基于层次分析法对灌溉系统的现代化评价

许招华

(永定区水利局，福建 永定 364100)

农业生产率受多种因素的影响，而应用灌溉设施是满足作物需水量的一种重要的提升方式。据统计，农业用水消耗了世界总用水量的70%[1]。因此，有效分配灌溉水资源可以提高农业用水效率，有望成为确保和推进可持续农业发展的重要动力[2]。本研究的灌区位于福建省永定区，全区耕地面积2.49 万hm2，灌溉面积2.17 万hm2。根据政府关于灌溉现代化的政策，灌溉系统需要就灌溉现代化规划的准备情况进行评估和分析[3]。这包括灌溉现代化的五大支柱，即水的供应、基础设施、灌溉管理、制度和人力资源。灌溉准备度的评估由灌溉现代化准备度指数(IKMI)表示，以便制定和确定下一步战略步骤[4]。

许多研究对灌溉现代化准备指数进行了分析。薛媛等[5]使用模糊层次分析法对疏勒河流域的节水灌溉进行了分析和评价。邢立文等[6]使用层次分析法结合熵权法，根据类似类型的二级渠道群分组分析了灌溉系统的现代化情况。李道西等[7]使用改进的层次分析法进行了灌区现代化节水灌溉模式的优选。因此，本研究采用层次分析法进行灌区现代化决策分析。层次分析法是一种综合决策方法，能够通过对多指标决定的问题进行分析，以优先等级的形式对备选决策进行排序[8]。本研究旨在分析灌溉系统灌溉现代化的准备情况，并确定灌溉现代化发展的顺序。

1 研究方法与数据处理

1.1 研究区概况

灌洋灌区位于福建省永定区，全区耕地面积2.49 万hm2，灌溉面积2.17 万hm2，农田有效灌溉面积1.84 万hm2，节水灌溉面积1.06 万hm2，灌溉水有效利用系数0.561。农业生产有水稻、花生、薯类、蔬菜等。灌洋灌区设计灌溉面积0.35 万hm2，现有干支渠(沟)总长281.11 km，其中干渠27 条，总长168.80 km；支渠19 条，总长74.10 km；排水沟干支渠28 条，总长38.21 km。跨越7 个乡镇89 个行政村，灌区被分为三部分，分别为一号灌区、二号灌区和三号灌区。

1.2 数据收集

(1) 现场勘查。用以确定状况良好的二级渠道、次二级渠道、三级渠道和排水渠道的结构数量和长度占建筑物总数和总渠道长度的百分比。用这种方法收集的数据结果被用来评估IKMI灌溉基础设施。

(2)调查问卷。采用问卷调查的方式，以收集关于灌溉水供应、系统管理制度和人力资源的数据。在这项研究中采访了78名灌溉行业相关人员，使用1～5分制评估提交的每个问题的答案，并对每个问题设定权重。

1.3 数据处理

基于对问卷调查和现场勘查的评估结果得到IKMI值。来自78名受访者的问卷数据加权平均，然后对数据按区域分组进行代数平均，从而获得每个区域的评估。并与现场勘查中获得的数据合并在一起，从而可以获得对灌溉发展需求的评估。然后将5个方面的评估乘以权重值，其中，水资源可用性、基础设施、系统管理、制度和人力资源的权重分别为20%、25%、15%、20%和20%。加权评估结果相加，得出灌区和各区域的IKMI值。IKMI可以分为4类，如表1所示。

表1 基于IKMI值的灌溉现代化指标分类

1.4 层次分析法

层次分析法通过对多个标准进行合理和直观的评估，提供了可以从多个方案中获得最佳决策的基本方法。分析的第一步是形成一个层次结构，在从上到下排列的层次之间有直接的层次关系，从目标开始，一直到标准，然后到最终的备选方案(如图1所示)。确定成对比较标准是使用层次分析法进行分析的下一步，该方法是构造一个矩阵，该矩阵包含一个标准和另一个标准之间的相对重要性比率通过归一化与成对比较矩阵的最大特征值相关联的特征向量来计算每个元素的相对重要性。最后，使用一致性比率(CR)，估计与比较矩阵的一致性。一致性比率的允许值小于或等于10%。

图1 层次分析法

2 结果和讨论

2.1 灌溉系统的IKMI评价

灌溉区域的IKMI评估结果见表2。每个发展支柱的IKMI是灌溉系统中三个区域的总和。由IKMI值可知，整个灌溉系统仍属于没准备好的状态，因为它的IKMI值为69.05，在50～80之间。因此，灌溉现代化需要推迟，并在1～2 a内改善灌溉系统才可能达到现代化要求。

表2 灌溉系统IKMI评价

灌溉系统水的可用性属于准备不足，IKMI得分为77分。基于水量平衡，水量充足，但由于灌溉网络条件差，水不能很好地流向农田。灌溉基础设施的IKMI评分为80分，属于准备充足。这个IKMI是通过现场调查获得，主要渠道(二级和次二级)、排水渠道和三级渠道等基本设施准备的较为充足。在系统管理方面，IKMI得分为59分，属于准备不足。这是由于几个因素造成的，包括由于预算限制，排水渠道的维护没有定期进行，以及二级和次二级渠道中有水量损失，此外部分渠道中有垃圾阻塞。制度的IKMI评分为57分，属于准备不足。根据问卷结果，成立并开展的活动存在一些尚未有效发挥作用。最后，人力资源的IKMI得分为67分，证明了现代化建设的人员准备仍是不充分的。

2.2 三个灌区的IKMI评价

IKMI评估结果总体上没有为灌溉现代化做好准备，而且一号灌区、二号灌区和三号灌区的IKMI评分也在50～80分之间，属于准备不足。该地区每个现代化影响因素的IKMI得分见表3。

表3 灌溉系统三个灌区的IKMI评估

IKMI在每个地区的分布如图2所示。可以看出，各地区灌溉现代化影响因素的表现各不相同。一号灌区在水资源供应方面具有优势。二号灌区在灌溉基础设施方面具有优势。三号灌区灌溉的现代化储备相对薄弱。

图2 每个地区的IKMI值分布

在确定灌溉系统区域的发展优先次序时，首先确定层次结构图，包括目标、标准和备选方案。目标是对三个地区发展需求进行排名。使用的标准是5个灌溉发展支柱，而提供的备选方案是3个地区。确定比较矩阵是使用层次分析法进行分析的第一步。然后通过对标准成对比较矩阵求平方，并将所得矩阵的一行中的数字相加，确定标准特征向量，并进行归一化。在下一步中，成对比较矩阵乘以特征向量得到标准排序矩阵。排序标准可以在图3中看到,计算CR=2.92%。

比较矩阵特征向量WA ⅡSM Ⅰ HR WAⅡSMⅠHR1.000.801.331.001.001.251.001.671.251.250.750.601.000.750.751.000.801.331.001.001.000.801.331.001.00æèçççççöø÷÷÷÷÷×0.190.310.110.190.19æèçççççöø÷÷÷÷÷=0.961.210.750.960.96æèçççççöø÷÷÷÷÷图3 用层次分析法对灌溉影响因素排序

基于层次分析法，排名第一的是灌溉基础设施，权重值为1.21。水资源、制度和人力资源三大因素排名第二，权重值为0.96。最后一个等级是系统管理，权重值为0.72。这些结果表明，水的可获得性、制度和人力资源在提高灌溉绩效方面具有同等的重要性，而灌溉基础设施最重要，系统管理相对最不重要。然后确定决策方案矩阵，以便在实施灌溉现代化之前，按照区域发展和改善的顺序进行决策(如图4所示)。基于矩阵求得的排名结果可知，排名区域即二号灌区、一号灌区和三号灌区，权重值分别为1.67、1.65和1.51，权重值越低代表着灌溉现代化程度越低。因此可根据以上顺序确定发展的优先性并建立相应的决策方案。

一号灌区二号灌区三号灌区WA ⅡSM Ⅰ HR 0.360.330.350.310.350.340.360.340.330.360.290.310.310.350.29()×0.901.210.720.960.96æèçççççöø÷÷÷÷÷=1.651.671.51()图4 决策方案求解

3 结 论

整个研究区的IKMI评估结果为69.05，属于灌溉现代化准备不足的类别，因此灌溉系统的灌溉现代化需要在1～2 a内进行改进和发展。基于层次分析法得到三个灌区权重值分别为1.65、1.67和1.51。因此，灌溉现代化发展和改善的顺序应该从三号灌区到一号灌区，最后为二号灌区。