基于改進模糊物元分析法的遼寧省最嚴格水資源管理評價

陸靜良

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

回良玉曾在2009年的全國水利工作會議上提出，應結合我國的水利基本國情建立最嚴格水資源管理制度，嚴格按照“三條紅線”進行水資源管理；陳雷部長在全國水資源管理會議上提出實現社會經濟的可持續發展必須保證實施水資源的最嚴格管理[1]。我國政府提出當前水資源過度開發問題應嚴格控制、明顯改善水資源浪費和嚴重污染問題，努力按照“三條紅線”基本要求保證用水總量、用水效率系數和納污能力符合控制標準。根據中央、國務院提出的基本要求和根本出發點，我國水利學者利用多種手段和技術方法從多方面開展了大量的研究，其中主要包含“三條紅線”的解析、基本思路和主要原則、實施措施和制度保障等，而有關水資源管理水平和主要問題的研究相對較少[2]。隨著水資源管理的進一步發展和研究，全國范圍內普遍建立了關于水資源管理的制度和相關措施。目前，對水資源管理水平進行評價，以及全面、科學地對未來水資源管理狀況進行預測已成為驗證水資源管理相關制度措施是否科學合理的主要研究內容?？茖W合理地對評價指標進行篩選將直接影響評價結果的準確性和科學性，故對不同的研究區域應結合當地的水資源管理實際情況建立評價指標體系。用于水資源評價的方法很多，主要有層次分析法、熵權法、模糊分析法以及組合權重法等，因此，應結合區域經濟發展狀況和水資源開發利用情況，采取科學合理的計算評價方法對水資源管理水平的評價具有重要意義[3- 6]。

據此，文章在詳細分析了物元分析的基本理論和計算方法的基礎上，分別利用層次分析法和熵權法對體系中指標層和準則層的指標權重系數進行計算，然后建立了基于改進模糊物元分析法的最嚴格水資源評價模型，對遼寧省水最嚴格資源管理水平進行模擬和預測。

1 基于改進的熵權模糊元分析法

1.1 基于改進熵權法的權重計算

目前層次分析法、變權分析法、熵值法和博弈組合權重法等是應用于最嚴格水資源管理評價的主要評價方法。其中層次分析法是以專家學者的知識經驗對指標權重進行賦值，該方法具有一定直觀判斷性，受個人影響因素較大；變權分析法主要是適用于在指標賦予值過低時可對整體評分產生顯著影響的情況，該方法是通過提高過低分數指標的權重使綜合評價得分更加合理；熵值法是對指標離散程度賦予客觀的指數，但可能會遠遠偏離指標在實際情況中的權重比值；博弈組合權重法是將不同評價指標權重進行關聯、法則規劃等作用，以權重集的形式進行賦權，具有一定的可靠性[7]。

因對研究區域生態效應成效機制的認識存在一定的局限性和缺陷，且為了提高評價結果的可信度，使其更加貼近實際情況，文章在充分考慮了各種主客觀因素的基礎上，采用組合賦權的方法對評價指標進行權重計算[8]。文章所采用的層次分析法主要是以專家的知識經驗為基礎，首先將關鍵因素按照一定的規則自上而下地分解成若干層，然后按照指標尺度構造各層要素之間的判斷矩陣，并通過檢驗指標一致性結果計算權重向量，進行權重組合。文章分別利用熵權法和層次分析法對不同層級的評價指標進行權重系數計算，計算過程如下：

首先設定水資源管理評價的方案個數為n，評價體系中包含的指標數總數為m，表達為X=(xij)m×n;(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)。因不同評價指標之間的量綱和單位存在一定的差異性，故需對判斷矩陣進行統一規范化處理，并得到相對隸屬矩陣：R=(rij)m×n(i=1，2，…，m;n=1，2，…，n)。

經濟型評價指標其計算結果越大則評價越優，經濟型評價指標的相對隸屬度可采用下式進行計算：

(1)

成本型評價指標其計算結果越小越優，此類評價指標的相對隸屬度可采用下式進行計算：

(2)

式中，rij—第j個評價方案中的第i項評價指標的相對隸屬度；(xij)max、(xij)min—在不同方案中同一評價指標xij的最大值和最小值。

評價指標熵的確定可按下式進行計算：

(3)

(4)

式中，Hi—方案中第i項評價指標的熵值；n—所選方案的總數；fij—第j個評價方案中的第i項指標權重占評價的權重值。

根據上述計算結果可對各評價指標的熵權進行計算，計算公式如下：

W=(ωi)1×m

(5)

(6)

式中，ωi—各評價指標的熵權，取值范圍為0～1，所有評價指標的熵權之和為1；W—熵權特征向量。

將上述一級和二級權重計算結果進行綜合計算可得AHP-熵權的合成權重即為評價指標目標層的組合權重，綜合計算公式如下所示：

Wj=WiWij

(7)

式中，Wj—評價指標在目標層的組合權重；Wi—一級權重即準則層相對熵權；Wij—二級權重即指標層相對熵權。

1.2 構建模糊元模型

事物、特征和向量是描述物元分析理論的關鍵性參數要素，設定體系評價對象為M，其特征為C，特征向量為X，則進行評價的基本物元為R=(M，C，X)，利用上述的評價事物、特征和向量分析研究這些物元及其變化規律。設定向量X具有一定的模糊性即X為基本模糊物元，設定M具有m個評價指標C1，C2，…，Cm和向量值X1，X2，…，Xm。綜上所述，R即為具有m個維度的模糊物元，則具有m個維度的n個樣本構成的復合模糊物元如下所示：

(8)

式中，Xij—第i個評價指標在j樣本中的模糊量值。

不同評價指標之間的單位和量綱存在一定的差異，故需對模糊物元進行從優隸屬度計算，結合不同評價指標的類型，則經濟型和成本型評價指標的從優隸屬度可按下式進行計算：

(9)

式中，μij—方案j在第i項評價指標的從優隸屬度；(Xij)max、(Xij)min—分別為評價指標的最大值和最小值。

根據上述計算結果可構建在n個樣本中的m項評價指標從優隸屬度模糊元矩陣如下：

(10)

文章中模糊物元R0m與Rmn之間的差的平方用Δij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)表示，則模糊物元RΔ的表達式如下：

(11)

文章通過計算歐式貼近度ρHj，構建貼近度模糊物元矩陣RρH，計算公式如下：

(12)

RρH=[ρH1，ρH2，…，ρHn]

(13)

2 遼寧省最嚴格水資源管理評價指標體系

2.1 研究區域概況

遼寧省位于我國東北地區西南部，屬于溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥漫長，夏季多雨炎熱，全年降雨量和徑流量分布不均勻，其中西部水資源面積較大[9]。遼寧省工業發展充分、畜牧業和農林業發展迅速，不僅是我國的糧食基地也是工業發展中心。研究區域地勢由東南向西北呈逐漸降低趨勢，包含低山地丘陵區，在水資源管理中主要出現的問題有水供應能力不足，局部地下水過度開采、水污染和浪費情況嚴重、工農業廢水排放不達標、水資源凈化設施不完善等[10]。隨著社會的發展以及人們對生活質量的提高，當前的水資源問題已無法保證人們正常生活水平質量的需要，嚴重制約了東北部地區的經濟發展。為保障經濟建設的健康發展，提高人們生活水平質量并緩解供水緊張壓力，就必須建立健全水資源管理制度，加強水資源綜合管理控制，節約減少水資源浪費，合理開發利用水資源[11]。

2.2 建立評價指標體系

全面、科學地對評價指標進行篩選是影響評價結構準確性的主要影響因素之一，文章結合遼寧省水資源分布結構和開采利用現狀，通過將理論分析法和專家經驗法相結合建立了水資源管理評價指標體系，并結合相關資料數據確定了各評價指標的標準等級，評價指標體系和標準見表1。

表1中性質欄，升代表越大越優型指標，降代表越小越優型指標，A1表示水資源人均用量、A2表示水資源開發利用率、A3表示農業用水比例、A4表示生態用水比例、B1表示GDP萬元用水量、B2表示工業萬元增加值用水量、B3表示農業灌溉利用系數、C1表示達標率、C2表示生活污水處理率、C3表示排放廢水合格率，文章以2015年的水資源管理現狀為基準，對2018年和2020年水平年的管理水平進行預測評價。

表1 遼寧省水資源評價指標體系及標準

3 遼寧省最嚴格水資源管理評價

3.1 基于改進熵權法的指標權重計算

首先構造判斷矩陣，確定一級權重為然后確定指標層對準則層的權重。根據表1所構建的遼寧省最嚴格水資源管理評價指標體系及其評級標準，用熵權法公式計算出指標層對準則層的二級權重，以及指標層對目標層的組合權重，見表2。

表2 遼寧省水資源管理指標評價體系及指標權重系數

3.2 構建模糊物元分析模型

結合文中所述的熵權法計算基本公式和評價指標賦予系數，構建了評價模型，根據遼寧省的不同年份的樣本和指標數據建立了模糊物元R，然后利用文中所述公式的從優隸屬度構建了Rmn，并根據計算公式構造RΔ，計算結果分別如下：

歐式貼進度ρHj的計算是以各評價指標的權重計算結果為基準，利用模糊矩陣元RρH進行計算，各樣本的貼進度計算結果如下：

3.3 評價結果分析

計算得到遼寧省2015年、2018年和2020年最嚴格水資源管理水平：2015年Ⅱ級,2018年Ⅱ級,2020年Ⅰ級。根據表1中對遼寧省2018年和2020年各評價指標的預測結果，采用改進的模糊物元分析法對各規劃水平年遼寧省最嚴格水資源管理水平進行預測[12]。

文章在確定了各評價指標的權重系數后，將熵值法與賦權法進行組合賦權，然后通過查閱相關文獻資料并借鑒有關專家學者的經驗公式，對各評價指標的靈敏性進行分析和判斷[13]，計算結果見表3。

表3 權重系數靈敏度計算結果

由表3可知，若要維持方案的優劣排序，各指標權重變化區間長度ω3>ω1>ω2，即用水效率控制的權重變化區間最小，敏感性最大；而納污能力的敏感性變化區間最大，故其受其他因素的影響作用程度較小，這也與遼寧省的實際情況保持一致。綜上所述，文章的權重系數整體敏感性較低，模型的評價結果具有良好的科學性和可靠度。

4 結語

文章在詳細分析了熵權法和層次分析法的基本原理和特征的基礎之上，通過將二者有效結合，應用于評價系統中的不同層級中。通過對各評價指標進行模糊化處理使得不同層級的評價對象不僅包含有關專家學者的理論知識經驗而且具有一定的客觀性，既降低了個人主觀因素的影響，而且避免了全部采用理論分析所引起的計算結果的偏差。文章所建立的評價指標體系具有較強的針對性和全面性，能夠涵蓋遼寧省水資源管理的關鍵性參數要素?；诟倪M模糊元分析的權重計算法表現出良好的精度和穩定性，評價模型表現出良好的適用性和準確性。

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