基于逻辑斯谛分布的大型灌区节水改造项目实施效果模糊综合评价.pdf

收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）作者简介：田雨丰（），男，陕西咸阳人，硕士研究生，研究方向为灌区现代化建设与管理 通信作者：何武全（），男，陕西合阳人，副教授，硕士，主要从事节水灌溉理论与技术研究工作：【节水灌溉】基于逻辑斯谛分布的大型灌区节水改造项目实施效果模糊综合评价田雨丰，何武全，刘丽艳，郑建行，石晓悟（西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌；旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌；中国灌溉排水发展中心，北京）摘 要：大型灌区节水改造项目投资大，影响因素多，为了客观评价大型灌区节水改造项目实施效果，评判是否达到改造目标，从工程建设情况、节水增收效益、灌区管理改革与灌区可持续发展 个方面，筛选出 个评价指标，提出 级分级标准和方法，建立了大型灌区节水改造项目实施效果评价指标体系。采用逻辑斯谛分布确定隶属度函数，对最大隶属度法进行改进，提出了基于逻辑斯谛分布的大型灌区节水改造项目实施效果模糊综合评价方法。以河北省某大型灌区为例进行实例评价，得出该灌区节水改造项目实施效果的综合隶属度为 ，总体评价为良好（），评价结果与灌区节水改造项目实施的实际情况基本一致。关键词：大型灌区；节水改造项目；实施效果；逻辑斯谛分布；模糊综合评价中图分类号：文献标志码：引用格式：田雨丰，何武全，刘丽艳，等基于逻辑斯谛分布的大型灌区节水改造项目实施效果模糊综合评价人民黄河，（）：，（，；，；，）：，（）：；引言灌溉是我国农业生产、粮食安全和农村稳定发展的重要保障。截至 年，我国共有大中型灌区 处，有效灌溉面积 万，约占全国耕地灌溉面积的；其中，设计灌溉面积 万 以上的大型灌区 处，有效灌溉面积 万，约占全国耕地灌溉面积的。我国灌区多兴建于 世纪五六十年代，普遍存在设计标准偏低、配套程度较差、经多年运行工程老化且损毁严重、用水效率低下等问题。世纪 年代末，开始实施以提高用水效率为主要目标的大型灌区续建配套与节水改造项目。大型灌区节水改造项目投资大、影响因素多，项目实施完成后对实施效果进行综合评价，客观评判其节水改造第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，是否达到了预期目标是非常必要的。目前，关于灌区评价指标国内外均有大量的研究。韩振中针对大型灌区的现代化建设，从灌区安全保障、信息化建设等方面提出了包含 个指标的现代化灌区评价指标体系；潘国强等从灌区可持续发展方面建立了评价指标体系，较为全面地考虑了灌区的运行发展；刘从柱根据大型灌区节水改造情况，制定了包含 个指标的评价指标体系，通过大量的指标可以完整地反映节水改造效果；罗琳从灌区改革、前期工作和资金状况等方面对灌区现代化建设进行了评估；世界银行和全球粮农组织对非洲等欠发达地区的灌区进行研究，针对这些地区灌溉的发展情况制定了评价指标体系，并将指标分为内部指标和外部指标，该指标体系在国际上已经得到了普遍的认可；斯里兰卡国际水资源管理研究所对于全球多个国家的灌区水资源评价进行了对比分析，通过选取 个通用的指标对多个国家的灌区进行了评价。综合评价方法目前有层次分析法、人工神经网络法、灰色模型法和模糊评价法等。舒卫萍等采用层次分析法对生态需水量建立了评价模型；余艳玲针对云南大型灌区改造效果使用人工神经网络法进行评价；杨建飞等使用灰色模型法进行灌区地下水埋深预测。然而，以往在灌区评价指标选择中往往较关注改造后的实现效益情况，缺乏对于灌区节水改造工程建设方面的评价指标。节水改造工程建设的好坏是灌区效益实现的保障，因此在评价指标体系中加入这方面的指标是必要的。模糊综合评价法在计算机、信号处理、水资源评价等领域均有广泛的应用，但目前还存在隶属度函数选取主观性强和最大隶属度法则存在缺陷的问题。本文针对大型灌区续建配套与节水改造项目的建设特点和目标要求，建立了基于逻辑斯谛分布的大型灌区节水改造项目实施效果改进模糊综合评价模型，并以河北某大型灌区节水改造项目为例进行实例评价，验证该评价模型的合理性。综合评价指标体系与评价标准根据大型灌区续建配套与节水改造项目实施的实际情况，从工程建设情况、节水增收效益、灌区管理改革、灌区可持续发展 个方面，选取 个评价指标，并将评价指标划分为优秀（）、良好（）、中等（）、较差（）个等级，建立大型灌区节水改造项目实施效果综合评价指标体系，明确了各评价指标值的计算及确定方法，见表。该评价指标体系在考虑改造效益的同时加入了对工程建设情况的考虑，并针对有地下水压采要求的渠井双灌区，在灌区可持续发展方面增加了地下水相关指标。所选取的评价指标覆盖全面，数据获取方便，能够很好地反映大型灌区续建配套与节水改造的实施效果。表 大型灌区节水改造项目实施效果综合评价指标体系与分级标准一级指标二级指标分级标准优秀（）良好（）中等（）较差（）计算及确定方法工程建设情况（）工程竣工验收完成率（）（，（，（，（竣工验收项目数量 项目总数量）渠道工程改造实际完成率（）（，（，（，（渠道工程改造完成长度 渠道工程改造批复长度）渠系建筑物改造实际完成率（）（，（，（，（渠系建筑物改造完成数量 渠系建筑物改造批复数量）完成投资占批复下达投资率（）（，（，（，（实际完成投资 国家下达计划投资）中央投资到位率（）（，（，（，（实际完成中央投资 计划下达中央投资）工程质量（）分（，（，（，根据各年度项目验收结论对工程质量做出定性评价地方配套资金到位率（）（，（，（，（实际完成地方配套投资 计划下达地方配套投资）节水增收效益（）灌溉水利用系数提高程度（）（，（，（，（灌溉水利用系数现状值灌溉水利用系数基准值）（灌溉水利用系数规划值灌溉水利用系数基准值）年节水量目标完成情况（）（，（，（，（年节水量现状值 年节水量目标值）亩均用水量下降程度（）（，（，（，（亩均用水量基准值亩均用水量现状值）（亩均用水量基准值亩均用水量规划值）单 方 用 水 粮 食 产 量（）（）（，（，（，灌区粮食产量 灌区灌溉用水量粮食单产提升率（）（，（，（，（粮食单产现状值粮食单产基准值）（粮食单产规划值粮食单产基准值）农民人均年收入年均增长率（）（，（，（，（现状年农民人均年收入 基准年农民人均年收入）（现状年基准年）人 民 黄 河 年第 期续表 一级指标二级指标分级标准优秀（）良好（）中等（）较差（）计算及确定方法灌区管理改革（）管理人员与维护经费落实率（）（，（，（，（管理人员与维护经费到位值 管理人员与维护经费核定值）水费收缴率（）（，（，（，（农业灌溉水费实收金额 农业灌溉水费应收金额）用水协会管理灌溉面积比例（）（，（，（，（用水协会管理灌溉面积 总有效灌溉面积）管 理 人 员 学 历 水 平（）（，（，（，（大中专以上管理人员人数 管理人员总人数）执行水价占成本水价比例（）（，（，（，（灌区执行水价 灌区成本水价）灌区可持续发展（）骨 干 渠 道 完 好 程 度（）（，（，（，（干渠完好长度 干渠总长度）渠系建筑物完好程度（）（，（，（，（渠系建筑物完好数量 渠系建筑物总数量）量 水 设 施 布 置 程 度（）（，（，（，（量水设施数量 应建设量水设施数量）水源保障能力（）（，（，（，水源可供用水量和可靠度等方面定性评价地 下 水 埋 深 变 幅（）（，（，（，渠井双灌区项目实施前地下水平均埋深实施后地下水平均埋深水 质 环 境 改 善 程 度（）（，（，（，灌区用水水质和农田农村生态环境定性评价信息化建设水平（）（，（，（，信息化建设资金投入、建设进程与效果等方面定性评价 注：亩。基于逻辑斯谛分布的改进模糊综合评价模型 基于逻辑斯谛分布的改进模糊综合评价设某一待评价对象受 个因素综合作用，令 ，为因素集，设有 种不同的评价等级，令它们构成评语集，。本文所构成的评价体系将评价等级分为 级，分别为优秀、良好、中等和较差，则本文的评语集为 优秀，良好，中等，较差。单因素评价对于评价对象的各因素确定其评价结果，将因素的评价结果记为，（）式中：为因素对于评语的隶属程度，。建立隶属度函数对于定量的评价指标，应建立各指标各等级的隶属度函数，分别计算各指标隶属于各等级的隶属度。对于隶属度函数的分布多采用直线形或梯形，但这样的选取使隶属度确定过于线性，并不能较好地满足客观规律性和科学性。逻辑斯谛分布（）最早应用于生长曲线的测定，在生态学、经济学、统计学、工程可靠度等领域应用较广，因此本文引入逻辑斯谛分布来确定隶属度函数。逻辑斯谛分布的基本形式为（）（）式中：为灌区评价指标值，为散布中心，为散布程度。逻辑斯谛分布曲线上部和下部增长速度较慢，中部增长速度较快，通过改变散布程度 可以令曲线适应不同评价等级的区间范围，且在散布中心处函数值为，这样便捷地满足了两评价等级阈值处隶属度应相等的原则。本文评价等级共分为 级，设各因素不同评价等级的值域为（优秀），、（良好），、（中等），、（较差），。那么，各因素各评价等级的隶属度函数为（）（）（，）（）（）人 民 黄 河 年第 期（）（）（，）（，）（）（）（）（，）（，）（）（）（）（，）（）（）建立综合评价矩阵将各因素的评价结果构成综合评价矩阵：（）权重确定方法在因素集，中，各因素对于评价对象的重要性程度不同，故应建立权重向量，。对于权重的确立应从主观和客观两个角度出发，使权重更加合理。专家估测法专家估测法是一种简单易行同时又能集中各专家意见的方法，其确立的权重集来源于专家的主观判断。通过选定 个专家建立专家集 ，令各专家对因素集，中各因素做出权重确定，并对所有专家的评价结果进行加权平均处理得到主观权重向量（，）。简单关联函数法简单关联函数法是一种客观权重的确立方法，通过挖掘数据间的内含信息来确立权重集。）建立各因素与各评价等级的简单关联函数：（，）（）（）（）（）（，；，）（）式中：为因素指标值，为各因素各等级的值域，为因素 在 评价等级值域的下限，为因素 在 评价等级值域的上限。）建立各因素的简单关联函数：，()（）（）（）（）建立客观权重集。通过对各因素的简单关联函数值进行归一化处理确立各因素的客观权重：（）据此得到客观权重向量（，）。综合权重确立主观权重和客观权重组成的线性组合为（）式中：、为主观权重、客观权重的分配系数。以与、的离差最小化为目标来求解分配系数：，（）（）通过 求解上述目标函数，解得、并进行归一化处理：（）式中：为主观权重、客观权重归一化后的分配系数，为主观权重、客观权重归一化前的分配参数。最终建立的权重向量 为（）综合评价等级的确定设综合评价向量为（，），表示评价对象对于评价结果的隶属度。（）对综合评价向量进行归一化处理：（）得到归一化后的综合评价向量：人 民 黄 河 年第 期（，）（）通常采用最大隶属度的原则来确定综合评价等级，即取 ，则将综合评价等级确定为。最大隶属度的方法简单易行且意义明确，只需选取综合评价集中元素的最大值即可对综合评价等级做出判定。但是这种方法丢失了综合评价集中其他元素的信息，当对于两个不同评价等级的隶属度相近甚至相当时，根据最大隶属度原则做出的评价结果并不合理，因此本文对此原则做出修正。设，在 到 的数轴上建立一个闭区间的连续统，将评价向量的两端分别赋予 与，其他评价向量等距散布于区间上构成散布集 （），（），（），则各评价集的散布中心与值域为，（），）（），）（），）（）（）最终通过计算得到 所属的区间，据此来判定综合评价等级：（）实例分析为了验证上述评价方法，以河北某大型灌区为例进行实例分析。该灌区 年开始建设，于 年建成，灌区设计灌溉面积 万，有效灌溉面积 万，现有干支渠总长 。灌区经多年运行工程老化损毁严重，用水效率低下，节水改造前渠系水利用系数为，灌溉水利用系数为，水资源浪费严重。灌区从 年实施了续建配套与节水改造项目，完成渠道续、改建 ，完成土方 万、砌石 万、混凝土 万。通过节水改造项目的实施，灌区在水源保障程度、工程完好程度等方面明显提高，渠系水利用系数提高到，灌溉水利用系数提高到，灌区内自然生态环境得到了改善，灌区农业生产得到了保障。利用该灌区续建配套与节水改造项目的实际数据，计算得到灌区各评价指标值（见表）。表 灌区各评价指标值评价指标指标值 评价指标指标值 各指标权重计算通过式（）式（），采用专家估测法确立主观权重、简单关联函数法确立客观权重。将主观权重与客观权重通过式（）式（）进行组合，求解得分配系数，计算得到综合权重（见表）。表 综合权重计算结果评价指标主观权重客观权重组合权重评价指标主观权重客观权重组合权重 各指标隶属度计算通过式（）式（），根据表 的等级区间建立各评价指标各评价等级的隶属度函数，并进行单因素评价。由于评价指标较多，故在此仅列出评价指标、的隶属度函数图（见图）。从图 中可以看出评价指标不同评价等级的值域为（优秀）（，、（良好）（，、（中等）（，、（较差），。人 民 黄 河 年第 期（）指标（）指标（）指标图 部分指标各等级隶属度函数 以指标为例，通过式（）式（）建立的隶属度函数获得该指标的评价结果，。重复此步骤，获得综合评价矩阵：评价结果与分析由式（）式（）计算得综合评价向量，并将其归一化处理后得到（，）。通过式（）、式（）改进隶属度的方法计算得 ，可以判定该灌区节水改造项目实施效果最终评价结果为良好（）。经计算得到灌区各一级指标的评价结果和灌区整体的评价结果，见表。表 灌区各部分和灌区整体的评价结果评价对象综合评价集优秀（）良好（）中等（）较差（）评价结果工程建设情况 良好（）节水增收效益 良好（）灌区管理改革 良好（）灌区可持续发展 中等（）灌区整体 良好（）由表 可以看出，根据本文提出的基于逻辑斯谛分布的模糊综合评价模型对该灌区节水改造项目实施效果的总体评价为良好（），各一级指标中工程建设情况、节水增收效益和灌区管理改革的评价结果为良好（），灌区可持续发展的评价结果为中等（）。该灌区节水改造项目实施后发挥了显著的效益，渠系水利用系数由改造前的 提高到，单位面积灌溉用水量由改造前的 下降到 。该灌区节水改造项目建设任务及投资完成情况较好，节水及增产增收效益显著，管理改革方面效果好，但是灌区干支渠道防渗衬砌率仅为，灌区在可持续发展方面有待继续加强。采用本文提出的评价方法得到的结果与灌区节水改造实际情况基本一致，表明该评价方法对大型灌区节水改造项目做出的评估是合理的。灌区工程建设情况、节水增收效益和灌区管理改革的评价结果均为良好（），但 值的不同说明了各一级指标对于良好的隶属度不同。工程建设情况和节水增收效益的 值分别为 、，均小于（）且在取值区间，中靠近左端，表明这 项一级指标对于良好的隶属度较低，在灌区后续改造中应继续加强这两个方面，使其评价结果更加符合良好的要求；灌区管理改革的 值为 ，其值大于（），表明灌区管理改革这一指标已经完全符合良好的评价结果，在未来灌区的改造中可以继续加强这一方面，使其评价结果向优秀靠近。而灌区可持续发展部分的评价结果为中等（），表明灌区改造人 民 黄 河 年第 期在可持续发展方面做的还不到位，但其 值为 ，已经十分接近良好的评价结果，在后续改造中应加强灌区可持续发展方面的建设。为了进一步说明该评价方法的合理性，将该方法评价结果与采用传统模糊综合评价的最大隶属度法评价结果进行了比较，结果表明这两种方法的整体评价结果一致，均为良好，但在灌区各一级指标的评价结果上存在差异。采用传统模糊综合评价最大隶属度法的综合评价集为，整体评价结果为良好。但是各一级指标评价结果中，工程建设情况和灌区管理改革的评价结果为优秀，灌区可持续发展的评价指标为良好，从前面的分析可以看出，该评价结果与灌区的实际情况不一致。另外，通过比较发现，当评价对象对于两个不同的评价等级的隶属度均较高且相近时，若采用传统模糊综合评价的最大隶属度法，可能会使评价结果产生变化。本文提出的改进隶属度法则将评价等级分布在连续统上进行评价，这样就克服了传统模糊综合评价采用的最大隶属度法只针对综合评价集中最大值的缺点，从而避免了综合评价集中的信息丢失，能够更全面地反映灌区的实际情况。结论）根据大型灌区续建配套与节水改造项目实施的具体情况，构建了大型灌区节水改造项目实施效果评价指标体系，将评价结果分为 个等级，从灌区工程建设情况、节水增收效益、灌区管理改革与灌区可持续发展 个方面，选取 个评价指标。评价指标体系在考虑节水改造效益的同时考虑了工程建设情况，评价指标覆盖全面，数据获取方便，能够全面体现节水改造项目的实施效果。）引入逻辑斯谛分布来确定隶属度函数，并对确定综合评价等级的最大隶属度原则进行了修正，建立了基于逻辑斯谛分布的改进模糊综合评价模型。逻辑斯谛曲线可以较好满足隶属度确定时的客观性，且评价函数构造简便，各参数变量容易获取。改进的模糊综合评价模型能够考虑综合评价集中各元素的信息，避免了信息丢失，使评价结果更具有科学性。）以河北某大型灌区为例进行综合评价，得出灌区节水改造项目实施效果为良好，评价结果与该灌区节水改造项目实施情况基本一致，验证了本文建立的基于逻辑斯谛分布的改进模糊综合评价模型的合理性，可作为大型灌区节水改造项目实施效果综合评价的有效方法。）通过对实例灌区评价结果进行分析，表明该灌区在工程建设情况和节水增收效益方面仍存在一定的改造提升空间；在灌区管理改革方面可以继续加强从而达到优秀的评级；灌区可持续发展方面做得还不够到位，需要进一步加强。指出了该灌区节水改造各方面所存在的不足，可为灌区后续改造提供参考。参考文献：倪文进大中型灌区现代化建设需处理好几个问题中国水利，（）：曾云，彭军对灌区水生态文明建设的思考灌溉排水学报，（）：韩振中大型灌区现代化建设标准与发展对策中国农村水利水电，（）：，潘国强，蒋立，杨秋贵大中型灌区可持续发展评价方法研究灌溉排水学报，（）：刘从柱大型灌区节水改造项目后评估指标体系与评估方法研究西安：西安理工大学，：罗琳适应现代农业发展的现代化灌区发展对策研究中国农村水利水电，（）：，（）：，（）：，：，（）：舒卫萍，崔远来层次分析法在灌区综合评价中的应用中国农村水利水电，（）：余艳玲灌区水资源优化配置模型的建立及应用云南农业大学学报（自然科学版），（）：，杨建飞，刘俊民，陈琳基于灰色残差模型的灌区地下水最小埋深预测人民黄河，（）：，张茂堂大型灌区续建配套与节水改造项目实施效果评价人民长江，（增刊）：，（）：尚文绣，尚弈，严登明，等基于模糊逻辑的黄河流域水安全综合评价方法研究水利学报，（）：何武全，刘群昌，娄宗科，等管道输水灌溉工程质量模糊综合评价方法研究人民黄河，（）：（下转第 页）人 民 黄 河 年第 期 刘成栋，袁辉，向衍，等西溪水库大坝 号坝段坝基扬压力异常成因解析西北水电，（增刊）：，赵静葠窝水库坝基扬压力异常分析及处理方案探究农业与技术，（）：，薛建峰，蒋裕丰古田溪一级大坝坝基扬压力异常成因解析三峡大学学报（自然科学版）：，（）：胡子俊响洪甸水库坝基扬压力异常原因及处理方法的探讨大坝与安全，（）：赵凤英，陶金宇太平湾大坝坝基扬压力系数的分析确定吉林水利，（）：，包腾飞，顾冲时，吴中如李家峡大坝 号坝段坝基扬压力异常成因综合分析岩土工程学报，（）：孙昌利，张挺，朱信华某水库大坝扬压力异常原因分析广东水利水电，（）：，唐劲松，刘观标嶂山闸扬压力异常原因分析水电自动化与大坝监测，（）：，罗力谦，朱信华乐昌峡水利枢纽 号坝段扬压力异常分析及处理方案探讨广东水利电力职业技术学院学报，（）：中华人民共和国水利部混凝土重力坝设计规范：北京：中国水利水电出版社，：中华人民共和国水利部水闸设计规范：北京：中国水利水电出版社，：蔡明，张冀大朝山水电站坝基扬压力监测资料分析云南水力发电，（）：朱岳明，龚道勇，张建斌百色水利枢纽重力坝 号坝段基础渗流场分析红水河，（）：谭立，杨源洞坪水电站大坝坝基扬压力监测资料分析水电与新能源，（）：中华人民共和国水利部混凝土坝安全监测技术规范：北京：中国水利水电出版社，：施巍松，孙辉，曹杰，等边缘计算：万物互联时代新型计算模型计算机研究与发展，（）：李鹏飞边缘计算在水利信息化项目中的应用思考中国信息化，（）：王伟，沈振中基于改进粒子群算法的坝基扬压力预报方法人民黄河，（）：周仁练，苏怀智，韩彰，等混凝土坝变形的长期预测模型与应用水力发电学报，（）：苏燕，付家源，林川，等基于时间注意力机制的大坝动态变形预测模型水力发电学报，（）：【责任编辑 张华岩】（上接第 页）王美慧，唐德善，尚静改进模糊综合评价模型在长江三角洲地区农业用水效率评价中的应用水电能源科学，（）：中华人民共和国水利部灌溉与排水施工质量评定规程：北 京：中 国 水 利 水 电 出 版 社，：中华人民共和国水利部灌区改造技术标准：北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，：宋培争，汪嘉杨，刘伟，等基于 优化逻辑斯蒂曲线的水资源安全评价模型自然资源学报，（）：张礼兵，喻海関，金菊良，等基于联系数的大型灌区水资源空间均衡评价与优化调控水利学报，（）：，：，（）：，（）：【责任编辑 简 群】（上接第 页）郝继锋，梁单禹穿黄工程深厚覆盖地层下高压旋喷土体加固施工工艺比选中国水利，（）：蒋清国 工法在超深基坑止水帷幕中的应用与总结科技创新与应用，（）：赵廷华，唐献富，闫汝华，等河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程初步设计报告郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，：来光，陈全礼，王世锋，等河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程初步设计阶段工程地质勘察报告郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，：赵廷华，唐献富，张文峰，等河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程穿沁隧洞工程盾构始发井、检修井施工技术要求郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，：国家能源局水电水利工程高压喷射灌浆技术规范：北京：中国电力出版社，：张帆二种先进的高压喷射注浆工艺岩土工程学报，（增刊）：【责任编辑 栗 铭】人 民 黄 河 年第 期