干旱能力水利工程論文范文

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1評價(jià)指標(biāo)體系與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1影響因素分析水利工程群是由蓄、引、提、調(diào)工程及閘壩工程組成的復(fù)雜供水系統(tǒng)。在干旱缺水地區(qū)布置水利工程是應(yīng)對干旱的前提，即首先要確定工程“有沒有”的問題。由于各類工程的開發(fā)功能不同，其對干旱事件的調(diào)節(jié)特征也不同(表1)。蓄水工程尤其是水庫可對水資源進(jìn)行時程調(diào)節(jié)，改善天然來水過程與用水過程在時間上的不匹配性，保障干旱缺水時段的用水需求。工程的規(guī)模決定著其調(diào)節(jié)能力的大小，多年調(diào)節(jié)水庫對年尺度干旱具有調(diào)節(jié)作用，年調(diào)節(jié)水庫可對年內(nèi)干旱事件具有調(diào)節(jié)作用。引、提水工程可在空間上分別對水資源進(jìn)行水平調(diào)節(jié)和垂向調(diào)節(jié)，解決水資源空間分布不均勻產(chǎn)生的供需矛盾。調(diào)水工程不僅可以調(diào)節(jié)水資源在地域空間上的分布，還可以增加本地可供水量。相對蓄水工程，引、提水工程對供水水源沒有調(diào)節(jié)能力，供水可靠性差，而調(diào)水工程的可調(diào)水量取決于調(diào)出水區(qū)的來水情況，在調(diào)出水區(qū)與受水區(qū)同時遭遇干旱的不利情景下，調(diào)水量必然受到影響。相對單一工程類型，水利工程群是多水源供水，供水可靠性更強(qiáng);且能同時在時空上對水資源進(jìn)行較全面的調(diào)控，對干旱事件的調(diào)節(jié)能力也更強(qiáng)。水利工程布局與干旱分布的匹配性、水利工程構(gòu)成的相容性和互補(bǔ)性、工程規(guī)模的合理性均會影響水利工程群整體應(yīng)對干旱的能力。在分析水利工程“有沒有”的基礎(chǔ)上，還應(yīng)充分考慮工程的運(yùn)行管理水平，工程整體效率與效益的發(fā)揮需要有科學(xué)的調(diào)度管理做支撐，這就離不開健全的體制、法制以及利益相關(guān)方的協(xié)調(diào)機(jī)制等。水利工程運(yùn)行管理水平的高低，最終反映在可量化的指標(biāo)上，就是干旱期水利工程提供的水量能夠滿足用戶多大程度的用水需求，可用耕地灌溉率、城市缺水率、生態(tài)環(huán)境用水率等表征。

1.2指標(biāo)體系構(gòu)建

1.2.1指標(biāo)選取的原則所選指標(biāo)應(yīng)該意義明確，具有代表性，構(gòu)建的指標(biāo)體系能夠較全面地反映水利工程群應(yīng)對干旱能力的水平;評價(jià)指標(biāo)之間相對獨(dú)立，不重復(fù)選取同一類的關(guān)系密切的指標(biāo);評價(jià)指標(biāo)可以量化，并易于獲取，便于評價(jià)和分析。

1.2.2指標(biāo)體系基于水利工程群應(yīng)對干旱能力的影響因素分析，遵循一定的指導(dǎo)原則，從水利工程規(guī)模、布局和工程運(yùn)行管理兩個層面，構(gòu)建包含12個指標(biāo)的具有一定層次結(jié)構(gòu)的評價(jià)指標(biāo)體系(表2)。(1)單位供水面積上的供水能力:供水面積指水利工程供水受益區(qū)，包括灌區(qū)、城鎮(zhèn)等，當(dāng)供水對象不明確或受資料限制，可用評價(jià)單元面積代替。工程供水能力包括蓄水工程、引水工程、取水泵站、配套機(jī)電井以及流域外調(diào)水工程的總的供水能力。(2)水庫調(diào)蓄率:以水庫為代表的蓄水工程是一類具有較強(qiáng)調(diào)節(jié)能力的水利工程。水庫的設(shè)計(jì)庫容越大，對天然徑流的調(diào)蓄能力越強(qiáng)，其所具有的潛在的應(yīng)對干旱的能力也越強(qiáng)。(3)單位面積興利庫容:相對總庫容，興利庫容與水庫供水能力直接相關(guān)，能直接反映水庫供水能力的大小。(4)單位灌溉面積機(jī)電井?dāng)?shù)目:相對于地表水，地下水的變異性小，且受氣候變化的直接影響小，供水穩(wěn)定性要好。尤其在井灌區(qū)或井渠雙灌類型的灌區(qū)應(yīng)對干旱能力突出。(5)鄉(xiāng)村供水安全保障率:農(nóng)村傳統(tǒng)的小型、分散、簡陋的供水設(shè)施保證率低，導(dǎo)致鄉(xiāng)村地區(qū)干旱期缺水風(fēng)險(xiǎn)較大，人畜飲水困難。集中式供水工程不僅能較好地保證供水水質(zhì)，而且一般具有較大的供水保證率。(6)水資源開發(fā)利用率:可在一定程度上反映一個地區(qū)的水資源條件和工程能力的相對匹配性。水資源開發(fā)利用率越大，表明工程對水資源的控制能力越強(qiáng)。(7)可調(diào)節(jié)水資源量的供水率:在某一區(qū)域的供水工程中，蓄水、地下水、外調(diào)水等供水水源的供水比例越大，其供水穩(wěn)定性越高，應(yīng)對干旱能力就越強(qiáng)。超采的地下水會造成生態(tài)環(huán)境的破壞，不列入穩(wěn)定供水水源。(8)耕地灌溉率與旱澇保收率:農(nóng)業(yè)用水在供水優(yōu)先級中低于城市生活和工業(yè)供水的保證程度，對于旱作物為主的缺水地區(qū)，灌溉設(shè)計(jì)保證率一般只有50%～75%，而城市供水設(shè)計(jì)保證率可達(dá)到95%以上。所以，選取耕地灌溉率與旱澇保收率可以表征水利工程群應(yīng)對農(nóng)業(yè)干旱的能力。(9)灌溉水利用系數(shù):反映農(nóng)業(yè)灌溉管理水平，并間接反映配套工程體系的完備性。由于農(nóng)業(yè)灌溉用水占整個用水量的比例較大，灌溉水利用系數(shù)的提高，可在較大程度上減少灌溉總水量。(10)城市缺水率:反映供水系統(tǒng)對城市工業(yè)和生活供水的保證程度，缺水率越大，應(yīng)對能力越差。(11)生態(tài)環(huán)境用水率:國民經(jīng)濟(jì)用水?dāng)D占生態(tài)環(huán)境用水的現(xiàn)象一直比較突出，在干旱期生態(tài)環(huán)境用水的基本保證程度也能從側(cè)面反映水利工程應(yīng)對干旱的能力。如果一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境用水長期穩(wěn)定在一定的比例，間接反映出該地區(qū)的水利工程群具有較強(qiáng)的可靠性。

1.3評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)目前，國內(nèi)外對水利工程群應(yīng)對干旱能力評價(jià)尚沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系或劃分先例，本文根據(jù)綜合評價(jià)的情況和實(shí)際應(yīng)用的需要，將評價(jià)等級分為4級，即1級(弱)、2級(較弱)、3級(較強(qiáng))、4級(強(qiáng))。表3中給出的12項(xiàng)指標(biāo)的4級評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)值，盡量與國家頒布的標(biāo)準(zhǔn)或當(dāng)前文獻(xiàn)中已經(jīng)采用的衡量標(biāo)準(zhǔn)相一致，如城市缺水率指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)［10］，灌溉水利用系數(shù)指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)［11］，耕地灌溉率和旱澇保收率指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)參考了文獻(xiàn)［9］。對于缺乏參考標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)，則在參照全國各省市平均水平的基礎(chǔ)上，以珔X、珔X±0.5S作為三個分點(diǎn)值初步得到4個分級區(qū)間，其中珔X為某項(xiàng)指標(biāo)的平均值，S為標(biāo)準(zhǔn)差，然后再咨詢專家意見對部分指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正。

2綜合評價(jià)模型

2.1模糊綜合評價(jià)基本方法采用模糊綜合評價(jià)對水利工程群應(yīng)對干旱能力進(jìn)行評價(jià)。模糊綜合評價(jià)基于模糊數(shù)學(xué)的概念和方法，應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理，根據(jù)評價(jià)對象在類屬上的亦此亦彼性，從數(shù)量上對其所屬進(jìn)行描述。該方法廣泛應(yīng)用于具有模糊性的各類綜合評價(jià)中。水利工程應(yīng)對干旱的能力的大小本身沒有明顯的界限，符合模糊特性。模糊綜合評價(jià)方法的主要步驟如下。

2.2模糊關(guān)系矩陣確定確定模數(shù)關(guān)系矩陣的核心是合理構(gòu)造隸屬函數(shù)。本文采用4級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)等級以區(qū)間形式給出的，某評價(jià)因素對評價(jià)等級的隸屬關(guān)系可根據(jù)各評價(jià)因素的實(shí)際值對照評價(jià)分級表來分析推求。由于存在“等級之間數(shù)值相差不大，而評價(jià)等級相差一級的跳躍現(xiàn)象”，為了消除這種不合理現(xiàn)象，使隸屬函數(shù)在各級之間實(shí)現(xiàn)平滑過渡，將其按文獻(xiàn)［12］提出的方法進(jìn)行模糊化處理。對于4級評價(jià)等級V={v1，v2，v3，v4}，可構(gòu)造如下隸屬度函數(shù)。

2.3權(quán)重向量的確定目前模糊綜合評價(jià)的難點(diǎn)之一是如何科學(xué)、合理地將一個多指標(biāo)問題綜合成一個單指標(biāo)形式進(jìn)行客觀評價(jià)［13］，這便涉及到各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)之間的權(quán)重分配問題。層次分析法和熵值法是兩種目前被廣泛應(yīng)用的確定權(quán)重的方法。兩種方法分別是主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)的典型方法，各有優(yōu)劣。本文結(jié)合兩種方法的特點(diǎn)，按下式計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重。

3應(yīng)用實(shí)例

3.1研究區(qū)概況漳衛(wèi)河流域位于海河流域南部，地理坐標(biāo)為112.44°～115.34°E，35.01°～37.62°N，屬于南運(yùn)河水系的一部分，流域面積約3.53萬km2。流域多年平均地表水資源量31.4億m3，不重復(fù)地下水資源量15億m3，水資源總量46.4億m3。根據(jù)2007－2011年海河流域水資源公報(bào)對分區(qū)供(用)水量的統(tǒng)計(jì)資料，目前，漳衛(wèi)河流域每年總供(用)水量40.69億m3，其中本地地表水11.71億m3，地下水26.23億m3，從黃河流域調(diào)水2.37億m3，地下水供水量占總供水的64.5%，是供水的主體，但超采現(xiàn)象非常嚴(yán)重。目前山區(qū)已建的大中型水庫蓄水容積己達(dá)35.16億m3，占地表徑流量的130%，理論上可調(diào)控所有地表徑流。流域內(nèi)建成漳南灌區(qū)、紅旗渠灌區(qū)、躍進(jìn)渠灌區(qū)、躍峰灌區(qū)、人民勝利渠灌區(qū)、武嘉灌區(qū)等六大20khm2以上灌區(qū)，其中平原灌區(qū)采用井渠雙灌模式灌溉。搜集河南省、河北省、山西省的水利統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)，研究流域所包含的各行政區(qū)的水利統(tǒng)計(jì)年報(bào)、各市水資源公報(bào)，河南省、河北省、山西省的水資源綜合規(guī)劃、流域水資源綜合規(guī)劃、抗旱規(guī)劃等，獲取相關(guān)評價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)(受篇幅限制，表略)。其中，單位供水面積供水能力、水庫調(diào)蓄率、單位面積興利庫容、單位灌溉面積機(jī)電井?dāng)?shù)目等反映水利工程布局性的指標(biāo)統(tǒng)一用2010年的資料，其他反映工程運(yùn)行管理水平的指標(biāo)，因?yàn)楦髂觌H之間實(shí)際會有些變化，采用近5年的平均值。

3.2確定組合權(quán)重由層次分析法可得各評價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重ω''''=(0.1163，0.0426，0.0631，0.0631，0.0296，0.0185，0.0715，0.1180，0.1959，0.0428，0.1959，0.0428)，由熵值法獲得權(quán)重向量ω=(0.0968，0.1427，0.2158，0.0655，0.0399，0.0512，0.0592，0.0561，0.0568，0.0888，0.0668，0.0602)，由式(8)計(jì)算得到組合權(quán)重向量A=(0.143，0.077，0.173，0.053，0.015，0.012，0.054，0.084，0.142，0.048，0.166，0.033)。3.3建立評價(jià)模型根據(jù)各評價(jià)單元各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)資料，按照式(4)～(7)計(jì)算各指標(biāo)相對隸屬度，建立模糊關(guān)系矩陣。按照最大隸屬度原則，漳衛(wèi)河山區(qū)長治的水利工程應(yīng)對干旱能力等級為“2級(較弱)”。同理，可得到其他評價(jià)單元的綜合評價(jià)結(jié)果(表4)。在流域的13個評價(jià)單元中，有2個單元評價(jià)結(jié)果為“弱”，有4個單元評價(jià)結(jié)果為“較弱”，其余7個單元評價(jià)結(jié)果均為“較強(qiáng)”。從單要素指標(biāo)隸屬度看，在綜合應(yīng)對干旱能力“較強(qiáng)”的7個評價(jià)單元中，漳衛(wèi)河山區(qū)安陽、山區(qū)新鄉(xiāng)的單位面積興利庫容和旱澇保收率指標(biāo)，以及漳衛(wèi)河平原新鄉(xiāng)、平原鶴壁、平原安陽、平原焦作的單位面積供水能力和旱澇保收率指標(biāo)，它們的最大隸屬度均對應(yīng)“強(qiáng)”或“較強(qiáng)”等級，這三個指標(biāo)的權(quán)重較大，對綜合評價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)也較大。同時，以上評價(jià)單元的鄉(xiāng)村供水安全保障率、水資源開發(fā)利用率、可調(diào)節(jié)水資源量供水率等指標(biāo)也均較大，山區(qū)評價(jià)單元和平原評價(jià)單元則分別在水庫調(diào)蓄率和單位灌溉面積機(jī)電井?dāng)?shù)目指標(biāo)上占優(yōu)勢。漳衛(wèi)河山區(qū)焦作的旱澇保收率指標(biāo)隸屬于“強(qiáng)”的等級，城市缺水率指標(biāo)隸屬于“較強(qiáng)”的等級，這兩個指標(biāo)對綜合評價(jià)結(jié)果起到關(guān)鍵作用。對于漳衛(wèi)河山區(qū)晉中、長治、晉城三個評價(jià)單元，除了水庫調(diào)蓄率、鄉(xiāng)村供水安全保證率、水資源開發(fā)利用率等指標(biāo)最大隸屬度對應(yīng)較高評價(jià)等級以外，其它指標(biāo)最大隸屬度均對應(yīng)“弱”或“較弱”等級，因此綜合應(yīng)對干旱能力為“弱”。依據(jù)表4，可繪制漳衛(wèi)河流域水利工程群應(yīng)對干旱能力的空間對比圖，如圖1所示。按照同樣的方法，也可對漳衛(wèi)河整個流域的水利工程群應(yīng)對干旱能力進(jìn)行綜合評價(jià)，評價(jià)結(jié)果表明，漳衛(wèi)河流域整體工程應(yīng)對干旱的能力的等級為“較弱”。進(jìn)一步地，對漳衛(wèi)河流域模糊關(guān)系矩陣進(jìn)行剖析。從各指標(biāo)對4個評價(jià)等級的隸屬度值可以看出，單位供水面積供水能力、單位面積興利庫容2個指標(biāo)隸屬于“弱”的等級;單位灌溉面積機(jī)電井?dāng)?shù)目、耕地灌溉率、旱澇保收率、灌溉水利用系數(shù)、城市缺水率、生態(tài)環(huán)境用水率等6個指標(biāo)屬于“較弱”的等級;水庫調(diào)蓄率、鄉(xiāng)村供水保障率、水資源開發(fā)利用率、可調(diào)節(jié)水資源量供水率等4項(xiàng)指標(biāo)屬于“較強(qiáng)”的等級。由此可見，漳衛(wèi)河流域在水資源綜合開發(fā)利用率(81.8%)已經(jīng)較高、水庫調(diào)蓄率(57.5%)較大、水利工程調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的情況下，其單位面積上的供水能力依然不足，城市缺水較嚴(yán)重等，因此，本地水資源的開發(fā)潛力已經(jīng)接近極限，未來需要加強(qiáng)對現(xiàn)有水利工程體系的科學(xué)調(diào)度管理，以期挖掘提升現(xiàn)有工程體系應(yīng)對干旱的能力。南水北調(diào)工程是從根本上解決漳衛(wèi)河流域水資源短缺問題的必然選擇，應(yīng)切實(shí)保證調(diào)水工程按規(guī)劃準(zhǔn)時完成，通過增加受水區(qū)的可供水量提高干旱應(yīng)對能力。

4結(jié)論

初步構(gòu)建水利工程群應(yīng)對干旱能力評價(jià)指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系能較全面地反映影響水利工程應(yīng)對干旱能力的因素以及應(yīng)對干旱能力的效果。綜合主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)方法的優(yōu)點(diǎn)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，既反映了專家對評價(jià)指標(biāo)的偏好，又可反映出系統(tǒng)信息中評價(jià)指標(biāo)的效用大小。基于模糊綜合評價(jià)方法建立水利工程群應(yīng)對干旱能力評價(jià)模型，并以漳衛(wèi)河流域?yàn)槔M(jìn)行了實(shí)例研究。在13個評價(jià)單元中，有7個評價(jià)單元應(yīng)對干旱能力屬于“強(qiáng)”或“較強(qiáng)”等級，其余6個單元為“弱”或“較弱”等級，漳衛(wèi)河流域整體應(yīng)對干旱能力較弱。在流域水資源綜合開發(fā)利用水平已經(jīng)很高的情況下，未來需要加強(qiáng)對現(xiàn)有水利工程體系的科學(xué)調(diào)度管理，并充分利用流域外調(diào)水來提高流域干旱應(yīng)對能力。整個評價(jià)過程思路清晰，計(jì)算簡便，評價(jià)結(jié)果較為合理。下一步需要在應(yīng)用中修正評價(jià)指標(biāo)體系，并不斷完善評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

作者：王剛嚴(yán)登華吳楠楊志勇韓冬梅劉少華單位：北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所中國水利水電科學(xué)研究院離退休處河北工程大學(xué)水土保持和水電學(xué)院