漳河灌区节水改造综合效益评价

乐志华，邵东国，李浩鑫，徐保利(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

1998年，我国启动大型灌区续建配套与节水改造试点项目，旨在解决灌区渠系及建筑物工程老化不配套、灌区管理体制不完善等问题，提高灌区用水效率及抗灾减灾能力，保障灌区粮食生产安全。由于灌区节水改造涉及因素多、投资大，其实施方案是否经济合理、工程建设是否发挥效益，都需要有科学的综合评价分析[1-5]，为决策部门制订合理的灌区管理措施和节水改造措施提供依据。

大型灌区节水改造综合评价属于多指标、多目标评价问题，用直观对比分析法往往难以获得理想结果，需要采用综合评价方法[6,7]。而指标权重的确定对于评价结果的合理性起着至关重要的作用，目前诸多的综合评价方法中所依据的权重主要采用两类方法确定，即主观赋权法与客观赋权法。其中主观赋权的方法主要有层次分析法、专家评价法、综合指数法等，客观赋权的方法主要有因子分析法、突变理论、熵值法等[8,9]。主观赋权依赖于专家的知识、经验，权重确定受人为因素干扰较大；而客观赋权单纯利用指标的客观信息确定权重，可以有效消减人为干扰。考虑到主观赋权的缺点，本文选用客观赋权方法-改进熵值法进行灌区综合评价，既可以克服主观赋权法无法避免的随机性、臆断性问题，还可以有效解决多指标变量间信息的重叠问题。

本文依据漳河灌区节水改造以来2000-2013年的工程建设与管理运行数据，采用改进熵值法，对灌区节水改造后的综合效益进行评价，分析灌区改造后用水效率以及综合效益的变化，寻找灌区综合效益的主控因素，为调整灌区改造的目标、布局、投资方向提供参考。

1 漳河灌区基本概况

漳河灌区地处湖北江汉平原西北部，水资源丰富，耕地面积达17.368万hm2，以水稻、小麦、棉花、油菜为主要种植作物，是湖北省粮食主产区之一。灌区建成于1966年，形成以漳河水库为骨干，中小型水利设施为基础，提水泵站作补充的大、中、小相结合，蓄、引、提相配合的水利灌溉网。运行多年后，灌区渠系及建筑物工程老化失修、灌溉面积萎缩、水资源浪费等问题突出。为保障灌区的供水、灌溉、粮食生产等功能，从1998年开始实施灌区的续建配套与节水改造工程建设，规划工程总投资18.36亿元。

2 基于改进熵值法的漳河灌区合评价

2.1 评价指标体系的确立

灌区综合评价指标体系需要能综合反映灌区运行状况，投资效果[10]。本文依据灌区节水改造对作物种植结构、输水灌水过程、灌区运行管理，经济产出四个方面的作用，遵循指标选取的实用性、代表性、科学性等原则，结合节水改造项目的特点及工程项目管理的目标要求，构建漳河灌区节水改造综合评价指标体系[11-14]。改进熵值法评价指标体系(图1)从种植情况、节水效益、运行管理、经济效益4个角度(准则层)选取11个指标(指标层)作为灌区节水改造综合评价(目标层)的依据。各指标的涵义见表1。

图1 灌区综合效益评价指标体系Fig.1 Evaluation indexes of the comprehensive benefit evaluation

2.2 改进熵值法的基本原理和计算步骤

在信息论中，信息熵描述了样本数据变化的相对速率，数据的离散程度越大，信息熵越小，其提供的信息量越大，该指标对综合评价的影响越大，其权重也应越大；反之，各指标值差异越小，信息熵就越大，其提供的信息量则越小，该指标对评价结果的影响也越小，其权重亦应越小，改进熵值法即是依据该原理来确定权重的一种评价方法[15-17]。在综合评价中由此得到的指标权重描述了指标数值变化的相对幅度[15]。

表1 灌区综合效益评价指标涵义Tal.1 Definitions of indexes of the comprehensive benefit evaluation

传统熵值法计算过程中包含对数和熵的运算，常因指标数据中的负值或极端值不能直接计算相应的权重值，而改进熵值法弥补了这一缺陷。所以本文依据熵值法改进的研究成果[18-20]，使用改进熵值法对漳河灌区综合评价。

改进熵值法计算步骤：

(1)原始指标数据处理。

越大越优指标，x′ij=xij

(1)

(2)

(2)借助标准化处理法消除指标的量纲差异：

(3)

式中：μj代表该指标数据的平均值；σj代表该指标数据标准差；x″为经过标准化后的指标值；m为方案个数；n为指标个数；标准化后的数值常存在负数，需要将标准化后的数值进行平移：

Zij=x″ij+k

(4)

式中：Zij为平移后的指标值；k为平移值。一般地x″ij的范围在-5～5之间，k的取值可以在0～5之间；

(3)计算第j项指标下第i个年份的占该指标的比重pij：

(5)

(4)第j项指标的信息熵值ej：

(6)

(5)计算第j项指标的权重ωj：

(7)

(6)计算第i个年份综合评价得分Fi：

(8)

2.3 基于改进熵值法的漳河灌区综合评价

根据改进熵值法对漳河灌区节水改造后14个年份11个指标的数据进行处理，得到各年份占指标的比重值、指标的权重值以及14个年份的综合评价得分排序，见表2和表3。

由式(5)求出的第j项指标下第i个年份占该指标的比重值反应的是不同年份在同一指标下的差异,该值越大，说明节水改造后第i个年份的该指标现状相对于其他年份越好。结果显示，灌区节水改造后，11个评价指标现状除水费实收率之外，都有大幅度改善。粮食作物比例、渠道防渗率、田间水利用系数、单位灌溉面积粮食产量均在2012、2013年该值达最大，即这两个年份该项指标现状优于其他年份。说明灌区自1998年节水改造以来，作物种植结构的调整、渠道的衬砌防渗、田间节水等改造成效显著。分析漳河灌区2000-2013年农业灌溉引水量的变化，发现灌区节水改造后农业灌溉引水量整体呈下降趋势，这为缓解日益加剧的工农业争水矛盾以及扩大灌区供水效益提供了机会。

表2 灌区各指标的权重值及第j个年份在第i项指标下占的比重Tab.2 The weight value and proportion of each index of irrigation district

表3 灌区综合评价得分与排序Tab.3 Goals and rankings of the comprehensive evaluation

指标的权重反映了指标在评价过程中的重要程度，权重越大，说明该指标在综合评价中所起到的作用越大。从表2可以看出指标的权重值范围在0.80～0.94，差异较小，即各指标在评价中对节水改造综合效益贡献均衡，说明灌区节水改造均衡发展。

表3为灌区综合评价的最终结果，得分越高，表示灌区节水改造综合效益就越好。从2000-2010年灌区的综合得分逐步上升，说明该阶段灌区经过节水改造工程建设，各水利设施得到修复，管理运行结构得到完善，综合效益持续增长。2010-2013年灌区综合效益呈下降趋势，分析原因发现灌区区域内自2010起连续5年干旱，导致灌区整体效益下降。由于灌区本身属低丘陵区，冲沟短浅、蓄水有限，其抗旱能力低；但从评价结果发现，灌区2010年虽受干旱影响，但相对2009年综合效益依然先有增长，随后才逐渐下降，说明灌区节水改造后，抗旱能力得到提升，但依然不足，需要继续加强灌区抗旱蓄水工程的建设。

2.4 灌区综合效益主控因素分析

为分析影响灌区综合效益的主要因素，利用改进熵值法对灌区种植情况、节水效益、运行管理、经济效益4项指标(准则层)进行综合评价得分计算并排序，最终评价排序结果见表4。分析准则层4项指标各年份的排序与相应年份灌区综合排序，发现灌区的运行管理该指标的排序波动对灌区综合排序影响小，如2000、2013年运行管理排序分别为5和13,2000、2013年灌区综合评价排序却分别为12和4；但各年份灌区综合评价排序与作物种植、节水效益、经济效益3个指标排序相当，说明作物种植、节水效益、经济效益3个指标排序为影响灌区综合排序的主要因素。所以灌区综合效益的主控因素为作物种植、节水效益、经济效益，在作物种植结构、节水、经济产出3个方面情况的改善可促进灌区综合效益的提高。

表4 灌区综合评价准则层排序Tab.4 Ranks of the comprehensive evaluation of criterion layer

3 结 论

本文在构建灌区综合效益评价指标体系的基础上，建立了基于改进熵值法的灌区综合评价方法。主要结论有：

(1)根据漳河灌区的实际情况，选取能综合反映灌区综合效益的11个指标，并根据指标的属性将指标分类，建立灌区综合评价的指标体系。

(2)应用改进熵值法评价漳河灌区综合效益，得到灌区11个评价指标的权重以及14个年份的综合效益评价结果。结果分析表明漳河灌区节水改造工程取得良好的成效，粮食生产能力及用水效率都得到提高，灌区水利设施状况得到改善。评价结果与灌区实际情况相符合，也验证了改进熵值法应用与灌区综合效益评价的合理性。

(3)通过分析灌区综合评价得分与准则层排序，得到灌区综合效益的主控因素为种植情况、节水效益、经济效益三个方面，说明漳河灌区整体建设水平依然不高，并依此提出灌区建设意见。

(4)本文在综合评价时，缺乏衡量灌区生态环境效益的指标，需要在后续的讨论研究中进一步完善。

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