基于可变模糊集的区域节水灌溉发展水平评价研究

张丽娜，朱 玮，于倩雯

(1.湖北经济学院经济与环境资源学院，武汉 430205；2. 中国银行常州新北支行，江苏 常州 213000；3. 河海大学 商学院，南京 211100)

近年来，党和政府高度重视节水灌溉工作。2012年1月，国务院正式颁布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，提出要加大农业节水力度，完善和落实节水灌溉的产业支持，大力发展高效节水灌溉。2012年《国家农业节水纲要(2012-2020年)》(国办发〔2012〕55号)，提出要把节水灌溉作为经济社会可持续发展的一项重大战略任务。2014年《水利部关于深化水利改革的指导意见》中提出建立健全的灌溉排水、农村供水的专业化服务组织及专业化基层水利的服务体系。而对节水灌溉现状水平进行科学合理的评价是制定节水灌溉规划的重要前提。因此，进行区域节水灌溉发展水平评价，及时发现节水灌溉工程及技术存在的问题，有针对性地分类增加灌溉面积，有利于为区域农业生产的持续发展提供用水保障。

目前，节水灌溉发展水平评价主要思路包括单一的效益评价以及多层次多指标的综合评价。①单一效益评价。如李平[1]等结合积因子位次方法对节水灌溉效益进行评价。②多层次多指标评价。Qassim Abdi等[2]对澳大利亚谷尔本山区采用小定额灌溉后的节水效率和经济效益进行评价，马建琴[3]等采用改进层次分析的模糊综合评价模型对不同灌水控制下夏玉米的耗水量及产量特性进行评价，于倩雯[4]等提出了基于区间直觉模糊TOPSIS法的节水灌溉工程方案优选模型，郑和祥[5]等引入基于信息熵的模糊物元评价模型，开展牧区节水灌溉工程后评价，楼豫红[6]等采用集对分析方法对四川省各地区节水灌溉发展现状为进行评价计算，吕丽华[7]等运用模糊集理论对黑龙港平原区3种节水技术模式进行了技术优属度评价，王兰英[8]等构建了农业节水技术综合评价指标体系，并运用AHP法与Rough Set法对西北半干旱地区的农业节水技术进行综合评价，Rodrigues等[9]指出滴灌的含湿量小于喷灌的含湿量使得该地区滴灌的节水效率要高于喷灌的节水效率，可变模糊集理论[10]作为解决系统中的模糊现象、模糊事物、模糊概念的一种有效方法，在工程、生态、风险等综合评价研究领域得到广泛应用，柯丽娜[11]等建立基于可变模糊集理论的海岛可持续发展综合评价模型，对辽宁省长海县2001-2011年可持续发展的状况进行评价验证，赵刚[12]等采用集对分析-可变模糊集评价模型和基于指数超标法的赋权重方法分析研究2008-2011年间水利现代化指数的时空变化特征，潘争伟[13]等构建基于集对分析与可变模糊集的区域水资源系统脆弱性评价模型，验证了安徽省水资源系统脆弱性实际状况为中度脆弱。

综合可知，模糊综合评价法、层次分析法以及其他定量指标分析对我国节水灌溉水平评价具有重要的方法指导作用，但是区域节水灌溉发展水平评价是一个具有不确定性和模糊性交互作用的复杂决策问题，现有评价方法的评价结果难以相互验证，评价结果的可靠性难以保障。基于此，本文利用可变模糊集理论在评价过程中具有相互验证评价结果的优势，构建基于可变模糊集的区域节水灌溉发展水平评价模型，以保证评价结果具有可靠性。

1 可变模糊集的基本原理

2 区域节水灌溉发展水平评价模型的构建

2.1 模型构建的基本思路

在对区域节水灌溉发展水平进行评价时，假设给定的评价对象集为u，由评价指标所构成的指标集为O={o1,o2,…，om}，评价对象下各评价指标属性值构成了区域节水灌溉发展水平评价指标特征值向量x={x1,x2,…,xm}=xj。首先，运用基于综合熵权法[14]及二元比较法[15]组合赋权，确定评价指标体系的权重，组合赋权过程为：在使用熵权法确定评价指标的客观权重之后，再征取专家意见，若客观权重基本符合评价的判断与偏好，则不需要对客观权重进行调整；若不符合评价的判断与偏好，则采用二元对比法对客观权重进行调整。其次，建立区域节水灌溉发展水平评价等级区间，对定性指标和定量指标分别依据三角模糊数2级比例量化法和有关规划、规范、标准的形式建立5级评价标准；最后计算m个评价指标的相对隶属度，再对评价对象进行可变模糊评价，并得出最终评价结果。模型构建的基本思路见图1。

图1 区域节水灌溉发展水平评价模型构建的基本思路

2.2 模型构建的基本步骤

基于可变模糊集理论的区域节水灌溉发展水平评价模型构建的基本步骤如下：

步骤1：设区域节水灌溉发展水平评价对象集为u，根据建立的m个指标按照c个级别，运用基于综合熵权法及二元比较法组合赋权，确定评价指标体系的权重ωj。然后对定性指标和定量指标分别依据三角模糊数2级比例量化法和有关规划、规范、标准的形式建立5级评价标准，形成区域节水灌溉发展水平等级区间矩阵Z=(zjh)m×c。

步骤2：依据c个级别的等级区间矩阵，计算指标体系吸引区间[a,b]矩阵Iab=([a,b]jh)m×c，由此计算指标体系排斥区间[c,d]矩阵Icd=([c,d]jh)m×c，其中，j=1,2,…,m；h=1,2,…,c。

步骤3：确定评价指标j相对于级别h的矩阵IM=(mjh)m×c。

取λ=1，当x处于M点左侧时，相对差异函数模型可为：

(1)

当x处于M点右侧时，其相对差异函数模型为：

(2)

当x处于X区域外时，其相对差异函数模型为：

(3)

式中：α为模型优化准则参数，α=1为最小一乘方准则，α=2为

最小二乘方准则；p为距离参数，p=1为海明距离，p=2为欧式距离。

3 算例分析

3.1 数据收集及处理

截至2014年末，陕西省常用耕地面积达到286.699 万hm2，占全省土地面积的13.9%，主要农作物播种面积426.213 万hm2；全年灌溉面积179.819 万hm2，农业有效灌溉率仅为42.79%，而且由于节水灌溉资金的投入不足，全省干、支、斗渠道防渗比例仅为65%左右，建设任务还十分繁重。因此，本文将陕西省作为节水灌溉发展水平评价的区域，选择2014年作为评价基准年，评价陕西省节水灌溉发展水平，并分析陕西省节水灌溉发展中存在的问题，为促进未来陕西省节水灌溉的发展提出建议。根据陕西省节水灌溉发展规划要求，综合考虑各个区域节水灌溉发展的现状，结合区域节水灌溉发展水平评价指标体系，收集陕西省及各辖市、区节水灌溉发展水平评价所需要的基础数据，见表1。

在表1中，节水技术的表征指标依次为喷微灌面积比例A11、灌溉水利用系数A12、每公顷灌溉用水量A13、已建渠道防渗率A14、作物种植结构合理性A21、耐旱作物种植面积比例A22；节水管理的表征指标依次为政府政策指数B11、用户参与水平B12、水价合理性B21、计量收费普及率B22、灌溉制度合理性B23；节水效益的表征指标依次为灌溉水分生产率C11、单位水量农业产值C12、主要农作物单位面积产量C13、农业结构调整水平C21、农产品品质改善程度C22、农作物植被覆盖率C31、水土流失治理水平C32；节水可持续性的表征指标依次为技术推广体系建设水平D11、农业节水技术集成水平D12、农业缺水指数D21、人均水资源量D22和人均耕地面积D23。

表1 陕西省节水灌溉发展水平评价的数据采集

续表1 陕西省节水灌溉发展水平评价的数据采集

注：定量数据来源为《陕西省水利统计年鉴》、《陕西省农业统计年鉴》、《陕西省水资源公报》和《陕西省统计年鉴》，定性数据通过专家咨询及机构调查采集。

3.2 陕西省节水灌溉发展水平评价

为了检验评价结果的稳定性，变换模型中的参数组合。以下考虑可变模糊评价模型的其他3种组合情况，计算结果见表2。

表2 陕西省节水灌溉发展水平可变模糊集特征值结果

由此验证，基于可变模糊集的陕西省节水灌溉发展水平的评价结果介于 “一般”与“较好”之间。节水灌溉的发展取得了成效，总体呈现较好的发展趋势，但其发展程度还相对较低，说明陕西省节水灌溉在发展中还存在一些问题。

同理，对陕西省各市、区节水灌溉发展水平进行可变模糊评价(α=1且p=1)，得到评价的结果见表3。

表3 陕西省各市、区节水灌溉发展水平可变模糊评价级别特征值排序

从表3中可以看出杨凌区、铜川市、宝鸡市、咸阳市的级别特征值较小，分别为2.121、2.302、2.373、2.488，说明这几个地区的节水灌溉发展得较好，水平相对较高。而榆林市、安康市、商洛市几个地区的级别特征值稍大，说明这几个地区的节水灌溉发展水平相对较低一些。这主要是因为：陕西省是水资源十分紧缺的省份，自20世纪50年代推行节水灌溉技术以来，全省各个地区一直将发展节水灌溉作为缓解水资源矛盾，提高农业综合生产能力的举措之一，截止2014年，陕西省共发展节水灌溉面积85.062 万hm2，全省农业灌溉水利用系数平均达到0.54，略高于全国的平均水平，不仅提高了水的利用率和农田灌溉保证率，而且加快了农民的致富步伐，推动了农民高效发展。但是，当前农村的生产方式落后，使推广喷灌、微灌等高效节水形式受到一定制约，农民对节水灌溉投入的积极性、农民传统的浇地习惯、水资源管理滞后、用水混乱、污染严重等因素限制了陕西省节水灌溉的发展。

4 结论与讨论

对区域节水灌溉发展水平进行评价研究，有利于分析影响区域节水灌溉发展的主要限制因素，完善区域节水灌溉发展水平评价的指标体系，推动区域节水灌溉沿着科学、健康的轨道发展。本文提出了基于可变模糊集的区域节水灌溉发展水平评价模型，以此来确定区域节水灌溉发展水平的等级。该模型可以充分利用所得到的信息，通过变换模型及模型参数，使得评价结果得到相互验证，并提高评价成果的可 信度。通过对陕西省节水灌溉的发展水平进行实证分析，验证模型的合理性与有效性。通过实证分析，得到该省节水灌溉发展的评价结果为一般偏向好。一方面，表明该省节水灌溉的发展取得了一些效果，但也存在节水技术研发应用落后、节水管理有欠缺等问题。另一方面，也表明采用可变模糊评价方法来处理现实应用中的一些不确定性的评价问题具有可行性。

为了提高陕西省节水灌溉的发展水平，结合评价结果，提出如下建议：①建议统筹安排，科学制定节水灌溉发展规划。在制定节水灌溉发展规划时，需充分体现节水灌溉的系统性，充分考虑当地的自然地理条件、农业生产经营方式、农业作物种类及水资源的承载能力，以水土资源的优化配置为目的，促进多种水源的高效综合利用。②完善灌溉政策，健全管理体制。省级政府应及时颁布有利于全省节水灌溉发展的指导性文件，完善相应的政策配套及法律法规。各级政府应大力推进水价改革，发挥价格的杠杆作用，并建立合理健全的奖励补助制度，以充分调动农民的积极性。③加强科研，大力推广节水灌溉技术。注重节水灌溉新技术、新材料、新工艺的自主研发与创新，因地制宜，促进节水灌溉技术的不断推广。鼓励政府和企业与高校及科研机构合作，不断完善产、学、研相结合的节水灌溉技术创新体系。

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