劉 芳

(燈塔市水利灌溉服務(wù)中心，遼寧 遼陽 111300)

0 引 言

灌區(qū)對保障國家糧食安全及推動農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮著巨大作用，灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展也是促進當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟、農(nóng)業(yè)及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。調(diào)查顯示，我國90%以上的經(jīng)濟作物和75%的糧食生產(chǎn)于灌區(qū)耕地，灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展對區(qū)域水土保持、水源涵養(yǎng)、風(fēng)沙治療、生態(tài)保護、用水和糧食安全等具有顯著作用[1]。目前，我國灌區(qū)普遍存在運行效率低、管理水平不高、配套不完整、水利設(shè)施老化及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低等問題，所以利用科學(xué)的方法與完善的指標(biāo)體系綜合評價灌區(qū)運行狀況，對灌區(qū)投資決策與現(xiàn)代化建設(shè)具有重要意義[2]。

當(dāng)前，常用的灌區(qū)運行水平評價方法有數(shù)據(jù)包絡(luò)法、改進突變理論、灰色關(guān)聯(lián)理論、模糊綜合法、改進密切值法、連續(xù)蟻群算法、改進TOPSIS法等，實際應(yīng)用時這些方法的適用性很高，但仍存在一定不足，其中灰色關(guān)聯(lián)法、密切值法及改進TOPSIS法具有較高的數(shù)據(jù)精度要求；模糊數(shù)學(xué)法存在較強的主觀性，權(quán)重計算時易出現(xiàn)偏差且評價過程較為復(fù)雜；不同的控制變量維度使得改進突變理論勢函數(shù)存在較大差異，由此產(chǎn)生更加復(fù)雜運算[3-4]。秩和比RSR統(tǒng)計方法被廣泛應(yīng)用于統(tǒng)計、教育、體育等領(lǐng)域，對于綜合評價醫(yī)療衛(wèi)生條件也具有較強適用性。由于對初始數(shù)據(jù)精度要求低、計算步驟簡單、適用性良好，評價過程秩參與運算，所以加權(quán)RSR法能夠有效排除極端參數(shù)值的影響，綜合評價灌區(qū)運行狀況時具有良好適用性[5-7]。

文章將評價指標(biāo)主、客觀權(quán)重利用博弈論法進行綜合賦權(quán)，并以遼陽市燈塔灌區(qū)、渾沙灌區(qū)為例，利用加權(quán)RSR法綜合評估了灌區(qū)運行狀況，通過對比分析驗證了模型評估精度，可為灌區(qū)節(jié)水改造和現(xiàn)代化建設(shè)提供決策依據(jù)[8]。

1 灌區(qū)運行水平綜合評價體系

1.1 選取評價因子

灌區(qū)運行水平評價應(yīng)考慮可持續(xù)發(fā)展、灌溉面積、渠系輸配水、社會經(jīng)濟、生產(chǎn)效率等因素，文章結(jié)合遼陽市灌區(qū)實際運行情況，遵循實用性、科學(xué)性和系統(tǒng)性等原則選擇30項典型評價因子，并按照梯階層次結(jié)構(gòu)建立評價體系如表1所示。

1.2 確定指標(biāo)權(quán)重

目前，主、客觀賦權(quán)法為權(quán)重賦值的兩種常用方法，其中主觀賦權(quán)法賦值的依據(jù)為決策者的信息偏好與直接經(jīng)驗，而客觀賦權(quán)法獲取權(quán)值的基礎(chǔ)為數(shù)學(xué)模型和決策信息矩陣。這兩種方法的特點及適用范圍不同，前者受個人經(jīng)驗與信息偏好的不同使得權(quán)值往往存在較強主觀性，評價結(jié)果的穩(wěn)定性較差；后者對決策者知識經(jīng)驗、科學(xué)判斷的考慮不足，很容易導(dǎo)致不符合實際情況的現(xiàn)象。對此，為減少單一賦權(quán)法對灌區(qū)運行水平評價可能引起的偏差，切實提高評價結(jié)果的客觀性與科學(xué)性，考慮對各指標(biāo)主、客觀權(quán)重利用博弈論法組合優(yōu)化[9]。

表1 遼陽市灌區(qū)運行水平評價體系及指標(biāo)權(quán)重

1.2.1 主觀權(quán)重(G1法)

采用序關(guān)系分析法(G1法)獲取各評價因子的主觀權(quán)重時，先依據(jù)專家意見直觀判斷不同因子的重要程度，即遵循一定的準(zhǔn)則和專家自身經(jīng)驗對n個因子x1、x2、…、xn排序，若存在關(guān)系式x1>x2>…>xn，則認(rèn)為各評價因子確立了不劣于關(guān)系；然后利用wk-1/wk代表評價因子Ck-1與Ck之間的重要度之比，并采用公式wk-1/wk=rk衡量各專家的理性判斷，其中k=2、3、…、n；最后，各評價因子的主觀權(quán)重wn利用以下公式求解，計算式為：

(1)

按照以上流程和G1法計算公式可以獲取所有參評因子的主觀權(quán)重，由此構(gòu)造主觀權(quán)系數(shù)為：w(1)={w11，w12，Λ，w1n}。

1.2.2 客觀權(quán)重(熵權(quán)法)

熵能夠反映信息系統(tǒng)所處的狀態(tài)，系統(tǒng)中信息的無序程度可以利用熵值的大小來描述，熵值越小則系統(tǒng)的無序程度越高，反之則越低[10]。因此，可以引入熵的概念用求解指標(biāo)的客觀權(quán)重，對于定量問題的判斷分析具有較好適用性。其中，參評因子所攜帶的有效信息量為熵權(quán)法確定客觀權(quán)重的根本依據(jù)，熵值越小所攜帶的有效信息量越多，對灌區(qū)運行的重要度越高，由此賦予的權(quán)值越大。根據(jù)該方法求出各因子客觀權(quán)重系數(shù)：w(2)={w21，w22，Λ，w2n}，詳細(xì)流程如下：

步驟1：歸一化處理。設(shè)參評因子數(shù)和灌區(qū)數(shù)為n、m，從而構(gòu)造原始矩陣為P=(pij)m×n，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…,n?？紤]到不同指標(biāo)的單位、量綱不同無法直接參與運算，所以要歸一化處理構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)矩陣P*=(pij*)m×n。灌區(qū)運行水平效益型、成本型指標(biāo)的歸一化公式如下：

(2)

(3)

步驟2：熵值的計算。對于具有n個評判因子的m個灌區(qū)樣本，采用下式獲取指標(biāo)j的熵值Kj，即：

(4)

步驟3：權(quán)重的計算。采用已求解的熵值和公式(5)獲取指標(biāo)j的熵權(quán)，即：

(5)

1.2.3 綜合權(quán)重(博弈論法)

運用博弈論法以納什平衡為協(xié)調(diào)目標(biāo)處理不同權(quán)重之間的沖突關(guān)系，經(jīng)協(xié)調(diào)分析實現(xiàn)主、客觀權(quán)重的最優(yōu)。對灌區(qū)運行水平各參評因子利用L種方法賦權(quán)，設(shè)方法q賦予的權(quán)向量為w(q)={wq1，wq2，Λ，wqn}，其中q=1,2，…,L，αq為L種賦權(quán)方法的線性組合系數(shù)，則任意線性組合的L個不同權(quán)向量表示為：

(6)

根據(jù)博弈論思想尋求各因子權(quán)重之間的協(xié)調(diào)一致性關(guān)系，設(shè)離差極小化為各個Wi與W的優(yōu)化目標(biāo)，從而構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)如下：

(7)

然后對目標(biāo)函數(shù)利用矩陣的微分性質(zhì)進行最優(yōu)化一階求導(dǎo)，由此可獲取組合系數(shù)α，其表達式為：

(8)

最后利用歸一化公式對以上結(jié)果處理，并將處理后的線性組合系數(shù)代入公式(6)，按照該方法求解的因子權(quán)重W即為綜合權(quán)重，處理公式為：

(9)

2 基于秩和比法的評價模型

2.1 基本原理

根據(jù)優(yōu)劣程度對各項指標(biāo)排序，并對參評樣本各因子的秩及其權(quán)重作乘積運算獲取無量綱的WRSR值，然后按照計算的WRSR值和編制的WRSR頻率分布表構(gòu)造回歸方程，并將各參評樣本利用回歸方程推算的WRSR值排列。

2.2 綜合評價模型

步驟1：編秩。按照從小到大的原則將灌區(qū)產(chǎn)量x1、x2、x3、x4、x5的統(tǒng)計量排列為x(1)、x(2)、x(3)、x(4)、x(5)，若存在條件x1=x(5)，則該樣本中x1的秩為5；若x1、x2、x3、x4、x5的產(chǎn)量依次為3、1、2、-1、0，則樣本中所對應(yīng)的秩為5、3、4、1、2。采用以上方法可以將n個參評因子的m個灌區(qū)樣本排列成n列m行的數(shù)據(jù)表，然后對每個因子隸屬于各參評灌區(qū)的秩求解，并遵循從小到大或從大到小的原則編制效益型和成本型指標(biāo)的秩，若同一指標(biāo)關(guān)于不同對象的秩相等，則取平均值。

步驟2：秩和比RSR的計算。灌區(qū)i的RSR值利用以下公式求解，即：

(10)

所有參評因子權(quán)重相等的情況下可以利用上式求解，若不完全相等則利用下式求解灌區(qū)i的加權(quán)秩和比WRSR，即：

(11)

式中：wj為參評因子j的綜合權(quán)重。

步驟3：概率單位的確定。按照從低到高的次序和編制的WRSR頻率分布表排列WRSR值，對灌區(qū)i的累積頻率進行逐項求解，即：pi=i/m，以1-1/4m估計最后一項累計頻率。以概率單位Probiti轉(zhuǎn)化處理參評因子i的累積頻率pi，對照表見表2，其中Probiti為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)離差+5。

表2 概率單位對照表

步驟4：構(gòu)造回歸方程。設(shè)定因變量或者自變量為WRSR、概率單位Probit，由此構(gòu)造直線回歸方程Probit=a+bWRSR或WRSR=a+bProbit。

步驟5：結(jié)果排序。將所有參評樣本按照推算的WRSR值從大到小排序，排序越靠前灌區(qū)運行水平越高。

3 實例應(yīng)用

3.1 灌區(qū)概況

燈塔灌區(qū)總控制面積420km2，其中葠窩水庫為主要水源，渠首工程位于壩址下游9km處，以有壩自流引水作為灌區(qū)取水方式，其中進水閘及攔河壩總長345m。依據(jù)葠窩水庫原設(shè)計供水量，每年向灌區(qū)供應(yīng)水資源2.84億m3，設(shè)計灌溉2.6萬hm2，因灌區(qū)工程不配套實際灌水田面積為1.65萬hm2。灌區(qū)建設(shè)時受歷史條件、施工經(jīng)驗、資金投入及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等限制，整體質(zhì)量較差，多處未達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過長期的運行絕大部分工程存在原配套程度低、用水損失嚴(yán)重、水利設(shè)施老化、工程標(biāo)準(zhǔn)偏低、渠系淤積等問題，加之運行管理不善進一步加速了灌區(qū)的老化失修。為進一步提升整個灌區(qū)運行效率和農(nóng)業(yè)灌溉用水率，擺脫灌區(qū)低效率、高能耗、低標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，急需更新改造灌區(qū)現(xiàn)狀。燈塔灌區(qū)更新改造的內(nèi)容：①渠首加固維修；②渠道防滲及防滲襯砌總計323.3 km，其中總干渠渠道防滲5.5km，防滲襯砌17.4km，干渠和支渠防滲襯砌94km、206km；③改擴建支渠以上渠系建筑物共357座；④為給渾沙灌區(qū)補水提供6m3/s及恢復(fù)水田3733hm2，將原五分干加寬改造成總干渠，使總干渠長度由33km延長到43.5km，將現(xiàn)五分干06、07和08引支加寬改造成六分干、七分干和八分干。

渾沙灌區(qū)總面積430km2，設(shè)計、有效和實際農(nóng)田灌溉面積2.1萬hm2、1.4萬hm2、1.23萬hm2，現(xiàn)有總干渠1條(長28km)，分干渠6條(長52.9km)，支渠45條(長126.2km)，斗渠110條(長120.1km)。2013-2018年完成了渾沙灌區(qū)配套改造5期工程，其中完成骨干渠道襯砌42.96km，骨干建筑物47座，改造管理站房5座，灌區(qū)信息自動化建設(shè)(閘門量水設(shè)備40套、渠道流量計量設(shè)備21臺、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備88臺、主監(jiān)控中心1處、子監(jiān)控中心4處)，實現(xiàn)了灌區(qū)自動化管理。

3.2 權(quán)重計算

根據(jù)各項因子值可以構(gòu)造初始決策矩陣A=(aij)m×n，其中aij為評價分析灌區(qū)i的第j項因子。通過向用水戶協(xié)會、灌區(qū)管理部門、水利部等有關(guān)人員發(fā)放問卷，統(tǒng)計整理有效問卷獲取G1法主觀權(quán)重；然后利用熵權(quán)法與決策矩陣求解客觀權(quán)重，采用博弈論法將主、客觀權(quán)重相耦合獲取最終的組合權(quán)重。

3.3 推算WRSR估算值

依據(jù)燈塔灌區(qū)、渾沙灌區(qū)管理運行實際情況，采用節(jié)水改造有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)擬合WRSR曲線，見圖1。由此獲取的擬合回歸方程為WRSRfit=0.2851+0.0657Probit，并利用該方程綜合評價灌區(qū)運行水平，如表3所示。

圖1 擬合曲線

表3 運行水平綜合評價

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)表3可知，按照WRSRfit大小渾沙灌區(qū)明顯優(yōu)于燈塔灌區(qū)，可見渾沙灌區(qū)2013-2018年完成的節(jié)水改造5期工程發(fā)揮了巨大成效。結(jié)合相關(guān)資料，渾沙灌區(qū)節(jié)水改造工程的實施顯著提升了農(nóng)田灌溉用水率，從最初的0.41快速增大至0.65，由此可節(jié)約灌溉用水量1506萬m3，這為減少農(nóng)業(yè)灌溉水費支出、建立良好的灌水秩序和按水量征收水費制度等創(chuàng)造了有力條件；此外，節(jié)水改造工程完善了田間灌溉系統(tǒng)和提高了農(nóng)田灌溉保證率，有效解決了遼陽市農(nóng)業(yè)發(fā)展長期面臨的用水問題，對保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境及維持社會安定具有積極作用。通過實施綠化整治、機耕道路修整和渠道護砌等措施，逐漸實現(xiàn)了渠道順直、斷面規(guī)范、坡面憑證、渠堤綠樹成蔭的目標(biāo)，為改善農(nóng)村交通條件、加強水土保持、美化灌區(qū)自然環(huán)境和調(diào)節(jié)農(nóng)村小氣候等提供基礎(chǔ)保障。

將渾沙灌區(qū)、燈塔灌區(qū)運行水平利用較為常用的改進密切值法評價，結(jié)果顯示渾沙灌區(qū)排序仍然高于燈塔灌區(qū)，可見這兩種方法評價結(jié)果保持較好的一致性，都能較為客觀準(zhǔn)確的反映灌區(qū)運行情況。相對于其他方法秩和比法具有簡單的運算過程、較高的建模效率，該方法以秩次參與運算，所以能夠減少評價結(jié)果受參評因子微小或巨大差異的影響程度，降低極端特殊情況對評價結(jié)果的不利作用，從而保證評價結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 語

1)文章結(jié)合遼陽市灌區(qū)運行實際情況，從多個不同方面選擇30項典型指標(biāo)，按照梯階層次結(jié)構(gòu)建立綜合評價體系，并對各因子權(quán)重利用G1法、熵權(quán)法和博弈論法進行賦權(quán)，由此保證權(quán)重計算的準(zhǔn)確度。

2)選取燈塔灌區(qū)、渾沙灌區(qū)為研究對象，利用加權(quán)秩和比法綜合評價了其運行水平，結(jié)果顯示渾沙灌區(qū)明顯優(yōu)于燈塔灌區(qū)，渾沙灌區(qū)2013-2018年完成的節(jié)水改造5期工程發(fā)揮了巨大成效。該評價結(jié)果與相關(guān)調(diào)查資料保持一致，且與較為常用的改進密切值法評價結(jié)果高度吻合，從而驗證了改進秩和比法的可靠性和評價體系的可行性。

3)受政府政策、節(jié)水改造投資、用戶參與度和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展等條件限制，不同灌區(qū)的運行水平存在一定差異。為進一步提升燈塔灌區(qū)運行水平，應(yīng)加快落實各項更新改造的內(nèi)容，加固維修渠首工程、防滲襯砌干支渠及改擴建總干渠，促進水權(quán)交易和節(jié)水灌溉的推廣。