基于改進關聯分析模型的塔里木河流域水資源承載力評價

魏光輝

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒　841000；2.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊　830052)

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基于改進關聯分析模型的塔里木河流域水資源承載力評價

魏光輝1，2

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒841000；2.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊830052)

摘要：針對水資源承載力評價指標間模糊且相互關聯的特點,在綜合考慮從優隸屬度和灰色關聯的基礎上,提出了改進灰色關聯模糊評價法,并以新疆塔里木河流域為例,驗證該模型的可行性，結果表明:該模型可以有效減少評價過程中的主觀因素干擾,能全面、客觀地對區域水資源承載力狀況作出評價。

關鍵詞：水資源承載力；灰色關聯度；分辨系數；塔里木河流域

0前言

水資源是一個國家和地區在社會經濟發展和生態環境建設中不可或缺的重要資源，也是區域經濟可持續發展的戰略資源。隨著人口的增長和經濟的發展，水資源問題越來越成為制約區域可持續發展的瓶頸[1]。

錢正英[2]等人將水資源承載力定義為：“在某一具體的歷史發展階段，以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，以可持續發展為原則，以維護生態環境良性發展為條件，在水資源經過優化配置并得到合理開發利用的情況下，某一區域的水資源對該區人口增長與經濟發展的最大支撐能力”。在國際上，一些學者使用“水資源可持續利用”[3]或“水資源自然系統的限制”[4]等來表達類似的意思。

目前，國內外學者對水資源承載力評價方法進行了大量研究，這些方法主要有背景分析法[5]、模糊綜合評判法[6]、DPSIR模型[7]，投影尋蹤法[8]、多目標決策分析法[9]、系統動力學模型(SD模型)[10]與極大熵權法[11]等，這些方法各有特點，但在具體的分析過程中都存在一定的局限性，且模型精度較難控制。

鑒于此，筆者在前人研究的基礎上，綜合考慮模糊數學理論與灰色系統理論的技術優勢，建立了基于改進灰色關聯模型的水資源承載力評價方法，以解決水資源承載力評價過程中信息量不全、難以定量和準確性不高的問題。

1灰色關聯分析法

灰色系統理論[12]是鄧聚龍教授在20世紀80年代提出的，灰色關聯分析是灰色系統理論的重要組成部分[13]。

設X0={x0(k),k=1,2,…,m}為參考數據序列，Xi={xi(k)，k=1，2，…，m；i=1，2，…，n}為評價數據序列。即共有n個評價數據序列，每個序列共有m個指標，則關聯系數表示為ξ0i(k):

(1)

關聯度計算方法:

(2)

在式(1)計算過程中，由于分辨系數δ的取值受人為因素影響，故將會導致式(2)計算結果具有一定的主觀性。

2改進灰色關聯分析法

由于灰色系統理論適合“外延明確、內涵不明確”這類問題的研究，模糊理論適合“內涵明確、外延不明確”這類不確定問題的研究[14]。故，本文綜合考慮上述2種方法的技術優勢，將其用來解決水資源承載力評價過程中信息量不全和準確性不高的問題。

2.1數據歸一化處理

由于評價指標之間量綱的不統一，這就需要首先對原始數據進行歸一化處理[15]，計算方法如下：

(1) 對于正指標(評價指標值越大，相應的水資源承載力值越大)，按照式(3)計算：

(3)

(2) 對于負指標(評價指標值越小，則相應的水資源承載力值越大)，按照式(4)計算：

(4)

式中:xij為i方案第j個指標的初始數據；maxxij為所有方案中j指標的最大值；minxij為所有方案中j指標的最小值；xij(k)為歸一化數據。

2.2參考數據序列

在本模型中，設參考序列為最優序列，則其從優隸屬度值均為1，即：

(5)

2.3差異空間變換矩陣Δij(k)

記Δij為參考數據列x0(k)與比較數據列xij(k)之間差值的絕對值。

(6)

(7)

式中:Δij的最大值表示為Δmax、最小值表示為Δmin。

2.4分辨系數

分辨系數δ的取值應客觀、科學，不應當帶有主觀性，故δ計算取值方法敘述如下：

(8)

設:η=Δi/Δmax,η表示平均值與最大值的比值；當Δmax≥3Δi時，δ取值區間為η≤δ≤1.5η;Δmax≤3Δi時,δ取值區間為1.5η≤δ≤2η。

2.5關聯系數計算

關聯系數ξij采用式(9)計算:

(9)

3水資源承載力綜合評價模型

3.1方案集和評價指標集

方案為x1，x2，…，xn，方案集則為:

(10)

系統有m個評價指標，評價指標集則為:

(11)

3.2決策矩陣的組成

決策矩陣由n個方案，每個方案有m個評價指標組成:

(12)

3.3計算關聯系數

詳見本文第2部分第2.1～2.5節。

3.4關聯系數矩陣

將在3.3節計算得到的差異空間變換矩陣Δij(k)中的所有數據，代入式(9)計算:

(13)

3.5關聯度及權重計算

關聯度和權重的計算按下列公式進行。

(14)

(15)

通過歸一化處理，評價指標權重wj和權重集W為:

(16)

3.6水資源承載力綜合評價

水資源承載力綜合值計算如下:

(17)

式中:W為評價指標權重集；ξT為矩陣ξ的轉置矩陣；G表示關聯度，該值越大，表明水資源承載力綜合值越大(也即水資源開發利用潛力越大)，反之則越小。

4模型應用

本文根據文獻[16]數據，采用改進關聯分析法對研究區水資源承載力進行綜合評價。

4.1評價指標選取

參考文獻[16]中的數據，選取耕地灌溉率x1、水資源利用率x2、水資源開發程度x3、供水模數x4、需水模數x5、人均供水量x6和生態環境用水率x7這7個因素作為研究區水資源承載力評價指標，組建得到塔里木河流域水資源承載力評價體系，該體系中各評價指標分級標準見表1。

表1　評價指標分級 [16] 表

表1中，1級表明水資源承載力綜合值狀況較差，水資源開發利用潛力低；3級表明水資源承載力綜合值狀況較好，水資源開發利用潛力大；2級介于兩者之間，表明水資源承載力綜合值狀況一般，水資源開發利用潛力適中。

4.2水資源承載力評價

根據文獻[16]資料，將塔里木河流域劃分為阿克蘇、和田、克州、喀什與巴州5個地區。各地區水資源承載力評價指標值見表2。

表2　各地區水資源承載力指標值[16] 表

(1) 參考數據列

由表1可知，除人均供水量與生態用水率為正指標外，其余均為負指標。根據式(5)構建理想指標集C:

C={40，4.9，8.2，0.8，0.7，4958.9，2}

通過對理想指標集數據進行歸一化處理，則各指標數據均變為1，即:

X0(k)={x0(1)，x0(2)，x0(3)，x0(4)，x0(5)，x0(6)，x0(7)}={1，1，1，1，1，1，1，1，1}

(2) 數據歸一化處理

根據式(3)與式(4)，對表2中數據進行歸一化處理，結果見歸一化矩陣X(k)ij：

(3) 差異空間變換矩陣

根據式(6)進行差異空間變換，得到差異空間變換矩陣Δij(k)：

由差異空間變換矩陣可知：Δmax=1，Δmin=0，Δi=0.4599。

根據本文2.4節敘述可知，由于Δmax≤3Δi，故分辨系數取值范圍為0.6899<δ<0.9198，本文在計算過程中取δ=0.8(最大值與最小值的平均值)。

將δ=0.8代入式(9)，得到關聯系數計算公式:

(18)

(4) 關聯系數矩陣計算

(5) 關聯度和權重

根據式(14)、(15)與式(16)，計算得到各評價指標關聯度及權重W={0.1127，0.1451，0.1367，0.1768，0.1755，0.1311，0.1220}

(6) 水資源承載力綜合評價

將矩陣ξ的轉置矩陣ξT、權重集W代入式(17)，可得各評價區水資源承載力關聯度綜合值，見表3。

表3　水資源承載力綜合值計算結果對比表

由表3可知，評價區域中，克州地區的水資源承載力最高，喀什地區的水資源承載力最低。水資源承載力由高到低的排列順序為:克州>巴州>和田>阿克蘇>喀什，各評價區域水資源承載力等級均為2級。

4.3評價結果對比分析

為了檢驗本文所建模型的準確性，將本文計算結果與文獻[8]投影尋蹤模型水資源承載力評價結果進行對比(見表3)，可知：利用改進關聯分析法計算所得結果和投影尋蹤模型評價結果在承載力排序上基本相同(見表3),在水資源承載力等級計算結果上完全相同。這充分說明了本文所建模型是可以應用于區域水資源承載力評價中的，評價結果也是客觀準確的。

5結語

本文以新疆塔里木河流域為例，建立了基于改進灰色關聯模型的水資源承載力評價方法，研究結果表明：

(1) 改進灰色關聯模型在一定程度上克服了人為因素對分辨系數的影響，使得評價結果更加客觀、科學與合理；

(2) 改進灰色關聯模型充分考慮到了評價指標間的相互影響，并通過對權重的處理使這種影響得到量化，能夠充分地反映出評價方案與理想方案的相近程度，克服單個理想方案決策時未能充分利用已知信息的問題；

(3) 在塔里木河流域各分區水資源承載力評價中，克州地區的水資源承載力最高，喀什地區的水資源承載力最低。水資源承載力由高到低的排列順序為：克州>巴州>和田>阿克蘇>喀什，各評價區域水資源承載力等級均為2級(水資源開發利用潛力適中)。為了保證流域國民經濟穩定、健康、可持續發展，仍然應建立和實施合理的水資源開發、利用和保護措施。

[1]Feng LH, Huang CF.A risk assessment model of water shortage based on information diffusion technology and its application in analyzing carrying capacity of water resources[J].Water Resour Manage,2008,(22):621-633.

[2]錢正英,張光斗.中國可持續發展水資源戰略研究綜合報告及各專題報告[M].北京:中國水利水電出版社,2001:27-59.

[3]Hunter C.Preception of sustainable city and implications for fresh water resources management[J]. Int J Environ Pollut,1998,(10):84-103.

[4]Falkenmark M, Lundqvist J .Towards water security: political determination and human adaptation crucial[J].Nat Resour Forum,1998,(21):37-51.

[5]姚治君,王建華,江東,等.區域水資源承載力的研究進展及其理論探析[J].水科學進展,2002,13(1):111-115.

[6]陳洋波,李長興,馮智瑤,等.深圳市水資源承載能力模糊綜合評價[J].水力發電,2004,33(3):1-14.

[7]陳洋波,陳俊合,李長興,等.基于DPSIR模型的深圳市水資源承載能力評價指標體系[J].水利學報,2004,(7):98-103.

[8]李衛華. 投影尋蹤模型在塔里木河流域水資源承載力綜合評價中的應用[J].黑龍江水專學報,2009,(4):36-39.

[9]Fang G H, Hu Y G, Xu Y. Research on the multi-objective evaluation model of regional water resources carrying capacity and its application[J].Water Resour Protect,2006,22(6):9-13.

[10]Feng LH, Zhang XC, Luo GY. Application of system dynamics in analyzing the carrying capacity of water resources in Yiwu City, China[J].Math Comput Simulat,2008,(79):269-278.

[11]Chen NX, Ban PL, Zhang WB. Fuzzy evaluation of the water resources carrying capacity based on the maximum entropy theory[J].J Irrig Drain ,2008,27(2):57-60.

[12]劉鋒,魏光輝.基于灰色關聯的水利工程方案模糊優選[J].水利發電學報,2012,(2):11-15.

[13]鄧聚龍.灰預測與灰決策[M].武漢:華中科技大學出版社,2002.

[14]鐘詩勝,王體春,丁剛,等.大型水輪機設計方案多屬性灰色模糊決策模型[J].計算機集成制造系統,2008,14(10):1905-1912.

[15]謝延敏,于滬平,陳軍,等.基于灰色系統理論的方盒件拉深穩健設計[J].機械工程學報,2007,43(3):54-59.

[16]黃輝.塔里木河流域水資源合理配置研究[D].烏魯木齊:新疆農業大學,2008.

Assessment of Bearing Capacity of Water Resources in Tarim River Catchment Based on Improved Relational Analysis Model

WEI Guanghui1,2

(1. Xinjiang Tarim River Catchment Administration, Korla841000,China; 2. College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi830052,China)

Abstract:Aiming at the features of the assessment index of bearing capacity of water recourses being fuzzy and related mutually, improvement of the gray relational fuzzy assessment method is raised in consideration of the membership degree and the gray relation. With the case of the Tarim River catchment, the model feasibility is verified. The study shows that this model can effectively decrease interference of subjective factors and fully and subjectively assess the bearing capacity of the regional water resources.

Key words:bearing capacity of water resources; gray relational degree; resolving factor. Tarim River catchment

中圖分類號：TV213.4

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.002

作者簡介：魏光輝(1981- )，男，新疆石河子市人，高級工程師，博士，主要從事干旱區水資源利用與工程建設管理工作.

收稿日期：2014-09-05

文章編號：1006—2610(2016)01—0005—05