基于属性层次模型的灌区节水水平研究

曹永梅1，李 君1，李廉俊2

（1.华北水利水电大学，河南郑州450045；2.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州450016）

摘 要：灌区节水评价是灌区管理的有效工具之一，是实现水资源可持续利用的一种途径，对提高灌溉水利用效率、支撑农业和社会经济的可持续发展具有重要意义。为此，建立了基于属性层次模型的灌区节水水平综合评价模型，该模型考虑了灌区的社会经济、土地资源状况、农业水资源利用效率、管理体制等方面的多个指标，实用简便，能较好地评价灌区的节水水平。模型中评价指标的相对重要性和隶属度可根据实际情况进行调整，从而得出比较准确的结果。运用模型对某灌区的节水水平进行了评价，评价结果可为灌区的规划、建设、管理和节水目标的制定提供参考。

关键词：属性层次模型；节水水平评价；灌区

灌区在我国国民经济与农业生产中发挥着重要的作用，是稳固国家经济发展与保障粮食安全的重要支柱。节水评价是灌区管理的有效工具之一，通过灌区节水评价，有助于建立起更合理的灌区设施和体制，对灌区的实践活动进行调控［1］。通过节水挖潜，采取各种有力措施，推广节水灌溉，是解决农业水资源短缺问题的关键。开展灌区节水水平评价，对提高灌溉水利用效率、支撑农业和社会经济的可持续发展具有重要意义。

20世纪80年代以来，许多专家和学者在灌区节水灌溉效益和节水改造效益评价方面做了不少研究工作，葛书龙［2］建立了灌区评估指标体系，并应用灰关联度分析法对评估指标进行关联分析；姚崇仁［3］建立了基于层次分析法和系统动力学的评价指标体系；罗金耀等［4－5］提出了定性、定量指标结合的模糊多目标决策评价理论与模型；侯维东等［6］提出了基于改进层次分析法和灰色关联法的评价指标体系；周明耀等［7］依据递阶层次结构和灰色系统理论，提出了一种新的定性与定量分析相结合、以定量分析为主的灌溉管理评价方法；姚杰等［8］采用综合主成分分析方法对灌区节水改造效益进行综合评价；方崇等［9－10］提出了蚁群投影寻踪回归模型和TOPSIS模型。各种评价方法和模型主要针对灌区节水灌溉工程和节水改造效益，笔者考虑灌区的社会经济情况、土地资源状况、灌区工程条件、农业水资源利用效率、管理体制、经营管理水平、生态环境等方面的情况，建立综合评价指标体系，基于属性层次模型对灌区节水水平进行综合评价，找出对节水水平影响较大的因素，从而为灌区的规划、建设、管理和节水目标的制定提供参考。

1 属性层次模型的原理

属性层次模型［11］（Analytic Hierarchical Model，简称“AHM”）由北京大学程乾生教授提出，和传统的层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称“AHP”）相比，是一种新的无结构决策方法，无需对判断矩阵进行一致性检验，算法更简单。

在模型中，设有n个元素u1，u2，…，un，比较两个不同元素ui和uj（i≠j），ui和uj对准则Z的相对重要性分别记为μij和μji。按属性测度的要求，μij和μji应满足：

满足式（1）和式（2）的μij称为相对属性测度，由μij组成的矩阵（μij）n×n称为属性判断矩阵。

在AHP中，判断矩阵（aij）的元素aij由比例标度给出［12］。在AHM模型中，属性判断矩阵（μij）的元素μij可以由比例标度aij转换得到，公式如下：

式中：k为大于2的正整数；β≥1，通常β取1或2［12］。在准则Z下的相对属性测度和属性权重见表1。

表1 准则Z下的相对属性测度和属性权重

元素u1u2…unW u1μ11μ12…μ1nW1u2μ21μ22…μ2nW2︙︙unμn1μn2…μnnWn

2 基于属性层次模型的灌区节水评价模型

2.1 指标体系的建立

从总体上客观评价灌区的节水水平，需要全面考虑各相关因素，主要包括土地资源状况、灌区工程条件、农业水资源利用效率、管理体制和生态环境等要素。根据评价指标选择的原则，建立的评价指标体系见表2［13］。

表2 灌区节水现状综合评价指标体系

目标层准则层指标层社会经济情况A灌区农民人均收入模数A1人口密度模数A2农业人口比例模数A3灌区粮食作物比A4土地资源状况B农田灌溉率B1中低产田面积比B2可利用水资源量模数比B3天然降水量模数B4水资源开发利用率B5地下水开发利用率B6作物需水量满足程度B7灌区工程现状C灌区节水水平灌溉渠道防渗率C1工程配套完成率C2工程老化损坏率C3田间节水灌溉工程面积比C4量水设施完善率C5农业水资源利用效率D灌溉用水模数D1单位水量经济效益D2管理体制E水价到位程度E1用水户参与灌溉面积比E2管理单位管理效率E3经营管理水平F供排水费实收度F1供排水成本回收率F2大修费提取率F3折旧费提取率F4综合经营收入比例F5生态环境指标G灌溉水质指标G1灌区水质指标G2土壤污染指数G3土壤侵蚀程度G4

2.2 指标权重的确定

2.2.1 比例判断矩阵的确定

指标层次结构建立后，就确定了指标对上层目标的隶属关系。用1～9标度法表示同一层两个指标对上层目标的相对重要性。1～9标度法的含义是：若ui和uj（i≠j）是准则Z下的两个指标，（aij）是准则Z的比例判断矩阵，那么，在准则Z下，aij＝1表示ui与uj具有同等重要性，aij＝3表示ui比uj稍强，aij＝5表示ui比uj强，aij＝7表示ui比uj很强，aij＝9表示ui比uj极强［12］。

根据灌区的实践与管理要求，参照节水灌溉管理质量综合评估及相关指标的相对权重，对评价指标进行两两比较，采用1～9标度法确定各指标的比例判断矩阵（aij）。

2.2.2 属性判断矩阵的确定

根据式（3）把比例判断矩阵转换成AHM的属性判断矩阵，本文取参数β＝2计算准则层和指标层的属性判断矩阵和相对属性权重。

2.2.3 指标合成权重的确定

由于评价指标体系由多个层次构成，因此需要考虑所有指标对目标层的影响。按照式（4）～式（10）计算各指标对目标的合成权重：

式中：WA、WB、WC、WD、WE、WF、WG分别为社会经济情况、土地资源状况、灌区工程现状、农业水资源利用效率、管理体制、经营管理水平、生态环境对目标的合成权重矩阵；WZA、WZB、WZC、WZD、WZE、WZF、WZG分别为社会经济情况、土地资源状况、灌区工程现状、农业水资源利用效率、管理体制、经营管理水平、生态环境对目标的相对属性权重；WAi、WBi、WCi、WDi、WEi、WFi、WGi分别为社会经济情况、土地资源状况、灌区工程现状、农业水资源利用效率、管理体制、经营管理水平、生态环境对准则层的相对属性权重矩阵。

各指标对目标的合成权重计算结果见表3。

表3 评价指标对灌区节水评价目标的合成权重

指标权重指标权重指标权重A10.039 26 B70.022 44 E30.060 80 A20.013 94 C10.021 23 F10.021 28 A30.039 26 C20.051 46 F20.021 28 A40.013 94 C30.081 69 F30.021 28 B10.009 77 C40.021 23 F40.021 28 B20.022 44 C50.081 69 F50.021 28 B30.009 77 D10.105 45 G10.013 94 B40.009 77 D20.105 45 G20.039 26 B50.022 44 E10.022 80 G30.013 94 B60.009 77 E20.022 80 G40.039 26

从表3可以看出，农业水资源利用效率对节水水平的影响最大，量水设施完善率、工程老化损坏率、管理单位管理效率、工程配套完成率等对节水水平也有较大影响。

2.2.4 指标隶属度的确定

指标隶属度是表征评价指标隶属于灌区节水水平的程度，在0～1之间取值。指标体系中各指标的隶属度分级标准见表4。

2.2.5 基于AHM模型的灌区节水水平评价模型

在确定各项指标的合成权重及隶属度后，即可进行灌区的节水水平评价，计算公式为

式中：L为灌区节水水平综合评价结果；Wi为指标权重；Fi为指标隶属度。L越大说明节水水平越高。

3 模型应用

将评价模型应用于某灌区，根据当地水利局提供的灌区相关资料，确定评价指标体系中各指标对灌区节水水平目标的合成权重和隶属度，评价灌区2010—2014年的节水水平，评价结果见表5。

表4 评价指标隶属度分级标准

指标0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 A1≤0.5 0.5～0.7 0.7～1.0 1.0～2.0≥2.0 A2≥3.0 3.0～2.0 2.0～1.5 1.5～0.5≤0.5 A3≥1.3 1.3～1.0 1.0～0.7 0.7～0.5≤0.5 A4≥1.0 1.0～0.8 0.8～0.6 0.6～0.4≤0.4 B1≤0.2 0.2～0.3 0.3～0.5 0.5～1.0＝1.0 B2≥0.5 0.5～0.3 0.3～0.2 0.2～0.1≤0.1 B3≤0.5 0.5～0.7 0.7～1.0 1.0～1.5≥1.5 B4≤0.4 0.4～0.6 0.6～0.8 0.8～1.0≥1.0 B5≥0.4 0.4～0.3 0.3～0.2 0.20～0.05≤0.05 B6≥1.0 1.0～0.6 0.6～0.3 0.3～0.1≤0.1 B7≤1.0 1.0～2.0 2.0～2.5 2.5～3.0≥3.0 C1≤0.1 0.1～0.4 0.4～0.6 0.6～0.9≥0.9 C2≤0.5 0.5～0.6 0.6～0.8 0.8～0.9≥0.9 C3≥0.9 0.9～0.7 0.7～0.4 0.4～0.1≤0.1 C4≤0.31 0.31～0.5 0.5～0.7 0.7～0.9≥0.9 C5≤0.5 0.5～0.7 0.7～0.8 0.8～0.9≥0.9 D1≤0.3 0.3～0.4 0.4～0.5 0.5～0.6≥0.6 D2／（元·m－3）≤1.6 1.6～2.0 2.0～3.0 3.0～4.0≥4.0 E1≤0.2 0.2～0.4 0.4～0.6 0.6～0.9≥0.9 E2≤0.2 0.2～0.4 0.4～0.6 0.6～0.9≥0.9 E3≥2.0 2.0～1.8 1.8～1.5 1.5～1.0≤1.0 F1≤0.5 0.5～0.7 0.7～0.8 0.8～0.9≥0.9 F2≤0.5 0.5～0.7 0.7～0.8 0.8～0.9≥0.9 F3≤0.2 0.2～0.4 0.4～0.6 0.6～0.9≥0.9 F4≤0.2 0.2～0.4 0.4～0.6 0.6～0.9≥0.9 F5≤0.1 0.1～0.2 0.2～0.4 0.4～0.5≥0.5 G1ⅤⅣⅢⅡⅠG2ⅤⅣⅢⅡⅠG3≥0.5 0.5～0.4 0.4～0.2 0.2～0.05≤0.05 G4／（t·km－2）≥8 000 8 000～5 0005 000～2 500 2 500～200≤200

表5 基于AHM的灌区节水水平评价结果

年份2010 2011 2012 2013 2014灌区节水水平0.458 2 0.472 6 0.557 1 0.561 9 0.578 4

通过模型在该灌区的应用，可以得出以下结论：

（1）从评价结果可以看出，该灌区的节水水平处于中等水平。

（2）从2012年开始，节水水平明显提升，主要原因是2011年灌区完成了节水灌溉工程改造，提高了渠系水利用系数和灌溉水利用系数。可见，灌区水利用效率和灌区工程条件对灌区节水水平的影响比较显著。

（3）从计算过程可以看出，改造后灌区的灌溉工程条件、灌溉水利用系数、粮食作物比例、中低产田率、管理单位管理效率、综合经营收入比例、灌溉水质指标、灌区水质指标等基本达到了最优值。

（4）目前，灌区的节水水平依然不高，主要是由当地的社会经济情况和水资源情况造成的，包括农业人口比例模数过高、农民人均收入模数偏低、可利用水资源模数比偏低、水资源开发利用率过高等因素。

4 结 语

基于属性层次模型和模糊评判方法，考虑灌区的社会经济、土地资源状况、农业水资源利用效率、管理体制等多个指标，建立了灌区节水水平评价模型，该模型方便实用。在应用中，可根据灌区的实际情况对各指标的相对重要性进行调整，从而得出比较准确的结果。另外，评价指标隶属度直接影响灌区节水水平评价结果，应随着社会和灌区的发展调整评价指标隶属度。

参考文献：

［1］ 中国灌溉排水发展中心.大型灌区节水改造方案及评价指标体系研究［R］.北京：中国灌溉排水发展中心，2001：18－20.

［2］ 葛书龙.灌区评估指标的选取及灰关联分析［J］.农田水利与小水电，1993（4）：13－18.

［3］ 姚崇仁.干旱缺水灌区节水灌溉评价标准及其分析［J］.农田水利与小水电，1995（6）：7－10.

［4］ 罗金耀，陈大雕，郭元裕.节水灌溉工程模糊综合评价研究［J］.灌溉排水，1998，17（2）：16－21.

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［6］ 侯维东，徐念榕.井灌节水项目综合评价模型及其应用［J］.河海大学学报（自然科学版），2000，28（3）：90－94.

［7］ 周明耀，陈朝如，彭怀英，等.灌溉管理的递阶多层次灰色评价方法［J］.系统工程理论与实践，2000，20（4）：120－126.

［8］ 姚杰，郭宗楼，陆琦.灌区节水改造技术经济指标的综合主成分分析［J］.水利学报，2004，35（10）：106－111.

［9］ 方崇，蔡小超，张春乐.蚁群投影寻踪回归模型在大型灌区节水改造效益综合评价中的应用［J］.中国农村水利水电，2010（3）：62－64.

［10］ 方崇，张春乐，陆明本.基于熵权的TOPSIS模型在右江灌区节水改造效益综合评价中的应用［J］.节水灌溉，2011（2）：52－55.

［11］ 程乾生.属性层次模型AHM：一种新的无结构决策方法［J］.北京大学学报（自然科学版），1998，34（1）：10－14.

［12］ 程乾生.层次分析法AHP和属性层次模型AHM［J］.系统工程理论与实践，1997，17（11）：25－28.

［13］ 周华.灌区水资源高效利用与综合技术体系研究［D］.南京：河海大学，2008：24－34.

【责任编辑 许立新】

Study on Water⁃Saving Level of Irrigation Area Based on Analytic Hierarchical M odel

CAO Yongmei1，LIJun1，LILianjun2

（1.North China University ofWater Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China；2.Henan Water＆Power Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhengzhou 450016，China）

Abstract：Assessmentofwater⁃saving degree is one of the effective tools for irrigation areamanagement and it is a way to realize sustainable utilization ofwater resources.It is important to improve the efficiency of irrigation water and support the sustainable developmentof agriculture and social economy.So，the comprehensive evaluationmodel for the water⁃saving level of irrigation area based on Analytic HierarchicalModel（AHM）was proposed，considering a number of factors including the social economic status，land resources，utilization efficiency of agricul⁃turalwater resources andmanagement system and so on.Themodelwas practicaland convenientand we could evaluate the irrigation areawa⁃ter⁃saving level effectively by it.The relative importance and membership degree of the evaluation indexes in themodel could be adjusted ac⁃cording to the actual situation，so thatmore accurate results could be gotten.Then，the water⁃saving degree of the irrigation area was ap⁃praised.The evaluation result can provide references for the planning，construction，management and water⁃saving goal setting of the irriga⁃tion area.

Key words：Analytic Hierarchical Model；assessment for water⁃saving degree；irrigation area

中图分类号：TV213.4；TV93

文献标志码：A

doi：10.3969／j.issn.1000－1379.2017.09.032

收稿日期：2015－12－23

基金项目：河南省高等学校重点科研项目（15A570001）。

作者简介：曹永梅（1980—），女，湖北钟祥人，讲师，硕士，主要从事水利水电工程教学与科研工作。

E⁃mail：caoyongmei＠ncwu.edu.cn