項(xiàng) 瓊
(新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)管理局,新疆 庫(kù)爾勒 841000)
文章編號(hào):1006—2610(2015)04—0006—05
基于組合權(quán)重TOPSIS模型的區(qū)域水資源承載力綜合評(píng)價(jià)
項(xiàng) 瓊
(新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)管理局,新疆 庫(kù)爾勒 841000)
建立了包括水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)4個(gè)方面20項(xiàng)指標(biāo)的區(qū)域水資源承載力綜合評(píng)價(jià)模型;引入熵權(quán)法和層次分析法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,提高了權(quán)重確定的科學(xué)性與客觀性。以研究區(qū)內(nèi)7個(gè)縣市為研究對(duì)象,利用模型通過(guò)形成決策矩陣、確定權(quán)重、建立加權(quán)決策矩陣、計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的相對(duì)貼進(jìn)度,由此得到不同區(qū)域水資源承載力水平。結(jié)果表明:三江平原整體水資源承載力處于“中等”水平;7個(gè)縣市中,七臺(tái)河市與穆棱市水資源承載力為Ⅱ級(jí),處于“較好”水平,雞西市、鶴崗市、雙鴨山市、佳木斯市與依蘭縣處于“中等”水平,以上結(jié)果符合三江平原的實(shí)際情況。隨著區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,應(yīng)結(jié)合水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果和區(qū)域特點(diǎn),制定科學(xué)合理的水資源規(guī)劃,以保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與水資源的供給始終處于良性狀態(tài)。
水資源承載力;逼近理想解法;綜合評(píng)價(jià);三江平原
水資源承載力是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中各種自然資源承載力的重要組成之一[1]。作為水資源安全研究中的一個(gè)重要內(nèi)容,水資源承載力評(píng)價(jià)是在對(duì)區(qū)域水資源特征、開(kāi)發(fā)利用程度及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境對(duì)水資源的需求等諸多方面分析的基礎(chǔ)上,綜合評(píng)價(jià)不同時(shí)期不同區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的滿(mǎn)足程度[2]。
區(qū)域水資源承載力的科學(xué)評(píng)價(jià)是制定本區(qū)域水資源規(guī)劃與優(yōu)化配置的基礎(chǔ)。近年來(lái)水資源承載力綜合評(píng)價(jià)已由定性評(píng)價(jià)發(fā)展到定量評(píng)價(jià),由依靠主要指標(biāo)構(gòu)建簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)體系發(fā)展到利用多指標(biāo)構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系;因子分析法[3-4]、層次分析法[5-7]、模糊綜合評(píng)判法[8-10]及灰色關(guān)聯(lián)度法等[11]方法先后被應(yīng)用到區(qū)域水資源承載力水平綜合評(píng)價(jià)中。以上方法雖有一定指導(dǎo)意義,但因子分析法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中信息發(fā)生丟失、特征提取性下降,因子方差貢獻(xiàn)率與指標(biāo)實(shí)際應(yīng)取權(quán)重值差別較大;層次分析法是在建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣基礎(chǔ)上求特征值來(lái)確定各評(píng)價(jià)因子及指標(biāo)重要性權(quán)重,判斷矩陣主要受評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的支配,評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的客觀性較難量化判斷;模糊綜合評(píng)判法對(duì)于比較復(fù)雜的水資源承載力評(píng)價(jià)系統(tǒng),需要構(gòu)造復(fù)雜的評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù);灰色關(guān)聯(lián)度法是以指標(biāo)間相互關(guān)聯(lián)比對(duì)結(jié)果為基礎(chǔ)的客觀性評(píng)價(jià),但不能很好地反映人類(lèi)行為與客觀環(huán)境間相互作用。逼近理想解法(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)是近年來(lái)提出的求解多屬性決策問(wèn)題的一種新方法,又稱(chēng)為優(yōu)劣解距離法。其原理是根據(jù)有限個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想化目標(biāo)接近程度進(jìn)行排序,在現(xiàn)有的評(píng)價(jià)對(duì)象中進(jìn)行相對(duì)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)[12]。崔振才等[13]應(yīng)用TOPSIS評(píng)價(jià)了區(qū)域水資源承載能力;方崇等[14]提出了基于信息熵的灌區(qū)旱情T(mén)OPSIS綜合評(píng)價(jià)方法,建立了干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)關(guān)中地區(qū)旱情進(jìn)行評(píng)價(jià);趙萌[15]等證明了相對(duì)熵的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性;王紹玉[16]等證實(shí)了相對(duì)熵在TOPSIS中的可操作性。
本文根據(jù)文獻(xiàn)[17]數(shù)據(jù)資料,擬通過(guò)TOPSIS法構(gòu)建區(qū)域水資源承載力綜合評(píng)價(jià)模型,利用評(píng)價(jià)對(duì)象與正、負(fù)理想方案的相對(duì)熵求出與理想方案的貼近度,為研究區(qū)水資源承載力水平評(píng)價(jià)提供參考。
1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)及等級(jí)劃分
根據(jù)文獻(xiàn)[17]數(shù)據(jù)資料,研究區(qū)水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括:水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)4個(gè)層次的內(nèi)容。其中水資源系統(tǒng)包括單位面積水資源量、水資源開(kāi)發(fā)利用率、水資源可利用率與供水模數(shù)4項(xiàng)指標(biāo);社會(huì)系統(tǒng)包括人口密度、人口自然增長(zhǎng)率、城鎮(zhèn)化率、城鎮(zhèn)人均生活用水量、農(nóng)村人均生活用水量與人均水資源占有量;經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)包括人均GDP產(chǎn)值、GDP增長(zhǎng)率、第一產(chǎn)業(yè)占GDP比例、單位耗水生產(chǎn)GDP值、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、耕地灌溉率、單位面積灌溉用水量及單位耗水糧食產(chǎn)量8項(xiàng)指標(biāo);生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)包括森林覆蓋率與生態(tài)環(huán)境用水率2項(xiàng)指標(biāo)。
根據(jù)水資源承載能力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的壓力角度將水資源承載力劃分為5個(gè)等級(jí),其中:Ⅰ級(jí)表示水資源承載力極高,水資源開(kāi)發(fā)利用初具規(guī)模,開(kāi)發(fā)利用潛力較大;Ⅲ級(jí)表示水資源承載力中等,水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)處于平衡發(fā)展的狀態(tài);V級(jí)表示水資源承載力極低,水資源承載力已接近飽和,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用的潛力較小。Ⅱ級(jí)和Ⅳ級(jí)屬于過(guò)渡級(jí)別,其水資源承載力情況分別介于上述Ⅰ級(jí)與Ⅲ級(jí)、Ⅲ級(jí)與Ⅴ級(jí)之間。各指標(biāo)具體含義及承載力等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)值可參看文獻(xiàn)[17]。
由此,選取影響研究區(qū)水資源承載力的4個(gè)方面20個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
1.2 指標(biāo)權(quán)重
權(quán)重是評(píng)價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)因素的狀態(tài)特征在評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的重要程度,也是管理決策者對(duì)其重視程度。因此權(quán)重的確定非常重要,它的合理、正確與否關(guān)系到最終的評(píng)判結(jié)果的準(zhǔn)確性。權(quán)重的確定方法主要有2類(lèi):一是主觀賦權(quán)法,即指標(biāo)權(quán)重由相關(guān)專(zhuān)家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)判斷得到,這樣雖然能比較充分地反映專(zhuān)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),給出評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際意義上的重要性系數(shù),但容易因個(gè)人的主觀因素而造成偏差,如層次分析法(analytic hierarchy process,AHP),能將復(fù)雜問(wèn)題層次化,將定性問(wèn)題定量化,但決策結(jié)果具有較強(qiáng)的主觀隨意性。二是客觀賦權(quán)法,即根據(jù)原始數(shù)據(jù)之間的關(guān)系來(lái)確定權(quán)重,具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論依據(jù),如熵權(quán)法,是依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)所包含的信息量的大小確定指標(biāo)權(quán)重,但熵權(quán)法不能給出評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際意義上的重要性程度,只能反映評(píng)價(jià)指標(biāo)為決策所提供的有效信息量的多少。因此,將主觀權(quán)重和客觀權(quán)重結(jié)合起來(lái),形成綜合權(quán)重更有利于真實(shí)反應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。
1.2.1 墑權(quán)法
熵權(quán)法的基本思想是根據(jù)各數(shù)據(jù)序列本身對(duì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)產(chǎn)生影響的變異來(lái)量化指標(biāo)變化引起的綜合效應(yīng),變異性大的指標(biāo)一般帶來(lái)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果更大的影響。
將多目標(biāo)決策矩陣X=(xij)m×n歸一化,形成新的判斷矩陣B=(bij)m×n。
(1)
式中:i為評(píng)價(jià)方案(對(duì)象);j為評(píng)價(jià)指標(biāo);xmax、xmin分別為第j個(gè)指標(biāo)在各個(gè)評(píng)價(jià)方案中最大、最小值;m為評(píng)價(jià)對(duì)象個(gè)數(shù);n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。
定義第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值,則有:
(2)
(3)
則第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)βj,得客觀權(quán)重向量β=(β1,β2,βj,…,βn),即:

(4)
1.2.2 層次分析法
層次分析法AHP是由運(yùn)籌學(xué)家薩迪(Saaty. T.L)于1977年建立的一種非結(jié)構(gòu)決策理論,它可對(duì)復(fù)雜問(wèn)題做出準(zhǔn)確、科學(xué)決策,改變了長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)主要靠主觀判斷、缺乏邏輯思維進(jìn)行決策的狀況,特別適用于難于完全進(jìn)行定量分析的復(fù)雜問(wèn)題。運(yùn)用AHP法分析問(wèn)題時(shí),可分為建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣并賦值、層次單排序(計(jì)算權(quán)向量)與檢驗(yàn)、層次總排序與檢驗(yàn)等步驟,評(píng)價(jià)過(guò)程能很好地與人的思維過(guò)程相擬合,目前廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域。
本文選擇AHP法和熵權(quán)法2種方法對(duì)決策指標(biāo)進(jìn)行組合賦權(quán),確定指標(biāo)權(quán)重。
(5)
式中:αj和βj分別為利用AHP法和熵權(quán)法確定的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。
TOPSIS法是根據(jù)有限個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想化目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序的方法。其基本原理是通過(guò)檢測(cè)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)解、最劣解的距離來(lái)進(jìn)行排序,若評(píng)價(jià)對(duì)象最靠近最優(yōu)解同時(shí)又最遠(yuǎn)離最劣解,則為最好,否則為最差;正、負(fù)理想解分別是設(shè)想的最優(yōu)解(方案)、最劣解(方案)。
2.1 形成決策矩陣
將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為K級(jí),設(shè)多指標(biāo)決策問(wèn)題的方案集(方案集包括K-1個(gè)指標(biāo)分級(jí)臨界值)為M=(M1,M2,…,Mm,MJ1,MJ2,…,MJk-1),指標(biāo)集為C=(C1,C2,…,Cn),Jk-1是方案集指標(biāo)分級(jí)臨界值序號(hào),方案Mi對(duì)指標(biāo)Cj的值為zij,形成多目標(biāo)決策矩陣Z=(zij)m×n。
(6)
為消除評(píng)價(jià)指標(biāo)具有不同量綱對(duì)方案決策帶來(lái)的影響,需要對(duì)形成的決策矩陣進(jìn)行無(wú)量綱化處理,構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣V=(vij)m×n。

(7)
式中:vij為第i個(gè)方案的第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。將無(wú)量綱化矩陣與指標(biāo)權(quán)重相乘,得加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣R=(rij)m×n;wj為每個(gè)指標(biāo)組合權(quán)重,由式(5)確定。
rij=wj·vij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)
(8)
2.2 計(jì)算理想解和負(fù)理想解

(9)
(10)
以公式(8)、(9)分別表示效益型指標(biāo)(越大越優(yōu))和成本型指標(biāo)(越小越優(yōu))的正負(fù)理想解。
2.3 各方案與理想解的相對(duì)貼近程度及方案決策
(11)
(12)
根據(jù)εi值的大小對(duì)方案Mi排序,εi越大則方案Mi越接近理想解,即方案越優(yōu),反之,方案越差。
根據(jù)文獻(xiàn)[17]中的相關(guān)數(shù)據(jù)資料,對(duì)研究區(qū)水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
3.1 根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象確定決策矩陣
將三江平原及7個(gè)縣市的20個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與4個(gè)分級(jí)臨界標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)建決策矩陣Z,由式(7)進(jìn)行無(wú)量綱化處理,得標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣V,詳見(jiàn)表1。
3.2 確定指標(biāo)權(quán)重
水資源承載力綜合評(píng)價(jià)中各指標(biāo)作用不同,影響程度有一定差異。通過(guò)AHP法[18]計(jì)算指標(biāo)主觀權(quán)重:
α=(0.0415,0.0576,0.0506,0.0718,0.0640,0.0645,0.0420,0.0144,0.0222,0.0424,0.0754,0.0420,0.0611,0.0458,0.0697,0.0600,0.0182,0.0576,0.0502,0.0488);
由熵值法中式(1)~(4)計(jì)算出指標(biāo)客觀權(quán)重向量:
β=(0.0461,0.0542,0.0522,0.0604,0.0432,0.0512,0.0469,0.0470,0.0476,0.0478,0.0424,0.0414,0.0558,0.0620,0.0462,0.0600,0.0551,0.0450,0.0445,0.0511);
由式(5)計(jì)算組合權(quán):
w=(0.0381,0.0623,0.0527,0.0865,0.0552,0.0659,0.0393,0.0135,0.0211,0.0405,0.0637,0.0347,0.0680,0.0566,0.0642,0.0718,0.0200,0.0517,0.0445,0.0498)。
3.3 加權(quán)決策矩陣
根據(jù)式(8)處理得到加權(quán)決策矩陣X,詳見(jiàn)表2。

表2 三江平原水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)決策矩陣表
3.4 理想解的相對(duì)貼進(jìn)度計(jì)算
本研究涉及的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)有效益型指標(biāo)(越大越優(yōu))和成本型指標(biāo)(越小越優(yōu)),根據(jù)指標(biāo)實(shí)際情況,分別選擇式(9)或式(10)計(jì)算得到正、負(fù)理想解;由式(11)、(12)計(jì)算各評(píng)價(jià)方案與正、負(fù)理想解的相對(duì)熵值S+、S-及相對(duì)貼近度εi。
S+=(0.0249,0.0022,0.0201,0.0027,0.0034,0.0008,0.0041,0.0025,0.0044,0.0199,0.0020,0.0032,0.0026,0.0336,0.0012,0.0043,0.0038,0.0339,0.0228,0.0018);
S-=(0.0056,0.0321,0.0026,0.0409,0.0409,0.0436,0.0166,0.0079,0.0097,0.0025,0.0518,0.0166,0.0273,0.0022,0.0570,0.0338,0.0084,0.0022,0.0031,0.0390);
εi=(0.5181,0.7335,0.7154,0.5655,0.8313,0.9301,0.7139,0.6173,0.9653, 0.7940,0.3104,0.0063)。
根據(jù)各分區(qū)水資源承載力貼近度計(jì)算值及承載力等級(jí)臨界值,計(jì)算得各分區(qū)水資源承載力等級(jí)(詳見(jiàn)表3與表4)。

表3 水資源承載力等級(jí)臨界值表

表4 三江平原分區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)表
計(jì)算結(jié)果表明,0.9653、0.794、0.310 4與0.006 3構(gòu)成最終各方案相對(duì)貼近度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這一分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),三江平原整體水資源承載力處于Ⅲ級(jí),區(qū)域內(nèi)的雙鴨山市、七臺(tái)河市與穆棱市水資源承載力處于Ⅱ級(jí),水資源承載力較強(qiáng);雞西市、鶴崗市、佳木斯市和依蘭縣水資源承載力處于Ⅲ級(jí),水資源承載力中等,水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)處于平衡發(fā)展的狀態(tài)。
3.5 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比
為檢驗(yàn)本文所建模型的準(zhǔn)確性,通過(guò)與文獻(xiàn)[17]結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)論完全一致(見(jiàn)表5),這驗(yàn)證了本模型的準(zhǔn)確性。與此同時(shí),文獻(xiàn)[17]采用粒子群優(yōu)化投影尋蹤法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水資源承載力計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果客觀性較強(qiáng),而本文是基于組合權(quán)重(主、客觀權(quán)重)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合賦權(quán),因此本文所建模型計(jì)算結(jié)果更加可靠與科學(xué)。

表5 模型評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比表
(1) 本文構(gòu)建了基于TOPSIS法的水資源承載力綜合評(píng)價(jià)模型;對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)引入熵權(quán)法與AHP法計(jì)算組合賦權(quán),評(píng)價(jià)模型計(jì)算方法簡(jiǎn)單,適用于多指標(biāo)、多單元的大體系水資源承載力評(píng)價(jià)。
(2) 評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于三江平原水資源承載力綜合評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。七臺(tái)河市與穆棱市水資源承載力為Ⅱ級(jí),水資源承載力有一定的富余;雞西市,鶴崗市,雙鴨山市,佳木斯市,依蘭縣與三江平原水資源承載力均為Ⅲ級(jí),水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)處于平衡發(fā)展的狀態(tài)。
(3) 應(yīng)用組合權(quán)重TOPSIS法所得水資源承載力計(jì)算結(jié)果與粒子群優(yōu)化投影尋蹤模型分析的結(jié)果完全一致,這不僅實(shí)現(xiàn)了方法對(duì)方法的檢驗(yàn),驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性,也從側(cè)面說(shuō)明了本文構(gòu)建模型在區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)中的可行性。
(4) 本文研究了黃水溝近60 a的徑流變化特征,由于氣候變化對(duì)徑流量的影響存在著不確定性,因此還需要加強(qiáng)未來(lái)氣候變化下的徑流量預(yù)測(cè)及不確定性研究。
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The General Assessment on Bearing Capacity of Regional Water Resources Based on TOPPSIS Model of Combined Weight
XIANG Qiong
(Xinir Reservoir Administration of Xinjiang Tarim River Catchment, Kurle, Xinjiang 841000,China)
Models for the general assessment of the bearing capacity of the regional water resources in terms of water resources system, social system, economic system and ecological-environmental system with 20 indicators are built. The weight of each assessment indicator is calculated by application of the entropy method and the analytic hierarchy process (AHP) method. This improves the science and objectivity of the weight determination. Totally 7 cities and counties are taken as the study objects. Through the models and by establishment of decision-making matrix, weight determination, establishment of weight decision-making matrix, and calculation of the relative similarity degree between assessment objects and ideal solution, the bearing capacity of water resources in different region is derived accordingly. The study shows that the bearing capacity of the whole water resources of the Heilong River-Wusuli River- Songhua River plain is at the medium level. In the 7 cities and counties, the bearing capacity of the water resources of Qitaihe City and Muleng City is at Class II, belonging to the better level. That of Jixi City, Hegang City, Shuangyashan City, Jimusi City and Yilan Country is at the medium level. The study results are in compliance with the actual conditions of the Heilong River-Wusuli River-Songhua River plain. With development of the regional social economy, the scientific and reasonable plan of water resources shall be made out in combination of the assessment results of the bearing capacity of water resources and the regional characteristics to secure the social-economic development and the water-resources supply to stay all the time at good condition. Key words: bearing capacity of water resources; similarity to ideal solution; general assessment; Heilong River-Wusuli River- Songhua River plain
2014-12-28
項(xiàng)瓊(1967- ),女,新疆庫(kù)爾勒市人,工程師,主要從事水利工程建設(shè)管理工作.
新疆水文學(xué)及水資源重點(diǎn)學(xué)科資助(XJSWSZYZDXK20101202).
TV213
A
10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.002