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

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

Abstract

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

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.

Figures/Tables 15

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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