灌区运行水平综合评价研究进展

易银莲，崔宁博,2，张青雯，冯 禹,，胡笑涛，龚道枝

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室水利水电学院，四川 成都 610065； 2.南方丘区节水农业研究 四川省重点实验室，成都 610066；3.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100； 4.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室，北京 100081)

0 引 言

灌区是中国粮食安全的基础保障，也是推动国民经济可持续发展的重要基础设施。中国现有大型灌区402处、中型灌区5 200多处，占全国耕地总面积超过50%，生产了全国70%以上的粮食，80%以上的经济作物[1]。灌区的良性运行对保障国家粮食安全、水安全具有不可替代的重要作用，同时对灌区自身生态环境改善有积极作用，对其所在区域植被生态系统维护、水土流失抑制、水源涵养、风沙危害削减等方面都有重要影响。灌区运行水平科学有效的评价，对于提升灌区的效率与效益、实现灌区可持续发展具有重大意义。

目前中国灌区运行管理水平普遍较低，特别是灌区信息化、智慧化建设滞后，现代化灌区建设任重道远。灌区是一个极其复杂的“生态-经济-社会”复合系统，灌区评价涉及的指标数目众多，范围极广，属于多层次、多因素的综合评价问题，目前缺乏统一的评价标准。从现有的研究来看，灌区运行水平综合评价指标体系的构建一般为多层次、多指标形式，主要考虑工程质量、管理水平、节水灌溉效应、生态环境效应和社会经济效益等。灌区运行水平综合评价指标权重确定方法可分为基本赋权法、综合赋权法，基本赋权法有层次分析法[2]、GI法、拉开档次法[3]等，综合赋权法集成主客观赋权法的优点，应用广泛。灌区运行水平综合评价方法可分为单一评价法和综合评价法，单一评价法有灰色关联法[4]、TOPSIS法[5]、投影寻踪法[6]、改进密切值法[7]等，综合评价法融合优化不同的评价方法，如灰色关联理论-密切值法[8]、PCA-Copula评价法[9]、基于循环修正的组合评价法[10]等，具有克服评价结果不一致的优点，应用前景广阔。由于权重确定方法、评价方法多种多样，使得现有灌区运行水平综合评价模型结果差异较大。

为实现对灌区的科学有效评价、促进灌区运行水平不断提升，本文围绕灌区运行水平综合评价，阐述了灌区运行水平综合评价指标的分类及构建原则，梳理了权重因子的确定方法及各种评价方法的优缺点，指出现阶段灌区运行水平综合评价存在的问题，并提出灌区运行水平综合评价在未来的重点研究方向。

1 灌区运行水平综合评价指标体系的构建

灌区运行水平综合评价指标体系(Comprehensive Evaluation Index System of Irrigation Area Operation Level, CEISIO)是进行灌区运行水平综合评价的基础，评价指标选取既要反映灌区当前运行存在的问题，又要体现灌区未来发展趋势；其建立应遵循以下原则：全面性和概括性相结合，系统性和层次性相结合，可行性与可操作性相结合，可比性与灵活性相结合[11]。灌区运行水平综合评价指标一般有两种分类方法，第一种分为定性和定量指标，第二种分为效益型和成本型指标；同时，由于指标的量纲不同，指标的功能不同，且指标间数值差异较大，所以应对指标进行无量纲化处理。常见的CEISIO构建方法为分级构建与分层构建两种，分级构建即分为一级指标、二级指标，以此类推，分层构建主要是分为目标层、准则层、指标层等；还有学者提出以驱动力-状态-响应(D-S-R)模型为框架建立CEISIO，包括目标层、准则层、要素层和指标层共4层。本文从工程质量、管理水平、节水灌溉效应、生态环境效应和社会经济效益5个层面探讨灌区运行水平综合评价涉及的具体指标。

1.1 灌区工程质量水平评价

工程质量是灌区正常运行的重要保证，是提升灌区灌溉保证率的关键。灌区工程主要包括水源工程、渠道工程、排水工程、田间工程及量控设施。水源工程包括坝、闸、堰等各类挡水、引水及蓄水建筑物；渠道工程是灌区的主体工程，干、支渠起输水作用，斗、农、毛渠起配水作用，渠道的规划设计、配套设施、防渗措施、完好情况等对灌区工程质量都有十分重要的影响[12]；排水工程在灌区内的布置与渠道相对应，其完好情况对灌区运行有重要影响；田间工程完好的水平将显著影响灌溉的效率与效益；量控设施是严格按计划配水的保障。灌区工程质量水平评价指标体系如表1所示。

表1 灌区工程质量水平评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of engineering quality level in irrigation district

灌区管理水平决定了灌区效益能否充分发挥，灌区管理水平提升可以促进灌溉效益与灌区自我能力建设的不断提高。良好的灌区管理能处理好水的高效利用，最大限度地创造经济、社会与生态效益，实现灌区水的优化配置和灌溉水的合理调度[16]。田娟等[17]应用因子分析原理建立了灌区管理水平评价的综合指标-综合因子；高伟增等[18]提出对灌区用水管理综合评价时，把指标分为效率评价、效益评价和财务评价3个层次；谢崇宝等[19]提出以灌区供水服务的安全性、公平性、可靠性和灵活性来衡量现代灌区管理水平。灌区管理水平评价指标体系如表2所示。

表2 灌区管理水平评价指标体系Tab.2 Evaluation index system of management level in irrigation district

1.2 灌区节水灌溉效应评价

灌区节水灌溉效应反映了灌区的用水效率与效益，是灌区运行水平评价的重要指标。常用的灌溉用水指标包括渠系水利用系数、田间水利用系数和灌溉水利用系数等。近年来有研究指出灌溉水利用系数对灌区运行水平综合评价的贡献较小[21]，因其忽视了水在系统内的重复利用。冯峰等[12]提出用水流向跟踪法，对灌溉水有效利用率影响因子进行识别，最后得到灌区灌溉水有效利用率评价的11个影响因子。崔远来等[22]利用国际水管理研究院(International Water Management Institute，IWMI)提出的基于水量平衡原理的评价指标对漳河灌区进行了评价，指出传统灌溉效率指标并不能真实反映灌区节水情况。刘路广等[23]提出考虑回归水重复利用的用水效率和用水效益评价指标。灌区节水灌溉效应评价指标体系如表3所示。

表3 灌区节水灌溉效应评价指标体系Tab.3 Evaluation index system of effects in the water-saving irrigation

1.3 灌区生态环境效应评价

灌区生态环境是灌区能否实现可持续发展的决定性因素，是灌区水生态文明建设的重要体现，其评价涉及因素有水(包括地表水、地下水以及水质等)、土壤(主要指重金属污染程度、盐碱、涝渍灾害等)、植被及大气等。良好的灌区生态环境既可以保证灌区的可持续发展，又可以促进灌区效率与效益的提升；灌区科学、合理的开发建设也会对区域生态环境起到积极作用，例如调节区域气候、增加植被覆盖率、改善盐碱地等[27]，对于促进灌区人水和谐、构建美丽乡村具有重要意义。灌区生态环境和灌区开发建设之间的相互作用使得自然生态系统的资源优势转化为灌区经济优势，又通过灌区经济的发展改善自然生态系统[28]。柴立等[29]提出基于主题分类和组件技术对灌区生态环境进行动态评价，杨柳等[30]提出对指标全体进行信息融合，根据可信度排序结果选取可信度较高的指标作为灌区生态环境评价研究的主评指标。灌区生态环境效应评价指标体系如表4所示。

表4 灌区生态环境效应评价指标体系Tab.4 Evaluation index system of eco-environmental effect in irrigation district

1.4 灌区社会经济效益评价

灌区的社会经济效益是灌区良性可持续发展的必要条件，主要体现在灌区管理单位、用水户的支出与收入等；单位灌面产值、水费实收率、政府支持程度等也能在一定程度上反映灌区的社会经济效益。评估灌区社会经济效益可以直接反映灌区的价值，积极争取国家、地方财政的投入，促进灌区内部改革。灌区社会经济效益评价指标体系如表5所示。

2 灌区运行水平综合评价指标权重

评价指标权重的确定是进行灌区评价的关键一环，评价指标权重既反映了该指标变化对综合效益变化所起的作用，又表明了该指标在同一评价指标层次中所处的地位，权重确定的合理与否将直接影响评价结果的合理性与科学性。灌区运行水平综合评价指标权重的确定应遵循以下原则：系统优化原则、评价者的主观意图与客观情况相结合原则、层次性原则、尽可能体现指标差异原则。目前权重系数的确定方法总体分为基于“功能驱动”原理、基于“差异驱动”原理和基于综合集成三大类[38]，本文为论述方便，把灌区运行水平综合评价权重确定方法分为基本赋权法和综合赋权法。

2.1 基本赋权法

权重确定方法主要分为主观赋权法和客观赋权法，其中主赋权法很大程度上取决于专家的知识结构、工作经验和偏好，具有一定的主观性，而且在一定时间区间内权重系数具有保序性(在一定时间不同时刻处各指标对整体而言的重要性保持不变)和可继承性；常用的主观赋权法有层次分析法(AHP)[2]、德尔菲(Delphi)法、序关系排列(GI)法和拉开档次法[3]等。客观赋权法是根据指标的实际值和标准值运用统计方法计算获得权值，优点是客观性强，不依赖人的主观判断，缺点是解释性差；常用的客观赋权法有均方差法、熵值法[39]、变异系数(CVM)法[40]、离差最大化法和简单关联函数法等。

表5 灌区社会经济效益评价指标体系Tab.5 Evaluation index system of social economic benefits in irrigation district

2.2 综合赋权法

综合赋权法集成了主客观赋权法的优点，但其计算量大、计算过程烦冗。在综合赋权法中最重要的就是基本权重的确定以及合成方法的选择，费良军等[41]发现基于博弈论的综合权重与基本权重相比，既考虑了灌区管理决策者的主观要求，又综合了灌区运行状况的客观实际。王书吉等[42, 43]将GI法和熵值法计算得到的主观权重和客观权重分别用基于博弈论、离差平方和、单位化约束条件的综合赋权法集成融合，应用于洛惠渠等4个灌区的评价，发现各个灌区的综合评价值大小不一样，但是排序结果基本一致。综合赋权法如表6所示。

3 灌区运行水平综合评价方法

灌区运行水平综合评价方法的确定是进行灌区运行水平综合评价的核心工作。灌区运行水平综合评价是一个多目标、多层次、多指标的综合评价过程，选取科学合理的方法对其进行评价是非常重要的。目前提出的灌区运行水平综合评价方 法有20多种，大致可以分为两类，第一类是单一评价法，第二类是综合评价法。这些评价方法在理论上都是可行的，但是由于方法机理、评价指标体系存在差异，人为选择具有主观性，运用到灌区运行水平综合评价时经常会出现多方法评价结论的非一致性[49]，而综合评价方法对于解决评价结论非一致性问题具有重要作用[50]。

表6 综合赋权法Tab.6 Comprehensive weighting

3.1 单一评价方法

单一评价方法又可分为基本单一评价方法和改进的单一评价方法，基本单一评价方法有层次分析法[2]、模糊综合评判法[51]、灰色关联法[4]、投影寻踪法[6]、神经网络法、突变理论评价方法[52]、TOPSIS法[5]、物元可拓评价法[53]、集对分析法[37]和密切值法等。对基本单一评价方法进行改进，克服原有方法的不足形成了改进的单一评价方法。国内许多学者应用不同评价方法对陕西省洛惠渠灌区进行了研究，如吴军虎[47]等将密切值法的赋权方法进行优化引入结构熵权法确定综合权重；费良军等[8, 54]应用改进线性模型、灰色关联理论-密切值法；王锦辉等[14, 15]应用改进突变理论、灰色关联理论-TOPSIS法；5种评价方法的结果基本一致，但灰色关联理论-TOPSIS法的精度相较而言低，评价结果区分度最高的是灰色关联理论-密切值法。灌区运行水平单一评价方法如表7所示。

表7 灌区运行水平单一评价方法Tab.7 Single evaluation method for operation level of irrigation district

3.2 综合评价方法

单一评价方法往往存在顾此失彼的缺点，于是不少学者把不同的评价方法进行融合优化，增强评价方法的科学合理性，进而提出多种综合评价方法。综合评价方法大致可以分为三类，即评价过程的组合、评价结果的组合和评价方法本身的组合[50]。姚兰等[56]为解决多个灌区评价值相接近或一致的问题，提出了拉开档次的递阶综合评价法；王书吉等[57]提出基于灌区多年运行数据运用时序加权平均算子(TOWA)理论，对灌区生态环境效益进行时空多维动态评价；崔远来等[58]提出利用灌区多年动态数据，采用“纵横向”拉开档次法对灌区进行动态综合评价；考虑到对灌区运行状况进行综合评价的计算过程都比较复杂，胡建桥等[59]开发了适合3类典型灌区运行状况的综合评价软件，利用该软件对陕西交口抽渭灌区进行评价。灌区运行水平综合评价方法如表8所示。

表8 灌区运行水平综合评价方法Tab.8 Comprehensive Evaluation Model of Irrigation Operational Level

4 灌区运行水平综合评价存在问题

目前，灌区运行水平综合评价存在以下问题：首先，现有灌区运行水平综合评价指标并不能完全反映灌区真实情况，导致评价效率低；其次，现有评价指标大多是在宏观层次上反映灌区运行水平，但宏观层次上评价指标的提高并不能带来灌区运行水平的提升；再者，目前评价指标信息采集的自动化水平极低，不能适应多目标、长期运行条件下的灌区运行水平综合评价。此外，灌区运行水平综合评价应是长期性、持续性工作，每隔一定年限就应进行一次评价，根据评价结果改进灌区设施与管理，从而提升灌区的综合运行水平，但目前灌区运行水平综合评价大多是阶段性的，对灌区整体发展指导性差。同时，灌区信息庞大且复杂，相关产业资源共享能力弱，缺乏灌区综合信息管理平台，现代信息技术如3S技术、云计算在灌区运行水平综合评价中体现不够，灌区运行水平的自动化评价水平低。虽然对于灌区运行水平综合评价的研究很多，但缺乏标准化的灌区运行水平综合评价指标体系，大部分研究结果不具有可比性，因此无法总结各评价模型的优劣及适用情况。

5 灌区运行水平综合评价未来研究重点

5.1 构建基于人水和谐的现代化美丽灌区评价指标体系

在灌区运行水平综合评价指标体系的构建方面，要重视三水转化对灌区评价指标的潜在影响，研究现有指标是否可以真实反映灌区的状况，例如有研究指出空间矿化度和盐分指标相比地下水位埋深更能有效反映种植结构空间布局[65]。重视灌区向生态化、可持续、信息化和智能化发展的迫切需要，探求新的评价指标，追求所需数据的简单易得，计算简便，构建基于人水和谐的现代化CEISIO。生态化要求CEISIO全面反映灌区的生态与环境[66]，例如应用水足迹理论评价灌区农业生产的负面效应[67]；可持续要求CEISIO体现人与自然发展相协调的思想[68]，对于引黄灌区等特定灌区注重水土资源指标的重要地位。以“四性”理念即安全性、公平性、可靠性和灵活性指导指标体系构建全过程，实现灌区评价工作从“以物为本”向“以人为本”的根本转变，改变单一从自然科学角度对灌区进行评价的思路，研究包含自然科学和社会科学指标在内的更加全面的评价新思路，将以人为本的服务理念贯穿在灌区评价的全过程中[69]。由于定性指标经常需要量化，急需建立权威、标准的灌区运行水平综合评价指标体系，考虑到区域间气象地理条件及种植结构差别较大，可利用的农业水资源数量和质量、社会经济发展水平也有较大差异，建议对灌区进行分类，除了按地域划分外，还可以根据灌区的大小、功能进行分类，建立适合不同灌区的评价指标体系。

5.2 构建智能化灌区运行水平综合评价基础信息采集系统

灌区信息化是灌区现代化的基础和重要标志，当前我国灌区信息采集点少、手段落后，灌区信息传输手段比较单一，灌区信息共享性差，同国外相比差距很大。灌区运行水平综合评价基础信息采集系统是灌区运行水平综合评价信息化和智能化的标志，信息化要求评价指标信息的采集趋于自动化，智能化要求机器动态监控操纵灌区运行水平综合评价指标信息。其一，是要实现灌区基础资料的数字化，灌区数据按更新时限长短分静态数据、动态数据和实时数据三类。静态数据如灌区各种工程资料基本不会变化；动态数据如灌区种植结构和种植面积会不定期更新，可以采用无人机航遥技术定期或不定期提取灌区的渠系空间信息[70]；实时数据如挡水、取水和配水处的水质、水位等是实时更新的，必须采用计算机、自动化等技术进行自动、实时的采集，如结合遥感和人工智能(AI)方法实时估算监测土壤湿度[71]，运用遥感技术采集灌溉水利用效率及作物水分利用效率[72]。其二，是要改善灌区信息传输手段，满足灌区大数据的需求，提高信息时效性，为灌区运行水平综合评价的自动化打下基础。

5.3 基于新的数学方法和模型建立灌区运行水平综合评价新方法

在灌区运行水平综合评价指标权重的确定方面，基于新的数学方法探求主、客观权重确定方法，尝试把其他领域的权重确定方法引入灌区运行水平综合评价中，如基于关联规则法确定变权重系数[73]、基于可拓学和遗传算法进行权重反分析得到各指标权重[74]；基于现有的权重确定方法，提出新的综合赋权法，并验证其结果是否科学合理，如基于遗传算法进行主客观权重融合[75]；为避免灌区长期运行条件下指标权重的继承性，基于动态历史数据的D-S策略进行权重修正[76]。在灌区运行水平综合评价方法的确定方面，继续深入研究单一评价方法，寻找其不足，并进行改进和简化；运用现已提出的各综合评价法对同一灌区进行评价，比较各评价方法的评价结果，总结其优缺点，并对其进行优化；转变思维和观念，探讨如何用动态的评价方法来评价灌区的运行状况，不仅评价得出灌区现阶段所处状态，而且对灌区未来发展有一个预估；注重评价模型的先进性，基于其他领域的评价模型建立灌区运行水平综合评价新方法，如基于机器学习[77]、仿真技术模型[78]对灌区运行水平进行综合评价。

5.4 基于信息化技术开发现代化灌区运行水平综合评价平台

未来的灌区建设需要基于3S技术建立“数字灌区”[79]。利用RS(遥感)技术实时监测灌区的灌溉面积、作物种植结构及面积，基于遥感影像进行降雨估算，及时掌握灌区内的田间土壤水分、作物蒸腾发等水量平衡要素，对灌区内的地表水、地下水和水质进行遥感监测[80]，利用无人机遥感技术进行灌区土地利用分类[81]；利用WebGIS技术实现灌区空间分析、地图表达、数据存储与管理[82]。基于物联网与云计算构建灌区大型信息平台[83]，逐步实现与其他信息的共享，形成综合信息管理平台，应用大数据和云平台等现代信息技术，分类管理各种信息，实现由传统灌区向数字灌区过渡，最终彻底向智慧灌区转型，建立数字唐徕信息化管理系统[84]。基于信息平台结合不同评价方法开发适用范围广、评价周期短、交互性强的灌区快速评价软件，以灌区供水服务的安全性、公平性、可靠性和灵活性来衡量现代灌区运行水平的高低[19]，即时反馈整个灌区的运行状况，提高评价过程的可操作性，评价结果的精确性，方便灌区管理决策者做出调整。

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