基于模糊物元的云南省工程型缺水程度分析

譚 平，梁 媛

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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基于模糊物元的云南省工程型缺水程度分析

譚 平，梁 媛

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

工程型缺水是西南地區的主要缺水形式。目前國內對于工程型缺水程度的界定尚未有統一的標準，分析尚無明確方法。本文嘗試將模糊物元模型和歐氏貼近度引入到工程型缺水程度分析中，以云南省各州市和工程型缺水各階段作為物元事物，建立評價指標體系；并在基于層次分析法的基礎上應用熵權法確定權重，通過計算與標準模糊物元之間的歐氏貼近度，確定工程型缺水程度。本文提出了一種基于熵權的模糊物元工程型缺水分析方法，并將該方法應用于云南省所有16個市、州的工程型缺水程度分析，并提出了相應的對策措施，為工程型缺水分析提供一種新思路。

工程型缺水；模糊物元；熵值法；歐氏貼近度；云南省

0 前 言

工程型緊缺是指由于水工程開發建設滯后，水資源時空調配失衡，造成供水量不足而引起的水資源緊缺[1]。一些處于水資源豐富地區的城市和地區由于供水工程建設不足，也會出現工程型缺水。如2010年西南地區大旱，云南省等水資源較豐富的地區也出現了缺水現象情況，大部分地區干旱等級升至百年一遇以上，暴露出云南水利基礎設施仍然薄弱的局面。雖然經過多年努力，云南水資源供水狀況有了很大改善，但工程型缺水仍是云南主要的缺水形式[2]。

目前國內關于工程型缺水程度的研究較少，對其程度還沒有統一的界定標準。在四川省缺水城市缺水報告分析[3]中提出城市工程型缺水的評價標準為：缺水率大于20%，則認為該城市為嚴重缺水城市，并通過建立指標體系，計算需水量和工程可供水量，得出缺水率，最終確定出四川省各城市的工程型缺水程度。

模糊物元法在水資源分析中應用較廣，袁華等[4]采用模糊物元分析方法，結合歐氏貼近度的概念，按照社會-經濟-生態環境-資源-效率合理性指標建立水資源調配評判指標。對黑河流域5種可能的水資源配置方案進行分析，選出最佳配置方案。馬明衛等[5]采用基于信息熵理論的模糊物元分析法對榆林市水資源可持續利用進行評價，并在此基礎上進行合理的改進和運用，結合歐氏貼近度實現不同評價分區的量化比較，得到各分區水資源可持續利用水平及其優劣次序。本文在物元分析的基礎上，結合歐氏貼近度，并在基于層次分析法的基礎上應用熵權法確定權重，避免AHP法確定權重的主觀性。構建基于熵權的模糊物元模型，并對云南省城市工程型缺水程度進行比較分析。

1 模糊物元模型原理

1.1 模糊物元和復合模糊物元

給定事物的名稱N, 它關于特征c有量值為v,以有序三元R=(N,c,v)組作為描述事物的基本元, 簡稱物元。其中, 量值v具有模糊性, 便稱為模糊物元。如果事物N有n個特征c1,c2, …,cn和相應的模糊量值v1,v2, ...,vn, 稱R為n維模糊物元,簡記為R=(N,c,v)。如果m個事物的n維物元組合在一起, 使構成m個事物n維復合物元Rmn。若將Rmn的量值改寫為模糊物元量值, 稱為m個事物n維復合模糊物元[6,7], 記作

(1)

式中Rmn為m個事物n維復合模糊物元；Mi為第i個事物,i=1,2,…,m;ck為第k項特征，k=1,2,…,n;uik為第i個事物第k項特征對應的模糊量值。

1.2 從優隸屬度的確定

模糊量值u(x)表示與事物特征C相應量值x的隸屬度。

越大越優。其變換公式為：

(2)

越小越優。其變換公式為：

(3)

越接近某個常數越優。其變換公式為：

(4)

上面三個公式中uij是j個事物第i項指標(特征)的從優隸屬度；maxxij是各評價事物中每一項指標所有的xij量值中的最大值；minxij是各評價事物中每一項指標所有的xij的最小值，u0為該項指標的標準值。

1.3 標準模糊物元與差平方復合模糊物元

由式(1)可以構成標準方案的n維模糊物元R0n,其中各項由Rmn中各方案從優隸屬度中的最大值或最小值確定,則得到

(5)

若以Δij(j=1,2,∧,m;i=1,2,∧,n)表示標準模糊物元R0n與復合模糊物元Rmn中各項差的平方，則組成差平方復合模糊物元RΔ , 即

(6)

其中Δji=(u0i-uji)2,(j=1,2,∧,m;i=1,2,∧,n)

1.4 基于熵值的權重確定

熵是系統無序程度的度量，可以用于度量已知數據所包含的有效信息量和確定權重。當評價對象指標值相差較大時，熵值較小，說明該指標提供的有效信息量較大，其權重也應較大；反之，若某項該指標值相差較小，熵值較大，說明該指標的信息量較小，其權重也應較小[8-9]。可以消除AHP等方法確定權重的主觀因素，其計算步驟如下：

(1)構建m個事物n個評價指標的判斷矩陣R

R=(rij)m×n(i=1,2…,n;j=1,2,…,m)

(7)

(2)將判斷矩陣R進行歸一化處理，得到歸一化矩陣B，B的元素為

(8)

式中 rmax、rmin分別為同一評價指標下不同對象中最滿意者或最不滿意者。

根據熵的定義，m個評價對象n個評價指標，確定評價指標的熵值

(9)

(10)

(3)利用熵值計算評價指標的熵權

(11)

(12)

(4)計算評價指標的綜合權重[10]

W=(ωi)1×n

(13)

(14)

1.5 歐氏貼近度

貼近度是指被評價樣本與標準樣本兩者相互接近的程度，其值越大表示兩者越接近，反之則相離較遠[11]。可用于兩物元貼近度計算的公式有多種，考慮到本文具有綜合評價的意義，采用歐氏貼近度進行計算[12]。

(15)

式中ρHj為第j個評價樣本與標準樣本的貼近度,由此來構造歐氏貼近度復合模糊物元RρH，即：

(16)

根據計算出的貼近度即可實現對各評價樣本的優劣排序和類別劃分。

2 云南省工程型缺水程度綜合評價分析

本文選取2010年為現狀水平年，收集云南省全部16個地市州(昆明市、曲靖市、玉溪市、保山市、昭通市、麗江市、普洱市、臨滄市、楚雄彝族自治州、紅河哈尼族彝族自治州、文山壯族苗族自治州、西雙版納傣族自治州、大理白族自治州、德宏傣族景頗族自治州、怒江傈僳族自治州、迪慶藏族自治州)的水資源、水利工程數據，對16個地市州的工程型缺水程度進行比較分析。所選數據全部來自于云南省統計年鑒、云南省水資源公報和云南省水利統計年鑒。

2.1 指標體系建立

評價指標確定的原則：一是要能夠顯著的表征區域工程型水資源短缺的程度;二是能夠區分各地區缺水的類別;三是指標代表性好，具有很好的可操作性和實用性。

同時云南省水資源具有以下特點：地處我國西南邊陲，由于橫斷山脈深度切割，高差懸殊，地形地貌復雜，水資源總量豐沛但開發利用的難度大、成本高、邊際效益低。水生態環境脆弱，水環境承載能力低，防污治污任務重。水土流失面積超過國土面積的1/3。水利基礎薄弱、防洪標準偏低，特別是農村水利工程普遍老化失修、帶病運行，險工險段隱患多。 根據云南省水資源特點，設置以下指標：

(1)水土流失面積比x1：水土流失面積與土地面積之比，%;

(2)農村飲水安全人口比x2：農村飲水安全人口與農村人口之比，%;

(3)人均供水量x3：水利工程總供水量與總人口之比，m3/人;

(4)有效灌溉面積比x4：有效灌溉面積與耕地面積之比，%;

(5)總庫容系數x5：水利工程總庫容/多年平均年徑流量，%;

(6)達標堤防長度比x6：達標堤防長度與總堤防長度之比，%;

(7)水資源開發利用率x7：河道外供水量與多年平均水資源量之比，%;

(8)水利工程投資比x8：水利工程投資與總投資之比，%。

將工程型缺水程度分為5個等級，收集2000年～2010年共11年云南省各地市州的上述指標數據，進行聚類分析，將工程型缺水程度分為5個等級，得到5個分級標準的各自評價指標值，各評價指標分級標準如表1所示。

表1 各工程型缺水程度評價指標分級標準值

2.2 模型建立

(1)構建復合模糊物元。根據所收集的數據，對云南省16個地市州各評價指標值及5個分級標準方案，建立21個方案8個指標的復合模糊物元。

(2)根據式(2)～(4)計算從優隸屬度。水土流失面積比按越小越優型計算，農村飲水安全人口比、有效灌溉面積比、達標堤防長度比等6個指標按越大越優型計算，水資源開發利用率按照常數型指標計算，取國際普遍采用的30%的水資源合理開發利用程度[13]為u0，即u0=30。

(3)根據式(5)和(6)構建得到差的平方復合模糊物元RΔ(下式用其轉置矩陣表示)。

(4)采用熵值法確定指標的權重。首先根據各方案實測值構造判斷矩陣，用層次分析法[14]求得主觀權重集：

W*=(0.019 7,0.034 1,0.230 7,0.049,

0.157 5,0.071 8,0.330 7,0.106 5)

進行一致性檢驗，CR=0.035,滿足一致性。

根據式(9)～(14)計算出各評價指標的權重

W′=(0.133 9,0.154 2,0.127 2,0.147 8,

0.125 0,0.106 7,0.115 6,0.089 6)

由式(15)計算得出各評價指標的綜合權重：

W=(0.022 1,0.044 0,0.245 4,0.060 6,

0.164 6,0.064 1,0.319 6,0.079 8)

(5)歐氏貼近度的計算。根據求出的平方復合模糊物元和各指標權系數，由式(7)計算得到各方案的歐氏貼近度:

ρHj=(0.785 3,0.590 4,0.817 8,0.500 2,0.401 3,

0.582 2,0.533 5,0.536 8,0.775 9,0.541 7,0.494 1,

0.585 4,0.660 9,0.603 6,0.387 3,0.524 6,

0.991 0,0.928 7,0.803 4,0.562 2,0.387 6)

2.3 結果分析

根據歐氏貼近度的大小排序，云南省工程型缺水程度依次是玉溪市<昆明市<楚雄彝族自治州<大理白族自治州<德宏傣族景頗族自治州<曲靖市<西雙版納傣族自治州<麗江市<紅河哈尼族彝族

自治州<臨滄市<普洱市<迪慶藏族自治州<保山市<文山壯族苗族自治州<昭通市<怒江傈僳族自治州。由此可以得出結論：云南省的所有地市州存在不同程度的工程型缺水，云南省各地級市工程型缺水情況分布如圖1和表2所示。

圖1 云南省工程型缺水程度

表2 云南省各市、州歐氏貼近度計算結果

由圖1和表1可以看出：云南的所有地市州存在不同程度的工程型缺水，其中根據圖1，由于城市經濟社會發展快，集中度高，庫容系數大，水資源開發利用率高，昆明市和玉溪市工程型缺水程度較輕，為輕度工程型缺水城市。而云南省其余地區由于地形地貌復雜，水資源開發利用難度大，水資源開發利用率均很低，均存在較為嚴重的工程型缺水現象。其中，怒江州為特別嚴重工程型缺水城市，工程型缺水最為嚴重。怒江州地處云南滇西橫斷山脈縱谷地帶，整個地勢由巍峨高聳的山脈與深邃湍急的江河構成，有切割很深的怒江、瀾滄江、獨龍江三大峽谷的山區，水資源開發難度極大，水資源開發率很低。結果表明，基于熵權的模糊物元法的分析結果真實可信，可以合理評估研究區工程型缺水程度，為區域水資源開發提供決策依據。

2.4 對策措施

結合工程型缺水計算結果、資料收集分析及現場調查情況，制定了以下的對策措施。

怒江州和文山州特別要解決好“望天田”的灌溉問題，在地理地形條件不能興建水庫、堰陂的地方也要采取打機井、挖水窖等辦法蓄水灌溉；在電力發達，電能富余而又水資源緊缺的地方因地制宜興建一批抽水泵站和蓄水池，利用峰谷電源提水增蓄儲備水資源，徹底消滅灌溉“盲”區。加大園田化建設力度，平整土地，對灌排渠系截彎取直、加固防滲，改善輸水條件，提高水的利用率。

改革傳統灌溉模式，推廣滴灌、噴灌、霧灌等節水灌溉技術。我國農業灌溉一直采用傳統的流灌、漫灌、浸灌、溝灌等方法，有水自然流，無水向天求。目前各用水農戶普遍存在浪費水現象，用水效益不高。我國的用水總量和美國相當，但GDP僅為美國的1/8。農民仍然習慣于大水漫灌，全國農業灌溉水的利用系數平均約為0.43，而先進國家為0.7甚至0.8。我國作物水分生產率平均為0.8kg/m3糧食，只相當于發達國家的40%。不少學者研究指出我國農業用水的節水潛力十分巨大。迪慶州、西雙版納州和楚雄州如果全面采用噴灌、滴灌、霧灌、微灌、滲灌等節水技術，水資源緊缺情況將得到很大緩解。所以，各級政府要采取切實有效措施，宣傳群眾，動員群眾，支持和激勵群眾建設節水灌溉網絡，推廣節水灌溉技術，開展節水灌溉。

臨滄市和德宏州應對現有水利工程更新改造和清淤擴容，挖潛增蓄。增加工程蓄水和解決農村灌排“跑、漏、冒”的問題，從根本上改變“上游水下河，下游干死禾”的現象。這項工作大有潛力可挖，粗略估算如全部蓄水工程清淤到位，工程蓄水將有望增加30%～40%。

怒江州和迪慶州應加大水土流失的治理力度，多種樹木、草皮，增加植被，含養水份，減少水份蒸發。

云南省以種植耗水量大的水稻為主，以2005年為例，畝均耗水量450m3，有些地方高達600m3/畝以上，加上工程型缺水，供需矛盾更加突出。怒江州和迪慶州可因地制宜調整種植結構，逐步減少水稻種植面積，引種一些低耗水的高原農旱作物，擴種一些耐旱的經濟作物，做到種植結構調整不影響農業和農民的增產增收。

3 結 論

基于熵權的模糊物元法通過直接選取與工程型缺水有關的指標，采用熵法求得權重，避免了AHP法的主觀性，通過計算歐氏貼近度評估工程型缺水程度，并提出了相應的對策措施。該模型在云南省的應用結果表明，方法的分析結果真實可信，與事實較為吻合，較以往的方法相比針對性更強，更具備推廣價值。在以后的研究工作中，可以將該方法應用在同樣工程型缺水問題較為嚴重的川、渝、黔、桂等地區進行分析，為解決我國西南地區工程型缺水問題提供參考。該方法為城市工程型缺水程度分析提供了一種新的思路，為解決工程型缺水問題提供決策依據。

[1] 許新宜,王韶偉,龐博，等. 水資源緊缺類型及其對策分析研究[J]. 北京師范大學學報(自然科學版), 2009,45(2):86-90.

[2] 王建春,高嵩,顧世祥,楊樹德. 云南省水危機及對策措施研究[J]. 中國農村水利水電,2010(12):52-56.

[3] 四川省城市缺水分析報告[R].四川省水利廳,2011.

[4] 袁華,牛少鳳,袁偉，等. 黑河流域水資源調配評價的模糊物元分析法[J]. 中國農村水利水電,2007(12):22-25.

[5] 馬明衛,張鑫,蔡煥杰，等. 基于熵的模糊物元水資源可持續利用評價[J]. 人民長江,2009,40(7):7-10.

[6] 蔡文. 物元模型及其應用[M].北京:科學技術文獻出版社,1994.

[7] 張斌,雍歧東,肖芳淳.模糊物元分析[M].北京:石油工業出版社,1997:1-50.

[8] 邱菀華.管理決策與應用熵學[M].北京:機械工業出版社,2001.

[9] 閆文周,顧連勝.熵權決策法在工程評價中的應用[J].西安建筑科技大學學報,2004,36(1):98-100.

[10] 阮本清,韓宇平,王浩，等.水資源短缺的模糊綜合評價[J]. 水利學報,2005,36(8):906-912.

[11] 肖芳淳. 模糊物元貼近度聚類分析的研究[J]. 新疆石油地質,1999,19(4):281-283.

[12] 潘峰,梁川,王志良，等.模糊物元模型在區域水資源可持續利用綜合評價中的應用[J]. 水科學進展,2003,14(3):271-275.

[13] 雷靜,張琳. 長江流域水資源開發利用率初步研究[J]. 水利規劃與設計,2010,1:32-34.

[14] 趙煥臣,許樹柏,和金生. 層次分析法-一種簡易的新決策方法[M]. 北京:科學技術出版社, 1986:1-43.

2015-05-21

譚平(1977-)，男，四川武勝人，碩士，高級工程師，從事水電開發環境保護相關工作。。

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