熵權(quán)屬性識別模型綜合評價灌溉管理模式

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，推動農(nóng)戶參與灌溉管理[1]，田間節(jié)水灌溉運行管理模式的運用可使農(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，同時能夠促進農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)增收和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。2017年召開的水利援疆工作會議顯示，近5 a全疆(含兵團)發(fā)展高效節(jié)水灌溉面積累計達到333.6 萬hm2，并將繼續(xù)擴大發(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)戶對田間灌溉運行管理模式適用條件理解不到位、設(shè)備維護不足、管理不規(guī)范、盲目效仿其他管理模式等現(xiàn)象，需要采用綜合評價方法從不同管理模式中優(yōu)選出最適宜當(dāng)?shù)氐墓?jié)水灌溉運行管理模式。因此采用經(jīng)濟的田間運行管理模式是建設(shè)新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，對田間灌溉進行規(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，同時也是推動新型農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、高效節(jié)水經(jīng)濟發(fā)展的重要前提。

本文采用屬性識別理論結(jié)合熵權(quán)法確定權(quán)重的方法進行綜合優(yōu)選。程乾生教授(1997)提出了屬性識別模型[3]，即有效解決有序分割問題的新型評價方法；李群教授(2002)在屬性識別基礎(chǔ)上，構(gòu)建了屬性區(qū)間識別理論模型[4]；張先起(2013)等人運用熵權(quán)屬性識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)間識別模型進行采礦方法的優(yōu)選，將灰色接近度判斷屬性級別與置信度準(zhǔn)則的選取進行了對比，灰色接近度判斷屬性級別更客觀精確[6]。熵權(quán)屬性識別模型還用于水資源可持續(xù)利用評價、地下水開采評價等多方面領(lǐng)域[7-9]。

1 建立屬性識別模型

1.1 屬性識別理論

節(jié)水灌溉田間管理模式的評價指標(biāo)具有多屬性特征，屬性識別的指導(dǎo)思想是利用屬性集原理[3]，在研究空間對備選模式進行屬性判斷，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，最終識別評定出最優(yōu)方案。

設(shè)G為備選管理模式的全體，即研究對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個評價指標(biāo)，第i個模式Gi的第j個指標(biāo)Bj的測量值為gij(即指標(biāo)值)(1≤i≤n，1≤j≤m)。A為G中某類屬性空間，評價集(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)值屬性測度

在識別優(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，即屬性測度，其定義是指用一個數(shù)來定量表示屬性集A中的x個元素“x∈A”的程度，將這個數(shù)記為L(x∈A)或Lx(A)，稱它為x∈A的屬性測度。一般屬性測度為[0，1]。

計算指標(biāo)值gij具有屬性Fk的屬性測度υijk=υ(gij∈Fk)，則當(dāng)gij≤bj1時，取υij1=1，υij2=υij3=…=υijk=0；當(dāng)gij≥bjk時，取υijk=1，υij1=υij2=…=υijk-1=0；當(dāng)bjt≤gij≤bj(t+1)時，取：

(2)

1.3 管理模式級別判定與分析

(1)計算得到第i個模式的各指標(biāo)測量值的屬性測度之后，再分別計算第i個模式Gi在一級指標(biāo)中的屬性測度υik=υ(Gi∈Fk)。根據(jù)指標(biāo)權(quán)重可計算得到屬性測度υik：

(3)

1≤i≤n，1≤k≤K

(2)根據(jù)各模式的屬性測度進行比較分析。若按照置信度準(zhǔn)則，對置信度λ(0.5≤λ≤1)一般取0.6～0.7，計算ki：

當(dāng)滿足上式時的分割空間為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]進行模式級別判斷，進一步驗證管理模式Gi與理想模式屬性測度之間的灰色接近度，從而以最接近的值為依據(jù)確定模式的評價級別。記第k類理想模式的屬性測度υok=(1,1,…,1)，k=(1,2,…,K),則管理模式Gi的第j個評價指標(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類后再計算管理模式Gi的優(yōu)越度分?jǐn)?shù)，則根據(jù)pGi的大小對Gi進行排序和分析。計算pGi：

或者k>t+1)

(5)

根據(jù)優(yōu)越度分?jǐn)?shù)pGi的大小對Gi進行比較優(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個方案m個評價指標(biāo)的判斷矩陣：R=(gij)n×m。

(2)因各指標(biāo)計量單位不同，為了防止指標(biāo)同質(zhì)化，在綜合評價前先進行歸一化處理，把指標(biāo)的值轉(zhuǎn)化為相對值。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個模式m個評價指標(biāo)，可以確定評價指標(biāo)的熵為：

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

(8)

(4)計算評價指標(biāo)的熵權(quán)W：

W=(ηj)1×m

(9)

3 管理模式評價指標(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)具有針對性和可行性，能夠反映管理模式的實際效果，對構(gòu)建指標(biāo)與模型的準(zhǔn)確性有很大影響。在詳細分析運行管理模式特點及管理原則的基礎(chǔ)上[10,11]，構(gòu)建了節(jié)水灌溉運行管理模式綜合評價指標(biāo)體系。以管理效益、經(jīng)濟效益、可持續(xù)效益3個準(zhǔn)則層出發(fā)，建立11個二級指標(biāo)。指標(biāo)體系見圖1。

圖1 節(jié)水灌溉運行管理模式優(yōu)選評價指標(biāo)體系

3.2 評價標(biāo)準(zhǔn)值

結(jié)合節(jié)水灌溉管理宗旨和各指標(biāo)在發(fā)揮管理作用時所占的比例，根據(jù)呼圖壁縣年鑒、實地調(diào)研、專家指導(dǎo)和前人研究經(jīng)驗，擬定了節(jié)水灌溉管理模式優(yōu)選的指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)值，即管理效益、經(jīng)濟效益、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個二級指標(biāo)值確定。依據(jù)評價集(F1,F2,…,Fk)的定義，將評定等級分為3級{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)運行成本”采用負值表示的方式。為了便于分析和計算，定量指標(biāo)值計算單位用元/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+管理員”、“畜牧公司+農(nóng)戶”、“大戶自行管理”4種典型的運行管理模式，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)備維護術(shù)能力較薄弱，灌溉管理不規(guī)范，在種植、灌溉運行等方面勞動力投入較大，產(chǎn)量經(jīng)濟收益提高緩慢等。針對這些情況，有待選擇一個適宜的管理模式，即可節(jié)約運行成本和勞動生產(chǎn)力，又提高經(jīng)濟收益。

本文從提升灌溉管理能力，節(jié)約運行成本，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)循環(huán)發(fā)展等方面出發(fā)，對“農(nóng)業(yè)合作社+管理員”、“農(nóng)民用水協(xié)會+管理員”、“畜牧公司+農(nóng)戶”、“大戶自行管理”4種典型管理模式進行綜合評價，選擇適宜的運行管理模式，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，促進農(nóng)戶采用先進的管理方式，推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

4.2 評價指標(biāo)值

“農(nóng)業(yè)合作社+管理員”、“農(nóng)民用水協(xié)會+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。管理模式定量評價指標(biāo)值參考實際調(diào)研獲取，定性評價指標(biāo)由專家對應(yīng)打分獲取。各指標(biāo)屬性值見表5。

表5 評價指標(biāo)值

4.3 管理模式綜合評價

4.3.1 管理效益優(yōu)選

根據(jù)評價體系中管理效益的4個二級指標(biāo)，對4個模式中的管理效益進行評定，評定標(biāo)準(zhǔn)值見表1，管理效益的4個二級指標(biāo)值見表6。

表6 管理效益指標(biāo)值

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

由公式(7)、(8)計算各指標(biāo)的熵Hj：

由公式(9)計算得到各指標(biāo)的權(quán)重W：

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

Ⅲ Ⅱ Ⅰ

(3)由公式(4)計算各模式在管理效益中與評定等級Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級的灰色接近程度，進一步驗證管理效益中更有優(yōu)勢的管理模式，計算結(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的評定等級為Ⅰ級，G2的等級為Ⅱ級，G3的等級為Ⅰ級，G4的等級為Ⅲ級。

(4)由公式(5)計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)濟效益優(yōu)選

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

由公式(5)計算得出，經(jīng)濟效益優(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)上述方法同樣計算可持續(xù)效益指標(biāo)的屬性測度，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)越度分值計算結(jié)果見表10。

表9 各模式經(jīng)濟效益優(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)中的等級依次為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅱ級、Ⅲ級。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4種模式的最終優(yōu)選

通過二級指標(biāo)的屬性測度計算，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等級依次為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅱ級、Ⅲ級。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為：模式G1、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。運用熵權(quán)屬性識別模型在評價過程中能夠更加客觀精確地評選出最適宜管理模式，且計算結(jié)構(gòu)清晰明了。

5 結(jié) 語

農(nóng)田節(jié)水灌溉運行管理模式的優(yōu)選需要從管理效益、經(jīng)濟效益、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)屬性識別模型應(yīng)用于農(nóng)田節(jié)水灌溉運行管理方式的評選中，首先引入熵值法賦權(quán)的理論，通過熵值計算來確定各指標(biāo)權(quán)重，運用屬性識別理論構(gòu)建了節(jié)水灌溉運行管理模式綜合評價模型，在管理模式屬性空間上進行屬性測度計算，通過灰色接近度計算指標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)值的接近程度，從而確定屬性評價等級，并根據(jù)計算優(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，評價等級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度的判斷，計算過程思路清晰、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，推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。