基于熵權(quán)可拓物元模型的水資源可持續(xù)利用評價

魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒　841000)

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基于熵權(quán)可拓物元模型的水資源可持續(xù)利用評價

魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒841000)

摘要：為準(zhǔn)確把握新疆和田地區(qū)水資源可持續(xù)利用狀況，構(gòu)建了包含4方面、14個指標(biāo)的水資源可持續(xù)利用評價體系，利用熵權(quán)物元模型，對研究區(qū)2012年水資源可持續(xù)利用程度進行評價。結(jié)果表明：總體上看，研究區(qū)水資源可持續(xù)利用評價等級為較高(Ⅱ級)，并有向中等(Ⅲ級)轉(zhuǎn)化的趨勢；就單個評價指標(biāo)而言，單位面積水資源量、人口密度與耕地灌溉率3個指標(biāo)屬于高等級，人均水資源量、人均GDP產(chǎn)值與工業(yè)廢水處理率這3個指標(biāo)屬于較高等級，人口自然增長率、城鎮(zhèn)化率、GDP年增長率與生態(tài)環(huán)境用水率這4個指標(biāo)屬于中等，第一產(chǎn)業(yè)占GDP比例和林草地覆蓋率屬于較低等級，供水模數(shù)與地下水開采率這2個指標(biāo)屬于低等級；熵權(quán)可拓物元模型在水資源可持續(xù)利用評價方面實用可行，評價結(jié)果符合研究區(qū)實際情況，為同類研究提供了方法上的支持。關(guān)鍵詞：水資源；可持續(xù)利用；熵權(quán)；可拓物元模型；和田地區(qū)

0前言

水資源可持續(xù)利用評價是水安全研究的重要內(nèi)容，其實質(zhì)是指通過對區(qū)域水資源指標(biāo)的計算，利用數(shù)學(xué)模型對水資源可持續(xù)利用程度進行定量評價。目前常用的方法有主成分法、AHP法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及投影尋蹤模型等[1]。由于現(xiàn)有評價方法大多采用綜合指數(shù)原理分析，會造成單個指標(biāo)信息遺漏問題[2]。此外，現(xiàn)有評價指標(biāo)權(quán)重計算多采用主觀法確定，造成評價結(jié)果存在一定的主觀性。

可拓物元評價方法具有兼容性的優(yōu)點，可將不相容指標(biāo)進行綜合分析，從而使評價結(jié)果真實客觀[3]，目前廣泛應(yīng)用于土地生態(tài)安全[4-5]、資源環(huán)境質(zhì)量[6-7]等領(lǐng)域。水資源可持續(xù)利用評價涉及面廣，符合可拓學(xué)解決范疇。同時，熵權(quán)法計算評價指標(biāo)權(quán)重，較其他方法更具有客觀性[8]。鑒于此，本文綜合上述2種方法的優(yōu)越性，構(gòu)建基于熵權(quán)-物元模型的區(qū)域水資源可持續(xù)利用綜合評價模型，以2012年新疆和田地區(qū)為例，對其水資源可持續(xù)利用狀況進行客觀分析，以期為區(qū)域水資源的可持續(xù)利用提供參考。

1模型簡介

可拓物元模型是將物元R及其三要素Q、C、U記作有序的三元組R=(Q,C,U)來描述對象、特征、關(guān)系的模型，其中，Q為對象;C為對象的特征;U為Q關(guān)于C的量值。熵權(quán)-物元模型計算步驟如下。

1.1物元模型建立

建立評價等級物元，組成m個評價等級物元，每級物元包含n個指標(biāo)，j=1，2，…，m；i=1，2，…，n：

(1)

式中：Qmj為第j個評價等級；Ci為不同評價等級所對應(yīng)的評價指標(biāo)；Umji為不同評價等級對應(yīng)的指標(biāo)區(qū)間；amji、bmji為評價指標(biāo)的下、上限。

1.2節(jié)域物元模型的建立

將n個評價指標(biāo)劃分為1個物元，則節(jié)域物元模型為：

(2)

式中：P為等級標(biāo)準(zhǔn)；Ci為不同評價等級所對應(yīng)的評價指標(biāo)；Tpi為P關(guān)于Ci的指標(biāo)區(qū)間；api、bpi分別為節(jié)域下、上限。

1.3待評物元模型的建立

待評物元模型表達(dá)式如下：

(3)

式中：Q為水資源可持續(xù)利用程度；Ci為等級標(biāo)準(zhǔn)的水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)；Ti為Q對應(yīng)Ci的實際值。

1.4計算關(guān)聯(lián)函數(shù)

水資源可持續(xù)利用程度的關(guān)聯(lián)函數(shù)定義為：

(4)

其中

(5)

(6)

式中：ρ(Ti,Umji)、ρ(Ti,Upi)分別為指標(biāo)實際值與經(jīng)典域、節(jié)域的空間距離。

關(guān)聯(lián)度Kj(Ti)<-1，表明評價指標(biāo)不能達(dá)到該等級標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)-1≤Kj(Ti)<0，表明評價指標(biāo)基本滿足該等級標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)0≤Kj(Ti)≤1，表明評價指標(biāo)符合該等級標(biāo)準(zhǔn)；Kj(Ti)>1，說明該評價指標(biāo)完全能夠滿足該等級要求。

1.5指標(biāo)權(quán)重計算

采用熵權(quán)法來計算水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)權(quán)重，具體計算過程可以參見文獻[8]。

1.6綜合關(guān)聯(lián)度的歸一化處理

對各評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)度值加權(quán)求和，得關(guān)聯(lián)度綜合值：

(7)

其中:wi為指標(biāo)i權(quán)重；Kj(Rq)為關(guān)聯(lián)度綜合值；Kj(Ti)為加權(quán)關(guān)聯(lián)度。

對關(guān)聯(lián)度綜合值歸一化，得到關(guān)聯(lián)度歸一化值：

(8)

按照隸屬度原則，最大的歸一化值所處等級就是其評價等級。

2指標(biāo)體系與評價標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建

2.1指標(biāo)體系構(gòu)建

指標(biāo)體系構(gòu)建是建模評價水資源可持續(xù)利用程度的基礎(chǔ)。本文在借鑒前人研究成果[9]的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)實際情況，初步包含16個單項指標(biāo)構(gòu)成的水資源可持續(xù)利用程度評價體系，通過對指標(biāo)進行相關(guān)分析，最終構(gòu)建包含14個評價指標(biāo)的水資源可持續(xù)利用評價體系。該體系包括人均水資源量(C1，m3)、單位面積水資源量(C2，萬m3/km2)與供水模數(shù)(C3，萬m3/km2)、人口密度(C4，人/km2)、人口自然增長率(C5，‰)、城鎮(zhèn)化率(C6，%)、人均GDP產(chǎn)值(C7，元)、GDP年增長率(C8，%)、耕地灌溉率(C9，%)、第一產(chǎn)業(yè)占GDP比例(C10，%)、林草地覆蓋率(C11，%)、生態(tài)環(huán)境用水率(C12，%)、地下水開采率(C13，%)與工業(yè)廢水處理率(C14，%)共計16項指標(biāo)。

評價標(biāo)準(zhǔn)是定量評價的前提，參考文獻[9]，將水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)劃分為5個等級標(biāo)準(zhǔn)：高(Ⅰ級)、較高(Ⅱ級)、中(Ⅲ級)、較低(Ⅳ級)、低(Ⅴ級)，并對每個評價等級賦予分級標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

表1　和田地區(qū)水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)分級表

3模型應(yīng)用

3.1研究區(qū)概況

新疆和田地區(qū)位于塔里木盆地南緣，下轄7縣1市，總區(qū)劃面積24.78萬km2，總?cè)丝?12.34萬人。降雨稀少而蒸發(fā)強烈，多年平均降水量33.5 mm，蒸發(fā)量2 602 mm(E20小型蒸發(fā)皿)，年均日照時數(shù)2 610.5 h，年均氣溫12.2 ℃，無霜期185 d。

研究區(qū)境內(nèi)主要有安迪爾河(民豐縣)、克里雅河(于田縣)、策勒河(策勒縣)、和田河(和田市、和田縣、墨玉縣)、皮山河(皮山縣)等發(fā)源于昆侖山和喀喇昆侖山的大小河流36條，年總徑流量約73.45億m3。研究區(qū)河流徑流量的季節(jié)反差極大，水資源時空、地域分配不均。

3.2評價模型構(gòu)建

(1) 根據(jù)前述建模過程，首先建立經(jīng)典物元模型，對于水資源利用高(Ⅰ級)來講，j=1，則經(jīng)典物元矩陣為：

(9)

同理，可建立較高(Ⅱ級)、中(Ⅲ級)、較低(Ⅳ級)、低(Ⅴ級)的經(jīng)典物元矩陣及待評價的節(jié)域物元：

(10)

最后確定水資源可持續(xù)利用評價的物元矩陣：

(11)

(2) 計算指標(biāo)實際值與經(jīng)典域、節(jié)域的空間距離，見表2。

(3) 計算關(guān)聯(lián)函數(shù)。利用式(4)計算關(guān)聯(lián)函數(shù)值，見表3。

表2　指標(biāo)實際值與經(jīng)典域、節(jié)域的空間距離表

表3　評價指標(biāo)關(guān)于評價等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值表

(4) 計算指標(biāo)權(quán)重及各歸一化關(guān)聯(lián)度值。根據(jù)熵權(quán)法得到指標(biāo)權(quán)重wi=(0.0781，0.0708，0.065，0.0744，0.0436，0.0908，0.0586，0.0820，0.0427，0.0671，0.0815，0.1339，0.0664，0.0449)。根據(jù)表3中的關(guān)聯(lián)度值，利用式(7)、式(8)得各評價等級綜合關(guān)聯(lián)度和歸一化關(guān)聯(lián)度(見表4)。

表4　評價等級的歸一化關(guān)聯(lián)度值表

由熵權(quán)計算結(jié)果可知，14個評價指標(biāo)中，熵權(quán)較大的為生態(tài)環(huán)境用水率(C12)、城鎮(zhèn)化率(C6)、GDP年增長率(C8)和林草地覆蓋率(C11)，熵權(quán)值分別為0.1339、0.0908、0.0820與0.0815，均超過0.08，這說明上述4因素是目前影響和田地區(qū)水資源可持續(xù)利用的主要因素；綜合關(guān)聯(lián)度最大值為1.000，研究區(qū)水資源可持續(xù)利用等級為較高(Ⅱ級)，并有向中等(Ⅲ級)轉(zhuǎn)化的趨勢。

(5) 評價結(jié)果檢驗。利用文獻[9]評價結(jié)果(2012年和田地區(qū)水資源可持續(xù)利用評價等級為Ⅱ級)進行復(fù)核。結(jié)果表明，2種方法計算結(jié)果完全一致，實現(xiàn)了方法對方法的檢驗。

4結(jié)語

(1) 2012年，新疆和田地區(qū)水資源可持續(xù)利用評價等級為Ⅱ級，并有向中等(Ⅲ級)轉(zhuǎn)化的趨勢；生態(tài)環(huán)境用水率、城鎮(zhèn)化率、GDP年增長率和林草地覆蓋率是目前影響和田地區(qū)水資源可持續(xù)利用的主要因素。

(2) 采用熵權(quán)-可拓物元模型對區(qū)域水資源可持續(xù)進行評價，提高了評價方法的客觀性與精確度，進而說明了該方法的可行性。

(3) 本文僅對和田地區(qū)水資源可持續(xù)利用情況進行了總體評價，由于資料的可獲取性局限，未對各縣(市)間水資源可持續(xù)利用程度進行評價。下一步應(yīng)以縣(市)為基本單元開展評價，揭示研究區(qū)水資源可持續(xù)利用的空間差異性。

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Assessment of Sustainable Utilization of Water Resources Based on Entropy Weight and Extension Matter Element Model

WEI Guanghui

(Xinjiang Tarim River Catchment Administration, Korla841000，China)

Abstract:The assessment system for the sustainable utilization of water resources consisting of 4 aspects and 14 indexes is built to accurately learn the sustainable utilization of water resources in Hetian Prefecture, Xinjiang Uyghur Autonomous Region. The entropy weight and extension matter element model is applied to assess the sustainable utilization of water resources in Hetian Prefecture, 2012. The assessment presents that the grade of the sustainable utilization of water resources in Hetian Prefecture is higher (Grade Ⅱ) generally. This grade is with trend of sliding toward intermediate one (Grade Ⅲ). Regarding a single assessment index, three indexes of quantity of water resources per unit area, population density and irrigation rate of arable land are of high grades; three indexes of quantity of water resources per capita, GDP per capita and industrial sewage treatment rate are of higher grades; four indexes of natural growth rate of population, urbanization rate, annual GDP growth rate and water utilization rate of ecological environment are of intermediate grades; two indexes of proportion of primary industry in GDP and coverage rate of forest & grass are of lower grades; two indexes of water supply modules and ground water exploitation rate are of low grades. The entropy weight and extension matter element model is practical and feasible in assessment of the sustainable utilization of water resources. The assessment result accords with the actual situation of the studied prefecture as well as provides similar studies with support in term of methods.Key words: resource; sustainable utilization; entropy weight; extension matter element model; Hetian prefecture

文章編號：1006—2610(2016)03—0013—04

收稿日期：2015-10-30

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(qū)水資源利用與工程建設(shè)管理工作.

基金項目：新疆水文學(xué)及水資源重點學(xué)科基金資助(XJSWSZYZDXK20101202).

中圖分類號：TV213.4

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.003