黑龙江省西部地区节水灌溉工程适宜性评价

李美娟，李铁男，王 俊

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

黑龙江省西部地区节水灌溉工程适宜性评价

李美娟，李铁男，王 俊

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

为促使黑龙江省西部地区高效节水灌溉工程效益发挥最大化，建立了节水灌溉工程适宜性评价指标体系，补充完善了技术类评价指标，并应用半结构性模糊决策模型，优选出黑龙江省西部地区适宜的节水灌溉工程。评价结果表明：当前黑龙江省西部地区节水灌溉工程的优先发展顺序依次为中心支轴式喷灌、绞盘式喷灌、滴灌、移动管道式喷灌。

节水灌溉工程；适宜性评价；黑龙江省西部

粮食安全、水资源安全一直是国家高度重视的战略问题。黑龙江省耕地面积1586.6万hm2，具有农业规模化和集约化发展优势，在保障国家粮食安全中具有极为重要的战略地位。为促进粮食综合生产能力不断提高，国家在黑龙江省启动实施了2012—2015年 “节水增粮行动”。 在“节水增粮行动”实施过程中，很多地方由于没有统筹考虑当地的自然、经济、社会等诸多影响因素，影响了节水灌溉工程功能和效益的发挥[1-2]。黑龙江省西部地区发展的节水灌溉工程主要有中心支轴式喷灌工程、绞盘式喷灌工程、涂塑软管移动式喷灌工程、金属管道移动式喷灌工程和滴灌工程。各种灌溉工程的投入产出和对地形、水源、田块格局、电力配套、经济条件，及管理水平等的要求存在差别。因此，有必要对节水灌溉项目在当地综合条件下的适宜性进行评价，优选出适合本区域的节水灌溉工程。国内节水灌溉效益综合评价的方法有层次分析法、主成分分析法、TOPSIS法、模糊综合评判法，及模糊神经网络法等。节水灌溉效益综合评价指标体系的建立也在逐步完善[3-5]。戈翠等[6]结合马铃薯灌溉的特点，应用TOPSIS法对陕西省榆林市项目区的畦灌、滴灌、半固定式喷灌、大型喷灌机喷灌四种灌溉方式进行综合评价，得出该地区各种灌溉工程的优劣排序。罗金耀等[2]应用灰色关联分析理论，从经济、技术、社会三个方面对节水灌溉工程典型实例计算分析。路振广等[7]建立了由政策、技术、经济、财务、资源、环境和社会7大类指标组成的节水灌溉工程综合评价指标体系，并用改进的二元相对比较法对定性指标量化分析。王蒙[8]应用模糊综合评价法进行了低压管道输水灌溉工程技术应用适宜性评价。当前，多数的综合评价研究中对节水灌溉设备的技术指标详细阐释的较少，而在灌溉工程实践应用过程中，技术指标最为重要。针对上述问题，结合在参与“节水增粮行动”项目设计和管理调研中总结的经验和发现的问题，建立了多层次和多目标的节水灌溉工程适宜性评价指标体系，用半结构性模糊决策模型，科学开展节水灌溉工程适宜性评价，因地制宜地提出黑龙江省西部地区适宜的节水灌溉工程，对充分发挥节水灌溉工程效益、保障国家粮食安全意义重大。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

黑龙江省西部地区耕地面积677.5万hm2，海拔120～200 m，主要由河漫滩和一级阶地组成，地面十分平坦。水资源总量225.60亿m3，其中：地表水资源量156.81亿m3，地下水资源量为113.06亿m3，区域种植作物以玉米、大豆、杂粮等旱田作物为主，玉米种植比例最大。农业灌溉以开发利用地下水为主，开采目的层包括松散岩类孔隙水、碎屑岩孔隙水、玄武岩孔洞裂隙水。在“节水增粮行动”实施中，黑龙江省西部地区发展的节水灌溉工程主要有中心支轴式喷灌工程(方案1)、绞盘式喷灌工程(方案2)、涂塑软管移动式喷灌工程(方案3)、金属管道移动式喷灌工程(方案4),以及滴灌工程(方案5)。

1.2 适宜性评价指标体系

适宜性评价的目的是优选出适合当地政治、自然、经济、社会、环境等条件，并具有良好经济性的节水灌溉工程。因此，指标选取包括了政治、技术、经济和社会资源四大类，建立了一个由8个定性指标和8个定量指标组成的适宜性评价指标体系，除子系统1的指标和子系统2中的指标①③④⑥⑦为定性指标外，其余为定量指标，具体见表1。

表1 节水灌溉工程适宜性评价指标体系

注：由于黑龙江省西部地区作物以玉米为主，评价指标体系中的影响因子以玉米为分析对象。

1.3 多层次半结构模糊综合评价

由陈守煜提出的半结构性决策可变模糊集理论与方法采用二元对比法来量化定性指标，与定量指标的量化原理从根本上是一致的。本文采用5级模糊优选模型对节水灌溉工程进行适宜性评价。

(1) 确定评价指标的相对优属度。子系统2中的②和⑤、子系统3的指标和子系统4的指标为定量指标。其中，越大越优型指标采用式(1)计算，越小越优型指标采用式(2)计算。对于定性指标，根据二元对比法，通过二元比较，利用语气算子与相对隶属度之间的关系表便可确定其相对优属度[9]。

rij=(xij-minxij)/(maxxij-minxij)

(1)

rij=(maxxij-xij)/(maxxij-minxij)

(2)

式中：rij为方案j指标i的相对优属度；xij为方案j指标i的特征值；maxxij、minxij为方案j指标i的最大、最小特征值。

(2) 确定权向量。各评价指标的权重系数采用熵权法计算，各子系统的权重系数利用二元对比法确定。

(3)确定方案优属度。5级模糊优选模型计算公式如下：

(3)

aj=minaij

bj=maxaij

(4)

式中：aj为方案j的级别下限值，bj为方案j的级别上限值。5级模糊优选模型的各个级别的相对优属度向量值S= (1，0.8，0.6，0.3，0)，将方案j的优属度值与S比较，即得方案j的级别；h=aj，aj+1，…，bj；j=1，2，…，n；Uhj为方案j对级别h的相对隶属度；dhj为方案j与级别h之间差异的广义权距离；Sh为级别h对应的相对优属度值；Wi为指标i的权重。

2 结果与分析

2.1 方案优属度计算

(1)指标的相对优属度矩阵。根据表1数据，利用式(1)、式(2)，以及二元对比法，计算得到各个子系统目标的相对优属度矩阵为：

(2)权向量。根据上面得到的指标优属度值，计算得到各子系统指标的权向量分别为：

W1=(0.607，0.192，0.201) ，

W2=(0.081，0.083，0.088，0.088，0.015，0.637，0.008) ，

W3=(0.142，0.295，0.117，0.446)，

W4=(0.877，0.123)。

利用二元对比法得到的各子系统权向量W=(0.270，0.331，0.221，0.178)。

(3)方案优属度。①确定指标体系第一层中各子系统方案的优属度。采用5级模糊优选理论模型， 计算得到各子系统方案的相对优属度为：

u1=(0.898，0.811，0.770，0.770，0.728)，

u2=(0.962，0.771，0.572，0.444，0.382)，

u3=(0.678，0.783，0.783，0.787，0.889)，

u4=(0.110，0.076，0.038，0，1)。

②确定指标体系第二层中各方案相对优属度。与第一层计算方法同理，由①中计算得知各子系统方案相对优属度矩阵为：

前面已经确定子系统权向量W=(0.270，0.331，0.221，0.178)，则各方案优属度计算结果为U=( 0.736，0.695，0.635，0.608，0.665)，即方案1，2，3，4，5的相对优属度向量为0.736，0.695，0.635，0.608，0.665， 方案1最优，其次为方案2和方案5。

2.2 评价结果分析

(1)方案1最优，即在黑龙江省西部地区的主要项目区，中心支轴式喷灌工程的适宜性最高。尽管中心支轴式喷灌工程单位投资高，但其使用寿命长，在技术、增产、节水、省工等指标上优势突出。尤其是黑龙江省西部地区的地块规模、生产管理体制、水源、电力等能够满足中心支轴式喷灌工程的各项指标要求。

(2)方案2次之。绞盘式喷灌工程属于半自动化灌溉，它在灌水均匀度、运行管理难易度、对作物适应性等技术指标上，以及增产能力等方面与中心支轴式喷灌工程相比较差。

(3)方案2比方案3、4、5优，即绞盘式喷灌工程模式比移动管道式喷灌工程和滴灌工程优。滴灌工程灌溉水利用系数高，操作简易，增产能力高，但亩投资太大，施工前期工程复杂，滴灌带每年需要二次投资。移动管道式喷灌工程需要人工移动管道灌溉，自动化程度太低。

3 结 论

本文建立了黑龙江省西部地区节水灌溉工程适宜性评价指标体系，指标体系中补充完善了节水灌溉工程技术类指标，并对各评价指标进行了详细的阐释。应用半结构性模糊决策模型，评价出黑龙江省西部地区优先发展的灌溉工程应为中心支轴式喷灌工程和绞盘式喷灌工程。对评价结果进行分析得出，评价结果准确可靠，半结构性模糊决策模型可用于节水灌溉工程适宜性评价。

[1] 余鹏飞，金宏智，严海军，等.东北四省区“节水增粮行动”实施过程中的几个问题与建议[J].节水灌溉，2013(8)：60-62.

[2] 罗金耀，李道西.节水灌溉多层次灰色关联综合评价模型研究[J].灌溉排水学报，2003， 22(5)：38-41.

[3] 周华.河套灌区农业综合开发节水灌溉工程评价[J].中国农村水利水电，1999(8)：12-13.

[4] 高峰，雷声隆，庞鸿宾. 节水灌溉工程模糊神经网络综合评价模型研究[J].农业工程学报，2003，19(4)：84-87.

[5] 赵竞成，阳放，王晓玲，等. 农业高效用水工程综合评价体系研究[J].节水灌溉， 2002(3)： 3-7.

[6] 戈翠.沙地马铃薯不同灌溉方式经济效益分析[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2008.

[7] 路振广，曹祥华. 节水灌溉工程综合评价指标体系与定性指标量化方法[J].灌溉排水学报， 2001，20(1)：55-57.

[8] 王蒙.江苏地区农田低压管道输水灌溉工程技术应用适宜性评价及模式研究[D].扬州：扬州大学，2014.

[9] 陈守煜.水资源与防洪系统可变模糊集理论与方法[M] . 大连：大连理工大学出版社，2005.

The suitability evaluation of water-saving irrigation project in western region of Heilongjiang Province

LI Meijuan, LI Tienan, WANG Jun

(HeilongjiangProvinceHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

The suitability evaluation index system of water-saving irrigation project was established in order to maximize the benefit of these projects in western regions of Heilongjiang province. The most suitable water-saving irrigation project was elected by the semi-structured fuzzy decision model. The conclusion shows that the priority order of the water-saving irrigation project in western region in Heilongjiang province is the center pivot irrigation, winch sprinkler irrigation, drip ones and mobile pipe sprinkler irrigation.

water-saving irrigation project; suitability evaluation; western regions of Heilongjiang province.

“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD12B01)

李美娟(1984-)，女，山西朔州人，工程师，主要从事节水灌溉技术及水资源高效利用研究。E-mail:Limeijuan198411@163.com。

S275

A

2096-0506(2017)05-0001-04