模糊識(shí)別模型解決水資源承載能力綜合評(píng)價(jià)問題分析

李慶林

(江西省石城水文站，江西 贛州 342700)

水資源的承載力是指在某個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)預(yù)見區(qū)域內(nèi)水資源的可開發(fā)的潛力。研究承載能力主要是在可持續(xù)開發(fā)的目標(biāo)下維持如何在承載范圍內(nèi)進(jìn)行持續(xù)開發(fā)，并保證合理利用，以此保證水資源的利用效率。目前對(duì)水資源的承載力的研究與綜合性評(píng)價(jià)主要依靠的是模糊判斷法、多目標(biāo)決策區(qū)間法、投影尋蹤法、主要成分分析法等等。不同的方法尤其特有的價(jià)值，其中模糊識(shí)別模型的方式作為模糊評(píng)判法的重要技術(shù)措施，可以在復(fù)雜的資源條件中對(duì)水資源的承載力進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)，是一種較為普遍的水資源研究方式，下面就對(duì)稱進(jìn)行簡要的介紹。

1 模糊識(shí)別模型下的水資源承載能力綜合評(píng)價(jià)

1.1 承載能力的指標(biāo)體系與標(biāo)準(zhǔn)確立

針對(duì)現(xiàn)有的研究成果，針對(duì)復(fù)雜的研究對(duì)象往往進(jìn)行因素分層，利用單元選擇大量的指標(biāo)構(gòu)建一個(gè)龐大的評(píng)價(jià)體系。而在實(shí)際的操作中容易形成瓶頸，即某些數(shù)據(jù)不易獲取。所以在研究城市水資源承載力的綜合評(píng)價(jià)時(shí)，進(jìn)行了影響因素的總體劃分，一方面水資源的開發(fā)與利用是社會(huì)發(fā)展的重要保障，提高水利資源的承載的狀態(tài)作用，利用水資源的支撐系數(shù)描述;一方面經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的承載能力起到的壓力效果，是降低水資源承載能力的副作用，利用水資源的壓力系數(shù)表達(dá)。而水資源的承載能力的狀態(tài)則是二者綜合評(píng)價(jià)后的客觀反應(yīng)。所以在建立水資源評(píng)價(jià)體系的時(shí)候必須建立一個(gè)水資源承載能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后按照這個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，這樣既可考慮到全方位的影響因素，以反映各個(gè)方面的指標(biāo)。

在模糊識(shí)別的思路下，分級(jí)條件下面最大的隸屬度原則是不適用性，對(duì)于水利資源的承載能力的狀態(tài)系數(shù)、支撐系數(shù)、壓力系數(shù)而言綜合評(píng)價(jià)的特征系數(shù)越小則模型越優(yōu)化。在分析中借助正向與逆向來劃分指標(biāo)類型，這樣可以保證評(píng)價(jià)的相對(duì)準(zhǔn)確。對(duì)于正向系數(shù)而言，指標(biāo)越大則水資源的承載力也大，對(duì)于水資源的承載壓力則小，如平均水資源占有量、第三產(chǎn)業(yè)附加值比重等等。而逆向指標(biāo)則是越大其對(duì)水資源的支撐力弱，對(duì)水資源的壓力也就愈大，其承載能力狀態(tài)也就高，如GDP用水比例、生態(tài)環(huán)境用水量等等。綜合上述分析，可以從代表性指標(biāo)入手，選擇可獲得性與可比性，從定性與定量的層面來對(duì)指標(biāo)進(jìn)行單體檢驗(yàn)與整體檢驗(yàn)，由此提出一些非重要指標(biāo)，進(jìn)而形成一個(gè)綜合性的指標(biāo)表。如1、2表。

水資源支撐力的系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定是參考現(xiàn)有的研究成果分級(jí)，結(jié)合全國水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢進(jìn)行了整合與調(diào)試。以萬元GDP用水量的指標(biāo)作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。按照我國近期公布的水資源公報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，從全國的整體情況看，萬元GDP用水量看，大于1000m3的只有兩個(gè)省份，小于200m3的有13個(gè)省份和市區(qū)，其中北京、天津較低，呈現(xiàn)這樣的差異主要是因?yàn)槲覈慕?jīng)濟(jì)發(fā)展存在明顯的地區(qū)性差異，國內(nèi)發(fā)達(dá)城市的萬元GDP用水量明顯小于全國的平均水平。所以在分析該項(xiàng)指標(biāo)的時(shí)候必須考慮全國的平均水平，所以按照中間值進(jìn)行取舍，將140和60m3作為下限與上限，而將24m3作為最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)，將220m3作為最差標(biāo)準(zhǔn)線，以此形成一個(gè)水資源支撐指標(biāo)的核心參數(shù)，以此對(duì)其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，形成了下表1。

表1 水資源支撐力系數(shù)指標(biāo)

關(guān)于水資源的壓力指標(biāo)的確定，在研究成果中對(duì)我國全社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水利資源的利用進(jìn)行了調(diào)整與整合，利用人均GDP為指標(biāo)的依據(jù)，利用這個(gè)分級(jí)來聯(lián)系水資源的壓力指標(biāo)。按照我國現(xiàn)有的發(fā)展趨勢，以三步走為基礎(chǔ)，將經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平以溫飽、初步小康、中等小康、全面小康、初步富裕、中等富裕六個(gè)階段。進(jìn)而形成一個(gè)以GDP為標(biāo)準(zhǔn)的層次，然后將水資源的壓力指標(biāo)與之整合，進(jìn)而形成一個(gè)壓力系數(shù)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，如表2。

表2 水資源壓力系數(shù)指標(biāo)

2 水資源承載能力的模糊識(shí)別

綜合上面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與等級(jí)劃分，就可以利用模糊識(shí)別的理論進(jìn)行分析，其中建立模糊集、相對(duì)差異函數(shù)、相對(duì)比例函數(shù)等形成一個(gè)完整的模糊集理論，并將其用于水資源的承載力分析。假設(shè)水資源承載力識(shí)別的有n個(gè)樣本集合如:

其中j個(gè)樣本的特性被描述為m個(gè)值如下:

這樣在集合中m×n階就可形成一個(gè)特征指標(biāo)矩陣如下:

公式中xij是樣本j指標(biāo)i的基本特征值;i值為(1，2，3…，m);j值為(1，2，3，…，n)，按照這個(gè)樣本集合中 c個(gè)級(jí)別，并對(duì)其進(jìn)行辨識(shí)，則有m×c階指標(biāo)，并形成矩陣如下:

公式中yih級(jí)別h就是在j特征指標(biāo)下的參考數(shù)據(jù)。

按照指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)形成的矩陣和有待病假的典型城市的實(shí)際情況，就可形成一個(gè)水資源承載能力的可變i和，使之形成吸引域矩陣和范圍域矩陣:

按照水資源承載能力的等級(jí)c來確定上面的吸引域中的相對(duì)差異度形成一個(gè)相關(guān)與Mih的矩陣:

根據(jù)上面的公式進(jìn)行真理，將其特征值進(jìn)行區(qū)分，利用研究文獻(xiàn)中提出的相對(duì)差異函數(shù)定義計(jì)算向?qū)Φ牟町惗龋藭r(shí)判斷Mih的左右來劃分，如Xij在Mih左側(cè)，此時(shí)其相對(duì)差異函數(shù)的模型就可如下式:

當(dāng)xij在Mih點(diǎn)右側(cè)時(shí)，其相對(duì)差異函數(shù)模型如下式:

如果此時(shí)xij在范圍之外則有公式

按照上面的分析，β是非負(fù)的指數(shù)，可以將其定義為1，即差異函數(shù)模型是線性函數(shù)。公式中的數(shù)據(jù)滿足當(dāng)xij=a、xij=b時(shí)，DA(xij)h=0;當(dāng) xij=Mih 時(shí)，DA(xij)h=1;如 xij=c、xij=d時(shí)，DA(xij)h=-1。符合相對(duì)差異函數(shù)定義。根據(jù)相對(duì)隸屬度公式計(jì)算指標(biāo)對(duì)h級(jí)的相對(duì)隸屬度形成矩陣如下:

利用上述計(jì)算可以形成一個(gè)模糊評(píng)價(jià)模型:

公式中利用非歸一化的綜合對(duì)象隸屬度;優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)其值為1或者2;權(quán)重度、識(shí)別指標(biāo)、距離參數(shù)，這樣上面的公式就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)變，成為模糊識(shí)別模型。通常情況下，模型式(16)中a與p可有4種搭配:

由式模糊模型可得到非歸一化的綜合相對(duì)隸屬度矩陣:

按照四種搭配，歸一化處理得到綜合相對(duì)隸屬度矩陣:

按照模糊的概念在分級(jí)的過程中，最大的隸屬度原則將被棄用，應(yīng)用的級(jí)別將以下式為標(biāo)準(zhǔn):

按照這樣的樣本分析與級(jí)別評(píng)價(jià)，H則可以最終確定為評(píng)價(jià)等級(jí)，如果將c確定為5，則形成下表3，說明了各個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的級(jí)別變量所產(chǎn)生的取值范圍。

表3 級(jí)別判定標(biāo)準(zhǔn)范圍

3 結(jié)束語

水資源危機(jī)是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展所必須面對(duì)的問題，水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約已經(jīng)十分明顯，所以對(duì)水資源的承載能力的研究從來都沒有停止過。上述利用的是一種可變模糊識(shí)別模型，從定量與定性兩個(gè)層面對(duì)城市水資源承載力識(shí)別，利用標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建立，從而實(shí)現(xiàn)了城市水資源綜合性評(píng)價(jià)。