基于物元分析的闫潭灌区水资源综合效益研究

(1.菏泽市闫潭送水干线工程管理处，山东 菏泽 274000；2.菏泽市洙赵新河流域工程管理处，山东 菏泽 274000)

我国降水和地表水资源相对缺乏的北方地区，仍然存在农业耕地灌溉水资源利用率偏低的问题[1-2]。作为基础性战略经济资源，水资源的数量、质量、分布制约着农业生产格局、民生发展、环境安全。21世纪以来，国家提出了水生态文明建设，着力于水资源优化配置来缓解水资源短缺的问题。本文以闫潭灌区为例，采用物元分析模型探究近17年来灌区水资源效益变化趋势及其平均格局，以期为灌区水资源管理、分配提供参考依据，同时为提升水资源利用效率提供数据。

1 物元分析方法

物元分析是结合形式逻辑与模糊数学提出的以逻辑细胞三元组为基础横断科学之一，用以解决互不相容问题，成为“硬”“软”科学重要的方法论内容。物元分析理论应用于水资源综合效益评价方面，其数学过程如下。

a.构建水资源综合效益基础物元。利用物元有序三元组表示水资源综合效益的结构层次性特征，即R=(M，C，X)，其中R表示物元矩阵，M为水资源综合效益，C为其综合效益的特征属性指标，X为相对应指标的量值。若M有n个指标属性特征，则其基础物元矩阵见式(1)[3]：

(1)

b.根据相关评价标准构建物元的经典域和节域。其思想就是构建指标量值与评价标准之间的模糊关系。因此，经典域物元矩阵Rj描述见式(2)：

(2)

式中 (j= 1，2…m)——指标评价区间；

(i=1，2…n)——指标排序；

Mj——水资源综合效益评价标准的第j个等级；

Ci——评价指标体系中的第i项指标。

Xji=(aji，bji)为Mj关于Ci所规定的量值范围。其节域矩阵见式(3)：

(3)

式中Ms——评价等级区间矩阵；

Xsi= (asi，bsi)——Ms关于Ci所取的指标取值范围。

c.计算关联隶属度，关联隶属度表征单一指标距离评价标准之间的距离，其计算以指标量值大小为基础。关联度计算见式(4)：

(4)

其中，

(5)

(6)

|Xji|=|aji-bji|

(7)

式中ρ(xi，Xji)——第i个指标的距离到经典域区间的距离;

ρ(xi，Xsi)——其距离节域的矢量长度。

d.确定综合关联度根据各评价对象与每一评价区间的隶属度值进行加权求和，则为综合关联度，公式见式(8)：

(8)

式中Kj(xi)——评价对象S0的第i项指标在第j级评价区间的关联度；

wi——第i个指标的权重;

Kj(S0)——待评对象P0的综合关联度。

e.确定对象评定等级，参考田浪[5]等的研究方案划分评价等级。

2 水资源综合效益评价指标体系与分级标准

2.1 水资源综合效益评价指标系统构建

水资源效益指一定区域内水资源供给产生的综合效益，包括社会效益、经济效益、环境效益。由于其影响因素众多，在参考前人的研究基础上[1-2,5-6]，遵循层次性、普适性、可得性等原则提取了具有高频、独立性的指标因子，用以构建水资源效益评价指标体系，其结构示意图见图1。

图1 水资源效益评价指标体系

2.2 水资源综合效益评价标准

评价标准对应着物元分析中的经典域，是水资源综合效益评价的关键内容。通常，该标准要求具有普世通用性，即能够适用于其他类似的问题解决；层次性，即评价标准的层级能够反映水资源效益及其指标属性的变化特征；可操作性，即数据来源可得可靠，指标可描述且量级化。鉴于此，在参考了联合国粮农组织所推荐的灌区综合评价指南，以及山东省和全国通行的标准值[5-6]，划分了灌区水资源综合效益评价分级，其阈值划分见表1。

表1 灌区水资源效益评价指标阈值分级

3 案例分析

3.1 闫潭灌区概况

闫潭引黄灌区位于华北平原南部的菏泽市西南，涉东明、曹县、单县3县局部，总面积达1350km2，总人口132.2万(2017年统计)。灌区耕地面积142万亩，设计灌溉面积100万亩，占全市总灌溉面积的1/3，主要作物类型为小麦、玉米、棉花、大豆等，平均复种指数为170%。闫潭灌区属暖温带半湿润季风气候区，多年平均降水量681.40mm，平均气温13.90℃，无霜期210天，平均日照时数为2579h。区域夏半年为丰水期，冬半年为枯水期，丰枯季节水量相差4.20倍，灌区区内呈春旱秋涝的自然特点。灌区内表层主要为砂壤土、壤土，性质黏重、吸水性好。

以2017年为现状年计算，灌区内年需水量为4.70亿m3，供水量为4.30亿m3，用水缺口达0.40亿m3。

3.2 闫潭灌区水资源综合效益计算

基于图1所示指标，通过《菏泽统计年鉴》,闫潭灌区管理部门将闫潭灌区各项实测指标数据提取出来，并运用文献[4]所示的熵权法计算得到各指标权重，代入式(4)～(7)，计算得到关联度，由式(8)计算各评价等级的综合关联度。以闫潭灌区某一渠系为例，其关联度与综合关联度见表2，可知该渠系在2017年的水资源综合效益指数为0.022，其等级属于“一般”水平。

3.3 闫潭灌区水资源综合效益纵向评价

各项指标的实测值是水资源综合效益评价的基础，需要指出的是各项指标可能存在一定的测量误差，鉴于此应将该误差考虑进去，识别变量误差对评价结果的不确定性影响。关于这一问题，国内外学者广泛采用局部灵敏度方法进行分析，即在计算某一评价对象综合关联度时，在保持其他指标量值不变的条件下对其中之一的指标量值取其±0.10的区间，计算指标量值变化后的最大关联度等级。应用前述方法，计算2001—2017年闫潭灌区水资源综合效益的关联度指数,得到结果见表2。

表2 2001—2017年闫潭灌区水资源效益综合关联度

上述计算结果显示：近17年来，闫潭灌区水资源综合效益波动于较差、一般、较好3个等级，但仍具有一定的趋势特征。2001—2004年稳定于较差等级，原因可能是21世纪初闫潭灌区各项工程措施基本建设完毕，但渠系管理、水资源配置等处于初级探索阶段，因而水资源利用效率并不高；2005—2009年波动于较差与一般等级区间，说明该阶段水资源综合效益略有提高，可能受到外部不确定性因素影响；2010—2013年稳定于一般等级，表明这时期内灌区水资源利用技术水平有了一定程度提升；2014—2017年达到较好水平，主要由于近年来随着水生态文明建设的战略提出，闫潭灌区管理部门系统升级了渠系灌溉设备、水资源调配，大大提高了灌溉效率与水资源利用率。需要指出的是，虽然灌区水资源综合效益有所提升，但其水资源供需矛盾依然严峻、用水缺口较大，灌区水资源短缺的问题仍需长远考虑。

3.4 闫潭灌区水资源综合效益纵向评价

图2 闫潭灌区水资源综合效益评价空间分布

为更好掌握灌区内各渠系的水资源效益，在Arcgis10.3平台上绘制了各灌区的空间矢量图，并将综合关联度进行空间表达，得到闫潭灌区水资源综合效益评价空间分布图见图2。可知该灌区内水资源效益空间分布十分不均衡，各大渠系分属于差、较差、一般和较好等级。22个渠系中有4个渠系水资源效益属于差等级，说明水资源利用效率低下，主要分布于灌区的北部和西南部渠系较少的地带；有9个渠系属于较差等级；水资源综合效益属于一般水平的有6个；有3个渠系水资源综合效益属于良好级。由图2可知，水资源综合效益与渠系分布密切相关，这是由于灌区内地形平坦、水体自流性差，远离渠系的地带水资源分配较少，相应的灌溉设施未能全部发挥能效，进而影响农业生产水平和居民收入，因而水资源综合效益较低。

4 结 论

结合相关研究提出的水资源评价高频指标因子及其阈值标准构建灌区水资源综合效益评价物元分析模型，对闫潭灌区水资源综合效益进行纵向与横向评价，得出以下结论：物元分析模型维数扩充容易，对水资源综合效益评判采用局部灵敏度识别，克服原始指标量值测量误差的影响，方法可靠、操作简单、应用性良好。2001—2017年来灌区水资源综合效益的关联度波动于较差、一般与良好等级区间内，但其总的趋势呈良性发展，随着经济、技术水平提高，灌区水资源综合利用率稳步提升，但水资源缺乏仍是区域发展的限制因子。空间上灌区水资源综合效益存在差异，因此，在今后渠线建设过程中应区别对待，注重局部水资源均衡分配。灌区水资源供应有限，对区内经济与民生发展至关重要，但其生态效益同样不可忽视。