梁軼飛

(桐城市水利局，安徽 安慶 231400)

0 引 言

農(nóng)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中占有重要地位，水資源的短缺不但影響著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，更成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵因素。近年來，城市化與現(xiàn)代化進(jìn)程逐漸加速，大量的水資源投入到城市化建設(shè)中，農(nóng)業(yè)用水量逐年下降[1-2]。與此同時(shí)，城市化與工業(yè)化的快速發(fā)展造成水資源污染加重，水質(zhì)的惡化導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水量逐漸下降，且目前大部分地區(qū)依舊使用傳統(tǒng)的灌溉方式，技術(shù)較為落后，水資源浪費(fèi)情況頻發(fā)，水利用系數(shù)較低，影響農(nóng)業(yè)發(fā)展。

灌溉在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中具有重要作用，為了推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展，我國(guó)政府開展了針對(duì)性技術(shù)改造，以提升灌溉效率。隨著灌區(qū)節(jié)水改造的完成，灌區(qū)的水資源利用率、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益得到極大的改善。相比普通灌區(qū)，大型灌區(qū)的面積較大，灌溉種類較多。為了更好地實(shí)施大型灌區(qū)節(jié)水改造工作，以往的研究構(gòu)建出多種大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評(píng)估方法。如文獻(xiàn)[3]提出了一種應(yīng)用歷史數(shù)據(jù)對(duì)大型灌區(qū)節(jié)水改造效果進(jìn)行評(píng)估的方法。此方法具有評(píng)估效果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但計(jì)算量較大，使用復(fù)雜[3]。針對(duì)上述方法的使用問題，在本次研究中將選定牯牛背水庫(kù)灌區(qū)作為研究對(duì)象，應(yīng)用i-Tree模型，優(yōu)化傳統(tǒng)大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評(píng)估方法。希望通過本次研究，為今后的灌區(qū)改造提供經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)水資源節(jié)約與生態(tài)環(huán)境改善的目標(biāo)。

1 基于i-Tree模型的大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評(píng)估方法設(shè)計(jì)

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評(píng)估方法的分析結(jié)果，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)學(xué)與數(shù)學(xué)構(gòu)建i-Tree模型節(jié)水改造效益評(píng)估方法，具體內(nèi)容見圖1。

圖1 大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評(píng)估過程

本次研究將定性分析與定量分析相結(jié)合，對(duì)采集到的灌區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，帶入設(shè)定的評(píng)估過程中，完成效果評(píng)估。

1.1 效益評(píng)估指標(biāo)設(shè)定

根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果，將評(píng)估指標(biāo)設(shè)定為6類，大致可劃分為社會(huì)、環(huán)境、技術(shù)、生態(tài)、農(nóng)業(yè)以及其他6個(gè)領(lǐng)域。本次研究中，將主要對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉指標(biāo)展開優(yōu)化。具體指標(biāo)如下：

1) 有效灌溉面積增長(zhǎng)率。通過文獻(xiàn)研究可知，有效灌溉面積是利用灌溉工程進(jìn)行正常灌溉的土地面積之和，具體公式如下：

(1)

式中：Q為有效灌溉面積增長(zhǎng)率；m2為改造后有效灌溉面積增長(zhǎng)值；m1為節(jié)水改造前有效灌溉面積。

2) 節(jié)水灌溉面積。此指標(biāo)主要表示達(dá)到節(jié)水灌溉標(biāo)準(zhǔn)的土地面積。通常使用節(jié)水灌溉面積增長(zhǎng)率表示。具體指標(biāo)計(jì)算過程如下：

(2)

式中：Z為節(jié)水灌溉面積增長(zhǎng)率；b1為改造后節(jié)水灌溉面積增長(zhǎng)值；b2為節(jié)水改造前節(jié)水灌溉面積。

3) 穩(wěn)定灌溉面積。所謂的穩(wěn)定灌溉面積是指旱澇保收灌溉面積，在本次研究中使用穩(wěn)定灌溉面積增長(zhǎng)率表示。

(3)

式中：Y為穩(wěn)定灌溉面積增長(zhǎng)率；c1為改造后穩(wěn)定灌溉面積增長(zhǎng)值；c2為節(jié)水改造前穩(wěn)定灌溉面積。

(4)

(5)

當(dāng)計(jì)算結(jié)果為式(4)內(nèi)容時(shí)，指標(biāo)取值越大越好。當(dāng)計(jì)算結(jié)果為式(5)內(nèi)容時(shí)，指標(biāo)取值越小越好。使用以上兩公式對(duì)采集到的指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，為后續(xù)的評(píng)估提供指標(biāo)基礎(chǔ)。

1.2 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

(6)

(7)

上述公式中，包含多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，對(duì)此公式求解后可得到綜合權(quán)重計(jì)算結(jié)果。根據(jù)節(jié)水改造的工作特征，將式(7)的一階導(dǎo)數(shù)條件設(shè)定如下：

(8)

將上述公式展開，則有：

(9)

對(duì)上述公式進(jìn)行求值，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，則有：

(10)

將此計(jì)算結(jié)果代入式(6)中，得到評(píng)估指標(biāo)計(jì)算權(quán)重。同時(shí)，根據(jù)此計(jì)算結(jié)果，對(duì)評(píng)級(jí)指標(biāo)體系中的指標(biāo)進(jìn)行排序，具體結(jié)果見表1。

表1 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重排序

使用表1中內(nèi)容，結(jié)合傳統(tǒng)評(píng)估方法，完成大型灌區(qū)改造效益評(píng)估過程。

1.3 構(gòu)建大型灌區(qū)改造效益評(píng)估模型

針對(duì)傳統(tǒng)效益評(píng)估方法的使用問題，在本次研究中選用i-Tree模型結(jié)合上述處理后的評(píng)估指標(biāo)與指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建大型灌區(qū)改造效益評(píng)估模型。根據(jù)i-Tree模型使用需求，對(duì)構(gòu)建的指標(biāo)體系展開處理，僅保留必需指標(biāo)作為評(píng)估結(jié)果的衡量條件。為了更好發(fā)揮節(jié)水改造后灌區(qū)效益，在本次研究中將年余數(shù)截留總量作為節(jié)水效益之一，并將其引入到剔除次要指標(biāo)后的指標(biāo)體系中，具體計(jì)算過程如下：

E=O*H*s

(11)

式中：O為大型灌區(qū)面積；H為灌區(qū)有效防滲表面率；s為區(qū)域內(nèi)年降水量。

將此指標(biāo)增加到效益評(píng)估指標(biāo)體系后，對(duì)指標(biāo)的隸屬函數(shù)[8]展開計(jì)算，得到指標(biāo)隸屬函數(shù)曲線。見圖2。

圖2 評(píng)估指標(biāo)隸屬函數(shù)曲線

(12)

式中：r(j)為指標(biāo)線性投影特征值。

使用式(12)得到指標(biāo)的特征值，并將其應(yīng)用到傳統(tǒng)評(píng)估方法中，得到新型評(píng)估模型，具體公式如下：

maxR(a)=DiHi

(13)

約束條件可設(shè)定為：

(14)

其中：a(i)為單一指標(biāo)評(píng)估結(jié)果。

由上述公式，可得到最終效益評(píng)估結(jié)果。對(duì)上文中設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行整合后，將其引入傳統(tǒng)方法中，至此基于i-Tree模型的大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評(píng)估方法設(shè)計(jì)完成。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在本次研究中提出基于i-Tree模型的大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評(píng)估方法，此方法主要針對(duì)傳統(tǒng)評(píng)估方法在使用中的不足展開優(yōu)化，力求在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，提升評(píng)估的準(zhǔn)確性，降低評(píng)估方法的計(jì)算難度。構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并選取兩種傳統(tǒng)方法與新型方法進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，分析此方法的使用效果。

本次實(shí)驗(yàn)過程中，選取牯牛背水庫(kù)灌區(qū)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為新型評(píng)估方法與傳統(tǒng)評(píng)估方法的對(duì)比提供基礎(chǔ)。牯牛背水庫(kù)灌區(qū)位于桐城市掛車河上流，洪水位93.64 m，校核洪水位97.83 m，對(duì)于下游與周圍的灌區(qū)至關(guān)重要。獲取該灌區(qū)近10年歷史數(shù)據(jù)，為本次研究提供基礎(chǔ)。在本次實(shí)驗(yàn)過程中，計(jì)算量較大，需要使用高精度計(jì)算機(jī)完成實(shí)驗(yàn)中的計(jì)算過程。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

將歷史數(shù)據(jù)根據(jù)年限整合，使用新型評(píng)估方法與傳統(tǒng)方法對(duì)年限數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，得到評(píng)估結(jié)果。為了更好地完成實(shí)驗(yàn)過程，預(yù)先獲取了近10年的灌區(qū)節(jié)水改造效益評(píng)估結(jié)果作為參照組，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 灌區(qū)節(jié)水改造效益評(píng)估結(jié)果

在本次實(shí)驗(yàn)中，將灌區(qū)節(jié)水改造效益綜合評(píng)估結(jié)果劃分為3個(gè)等級(jí)，使用新型評(píng)估方法與傳統(tǒng)方法對(duì)牯牛背水庫(kù)灌區(qū)進(jìn)行評(píng)估后，與預(yù)設(shè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定不同方法的評(píng)估精度。與此同時(shí)，選擇數(shù)據(jù)質(zhì)量以及指標(biāo)選擇合理性作為其他實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)新型評(píng)估方法的使用效果加以分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

見表3。

表3 評(píng)估結(jié)果分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，新型評(píng)估方法的評(píng)估結(jié)果與預(yù)設(shè)結(jié)果較為一致，可見此評(píng)估方法的使用效果較好，使用此方法可得到可信度較高的評(píng)估結(jié)果。傳統(tǒng)方法的評(píng)估精度相對(duì)較差，與預(yù)設(shè)結(jié)果相差較大，通過此結(jié)果可知，傳統(tǒng)方法的評(píng)估精度相對(duì)較低，不利于獲取可信度較高的評(píng)估結(jié)果。為了對(duì)此結(jié)果展開更加細(xì)致的分析，將其體現(xiàn)為誤差率，具體圖像見圖3。

圖3 評(píng)估結(jié)果誤差值

根據(jù)圖3中數(shù)據(jù)可以看出，新型評(píng)估方法的評(píng)估結(jié)果誤差值控制在3%以內(nèi)，傳統(tǒng)方法評(píng)估結(jié)果誤差值基本在5%～10%左右。此兩種方法使用誤差差異明顯，證實(shí)了兩種方法的使用效果差異較大，且新型評(píng)估方法使用后不易造成誤差，可得到較好的評(píng)估結(jié)果。為了確定評(píng)估結(jié)果差異較大的原因，使用數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)對(duì)新型評(píng)估方法與傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)使用效果進(jìn)行分析，具體結(jié)果見圖4。

圖4 評(píng)估方法數(shù)據(jù)質(zhì)量

由圖4中可知，新型評(píng)估方法的數(shù)據(jù)處理質(zhì)量較高，使用此部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)于評(píng)估結(jié)果的精度具有控制作用，可見新型評(píng)估方法的數(shù)據(jù)處理能力較好。傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)處理質(zhì)量較差，使用此兩種方法得到數(shù)據(jù)處理結(jié)果不足以應(yīng)用到評(píng)估過程中，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用到評(píng)估過程中，會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果造成一定的影響。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，新型評(píng)估方法的數(shù)據(jù)處理能力較高。

對(duì)表4中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，新型評(píng)估方法指標(biāo)適配性相對(duì)較高，將此指標(biāo)與數(shù)據(jù)處理結(jié)果相結(jié)合，可得到可靠性較高的評(píng)估結(jié)果。傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2的指標(biāo)適配性相對(duì)較低。與此同時(shí)，由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)處理能力較差，得不到理想的評(píng)估結(jié)果。

表4 指標(biāo)體系與評(píng)估數(shù)據(jù)適配性

對(duì)本次實(shí)驗(yàn)中的3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析后，可以確定新型評(píng)估方法具有相應(yīng)的應(yīng)用價(jià)值，且新型方法的評(píng)估結(jié)果可靠性較高，在今后的研究中可使用此方法對(duì)灌區(qū)節(jié)水改造效益進(jìn)行評(píng)估，為其他灌區(qū)的改造提供經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)大型灌區(qū)節(jié)水改造效益評(píng)估方法的使用問題，在本次研究中針對(duì)當(dāng)前存在的問題，使用i-Tree模型傳統(tǒng)方法展開優(yōu)化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，文中提出的新型評(píng)估方法使用效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法，在一定程度上可有效解決傳統(tǒng)方法的使用效果，但也存在相應(yīng)的問題。本次研究中主要對(duì)指標(biāo)體系構(gòu)建進(jìn)行了細(xì)致的分析與規(guī)劃，根據(jù)評(píng)估方法的應(yīng)用要求，增設(shè)了部分指標(biāo)，豐富了評(píng)估指標(biāo)體系的組成部分。對(duì)方法中的其他部分并未進(jìn)行分析，在今后的設(shè)計(jì)中還需要針對(duì)其他部分的不足進(jìn)行優(yōu)化與完善，以此提升評(píng)估方法的綜合利用效果。