水資源優化配置改進物元可拓模型研究

陳　藝

（塔城水文勘測局新疆塔城834700）

水資源優化配置改進物元可拓模型研究

陳藝

（塔城水文勘測局新疆塔城834700）

為客觀評估水資源配置方案優劣程度，本文在結合可拓物元法與水資源優化配置方案評估，遵循物元可拓原理將決策方案問題拓為多維度物元結構，同時基于定量與定性原則改進傳統物元可拓法方法基礎上，探索構建了水資源優化配置方案評估改進物元可拓模型。以宜川縣蘋果灌區水資源優化配置為應用實例表明，該模型適用于區域水資源配置方案評估，研究可為區域水資源配置方案優化設計提供決策依據。

水資源配置；可拓物元模型；方案評估；分析研究

1　物元可拓基本原理

依據可拓物元基本原理可假定事物A、特性B及量值C構成物元M（A，B，C）。應用到一般情況：如果事物A有n個特征值B（b1，b2，…，bn）與相對應量值C（c1，c2，…，cn），則可稱M（A，B，C）為n維物元［1］。

1.1物元模型原理

水資源的優化配置包括環境、經濟、社會及水資源4個方面，每個方面又包含多個綜合評估指標。因此，可將水資源優化配置的方案集設為評估對象集R（R1，R2，…Rm）。其中的每個元素Rk（k=1，2，…，m）所對應的特征與其量值分別為B（b1，b2，…bn）與C（ck1，ck2，…ckn），特征量值范圍可分為p個區間［2］：［αi1，βi1］，［αi2，βi2］，…［αip，βip］，（i=1，2，…n），將評估類區間集記為：

評估類別集T=｛Tj=j｝（j=1，2，…，p），評估對象物元為：

式中，Rk：第k個評估元素；Mk：第k個評估對象的物元；bi：評估對象Rk的i個特征元素；xki：Rk關于bi的量值。Xk：特征元素的量值集合；

1.2歸一化處理方法

考慮到各元素特征量值差異性較大，避免影響到綜合評估結果，需將各評估方案特征元素的量值進行歸一化處理：

上式中，xki、mki：歸一化處理前、后各評估方案特征元素的量值。

1.3確定權重值

運用層次分析法確定各評估指標的權重系數εi，需滿足

1.4確定關聯度

第k個評估對象Rk第j個評估類別在第個指標下的關聯度為：

其中：

上式中，l（cki，Ckij）：點與區間的距離或側距離。

由式（5）～（8）可確定各評估對象Rk對各類別j的關聯度Kkj（ci），綜合關聯度為［3］：

上式中，Kj'（Rk）：帶權關聯度；Kkj（ci）：第i個特征元素關聯度。

若滿足Kj0'（Rk）=maxKkj（Rk），則可判定Rk屬于等級j0

2　改進物元法可拓原理

物元可拓模型是可拓集合輪和物元理論的結合，主要用于解決不相容的問題。但是傳統的物元可拓模型在實際應用的過程中，存在下述幾個問題：

（1）在進行關聯函數計算時，當待評物元的某一個指標數值大于節域時，如果將這個指標值直接代入，會出現分母為零的情況，這時是無法得到關聯函數值的，自然也沒有辦法進行評價。

（2）在對各個等級進行評定時，一般使用關聯度、常權以及最大隸屬度開展評定工作的，并且評定過程中無法對相同等級的樣本實施評定工作。

（3）（cki，Ckij）為點與區間測距和點與區間跟距，然而，傳統的物元可拓法使用相同的計算方法，影響到整體評估效果。

對于上述問題，首先需要進一步規格化帶評物元和經典域，其次是使用變權理論對各個指標權重進行確定，最后引入等級變量特征值和貼近度來對對象等級進行評價。鑒于此，本文為了降低確定評價指標是的主觀因素，將評價過程中相關指標的平等地位體現出來，需要對因素長權變量進行一致化處理，并利用變權理論將評價指標的權重確定出來，即各個指標因素長權變量一致，同時采用重新更改區間的方法將區間與點的側距轉變成區間與點的距，且采用補償系數δ以避免由區間長度改變導致的區間與點距的影響［4］。采用的計算方法如下：

上式中，e0：區間中點；δ：修正系數

3　應用實例

3.1區域概況

以宜川縣蘋果灌區水資源優化配置方案評估為應用實例，該地區年平均降水量約550mm，且蒸發量較大，年平均徑流量1.2×106m3，年季徑流變化程度較小，但年內徑流分布不均衡，且易出現洪澇災害或季節性災害。同時，該地區含有豐富的地下水資源，鑒于保障地下水資源的可持續開發利用，需最大程度的降低對地下水的開采。

3.2區域水資源優化配置評估

在對該灌區的經濟發展狀況、環境的可承受度、水資源生態狀況分析基礎上，采取了陸地水庫方案（X）、潛水開采加地表水庫方案（Y）、潛水開采及陸地水庫加調節池方案（Z）等灌區水資源配置方案。在可行性、科學性、綜合性及可比性的原則下，選取灌區生活H1及工業用水H2、工業用水保障率H3、單方陸地水H4及潛水H5供水投資、總投資H6、年總運行費用H7、潛水增添開采量H8、灌區潛水埋深H8、灌區陸地水利用率H10、灌區水資源開發效率H11、灌區潛水開采率H12等12個評估指標，構建環境、經濟、社會和水資源開發4個維數的評估指標體系。

遵循物元可拓計算法，可將水資源優化配置方案評估等級依次分為“較好，良好，中等，較差”四個評估等級［5］。在已有的評估指標體系下歸一化處理各評估指標，將得到的各評估標準等級相對的取值空間為經典域，將各個評估指標整體取值空間定為節域Mp。得到改進可拓物元分析法的水資源優化配置方案評估節域和經典域依次為M01、M02、M03、M04，評估標準如表1所示。

依據改進層次分析法計算可確定各評估特征元素權值如下：

γ=（0.048，0.074，0.065，0.062，0.166，0.088，

0.057，0.114，0.073，0.087，0.118）。

以方案Z為分析實例，歸一化各評估指標后分別代入計算式（5）～（9），可計算得到各評估指標關聯度。依據最大隸屬原則，依次確定各評估指標的判斷等級，傳統與改進的分析方法所得結果見下表2。由表2數據可知，除去灌區生活及工業用水、地下水開采三個指標外，改進的方法與傳統的方法所得結果完全相同，所以結論正確。

依據表2中數據可推求各評估指標的關聯度，同時采用（10）計算可得方案Z帶權關聯度：R=（0.116，-0.100，0.212，-0.024），整體的評估等級可取不同等級整體關聯度的最大值，故方案Z整體評估等級為“良好”。類似，可求解出方案X、Y的整體關聯度，經過計算后發現，改進法和傳統法的綜合評估等級全部一致，故在水資源優化配置評估中采用改進的物元可拓法是可行的。因此，三個方案的優劣程度為：Z＞Y＞X，然而方案Z評估等級僅為“良好”，仍有提高的空間：灌區地下水埋深與開采率的評估層次都達到“中等”，評估指標的等級較低，需加強深入研究以提高其評估等級等級。

表1　改進可拓物元法的水資源優化配置方案評估標準

表2　方案Z的關聯度與評估判斷結果

4　結語

改進物元可拓原理應用于區域水資源優化配置評估中，可有效評估區域水資源配置水平，改進物元可拓原理適用于涵蓋多指標的水資源配置方案評估工作。同時，改進物元可拓模型可依據所評估指標體系等級賦值，直觀地確定區域水資源配置方案不足之處，且具有較高應用可靠度，并有效削弱了傳統指標評估方法區間點距計算誤差，研究可為區域水資源配置方案評估與優化設計提供技術支撐。陜西水利

［1］史銀軍，粟曉玲，徐萬林，南彩艷，楊雪菲.基于水資源轉化模擬的石羊河流域水資源優化配置［J］.自然資源學報，2011，（8）:1423-1434.

［2］強拔云，張丹.節水灌溉技術在宜川縣蘋果灌區的應用與建議［J］.陜西水利，2013，（2）: 168-169.

［3］李正，王軍，白中科，郭義強.基于物元評判模型的土地整理綜合效益評價方法研究［J］.水土保持通報，2010，（6）:190-194.

［4］霍小梅.安塞縣水資源開發現狀及優化配置評估模型探究［J］.陜西水利，2016，（1）:36-37.［5］阮國鋒，張建明，穆彥虎，張虎，柴明堂.基于熵權物元可拓模型的凍土路基熱穩定性評價［J］.冰川凍土，2014，（1）:123-129.

（責任編輯：唐紅云）

TV21

A