水資源承載力綜合評價模型分析

李凱，康彤，閆述濤，支越

(中國傳媒大學數據科學與智能媒體學院，北京 100024)

1 引言

隨著人類社會的進步，經濟的發展，工業、農業和城市的擴張，特別是世界人口的增長，環境惡化。水的污染和浪費也很嚴重。這使得世界水資源越來越稀缺。水資源短缺主要取決于供水和需水兩個方面，但兩者都具有隨機性和不確定性。因此，一個地區提供水以滿足其人口需求的能力也具有隨機性和不確定性。在評估能力時，我們應該考慮模型的重要性。綜合考慮了用水需求特征、水資源系統的復雜性和缺水分布等一系列因素。很難用一個指標來全面地描述和評價它。因此，我們應該從多方面綜合考慮。

2 模型的構建

2.1 基本方法

模糊綜合評價的主要思想是根據被評價對象自身的形式或性質，運用模糊關系產生的原理，從數量上描述被評價對象的種類。

2.2 建模步驟

基于熵權的模糊綜合評價模型的構建步驟如下：

(1)構建評價對象的因子域U={u1，u2，…，un}

(2)構建評價區域V={v1，v2，…，vn}

(3)在被評價對象的因子域U與評價域V之間進行單因素評價，建立模糊關系矩陣R，

式中Rij為因子區域u內因子的關聯度，對應于區域內的秩；

(4)綜合評價。水資源短缺風險評價的模糊綜合評價模型是W和U的復合運算，即B=(bij)1×m=W°R

其中°為模糊綜合算子。我們選擇加權平均算子M(°，⊕)對其進行綜合評價，選擇與之對應的評語作為最終評價結果。

2.3 確定相關關聯度

由表1得到水資源評價指標短缺風險屬于區間指標，關聯度函數如下：

表1 評價指標及分類情況

2.4 用熵權法確定熵權系數

(1)建立判斷矩陣R

R=(rij)，(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)

其中i為評價指標，j為評價對象。

(2)將判斷矩陣R標準化，得到標準化矩陣B且每個元素由bij表示。

其中bmax和bmin分別表示在公共評價指標中對結果最滿意或最不滿意的不同對象。

(3)根據熵的定義，確定熵的值

其中

由上式可知，熵權隨著熵值的減小而增大。這說明與評價指標相關的信息更加有效。相反，它表明該指標不重要。

3 模型的應用

首先，我們發現了山東、濟南、菏澤、聊城、德州、臨沂等6個地區在2014年的16個指標值。根據當地實際情況，得到各指標的具體數值。建立模糊矩陣R，確定相對關聯度和權重系數，得到水資源綜合評價結果，如表2所示。

表2 水資源綜合評價結論

模糊綜合評價結果表明，山東省、濟南市、德州市存在最嚴重的缺水風險，菏澤、聊城水資源處于臨界值，臨沂水資源豐富。因此，我們將山東省、濟南市、德州市、菏澤市、聊城市和臨沂市按總體缺水程度由高到低排序。同時，分別采用主觀權重、熵權和綜合權重對水資源短缺進行模糊綜合評價。評價結果基本一致。

表3 評價結果比較

綜合評價結果如表3所示，2014年山東省、濟南市、德州市水資源短缺風險較大，說明水資源供需形勢極為危險。菏澤、聊城等中等風險城市的隸屬度大于其他城市，說明供給與需求之間存在明顯的變化。總之，山東省是一個嚴重缺水的地區。通過查閱資料，總用水量為138.96億，綜合用水量為64.8%。之間、灌溉用水量是91.8億，林業和畜牧業用水量是14億，工業用水量是12.25億，3.6億城市公共用水，居民生活用水量是13.12億和生態環境用水量是4.16億.從指數和指標選擇模型中，很容易觀察到，水資源短缺的主要原因是高速率的灌溉用水消費、水資源開發利用、工業用水和城市公共用水。

4 敏感性分析

在應用模糊綜合評價模型之前，我們進行了生動的試驗。結果如圖1圖2所示：

圖1

圖2

由上表可知，變量模擬值與歷史值吻合較好。最大誤差小于1%。因此，模糊綜合評價模型的結果較好地符合實際，對水資源承載力的求解比較全面和有代表性，具有極大價值。