基于模糊積分模型的水資源配置方案綜合評(píng)價(jià)

魏光輝

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,烏魯木齊 830052)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)05—0001—04

基于模糊積分模型的水資源配置方案綜合評(píng)價(jià)

魏光輝

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,烏魯木齊 830052)

文章以天津市為例，從社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與資源效率系統(tǒng)3個(gè)方面篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)層次分析法與熵值法相結(jié)合的主客觀綜合賦權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建水資源配置方案評(píng)價(jià)體系；采用分層模糊積分模型對(duì)研究區(qū)8種水資源配置方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和排序。結(jié)果表明：利用模糊積分模型對(duì)水資源配置方案進(jìn)行評(píng)價(jià)客觀合理、準(zhǔn)確。研究結(jié)果對(duì)當(dāng)?shù)氐乃Y源配置具有一定的參考價(jià)值。

水資源配置；綜合賦權(quán)法；模糊測(cè)度；模糊積分；綜合評(píng)價(jià)

0 前 言

水資源配置方案的綜合評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)水資源有效配置和高效利用的重要途徑，也是貫徹落實(shí)國(guó)務(wù)院最嚴(yán)格水資源管理制度的重要體現(xiàn)。由于水資源配置方案涉及到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源與生態(tài)等多方面，關(guān)系到不同的利益主體。因此，為實(shí)現(xiàn)水資源配置方案的科學(xué)、客觀與合理評(píng)價(jià)，必須要從多層次、多角度進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與科學(xué)論證[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于水資源配置方案綜合評(píng)價(jià)的研究方法比較多，如模糊熵模型[1]、D-S證據(jù)理論[2]、水文-經(jīng)濟(jì)學(xué)耦合法[3-6]、模糊優(yōu)選-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7]、模糊物元法[8]與三角模糊數(shù)-灰色聚類模型[9]等。上述方法為中國(guó)水資源配置方案的科學(xué)客觀評(píng)價(jià)提供了重要理論依據(jù)，但這些方法均未能解決水資源配置中多目標(biāo)(如經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源與生態(tài)環(huán)境)之間的不可公度性和矛盾性問(wèn)題，且方案評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)存在一定的主觀性。鑒于此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，建立了基于主客觀綜合賦權(quán)法與分層模糊積分模型的方案綜合評(píng)價(jià)模型，并將其應(yīng)用到區(qū)域水資源配置方案評(píng)價(jià)中，取得了一些有價(jià)值的研究成果。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則

水資源配置方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，是科學(xué)評(píng)價(jià)水資源配置效果的基礎(chǔ)。影響水資源配置方案選擇的因素很多，各因素間既有相互區(qū)別、又密切聯(lián)系。構(gòu)建一個(gè)科學(xué)合理、可操作性強(qiáng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，就是要從眾多影響因素中選擇最靈敏的、便于度量且內(nèi)涵豐富的主導(dǎo)性因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。水資源配置評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇應(yīng)遵循科學(xué)性及導(dǎo)向性原則、可比性與可操作性相結(jié)合原則、相對(duì)性與絕對(duì)性、系統(tǒng)性相結(jié)合原則。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇與指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源配置方案評(píng)價(jià)指標(biāo)主要從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源效率3個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析(共計(jì)包括10項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo))。其中社會(huì)系統(tǒng)包括區(qū)域缺水率(x1，%)、工業(yè)缺水率(x2，%)和農(nóng)業(yè)缺水率(x3，%)3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)包括單方水工業(yè)產(chǎn)出(x4，元/m3)、工業(yè)增加值增長(zhǎng)率(x5，%)與水利工程投資(x6，億元)這3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)；資源效率系統(tǒng)包括污水回用量(x7，億m3)、工業(yè)用水重復(fù)利用率(x8，%)、農(nóng)業(yè)用水有效利用率(x9，%)與城市供水管網(wǎng)漏失率(x10，%)這4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的重要性，構(gòu)建天津市水資源配置綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見表1)。

表1 水資源配置方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系表

2 水資源配置方案評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值確定

2.1 層次分析法

2.1.1 層次分析法步驟

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP法)是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。其賦權(quán)步驟主要包括構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗(yàn)、層次總排序及一致性檢驗(yàn)[10-12]。

2.1.2 權(quán)重計(jì)算結(jié)果

準(zhǔn)則層：包含社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和資源效率系統(tǒng)這3項(xiàng)指標(biāo)，指標(biāo)權(quán)重分別為0.428、0.267、0.305。

社會(huì)系統(tǒng)指標(biāo)包含區(qū)域缺水率x1、工業(yè)缺水率x2和農(nóng)業(yè)缺水率x3三項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)權(quán)重分別為0.435、0.343、0.222。

經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)指標(biāo)包含單方水工業(yè)產(chǎn)出x4、工業(yè)增加值增長(zhǎng)率x5與水利工程投資x6三項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)權(quán)重分別為0.403、0.271、0.326。

資源效率系統(tǒng)指標(biāo)：污水回用量x7、工業(yè)用水重復(fù)利用率x8、農(nóng)業(yè)用水有效利用率x9與城市供水管網(wǎng)漏失率x10四項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)權(quán)重分別為0.311、0.265、0.223、0.201。

2.2 熵值法

熵值法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的步驟大致分為如下4步[13-15]。

(1) 假定評(píng)價(jià)方案有m個(gè)，每個(gè)評(píng)價(jià)方案有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣：

R=(xij)m×ni=1,2,…,n；j=1,2,…,m

(1)

(2) 將評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行歸一化處理，得歸一化評(píng)價(jià)矩陣bij：

(2)

式中：當(dāng)xi為正向指標(biāo)(越大越優(yōu)型指標(biāo))時(shí)，xmax、xmin分別為該評(píng)價(jià)指標(biāo)下不同方案中的最優(yōu)值(最大值)和最劣值(最小值)；當(dāng)xi為負(fù)向指標(biāo)(越小越優(yōu)型指標(biāo))時(shí)，xmax、xmin分別為該評(píng)價(jià)指標(biāo)下不同方案中的最優(yōu)值(最小值)和最劣值(最大值)。

(3) 評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵：

(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)

(3)

為使lnfij有意義，需對(duì)fij進(jìn)行修正，修正結(jié)果如下：

(4)

(4) 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)W：

(5)

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)值的確定

設(shè)用主觀賦權(quán)法(層次分析法)求得的權(quán)向量為α=(α1，α2，…，αm)T，用客觀賦權(quán)法(熵值法)求得的權(quán)向量為β=(β1，β2，…，βm)T，設(shè)對(duì)主觀權(quán)向量的偏好程度為μ，則客觀權(quán)向量的偏好程度為(1-μ)，指標(biāo)綜合權(quán)重計(jì)算公式如下：

W=[μα1+(1-μ)β1,μα2+(1-μ)β2,…,μαm+(1-μ)βm]T

(6)

設(shè)主客觀權(quán)重的偏好程度相同，即取μ=0.5，由式(6)即可求得各評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重。

3 基于分層模糊積分模型的水資源配置方案綜合評(píng)價(jià)

水資源配置方案評(píng)價(jià)涉及的指標(biāo)因素較多，且各因素之間的主次關(guān)系也有所不同。根據(jù)文獻(xiàn)[16]數(shù)據(jù)資料，本文采用分層模糊積分模型來(lái)對(duì)天津市水資源配置方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

研究區(qū)水資源配置方案集合見表2[16]。

表2 天津市水資源配置各方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)值表

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度計(jì)算

表1中的各水資源配置方案評(píng)價(jià)指標(biāo)，有的指標(biāo)是正向指標(biāo)，即指標(biāo)取值越大越好；有的指標(biāo)是負(fù)向指標(biāo)，即指標(biāo)取值越小越好。通常用隸屬度來(lái)表示某項(xiàng)指標(biāo)對(duì)某個(gè)系統(tǒng)影響的好壞程度。隸屬度計(jì)算步驟如下。

(1) 選取理想值Si：對(duì)于正向指標(biāo)，取各評(píng)價(jià)方案的最大值為理想值；對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，取各評(píng)價(jià)方案中的最小值為理想值。

(2) 計(jì)算隸屬度h(I)：當(dāng)01時(shí)，h(I)=e1-I。對(duì)于正向指標(biāo)，Ii=Si/Ci；對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，Ii=Ci/Si，其中Ci表示評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值。

8種水資源配置方案各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度h(I)見表3。

3.2 模糊測(cè)度(指標(biāo)權(quán)重)計(jì)算

根據(jù)前述的層次分析法、熵權(quán)法及式(6)，計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊測(cè)度(即綜合權(quán)重)，結(jié)果見表4。

表3 水資源配置各方案評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度表

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊測(cè)度計(jì)算表

3.3 綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算

準(zhǔn)則層與目標(biāo)層綜合評(píng)價(jià)值采用模糊積分評(píng)價(jià)模型進(jìn)行計(jì)算，模型表達(dá)式如下：

(7)

式中：h(xi)為評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度；g(·)為評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊測(cè)度。

利用式(7)計(jì)算得各方案的綜合評(píng)價(jià)值(見表5)。

表5 水資源配置方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表

根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果可得到研究區(qū)水資源配置方案優(yōu)劣排序：方案8>方案7>方案4>方案6>方案3>方案2>方案5>方案1(>表示優(yōu)于)。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，分析各方案優(yōu)劣排序的合理性，可以發(fā)現(xiàn)：方案8的多項(xiàng)指標(biāo)(除水利工程投資指標(biāo)外)均處于最優(yōu)值，綜合評(píng)價(jià)方案8為最優(yōu)方案是合理的；方案1的多項(xiàng)指標(biāo)(除水利工程投資指標(biāo)外)均處于最劣值或較劣值，綜合評(píng)價(jià)方案1為最劣方案也是合理可信的；方案2至方案7的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值均介于最優(yōu)值與最劣值之間，綜合評(píng)價(jià)方案7>方案4>方案6>方案3>方案2>方案5是合理的。

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析

為了檢驗(yàn)本文所建模型的準(zhǔn)確性，將本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[16]計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)論完全一致(見表6)，這不僅驗(yàn)證了本模型的準(zhǔn)確性，也實(shí)現(xiàn)了方法對(duì)方法的檢驗(yàn)。與此同時(shí)，文獻(xiàn)[16]采用格序理論對(duì)水資源配置評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán)，未考慮到評(píng)價(jià)指標(biāo)在研究區(qū)的適應(yīng)性問(wèn)題，而本文是基于主觀賦權(quán)法(層次分析法)與客觀賦權(quán)法(熵值法)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合賦權(quán)，既考慮了評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的客觀性，也考慮到了研究區(qū)的實(shí)際情況，因此本文所建模型計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況，是可靠與科學(xué)的。

表6 模型評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié) 論

本文從社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、資源效率系統(tǒng)3個(gè)方面構(gòu)建了包含10項(xiàng)指標(biāo)的水資源配置評(píng)價(jià)體系，并通過(guò)層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的主客觀綜合賦權(quán)法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重；采用分層模糊積分模型對(duì)研究區(qū)8種水資源配置方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和排序，得出如下結(jié)論：

(1) 采用層次分析法與熵值法對(duì)水資源配置方案評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合賦權(quán)，既考慮了評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的客觀性，也考慮到了研究區(qū)的實(shí)際情況，使得模型計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)、可靠與科學(xué)。

(2) 利用模糊積分評(píng)價(jià)模型對(duì)研究區(qū)水資源配置方案進(jìn)行優(yōu)劣排序，結(jié)果表明：方案8>方案7>方案4>方案6>方案3>方案2>方案5>方案1，研究結(jié)果對(duì)研究區(qū)的水資源配置提供了重要的參考價(jià)值。

(3) 本文計(jì)算結(jié)果(模糊積分評(píng)價(jià)模型)與文獻(xiàn)[16]計(jì)算結(jié)果完全一致，這不僅實(shí)現(xiàn)了方法對(duì)方法的檢驗(yàn)，也驗(yàn)證了本模型的準(zhǔn)確性。

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General Assessment on Strategy of Water Resources Arrangement Based on Fuzzy Integral Model

WEI Guang-hui

(College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052,China)

In the paper, with case of Tianjin, the assessment indexes are selected from three aspects of social system, economic system and resource efficiency system. The objective and subjective comprehensive weight method combined with analysis hierarchy process and entropy method is applied to assess the weight of the assessment indexes and build the assessment system of the arrangement schemes of water resources. The hierarchical fuzzy integral model is utilized to generally assess and order the eight arrangement schemes of water resources in the study zone. The study shows that it is objective, rational and accurate to assess the arrangement schemes of water resources by application of the fuzzy integral model. The study result provides the arrangement of local water resources with reference. Key words:arrangement of water resources; comprehensive weight method; fuzzy measure; fuzzy integral; general assessment

2014-08-07

魏光輝(1981- )，男，新疆石河子市人，高級(jí)工程師，博士，主要從事干旱區(qū)水資源利用與工程建設(shè)管理工作.

TV213.9

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.001