基于AHP和改進(jìn)熵權(quán)法的水資源配置與水循環(huán)分布合理度的綜合評價

楊木易

(溫州市生態(tài)環(huán)境促進(jìn)中心,浙江 溫州 325000)

1 概 述

水資源配置和水循環(huán)相互依賴,水資源配置方案的制定要遵循水循環(huán)的規(guī)律[1]。水的自然循環(huán)和社會循環(huán)共同構(gòu)成了整個水資源系統(tǒng)的循環(huán)。如果把水的自然循環(huán)看作是自然因子推動下的產(chǎn)物,那么,水的社會循環(huán)則是人文因子推動下的產(chǎn)物。因此,水資源配置是基于水的社會循環(huán)而進(jìn)行的資源配置。水的社會循環(huán)在水的自然循環(huán)中處于子系統(tǒng)地位,指水資源在社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的開發(fā)和利用,農(nóng)田耕作、工業(yè)生產(chǎn)等活動在水循環(huán)所起的作用,也就是水資源配置對水循環(huán)系統(tǒng)的影響[2]。

水是人類賴以生存發(fā)展的最重要資源之一,其合理配置關(guān)系到國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施和人民生活質(zhì)量的提高[3]。而水循環(huán)在“社會”系統(tǒng)中的流程主要體現(xiàn)在“取水—導(dǎo)水—使用—排污—再利用”五個步驟中。水資源配置過程中,將水資源根據(jù)其上述步驟和用途進(jìn)行區(qū)別和循環(huán)利用時,應(yīng)保持低成本原則。水資源配置由“提供所需水量,達(dá)到所需水質(zhì)”的水供應(yīng)系統(tǒng)、“肩負(fù)水環(huán)境責(zé)任”的用水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)及“社會—自然”間循環(huán)再利用系統(tǒng)組成[4]。

欲確定水資源配置中各部分項(xiàng)目的權(quán)重,可以通過專家和技術(shù)人員的主觀思考進(jìn)行推斷,循環(huán)評分法和層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)等方法都是主觀賦權(quán)方法,利用這些方法的益處在于能夠反映社會的發(fā)展規(guī)律和研究人員的主觀能動性,缺陷是過于主觀,缺乏客觀權(quán)威的觀點(diǎn)進(jìn)行支撐[5];也有人提出基于專家知識或模糊理論的定量計(jì)算方法,如信息論中的貼近度等,但主觀性強(qiáng),應(yīng)用范圍有限[6-7]。除了主觀賦權(quán)的方法外,還有客觀的方式可以用來計(jì)算水資源配置各部分的權(quán)重值,典型的方式是熵權(quán)法,但通過這些方法計(jì)算所得的權(quán)重值可能因?yàn)槊撾x主觀而不符合實(shí)際情況。除了純客觀和純主觀的方法之外,還有客觀主觀相輔相成的綜合評論方案,這種方案既有社會經(jīng)驗(yàn)的支撐,還有客觀權(quán)威的觀點(diǎn)作為分析依據(jù)。

瀏覽當(dāng)前大多數(shù)水資源優(yōu)化配置與評價研究的成果,主要對配置方法、配置過程這兩個層次進(jìn)行了考察,而關(guān)于后效性評價的研究成果很少[8-9]。由于傳統(tǒng)單一指標(biāo)評價方式無法全面反映出水資源在空間上的分布狀態(tài)以及變化特征,所以不能為水資源合理配置提供科學(xué)可靠的決策支持。針對上述情況,本次研究基于水資源高效利用與可持續(xù)發(fā)展的視角,開展了水資源綜合配置評價,同時介紹了熵權(quán)法,構(gòu)建了基于熵權(quán)法的區(qū)域水資源評價模型,系統(tǒng)性地分析了水資源分配問題,其目的是提高水資源利用效率,并針對水資源配置評價中存在的復(fù)雜問題,提出了科學(xué)合理的意見和決策依據(jù)。

本文以主觀的層次分析法與客觀的熵權(quán)法相融合,選用將客觀計(jì)算數(shù)據(jù)代入主觀的方法中,主觀的想法代入客觀的計(jì)算過程,兩種方法同步進(jìn)行,通過這種方式,得出水資源配置和水循環(huán)各部分的權(quán)重值,計(jì)算出權(quán)重平均值,以上述方式得出的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,同時符合社會經(jīng)驗(yàn)。

2 熵權(quán)法的水資源配置

2.1 水資源配置評價體系構(gòu)建

2.1.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

區(qū)域性水資源優(yōu)化配置主要是統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境與效率合理性之間相互制約與協(xié)同的關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),構(gòu)建了評價指標(biāo)體系,這些評價指標(biāo)體系要求在不同層面和視角下進(jìn)行,從不同層次切入,客觀反映一定區(qū)域水資源基本狀況、開發(fā)利用現(xiàn)狀和供需關(guān)系的基本信息[10]。為此,結(jié)合研究地區(qū)水資源供應(yīng)需求的情況和特點(diǎn),參考中國水資源供應(yīng)需求數(shù)據(jù),圍繞4個層面對水資源配置進(jìn)行評價,這4個層面分別是社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、效率,主要有目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3個層次。

表1 水資源綜合配置評價體系的構(gòu)建

2.1.2 資源配置評價指標(biāo)權(quán)重確定

研究以熵權(quán)法為主。所謂“熵權(quán)法”,主要指具有多維度評價指標(biāo),并對指標(biāo)權(quán)重作多方位客觀評價,在水資源配置評價工作過程中,實(shí)踐性、操作性較強(qiáng),能科學(xué)地反映數(shù)據(jù)后面所包含的信息,綜合加入了不同指標(biāo)之間的差異性從而便于辨別,能使研究有效地避免由于指標(biāo)之間差異性小造成的評價效果不佳的問題,從而綜合體現(xiàn)水資源開發(fā)、使用和配置狀況[11]。通過構(gòu)建指標(biāo)體系并計(jì)算各指標(biāo)相對于總目標(biāo)的隸屬度函數(shù)以及確定各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度,進(jìn)而得到各個指標(biāo)與總體指標(biāo)之間的相互關(guān)系,以此來實(shí)現(xiàn)對于水資源合理配置程度的評估。基于熵權(quán)法的水資源綜合評價總體思路主要是,針對某一指定的指標(biāo),其水資源配置效果評價目標(biāo)差異性越大,則這一指標(biāo)更具有重要意義,并且權(quán)重值大。并以此為依據(jù)對指標(biāo)進(jìn)行變異分析,真實(shí)地體現(xiàn)了不同指標(biāo)所占權(quán)重值,為開展水資源綜合評價工作提供了較為合理的依據(jù)。

2.2 評價模型構(gòu)建

近年來,熵權(quán)法在水資源評價中的應(yīng)用越來越多,在風(fēng)險決策與環(huán)境安全評價中也是如此,并取得了一定的效果[12]。熵權(quán)法在水資源綜合評價中的優(yōu)點(diǎn)是能充分體現(xiàn)社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境目標(biāo)、效率合理性以及其他準(zhǔn)則層下屬指標(biāo)層原始數(shù)據(jù)、計(jì)算流程,并且?guī)缀我饬x直觀,不受參考序列選取的干擾。最不滿意者與最滿意者,是熵權(quán)法中最為重要的兩個概念,也就是通過搜索不同指標(biāo)最不滿意值與最滿意值,在二者之間構(gòu)造一個二維數(shù)據(jù)空間,并以此為依據(jù)尋找最佳方案。同時熵權(quán)法較傳統(tǒng)評價模型能更快、更精確地尋找最佳方案。

評價模型的構(gòu)建途徑:首先,將準(zhǔn)則層下屬指標(biāo)層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化;其次,根據(jù)各個指標(biāo)所處狀態(tài)不同,采用相應(yīng)的方法將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量化形式。以極值標(biāo)準(zhǔn)化法為主,利用最終得到的歸一化實(shí)際值,進(jìn)行對應(yīng)指標(biāo)所處真實(shí)狀態(tài)分析,獲得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣:

完成上述步驟,執(zhí)行最不滿意值,尋找最為滿意與最不滿意水資源配置方案,計(jì)算各個方案相對于理想解的貼近度,按Ci值大小排序,Ci越大,方案越好。

3 AHP的配置層次分解

AHP能夠?qū)⑸婕耙胤彪s的目標(biāo)問題進(jìn)行分解,分解后構(gòu)建成層層關(guān)聯(lián)的體系,即把對象分解成若干對象或規(guī)范,然后再分解成多指標(biāo),再采用標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)數(shù)值模糊計(jì)算各層次的單權(quán)重?cái)?shù)量和多權(quán)重?cái)?shù)量[13]。這個方法把決策者對事物認(rèn)識程度劃分成多個層次,在每個層次中設(shè)置了相對應(yīng)的子因素集,從而確定出相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。也就是依據(jù)需要研究的目標(biāo)問題自上而下的層次,分析每個層次的多個指標(biāo)和子目標(biāo),再比較得出各層次指標(biāo)跟上一層次指標(biāo)的權(quán)重優(yōu)先級,最后利用加權(quán)和的算法計(jì)算得出每個指標(biāo)在目標(biāo)問題中所占的權(quán)重,比較各指標(biāo)的最終權(quán)重值,權(quán)重值最高的指標(biāo)對應(yīng)的方案,即為最合適的方案。在進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃時,可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的層次分析模型和計(jì)算方法。AHP在面對要素繁雜、層次錯綜雜亂的問題系統(tǒng)時,具有獨(dú)特的便利性和優(yōu)勢,但AHP方法的缺陷在于其最終計(jì)算得出的目標(biāo)數(shù)值,因?yàn)槿狈陀^權(quán)威的觀點(diǎn)和數(shù)據(jù)支撐,在決策方案中無法準(zhǔn)確地表述問題。

利用層次分析法分析水資源配置和水循環(huán)相關(guān)問題時,針對水資源配置,將其分為三部分:水資源狀況、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)。水資源配置層次分解指標(biāo)見圖1。

針對水循環(huán)分布,根據(jù)場景將其分解為自然水循環(huán)和社會水循環(huán)兩部分。水循環(huán)層次分解指標(biāo)見圖2。

圖2 水循環(huán)層次分解指標(biāo)

4 計(jì)算方法

4.1 層次分析法(AHP)

AHP通過構(gòu)建判斷矩陣、計(jì)算特征值進(jìn)行層次單排序和一致性檢驗(yàn),可應(yīng)用于處理多目標(biāo)、多指標(biāo)和多方案的優(yōu)化決策問題。

層次排序就是用解決判斷矩陣特征向量問題的方法,求出各級指標(biāo)在鄰近前一級指標(biāo)中的優(yōu)先權(quán)重,最后對總目標(biāo)進(jìn)行加權(quán),得到最終權(quán)重。

模糊層次分析法計(jì)算步驟如下:

步驟1:建立層次分析結(jié)構(gòu)圖。從上至下分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、標(biāo)準(zhǔn)層。

步驟2:構(gòu)建模糊互補(bǔ)矩陣。對同一層次兩兩指標(biāo)的重要性進(jìn)行主觀評價,并采用0.1～0.9標(biāo)度法進(jìn)行判斷賦值(見表2),從而構(gòu)建模糊互補(bǔ)矩陣M=(axy)mm。其中,axy為x與y相比較的重要性判斷值,取值范圍為[0.1,0.9]。若axy>0.5,則元素x比y重要;若0

表2 0.1～0.9標(biāo)度法

步驟3:構(gòu)建模糊一致矩陣。將模糊互補(bǔ)矩陣每一行元素求和,然后通過式(1)進(jìn)行模糊一致矩陣轉(zhuǎn)換:

(1)

式中:ax、ay分別為矩陣M中第x行、第y列的和;bxy為模糊一致矩陣中第x行、第y列元素值;m為模糊互補(bǔ)矩陣M的維數(shù)。

步驟4:根據(jù)模糊一致性矩陣計(jì)算各評價指標(biāo)權(quán)重。公式為

(2)

4.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法對權(quán)重進(jìn)行客觀評估。在分析指標(biāo)信息分布規(guī)律和指標(biāo)之間關(guān)系基礎(chǔ)上,運(yùn)用熵權(quán)法確定各指標(biāo)值的權(quán)重系數(shù)。

熵權(quán)法的計(jì)算步驟如下:

步驟1:數(shù)據(jù)初整理。由于來自不同領(lǐng)域的各指標(biāo)數(shù)據(jù)量綱不同,需進(jìn)行歸一化處理。

對于越大越優(yōu)型指標(biāo):

(3)

對于越小越優(yōu)型指標(biāo):

(4)

式中:P′fg、Pfg分別為歸一化處理前后第f個樣本的第g個指標(biāo)值;P′g為所有樣本中第g個指標(biāo)的原始值。

步驟2:求基于指標(biāo)g的樣本f的比重,公式為

(5)

步驟3:求指標(biāo)g的熵值,公式為

(6)

其中

步驟4:求指標(biāo)差異度,公式為

Rg=1-Og

(7)

步驟5:確立指標(biāo)權(quán)重,公式為

(8)

4.3 主客觀評價方案權(quán)重融合

a.主觀模糊層次分析法與客觀熵權(quán)法相融合(A)。先采用主觀模糊層次分析法,計(jì)算各評價指標(biāo)的權(quán)重ay值;再基于熵權(quán)法中指標(biāo)差異度Rg對主觀分析法所得權(quán)重進(jìn)行調(diào)整,對其進(jìn)行歸一化處理,得到融合權(quán)重值。

(9)

b.客觀熵權(quán)法被納入主觀模糊層次分析法(B)。根據(jù)各個指標(biāo)數(shù)據(jù),采用熵權(quán)法對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算,并按照大小進(jìn)行排序,專家們結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對兩兩元素指標(biāo)在同一水平上的重要程度進(jìn)行評判,構(gòu)建判斷矩陣,采用模糊層次分析法獲得融合權(quán)重的結(jié)果wg。

c.綜合賦權(quán)法(C)。求w1g和w2g的平均值得出最終融合權(quán)重。

(10)

5 案例分析

選取長沙市作為研究區(qū)域,根據(jù)長沙市的流域分布、城市農(nóng)村分布、地理位置等因素,從水資源健康度、地方經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境三個層次中,抽取了9個指標(biāo),同時對長沙市內(nèi)的9個區(qū)域進(jìn)行權(quán)重計(jì)算,9個區(qū)域分別為芙蓉區(qū)、天心區(qū)、岳麓區(qū)、開福區(qū)、雨花區(qū)、望城區(qū)、瀏陽區(qū)、寧鄉(xiāng)市、長沙縣。長沙市水資源配置指標(biāo)體系見圖3,長沙市水資源配置各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值見表3,權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表4。

圖3 長沙市水資源配置指標(biāo)體系

表3 長沙市水資源配置各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值

表4 權(quán)重計(jì)算結(jié)果

表3、表4中y1～y10分別表示多年平均年降水量(mm)、人均水資源量(m3)、水資源開發(fā)利用率(%)、人均生活用水量(m3)、人均GDP(萬元)、萬元工業(yè)增加值耗水量(m3)、萬元工業(yè)增加值用水量(m3)、城鎮(zhèn)化率(%)、防護(hù)林草灌溉面積比率(%)、污水集中處理量(萬m3/a)。

由表4可知:?由主觀模糊層次分析法與客觀熵權(quán)法相融合(A)計(jì)算的權(quán)重中,萬元工業(yè)增加值用水量所占比例最大,為0.295;其次是污水集中處理量,為0.195;城鎮(zhèn)化率所占權(quán)重最小,為0.041;最大、最小權(quán)重值相差較大;?由客觀熵權(quán)法被納入主觀模糊層次分析法(B)計(jì)算的權(quán)重中,污水集中處理量權(quán)重最大,為0.149;其次是萬元工業(yè)增加值用水量,為0.144;多年平均降水量最小,為0.083;最大、最小權(quán)重值相差較小,不能較好地反映指標(biāo)權(quán)重變化;?綜合賦權(quán)法(C)中,萬元工業(yè)增加值用水量權(quán)重最大,為0.220;其次是污水集中處理量,為0.172;人均GDP權(quán)重最小,為0.064;該方法綜合考慮了生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益、水資源狀況等各方面的要求,指標(biāo)權(quán)重大小較分散,卻又不相差懸殊,該權(quán)重結(jié)果可信,因此綜合賦權(quán)法在評價水資源優(yōu)化配置及水循環(huán)分布合理度時其可行性是可以保證的。

6 結(jié) 語

在傳統(tǒng)的水資源評價方法中,由于忽略了指標(biāo)之間的相互影響及各因素自身屬性信息而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。所以如何運(yùn)用有效的評價方式來分配水資源是一個亟待解決的問題。為此,本文將主觀觀點(diǎn)和結(jié)論代入客觀權(quán)威的推論中,再將客觀權(quán)威的推論代入主觀的觀點(diǎn)中,根據(jù)這兩個方法分別得到兩個權(quán)重值,取這兩個權(quán)重值的平均值,這樣的綜合賦權(quán)得出的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,也更符合實(shí)際。

采用層次分析法對水資源配置及水循環(huán)的有關(guān)問題進(jìn)行了分解,再利用基于層次分析法的熵權(quán)法得出的結(jié)論,獲得最佳實(shí)施方案,目的是為優(yōu)化配置水資源提供一定的參考依據(jù)。

綜合分析認(rèn)為,各種社會活動在一定程度上破壞了該地區(qū)水資源配置的平衡系統(tǒng),在農(nóng)業(yè)用水中實(shí)施節(jié)水澆灌、興建水利工程能夠在一定程度上在保證水循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下,改善該地區(qū)的水資源配置。