干旱能力水利工程论文范文

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1评价指标体系与评价标准

1.1影响因素分析水利工程群是由蓄、引、提、调工程及闸坝工程组成的复杂供水系统。在干旱缺水地区布置水利工程是应对干旱的前提，即首先要确定工程“有没有”的问题。由于各类工程的开发功能不同，其对干旱事件的调节特征也不同(表1)。蓄水工程尤其是水库可对水资源进行时程调节，改善天然来水过程与用水过程在时间上的不匹配性，保障干旱缺水时段的用水需求。工程的规模决定着其调节能力的大小，多年调节水库对年尺度干旱具有调节作用，年调节水库可对年内干旱事件具有调节作用。引、提水工程可在空间上分别对水资源进行水平调节和垂向调节，解决水资源空间分布不均匀产生的供需矛盾。调水工程不仅可以调节水资源在地域空间上的分布，还可以增加本地可供水量。相对蓄水工程，引、提水工程对供水水源没有调节能力，供水可靠性差，而调水工程的可调水量取决于调出水区的来水情况，在调出水区与受水区同时遭遇干旱的不利情景下，调水量必然受到影响。相对单一工程类型，水利工程群是多水源供水，供水可靠性更强;且能同时在时空上对水资源进行较全面的调控，对干旱事件的调节能力也更强。水利工程布局与干旱分布的匹配性、水利工程构成的相容性和互补性、工程规模的合理性均会影响水利工程群整体应对干旱的能力。在分析水利工程“有没有”的基础上，还应充分考虑工程的运行管理水平，工程整体效率与效益的发挥需要有科学的调度管理做支撑，这就离不开健全的体制、法制以及利益相关方的协调机制等。水利工程运行管理水平的高低，最终反映在可量化的指标上，就是干旱期水利工程提供的水量能够满足用户多大程度的用水需求，可用耕地灌溉率、城市缺水率、生态环境用水率等表征。

1.2指标体系构建

1.2.1指标选取的原则所选指标应该意义明确，具有代表性，构建的指标体系能够较全面地反映水利工程群应对干旱能力的水平;评价指标之间相对独立，不重复选取同一类的关系密切的指标;评价指标可以量化，并易于获取，便于评价和分析。

1.2.2指标体系基于水利工程群应对干旱能力的影响因素分析，遵循一定的指导原则，从水利工程规模、布局和工程运行管理两个层面，构建包含12个指标的具有一定层次结构的评价指标体系(表2)。(1)单位供水面积上的供水能力:供水面积指水利工程供水受益区，包括灌区、城镇等，当供水对象不明确或受资料限制，可用评价单元面积代替。工程供水能力包括蓄水工程、引水工程、取水泵站、配套机电井以及流域外调水工程的总的供水能力。(2)水库调蓄率:以水库为代表的蓄水工程是一类具有较强调节能力的水利工程。水库的设计库容越大，对天然径流的调蓄能力越强，其所具有的潜在的应对干旱的能力也越强。(3)单位面积兴利库容:相对总库容，兴利库容与水库供水能力直接相关，能直接反映水库供水能力的大小。(4)单位灌溉面积机电井数目:相对于地表水，地下水的变异性小，且受气候变化的直接影响小，供水稳定性要好。尤其在井灌区或井渠双灌类型的灌区应对干旱能力突出。(5)乡村供水安全保障率:农村传统的小型、分散、简陋的供水设施保证率低，导致乡村地区干旱期缺水风险较大，人畜饮水困难。集中式供水工程不仅能较好地保证供水水质，而且一般具有较大的供水保证率。(6)水资源开发利用率:可在一定程度上反映一个地区的水资源条件和工程能力的相对匹配性。水资源开发利用率越大，表明工程对水资源的控制能力越强。(7)可调节水资源量的供水率:在某一区域的供水工程中，蓄水、地下水、外调水等供水水源的供水比例越大，其供水稳定性越高，应对干旱能力就越强。超采的地下水会造成生态环境的破坏，不列入稳定供水水源。(8)耕地灌溉率与旱涝保收率:农业用水在供水优先级中低于城市生活和工业供水的保证程度，对于旱作物为主的缺水地区，灌溉设计保证率一般只有50%～75%，而城市供水设计保证率可达到95%以上。所以，选取耕地灌溉率与旱涝保收率可以表征水利工程群应对农业干旱的能力。(9)灌溉水利用系数:反映农业灌溉管理水平，并间接反映配套工程体系的完备性。由于农业灌溉用水占整个用水量的比例较大，灌溉水利用系数的提高，可在较大程度上减少灌溉总水量。(10)城市缺水率:反映供水系统对城市工业和生活供水的保证程度，缺水率越大，应对能力越差。(11)生态环境用水率:国民经济用水挤占生态环境用水的现象一直比较突出，在干旱期生态环境用水的基本保证程度也能从侧面反映水利工程应对干旱的能力。如果一个地区生态环境用水长期稳定在一定的比例，间接反映出该地区的水利工程群具有较强的可靠性。

1.3评价标准目前，国内外对水利工程群应对干旱能力评价尚没有一个统一的标准体系或划分先例，本文根据综合评价的情况和实际应用的需要，将评价等级分为4级，即1级(弱)、2级(较弱)、3级(较强)、4级(强)。表3中给出的12项指标的4级评价等级标准值，尽量与国家颁布的标准或当前文献中已经采用的衡量标准相一致，如城市缺水率指标的等级标准参考文献［10］，灌溉水利用系数指标的等级标准参考文献［11］，耕地灌溉率和旱涝保收率指标的等级标准参考了文献［9］。对于缺乏参考标准的评价指标，则在参照全国各省市平均水平的基础上，以珔X、珔X±0.5S作为三个分点值初步得到4个分级区间，其中珔X为某项指标的平均值，S为标准差，然后再咨询专家意见对部分指标的等级标准进行修正。

2综合评价模型

2.1模糊综合评价基本方法采用模糊综合评价对水利工程群应对干旱能力进行评价。模糊综合评价基于模糊数学的概念和方法，应用模糊关系合成原理，根据评价对象在类属上的亦此亦彼性，从数量上对其所属进行描述。该方法广泛应用于具有模糊性的各类综合评价中。水利工程应对干旱的能力的大小本身没有明显的界限，符合模糊特性。模糊综合评价方法的主要步骤如下。

2.2模糊关系矩阵确定确定模数关系矩阵的核心是合理构造隶属函数。本文采用4级评价标准，评价等级以区间形式给出的，某评价因素对评价等级的隶属关系可根据各评价因素的实际值对照评价分级表来分析推求。由于存在“等级之间数值相差不大，而评价等级相差一级的跳跃现象”，为了消除这种不合理现象，使隶属函数在各级之间实现平滑过渡，将其按文献［12］提出的方法进行模糊化处理。对于4级评价等级V={v1，v2，v3，v4}，可构造如下隶属度函数。

2.3权重向量的确定目前模糊综合评价的难点之一是如何科学、合理地将一个多指标问题综合成一个单指标形式进行客观评价［13］，这便涉及到各项评价指标之间的权重分配问题。层次分析法和熵值法是两种目前被广泛应用的确定权重的方法。两种方法分别是主观赋权和客观赋权的典型方法，各有优劣。本文结合两种方法的特点，按下式计算评价指标的组合权重。

3应用实例

3.1研究区概况漳卫河流域位于海河流域南部，地理坐标为112.44°～115.34°E，35.01°～37.62°N，属于南运河水系的一部分，流域面积约3.53万km2。流域多年平均地表水资源量31.4亿m3，不重复地下水资源量15亿m3，水资源总量46.4亿m3。根据2007－2011年海河流域水资源公报对分区供(用)水量的统计资料，目前，漳卫河流域每年总供(用)水量40.69亿m3，其中本地地表水11.71亿m3，地下水26.23亿m3，从黄河流域调水2.37亿m3，地下水供水量占总供水的64.5%，是供水的主体，但超采现象非常严重。目前山区已建的大中型水库蓄水容积己达35.16亿m3，占地表径流量的130%，理论上可调控所有地表径流。流域内建成漳南灌区、红旗渠灌区、跃进渠灌区、跃峰灌区、人民胜利渠灌区、武嘉灌区等六大20khm2以上灌区，其中平原灌区采用井渠双灌模式灌溉。搜集河南省、河北省、山西省的水利统计年鉴、水资源公报，研究流域所包含的各行政区的水利统计年报、各市水资源公报，河南省、河北省、山西省的水资源综合规划、流域水资源综合规划、抗旱规划等，获取相关评价指标的数据(受篇幅限制，表略)。其中，单位供水面积供水能力、水库调蓄率、单位面积兴利库容、单位灌溉面积机电井数目等反映水利工程布局性的指标统一用2010年的资料，其他反映工程运行管理水平的指标，因为各年际之间实际会有些变化，采用近5年的平均值。

3.2确定组合权重由层次分析法可得各评价指标的主观权重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)，由熵值法获得权重向量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)计算得到组合权重向量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建立评价模型根据各评价单元各项指标的数据资料，按照式(4)～(7)计算各指标相对隶属度，建立模糊关系矩阵。按照最大隶属度原则，漳卫河山区长治的水利工程应对干旱能力等级为“2级(较弱)”。同理，可得到其他评价单元的综合评价结果(表4)。在流域的13个评价单元中，有2个单元评价结果为“弱”，有4个单元评价结果为“较弱”，其余7个单元评价结果均为“较强”。从单要素指标隶属度看，在综合应对干旱能力“较强”的7个评价单元中，漳卫河山区安阳、山区新乡的单位面积兴利库容和旱涝保收率指标，以及漳卫河平原新乡、平原鹤壁、平原安阳、平原焦作的单位面积供水能力和旱涝保收率指标，它们的最大隶属度均对应“强”或“较强”等级，这三个指标的权重较大，对综合评价结果的贡献也较大。同时，以上评价单元的乡村供水安全保障率、水资源开发利用率、可调节水资源量供水率等指标也均较大，山区评价单元和平原评价单元则分别在水库调蓄率和单位灌溉面积机电井数目指标上占优势。漳卫河山区焦作的旱涝保收率指标隶属于“强”的等级，城市缺水率指标隶属于“较强”的等级，这两个指标对综合评价结果起到关键作用。对于漳卫河山区晋中、长治、晋城三个评价单元，除了水库调蓄率、乡村供水安全保证率、水资源开发利用率等指标最大隶属度对应较高评价等级以外，其它指标最大隶属度均对应“弱”或“较弱”等级，因此综合应对干旱能力为“弱”。依据表4，可绘制漳卫河流域水利工程群应对干旱能力的空间对比图，如图1所示。按照同样的方法，也可对漳卫河整个流域的水利工程群应对干旱能力进行综合评价，评价结果表明，漳卫河流域整体工程应对干旱的能力的等级为“较弱”。进一步地，对漳卫河流域模糊关系矩阵进行剖析。从各指标对4个评价等级的隶属度值可以看出，单位供水面积供水能力、单位面积兴利库容2个指标隶属于“弱”的等级;单位灌溉面积机电井数目、耕地灌溉率、旱涝保收率、灌溉水利用系数、城市缺水率、生态环境用水率等6个指标属于“较弱”的等级;水库调蓄率、乡村供水保障率、水资源开发利用率、可调节水资源量供水率等4项指标属于“较强”的等级。由此可见，漳卫河流域在水资源综合开发利用率(81.8%)已经较高、水库调蓄率(57.5%)较大、水利工程调节能力较强的情况下，其单位面积上的供水能力依然不足，城市缺水较严重等，因此，本地水资源的开发潜力已经接近极限，未来需要加强对现有水利工程体系的科学调度管理，以期挖掘提升现有工程体系应对干旱的能力。南水北调工程是从根本上解决漳卫河流域水资源短缺问题的必然选择，应切实保证调水工程按规划准时完成，通过增加受水区的可供水量提高干旱应对能力。

4结论

初步构建水利工程群应对干旱能力评价指标体系，该指标体系能较全面地反映影响水利工程应对干旱能力的因素以及应对干旱能力的效果。综合主观赋权和客观赋权方法的优点计算各指标权重，既反映了专家对评价指标的偏好，又可反映出系统信息中评价指标的效用大小。基于模糊综合评价方法建立水利工程群应对干旱能力评价模型，并以漳卫河流域为例进行了实例研究。在13个评价单元中，有7个评价单元应对干旱能力属于“强”或“较强”等级，其余6个单元为“弱”或“较弱”等级，漳卫河流域整体应对干旱能力较弱。在流域水资源综合开发利用水平已经很高的情况下，未来需要加强对现有水利工程体系的科学调度管理，并充分利用流域外调水来提高流域干旱应对能力。整个评价过程思路清晰，计算简便，评价结果较为合理。下一步需要在应用中修正评价指标体系，并不断完善评价标准。

作者：王刚严登华吴楠杨志勇韩冬梅刘少华单位：北京市环境保护科学研究院中国水利水电科学研究院水资源研究所中国水利水电科学研究院离退休处河北工程大学水土保持和水电学院