節(jié)水灌溉方式的優(yōu)化選擇

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簡介： 本文提出了用于節(jié)水灌溉方式優(yōu)化選擇的項目綜合評價方法。運用層次分析理論和方法，建立了綜合考慮項目的國民經(jīng)濟評價、技術(shù)評價和社會評價以及內(nèi)部收益率、凈現(xiàn)值、效益費用比、投資回收期、灌水均勻度、灌水強度、灌溉水利用率、節(jié)水灌溉方式的安全性、可靠性、地形適應(yīng)性、作物的適應(yīng)性、施工難易程度等因素的節(jié)水灌溉方式選擇的層次分析模型，闡述了綜合評價節(jié)水灌溉方式的總排序、單排序及其各影響因素權(quán)重的計算方法。
關(guān)鍵字：節(jié)水灌溉；優(yōu)化選擇；層次分析；綜合評價

1 節(jié)水灌溉方式的綜合評價

　　根據(jù)水利部1994年發(fā)布的《水利建設(shè)項目經(jīng)濟評價規(guī)范》的規(guī)定，建設(shè)項目經(jīng)濟評價應(yīng)進行“財務(wù)評價”和“國民經(jīng)濟評價”。對節(jié)水灌溉項目灌水方式的選擇，可在“國民經(jīng)濟評價”的基礎(chǔ)上，考慮“技術(shù)評價”和“社會評價”，即對節(jié)水灌溉項目進行綜合評價。選擇經(jīng)濟合理可行、技術(shù)效果指標優(yōu)良、社會效果好的節(jié)水灌溉項目。

　　1.1 項目國民經(jīng)濟評價指標 項目國民經(jīng)濟評價指標為：經(jīng)濟內(nèi)部收益率、經(jīng)濟凈現(xiàn)值、經(jīng)濟效益費用比、投資回收期。

　　1.2 項目技術(shù)評價指標 節(jié)水灌溉項目的技術(shù)指標包括，灌水均勻度、灌水強度、灌溉水利用率。

　　1.3 項目社會評價指標 節(jié)水灌溉項目的社會評價指標包括，節(jié)水方式的安全性、可靠性、地形適應(yīng)性、作物的適應(yīng)性、農(nóng)民歡迎程度、施工難易程度等。

2 節(jié)水灌溉方式選擇的層次分析模型

　　節(jié)水灌溉方式的選擇受多種因素的影響。因此，僅從某一個角度、某一個指標進行選擇，往往具有片面性。層次分析法(簡稱AHP法)，可以將不同層次、多個指標綜合成一個無量綱的評判值，由此對各種節(jié)水灌溉方式進行排序，從而選擇最優(yōu)的節(jié)水灌溉方式。

　　根據(jù)節(jié)水灌溉項目綜合評價的要求，建立其綜合評判的層次分析結(jié)果如圖1所示。由圖1采用兩級評判模型，計算其方案的總排序和單排序綜合效果評價值。

圖1 節(jié)水灌溉項目綜合評判層次結(jié)構(gòu)

2.1 目標層(總排序)Z=M×S(1)

式中：Z為項目(方案)的綜合經(jīng)濟效果評判值；M為權(quán)重矩陣，M=(M1，M2，M3)；S為單因素矩陣，S=(E，T，H)^T.

2.2 準則層(單排序)

　　(1)國民經(jīng)濟評價綜合評價值E=Mg×Ee(2)

式中：E為國民經(jīng)濟效果綜合評價值；Mg為國民經(jīng)濟指標權(quán)重矩陣，Mg=(Mg1,Mg2,Mg3,Mg4);Ee為國民經(jīng)濟指標矩陣，Ee=(E1,E2,E3,E4)^T.

　　(2)技術(shù)評價綜合評價值T=Mt×Tt(3)

式中：T為技術(shù)評價綜合評價值；Mt為技術(shù)評價指標權(quán)重矩陣，Mt=(Mt1,Mt2,Mt3)；Tt為技術(shù)評價指標矩陣，Tt=(T1,T2,T3)^T.

　　(3)社會評價綜合評價值H=Ms×Hs(4)

式中：H為社會評價綜合評價值；Ms為社會評價指標權(quán)重矩陣，Ms=(Ms1,Ms2,Ms3,Ms4,Ms5)；Hs為社會評價指標矩陣，Hs=(H1,H2,H3,H4,H5)^T.

3 指標權(quán)重的確定

　　3.1 構(gòu)造指標比較判斷矩陣 選擇6～10名從事節(jié)水灌溉的專家組成專家組，各專家分別對同級指標兩兩比較，構(gòu)造各層次判斷矩陣B={bij}n×n(不包括方案層).bij表示對于B而言，bi對bj的相對重要程度，一般bij取1，2，3……9及它們的倒數(shù)。其中bij=1，表示bi與bj同樣重要，且bij=1；bij=3，表示bi比bj重要一點，且bji=1/3；bij=5，表示bi比bj重要，且bji=1/5;bij=7，表示bi比bj重要的多，且bji=1/7；bij=9，表示bi比bj極端重要，且bji=1/9.

　　3.2 計算指標權(quán)重值 按以下方法計算各指標的權(quán)重值。

　?、儆嬎闩袛嗑仃嚸恳恍性氐某朔ePi(i=1,2,……,n)(5)

　?、谟嬎鉖i的n次方根Dni(6)

　　③權(quán)重計算。對向量Dni歸一化，即可得到其權(quán)重值(7)

　?、芤恢滦詸z驗。判斷矩陣的偏差一致性指標CICI=λmax-n/n-1(8)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根。

隨機一致性比率CRCR=CI/RI(9)

式中：RI為平均隨機一致性指標，可查有關(guān)表得出。CR<0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則應(yīng)對判斷矩陣進行調(diào)整。

4 社會評價指標的獲得

　　節(jié)水灌溉項目的國民經(jīng)濟評價指標和技術(shù)評價指標都為量化指標，均可通過計算獲得。社會評價指標為定性指標，對其各項指標的量化值可通過模糊評判法獲得。具體方法為。請節(jié)水灌溉的專家(一般為6個以上)，對所給定的指標按規(guī)定的評語進行評判，由此計算指標的隸屬度。

指標評語集V={V1(很好)，V2(較好)，V3(一般)，V4(較差)，V5(很差)}

標準隸屬度集U=(1.0，0.8，0.5，0.2，0)

指標隸屬度計算

依據(jù)N個專家對各個指標不同節(jié)水灌溉方式所下的評語，按其標準隸屬度進行平均，取平均隸屬度作為該指標的隸屬度。

5 有關(guān)指標的處理

　　節(jié)水灌溉項目綜合評價指標有些為正向指標，如收益率、凈現(xiàn)值、效益費用比、灌水均勻度、灌水強度、灌溉水利用率等，其指標值越大越好；有些為負向指標，如投資回收期，其指標越小越好。另外有些指標具有量綱。因此，在利用層次分析法求各節(jié)水灌溉方式的綜合評價值時，必須對負向指標和有量綱指標進行技術(shù)處理。

　　5.1 指標的規(guī)范化 指標的規(guī)范化就是通過技術(shù)處理，消除指標間數(shù)量級差異過大和具有量綱的指標，使各指標在同一層次中具有可比性。具體方法是對指標進行指數(shù)化處理，即用同一指標數(shù)列中的最大值去除數(shù)列中的每一個指標，得到的商即為規(guī)范化處理后的指標值。用下式計算：Eii=Ei/Emax(10)

　　5.2 指標的同趨勢化 指標的同趨勢化就是將指標通過整理變換，使所有指標轉(zhuǎn)化為同一方向。在建設(shè)項目經(jīng)濟評價中統(tǒng)一規(guī)定指標大者為優(yōu)(正向指標)，這就要對指標小者為優(yōu)(負向指標)的指標進行處理。具體處理方法可采用指標轉(zhuǎn)置的方法，即大小值和求補法，用下式計算處理后的指標值：Eii=Emax+Emin-Ei(11)

式中：Eii為處理后的指標值；Emax為指標最大值；Emin為指標最小值；Ei為原指標值。

6 應(yīng)用舉例

　　某節(jié)水灌溉項目有管道灌溉、噴灌、滴灌、小管出流灌溉4個方案(分別為方案A、B、C、D)供選擇，對其國民經(jīng)濟評價、技術(shù)指標計算、專家社會評價指標評判得到各評價指標見表1，下面用層次分析法選擇最優(yōu)節(jié)水灌溉方式。

　　6.1 指標處理 對表1中指標E1、E4、T1、T2作規(guī)范化處理；對指標E?3作規(guī)范化和同趨勢化處理，處理后的結(jié)果見表2.

表1 各方案指標值

評價指標

方案A

方案B

方案C

方案D

凈現(xiàn)值E1

11.26

9.2

10.8

9.6

收益率E2

0.112

0.128

0.135

0.142

投資回收期E3

12.8

13.2

14.2

11.5

效益費用比E4

1.86

2.10

1.94

1.65

灌水均勻度T1

85.2

91.6

82.4

83.2

灌水強度T2

9.3

9.1

8.6

9.2

灌溉水利用率T3

0.85

0.92

0.95

0.90

安全可靠性H1

0.92

0.90

0.86

0.82

地形適應(yīng)性H2

1.0

1.0

1.0

1.0

作物適應(yīng)性H3

1.0

0.9

0.8

1.0

農(nóng)民歡迎程度H4

1.0

0.8

0.7

0.9

便于施工程度H5

0.9

0.8

0.7

0.8

表2 評價指標規(guī)范化、同趨勢化計算結(jié)果

評價指標

方案A

方案B

方案C

方案D

凈現(xiàn)值E1

1.000

0.821

0.964

0.857

收益率E2

0.112

0.128

0.135

0.142

投資回收期E3

0.909

0.880

0.810

1.000

效益費用比E4

0.866

1.000

0.924

0.786

灌水均勻度T1

0.930

1.000

0.899

0.908

灌水強度T2

1.000

0.978

0.924

0.989

灌溉水利用率T3

0.850

0.920

0.950

0.900

安全可靠性H1

0.920

0.900

0.860

0.820

地形適應(yīng)性H2

1.000

1.000

1.000

1.000

作物適應(yīng)性H3

1.000

0.900

0.800

1.000

農(nóng)民歡迎程度H4

1.000

0.800

0.700

0.900

便于施工程度H5

0.900

0.800

0.700

0.800

　　6.2 各層指標權(quán)重計算 選8個專家對指標層和準則層構(gòu)造權(quán)重判斷矩陣，按式(5)～(9)計算其總排序和單排序指標權(quán)重和進行判斷矩陣一致性檢驗?？偱判蛑笜藱?quán)重和判斷矩陣一致性檢驗計算見表3，其余計算略。

　　6.3 綜合評判計算 由式(2)～(4)計算單層次指標綜合值E、T、H；由式(1)計算各方案綜合評判值Z，結(jié)果見表4.

表3 準則層權(quán)重判斷矩陣及權(quán)重計算

Z

E

T

H

M

E

1

6

2

0.614

T

1/6

1

1/2

0.118

H

1/2

2

1

0.268

λmax=3.018

CI=0.0091

RI=0.58

CR=0.016<0.1

表4 各層次綜合評判值計算結(jié)果及總排序

層次

方案A

方案B

方案C

方案D

E

0.617

0.612

0.623

0.581

T

0.912

0.964

0.924

0.920

H

0.973

0.896

0.826

0.932

Z

0.747

0.730

0.713

0.716

總排序

1

2

4

3

7 結(jié)語

　　節(jié)水灌溉是今后農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展方向。由于節(jié)水灌溉的方式較多，實際應(yīng)用中必然會遇到選擇一種或幾種節(jié)水灌溉方式，而選擇時必須綜合考慮諸多因素的影響，層次分析法是解決這類問題較為有效的方法。在本文中，綜合考慮了經(jīng)濟、技術(shù)和社會3個大的因素以及各大要素中的小因素，使選擇的節(jié)水灌溉方式更為經(jīng)濟、可靠、合理。

參 考 文 獻：

　　[1] 羅金耀，陳大雕，王富慶，郭元裕。節(jié)水灌溉綜合評價理論與模型研究[J]。節(jié)水灌溉1998，(4)

　　[2] 姜啟源。數(shù)學(xué)模型[M]。北京：高等教育出版社。1996.6