基于云模型的水利現代化評價方法與應用

黃顯峰,劉展志,方國華

(河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

基于云模型的水利現代化評價方法與應用

黃顯峰,劉展志,方國華

(河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

從防洪除澇減災、水資源保障、水環境與河湖生態保護、農村水利保障、供排水工程、水管理服務以及水利發展保障7個方面建立了水利現代化水平評價指標體系，共27項指標，確定了各項指標的評價等級與標準，構建云模型對江蘇省新沂市水利現代化水平進行了評價。結果表明，新沂市水利現代化水平在2015年現狀的評價值分別為85.53(云模型)和84.56(集對分析)，均處于基本現代化階段，與實際情況相符；而2020年評價值為93.71(云模型)和91.38(集對分析)，預測能達到全面現代化，與“十三五”規劃目標相符，驗證了云模型評價方法的有效性和適用性。

水利現代化;指標體系;云模型;集對分析;新沂市

21世紀初,水利部成立了中國水利現代化進程研究小組,對我國水利現代化意義和內涵進行探討,建立了相應的評價指標體系。水利現代化建設是現代經濟社會發展不可或缺的基礎性支撐,更是改善生態環境不可替代的保障系統,具有鮮明的公益、基礎和戰略性質[1]。水利現代化進程同時也是我國經濟社會實現現代化發展的重要組成部分,根據國內外水利發展階段,水利現代化將是水利發展的必經之路。目前國內有一些學者對水利現代化提出了自己的分析見解。喻君杰等[2]提出了江蘇省水利現代化的目標內涵，同時構建了6大體系共22項指標系數的江蘇水利現代化指標體系;嚴玲[3]對蘇南水利現代化和指標體系進行了研究，并以此開發了水利現代化軟件;張穎等[4]結合蘇北實際情況進行了水利現代化指標體系的重新賦權研究。目前針對指標體系評價常用方法有多指標綜合評判、層次分析法、模糊綜合評價、TOPSIS等[5]。這些方法中有的計算復雜、主觀性強,有的定性成分過多、權重較難確定。云模型是一種新的評價方法,該方法兼具模糊性和隨機性,比較客觀精確,能夠較好實現定性與定量之間的轉化。胡尊芳等[6]利用云模型分析了東平湖枯水期地下水水質評價;張金鑫等[7]采用云模型對流域內人水和諧關系進行分析;喬丹穎等[8]采用云模型來評價中運河的安全性。然而目前還沒有學者采用云模型進行水利現代化評價,本文在前人研究基礎上,參照徐州市水利水務現代化評價指標體系,以江蘇省新沂市為實例對云模型應用于水利現代化評價進行了探討。

表1 水利現代化評價指標體系

1 水利現代化內涵

水利現代化是指由傳統水利向現代化水利以及可持續水利的轉變,以達到強化水利保障體系的能力,推進人與自然和諧相處并保持生態文明發展進步的目的。水利現代化建設是一項涉及不同領域、層次、階段的系統工程,水利現代化的最終目的是為了實現水資源的循環可持續利用,人水和諧,促進經濟社會不斷發展進步。根據我國的內涵要求并結合各地區規劃與實際[2, 9],可以概括水利現代化的內涵要求為:以經濟社會可持續發展以及人與自然和諧相處為原則,以先進科學的治水理念為指導思想,并基于經濟社會發展進步的要求,通過現代化裝備技術和管理手段,高效全面地改造傳統水利,并建立起保障經濟社會安全與可持續發展的防洪減災系統、水資源優化配置與有效供給系統、水環境保護系統和水利發展服務系統;最終實現人水協調、優化配置、防洪減災、山清水秀、供水保證、科學管理、高效運行、法制健全的目標,不斷提高社會的安全、富裕與舒適水平,不斷促進社會經濟的全面、協調與可持續發展。

2 水利現代化評價指標體系

2.1 評價指標體系

目前傳統水利仍然是通過水利工程的建造來滿足人類各種需求,使人類社會經濟不斷發展進步,而現代水利往往是通過加強水資源的優化配置,來達到水資源的循環高效利用,促進社會進步[10]。水利現代化評價指標體系以及評價方法均是水利現代化的核心問題,評價體系中應包括定性、定量和綜合評價三部分[11]。遵循國家水利發展方針,把水利現代化目標任務作為基礎,同時結合地區自然環境條件、水利各項現狀以及社會經濟支撐能力,水利現代化的總體要求和目標可大致概括為:防洪減災安全可靠、河湖生態優美健康、灌排標準全面提升、管理體系健全高效、水資源配置優化合理、調度運行科學有序。

水利現代化評價各指標的選取需遵循簡明、科學、實用的原則,同時要借鑒國內外經驗和教訓,既要定性定量相結合,也要系統性和操作性兼具,還要注意可比性和代表性。本文以水利部及江蘇省關于水利現代化建設的總體要求以及各地區縣域水利現代化要求與目標為依據,參照引用徐州市水利水務現代化評價指標體系[12],選取了包括防洪除澇減災、水資源保障、水環境與河湖生態保護、農村水利保障、供排水工程、水管理服務和水利發展保障體系7個方面的27項指標(表1)。其特點是,在江蘇水利現代化評價指標體系[13]的基礎上增加了供排水工程子體系,包括城市供水水質綜合合格率、區域供水覆蓋率、城市雨水排水達標率、城市污水集中處理達標率4項指標及城市污水處理回用率指標。

2.2 評價等級與標準

考慮經濟社會發展與全面小康社會的建設相適應,將水利現代化水平分為4個等級(N=4):起步期、初等現代化、基本現代化和全面現代化,最終評價等級也使用這4個等級,并確定各評價指標不同等級的標準值。水利現代化指標體系評價等級與標準見表2。

表2 水利現代化評價等級與標準

3 水利現代化指標體系云模型(CM)評價

3.1 云模型原理

云模型是一種兼具模糊性和隨機性的定性與定量轉換模型,通過具有一定隨機性的樣本點的值分析計算樣本的關聯性、模糊性以及隨機性[14-15],由3個特征值(期望Ex、熵En、超熵He)通過云發生器來實現樣本定性和定量之間的轉換。云模型不僅可以分析求解指標權重,也可以計算指標等級[5,16]。

期望Ex:與統計學中樣本的期望概念相同,是所有云滴的平均值,也是最具樣本特色的值;熵En:由樣本本身隨機性、模糊性定義,是樣本的不確定性度量,也反映云滴之間的離散和模糊程度;超熵He:由熵隨機性、模糊性定義,故可以稱為熵的熵,反映熵的不確定性度量。

云模型中的云發生器一般包括正向、逆向和條件云發生器3種:①正向云發生器(FCG)即通過云的數字特征Ex、En、He來產生定量云滴xi與隸屬度μi的過程,是由定性概念向定量指標的變化,如圖1所示。②逆向云發生器(BCG)則是將一定數量的精確數值xi轉化為其定性概念Ex、En、He,并根據3個數值特征做分析計算,是由定量數值向定性概念的轉換,如圖2所示。③條件云發生器由X云發生器與Y云發生器構成,他們均屬于特殊的正向云發生器,即已知Ex、En、He,同時已知特定條件X或者Y來產生隸屬度。通常由X與Y云發生器共同生成一個單條件單規則發生器,如圖3所示。其中,本文通過結合逆向與正向云發生器來計算體系權重,并用X條件云發生器來計算各個指標的等級隸屬度。

圖1 正向云發生器

圖2 逆向云發生器

圖3 單條件單規則云發生器

3.2 云模型確定指標權重

本文在計算權重時先用逆向云發生器求得3個特征值,再用正向云發生器補充云滴獲得權重,具體計算步驟如下[17]:

步驟1:收集一定數量專家各自的初始權重評價。

步驟2:通過逆向云發生器求解Ex、En、He;根據樣本值xi和樣本數n求Ex與樣本方差s2：

(1)

(2)

根據樣本均值求熵En:

(3)

根據樣本方差和熵求超熵He:

(4)

(5)

(6)

(7)

3.3 云模型計算指標等級

確定評價目標指標值X與評價指標等級標準S后,通過X條件云發生器來計算各指標評價等級。

首先計算3個特征值并根據正反向指標求解各個指標在各等級下的隸屬度[18,19]

(8)

式中:Sij,max,Sij,min分別為第i個指標在第j個等級中的上下限;Exij,Enij分別為第i項指標在j評價等級中的期望和熵。這里He=0.005,取云滴數m=1 000。

(9)

指標歸一化處理時,正向指標采用式(10)～(12),反向指標采用式(13)～(15)計算:

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

對每個樣本重復1 000次求出最后的確定度:

(16)

求出一個樣本對應的4個等級指標后進行歸一化處理:

(17)

通過級別特征值的方法進行評價等級評判[20],將最終評價等級以百分制形式表示:

(18)

式中k為各等級特征值。

整體評價等級評判:

(19)

式中μi為i體系的權重。

3.4 云模型評價流程

云模型具體應用實現過程如圖4所示。

圖4 云模型評價流程

4 實例研究

4.1 江蘇省新沂市水利現代化基本情況

水利現代化是經濟社會現代化不可或缺的一環,是各領域現代化的基礎與保障,制約影響整體現代化進程。新沂市位于江蘇省北部邊緣,是徐州市的一個縣級市,總面積1 616 km2。新沂市主要水系是“四河一湖”，即中運河、沂河、沭河、新沂河和駱馬湖,水資源總量豐富,達18.9億m3,地表水資源主來源于沂河、沭河、駱馬湖和高塘、阿湖兩座中型水庫。多年來,新沂市先后興建了大量的水利工程,形成了多級控制的工程體系,開挖、疏浚了16條河道;興建堤防總長度673 km;修筑了30座中小型水庫,水庫總庫容達到10 344萬m3;建設泵站264座,水閘191座,灌區8個,基本形成了水利現代化體系,為促進新沂市經濟社會發展和改善民生提供了重要的基礎保障。

4.2 云模型指標權重計算

首先收集10位專家對于各指標權重的意見,構建判斷矩陣,并把通過層次分析法計算出的專家評價權重作為初始權重(表3),然后再通過云模型的逆向、正向云發生器模擬1 000位專家的評價權重,通過求均值確定各指標的最終權重。

表3 層次分析法確定各系統初始權重

各指標體系權重的云模型圖像如圖5～11所示。

圖5 防洪除澇減災體系指標權重

由圖5～11可以看出,各指標體系的模擬權重呈正態分布,通過求均值來求出對應的權重分別為0.180 1、0.160 3、0.139 5、0.120 5、0.119 8、0.159 6、0.120 2。重復以上步驟,可計算出各子體系中各指標的權重,結果見表4。

圖6 水資源保障體系指標權重

圖7 水環境與河湖生態保護體系指標權重

圖8 農村水利保障體系指標權重

圖9 城市供排水工程體系指標權重

圖10 水管理服務體系指標權重

圖11 水利發展保障體系指標權重

由表4可以看出,不同指標權重差距較大,流域防洪達標率占比最大,達到0.069 9;供水保證率次之,為0.059 9;其余大部分指標權重介于0.02～0.06之間;水域面積率與水利科技信息化水平的比重最低,均為0.019 6。

表4 云模型確定的指標權重

表5 云模型確定的2015年及2020年指標等級

4.3 云模型評價等級計算

根據新沂市水利現代化指標現狀值與未來值,通過條件云發生器,可以計算各指標的等級隸屬度,然后通過級別特征值法可以求出各體系的評價值與整體評價等級,具體計算結果見表5和表6。

分析結果顯示2015年水利現代化評價中水資源保障體系的評價等級較差,只有73.16,其余大部分體系評分均介于80～90之間,而農村水利保障體系評分最高達到90.19,通過云模型最終計算得到的2015年整體評分為85.53,屬于基本現代化,與新沂市現狀相符,需要進一步加強水利現代化建設。而2020等級除水資源保障體系評分等級較差為89.08外,其余體系均達到全面現代化,整體等評分為93.71,屬于全面現代化,與新沂市水利發展“十三五”規劃目標一致。

4.4 評價結果分析

為了進一步驗證云模型的準確性,本文另外采用集對分析法[21]進行評價,并將兩種方法的評價結果進行對比分析。由集對分析得出評價等級結果見表7。

表6 2015年與2020年現代化云模型評價等級

表7 集對分析的現狀值與未來值的現代化等級

由表7可得根據集對分析計算求得的新沂市現狀值整體為84.56,屬于基本現代化,2020年未來值整體為91.38,屬于全面現代化,與云模型計算的結果一致。

根據最終現代化等級對比分析云模型與集對分析的優缺點:云模型除了具有模糊性以外同時還具有一定的隨機性,文中求出的現代化評價等級兩者的差距不大,云模型在計算過程中模擬的數據較多,更加精確可靠,同時正態分布是極其重要的概率分布,正態云模型的適用性和確定度較好。而在計算各個指標的隸屬度過程中,由于集對分析在計算過程中通常通過vk=(1+uk)/2來求解隸屬度,其最高隸屬度只能到0.5,不能十分精確地反映指標等級,而云模型可以更準確地反映該指標在某個等級中,而且云模型可以更好地處理邊界等級隸屬度問題。但是云模型在計算指標等級中,若某指標值處于中間等級時,在邊界等級評價的計算中可能會出現較小的誤差。

云模型計算求得的新沂市2015年水利現代化評價值為85.53,由集對分析計算求得的是84.56,兩者差別較小,均屬于基本現代化階段,且進一步向全面現代化發展。由各指標的等級隸屬度可以看出,流域防洪達標率、集中式飲用水源地水質達標率、城市供水水質綜合合格率均達到全面現代化的標準,其余部分指標也已經達到基本現代化階段。但仍有多項指標現代化程度較低,相關部門應加強城市排水設施的建設,加快工業化工廠的轉型,提高水資源利用率,同時也要注重污水處理與水利管理方面的加強,引進更多專業型人才并加強現代化建設。通過各方面的共同努力,盡快實現水利的全面現代化,爭取達到2020年的期望值。根據集對分析計算的新沂市2020年預測水利現代化評價值為91.38,云模型計算的新沂市2020年預測水利現代化評價值為93.71,均已實現全面現代化。

綜上,本文現狀評價結果與新沂市水利現代化現狀相適應,2020年的評價結果與新沂市水利現代化規劃和水利發展“十三五”規劃目標一致,評價結果具有合理性,驗證了本文水利現代化云模型評價方法的有效性和適用性。

5 結 語

水利現代化建設是一項涉及不同領域、階段、層次的系統工程,其目標是實現水資源的可持續利用,人與自然的和諧共處,以及經濟社會的可持續發展。云模型是一種新的評價方法,該方法兼具模糊性和隨機性,比較客觀精確,能夠較好實現定性與定量之間的轉化。目前結合云模型對水利現代化評價的研究尚未見報道。本文以新沂市為計算實例,通過云模型計算了各指標的權重和評價等級,并用集對分析進行對比,驗證了云模型評價結果的合理性。云模型既可以用來計算權重,也可以計算等級隸屬度,適用性較廣,在評價體系中有一定的應用意義。

當然,云模型在計算過程中,由于建模的不準確可能會導致超熵的計算出現問題,而在指標等級計算過程中,若某指標實際從屬于某中間等級,那么在計算其邊界等級隸屬度時可能會出現較小的誤差,需要對云模型做進一步優化研究。

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Evaluationandapplicationofwaterconservancymodernizationindexsystembasedonacloudmodel//

HUANG Xianfeng, LIU Zhanzhi, FANG Guohua

(CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Water conservancy modernization(WCM) forms an important part of the national modernization. To make the evaluation of WCM be more scientific and reasonable, an evaluation index system consisting of seven sub systems and twenty seven indices is established, including flood control and waterlogged reduction, water resources guarantee, water environment and ecological protection, rural water project guarantee, urban drainage and supply, water management service and water conservancy development guarantee. A cloud model(CM), which has both fuzziness and randomness is used for the evaluation.The CM determines the comprehensive evaluation index weight by using backward and forward cloud generator, and calculates the rank by condition cloudgenerator. The paper uses set pair analysis as a comparative analysis(SPA). A case study is put forward with XinyiCity of Jiangsu province. The results show that, the evaluation values are 85.53(CM) and 84.56(SPA)in 2015 and the level of WCM in Xinyi City is basic modernization, consistent with the actual situation.In 2020, the evaluation values are 93.71(CM) and 91.38(SPA), both can achieve the level of comprehensive modernization, consistent with the 13thFive-Year Plan. The effectiveness and applicability of the CM is verified.

water conservancy modernization; evaluation index system; cloud model; set pair analysis; Xinyi City

國家重點研發計劃(2016YFC0400909);國家自然科學基金(51279047)

黃顯峰(1980—),男,副教授,博士,主要從事水資源規劃與水庫調度研究。E-mail: hxfhuang2015@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.010

TV211.1

A

1006-7647(2017)06-0054-08

2017-02-18 編輯：鄭孝宇)