基于云模型的來水狀況綜合診斷
——以佛山市為例

汪麗娜,李粵安,鄺遠華

(1.華南師范大學 地理科學學院,廣東 廣州 510631；2.廣東省水利廳,廣東 廣州 510635； 3.佛山市水務局,廣東 佛山 528000)

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基于云模型的來水狀況綜合診斷
——以佛山市為例

汪麗娜1,李粵安2,鄺遠華3

(1.華南師范大學 地理科學學院,廣東 廣州 510631；2.廣東省水利廳,廣東 廣州 510635； 3.佛山市水務局,廣東 佛山 528000)

結合佛山市的來水條件,以佛山市降水量、馬口和三水過境水量作為衡量佛山市來水的指標,通過云模型綜合評價佛山市近30 a的來水狀況。結果表明：佛山市來水情況總體上來說較為豐沛,但各年來水狀況差異較大。在過去的33 a中,來水情況多的年份僅3 a,占9.1%。若以2011年作為現狀年,則佛山市來水條件不太樂觀,這不僅與佛山市當年降水量較少相關,且與馬口、三水的過境水量較少密切相關。

云模型;來水;水資源;診斷

佛山市位于東經112°22′34″～113°23′12″,北緯22°40′～23°34′37″之間。位于中國廣東省中南部,地處珠江三角洲中部河網區,西、北江分流的各水道貫穿其中,河流縱橫交錯,形成水網。東倚廣州,南鄰港、澳,地理位置優越。佛山由于臨近海洋,氣候溫和,溫暖多雨,四季常綠,自古就是富饒的魚米之鄉。全市面積為3 848.49 km2,其中平原面積為2 915 km2,低山丘陵為586.45 km2,河流面積為347.04 km2,分別占全市總面積75.7%、15.3%和9.0%。佛山市域內主要水系包括：西江干流在佛山市境內長為69.1 km,有支流河道11條；北江干流在佛山市境內長為100.2 km,主要支流河道有13條；高明河,流域面積為1 033 km2,總長為80.8 km。從自然氣候條件來看,該區屬亞熱帶季風氣候,年均降水為1 490.6 mm,年均氣溫22.1 ℃。本市人均當地自產水資源量較低,但本市過境水資源十分豐富,流入市域的客水主要來自西江和北江,整體上佛山市水資源量較為豐沛,但仍存在年際水量分配不均現象,量化各年來水狀況將更好地為水資源優化使用服務[1-3]。因此,本文采用云模型[4]分析比較不同年份佛山市來水狀況。

1 云模型

云模型[5-6]實現定性定量轉換的有效工具,作為定性定量轉換的不確定性模型,能夠充分體現語言概念的隨機性和模糊性,根據因素集中元素概念的不同和最后綜合評語的不同,用不同個數或不同種類的評價語言來描述,最大限度的保留了評估過程中固有的不確定性,最后所得的評價結果是個直觀、易于理解的云圖,提高了評估結果的可信度。

云的數字特征用期望Ex、熵En和超熵He3個數值(圖1a)來表征,把模糊性和隨機性完全集成在一起,構成定性和定量相互間的映射,為定性與定量相結合的信息處理提供了有力手段,反映了定性概念的定量特性。圖1b、圖1c和圖1d是云模型的數字特征期望值Ex和熵En都相同,超熵He不同的示意圖。通過云模型對來水狀況綜合評價,能夠綜合多種影響因素,可以實現定性定量之間的轉換,使得評價結果更加直觀。

期望Ex：云滴在論域空間分布的期望。通俗地說,就是最能夠代表定性概念的點,或者說這個概念量化的最典型樣本。

熵En：定性概念的不確定性度量,由概念的隨機性和模糊性共同決定。一方面En是定性概念隨機性的度量,反映了能夠代表這個定性概念云滴的離散程度；另一方面又是定性概念亦此亦彼的度量,反映了論域空間中可被概念接受的云滴取值范圍,用同一個數字特征來反映隨機性和模糊性,也必然反映了它們之間的關聯性。超熵He：是熵的不確定性度量,即熵的熵,由熵的隨機性和模糊性共同決定,反映了在數域空間代表該語言值的所有點的不確定度的凝聚性,即云滴的凝聚度,超熵越大,云滴的離散度越大,隸屬度的隨機性越大,云的“厚度”也越大。

(a)Ex=30,En=1,He=0.1

(b)Ex=30,En=2,He=0.1

(c)Ex=30,En=1,He=0.3

(d)Ex=30,En=1,He=0.5

需要進一步指出的是,根據正態分布的特性,對于論域U中的定性概念C有貢獻的云滴,主要落在區間[Ex-3En,Ex+3En],因此可以忽略[Ex-3En,Ex+3En]區間之外的云滴對定性概念C的貢獻,即為正向正態云的“3En規則”。

2 來水狀況評價

利用前向云發生器,建立3項反映佛山市水文條件指標對應的云圖,并制定佛山市來水條件綜合診斷評價多條定性規則的不確定性推理,將來水條件分為5級進行評價,對應的等級關系為：多——5級、較多——4級、一般——3級、較少——2級、少——1級。根據佛山市1980—2012年的降水值進行等分為5個區間,佛山市年降水量5個作用分域的云數字特征(Ex,En,He)分別是：(2 001.73,85.284 8,0.1),(1 802.59,85.284 8,0.1),(1 603.45,85.284 8,0.1),(1 404.31,85.284 8,0.1),(1 205.17,85.284 8,0.1)。則“年降水量”評價標準云圖如圖2所示。

第5等級

第4等級

第3等級

第2等級

第1等級

相同地,如果馬口站和三水站年徑流量“多”則來水條件診斷評價級別為“5級”；如果年徑流量“較多” 則來水條件診斷評價級別為“4級”；如果年徑流量“一般” 則來水條件診斷評價級別為“3級”；如果年徑流量“較少” 則來水條件診斷評價級別為“2級”；如果年徑流量“少” 則來水條件診斷評價級別為“1級”。根據馬口、三水站1980—2012年的徑流數據等分為5個區間,利用云模型的相關計算公式[2,4],馬口站年徑流量5個作用分域的云數字特征(Ex,En,He)是：(2 877.5,140.899 4,0.1),(2 548.5,140.899 4,0.1),(2 219.5,140.899 4,0.1),(1 890.5,140.899 4,0.1),(1 561.5,140.899 4,0.1)；三水站年徑流量5個作用分域的云數字特征(Ex,En,He)是：(865.15,57.858 7,0.1),(730.05,57.858 7,0.1),(594.95,57.858 7,0.1),(549.85,57.858 7,0.1),(324.75,57.858 7,0.1)。

“馬口站和三水站年徑流量”評價標準云圖如圖3和圖4所示。

第5等級

第4等級

第3等級

第2等級

第1等級

第5等級

第4等級

第3等級

第2等級

第1等級

權重即權數或加權系數,他是對某種事物或者因素重要程度的定量分配。佛山市來水條件和水資源條件的現狀診斷是一個多指標的綜合診斷過程,本研究以佛山市的本地降水、西江馬口站的入境水量和北江三水站的入境水量,3項指標作為衡量佛山市來水條件和水資源現狀的指標,因此，各指標因子的權重對診斷結果有重要影響。如何確定佛山市來水條件和水資源現狀診斷指標體系中各指標因子的權重是佛山市來水條件和水資源現狀診斷的前提。權重的確定方法是專家根據自己的經驗與實際情況對指標因子的權重進行分配,最常用的方法是專家決策法[7]、層次分析法[8-9]等。本文分別采用層次分析法和實際值法,對佛山市來水條件和水資源現狀診斷指標體系中各指標因子進行賦權。其中,層次分析法得到的降水、馬口站徑流量、三水站徑流量的權重分別為(0.655 1,0.211 4,0.133 7)。佛山市全市面積為3 848 km2,據相關報到,該市多年平均降雨量為61.12億m3(1956—2011年),馬口站多年平均(1980—2012年)入境水量為2 164.72億m3,三水站多年平均(1980—2012年)入境水量為526.05億m3,因此，實際值法得到降水、馬口站徑流量、三水站徑流量的權重分別為(61.12,2 164.72,526.05)。綜合考慮3項反映佛山市來水條件的指標,利用云模型分析佛山市來水條件及來水現狀情況,如表1和表2所示。

表1 佛山市來水條件綜合評價(層次分析法)

表2 佛山市來水條件綜合評價(實際值法)

表1和表2的綜合評價結果表明,各指標因子的權重對診斷結果有重要影響。盡管層次分析法采用相對權重, 比傳統的專家打分等經驗法直接賦予權重更加客觀,把對權重的判斷定量化,并能夠統一處理決策中的定性與定量因素,具有實用性、系統性、簡潔性等優點,特別適合在社會經濟系統的決策分析中使用,但是佛山的過境水大于降水,且過境水量中,大部分來自西江,這一實際情況卻表明依賴層次分析法確定權重的不合理性。

同時,表2說明,若以降水、馬口徑流量和三水徑流量作為衡量佛山來水條件的指標,通過云模型的綜合評價得,整體上1980—2012年的33 a中佛山市的來水情況少的年份有8 a,占24.2%；來水情況較少和一般的年份均為9 a,各占27.27%；來水情況較多的年份有3 a,占9.09%；來水情況多的年份有4 a,占12.12%。近5 a內,佛山市的來水情況總體上來說較為豐沛,若以2011年作為現狀年,則佛山市來水條件不太樂觀,2011年佛山市來水條件所處的水平較低,這不僅與佛山市當年降水量較少相關,而且馬口站的徑流量值也是1980—2012年的33 a中最小的,三水站在2011年的徑流量值是1980—2012年33 a中徑流值處于第6小。因此,綜合來看佛山市2011年的屬枯水年。

3 結語

佛山市作為水量較為豐沛的地區,但仍存在年際分配不均勻現象,為了更好的量化和識別各年來水狀況,結合佛山市的來水條件,本文以佛山市降水量、馬口和三水過境水量作為衡量佛山市來水的指標,通過云模型綜合評價佛山市近30 a的來水狀況。結果表明：盡管佛山市來水情況總體上來說較為豐沛,但各年來水狀況差異較大,1980—2012年的33 a中佛山市的來水情況少的年份有8 a,占24.2%；來水情況較少和一般的年份均為9 a,各占27.27%；來水情況較多的年份有3 a,占9.09%；來水情況多的年份僅4 a,占12.12%。近5 a內,佛山市的來水情況總體上來說較為豐沛。若以2011年作為現狀年,則佛山市來水條件不太樂觀,這不僅與佛山市當年降水量較少相關,且與馬口、三水的過境水量較少密切相關。

[1] 劉幼萍. 佛山市水資源開發利用情況探討[J]. 水利科技與經濟,2006,12(8)：546-549.

[2] 劉德地, 陳曉宏, 劉丙軍. 面向可持續發展的佛山市水資源優化配置[J]. 水資源保護, 2008, 24(6):23-27．

[3] 呂愛琴. 佛山市供水水源地水質趨勢分析[J]. 廣東水利水電, 2001(5)：31．

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(本文責任編輯 王瑞蘭)

Comprehensive Diagnosis of Water Conditions by Cloud Model——A Case Study of Foshan City

WANG Li'na1, LI Yuean2, KUANG Yuanhua3

(1. School of Geography, South China Normal University, Guangzhou 510631, China;2.Department of Water Resources of Guangdong Provine, Guangzhou 510635, China;3. Foshan Water Authorities, Foshan 528000, China)

Combined with precipitation of Foshan city,taken the makou and Sanshui station runoff as water measure index, water condition is evaluated by cloud model in recent 30 years of Foshan city. The results show that: Water resource of Foshan city is abundant, but annual inflow varies... In the past 33 years, only 3 years with large inflow accounte for 9.1%. If the current year was in 2011, water condition is not so optimistic in Foshan city, because it is related to the precipitation and transit water.

cloud model；water condition；water resource；comprehensive diagnosis

2016-03-09;

2016-09-24

國家自然科學基金(編號：41501021)。

汪麗娜(1981),女,博士,副教授,從事水文過程模擬及城市化的水資源特征研究工作。

TP181

A

1008-0112(2016)010-0004-05