辽阳市灌区运行水平综合评价——以灯塔灌区和浑沙灌区为例

刘 芳

(灯塔市水利灌溉服务中心，辽宁 辽阳 111300)

0 引 言

灌区对保障国家粮食安全及推动农村经济发展发挥着巨大作用，灌区可持续发展也是促进当地社会经济、农业及其他相关产业发展的重要基础。调查显示，我国90%以上的经济作物和75%的粮食生产于灌区耕地，灌区可持续发展对区域水土保持、水源涵养、风沙治疗、生态保护、用水和粮食安全等具有显著作用[1]。目前，我国灌区普遍存在运行效率低、管理水平不高、配套不完整、水利设施老化及建设标准低等问题，所以利用科学的方法与完善的指标体系综合评价灌区运行状况，对灌区投资决策与现代化建设具有重要意义[2]。

当前，常用的灌区运行水平评价方法有数据包络法、改进突变理论、灰色关联理论、模糊综合法、改进密切值法、连续蚁群算法、改进TOPSIS法等，实际应用时这些方法的适用性很高，但仍存在一定不足，其中灰色关联法、密切值法及改进TOPSIS法具有较高的数据精度要求；模糊数学法存在较强的主观性，权重计算时易出现偏差且评价过程较为复杂；不同的控制变量维度使得改进突变理论势函数存在较大差异，由此产生更加复杂运算[3-4]。秩和比RSR统计方法被广泛应用于统计、教育、体育等领域，对于综合评价医疗卫生条件也具有较强适用性。由于对初始数据精度要求低、计算步骤简单、适用性良好，评价过程秩参与运算，所以加权RSR法能够有效排除极端参数值的影响，综合评价灌区运行状况时具有良好适用性[5-7]。

文章将评价指标主、客观权重利用博弈论法进行综合赋权，并以辽阳市灯塔灌区、浑沙灌区为例，利用加权RSR法综合评估了灌区运行状况，通过对比分析验证了模型评估精度，可为灌区节水改造和现代化建设提供决策依据[8]。

1 灌区运行水平综合评价体系

1.1 选取评价因子

灌区运行水平评价应考虑可持续发展、灌溉面积、渠系输配水、社会经济、生产效率等因素，文章结合辽阳市灌区实际运行情况，遵循实用性、科学性和系统性等原则选择30项典型评价因子，并按照梯阶层次结构建立评价体系如表1所示。

1.2 确定指标权重

目前，主、客观赋权法为权重赋值的两种常用方法，其中主观赋权法赋值的依据为决策者的信息偏好与直接经验，而客观赋权法获取权值的基础为数学模型和决策信息矩阵。这两种方法的特点及适用范围不同，前者受个人经验与信息偏好的不同使得权值往往存在较强主观性，评价结果的稳定性较差；后者对决策者知识经验、科学判断的考虑不足，很容易导致不符合实际情况的现象。对此，为减少单一赋权法对灌区运行水平评价可能引起的偏差，切实提高评价结果的客观性与科学性，考虑对各指标主、客观权重利用博弈论法组合优化[9]。

表1 辽阳市灌区运行水平评价体系及指标权重

1.2.1 主观权重(G1法)

采用序关系分析法(G1法)获取各评价因子的主观权重时，先依据专家意见直观判断不同因子的重要程度，即遵循一定的准则和专家自身经验对n个因子x1、x2、…、xn排序，若存在关系式x1>x2>…>xn，则认为各评价因子确立了不劣于关系；然后利用wk-1/wk代表评价因子Ck-1与Ck之间的重要度之比，并采用公式wk-1/wk=rk衡量各专家的理性判断，其中k=2、3、…、n；最后，各评价因子的主观权重wn利用以下公式求解，计算式为：

(1)

按照以上流程和G1法计算公式可以获取所有参评因子的主观权重，由此构造主观权系数为：w(1)={w11，w12，Λ，w1n}。

1.2.2 客观权重(熵权法)

熵能够反映信息系统所处的状态，系统中信息的无序程度可以利用熵值的大小来描述，熵值越小则系统的无序程度越高，反之则越低[10]。因此，可以引入熵的概念用求解指标的客观权重，对于定量问题的判断分析具有较好适用性。其中，参评因子所携带的有效信息量为熵权法确定客观权重的根本依据，熵值越小所携带的有效信息量越多，对灌区运行的重要度越高，由此赋予的权值越大。根据该方法求出各因子客观权重系数：w(2)={w21，w22，Λ，w2n}，详细流程如下：

步骤1：归一化处理。设参评因子数和灌区数为n、m，从而构造原始矩阵为P=(pij)m×n，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。考虑到不同指标的单位、量纲不同无法直接参与运算，所以要归一化处理构造标准矩阵P*=(pij*)m×n。灌区运行水平效益型、成本型指标的归一化公式如下：

(2)

(3)

步骤2：熵值的计算。对于具有n个评判因子的m个灌区样本，采用下式获取指标j的熵值Kj，即：

(4)

步骤3：权重的计算。采用已求解的熵值和公式(5)获取指标j的熵权，即：

(5)

1.2.3 综合权重(博弈论法)

运用博弈论法以纳什平衡为协调目标处理不同权重之间的冲突关系，经协调分析实现主、客观权重的最优。对灌区运行水平各参评因子利用L种方法赋权，设方法q赋予的权向量为w(q)={wq1，wq2，Λ，wqn}，其中q=1,2，…,L，αq为L种赋权方法的线性组合系数，则任意线性组合的L个不同权向量表示为：

(6)

根据博弈论思想寻求各因子权重之间的协调一致性关系，设离差极小化为各个Wi与W的优化目标，从而构造目标函数如下：

(7)

然后对目标函数利用矩阵的微分性质进行最优化一阶求导，由此可获取组合系数α，其表达式为：

(8)

最后利用归一化公式对以上结果处理，并将处理后的线性组合系数代入公式(6)，按照该方法求解的因子权重W即为综合权重，处理公式为：

(9)

2 基于秩和比法的评价模型

2.1 基本原理

根据优劣程度对各项指标排序，并对参评样本各因子的秩及其权重作乘积运算获取无量纲的WRSR值，然后按照计算的WRSR值和编制的WRSR频率分布表构造回归方程，并将各参评样本利用回归方程推算的WRSR值排列。

2.2 综合评价模型

步骤1：编秩。按照从小到大的原则将灌区产量x1、x2、x3、x4、x5的统计量排列为x(1)、x(2)、x(3)、x(4)、x(5)，若存在条件x1=x(5)，则该样本中x1的秩为5；若x1、x2、x3、x4、x5的产量依次为3、1、2、-1、0，则样本中所对应的秩为5、3、4、1、2。采用以上方法可以将n个参评因子的m个灌区样本排列成n列m行的数据表，然后对每个因子隶属于各参评灌区的秩求解，并遵循从小到大或从大到小的原则编制效益型和成本型指标的秩，若同一指标关于不同对象的秩相等，则取平均值。

步骤2：秩和比RSR的计算。灌区i的RSR值利用以下公式求解，即：

(10)

所有参评因子权重相等的情况下可以利用上式求解，若不完全相等则利用下式求解灌区i的加权秩和比WRSR，即：

(11)

式中：wj为参评因子j的综合权重。

步骤3：概率单位的确定。按照从低到高的次序和编制的WRSR频率分布表排列WRSR值，对灌区i的累积频率进行逐项求解，即：pi=i/m，以1-1/4m估计最后一项累计频率。以概率单位Probiti转化处理参评因子i的累积频率pi，对照表见表2，其中Probiti为标准正态离差+5。

表2 概率单位对照表

步骤4：构造回归方程。设定因变量或者自变量为WRSR、概率单位Probit，由此构造直线回归方程Probit=a+bWRSR或WRSR=a+bProbit。

步骤5：结果排序。将所有参评样本按照推算的WRSR值从大到小排序，排序越靠前灌区运行水平越高。

3 实例应用

3.1 灌区概况

灯塔灌区总控制面积420km2，其中葠窝水库为主要水源，渠首工程位于坝址下游9km处，以有坝自流引水作为灌区取水方式，其中进水闸及拦河坝总长345m。依据葠窝水库原设计供水量，每年向灌区供应水资源2.84亿m3，设计灌溉2.6万hm2，因灌区工程不配套实际灌水田面积为1.65万hm2。灌区建设时受历史条件、施工经验、资金投入及质量标准等限制，整体质量较差，多处未达到设计标准，经过长期的运行绝大部分工程存在原配套程度低、用水损失严重、水利设施老化、工程标准偏低、渠系淤积等问题，加之运行管理不善进一步加速了灌区的老化失修。为进一步提升整个灌区运行效率和农业灌溉用水率，摆脱灌区低效率、高能耗、低标准的现状，急需更新改造灌区现状。灯塔灌区更新改造的内容：①渠首加固维修；②渠道防渗及防渗衬砌总计323.3 km，其中总干渠渠道防渗5.5km，防渗衬砌17.4km，干渠和支渠防渗衬砌94km、206km；③改扩建支渠以上渠系建筑物共357座；④为给浑沙灌区补水提供6m3/s及恢复水田3733hm2，将原五分干加宽改造成总干渠，使总干渠长度由33km延长到43.5km，将现五分干06、07和08引支加宽改造成六分干、七分干和八分干。

浑沙灌区总面积430km2，设计、有效和实际农田灌溉面积2.1万hm2、1.4万hm2、1.23万hm2，现有总干渠1条(长28km)，分干渠6条(长52.9km)，支渠45条(长126.2km)，斗渠110条(长120.1km)。2013-2018年完成了浑沙灌区配套改造5期工程，其中完成骨干渠道衬砌42.96km，骨干建筑物47座，改造管理站房5座，灌区信息自动化建设(闸门量水设备40套、渠道流量计量设备21台、监控系统设备88台、主监控中心1处、子监控中心4处)，实现了灌区自动化管理。

3.2 权重计算

根据各项因子值可以构造初始决策矩阵A=(aij)m×n，其中aij为评价分析灌区i的第j项因子。通过向用水户协会、灌区管理部门、水利部等有关人员发放问卷，统计整理有效问卷获取G1法主观权重；然后利用熵权法与决策矩阵求解客观权重，采用博弈论法将主、客观权重相耦合获取最终的组合权重。

3.3 推算WRSR估算值

依据灯塔灌区、浑沙灌区管理运行实际情况，采用节水改造有关调查数据拟合WRSR曲线，见图1。由此获取的拟合回归方程为WRSRfit=0.2851+0.0657Probit，并利用该方程综合评价灌区运行水平，如表3所示。

图1 拟合曲线

表3 运行水平综合评价

3.4 结果分析

根据表3可知，按照WRSRfit大小浑沙灌区明显优于灯塔灌区，可见浑沙灌区2013-2018年完成的节水改造5期工程发挥了巨大成效。结合相关资料，浑沙灌区节水改造工程的实施显著提升了农田灌溉用水率，从最初的0.41快速增大至0.65，由此可节约灌溉用水量1506万m3，这为减少农业灌溉水费支出、建立良好的灌水秩序和按水量征收水费制度等创造了有力条件；此外，节水改造工程完善了田间灌溉系统和提高了农田灌溉保证率，有效解决了辽阳市农业发展长期面临的用水问题，对保护区域生态环境及维持社会安定具有积极作用。通过实施绿化整治、机耕道路修整和渠道护砌等措施，逐渐实现了渠道顺直、断面规范、坡面凭证、渠堤绿树成荫的目标，为改善农村交通条件、加强水土保持、美化灌区自然环境和调节农村小气候等提供基础保障。

将浑沙灌区、灯塔灌区运行水平利用较为常用的改进密切值法评价，结果显示浑沙灌区排序仍然高于灯塔灌区，可见这两种方法评价结果保持较好的一致性，都能较为客观准确的反映灌区运行情况。相对于其他方法秩和比法具有简单的运算过程、较高的建模效率，该方法以秩次参与运算，所以能够减少评价结果受参评因子微小或巨大差异的影响程度，降低极端特殊情况对评价结果的不利作用，从而保证评价结果的客观性和准确性。

4 结 语

1)文章结合辽阳市灌区运行实际情况，从多个不同方面选择30项典型指标，按照梯阶层次结构建立综合评价体系，并对各因子权重利用G1法、熵权法和博弈论法进行赋权，由此保证权重计算的准确度。

2)选取灯塔灌区、浑沙灌区为研究对象，利用加权秩和比法综合评价了其运行水平，结果显示浑沙灌区明显优于灯塔灌区，浑沙灌区2013-2018年完成的节水改造5期工程发挥了巨大成效。该评价结果与相关调查资料保持一致，且与较为常用的改进密切值法评价结果高度吻合，从而验证了改进秩和比法的可靠性和评价体系的可行性。

3)受政府政策、节水改造投资、用户参与度和当地经济发展等条件限制，不同灌区的运行水平存在一定差异。为进一步提升灯塔灌区运行水平，应加快落实各项更新改造的内容，加固维修渠首工程、防渗衬砌干支渠及改扩建总干渠，促进水权交易和节水灌溉的推广。