基于集對分析的區域產業結構與用水結構協調評價

劉　珊,吳成國,潘爭偉,張禮兵

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽 合肥　230009;2.合肥工業大學水資源與環境系統工程研究所,安徽 合肥　230009;3.安徽新華學院土木與環境工程學院, 安徽 合肥　230088)

基于集對分析的區域產業結構與用水結構協調評價

劉珊1, 2,吳成國1, 2,潘爭偉3,張禮兵1, 2

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽 合肥230009;2.合肥工業大學水資源與環境系統工程研究所,安徽 合肥230009;3.安徽新華學院土木與環境工程學院, 安徽 合肥230088)

摘要：從區域可持續發展的理念出發,以水資源合理利用為前提條件,在保證不犧牲水環境的前提下,構建了區域產業結構與用水結構協調評價指標體系,采用集對分析聯系度計算的同異反態勢度排序方法,參照生長曲線公式,提出了產業結構與用水結構協調發展指數公式,建立了基于集對分析的區域用水結構與產業結構協調評價模型。并將模型應用于山東省實例,模型計算結果與實際情況相符,計算過程簡潔,可操作性強,研究成果可為區域水資源發展規劃提供科學有效的決策依據。

關鍵詞：協調評價;產業結構;用水結構;集對分析;態勢度;山東省

隨著經濟社會的快速發展,資源與需求的矛盾也日趨緊張,人們的生存和發展離不開水資源,三大產業的生產和發展都依賴于水資源的支持,社會日益的工業化城市化,同時也出現了嚴重的水資源問題。產業結構與用水結構之間的相關性分析問題是目前迫切需要處理的問題之一,保證產業結構與用水結構之間的協調發展是促進社會經濟可持續發展的關鍵[1-2]。在水資源與產業結構問題分析方面的研究很多,雷社平等[3]以北京市為例運用相關理論分析與方法,系統地分析了北京市產業結構調整與水資源需求變化之間的關系;云逸等[4]運用回歸分析理論建立回歸模型研究產業結構與用水量之間的關系;蔡繼等[5]以湖北省為例運用灰色關聯度方法探索產業結構與水資源的相關關系;汪黨獻等[6]建立水資源投入產出模型定量分析國民經濟行業用水情況;以及由美國經濟學家Granger[7]提出的因果關系檢驗法進行格蘭杰檢驗。從這些研究方法來看,多數利用建模來定量分析產業結構與用水結構的相關關系,對于產業結構與用水結構協調問題的研究較少,雷社平等[8]以北京市為實例研究,應用協同學理論和復雜系統理論,構建了北京市產業用水系統內各組成子系統之間協調度模型。吳麗等[9]通過建立模糊的多目標優化模型進行區域產業結構與用水協調評價研究。這些方法都有其突出點,但都局限于產業結構與用水結構這兩個大系統之間,沒有綜合考慮其外部的用水環境。目前由于水資源的不合理利用使得用水效率低,同時出現用水緊張和用水污染的現象,缺水形式得不到緩解,水污染卻日益嚴重,因此在分析區域產業結構與用水結構現狀及相關性研究時,也要充分考慮水環境因素。本文在進行區域產業結構與用水結構協調評價時,綜合考慮選取產業結構、用水結構和水環境三大指標體系,應用集對分析原理構建綜合協調評價模型,綜合評價區域產業結構與用水結構的協調關系。協調評價研究促進經濟社會與環境的和諧發展,實現資源的最優最大化利用走可持續發展的道路,建設綠色環保型社會。

1集對分析理論

集對分析是一種創新的方法,由我國學者趙克勤[10]于1989年提出用以處理不確定性問題,現已廣泛運用于評價、管理、預測、決策和規劃等諸多領域[11-15],目前在自然科學、軍事科學、社會經濟、工程技術和人文教育領域應用非常廣泛。簡要闡述集對分析的思路:由給定的且擁有一定關系的2個集合組成集對H=(A,B),在某個具體問題前提下對H的特性作同異反分析。聯系數是一種結構函數,是將所研究的對象與給所定參考標準的同一性測度、差異性測度和對立性測度在同一個數學表達式中表現出來[16],其聯系度u的表達式為

(1)

式中:S為這個集對中A和B所共同擁有的特性數;F為集對中A和B既不共同擁有又不彼此對立的特性數;P為集對中A和B互相對立的特性數;N是這個集對中總共的特性數;a、b、c分別表示為在具體問題下的同一度,差異度和對立度，a+b+c=1;i為差異度系數,i∈[-1,1];j為對立度系數,j=-1。將式(1)中a、b、c進行大小比較,并用0.1到1.0之間的一個相應實數從小到大賦值,則所取得數值即為態勢度。同異反態勢排序[17]的態勢度見表1。

表1　態勢度取值

2構建區域產業結構與用水結構的協調評價模型

2.1評價指標選取

由于衡量區域產業結構與用水結構是否協調既有其確定性,又有其不確定性的特征,所以本文采用集對分析對山東省區域進行產業結構與用水結構的協調評價。

評價指標反映一定時間尺度上系統的狀態,能充分表明系統特征,是評判系統高低水平的依據和建立協調評價模型的基礎。因為產業結構與用水結構系統的復雜性和水資源系統的多樣性,需要建立能夠全面、精確、系統、科學地反映系統特征和內容的一系列指標體系，所以在選取指標時,要遵循客觀性、真實性、科學性和可操作性的原則[18]。根據目前全球發展的形式,第三產業在產業結構演變中地位更顯突出,高科技的迅速崛起和蓬勃發展使得產業結構變得更加高度化,一、二、三向三、二、一的轉變是三大產業發展的基本趨勢[19]。經濟的發展離不開水資源的開發利用,所有的國民經濟包括生態系統都需要用水,而不合理用水現象隨處可見。分析三大產業的用水現狀,從用水效率和用水效益角度綜合考慮,科學用水,保證用水結構的合理性和協調性是必要的。根據區域水環境自身的特點,結合產業結構與用水結構所依賴的水資源屬性,從水環境容量、水污染總量控制和節水的角度考慮水環境指標體系。綜合考慮選取經濟效益、用水效益和水環境為三大類評價指標,并構建了三大類指標下的14個單項指標,分別是經濟效益指標:第一產業產值占GDP比重、第二產業產值占GDP比重、第三產業產值占GDP比重、研發科技經費支出占GDP比重;用水效益指標:工業用水比重、農業用水比重、第三產業用水比重、生活用水比重、人均生活用水量、人均水資源量;水環境指標:萬元GDP廢水排放量、農業單位面積施肥量、工業廢水排放達標率、污水處理率。由此即可構建水環境體系下區域產業結構與用水結構協調評價指標體系。

2.2評價標準建立

按照國家規范標準,以該地區目前經濟社會發展現狀以及該地區的發展計劃作為依據建立協調評價等級標準。評價標準分為三個等級,即Ⅰ級表示合格,Ⅱ級表示中等,Ⅲ級表示良好。經文獻查閱及專家咨詢,結合上述所選定的評價指標及其閾值建立區域產業結構與用水結構協調評價等級標準如表2所示。

表2　評價指標及其等級劃分

2.3a、b、c的計算

利用集對分析理論在水環境系統下對區域產業結構與用水結構進行協調評價,現將上述所定的相應的評價標準與區域經濟效益、用水效益和水環境的指標值作為2個集合構成一個集對,并從這2個集合的同、異、反3方面對集對的特性進行系統分析。在上述所制定的級別i(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)的評價標準上,符合i級標準的評價指標數為集對中2個集合所共同具有的特性數;高于i級標準的評價指標數為集對中2個集合既不對立也不共同具有的特性數;低于i級標準的評價指標數為集對中2個集合彼此對立的特性數。在N個指標中,符合Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級標準的數目分別為N1、N2、N3。指標值符合Ⅰ級標準:對于效益型指標,其值滿足≤Ⅰ級標準;對于成本型指標,其指標值評判范圍在Ⅰ級標準值和Ⅱ級標準值之間。指標值符合Ⅱ級標準:對于效益型,其值在Ⅰ級和Ⅱ級標準之間;對于成本型指標,其值評判范圍在Ⅱ級和Ⅲ級標準之間。指標值符合Ⅲ級標準:對于效益型指標,其值滿足在Ⅱ級和Ⅲ級標準之間;對于成本型指標其值要大于Ⅲ級標準。在不同等級評價標準時,區域產業結構與用水結構的聯系度表達式中a、b、c的值見表3。

表3　a、b、c值計算公式

2.4態勢度的確定

以Ⅱ級標準作為評判標準，符合Ⅱ級標準的效益型指標，其值在Ⅰ級和Ⅱ級標準之間；符合Ⅱ級標準的成本型指標，其值評判范圍在Ⅱ級和Ⅲ級標準之間。根據選取的系統指標實際值比照Ⅱ級評判標準值，得出N1、N2、N3的值。參照表3的Ⅱ級標準欄a、b、c的計算式，對照表1可以得出對應態勢度分別為經濟效益態勢度de，用水效益態勢度ds，水環境態勢度dr。

2.5區域產業結構與用水結構協調發展指數

在確定協調發展指數公式之前,首先要引入生長曲線這個概念。生長曲線函數是預測事件的一組觀測數據隨時間的變化符合生長曲線的規律,以生長曲線函數進行預測的方法。一般來說,事物總是經過發生、發展、成熟3個階段,而每一個階段的發展速度各不相同。通常在發生階段,變化速度較為緩慢;在發展階段,變化速度加快;在成熟階段,變化速度又趨緩慢,按上述3個階段發展規律得到的變化曲線稱為生長曲線。S型生長曲線在很多領域都廣泛應用,其模型公式為

(2)

(3)

式中:y為生長曲線函數值;k為生長量指標;t為時間序列;c為常數,稱為自然增長率或瞬時增長率;e為自然對數;f為常數。以上兩式為S型生長曲線方程。k同時也是y的極限狀態,生長曲線模型描述了生長的發展過程:從初始階段緩慢發展開始,接著是快速的發展階段,隨后是一個平穩的發展時期,最后達到穩定狀態。

通過研究經濟、社會領域中一些現象,觀察到現實中有許多變量隨時間的變化從其最初的生長到成熟到最后的衰敗的過程,類似于生物生長的過程。區域產業結構與用水結構之間的關系也可以用生產曲線指數模型來表示[20]。則協調發展指數I的表達式為

(4)

I的取值范圍為[0.1, 1],由式(2)分析可知,當經濟效益de與用水效益態勢度ds最小(de=ds=0.1),而水環境態勢度最大(dr=1),即水環境污染嚴重時,I=0.50;而當經濟效益de和用水效益態勢度ds最大(de=ds=1),而水環境態勢度最小(dr=0.1),即水污染較輕時,I=0.97;當三者態勢度均取中間值時(de=ds=dr=0.5),I=0.72。通過上述對de,ds,dr取某些特定值來分析I值,可得I的取值范圍與系統協調評價結果的等級劃分,評價結果為高度協調、基本協調、弱協調、不協調時，I的取值范圍分別為[0.90,0.97]、[0.72,0.90)、[0.60,0.72)、[0.50,0.60) 。

3實例分析

以山東省為評價對象,選取2005—2010年歷史資料,進行區域產業結構與用水結構協調評價。根據上述選取指標原則選取了14個指標的實際值見表4。

表4　2005—2010年山東省評價指標實際值

隨著山東省快速的經濟社會發展,工業體系也日趨優化,同時農業經濟也全面的發展,高科技的不斷創新,所帶的第三產業創造的價值也蒸蒸日上。但是中國仍然是一個發展中的國家,山東省大發展也處于中等水平,因此選?、蚣墭藴首鳛樵u判標準,根據上述方法可以得到a、b、c的值,結合表1可以得到態勢度de、ds、dr和I的值,見表5。

表5　計算及評價結果

從表5可以看出山東省2005—2010年經濟效益、用水效益、水環境的協調發展指數I是呈上升趨勢的,從數據處理的結果來看該區域處于弱協調狀態。從表5同時可以看出經濟效益與用水效益的態勢度較大的同時,水環境的態勢度也較大,這就說明山東省在發展經濟的同時,對水環境造成了嚴重的破壞,導致整個區域的協調發展指數呈弱協調狀態。需要強調的是,雖然水環境態勢度較大,但其數值在明顯減小,這與山東省近幾年注重環保工作,加大投資改善水環境,加強對水資源的統一管理,做好水資源的統一規劃,完善三廢處理工作密不可分,較好處理水環境污染問題從根本上減輕了水壓力造成的負擔,保障整個區域產業結構與用水結構協調發展。

4結語

提出用集對分析聯系數的同異反態勢度排序方法,計算出經濟效益、用水效益和水環境的協調發展指數,建立該區域協調評價模型,對山東省產業結構與用水結構進行協調評價,分析結果為山東省的產業結構與用水結構呈現弱協調的狀態,這與山東省現狀發展情況相符合。該模型不受指標數量的限制,且不必賦予指標權重,計算簡潔,可信度高。由于選取的是整個山東省作為實例,得到的研究結構可能不全面,需要更進一步的詳細評價,有待更細分地研究山東省各市的協調情況,比對分析,有利于更好地說明協調評價結果。

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Coordinate assessment of regional industrial structure and water utilization structure based on set pair analysis

LIU Shan1, 2, WU Chengguo1, 2, PAN Zhengwei3, ZHANG Libing1, 2

(1.CollegeofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.InstituteofWaterResourceandEnvironmentalSystemEngineering,CollegeofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;3.SchoolofCivilEngineeringandEnvironmentalEngineering,AnhuiXinhuaUniversity,Hefei230088,China)

Abstract：From the concept of regional sustainable development, this paper established the coordinate assessment index system of regional industrial structure and water utilization structure on the condition of reasonable utilization of water resources and not sacrificing the water environment. Using the sort of set pair connection degree analysis of identical discrepancy contrary state, this study proposed a coordinate development index formula of regional industrial structure and water utilization structure by the reference to the growth curve formula and built the coordinate assessment model of regional industrial structure and water utilization structure based on set pair analysis. Applying the model to Shandong Province, the results are in accordance with the fact, the calculation process is concise, and the model has high operability. Research results can provide scientific and effective decision-making basis for regional water resources development.

Key words：coordinate assessment; industrial structure; water utilization structure; set pair analysis; state degree; Shandong Province

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.012

基金項目:國家自然科學基金(51309004, 51309072, 51479045); 水利部公益性行業科研專項經費項目(201301003)

作者簡介:劉珊(1990—), 女, 碩士研究生, 研究方向為水資源系統工程。 E-mail: 770999010@qq.com 通信作者:潘爭偉, 講師。 E-mail: pzhwei1023@163.com

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0064-05

(收稿日期：2015-05-10編輯：王芳)