基于模糊資源分配模型的區域水資源開發研究

王　浩，王志遠

(1.河海大學 商學院，南京　211100; 2.山東大學 土建與水利學院，濟南　250100)

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基于模糊資源分配模型的區域水資源開發研究

王浩1，王志遠2

(1.河海大學 商學院，南京211100; 2.山東大學 土建與水利學院，濟南250100)

摘要：在分析區域水資源開發影響因素的基礎上，構建了基于整體布局、規劃編制、實施效果、保障機制和可持續發展5個方面13個指標的區域水資源開發項目評價指標體系，并將基于模糊聚類的資源分配模型分析方法應用到水資源開發綜合評價中。選取青海省剛察縣沙柳河水資源開發項目進行實證分析。結果表明：工程設施和社會效益是構成水資源綜合開發利用的最主要因素，并且該改進模型為區域水資源開發項目前的可持續發展快速預測提供了一種新方法。

關鍵詞：資源分配模型；模糊聚類；水資源；綜合評價

水資源開發在國家水利發展中占據主導地位，決定著國家水利現代化的速度、規模和水平。中國水資源開發以各江河湖泊為基礎，為流域內的人民生活和工農業生產提供大量的水資源[1-3]。常用的水資源開發綜合評價方法有極限學習機法[4-7]、層次分析法[8-9]和熵權法[10-11]。來海亮等[12]在深入分析水資源開發影響因素的基礎上，從自然屬性、社會屬性、經濟屬性、生態屬性和環境屬性5個方面構建了水資源開發評價指標體系，并制定了屬性衡量準則和開發利用屬性的定量識別。影響水資源開發的可持續發展的因素較多，對水資源開發加以評價已成為亟待解決的突出問題。只有科學有效地評價水資源開發才能確保政府對區域政策的正常制定。

本研究從整體布局、規劃編制、實施效果、保障機制和可持續發展5個方面構建了水資源開發評價指標體系，并利用資源分配模型突出了客觀權重的快速準確賦值，同時結合模糊聚類模型優化指標體系中主觀權重的賦值，將進行模糊聚類改進的傳統資源分配模型應用于區域水資源綜合開發綜合評價研究中。

1水資源開發綜合評價指標體系構建

水資源開發綜合評價是一個系統工程，涉及水資源開發的資源、環境、經濟、社會等許多方面[10-11]。本研究在資料允許的前提下，梳理現有相關研究成果和調研資料，并綜合考慮數據可獲得性、評價指標簡明性等，從整體布局、規劃編制、實施效果、保障機制和可持續發展5個方面構建了水資源開發的評價指標體系基本框架。

1) 整體布局。水資源開發的整體布局是開發型指標的重要方面。由于水資源開發的價值分布是向資源型企業傾斜為主，因此其特性與工業經濟有著根本的聯系。同時，水資源開發在居民的社會生活中扮演重要角色，并且區域內居民區距離水資源開發地遠近等因素所帶來的水資源利用存在差異性。因此，通過選取工程措施和非工程措施作為整體布局影響因素指標。

2) 規劃編制。規劃編制是以政府決策為基礎的開發利用機制，強調水資源開發項目的目標與任務是解決區域內水資源可利用性的最終手段。由于規劃編制作為評價指標包括諸多方面，結合了指標數據的代表性和可獲取性，因此選取編制原則和目標任務兩個指標作為規劃編制的評價指標。

3) 實施效果。在資料允許的前提下，結合水資源開發的實際情況，從區域內的經濟、社會和環境視角進行分析，將實施效果分為3個主要評價指標，即經濟效益、社會效益和環境效益。

4) 保障機制。保障機制是區域水資源開發的重要體現，對生產與生活質量的提升起到至關重要的作用。為了反映保障機制對水資源開發項目的有效性，本研究主要選取政策法規、投資機制和管理機制作為評價指標，其中：政策法規為水資源合理開發提供了最基本的保障；投資機制與管理機制為水資源合理利用提供了直接可行性。

5) 可持續發展。水資源開發的可持續發展是指在可持續發展理念指導下，通過工程技術創新與制度創新等多種手段，盡可能地減少區域內水資源消耗和對環境的破壞，達到經濟社會發展與生態環境保護雙贏。本研究選取工程維護、工程運用和社會經濟發展作為水資源開發的可持續發展評價指標。

綜上，水資源開發項目評價指標體系的5個方面共包括13個評價指標，如圖1所示。

圖1　水資源發開綜合評價指標體系

2改進的模糊資源分配模型

水資源開發項目評價指標的權重賦值通常包括主觀權重與客觀權重兩個方面。主觀權重側重反映決策者的主觀行為，通常是政府與專家根據現實經驗來對評價指標的相對重要性進行評價。客觀權重通常應用到指標評價的信息傳遞機制和搜集到的項目數據。在評價體系權重賦值過程中，資源分配模型可以突出客觀權重的快速準確賦值，而容易忽略主觀權重的重要性，而模糊聚類模型可以通過模糊優化指標體系完善主觀權重的賦值。因此，本研究致力于資源分配模型與模糊聚類模型的混合算法，并將該合成模型應用于水資源開發評價研究中。

2.1資源分配模型的相似度權重

在初始時刻，每個指標節點擁有一個單位的初始資源，而在下一個指標權重計算中，每個指標節點所擁有的資源會平均分配給其他相鄰的樣本節點[13]。假設樣本節點i與樣本節點j的相似度由兩個方面因素來決定：一方面是由指標節點的兩個鄰居節點從它們的公共鄰居節點所獲得的資源量的多少，所獲得的資源量越多，則相似度權重越大；另一方面是由指標節點的兩個鄰居節點從各自的鄰居節點所獲得的資源量的差異，差異越小，則兩個鄰居節點間的相似度權重越高[14]。

由資源分配模型的原理可得，下一個指標權重由兩個樣本節點i,j的公共鄰居節點流入其中一個節點的資源量可以表示為

(1)

式中：m表示該二分網絡中指標節點的總數；k(ωl)表示指標節點Al的權重；bil的定義如下：

其中M(i)表示由節點i的鄰居樣本節點所構成的集合。而下一指標權重的樣本節點i從它的鄰居節點所獲得的資源量為

(2)

(3)

為了度量樣本節點i與樣本節點j的鄰居樣本節點獲得資源量的差異，定義樣本節點i與樣本節點j的相對資源比為

則樣本節點i與樣本節點j的相似度權重為

(4)

其中α是一個可調參數，用來控制相對資源比相似度權重的影響，并且0≤α≤1。

2.2基于模糊聚類的相似度權重的資源分配模型

傳統的模糊聚類模型僅僅考慮指標之間的相似性與隸屬度，不考慮指標間權重差異性。針對這一弊端，把資源分配模型與模糊聚類相結合，即將客觀權重與主觀權重的賦值相結合，全面而準確地反映評價體系中的指標之間的接近程度。本研究利用矩陣范數重新定義相對公共資源，對式(1)～(4)進行改進，即樣本i與h個指標的差異綜合權衡度量為

(5)

通過拉格朗日約束函數[15]求解改進后資源分配模型的模糊聚類循環迭代指標權重：

(6)

通過循環迭代確定聚類樹，從而在最佳聚類數c的基礎上，再取初始劃分資源量矩陣U(0)計算聚類中心：

(7)

對類別資源量矩陣U(l)進行修正：

(8)

3實證分析

3.1研究區域概況

沙柳河(別名伊克烏蘭河)被認為是青海湖水源的源頭，發源于青海省剛察縣境內第一高峰桑斯扎山南麓，源頭為冰凍沼澤區。剛察縣地理位置為：99°20′44″～100°37′24″E、36°58′06″～38°04′04″N。沙柳河由西向東南流入青海湖，全長106 km，流域總面積1 442 km2。該流域深居青藏高原腹地，屬于典型的高原大陸性氣候，地貌類型為湖濱灘地、丘陵和山地，海拔高度3 300 m左右，年平均氣溫為1.3 ℃，降水量為 380 mm，氣候干寒，多風少雨，天氣多變，終年低溫。

截至2013年，青海省剛察縣根據境內沙柳河投資實施7項大型水資源開發工程：在哈爾蓋鎮和沙柳河鎮尕曲灌區分別新建干渠、支渠92.4 km和15.8 km用于農田灌溉；實施縣級非工程措施山洪災害防治建設項目以提高山洪災害預警能力；為哈爾蓋河工業園區群眾、企業建設防洪工程；在吉爾孟鄉秀腦秀麻村、伊克烏蘭鄉角什科貢麻村和泉吉鄉年乃索麻村分別鋪設輸水管道10.93，9.728和24.487 km以解決飲水安全問題。

3.2數據來源

本研究采取分層抽樣，并且按照沙柳河各個水文站等距隨機抽樣調查，獲得了上述水資源開發指標體系的調查問卷。同時，將青海省剛察縣按照水資源開發進行區域劃分，劃分為輕度開發、中度開發和大力開發區域，在這些區域中選取具有代表性的水資源開發項目進行問卷抽樣調查，這是為了保證被調查水資源開發項目的分散性和全面性，而且使所抽樣的項目代表了其所處地帶。搜集整理了沙柳河剛察縣水文站2002—2012年實地調查資料。

3.3合成算法的指標權重分析

將所采集的樣本數據集作為實驗數據集。在該數據集中可以對已選擇的指標進行評分，評分區間為1～10。對于指標體系中的每一個數據集，如果專家評分大于等于6，則認為該指標有利于水資源開發項目。在刪除數據集中所有評分小于6的記錄之后，根據式(1)～(3)，結合水資源開發項目自身的特點計算相對公共資源結果集：

6.7,6.4,10.5,7.9,6.9,7.8]

隨機將公共資源結果集分為兩部分：90%的記錄作為訓練度量樣本進行相似度權重計算；另外10%的結果集在訓練過程中被視為是未知的，因此不能被使用。根據式(4)，可調參數選擇α=0.5以平衡樣本節點之間的相對資源比重，可得到基于資源分配模型的相似度權重：

k(ωi)=[0.250,0.050,0.050,0.100,

0.100,0.125,0.050,0.060,0.025,

0.075,0.025,0.035,0.025]

根據式(5)，運用拉格朗日約束函數的方法，收斂精度均設定為ε=0.001，聚類數從1類到13類，借助Matlab對式(6)～(8)進行模糊聚類循環迭代，以實現上述改進模糊聚類資源分配模型算法。由圖2可以分析得出類別數3應為最佳聚類數，故根據采集的樣本數據集，對青海省剛察縣境內的沙柳河水資源開發項目評價指標體系中的各個指標重新劃分為3個類別。

由聚類分析可知，所選取的指標可分為3類：第1類是工程措施和工程維護；第2類是非工程措施和規劃編制；其他的指標為第3類。基于模糊聚類分析法對各個指標進行聚類分析，采用k-均值聚類分析方法，應用SPSS軟件得出聚類結果，如表1所示。

圖2　聚類分析樹

表1　指標的模糊聚類結果

由表1可以得出：指標按照距離可分為3類。運用Matlab軟件對式(6)～(8)進行模糊循環迭代計算，得到評價體系中的準則層指標權重與單層次指標綜合權重。根據指標對剛察縣境內沙柳河水資源開發影響因素指標進行排序，結果如表2所示。

將指標權重計算數值與采用多層次分析法、熵權法、系統聚類法和資源分配模型計算方法得到的結果進行比較，并以Hamming distance檢驗、Precision檢驗以及Popularity檢驗作為衡量權重計算結果的評價指標，結果如下：

Hamming distance檢驗：

Precision檢驗：

Popularity檢驗：

其中：Q表示指標i和指標j之間相同樣本的數量；L表示指標中列表的長度；Ri(L)表示第i個指標列表所包含的樣本集合中已選擇樣本的數量；m代表評價指標體系中指標的總數；οij表示第i個指標的第j個推薦樣本。計算結果中H越大，則模型的多樣性越好。P值越高，說明模型精度越高；P*值越小，則模型中樣本的賦值能力越強。比較結果如表3所示。

由表3可以看出：改進模糊資源分配模型在各方面都優于其他模型。在層次分析法、熵權法、系統聚類法以及資源分配模型這幾種方法中，層次分析法的多樣性最好，而改進模糊資源分配模型的各個方面都優于層次分析法，其中Precision提高了4.1%，Popularity降低了47.4%。與經典的資源分配模型相比，改進模糊資源分配模型的Hamming distance提高了8.9%，Precision提高了3.2%，Popularity降低了17.3%。說明改進的模糊資源分配模型的權重分配計算結果較為合理。

表2　剛察縣境內沙柳河水資源開發指標權重

表3　改進模糊資源分配模型與其他方法

3.4結果分析

指標權重計算結果表明：工程設施和社會效益是構成沙柳河水資源開發的最主要因素，而社會經濟發展和政策法規對該地區水資源開發利用的影響因素最小，這與青海省剛察縣農牧業和居民用水實際情況基本相符。總體來看，整體布局的不同是影響水資源開發項目差異的根本因素，而可持續性對開發項目的影響最低。 2013年青海省剛察縣不斷加大沙柳河水利工程投資，使全縣的人畜飲水半徑縮短到800 m以內，飲水更方便、安全。這也說明了評價指標具有一定的合理性。

4結束語

在分析水資源開發項目影響因素的基礎上，通過整體布局、規劃編制、實施效果、保障機制和可持續發展5個方面和13個指標構建了水資源開發評價指標體系，并選取基于模糊聚類改進的資源分配模型對水資源開發項目進行評價，這是一種新的嘗試。為了檢驗該方法在快速評價中的運用效果，選取青海省剛察縣境內沙柳河水資源開發項目進行實證分析。從分析結果來看，工程設施和社會效益是水資源開發項目的最主要因素。結合政府工作報告，可知分析結果與實際情況基本相符，驗證了改進模糊資源分配模型的可靠性，開辟了水資源開發項目決策過程中快速評價的新途徑。

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(責任編輯劉舸)

Evaluation of Fuzzy Resource Allocation Model of Regional Water Resources Development

WANG Hao1，WANG Zhi-yuan2

(1.School of Business，Hohai University，Nanjing 211100, China；2.School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250100, China)

Abstract:On basis of the brief analysis of influencing factors of water resources, we constructed of the evaluation index system of water resources development based on the development of water resources from the effect of the overall layout, planning, implementation, guarantee mechanism and sustainable development of 5 aspects 13 indicators, and tried to apply resource allocation model based on fuzzy clustering analysis method to the comprehensive evaluation of water resources development project. We had empirical analysis on Shaliu river water resources development in Gangca County, Qinghai province. The results show that engineering facilities and social benefits are constitute the most important factor of comprehensive development and utilization of water resources, and also the improved model for the sustainable development of water resources development provides a new method for fast forecasting.

Key words:resource allocation model; fuzzy cluster; water resource; comprehensive evaluation

收稿日期：2015-12-02

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51303182)；江蘇人文社科基地培育項目(2011B13614)

作者簡介：王浩(1989—)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事國際河流水資源開發與合作研究；通訊作者 王志遠(1987—)，男，山東日照人，博士研究生，主要從事水資源開發與規劃研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.011

中圖分類號：X196

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)05-0057-07

引用格式：王浩，王志遠.基于模糊資源分配模型的區域水資源開發研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(5):57-63.

Citation format：WANG Hao，WANG Zhi-yuan.Evaluation of Fuzzy Resource Allocation Model of Regional Water Resources Development[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):57-63.