基于熵權可拓物元模型的水資源可持續利用評價

魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒　841000)

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基于熵權可拓物元模型的水資源可持續利用評價

魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒841000)

摘要：為準確把握新疆和田地區水資源可持續利用狀況，構建了包含4方面、14個指標的水資源可持續利用評價體系，利用熵權物元模型，對研究區2012年水資源可持續利用程度進行評價。結果表明：總體上看，研究區水資源可持續利用評價等級為較高(Ⅱ級)，并有向中等(Ⅲ級)轉化的趨勢；就單個評價指標而言，單位面積水資源量、人口密度與耕地灌溉率3個指標屬于高等級，人均水資源量、人均GDP產值與工業廢水處理率這3個指標屬于較高等級，人口自然增長率、城鎮化率、GDP年增長率與生態環境用水率這4個指標屬于中等，第一產業占GDP比例和林草地覆蓋率屬于較低等級，供水模數與地下水開采率這2個指標屬于低等級；熵權可拓物元模型在水資源可持續利用評價方面實用可行，評價結果符合研究區實際情況，為同類研究提供了方法上的支持。關鍵詞：水資源；可持續利用；熵權；可拓物元模型；和田地區

0前言

水資源可持續利用評價是水安全研究的重要內容，其實質是指通過對區域水資源指標的計算，利用數學模型對水資源可持續利用程度進行定量評價。目前常用的方法有主成分法、AHP法、模糊數學法、灰色關聯分析法、神經網絡模型及投影尋蹤模型等[1]。由于現有評價方法大多采用綜合指數原理分析，會造成單個指標信息遺漏問題[2]。此外，現有評價指標權重計算多采用主觀法確定，造成評價結果存在一定的主觀性。

可拓物元評價方法具有兼容性的優點，可將不相容指標進行綜合分析，從而使評價結果真實客觀[3]，目前廣泛應用于土地生態安全[4-5]、資源環境質量[6-7]等領域。水資源可持續利用評價涉及面廣，符合可拓學解決范疇。同時，熵權法計算評價指標權重，較其他方法更具有客觀性[8]。鑒于此，本文綜合上述2種方法的優越性，構建基于熵權-物元模型的區域水資源可持續利用綜合評價模型，以2012年新疆和田地區為例，對其水資源可持續利用狀況進行客觀分析，以期為區域水資源的可持續利用提供參考。

1模型簡介

可拓物元模型是將物元R及其三要素Q、C、U記作有序的三元組R=(Q,C,U)來描述對象、特征、關系的模型，其中，Q為對象;C為對象的特征;U為Q關于C的量值。熵權-物元模型計算步驟如下。

1.1物元模型建立

建立評價等級物元，組成m個評價等級物元，每級物元包含n個指標，j=1，2，…，m；i=1，2，…，n：

(1)

式中：Qmj為第j個評價等級；Ci為不同評價等級所對應的評價指標；Umji為不同評價等級對應的指標區間；amji、bmji為評價指標的下、上限。

1.2節域物元模型的建立

將n個評價指標劃分為1個物元，則節域物元模型為：

(2)

式中：P為等級標準；Ci為不同評價等級所對應的評價指標；Tpi為P關于Ci的指標區間；api、bpi分別為節域下、上限。

1.3待評物元模型的建立

待評物元模型表達式如下：

(3)

式中：Q為水資源可持續利用程度；Ci為等級標準的水資源可持續利用評價指標；Ti為Q對應Ci的實際值。

1.4計算關聯函數

水資源可持續利用程度的關聯函數定義為：

(4)

其中

(5)

(6)

式中：ρ(Ti,Umji)、ρ(Ti,Upi)分別為指標實際值與經典域、節域的空間距離。

關聯度Kj(Ti)<-1，表明評價指標不能達到該等級標準要求；當-1≤Kj(Ti)<0，表明評價指標基本滿足該等級標準要求；當0≤Kj(Ti)≤1，表明評價指標符合該等級標準；Kj(Ti)>1，說明該評價指標完全能夠滿足該等級要求。

1.5指標權重計算

采用熵權法來計算水資源可持續利用評價指標權重，具體計算過程可以參見文獻[8]。

1.6綜合關聯度的歸一化處理

對各評價指標關聯度值加權求和，得關聯度綜合值：

(7)

其中:wi為指標i權重；Kj(Rq)為關聯度綜合值；Kj(Ti)為加權關聯度。

對關聯度綜合值歸一化，得到關聯度歸一化值：

(8)

按照隸屬度原則，最大的歸一化值所處等級就是其評價等級。

2指標體系與評價標準構建

2.1指標體系構建

指標體系構建是建模評價水資源可持續利用程度的基礎。本文在借鑒前人研究成果[9]的基礎上，結合研究區實際情況，初步包含16個單項指標構成的水資源可持續利用程度評價體系，通過對指標進行相關分析，最終構建包含14個評價指標的水資源可持續利用評價體系。該體系包括人均水資源量(C1，m3)、單位面積水資源量(C2，萬m3/km2)與供水模數(C3，萬m3/km2)、人口密度(C4，人/km2)、人口自然增長率(C5，‰)、城鎮化率(C6，%)、人均GDP產值(C7，元)、GDP年增長率(C8，%)、耕地灌溉率(C9，%)、第一產業占GDP比例(C10，%)、林草地覆蓋率(C11，%)、生態環境用水率(C12，%)、地下水開采率(C13，%)與工業廢水處理率(C14，%)共計16項指標。

評價標準是定量評價的前提，參考文獻[9]，將水資源可持續利用評價指標劃分為5個等級標準：高(Ⅰ級)、較高(Ⅱ級)、中(Ⅲ級)、較低(Ⅳ級)、低(Ⅴ級)，并對每個評價等級賦予分級標準(見表1)。

表1　和田地區水資源可持續利用評價指標分級表

3模型應用

3.1研究區概況

新疆和田地區位于塔里木盆地南緣，下轄7縣1市，總區劃面積24.78萬km2，總人口212.34萬人。降雨稀少而蒸發強烈，多年平均降水量33.5 mm，蒸發量2 602 mm(E20小型蒸發皿)，年均日照時數2 610.5 h，年均氣溫12.2 ℃，無霜期185 d。

研究區境內主要有安迪爾河(民豐縣)、克里雅河(于田縣)、策勒河(策勒縣)、和田河(和田市、和田縣、墨玉縣)、皮山河(皮山縣)等發源于昆侖山和喀喇昆侖山的大小河流36條，年總徑流量約73.45億m3。研究區河流徑流量的季節反差極大，水資源時空、地域分配不均。

3.2評價模型構建

(1) 根據前述建模過程，首先建立經典物元模型，對于水資源利用高(Ⅰ級)來講，j=1，則經典物元矩陣為：

(9)

同理，可建立較高(Ⅱ級)、中(Ⅲ級)、較低(Ⅳ級)、低(Ⅴ級)的經典物元矩陣及待評價的節域物元：

(10)

最后確定水資源可持續利用評價的物元矩陣：

(11)

(2) 計算指標實際值與經典域、節域的空間距離，見表2。

(3) 計算關聯函數。利用式(4)計算關聯函數值，見表3。

表2　指標實際值與經典域、節域的空間距離表

表3　評價指標關于評價等級的關聯函數值表

(4) 計算指標權重及各歸一化關聯度值。根據熵權法得到指標權重wi=(0.0781，0.0708，0.065，0.0744，0.0436，0.0908，0.0586，0.0820，0.0427，0.0671，0.0815，0.1339，0.0664，0.0449)。根據表3中的關聯度值，利用式(7)、式(8)得各評價等級綜合關聯度和歸一化關聯度(見表4)。

表4　評價等級的歸一化關聯度值表

由熵權計算結果可知，14個評價指標中，熵權較大的為生態環境用水率(C12)、城鎮化率(C6)、GDP年增長率(C8)和林草地覆蓋率(C11)，熵權值分別為0.1339、0.0908、0.0820與0.0815，均超過0.08，這說明上述4因素是目前影響和田地區水資源可持續利用的主要因素；綜合關聯度最大值為1.000，研究區水資源可持續利用等級為較高(Ⅱ級)，并有向中等(Ⅲ級)轉化的趨勢。

(5) 評價結果檢驗。利用文獻[9]評價結果(2012年和田地區水資源可持續利用評價等級為Ⅱ級)進行復核。結果表明，2種方法計算結果完全一致，實現了方法對方法的檢驗。

4結語

(1) 2012年，新疆和田地區水資源可持續利用評價等級為Ⅱ級，并有向中等(Ⅲ級)轉化的趨勢；生態環境用水率、城鎮化率、GDP年增長率和林草地覆蓋率是目前影響和田地區水資源可持續利用的主要因素。

(2) 采用熵權-可拓物元模型對區域水資源可持續進行評價，提高了評價方法的客觀性與精確度，進而說明了該方法的可行性。

(3) 本文僅對和田地區水資源可持續利用情況進行了總體評價，由于資料的可獲取性局限，未對各縣(市)間水資源可持續利用程度進行評價。下一步應以縣(市)為基本單元開展評價，揭示研究區水資源可持續利用的空間差異性。

參考文獻:

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[3]厲莎,張仁貢.基于可拓評價的農村飲用水工程運行管理模式研究[J].自然資源學報,2013,28(06):1059-1069.

[4]余敦,陳文波.基于物元模型的鄱陽湖生態經濟區土地生態安全評價[J].應用生態學報,2011,22(10):2681-2685.

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[9]吳雪梅,塔西甫拉提·特依拜.基于PSO-PPE模型的和田水資源承載力評價研究[J].干旱地區農業研究,2014,32(02):228-233.

Assessment of Sustainable Utilization of Water Resources Based on Entropy Weight and Extension Matter Element Model

WEI Guanghui

(Xinjiang Tarim River Catchment Administration, Korla841000，China)

Abstract:The assessment system for the sustainable utilization of water resources consisting of 4 aspects and 14 indexes is built to accurately learn the sustainable utilization of water resources in Hetian Prefecture, Xinjiang Uyghur Autonomous Region. The entropy weight and extension matter element model is applied to assess the sustainable utilization of water resources in Hetian Prefecture, 2012. The assessment presents that the grade of the sustainable utilization of water resources in Hetian Prefecture is higher (Grade Ⅱ) generally. This grade is with trend of sliding toward intermediate one (Grade Ⅲ). Regarding a single assessment index, three indexes of quantity of water resources per unit area, population density and irrigation rate of arable land are of high grades; three indexes of quantity of water resources per capita, GDP per capita and industrial sewage treatment rate are of higher grades; four indexes of natural growth rate of population, urbanization rate, annual GDP growth rate and water utilization rate of ecological environment are of intermediate grades; two indexes of proportion of primary industry in GDP and coverage rate of forest & grass are of lower grades; two indexes of water supply modules and ground water exploitation rate are of low grades. The entropy weight and extension matter element model is practical and feasible in assessment of the sustainable utilization of water resources. The assessment result accords with the actual situation of the studied prefecture as well as provides similar studies with support in term of methods.Key words: resource; sustainable utilization; entropy weight; extension matter element model; Hetian prefecture

文章編號：1006—2610(2016)03—0013—04

收稿日期：2015-10-30

作者簡介：魏光輝(1981- )，男，新疆石河子市人，高級工程師，博士，主要從事干旱區水資源利用與工程建設管理工作.

基金項目：新疆水文學及水資源重點學科基金資助(XJSWSZYZDXK20101202).

中圖分類號：TV213.4

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.003