熵权属性识别模型综合评价灌溉管理模式

孙瑜辉 ，岳春芳，王庆杰，覃 姗，李艺珍

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

我国从20世纪90年代中期以来，不断激发农民，推动农户参与灌溉管理[1]，田间节水灌溉运行管理模式的运用可使农民灌溉管理水平不断提高、农业生产基本条件得到改善，同时能够促进农产品增产增收和农业经济可持续发展。2017年召开的水利援疆工作会议显示，近5 a全疆(含兵团)发展高效节水灌溉面积累计达到333.6 万hm2，并将继续扩大发展南北疆节水灌溉面积。自治区水利厅在水利工作会议上指出，要不断加大南北疆田间节水建设力度，提高标准化、规范化建设和管理水平[2]。针对目前新疆部分地区农田节水灌溉工程建成后，农户对田间灌溉运行管理模式适用条件理解不到位、设备维护不足、管理不规范、盲目效仿其他管理模式等现象，需要采用综合评价方法从不同管理模式中优选出最适宜当地的节水灌溉运行管理模式。因此采用经济的田间运行管理模式是建设新疆农业节水灌溉可持续发展的重要举措，对田间灌溉进行规范化管理可充分发挥农田小型水利工程的节水作用，同时也是推动新型农业现代化、高效节水经济发展的重要前提。

本文采用属性识别理论结合熵权法确定权重的方法进行综合优选。程乾生教授(1997)提出了属性识别模型[3]，即有效解决有序分割问题的新型评价方法；李群教授(2002)在属性识别基础上，构建了属性区间识别理论模型[4]；张先起(2013)等人运用熵权属性识别模型比较不同坝系布局方案的优劣[5]，选出符合小流域坝系的最优方案；刘洋(2017)等人利用属性区间识别模型进行采矿方法的优选，将灰色接近度判断属性级别与置信度准则的选取进行了对比，灰色接近度判断属性级别更客观精确[6]。熵权属性识别模型还用于水资源可持续利用评价、地下水开采评价等多方面领域[7-9]。

1 建立属性识别模型

1.1 属性识别理论

节水灌溉田间管理模式的评价指标具有多属性特征，属性识别的指导思想是利用属性集原理[3]，在研究空间对备选模式进行属性判断，通过定量描述备选模式指标值在研究空间上与标准值的属性程度，最终识别评定出最优方案。

设G为备选管理模式的全体，即研究对象空间或最大属性集。Gi∈G(i=1,2,…,n) 为备选管理模式，B1，B2，…，Bm为管理模式Gi的m个评价指标，第i个模式Gi的第j个指标Bj的测量值为gij(即指标值)(1≤i≤n，1≤j≤m)。A为G中某类属性空间，评价集(F1,F2,…,Fk)为属性空间A的有序分割类，且满足F1>F2>…,>Fk，表示管理模式的优度依次减小。如已知每个指标的分类标准矩阵，写成分类标准矩阵如下：

F1F2…Fk

(1)

式中：bjk满足bj1

1.2 指标值属性测度

在识别优选管理模式前，首选要确定备选模式指标趋近于标准值的程度，即属性测度，其定义是指用一个数来定量表示属性集A中的x个元素“x∈A”的程度，将这个数记为L(x∈A)或Lx(A)，称它为x∈A的属性测度。一般属性测度为[0，1]。

计算指标值gij具有属性Fk的属性测度υijk=υ(gij∈Fk)，则当gij≤bj1时，取υij1=1，υij2=υij3=…=υijk=0；当gij≥bjk时，取υijk=1，υij1=υij2=…=υijk-1=0；当bjt≤gij≤bj(t+1)时，取：

(2)

1.3 管理模式级别判定与分析

(1)计算得到第i个模式的各指标测量值的属性测度之后，再分别计算第i个模式Gi在一级指标中的属性测度υik=υ(Gi∈Fk)。根据指标权重可计算得到属性测度υik：

(3)

1≤i≤n，1≤k≤K

(2)根据各模式的属性测度进行比较分析。若按照置信度准则，对置信度λ(0.5≤λ≤1)一般取0.6～0.7，计算ki：

当满足上式时的分割空间为k，则Gi属于Fki类。

置信度λ的具体值是人为确定的，为了尽量减少主观因素的影响，引入灰色接近度[6]进行模式级别判断，进一步验证管理模式Gi与理想模式属性测度之间的灰色接近度，从而以最接近的值为依据确定模式的评价级别。记第k类理想模式的属性测度υok=(1,1,…,1)，k=(1,2,…,K),则管理模式Gi的第j个评价指标与第k类的灰色接近系数为：

σijk=(1+|υijk-1|)-1

灰色接近度为：

(4)

k=1,2,…,K

管理模式Gi所属类别, 根据比较K个接近度Rik与理想模式接近程度来判断属于Fki类。

(3)得到Gi属于Fki类后再计算管理模式Gi的优越度分数，则根据pGi的大小对Gi进行排序和分析。计算pGi：

或者k>t+1)

(5)

根据优越度分数pGi的大小对Gi进行比较优选出最适宜的管理模式。

2 指标权重系数的确定方法

(1)建立n个方案m个评价指标的判断矩阵：R=(gij)n×m。

(2)因各指标计量单位不同，为了防止指标同质化，在综合评价前先进行归一化处理，把指标的值转化为相对值。即将判断矩阵归一化处理，得到归一化判断矩阵D如下：

(6)

式中：gmax、gmin分别为同指标下的最大值和最小值。

(3)根据熵的定义，n个模式m个评价指标，可以确定评价指标的熵为：

为使lnfij有意义，一般需要假定当fij=0时，fijlnfij=0。但当fij=1时，lnfij也等于0，这显然不切合实际，与熵所表述的含义相悖，因此，需对fij加以修正，将其定义为：

(8)

(4)计算评价指标的熵权W：

W=(ηj)1×m

(9)

3 管理模式评价指标体系

3.1 确定指标体系

管理模式的影响因素很多，如何使选取的指标具有针对性和可行性，能够反映管理模式的实际效果，对构建指标与模型的准确性有很大影响。在详细分析运行管理模式特点及管理原则的基础上[10,11]，构建了节水灌溉运行管理模式综合评价指标体系。以管理效益、经济效益、可持续效益3个准则层出发，建立11个二级指标。指标体系见图1。

图1 节水灌溉运行管理模式优选评价指标体系

3.2 评价标准值

结合节水灌溉管理宗旨和各指标在发挥管理作用时所占的比例，根据呼图壁县年鉴、实地调研、专家指导和前人研究经验，拟定了节水灌溉管理模式优选的指标评价标准值，即管理效益、经济效益、可持续效益、综合属性优选标准，综合属性优选标准值由3个二级指标值确定。依据评价集(F1,F2,…,Fk)的定义，将评定等级分为3级{Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ}，且满足Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ，表示管理模式的优度依次减小，因熵值法表示的值为越大越优，而单位面积种植作物成本为越小越优，因此表2经济效益标准值将“单位面积种植作物成本”、“单位面积系统运行成本”采用负值表示的方式。为了便于分析和计算，定量指标值计算单位用元/hm2，kg/hm2表示，定性指标值用百分数表示，见表1、表2、表3、表4。

表1 管理效益标准

表2 经济效益标准

表3 可持续效益标准 %

表4 管理模式综合标准 %

4 实例分析

4.1 研究区概况

新疆昌吉州呼图壁县大丰镇位于乌鲁木齐市东北部100 km，西距石河子市50 km，处于呼图壁县西部距离县城28 km，地处天山中段北麓、准格尔盆地南缘，地形以平原为主，平均海拔460 m，处于中纬度西风带控制之下，平均气温6.7 ℃，年降水量167 mm，无霜期平均180 d。大丰镇土地资源丰富，日照充足，热量充沛，生产条件优越，交通便利，全镇面积453 km2，耕地面积1.23 万hm2，主要种植作物为棉花。

根据实地调研选取了呼图壁县大丰镇“农业合作社+管理员”、“农民用水协会+管理员”、“畜牧公司+农户”、“大户自行管理”4种典型的运行管理模式，但是依然有部分村镇的农户在田间灌溉管理方面尚未形成统一的管理模式，设备维护术能力较薄弱，灌溉管理不规范，在种植、灌溉运行等方面劳动力投入较大，产量经济收益提高缓慢等。针对这些情况，有待选择一个适宜的管理模式，即可节约运行成本和劳动生产力，又提高经济收益。

本文从提升灌溉管理能力，节约运行成本，农业经济可持续循环发展等方面出发，对“农业合作社+管理员”、“农民用水协会+管理员”、“畜牧公司+农户”、“大户自行管理”4种典型管理模式进行综合评价，选择适宜的运行管理模式，便于统一品种、种植、灌溉、施肥、病虫害防治、田间管理、采摘、出售等，充分发挥节水灌溉技术优势，促进农户采用先进的管理方式，推动农业经济可持续发展。

4.2 评价指标值

“农业合作社+管理员”、“农民用水协会+管理员”、“畜牧或灌溉公司+农户”、“大户自行管理”4种管理模式，分别用G1、G2、G3、G4表示。管理模式定量评价指标值参考实际调研获取，定性评价指标由专家对应打分获取。各指标属性值见表5。

表5 评价指标值

4.3 管理模式综合评价

4.3.1 管理效益优选

根据评价体系中管理效益的4个二级指标，对4个模式中的管理效益进行评定，评定标准值见表1，管理效益的4个二级指标值见表6。

表6 管理效益指标值

(1)计算管理效益各指标的权重。按照公式(6)对管理效益各指标属性值进行归一化处理得到矩阵D。

由公式(7)、(8)计算各指标的熵Hj：

由公式(9)计算得到各指标的权重W：

(2)由1.2节和公式(3)，依据标准值计算各类模式的属性测度：

Ⅲ Ⅱ Ⅰ

(3)由公式(4)计算各模式在管理效益中与评定等级Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级的灰色接近程度，进一步验证管理效益中更有优势的管理模式，计算结果见表7。

表7 管理效益与标准值的灰色接近度

由表7可知，模式G1的评定等级为Ⅰ级，G2的等级为Ⅱ级，G3的等级为Ⅰ级，G4的等级为Ⅲ级。

(4)由公式(5)计算各模式的管理效益优越度，见表8。由表8可知，管理效益优越度分值由高到低依次是G1为2.837、G3为2.121、G2为1.702、G4为1.634。

表8 各模式管理效益优越度

4.3.2 经济效益优选

根据上述方法同样计算经济效益指标的属性测度，经济效益标准值见表2，经济效益指标值见表5，各模式经济效益优越度计算结果见表9。

由公式(5)计算得出，经济效益优越度分值由高到低依次是G3为2.546、G1为2.348、G4为2.328、G2为2.190。

4.3.3 可持续效益优选

根据上述方法同样计算可持续效益指标的属性测度，可持续效益标准值见表3，可持续效益指标值见表5，各模式可持续效益优越度分值计算结果见表10。

表9 各模式经济效益优越度

表10 各模式可持续效益优越度

模式G1、G2、G3、G4在可持续效益指标中的等级依次为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅱ级、Ⅲ级。优越度分值由高到低依次是G1为2.786、G2为2.056、G3为1.951、G4为1.479。

4.3.4 对4种模式的最终优选

通过二级指标的属性测度计算，4种管理模式的综合属性值见表11。

表11 综合属性值

利用以上方法计算出各管理模式与标准值的灰色接近度见表12，各模式G1、G2、G3、G4等级依次为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅱ级、Ⅲ级。分值排序见表13。

表12 综合灰色接近度

表13 各模式综合优越度

模式的优越度分值为：模式G1为2.916、模式G2为1.672、模式G3为2.269、模式G4为1.593。得到最适宜模式排序为：模式G1、模式G2、模式G3、模式G4。因此，模式G1“农业合作在+管理员”为最适宜管理方案，G3“畜牧公司+农户”管理模式可以作为备选方案。运用熵权属性识别模型在评价过程中能够更加客观精确地评选出最适宜管理模式，且计算结构清晰明了。

5 结 语

农田节水灌溉运行管理模式的优选需要从管理效益、经济效益、可持续效益等多方面综合考虑，模式的优选与指标体系的构建均需要综合考虑指标的属性。选用熵权属性识别模型应用于农田节水灌溉运行管理方式的评选中，首先引入熵值法赋权的理论，通过熵值计算来确定各指标权重，运用属性识别理论构建了节水灌溉运行管理模式综合评价模型，在管理模式属性空间上进行属性测度计算，通过灰色接近度计算指标值与标准值的接近程度，从而确定属性评价等级，并根据计算优越度分值确定最适宜管理模式。模型通过熵值法赋权能够减少主观赋权或指标同等化因素，评价等级选择用灰色接近度确定，避免因主观选择置信度的值而影响属性测度的判断，计算过程思路清晰、结果合理，为更多的节水灌区农户选择合理、适宜的管理模式提供决策方法，在发展新型农业灌溉管理方面，推动农业经济可持续发展。