北票市节水灌溉方式的优化选择

刘洪梅

(辽宁省北票市大三家水利服务站，辽宁 朝阳 122113)

1 水资源开发利用现状

1.1 水资源情况

北票市总面积4469km2，地处N41°20′和42°30′，E120°16′-121°20′之间，位于朝阳北部。该地区属于大陆性季风气候区，为辽西低山丘陵地带，年均降水量454.0mm，且7-9月为降雨集中期。北票市位于半干旱地区，降雨的渗入补给为地下水补给的主要来源。气温变化特点、蒸散发和降水量多少等因素均可对地下水的形成都起到控制作用，由于地表径流条件好，可渗入地下的降雨仅有10%-20%，大部分汇集于河谷排出县外。土壤侵蚀和冲蚀沟发育在集中降雨作用下更加突出，从而加速了地下水的排泄与径流[1-4]。

境内主要有东官营河、牤牛河、十八台河、西柳河及老寨川河等支流，从属于大、小凌河流域。常年有明水的河流有大凌河、牤牛河，其他支流大部分为季节性河流，雨季降水集中易形成2-4h的山洪。根据水资源统计相关资料，该区域水资源总量多年平均值为26529万m3，其中地下和地表水分别为19270、26220万m3，地下可利用量11274m3。

1.2 水资源利用

目前，北票市已建14座水库，其中：小(1)、小(2)型水库分别有7座、6座；塘坝、方塘、井房和渠道建筑物分别为18、64、2561、420座，提水站15处，自流灌渠36条，渠道防渗56.40km，机电井大口井2561眼，配套管路2075km。北票市2011年总用水量8956万m3，其中7548万m3来源于地下水供给，统计分析各行业用水如下：生态环境、城镇公共、林牧渔业、农田灌溉、农业发展、农村生活和城镇居民生活用水分别为13、135、697、3905、2668、823、715m3。

比较分析现状年与取用水总量控制指标，北票市地下水、地表水和水资源总量控制指标在“十二五”期间分别为0.77、0.15和0.92亿m3，现状年的地下水、地表水和实际总用水量分别为0.75、0.15、0.89亿m3。城镇节水器具普及率和农田灌溉水有效利用系数控制指标分别为98%、0.62，现状用水系数为0.60接近控制指标。另外，该区域地表水开发率较低，地下水开采处于采补平衡状态，地下与地表水开发率分别68.0%、8.1%。水资源开发利用程度37.1%，相对于60%的警戒线还存在一定的开发潜力。

1.3 存在的问题分析

1)水资源矛盾突出。根据社会经济和用水量指标分析结果，资源性、工程性缺水为北票市面临的突出问题。2011年北票市人均用水量153m3/人，远远低于同期全省平均值340m3/人；万元GDP用水量56.2 m3/万元显著低于全国同期的281m3，城镇和农民居民生活用水明显低于同期全省平均值；人均占有量、亩均用水量分别为453m3/人和3090m3/hm2，也显著低于同期全省平均值的820m3/人、8205m3/hm2。

2)可开采难度大。地处辽西丘陵地带的北票市，受蒸发量大、降水分布不均及地形地貌等条件限制地表水利用效率较低，同时由于水利工程较少和河流来水不均，机电井提水补充为需水高峰的主要来源[5]。

3)用水效率低。目前，由于还未建立较为系统、成熟的农业节水技术服务体系，使得一些先进的节水措施不能及时有效的服务于工农业发展，加之北票市区政供水系统设施陈旧、输水管线老化和滴、冒、跑、漏等现象严重，农田灌溉用水效率较低[6]。

为了提高灌溉用水效率和水资源可持续利用水平，有必要对不同灌溉方式进行优选研究，这不仅符合当前社会发展与经济建设的一项迫切要求，而且与生态环境、水土资源利用、农业可持续长远发展相关[7]。

2 基于层次分析模型的节水灌溉方式优选

优选评价节水灌溉方式时应考虑各方面因素的综合影响，若仅仅依靠某一指标或从某一个角度分析通常存在片面性。在判断分析多指标、多层次综合性问题时，层次分析法具有较好的逻辑性和较高的准确度，可根据标准化处理和不同灌溉方式的评判值进行排序，从而给出最佳的模式[8-10]。层次分析法主要是将灌溉效应各影响因素按照完成目标的程度和问题的性质分解为若干个层次，通过对比分析两两元素间的相对重要性构造具有一定关联性的递阶层次结构，然后采用1-9标度法对比分析两两因素的重要性，最终确定灌溉效益单排序及总排序评价值。

2.1 构建层次分析模型

2.1.1 总排序

设定S、M分别为单因素矩阵和权重矩阵，其中S=(E,T,H)T、M=(M1，M2，M3)，则不同灌溉方式的综合经济效果评价值Z的计算方法如下：

Z=M×S

(1)

2.1.2 单排序

假定Ee、Mg分别为国民经济指标矩阵及其的权重矩阵，其中Ee=(E1,E2，E3，E4)T、Mg=(Mg1、Mg2、Mg3、Mg4)，则国民经济子系统的综合评价值E计算方法如下：

E=Mg×Ee

(2)

引入Tt、Mt分别为工程技术指标矩阵及其的权重矩阵，其中Tt=(T1，T2，T3)T、Mt=(Mt1，Mt2，Mt3)，则工程技术子系统的综合评价值T计算公式如下：

T=Mt×Tt

(3)

设定Hs、Ms分别为社会影响及其权重矩阵，其中Hs=(H1，H2，H3，H4，H5)T、Ms=(Ms1，Ms2，Ms3，Ms4，Ms5)，则社会子系统的效应评价值H计算公式如下：

H=Ms×Hs

(4)

2.2 构造判断矩阵

选择经验丰富且长期从事灌区节水改造工程的6-10名专家组成小组，对各因素间的重要度进行判断并建立各层次判断矩阵B={bij}n×n，其中bij为依据1-9标度法对比分析的两两因素重要程度，判别标准见表1。

表1 判断矩阵B的标度准则

2.3 确定指标权重

不同灌溉方式的各指标权重值计算方法如下：

步骤一：根据乘积运算法计算矩阵B中各行元素的积Pi，其计算公式如下：

(5)

式中：n为判断矩阵B的阶数。

步骤二：采用下式计算确定Pi的n次方根值，其表达式为：

(6)

(7)

步骤四：按照1-9标度准则对n个元素的权重进行单排序并构造相应的权向量，对矩阵B的最大特征根λmax进行求解。从数学的角度可证明矩阵B属于正互反矩阵，因此必然存在正实数λmax。对不同灌溉方式进行优选分析时，依据专家评分构造的判断矩阵并不一定符合一致性要求，所以还需要引入CI指标衡量其一致性，其计算方法为：

(8)

(9)

一致性指标CI值为0，则灌溉方式优选评判矩阵符合一致性检验；否则，应对一致性选用指标RI重新检验，不同阶数矩阵其RI值检验标准，见表2。

表2 平均随机一致性RI检验指标值

2.4 获取社会评价指标

节水灌溉方式评判体系中可量化的指标为工程技术和国民经济子系统所包含的各项参数，这些参数可通过具体的计算确定；社会评价子系统中各参数均属于定性指标，考虑选用模糊数学评判法获取此类指标的量化值，具体流程为：按照规定的评语邀请6-10名长期从事灌区节水改造的工程人员，针对给定的指标作出科学的评判，并确定相应的隶属度。

结合节水灌溉的具体情况和相关技术要求，将评判等级划分V={V1,V2，V3，V4，V5}，所对应的评语依次为很好、较好、一般、较差和很差，所对应的隶属度为1.0、0.8、0.5、0.2、0.0。根据隶属度评判标准和不同灌溉方式的评语，确定N个专家的评分均值及其所对应的各参数平均隶属度。

2.5 相关指标的处理

节水灌溉效益评价体系中可量化的正向指标为工程技术和国民经济子系统所包含的各项参数，此类评价值越大则灌溉方式越优；负向指标有投资回收期和运行管理难以程度，此类指标值越小则灌溉方式越优。另外，由于部分指标存在量纲而无法直接参与计算。所以，对不同节水灌溉方式运用层次分析法进行评价时，有必要对有量纲和负向指标进行标准处理。

由于不同指标的量纲存在差异而无法直接用于计算评价，且正向与负向指标对综合评价结果的影响不同。所以，对不同节水灌溉方式利用层次分析法进行优选评价时，必须先进行规范化处理。其中，将数列中每一个指标除以该数列中的最大值即为规范化处理，即：

Eii=Ei/Emax

(10)

通过转换处理使得各项指标对评价结果的影响趋势相同，该过程即为同趋势化处理。选用求补法和大小值进行转置计算，其表达式为：

Eii=Emax+Emin-Ei

(11)

式中：Emax、Emin分别为最大与最小值；Ei、Eii分别为规范化处理前与处理后值。

3 实例应用

小管出流灌、滴灌和喷灌为北票市节水灌溉的3种待优选方案，为优选出最佳的灌溉方式选用层次分析法和以上计算公式进行分析[11]。

结合北票市节水灌溉多年调查资料和相关试验数据，确定不同灌溉方式的各指标初始值，然后采用规范化计算公式对T1、T2、E1和E4指标进行处理，同趋势化和标准化计算E3指标，结果见表3。

表3 不同灌溉方式的指标初始值与标准值

依据1-9标度准则，对结构层次体系中的各层级中每一个指均邀请专家进行评判并构造判断矩阵，经过一致性检验确定指标单排序与总排序。检验结果和权重计算见表4所示，其中λmax值为3.118，CI、RI、CR值分别为0.0095、0.610、0.025，检验结果符合要求。

表4 基于层次分析法的权重计算

对单层次中指标E、H、T分别利用文中所述公式进行计算，然后根据综合评价值Z计算公式确定不同灌溉方式的综合评判，见表5所示。

表5 权重计算及综合效益排序

对比分析等3种灌溉方式的综合评价值，结果显示综合评价值最高的为滴灌方式，具有显著的工程技术、社会评价和国民经济效益，因此选择滴灌作为北票市最佳的灌溉方式。

4 结 论

灌溉方式的选择应考虑各方面因素的综合影响，对于此类问题层次分析法具有较好的适用性。文章以北票市为例，结合该区域灌溉工程实际情况和不同灌溉模式特征，从社会评价、工程技术和经济性等方面优选了适合当地的最佳节水灌溉模式，可为提高农田灌溉用水效率及其综合效益评价提供一定指导。