子進行識別，最后得到灌區灌溉水有效利用率評價的11個影響因子。崔遠來等[22]利用國際水管理研究院(International Water Management Institute，IWMI)提出的基于水量平衡原理的評價指標對漳河灌區進行了評價，指出傳統灌溉效率指標并不能真實反映灌區節水情況。劉路廣等[23]提出考慮回歸水重復利用的用水效率和用水效益評價指標。灌區節水灌溉效應評價指標體系如表3所示。

表3 灌區節水灌溉效應評價指標體系Tab.3 Evaluation index system of effects in the water-saving irrigation

1.3 灌區生態環境效應評價

灌區生態環境是灌區能否實現可持續發展的決定性因素，是灌區水生態文明建設的重要體現，其評價涉及因素有水(包括地表水、地下水以及水質等)、土壤(主要指重金屬污染程度、鹽堿、澇漬災害等)、植被及大氣等。良好的灌區生態環境既可以保證灌區的可持續發展，又可以促進灌區效率與效益的提升；灌區科學、合理的開發建設也會對區域生態環境起到積極作用，例如調節區域氣候、增加植被覆蓋率、改善鹽堿地等[27]，對于促進灌區人水和諧、構建美麗鄉村具有重要意義。灌區生態環境和灌區開發建設之間的相互作用使得自然生態系統的資源優勢轉化為灌區經濟優勢，又通過灌區經濟的發展改善自然生態系統[28]。柴立等[29]提出基于主題分類和組件技術對灌區生態環境進行動態評價，楊柳等[30]提出對指標全體進行信息融合，根據可信度排序結果選取可信度較高的指標作為灌區生態環境評價研究的主評指標。灌區生態環境效應評價指標體系如表4所示。

表4 灌區生態環境效應評價指標體系Tab.4 Evaluation index system of eco-environmental effect in irrigation district

1.4 灌區社會經濟效益評價

灌區的社會經濟效益是灌區良性可持續發展的必要條件，主要體現在灌區管理單位、用水戶的支出與收入等；單位灌面產值、水費實收率、政府支持程度等也能在一定程度上反映灌區的社會經濟效益。評估灌區社會經濟效益可以直接反映灌區的價值，積極爭取國家、地方財政的投入，促進灌區內部改革。灌區社會經濟效益評價指標體系如表5所示。

2 灌區運行水平綜合評價指標權重

評價指標權重的確定是進行灌區評價的關鍵一環，評價指標權重既反映了該指標變化對綜合效益變化所起的作用，又表明了該指標在同一評價指標層次中所處的地位，權重確定的合理與否將直接影響評價結果的合理性與科學性。灌區運行水平綜合評價指標權重的確定應遵循以下原則：系統優化原則、評價者的主觀意圖與客觀情況相結合原則、層次性原則、盡可能體現指標差異原則。目前權重系數的確定方法總體分為基于“功能驅動”原理、基于“差異驅動”原理和基于綜合集成三大類[38]，本文為論述方便，把灌區運行水平綜合評價權重確定方法分為基本賦權法和綜合賦權法。

2.1 基本賦權法

權重確定方法主要分為主觀賦權法和客觀賦權法，其中主賦權法很大程度上取決于專家的知識結構、工作經驗和偏好，具有一定的主觀性，而且在一定時間區間內權重系數具有保序性(在一定時間不同時刻處各指標對整體而言的重要性保持不變)和可繼承性；常用的主觀賦權法有層次分析法(AHP)[2]、德爾菲(Delphi)法、序關系排列(GI)法和拉開檔次法[3]等。客觀賦權法是根據指標的實際值和標準值運用統計方法計算獲得權值，優點是客觀性強，不依賴人的主觀判斷，缺點是解釋性差；常用的客觀賦權法有均方差法、熵值法[39]、變異系數(CVM)法[40]、離差最大化法和簡單關聯函數法等。

表5 灌區社會經濟效益評價指標體系Tab.5 Evaluation index system of social economic benefits in irrigation district

2.2 綜合賦權法

綜合賦權法集成了主客觀賦權法的優點，但其計算量大、計算過程煩冗。在綜合賦權法中最重要的就是基本權重的確定以及合成方法的選擇，費良軍等[41]發現基于博弈論的綜合權重與基本權重相比，既考慮了灌區管理決策者的主觀要求，又綜合了灌區運行狀況的客觀實際。王書吉等[42, 43]將GI法和熵值法計算得到的主觀權重和客觀權重分別用基于博弈論、離差平方和、單位化約束條件的綜合賦權法集成融合，應用于洛惠渠等4個灌區的評價，發現各個灌區的綜合評價值大小不一樣，但是排序結果基本一致。綜合賦權法如表6所示。

3 灌區運行水平綜合評價方法

灌區運行水平綜合評價方法的確定是進行灌區運行水平綜合評價的核心工作。灌區運行水平綜合評價是一個多目標、多層次、多指標的綜合評價過程，選取科學合理的方法對其進行評價是非常重要的。目前提出的灌區運行水平綜合評價方 法有20多種，大致可以分為兩類，第一類是單一評價法，第二類是綜合評價法。這些評價方法在理論上都是可行的，但是由于方法機理、評價指標體系存在差異，人為選擇具有主觀性，運用到灌區運行水平綜合評價時經常會出現多方法評價結論的非一致性[49]，而綜合評價方法對于解決評價結論非一致性問題具有重要作用[50]。

表6 綜合賦權法Tab.6 Comprehensive weighting

3.1 單一評價方法

單一評價方法又可分為基本單一評價方法和改進的單一評價方法，基本單一評價方法有層次分析法[2]、模糊綜合評判法[51]、灰色關聯法[4]、投影尋蹤法[6]、神經網絡法、突變理論評價方法[52]、TOPSIS法[5]、物元可拓評價法[53]、集對分析法[37]和密切值法等。對基本單一評價方法進行改進，克服原有方法的不足形成了改進的單一評價方法。國內許多學者應用不同評價方法對陜西省洛惠渠灌區進行了研究，如吳軍虎[47]等將密切值法的賦權方法進行優化引入結構熵權法確定綜合權重；費良軍等[8, 54]應用改進線性模型、灰色關聯理論-密切值法；王錦輝等[14, 15]應用改進突變理論、灰色關聯理論-TOPSIS法；5種評價方法的結果基本一致，但灰色關聯理論-TOPSIS法的精度相較而言低，評價結果區分度最高的是灰色關聯理論-密切值法。灌區運行水平單一評價方法如表7所示。

表7 灌區運行水平單一評價方法Tab.7 Single evaluation method for operation level of irrigation district

3.2 綜合評價方法

單一評價方法往往存在顧此失彼的缺點，于是不少學者把不同的評價方法進行融合優化，增強評價方法的科學合理性，進而提出多種綜合評價方法。綜合評價方法大致可以分為三類，即評價過程的組合、評價結果的組合和評價方法本身的組合[50]。姚蘭等[56]為解決多個灌區評價值相接近或一致的問題，提出了拉開檔次的遞階綜合評價法；王書吉等[57]提出基于灌區多年運行數據運用時序加權平均算子(TOWA)理論，對灌區生態環境效益進行時空多維動態評價；崔遠來等[58]提出利用灌區多年動態數據，采用“縱橫向”拉開檔次法對灌區進行動態綜合評價；考慮到對灌區運行狀況進行綜合評價的計算過程都比較復雜，胡建橋等[59]開發了適合3類典型灌區運行狀況的綜合評價軟件，利用該軟件對陜西交口抽渭灌區進行評價。灌區運行水平綜合評價方法如表8所示。

表8 灌區運行水平綜合評價方法Tab.8 Comprehensive Evaluation Model of Irrigation Operational Level

4 灌區運行水平綜合評價存在問題

目前，灌區運行水平綜合評價存在以下問題：首先，現有灌區運行水平綜合評價指標并不能完全反映灌區真實情況，導致評價效率低；其次，現有評價指標大多是在宏觀層次上反映灌區運行水平，但宏觀層次上評價指標的提高并不能帶來灌區運行水平的提升；再者，目前評價指標信息采集的自動化水平極低，不能適應多目標、長期運行條件下的灌區運行水平綜合評價。此外，灌區運行水平綜合評價應是長期性、持續性工作，每隔一定年限就應進行一次評價，根據評價結果改進灌區設施與管理，從而提升灌區的綜合運行水平，但目前灌區運行水平綜合評價大多是階段性的，對灌區整體發展指導性差。同時，灌區信息龐大且復雜，相關產業資源共享能力弱，缺乏灌區綜合信息管理平臺，現代信息技術如3S技術、云計算在灌區運行水平綜合評價中體現不夠，灌區運行水平的自動化評價水平低。雖然對于灌區運行水平綜合評價的研究很多，但缺乏標準化的灌區運行水平綜合評價指標體系，大部分研究結果不具有可比性，因此無法總結各評價模型的優劣及適用情況。

5 灌區運行水平綜合評價未來研究重點

5.1 構建基于人水和諧的現代化美麗灌區評價指標體系

在灌區運行水平綜合評價指標體系的構建方面，要重視三水轉化對灌區評價指標的潛在影響，研究現有指標是否可以真實反映灌區的狀況，例如有研究指出空間礦化度和鹽分指標相比地下水位埋深更能有效反映種植結構空間布局[65]。重視灌區向生態化、可持續、信息化和智能化發展的迫切需要，探求新的評價指標，追求所需數據的簡單易得，計算簡便，構建基于人水和諧的現代化CEISIO。生態化要求CEISIO全面反映灌區的生態與環境[66]，例如應用水足跡理論評價灌區農業生產的負面效應[67]；可持續要求CEISIO體現人與自然發展相協調的思想[68]，對于引黃灌區等特定灌區注重水土資源指標的重要地位。以“四性”理念即安全性、公平性、可靠性和靈活性指導指標體系構建全過程，實現灌區評價工作從“以物為本”向“以人為本”的根本轉變，改變單一從自然科學角度對灌區進行評價的思路，研究包含自然科學和社會科學指標在內的更加全面的評價新思路，將以人為本的服務理念貫穿在灌區評價的全過程中[69]。由于定性指標經常需要量化，急需建立權威、標準的灌區運行水平綜合評價指標體系，考慮到區域間氣象地理條件及種植結構差別較大，可利用的農業水資源數量和質量、社會經濟發展水平也有較大差異，建議對灌區進行分類，除了按地域劃分外，還可以根據灌區的大小、功能進行分類，建立適合不同灌區的評價指標體系。

5.2 構建智能化灌區運行水平綜合評價基礎信息采集系統

灌區信息化是灌區現代化的基礎和重要標志，當前我國灌區信息采集點少、手段落后，灌區信息傳輸手段比較單一，灌區信息共享性差，同國外相比差距很大。灌區運行水平綜合評價基礎信息采集系統是灌區運行水平綜合評價信息化和智能化的標志，信息化要求評價指標信息的采集趨于自動化，智能化要求機器動態監控操縱灌區運行水平綜合評價指標信息。其一，是要實現灌區基礎資料的數字化，灌區數據按更新時限長短分靜態數據、動態數據和實時數據三類。靜態數據如灌區各種工程資料基本不會變化；動態數據如灌區種植結構和種植面積會不定期更新，可以采用無人機航遙技術定期或不定期提取灌區的渠系空間信息[70]；實時數據如擋水、取水和配水處的水質、水位等是實時更新的，必須采用計算機、自動化等技術進行自動、實時的采集，如結合遙感和人工智能(AI)方法實時估算監測土壤濕度[71]，運用遙感技術采集灌溉水利用效率及作物水分利用效率[72]。其二，是要改善灌區信息傳輸手段，滿足灌區大數據的需求，提高信息時效性，為灌區運行水平綜合評價的自動化打下基礎。

5.3 基于新的數學方法和模型建立灌區運行水平綜合評價新方法

在灌區運行水平綜合評價指標權重的確定方面，基于新的數學方法探求主、客觀權重確定方法，嘗試把其他領域的權重確定方法引入灌區運行水平綜合評價中，如基于關聯規則法確定變權重系數[73]、基于可拓學和遺傳算法進行權重反分析得到各指標權重[74]；基于現有的權重確定方法，提出新的綜合賦權法，并驗證其結果是否科學合理，如基于遺傳算法進行主客觀權重融合[75]；為避免灌區長期運行條件下指標權重的繼承性，基于動態歷史數據的D-S策略進行權重修正[76]。在灌區運行水平綜合評價方法的確定方面，繼續深入研究單一評價方法，尋找其不足，并進行改進和簡化；運用現已提出的各綜合評價法對同一灌區進行評價，比較各評價方法的評價結果，總結其優缺點，并對其進行優化；轉變思維和觀念，探討如何用動態的評價方法來評價灌區的運行狀況，不僅評價得出灌區現階段所處狀態，而且對灌區未來發展有一個預估；注重評價模型的先進性，基于其他領域的評價模型建立灌區運行水平綜合評價新方法，如基于機器學習[77]、仿真技術模型[78]對灌區運行水平進行綜合評價。

5.4 基于信息化技術開發現代化灌區運行水平綜合評價平臺

未來的灌區建設需要基于3S技術建立“數字灌區”[79]。利用RS(遙感)技術實時監測灌區的灌溉面積、作物種植結構及面積，基于遙感影像進行降雨估算，及時掌握灌區內的田間土壤水分、作物蒸騰發等水量平衡要素，對灌區內的地表水、地下水和水質進行遙感監測[80]，利用無人機遙感技術進行灌區土地利用分類[81]；利用WebGIS技術實現灌區空間分析、地圖表達、數據存儲與管理[82]。基于物聯網與云計算構建灌區大型信息平臺[83]，逐步實現與其他信息的共享，形成綜合信息管理平臺，應用大數據和云平臺等現代信息技術，分類管理各種信息，實現由傳統灌區向數字灌區過渡，最終徹底向智慧灌區轉型，建立數字唐徠信息化管理系統[84]。基于信息平臺結合不同評價方法開發適用范圍廣、評價周期短、交互性強的灌區快速評價軟件，以灌區供水服務的安全性、公平性、可靠性和靈活性來衡量現代灌區運行水平的高低[19]，即時反饋整個灌區的運行狀況，提高評價過程的可操作性，評價結果的精確性，方便灌區管理決策者做出調整。

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