设施农业雨水集蓄利用方案综合评价方法研究

doi:10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2023-0252

农学学报 ›› 2024, Vol. 14 ›› Issue (6): 72-82.doi: 10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2023-0252

• 农业工程农业机械生物技术食品科学 • 上一篇下一篇

设施农业雨水集蓄利用方案综合评价方法研究

孙叶¹(), 黄乾²^,³(), 王薇²^,³, 徐征和¹, 姜瑶²^,³, 薛雁²^,³

¹ 济南大学，济南 250022
² 山东水利科学研究院，济南 250014
³ 山东省水资源与水环境重点实验室，济南 250014

收稿日期:2023-11-13 修回日期:2024-01-08 出版日期:2024-06-19 发布日期:2024-06-19
通讯作者:
黄乾，男，1979年出生，山东潍坊人，正高级工程师，博士，主要从事节水理论与技术、水资源规划评价等方面的研究。通信地址：250014 山东省济南市历下区历山路125号山东省水利科学研究院，E-mail：Hq2000@126.com。
作者简介:
孙叶，女，2000年出生，山东五莲人，研究生，主要从事农田水利方面研究。通信地址：250014 山东省济南市历下区历山路125号山东省水利科学研究院，E-mail：15806677850@163.com。
基金资助:
水利部重大科技项目“设施农业绿色高效雨水集蓄利用新技术研究及应用”(SKS-2022052); 山东省重点研发计划项目“大型喷灌装备关键技术研发与应用”(2022CXGC2020707); 山东省重点研发计划项目“黄河流域多尺度水网构建与生态修复技术研究与应用示范”(2023CXGC010905)

Comprehensive Evaluation Methodology for Rainwater Harvesting and Utilization Programs in Facility Agriculture

SUN Ye¹(), HUANG Qian²^,³(), WANG Wei²^,³, XU Zhenghe¹, JIANG Yao²^,³, XUE Yan²^,³

¹ University of Jinan, Jinan 250022, Shandong, China
² Water Resources Research Institute of Shandong Province, Jinan 250014, Shandong, China
³ Shandong Province Key Laboratory of Water Resources and Environment, Jinan 250014, Shandong, China

Received:2023-11-13 Revised:2024-01-08 Online:2024-06-19 Published:2024-06-19

摘要/Abstract

摘要：

本研究为设施农业雨水高效集蓄利用方案设计提供理论依据，也为其他高效节水农业评价和筛选提供参考。综合考虑经济成本、技术性能、运行管理和环境影响等四方面因素，构建设施农业雨水集蓄利用方案的评价指标体系；采用改进的秩相关分析和AHP模糊综合评价(Reelies-AHP-FSE)模型，结合专家评分和序列关系法对设施农业雨水高效集蓄利用影响因子进行定量分析；通过模糊综合评价进行雨水传输系统、蓄水系统两种系统方案的打分，比选研究区设施农业雨水集蓄利用最优方案。结果表明：矩形混凝土沟+整坡处理的模糊综合指标值为3.922，为雨水传输过程技术中的优选方案；管道式蓄水结构的模糊综合评价值为4.003，为雨水蓄水方案中的最优选项。该评价方法从地形适应、蓄水效果、水质维护等方面进行了材料和形式优选，对于推广设施农业雨水集蓄利用具有借鉴意义。

Abstract:

This study provides a theoretical basis for the design of efficient rainwater collection and utilization systems in facility agriculture, and it also serves as a reference for evaluating and selecting other efficient water-saving agricultural practices. By considering economic costs, technical performance, operational management, and environmental impacts, an evaluation index system for rainwater collection and utilization in facility agriculture was constructed. An improved rank correlation analysis and Analytic Hierarchy Process (Reelies-AHP-FSE) model were employed to analyze the influencing factors of efficient rainwater collection and utilization in facility agriculture. Expert ratings and sequential relationship methods were incorporated in the analysis. Fuzzy comprehensive evaluation was used to score different design options for rainwater transmission and storage systems, and the optimal solution for rainwater collection and utilization in the research area was selected. The results showed that the fuzzy comprehensive index value for the rectangular concrete channel with slope treatment was 3.922, indicating it as the preferred option for rainwater transmission. The fuzzy comprehensive evaluation value for the pipeline storage structure was 4.003, making it the optimal choice for rainwater storage. This evaluation method optimized the material and form selection based on factors such as terrain adaptability, water storage efficiency, and water quality maintenance, providing valuable insights for promoting the utilization of rainwater collection in facility agriculture.

Key words: improved rank correlation analysis, AHP fuzzy comprehensive evaluation, rainwater storage system, rainwater conveyance system, evaluation index system

孙叶, 黄乾, 王薇, 徐征和, 姜瑶, 薛雁. 设施农业雨水集蓄利用方案综合评价方法研究[J]. 农学学报, 2024, 14(6): 72-82.

SUN Ye, HUANG Qian, WANG Wei, XU Zhenghe, JIANG Yao, XUE Yan. Comprehensive Evaluation Methodology for Rainwater Harvesting and Utilization Programs in Facility Agriculture[J]. Journal of Agriculture, 2024, 14(6): 72-82.

图/表 15

参考文献 30

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技术类型	设计方案	编号	技术特点	应用现状
雨水传输系统	整坡处理+矩形混凝土沟	A₁	优点：价格低廉，建造简单，村民接受程度高。	示范工程
	整坡处理+矩形混凝土沟	A₁	缺点：传输过程中雨水易污染，且存在雨水的蒸发损失。	示范工程
	三维植被网+塑料盲沟管+	A₂	优点：雨水收集率高，通过二次过滤，可保证水质。	现行
	土工布防渗处理	A₂	缺点：塑料盲沟管为化工合成物，易造成二次污染。	现行
	城市储水箱体	A₃	优点：可以在传输中过滤大量雨水，保证水质。	现行
	城市储水箱体	A₃	缺点：造价高，施工周期长，完工后覆土上有自重要求。	现行
雨水蓄水系统	钢筋混凝土地下蓄水池	B₁	优点：价格低廉，抗浮能力强，形式多样。	现行
	钢筋混凝土地下蓄水池	B₁	缺点：施工周期长；完工后覆土上有自重要求。	现行
	PP蓄水模块雨水收集利用系统	B₂	优点：蓄水容积大，具有较好的抗压强度；施工周期短，安装方便，可重复使用；	现行
			拥有弃流、过滤模块，可避免水质污染。
			缺点：造价高，形状单一，抗浮能力差，易造成二次污染。
	管道式蓄水结构	B₃	优点：单位体积下贮水容积大，拥有较好的抗压强度，	现行
			施工周期短，安装方便，可重复利用^[3]。
			缺点：其形状单一，对场地有一定要求，清淤困难。

技术类型	设计方案	编号	技术特点	应用现状
雨水传输系统	整坡处理+矩形混凝土沟	A₁	优点：价格低廉，建造简单，村民接受程度高。	示范工程
	整坡处理+矩形混凝土沟	A₁	缺点：传输过程中雨水易污染，且存在雨水的蒸发损失。	示范工程
	三维植被网+塑料盲沟管+	A₂	优点：雨水收集率高，通过二次过滤，可保证水质。	现行
	土工布防渗处理	A₂	缺点：塑料盲沟管为化工合成物，易造成二次污染。	现行
	城市储水箱体	A₃	优点：可以在传输中过滤大量雨水，保证水质。	现行
	城市储水箱体	A₃	缺点：造价高，施工周期长，完工后覆土上有自重要求。	现行
雨水蓄水系统	钢筋混凝土地下蓄水池	B₁	优点：价格低廉，抗浮能力强，形式多样。	现行
	钢筋混凝土地下蓄水池	B₁	缺点：施工周期长；完工后覆土上有自重要求。	现行
	PP蓄水模块雨水收集利用系统	B₂	优点：蓄水容积大，具有较好的抗压强度；施工周期短，安装方便，可重复使用；	现行
			拥有弃流、过滤模块，可避免水质污染。
			缺点：造价高，形状单一，抗浮能力差，易造成二次污染。
	管道式蓄水结构	B₃	优点：单位体积下贮水容积大，拥有较好的抗压强度，	现行
			施工周期短，安装方便，可重复利用^[3]。
			缺点：其形状单一，对场地有一定要求，清淤困难。

目标层	一级指标	二级指标		评价指标
目标层	一级指标	二级指标		好（5分）	良好（3分）	一般（1分）
设施农业高效雨水集蓄利用系统	技术性能	完工后地面承压强度/(kg/m²)		1000以上	700~1000	400~700
		抗浮稳定性安全系数		2以上	1.5~2	1.05~1.5
		系统连续性		收集系统、蓄水系统、	收集系统、蓄水系统、	收集系统、蓄水系统、
		系统连续性		灌溉系统的配合好	灌溉系统的配合良好	灌溉系统的配合一般
		施工难度		土体扰动和施工沉降的风险小	土体扰动和施工沉降的风险较小	有土体扰动和施工沉降的风险
		贮水、淤泥清理周期		1年	6个月~3个月	小于3个月
	运行管理	雨水传输系统	杂物减少量	水中杂物去除量≥80%	水中杂物去除量≥70%	水中杂物去除量≥60%
			收集过程中雨水损失量	损失量占雨水总量的	损失量占雨水总量的	损失量占雨水总量的
			收集过程中雨水损失量	10%及以下	20%及以下	30%及以下
			运行维护管理难易程度	维护简单，自动化程度高	维护较简单，系统大多自动化	维护较难，系统部分自动化
			公众认可度	85%以上村民能够承受	50%以上村民能够承受	50%以上村民难以承受
		雨水蓄水系统	雨水资源利用率（雨水/用水总量）	75%~60%	60%~40%	40%~30%
			运行维护管理难易程度	维护简单，自动化程度高	维护较简单，系统大多自动化	维护较难，系统部分自动化
			公众认可度	85%以上村民能够接受受	50%以上村民能够接受	50%以上村民难以接受受
	环境影响	技术节水		30%~20%	20%~15%	15%~10%
		农业环境友好度		材料不易降解，无需更换	材料环保，使用寿命≥10 a	材料对环境无害，使用寿命<9 a
		技术节能		无需人工	需少量人工	部分需人工

目标层	一级指标	二级指标		评价指标
目标层	一级指标	二级指标		好（5分）	良好（3分）	一般（1分）
设施农业高效雨水集蓄利用系统	技术性能	完工后地面承压强度/(kg/m²)		1000以上	700~1000	400~700
		抗浮稳定性安全系数		2以上	1.5~2	1.05~1.5
		系统连续性		收集系统、蓄水系统、	收集系统、蓄水系统、	收集系统、蓄水系统、
		系统连续性		灌溉系统的配合好	灌溉系统的配合良好	灌溉系统的配合一般
		施工难度		土体扰动和施工沉降的风险小	土体扰动和施工沉降的风险较小	有土体扰动和施工沉降的风险
		贮水、淤泥清理周期		1年	6个月~3个月	小于3个月
	运行管理	雨水传输系统	杂物减少量	水中杂物去除量≥80%	水中杂物去除量≥70%	水中杂物去除量≥60%
			收集过程中雨水损失量	损失量占雨水总量的	损失量占雨水总量的	损失量占雨水总量的
			收集过程中雨水损失量	10%及以下	20%及以下	30%及以下
			运行维护管理难易程度	维护简单，自动化程度高	维护较简单，系统大多自动化	维护较难，系统部分自动化
			公众认可度	85%以上村民能够承受	50%以上村民能够承受	50%以上村民难以承受
		雨水蓄水系统	雨水资源利用率（雨水/用水总量）	75%~60%	60%~40%	40%~30%
			运行维护管理难易程度	维护简单，自动化程度高	维护较简单，系统大多自动化	维护较难，系统部分自动化
			公众认可度	85%以上村民能够接受受	50%以上村民能够接受	50%以上村民难以接受受
	环境影响	技术节水		30%~20%	20%~15%	15%~10%
		农业环境友好度		材料不易降解，无需更换	材料环保，使用寿命≥10 a	材料对环境无害，使用寿命<9 a
		技术节能		无需人工	需少量人工	部分需人工

X_K	赋值说明
1.0	指标V_k-1与V_k一样重要
1.2	指标V_k-1比V_k稍微重要
1.4	指标V_k-1比V_k重要一点
1.6	指标V_k-1比V_k重要一些
1.8	指标V_k-1比V_k重要很多
1.1，1.3，1.5，1.7	严重性介于中间位置

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Comprehensive Evaluation Methodology for Rainwater Harvesting and Utilization Programs in Facility Agriculture

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专家	等级相关性	X₂	X₃	W′₃	W′₂	W′₁
1	V₁>V₂>V₃	1.4	1.3	0.321	0.417	0.583
2	V₁>V₃>V₂	1.3	1.2	0.362	0.435	0.565
3	V₁>V₂>V₃	1.2	1.1	0.413	0.455	0.545
4	V₁>V₂>V₃	1.3	1.3	0.334	0.435	0.565
5	V₁>V₃>V₂	1.2	1.1	0.413	0.455	0.545
6	V₁>V₂>V₃	1.1	1.2	0.397	0.476	0.524
7	V₁>V₂>V₃	1.4	1.3	0.321	0.417	0.583
8	V₁>V₃>V₂	1.2	1.2	0.379	0.455	0.545
9	V₁>V₃>V₂	1.3	1.2	0.362	0.435	0.565
10	V₁>V₂>V₃	1.1	1.2	0.397	0.476	0.524

专家	等级相关性	X₂	X₃	X₄	X₅	W′₅	W′₄	W′₃	W′₂	W′₁
1	V₁>V₂>V₃>V₄>V₅	1.2	1.2	1.2	1.1	0.169	0.186	0.224	0.268	0.322
2	V₁>V₂>V₃>V₄>V₅	1.2	1.3	1.1	1.2	0.159	0.191	0.210	0.273	0.327
3	V₂>V₁>V₄>V₃>V₅	1.1	1.2	1.0	1.0	0.221	0.221	0.221	0.265	0.292
4	V₂>V₁>V₃>V₄>V₅	1.2	1.3	1.2	1.2	0.148	0.178	0.213	0.277	0.332
5	V₁>V₂>V₃>V₄>V₅	1.3	1.2	1.1	1.3	0.150	0.195	0.214	0.257	0.334
6	V₁>V₂>V₄>V₃>V₅	1.2	1.2	1.2	1.0	0.186	0.186	0.224	0.268	0.322
7	V₁>V₂>V₃>V₄>V₅	1.3	1.4	1.2	1.1	0.150	0.165	0.198	0.277	0.360
8	V₁>V₂>V₃>V₄>V₅	1.2	1.3	1.3	1.2	0.138	0.166	0.216	0.281	0.337
9	V₁>V₂>V₃>V₄>V₅	1.1	1.2	1.0	1.1	0.201	0.221	0.221	0.265	0.292
10	V₁>V₂>V₄>V₃>V₅	1.2	1.4	1.1	1.0	0.182	0.182	0.200	0.281	0.337

专家	等级相关性	X₂	X₃	X₄	W′₄	W′₃	W′₂	W′₁
1	V₁>V₂>V₃>V₄	1.4	1.2	1.1	0.234	0.258	0.309	0.433
2	V₁>V₃>V₂>V₄	1.2	1.1	1.2	0.244	0.292	0.322	0.386
3	V₁>V₂>V₃>V₄	1.1	1.3	1.3	0.206	0.268	0.349	0.383
4	V₁>V₂>V₃>V₄	1.3	1.2	1.1	0.242	0.266	0.319	0.415
5	V₁>V₃>V₂>V₄	1.1	1.3	1.3	0.206	0.268	0.349	0.383
6	V₁>V₃>V₂>V₄	1.2	1.1	1.5	0.195	0.292	0.322	0.386
7	V₁>V₂>V₃>V₄	1.3	1.0	1.1	0.275	0.303	0.303	0.394
8	V₁>V₂>V₃>V₄	1.5	1.1	1.2	0.222	0.267	0.293	0.440
9	V₁>V₃>V₂>V₄	1.2	1.2	1.4	0.196	0.275	0.330	0.396
10	V₁>V₂>V₃>V₄	1.4	1.0	1.2	0.245	0.294	0.294	0.412

一级指标	一级指标权重	二级指标		二级指标权重	综合权重	排名
经济成本	0.338	工程建设投资		0.405	0.137	[1，1]
		占地面积		0.325	0.11	[2，2]
		经济效益		0.27	0.091	[3，3]
技术性能	0.265	完工后地面承压强度		0.271	0.072	[5，5]
		抗浮稳定性安全系数		0.239	0.063	[7，9]
		系统连续性		0.178	0.047	[12，12]
		施工难度		0.166	0.044	[13，13]
		贮水、淤泥清理周期		0.146	0.039	[15，14]
运行管理	0.221	雨水传输系统	杂物减少量	0.328	0.072	4
			收集过程雨水损失量	0.244	0.054	9
			公众认可度	0.243	0.054	10
			维护管理难易程度	0.185	0.041	14
		雨水蓄水系统	雨水资源利用率	0.378	0.084	4
			公众认可度	0.326	0.072	6
			运行维护管理	0.296	0.065	8
			难易程度	0.296	0.065	8
环境影响	0.177	农业环境友好度		0.403	0.071	[6，7]
		技术节水		0.31	0.055	[8，10]
		技术节能		0.287	0.051	[11，11]

指标		隶属度
		A₁铺设干净塑料薄膜+整坡处理+矩形混凝土沟			A₂三维植被网+塑料盲沟管+土工布防渗处理			A₃城市储水箱体
		好	良好	一般	好	良好	一般	好	良好	一般
经济成本	工程建设投资	0.7	0.3	0	0.5	0.4	0.1	0.3	0.2	0.5
	占地面积	0.6	0.2	0.2	0.5	0.3	0.2	0.4	0.5	0.1
	经济效益	0.4	0.4	0.2	0.5	0.3	0.2	0.7	0.2	0.1
技术性能	完工后地面承压强度	0.7	0.3	0	0.6	0.3	0.1	0.4	0.4	0.2
	抗浮稳定性安全系数	0.8	0.2	0	0.6	0.2	0.2	0.5	0.4	0.1
	系统连续性	0.6	0.3	0.1	0.3	0.5	0.2	0.8	0.2	0
	施工难度	0.4	0.4	0.2	0.3	0.5	0.2	0.5	0.3	0.2
	贮水、淤泥清理周期	0.5	0.3	0.2	0.6	0.3	0.1	0.8	0.2	0
运行管理	杂物减少量	0.5	0.3	0.2	0.7	0.3	0	0.6	0.2	0.2
	收集过程雨水损失量	0.3	0.5	0.2	0.6	0.2	0.2	0.6	0.2	0.2
	公众认可度	0.7	0.3	0	0.5	0.3	0.2	0.3	0.5	0.2
	运行维护管理难度	0.5	0.3	0.2	0.4	0.4	0.2	0.6	0.2	0.2
环境影响	农业环境友好度	0.7	0.3	0	0.5	0.4	0.1	0.3	0.2	0.5
	技术节水	0.6	0.3	0.1	0.6	0.3	0.1	0.6	0.2	0.2
	技术节能	0.3	0.5	0.2	0.5	0.4	0.1	0.7	0.3	0

指标		隶属度
		B₁钢筋混凝土地下蓄水池			B₂PP蓄水模块雨水收集利用系统			B₃管道式蓄水结构
		好	良好	一般	好	良好	一般	好	良好	一般
经济成本	工程建设投资	0.5	0.1	0.4	0.5	0.4	0.1	0.6	0.4	0
	占地面积	0.6	0.3	0.1	0.6	0.4	0	0.7	0.3	0
	经济效益	0.5	0.3	0.2	0.6	0.4	0	0.6	0.3	0.1
技术性能	完工后地面承压强度	0.5	0.3	0.2	0.7	0.2	0.1	0.6	0.3	0.1
	抗浮稳定性安全系数	0.6	0.2	0.2	0.3	0.2	0.5	0.5	0.3	0.2
	系统连续性	0.7	0.3	0	0.6	0.3	0.1	0.8	0.2	0
	施工难度	0.3	0.4	0.3	0.5	0.3	0.2	0.7	0.2	0.1
	贮水、淤泥清理周期	0.5	0.3	0.2	0.7	0.2	0.1	0.4	0.4	0.2
运行管理	雨水资源利用率	0.5	0.3	0.2	0.6	0.3	0.1	0.7	0.3	0
	公众认可度	0.4	0.4	0.2	0.5	0.3	0.2	0.4	0.5	0.1
	运行维护管理难度	0.5	0.3	0.2	0.5	0.3	0.2	0.6	0.2	0.2
环境影响	农业环境友好度	0.6	0.4	0	0.1	0.2	0.7	0.5	0.3	0.2
	技术节水	0.5	0.3	0.2	0.5	0.3	0.2	0.6	0.2	0.2
	技术节能	0.3	0.4	0.3	0.7	0.2	0.1	0.5	0.4	0.1

一级指标	A₁	A₂	A₃
经济成本	3.939	3.683	3.361
技术性能	4.094	3.678	3.918
运行管理	3.650	3.864	3.693
环境影响	3.929	3.862	3.491

一级指标	B₁	B₂	B₃
经济成本	3.571	4.041	4.215
技术性能	3.690	3.679	3.956
运行管理	3.534	3.752	3.965
环境影响	3.670	3.046	3.692

技术类型	技术名称	评语集	综合值
雨水传输系统	A₁	[0.571,0.318,0.113]	3.922
	A₂	[0.520,0.338,0.143]	3.757
	A₃	[0.511,0.282,0.209]	3.610
雨水蓄水系统	B₁	[0.508,0.291,0.203]	3.616
	B₂	[0.525,0.304,0.172]	3.709
	B₃	[0.593,0.317,0.087]	4.003

[1]	李文西张月平毛伟姜义陈欣王长松张炳宁. 水稻种植适宜性评价及指标选取研究[J]. 农学学报, 2013, 3(4): 19-24.
[2]	刘宇鹏. 河北省新农村建设评价指标体系构建研究[J]. 农学学报, 2010, 0(4): 0-0.