基于模糊集對分析的引江濟太調(diào)水效益綜合評價

王 棟,梁忠民,常文娟,卜 慧,唐甜甜

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098; 2.三峽大學水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌 443002)

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基于模糊集對分析的引江濟太調(diào)水效益綜合評價

王 棟1,梁忠民1,常文娟2,卜 慧1,唐甜甜1

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098; 2.三峽大學水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌 443002)

從經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境3個層面構(gòu)建引江濟太調(diào)水效益評價指標體系。考慮到評價標準邊界值的模糊性,采用模糊集對分析評價模型評估調(diào)水工程對受水區(qū)的綜合影響等級,并與綜合指數(shù)法對比；用Cronbach系數(shù)α檢驗指標體系內(nèi)部一致性可信度,在確定指標權(quán)重時,使用博弈論綜合賦權(quán)法將主觀權(quán)重(層次分析法)和客觀權(quán)重(熵值法)集成,得到相對均衡的綜合權(quán)重。運用上述方法對2014年引江濟太調(diào)水進行綜合評估,兩種方法的評估結(jié)果都表明引江濟太工程給受水區(qū)帶來較大的正面影響,但模糊集對分析法用模糊聯(lián)系度描述評價對象和評價標準的確定性和不確定性,能提供相對豐富的信息。

引江濟太調(diào)水工程;效益評估;綜合評價;模糊集對分析;博弈論;綜合賦權(quán)

隨著氣候變化和人類活動影響的加劇,水資源的時空分布不均勻性與人類需水的矛盾日益突出。為了緩解水資源短缺和水污染問題,實現(xiàn)水資源的合理開發(fā)和利用,采用工程調(diào)水是解決此矛盾從而實現(xiàn)水資源時空重新分配的一項有效工程措施,如美國加州北水南調(diào)、國內(nèi)的南水北調(diào)和引江濟太等工程。工程調(diào)水旨在實現(xiàn)不同區(qū)域之間的水資源優(yōu)化調(diào)配,給當?shù)氐慕?jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境帶來一系列有形和無形的效益或影響。因此,為了未來調(diào)水的發(fā)展以及維持調(diào)水工程的長期良性運行,對調(diào)水工程運行現(xiàn)狀進行科學合理的評估具有重要意義。

目前,有關(guān)調(diào)水工程對生態(tài)環(huán)境的影響、調(diào)水效益評估是水資源研究中的熱點問題。如研究調(diào)水后受水區(qū)水質(zhì)變化、調(diào)水給受水區(qū)帶來的社會經(jīng)濟效益等。Davies等[1]以南非、澳大利亞和美國調(diào)水工程為例,評價調(diào)水工程對受水區(qū)產(chǎn)生的生態(tài)影響,指出對調(diào)水工程評估的重要性;Hu等[2]分析了引江濟太工程對太湖的環(huán)境影響,發(fā)現(xiàn)長江清水的引入,有提高太湖水質(zhì)的可能;翟淑華等[3]通過構(gòu)建水環(huán)境評估指標體系對引水期間河網(wǎng)和太湖水環(huán)境改善效果做出了全面評估;常文娟等[4]建立了調(diào)水影響下的產(chǎn)業(yè)用水系統(tǒng)協(xié)調(diào)度評價模型,評價了引江濟太調(diào)水工程對受水區(qū)產(chǎn)業(yè)用水系統(tǒng)的宏觀影響;Matete等[5]構(gòu)建并應用基于生態(tài)經(jīng)濟框架的經(jīng)濟評估模型,綜合評價和分析了萊索托高原調(diào)水工程的運行現(xiàn)狀;馮曉晶等[6-7]采用分攤系數(shù)法等,定量分析了引江濟太工程給受水區(qū)帶來的社會經(jīng)濟效益;席清海等[8]研究了引黃濟津工程的調(diào)水費用及給天津市生產(chǎn)生活帶來的經(jīng)濟效益;吳浩云等[9]選用綜合指數(shù)法和價值估算法對陽澄淀泖區(qū)的調(diào)水綜合效益進行了初步評估, 定性評估出引江濟太調(diào)水綜合效益等級,并且分析了兩種方法研究結(jié)果之間的關(guān)系。

然而,對調(diào)水效益評估不確定性分析的相關(guān)研究卻鮮有報道。鑒于定性評價標準的邊界模糊性,集對分析能夠較好地分析評價對象和評價標準之間的確定性與不確定性,本文以引江濟太調(diào)水工程為研究對象,構(gòu)建調(diào)水效益評估指標體系,并對其進行可靠性分析,采用博弈論綜合賦權(quán)方法確定指標綜合權(quán)重;基于模糊集對分析模型全面定性評價出2014年度引江濟太調(diào)水工程對受水區(qū)的影響等級,并與綜合指數(shù)法評估結(jié)果對比分析。

1 調(diào)水效益評價指標體系

考慮到水資源時空分布不均、水污染問題嚴重制約了長三角地區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展,2002年1月引江濟太調(diào)水試驗工程正式啟動。遵照“以動治靜、以清釋污、以豐補枯、改善水質(zhì)”的方針,通過望虞河將水質(zhì)較好的長江水引入太湖及周邊河網(wǎng)。長江清水的調(diào)入改善了流域水體水質(zhì)狀況,提升了水環(huán)境承載能力[9-10];同時,增加了太湖流域的水資源量和流域周邊地區(qū)的供水,促進了流域水資源綜合利用,取得了顯著的經(jīng)濟、社會以及環(huán)境效益,推動了受水區(qū)社會經(jīng)濟的全面發(fā)展。

依據(jù)全面性、科學性、代表性和可操作性等原則,首先從經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境3個層面初步構(gòu)建引江濟太調(diào)水效益綜合評價指標體系,反映引江濟太工程對受水區(qū)的調(diào)水綜合影響;其次對指標進行適應性分析,采用合并、替換、剔除等手段進一步篩選;同時通過公眾參與、專家分析評價篩選出最終的指標體系；最后根據(jù)參考文獻[11],選取的經(jīng)濟影響層面的3個指標分別為調(diào)水對農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的貢獻率C1、調(diào)水對工業(yè)產(chǎn)值的貢獻率C2、調(diào)水對服務業(yè)產(chǎn)值的貢獻率C3;社會影響層面的5個指標分別為調(diào)水對人均水資源占有量的貢獻C4、對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的影響C5、突發(fā)事件或重大活動應急調(diào)水C6、調(diào)水工程的公眾認可度C7、居民生活親水舒適度C8;生態(tài)環(huán)境影響層面的6個指標分別為水源地水質(zhì)改善度C9、受水區(qū)水體水質(zhì)指標改善度C10、水功能區(qū)達標率C11、調(diào)水對河道外環(huán)境用水影響C12、調(diào)水對河網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的影響C13、調(diào)水對太湖藍藻數(shù)量的影響C14。

為檢驗指標體系是否具有穩(wěn)定性和可靠性,需對構(gòu)建的指標體系進行內(nèi)部一致性可信度分析,本文以克朗巴哈(Cronbach) 系數(shù)α評價指標體系的內(nèi)部一致性[12]：

(1)

α越大,表明評價指標間的相關(guān)性越好,內(nèi)部一致性可信度越高。相關(guān)研究表明,若α>0.8,則表示指標體系內(nèi)部一致性極好;在實際應用中,α值最好能大于0.7[13]。

2 模糊集對分析評價模型

2.1 模型方法概述

式中:μPn-Qm為集對H(Pn,Qm)的聯(lián)系度；wn為指標Pn的權(quán)重;an為指標Pn隸屬于該評價指標1級標準的可能性;bn,t為指標Pn隸屬于該評價指標t+1級標準的可能性(t=1, 2, …,K-2);cn為指標Pn隸屬于該評價指標K級標準的可能性;it為差異不確定性系數(shù),在(-1,1)區(qū)間視不同情況取值,有時僅起差異標志作用;j為對立系數(shù),且j≡-1,有時起對立標志作用。

由于評價指標等級標準邊界值的模糊性,依據(jù)模糊分析方法,對于越大越好的指標(正向指標),指標Pn與其評價標準的模糊聯(lián)系度為

(3)

對于越小越好的指標(負向指標),指標Pn與其評價標準的模糊聯(lián)系度為

(4)

式中：xn為指標Pn的取值；s1,s2,…,sK-1為指標評價標準的邊界值。

hk=(f1+f2+…+fk)>λk=1, 2,…,K

(5)

式中,λ為置信度,一般而言λ∈[0.5, 0.7],本次取λ=0.6。

2.2 指標權(quán)重的確定

指標權(quán)重直接影響多指標綜合評價結(jié)果,采用不同的指標權(quán)重將會得到不同的評價結(jié)果,因此,合理地確定指標權(quán)重顯得尤為重要。按照主客觀性的不同,確定指標權(quán)重的常用方法可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩大類。但是這兩類方法各有利弊,因此綜合權(quán)重法應運而生,比如,將主、客觀權(quán)重取算術(shù)平均作為綜合權(quán)重。本文采用層次分析法[15](主觀賦權(quán))和熵值法[16](客觀賦權(quán))分別確定指標權(quán)重,然后運用博弈論的方法將主觀權(quán)重和客觀權(quán)重加以綜合,得出相對均衡的綜合權(quán)重。基于博弈論綜合賦權(quán)的主要理論如下[17]:

由l種方法確定的指標基本權(quán)重集為W={w1,w2,…,wl},將這l個權(quán)重向量以任意線性組合可構(gòu)成一個可能權(quán)重向量

(6)

式中:αi為線性組合系數(shù);l為確定指標權(quán)重方法的個數(shù)。

因此,關(guān)鍵是從可能權(quán)重集中確定最優(yōu)的綜合權(quán)重w*,采用博弈論方法確定w*的核心是在不同權(quán)重之間尋找一種均衡,通過對式(7)中i個線性組合系數(shù)αi進行優(yōu)化,優(yōu)化目標是使W與各個基本權(quán)重之間wi的偏差最小化,其優(yōu)化模型為

(7)

根據(jù)矩陣的微分性質(zhì),可得最優(yōu)化一階導數(shù)條件。

(8)

求解方程組解(α1,α2,…,αl),然后對系數(shù)αi歸一化處理后代入式(6),求得最優(yōu)綜合權(quán)重w*,根據(jù)w*計算各指標隸屬于相應影響層面的相對權(quán)重。相對權(quán)重也即是該指標在其相應影響層面中所占的權(quán)重,比如,C1的相對權(quán)重是指C1在經(jīng)濟影響層面中所占的權(quán)重。

3 調(diào)水效益綜合評價

以2014年引江濟太調(diào)水工程為例,采用模糊集對分析方法評估引江濟太工程對受水區(qū)的綜合影響等級,并與綜合指數(shù)法[9]評估結(jié)果進行對比。其中C5～C8、C12～C13指標的分值通過咨詢水利、環(huán)保和經(jīng)濟等領(lǐng)域?qū)＜掖韥泶_定;其余指標的分值通過查閱相關(guān)統(tǒng)計年鑒和水利部太湖流域管理局提供的調(diào)水資料計算獲得。

3.1 指標內(nèi)部一致性分析與評價標準

分別計算經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境3個層面以及整體指標體系的Cronbach系數(shù)α,分析指標體系內(nèi)部一致性可信度,結(jié)果見表1。

表1 評估指標體系內(nèi)部一致性檢驗結(jié)果

由表1可知,引江濟太調(diào)水效益評估指標體系中,不論是經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境3個層面還是整體指標體系,α均在0.8以上,表示指標體系內(nèi)部一致性程度甚佳,各個層面中的指標均能較好地反映該影響層面的特點,各個影響層面間的指標具有獨立性,從而表明構(gòu)建的引江濟太調(diào)水效益評估指標體系具有良好的可信度。

因選取的指標取值范圍不一致,且部分指標無法定量化,為得到恰當?shù)木C合評價結(jié)果,本文將所有指標評價標準歸一化處理,使各指標取值范圍一致。根據(jù)相關(guān)研究資料,參考國內(nèi)外調(diào)水的實際情況,并結(jié)合研究區(qū)經(jīng)濟發(fā)展狀況、相關(guān)政策和水利發(fā)展規(guī)劃等,將調(diào)水效益評價指標等級標準分為7個等級(表2)。

表2 評估指標等級劃分標準

3.2 指標權(quán)重計算

表3給出由層次分析法和熵值法計算出的各指標權(quán)重wL1、wL2。

表3 層次分析法和熵值法確定的各指標的權(quán)重

表4 評價指標的綜合權(quán)重及相對權(quán)重

根據(jù)表4,相比于經(jīng)濟影響層面,調(diào)水對社會、生態(tài)環(huán)境影響的權(quán)重較大,即認為引江濟太工程對社會、生態(tài)環(huán)境的影響比較重要。

3.3 評估結(jié)果與分析

依據(jù)表2的指標劃分標準,取K=7;指標個數(shù)L=14,其中C14為負向指標,其他均為正向指標;表5給出了采用模糊集對分析模型計算評價指標與其標準的7元模糊聯(lián)系度;最后,通過式(2)和式(5)評估引江濟太工程對受水區(qū)的經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境及綜合影響等級(取λ=0.6),評價結(jié)果見表6。

然而,目前綜合評價的方法眾多,為分析模糊集對分析綜合評價結(jié)果是否可信,本文同時采用文獻[9]中綜合指數(shù)法評估引江濟太工程對受水區(qū)的綜合影響等級,評估結(jié)果見表7,并且分析比較上述兩種方法的評估結(jié)果。

表5 評價指標與其標準的模糊聯(lián)系度

表6 模糊集對分析模型綜合評價結(jié)果

表7 綜合指數(shù)法綜合評價結(jié)果

對比表6、7可知,除生態(tài)環(huán)境影響層面外,模糊集對分析模型和綜合指數(shù)法的評價結(jié)果一致。結(jié)合表2的指標評價標準,兩種方法的評價等級表明:引江濟太給受水區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展帶來較小正面影響;給社會發(fā)展帶來較大的正面影響;而給生態(tài)環(huán)境影響方面分別帶來較小(模糊集對分析模型)和較大(綜合指數(shù)法)正面影響;綜合影響均表現(xiàn)為較大的正面影響。此外,在生態(tài)環(huán)境影響層面,表7中綜合指數(shù)法的分值為0.409,接近于指標評價等級標準邊界值0.4,而表6中f1+f2=0.592,接近置信度λ=0.6,表明兩種方法的評估結(jié)果十分接近,而由于指標評價等級標準邊界值的模糊性,造成了兩種方法的評估等級差異。因此,相比于綜合指數(shù)法,模糊集對分析評價模型考慮了評價標準邊界值的模糊性,用模糊聯(lián)系度反映評價對象和評價標準的確定性和不確定性,因此其評價結(jié)果包含的信息也相對豐富。

另外,與社會影響層面對比,引江濟太對受水區(qū)經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境層面正面影響較小。由于2014年引江濟太工程調(diào)引水量較小,并且因調(diào)水帶來的受水區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整已基本趨于穩(wěn)定,因此調(diào)水對農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務業(yè)產(chǎn)值增長貢獻率較小。然而,在引江濟太實際運行過程中,調(diào)水所發(fā)揮的保障流域水安全、改善水環(huán)境的效果最為社會各界所關(guān)注;因此,對于未來引江濟太調(diào)水工程的發(fā)展和運行,應注重其對生態(tài)環(huán)境的影響。改善受水區(qū)的生態(tài)環(huán)境措施很多,在目前狀況下,可通過合理配置引水量,提高城鎮(zhèn)、林業(yè)等生態(tài)用水,改善其生態(tài)環(huán)境;在太湖藍藻高暴發(fā)時期,通過調(diào)水降低水體溫度和藍藻濃度,以減緩太湖水體富營養(yǎng)化程度。

4 結(jié) 語

a. 指標體系的合理性決定評估結(jié)果是否穩(wěn)定,本研究以Cronbach系數(shù)α分析指標體系內(nèi)部一致性可信度,所有層面的α均在0.8以上,表明本次構(gòu)建的指標體系穩(wěn)定可靠,可用于引江濟太調(diào)水工程對受水區(qū)的綜合影響評估。

b. 指標權(quán)重直接影響綜合評價結(jié)果,本文從主觀、客觀賦權(quán)中分別選取層次分析法和熵值法確定指標的權(quán)重,再運用博弈論綜合賦權(quán)將主觀權(quán)重和客觀權(quán)重加以綜合,使綜合權(quán)重與相應的主觀、客觀權(quán)重偏差最小。該方法確定的綜合權(quán)重相對均衡,評估結(jié)果也會相對可靠,并且該方法理論簡明清晰,便于實際應用。

c. 選取模糊集對分析評價模型與綜合指數(shù)法進行對比,驗證其評價結(jié)果是否可信,得出兩種方法的評估結(jié)果基本一致,均反映引江濟太調(diào)水工程對受水區(qū)有較大的正面影響。然而,模糊集對分析評價模型考慮了評價標準邊界值的模糊性,用模糊聯(lián)系度描述評價對象和評價標準之間的確定性和不確定性,能提供更豐富的信息,可為其他調(diào)水工程的效益評估提供借鑒和參考。

鑒于資料條件限制,本文僅對2014年調(diào)水加以分析,今后將加強相關(guān)資料收集工作,進一步分析評價指標體系的合理性。另外,本研究可認為是一種定性評估,只給出相應的影響程度,未能提供定量化的效益值,比如調(diào)水工程的運行改善受水區(qū)水體水質(zhì)、流速等所帶來的生態(tài)、環(huán)境、健康等效益值,值得今后進一步研究探討。

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Comprehensive evaluation of benefit of water diversion from Yangtze River to Taihu Lake based on fuzzy set pair analysis

WANG Dong1, LIANG Zhongmin1, CHANG Wenjuan2, BU Hui1, TANG Tiantian1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang, 443002,China)

An evaluation indicator system was constructed from the aspects of economic, social, and ecological environments to evaluate the benefit of water diversion from the Yangtze River to Taihu Lake. With consideration of the fuzziness of boundary values of the evaluation criteria, the fuzzy set pair analysis assessment model was used to evaluate the comprehensive impact grade of the water diversion project on the intake area, and the assessment results were compared with those of the comprehensive indicator method. The Cronbach’s α coefficient was used to test the internal consistency reliability of the indicator system. To determine the indicator weight, game theory was used to integrate the subjective weight (the analytical hierarchy process method) and the objective weight (the entropy method). Thus, the relatively balanced comprehensive weight was obtained. With the methods mentioned above, the benefit of water diversion from the Yangtze River to Taihu Lake in 2014 was evaluated comprehensively. The assessment results of both methods show that the Yangtze River to Taihu Lake Water Diversion Project has had a significantly positive effect on the intake area. However, the fuzzy set pair analysis method, which used the fuzzy connection degree to describe the certainty or uncertainty of the evaluation object and evaluation criteria, can provide more information.

Yangtze River to Taihu Lake Water Diversion Project; benefit evaluation; comprehensive evaluation; fuzzy set pair analysis; game theory; comprehensive weighting

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.008

國家科技支撐計劃(2013BAB06B01)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(CXZZ12_0240)

王棟(1986—)，男，博士研究生，研究方向為水文不確定性理論與應用。E-mail：wangd1986@163.com

梁忠民，教授。E-mail:zmliang@hhu.edu.cn

TV213.4;TV68

A

1004-6933(2017)01-0035-06

2016-08-02 編輯：徐 娟)