基于可变模糊集的现代化灌区评价方法研究

许欣然，杨路华,2，武前明，苟万里，邸志刚

(1.天津农学院，天津 300384；2.天津市农业水利技术工程中心，天津 300384；3.中国灌溉排水发展中心，北京 100054)

据我国水利普查数据[1]，全国大型灌区大约有456 处，中型灌区约7 293 处，占全国有效灌溉面积的50.1%，占全国粮食产量的50%左右。大中型灌区是我国农业生产的主力军，是国家粮食安全的重要支撑。党的十八大提出了“四化同步”，农业现代化发展首选应在灌区，2017年中央一号文件明确提出建设现代化灌区，灌区现代化是实现水利现代化、农业现代化关键环节，是实现十九大提出的到2035年基本实现社会主义现代化目标的具体措施。现今，国内外已不断地出现“现代化灌区”一词。美国在20世纪80年代第一次提出了灌溉现代化这一新理念；以色列采用压力灌溉技术，发展以节水、高效、创汇和完备农业体系为特征的现代化农业，加快灌区现代化的发展；我国也有许多大型灌区开始进行现代化提升改造，如江西的赣抚平原灌区、江苏的渠南灌区[2]、内蒙古的河套灌区[3]。

国内外有很多学者对现代灌区进行研究，王修贵[4]对现代灌区的特征作了描述。楼豫红[5]等对四川省的灌区进行研究，提出了建设现代灌区的内容。穆建新[6]等人建立了农田水利现代化评价体系，建立三级指标，根据不同区域所占的比重计算三级指标的指标值。韩振中[7]建立了由5个一级指标、20个二级指标组成的大型灌区现代化建设评价体系。王文川[8]等人利于可变模糊集理论，建立了一种新型有效的灌区节水改造综合评价方法。 C M Burt[9]等人通过对美国西部灌区现代化建设，对灌区的低压灌溉进行了研究。C Rocamora[10]等人以西班牙灌区为案例，对现代化灌区的能源节约提出相应的解决措施。目前关于灌区现代化的内涵还不全面，未从适应农业现代化要求角度反映出新时代特征，且未有一个统一明确的指标体系，本文对新时代下的现代化灌区进行研究，建立现代化灌区评价指标体系并进行评价。

1 现代化灌区内涵特征及评价指标体系

1.1 现代化灌区内涵及特征

灌区一般是指有可靠水源和引、输、配水渠道系统和相应排水沟道的灌溉面积[11]，承担着国家粮食安全、引水灌溉、防洪排涝、生态恢复等功能。根据2017年中央一号文件精神，农业现代化中的水利现代化落脚到灌区上，就是实现灌区现代化。新时代下现代化灌区更加突出服务于现代化农业的定位、传统水利与现代化信息技术深度融合、绿水青山的生态理念。新时代下的现代化灌区，功能上应适宜或服务现代化农业集约化与机械化生产方式、现代化农业种植方式、家庭农场经营方式，技术上应是灌区生产运行管理与互联网+、大数据、云平台信息化的深度融合，发展上坚持灌区绿色与生态，绿水青山就是金山银山。所以现代化灌区就是将先进的技术、新颖的材料(设备)、创新的管理制度及信息化技术应用到灌区中，并加强灌区的生态文明、安全保障建设。

因此，现代化灌区的内涵可概括为：①有力的防涝减灾，灌区要有安全保障措施，建设强有力的防涝减灾设施；②健全的工程设备，主要体现在灌区水利工程中的水源工程、输配水工程、灌溉排水工程、渠系建筑物及设备的健全；③先进的信息化管理体系，体现在灌区信息化的监测、采集和管理，用水计量设施的完善，以及灌区现代化管理制度；④高效的灌溉生产，灌区要以节约水资源和高效优质生产为核心，集约化与机械化的生产方式，建设成高效型现代化灌区；⑤绿色的生态环境，兼顾水体净化、减少面源污染、盐碱地治理，打造地绿、水清、景美的现代化节水型生态灌区。

党的十九大报告明确提出中国特色社会主义进行新时代，灌区通过水利工程建设、信息化建设、水生态治理，增添新工艺、新技术、新设备，采用先进、完善的管理模式和集约化、机械化的生产方式。新时代下现代化灌区特征可概括为：安全防灾、水电保障、设施完善、用水节约、管理先进、经营集约、生产高效、市场运作、绿色环保、发展持续。打造成“安全”、“健全”、“先进”、“高效”、“绿色”型现代化灌区。

1.2 现代化灌区指标体系

根据灌区的内涵和特征，从安全保障、工程建设、信息化管理与服务、效益与效率和生态文明等5个方面建立现代化灌区指标体系，遵循评价体系科学性、系统性、综合性、层次性、简洁性等原则，将这5个方面作为一级指标，进行灌区现代化评价。现代化灌区内涵特征与评价指标关系如图1所示。

图1 现代化灌区内涵特征与指标关系图Fig.1 The relationship between the connotation and the evaluation index of modernization irrigation district

在一级指标基础上，从国内外参考文献及规范中收集到41个指标中，利用德尔菲法筛选出25个二级指标，构成现代化灌区评价指标体系。

现代化灌区具有时效性，随着社会不断发展，不同时段下的灌区现代化程度不同。根据党的十九大报告中提出2035年基本实现社会主义现代化的战略目标，建设现代化灌区的时间点确定在2035年。查阅相关规范与标准，借鉴发达国家、地区的发展经验，并收集我国15个大型灌区近30年的发展轨迹，采用趋势法，分析未来20年灌区评价指标应达到的目标值，综合确定到2035年现代化灌区评价指标的阈值。并利用二元模糊对比分析法[13]确定各指标权重。现代化灌区评价指标体系与指标阈值权重如表1所示。

2 可变模糊集评价方法

可变模糊集理论是描述事物量变、质变的数学语言与量化工具，定义了相对隶属度函数、相对差异函数与模糊可变集理论模型，提高了评价识别与决策的可靠性[12]。该方法主要用于分析系统中模糊现象、事物和概念的相对性和动态可变性，将研究的问题对立统一和辩证认识有机地结合起来，能够准确地给出一个区域内的等级趋势，与二元模糊对比分析法计算出的指标权重相结合，将每一个一级指标隶属到4个等级上，可以很准确的看出每个指标相对于4个等级的隶属度，评价过程中对指标都进行了模糊处理，得出的结果具有统一性和准确性。方法涉及的范围有洪水灾害、灌区节水改造、灌区干旱程度等。

表1 现代化灌区评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of modernization irrigation district

2.1 评价方法

根据：

μA(u)+μAc(u)=1

(1)

则：

uA(u)=[1+DA(u)]/2

(2)

(2)相对差异函数。相对差异函数模型：X=[c,d]，x为X区间内的任意点的量值，区间(a,b)属于区间[c,d]，M可为区间[a,b]的中点。

当x落在M点左侧时的相对差异函数模型为：

(3)

(4)

当x落在M点右侧时的相对差异函数模型为：

(5)

(6)

DA(u)=-1x∉(c,d)

(7)

式中：β为非负指数，通常可为1。DA(u)得出后，根据式(2)可得到相对隶属度uA(u)。

(3)可变模糊评价模型。

可变模糊评价模型：

(8)

(9)

(10)

式中：α为模型优化准则参数，α=1，α=2；wi为指标权重；uA(xij)为各分级下指标的相对隶属度；p为距离参数，p=1为海明距离，p=2为欧式距离。

并利用级别特征值进行分级评价。

H=(1,2,…,c)VAh

(11)

2.2 评价的分级

现代化灌区评价按照现代化实现程度由高到低排序分为4个等级：Ⅰ(全面实现现代化)、Ⅱ(基本实现现代化)、Ⅲ(部分实现现代化)、Ⅳ(未实现现代化)。 根据《节水灌溉工程技术规范》、《防洪标准》等水利相关规范及研究成果，对二级指标进行等级划分，等级上限值为指标的阈值，等级的下限值为目前较差灌区现状平均值。现代化灌区标准划分见表2。根据现代化灌区标准划分的等级，利用可变模糊集方法，推算出现代化灌区实现程度等级特征值H，见表3。

3 实例应用

3.1 灌区基本情况

潘庄灌区位于山东省德州市西部，属国家大型引黄灌区。灌区土地面积5 867 km2，设计灌溉面积33.33 万hm2，有效灌溉面积23.8 万hm2，种植小麦、玉米等作物。潘庄引黄总干渠全长91.3 km，包括输沙渠11.9 km，输水渠79.4 km，渠道底宽为26～46 m，流量为150～80 m3/s。灌区骨干渠道干渠有53条，合计长度838.84 km，共衬砌长度为18.7 km；支渠有407条，合计长度2 081 km，共衬砌长度为8 km。田间工程共有斗渠3 292条，合计长度3 701.5 km，共衬砌长度为128.3 km。排水干沟共11条，合计长度56.6 km。灌区经过长年运行，尽管进行了灌区续建配套与节水改造，但仍然存在工程配套差、用水效率低、生态环境差以及管理能力低等问题。2016年灌区制定了现代发展改造规划，结合灌区实际情况，拟进行灌溉排水工程、信息化工程、水生态保护与水文化建设、灌区管理等4方面的布局与调整，建设成为现代灌区，下面对灌区现状及改造效果进行评价。

表2 指标等级划分Tab.2 Index level division

表3 现代化实现程度等级特征值HTab.3 Characteristic value H of modernization realization level

3.2 数据处理

本文的信息化办公实现率，是定性指标，从3S技术应用、灌区信息管理系统、旱涝灾害预警和灌溉预报、防灾决策系统和灌溉决策支持系统等4个方面去判断，利用专家评分法进行量化。本文有单方耗水生产粮食和万元农业产值用水量两个带量纲的指标，可采用目标值比较法进行无量纲化处理。地下水超采率和旱涝灾害面积比两个逆向指标，利用1减去指标的目标值得到的数为正向化的指标值。

3.3 灌区现状评价结果与分析

本次以德州潘庄灌区为例，收集灌区现状相关指标数据。并根据潘庄现代灌区规划，收集到潘庄进行现代化改造后各指标应到达的目标值，对该灌区进行现代化评价。见表4。

利用可变模糊集理论方法，取p=2，α=1欧式距离。通过模糊评价模型，分别得出灌区现状和改造后的二级指标下各级的相对隶属度，得出一级指标下的各级综合隶属度，最后归一化处理后分别得到现状的VAh1和改造后的VAh2。

表4 潘庄灌区指标计算结果Tab.4 Index calculation results of Panzhuang irrigation district

VAh1=[0.099, 0.252, 0.318, 0.331]

VAh2=[0.640, 0.283, 0.076, 0]

根据式(11)得出：

H1=2.917

H2=1.421

并计算潘庄灌区现状和改造后指标相关数据分别与指标阈值的比值，对于改造后指标的数据高于阈值的比值均取1。分别得出灌区现状与改造后指标占比的雷达图，如图2和图3所示。

图2 现状占比雷达图Fig.2 The status quo radar figure

图3 改造后占比雷达图Fig.3 The situation after modernization quo radar figure

根据表4，灌区现状的评价结果处于Ⅲ级水平，表明现代化水平处于部分实现现代化程度，与潘庄灌区正要进行现代化建设的实际情况相吻合；灌区改造后的评价结果处于Ⅰ级水平，现代化水平处于全面实现现代化程度，说明潘庄实行现代化改造的措施是可行的。同时表明本文建立的现代化灌区评价指标体系及评价方法可行合理，可以作为现代化灌区评价依据。根据图2和图3，综合分析得出大型灌区现代化建设应注意：注重灌区的安全保障，加强防洪排涝灾害的措施；加强建设水利工程设施、信息化控制设施，完善灌区管理制度；提高灌区灌溉水有效利用系数；维持灌区生态平衡，全面治理水土流失、盐碱化等问题。

4 结 语

通过分析新时代下现代化灌区的内涵及其特征，建立了较完善的灌区现代化评价体系，并确定了2035年评价指标所到达的阈值。利用二元对比分析法，确定了各级指标的权重，基于可变模糊集理论建立了灌区现代化评价数学模型，对潘庄灌区现状及进行现代化改造后的状况进行评价，该评价结果和所分析改造前后的雷达图均与灌区的实际情况相符合。所以建立的灌区现代化评价指标体系适合评价现代化灌区，指标体系比较全面的概况了现代化灌区的硬指标，为现代化灌区建设提供参考依据。

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参考文献：

[1] 第一次全国水利普查成果丛书编委会. 灌区基本情况普查报告[M].北京：中国水利水电出版社,2017.

[2] 苏江霖,徐红丹. 关于渠南灌区现代化建设与发展的思考[J]. 中国水利,2015,(3):41-42.

[3] 张国瑞,武剑微,张景东. 内蒙古河套灌区建设现代水利的思考[J]. 内蒙古水利,2011,(2):136-137.

[4] 王修贵. 现代灌区的特征与建设重点[J]. 中国农村水利水电, 2016,(8):6-9.

[5] 楼豫红. 四川省灌区水利现代化的探索与实践[J]. 水利发展研究,2013,(3):70-72.

[6] 穆建新,吕振豫,许 迪,等. 农田水利现代化评价指标体系及评价方法研究[J]. 中国农村水利水电,2016,(8):33-40.

[7] 韩振中. 大型灌区现代化建设标准与发展对策[J]. 中国农村水利水电, 2013,(7):69-74.

[8] 王川文,李筱峰,徐冬梅,等. 大型灌区节水改造综合效益评价方法研究[J]. 中国农村水利水电, 2012,(1):119-123.

[9] C M Burt. Irrigation district modernization for the Western U.S[M]. Managing Water, 2005:23-29.

[10] C Rocamora. Strategy for efficient energy management to solve energy problems in modernized irrigation: analysis of the Spanish case[J]. Irrigation Science, 2013,31(5):1 139-1 158.

[11] 阿木提江,胡娃尼西,买 坎. 灌区管理现状及发展趋势[J]. 内蒙古水利, 2011,(2):64-65.

[12] 邹 强,周健中,周 超,等. 基于可变模糊集理论的洪水灾害风险分析[J]. 农业工程学报, 2012,28(5):126-132.

[13] 曹永强,张伟娜,马 静,等. 模糊层次分析法对水库补偿措施重要度研究[J]. 水电能源科学,2011,29(5):103-105.

[14] 陈守煜. 可变模糊评价法及在水资源承载能力评价中的应用[J].水利学报,2006,37(3):264-271.