王　浩，王志遠(yuǎn)

(1.河海大學(xué) 商學(xué)院，南京　211100; 2.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南　250100)

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基于模糊資源分配模型的區(qū)域水資源開發(fā)研究

王浩1，王志遠(yuǎn)2

(1.河海大學(xué) 商學(xué)院，南京211100; 2.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南250100)

摘要：在分析區(qū)域水資源開發(fā)影響因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于整體布局、規(guī)劃編制、實(shí)施效果、保障機(jī)制和可持續(xù)發(fā)展5個(gè)方面13個(gè)指標(biāo)的區(qū)域水資源開發(fā)項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并將基于模糊聚類的資源分配模型分析方法應(yīng)用到水資源開發(fā)綜合評(píng)價(jià)中。選取青海省剛察縣沙柳河水資源開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)證分析。結(jié)果表明：工程設(shè)施和社會(huì)效益是構(gòu)成水資源綜合開發(fā)利用的最主要因素，并且該改進(jìn)模型為區(qū)域水資源開發(fā)項(xiàng)目前的可持續(xù)發(fā)展快速預(yù)測(cè)提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞：資源分配模型；模糊聚類；水資源；綜合評(píng)價(jià)

水資源開發(fā)在國(guó)家水利發(fā)展中占據(jù)主導(dǎo)地位，決定著國(guó)家水利現(xiàn)代化的速度、規(guī)模和水平。中國(guó)水資源開發(fā)以各江河湖泊為基礎(chǔ)，為流域內(nèi)的人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供大量的水資源[1-3]。常用的水資源開發(fā)綜合評(píng)價(jià)方法有極限學(xué)習(xí)機(jī)法[4-7]、層次分析法[8-9]和熵權(quán)法[10-11]。來(lái)海亮等[12]在深入分析水資源開發(fā)影響因素的基礎(chǔ)上，從自然屬性、社會(huì)屬性、經(jīng)濟(jì)屬性、生態(tài)屬性和環(huán)境屬性5個(gè)方面構(gòu)建了水資源開發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并制定了屬性衡量準(zhǔn)則和開發(fā)利用屬性的定量識(shí)別。影響水資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展的因素較多，對(duì)水資源開發(fā)加以評(píng)價(jià)已成為亟待解決的突出問(wèn)題。只有科學(xué)有效地評(píng)價(jià)水資源開發(fā)才能確保政府對(duì)區(qū)域政策的正常制定。

本研究從整體布局、規(guī)劃編制、實(shí)施效果、保障機(jī)制和可持續(xù)發(fā)展5個(gè)方面構(gòu)建了水資源開發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并利用資源分配模型突出了客觀權(quán)重的快速準(zhǔn)確賦值，同時(shí)結(jié)合模糊聚類模型優(yōu)化指標(biāo)體系中主觀權(quán)重的賦值，將進(jìn)行模糊聚類改進(jìn)的傳統(tǒng)資源分配模型應(yīng)用于區(qū)域水資源綜合開發(fā)綜合評(píng)價(jià)研究中。

1水資源開發(fā)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源開發(fā)綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及水資源開發(fā)的資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等許多方面[10-11]。本研究在資料允許的前提下，梳理現(xiàn)有相關(guān)研究成果和調(diào)研資料，并綜合考慮數(shù)據(jù)可獲得性、評(píng)價(jià)指標(biāo)簡(jiǎn)明性等，從整體布局、規(guī)劃編制、實(shí)施效果、保障機(jī)制和可持續(xù)發(fā)展5個(gè)方面構(gòu)建了水資源開發(fā)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基本框架。

1) 整體布局。水資源開發(fā)的整體布局是開發(fā)型指標(biāo)的重要方面。由于水資源開發(fā)的價(jià)值分布是向資源型企業(yè)傾斜為主，因此其特性與工業(yè)經(jīng)濟(jì)有著根本的聯(lián)系。同時(shí)，水資源開發(fā)在居民的社會(huì)生活中扮演重要角色，并且區(qū)域內(nèi)居民區(qū)距離水資源開發(fā)地遠(yuǎn)近等因素所帶來(lái)的水資源利用存在差異性。因此，通過(guò)選取工程措施和非工程措施作為整體布局影響因素指標(biāo)。

2) 規(guī)劃編制。規(guī)劃編制是以政府決策為基礎(chǔ)的開發(fā)利用機(jī)制，強(qiáng)調(diào)水資源開發(fā)項(xiàng)目的目標(biāo)與任務(wù)是解決區(qū)域內(nèi)水資源可利用性的最終手段。由于規(guī)劃編制作為評(píng)價(jià)指標(biāo)包括諸多方面，結(jié)合了指標(biāo)數(shù)據(jù)的代表性和可獲取性，因此選取編制原則和目標(biāo)任務(wù)兩個(gè)指標(biāo)作為規(guī)劃編制的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3) 實(shí)施效果。在資料允許的前提下，結(jié)合水資源開發(fā)的實(shí)際情況，從區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境視角進(jìn)行分析，將實(shí)施效果分為3個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，即經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

4) 保障機(jī)制。保障機(jī)制是區(qū)域水資源開發(fā)的重要體現(xiàn)，對(duì)生產(chǎn)與生活質(zhì)量的提升起到至關(guān)重要的作用。為了反映保障機(jī)制對(duì)水資源開發(fā)項(xiàng)目的有效性，本研究主要選取政策法規(guī)、投資機(jī)制和管理機(jī)制作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中：政策法規(guī)為水資源合理開發(fā)提供了最基本的保障；投資機(jī)制與管理機(jī)制為水資源合理利用提供了直接可行性。

5) 可持續(xù)發(fā)展。水資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，通過(guò)工程技術(shù)創(chuàng)新與制度創(chuàng)新等多種手段，盡可能地減少區(qū)域內(nèi)水資源消耗和對(duì)環(huán)境的破壞，達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏。本研究選取工程維護(hù)、工程運(yùn)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為水資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)。

綜上，水資源開發(fā)項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的5個(gè)方面共包括13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖1所示。

圖1　水資源發(fā)開綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2改進(jìn)的模糊資源分配模型

水資源開發(fā)項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重賦值通常包括主觀權(quán)重與客觀權(quán)重兩個(gè)方面。主觀權(quán)重側(cè)重反映決策者的主觀行為，通常是政府與專家根據(jù)現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)?？陀^權(quán)重通常應(yīng)用到指標(biāo)評(píng)價(jià)的信息傳遞機(jī)制和搜集到的項(xiàng)目數(shù)據(jù)。在評(píng)價(jià)體系權(quán)重賦值過(guò)程中，資源分配模型可以突出客觀權(quán)重的快速準(zhǔn)確賦值，而容易忽略主觀權(quán)重的重要性，而模糊聚類模型可以通過(guò)模糊優(yōu)化指標(biāo)體系完善主觀權(quán)重的賦值。因此，本研究致力于資源分配模型與模糊聚類模型的混合算法，并將該合成模型應(yīng)用于水資源開發(fā)評(píng)價(jià)研究中。

2.1資源分配模型的相似度權(quán)重

在初始時(shí)刻，每個(gè)指標(biāo)節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)單位的初始資源，而在下一個(gè)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算中，每個(gè)指標(biāo)節(jié)點(diǎn)所擁有的資源會(huì)平均分配給其他相鄰的樣本節(jié)點(diǎn)[13]。假設(shè)樣本節(jié)點(diǎn)i與樣本節(jié)點(diǎn)j的相似度由兩個(gè)方面因素來(lái)決定：一方面是由指標(biāo)節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)從它們的公共鄰居節(jié)點(diǎn)所獲得的資源量的多少，所獲得的資源量越多，則相似度權(quán)重越大；另一方面是由指標(biāo)節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)從各自的鄰居節(jié)點(diǎn)所獲得的資源量的差異，差異越小，則兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)間的相似度權(quán)重越高[14]。

由資源分配模型的原理可得，下一個(gè)指標(biāo)權(quán)重由兩個(gè)樣本節(jié)點(diǎn)i,j的公共鄰居節(jié)點(diǎn)流入其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的資源量可以表示為

(1)

式中：m表示該二分網(wǎng)絡(luò)中指標(biāo)節(jié)點(diǎn)的總數(shù)；k(ωl)表示指標(biāo)節(jié)點(diǎn)Al的權(quán)重；bil的定義如下：

其中M(i)表示由節(jié)點(diǎn)i的鄰居樣本節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的集合。而下一指標(biāo)權(quán)重的樣本節(jié)點(diǎn)i從它的鄰居節(jié)點(diǎn)所獲得的資源量為

(2)

(3)

為了度量樣本節(jié)點(diǎn)i與樣本節(jié)點(diǎn)j的鄰居樣本節(jié)點(diǎn)獲得資源量的差異，定義樣本節(jié)點(diǎn)i與樣本節(jié)點(diǎn)j的相對(duì)資源比為

則樣本節(jié)點(diǎn)i與樣本節(jié)點(diǎn)j的相似度權(quán)重為

(4)

其中α是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，用來(lái)控制相對(duì)資源比相似度權(quán)重的影響，并且0≤α≤1。

2.2基于模糊聚類的相似度權(quán)重的資源分配模型

傳統(tǒng)的模糊聚類模型僅僅考慮指標(biāo)之間的相似性與隸屬度，不考慮指標(biāo)間權(quán)重差異性。針對(duì)這一弊端，把資源分配模型與模糊聚類相結(jié)合，即將客觀權(quán)重與主觀權(quán)重的賦值相結(jié)合，全面而準(zhǔn)確地反映評(píng)價(jià)體系中的指標(biāo)之間的接近程度。本研究利用矩陣范數(shù)重新定義相對(duì)公共資源，對(duì)式(1)～(4)進(jìn)行改進(jìn)，即樣本i與h個(gè)指標(biāo)的差異綜合權(quán)衡度量為

(5)

通過(guò)拉格朗日約束函數(shù)[15]求解改進(jìn)后資源分配模型的模糊聚類循環(huán)迭代指標(biāo)權(quán)重：

(6)

通過(guò)循環(huán)迭代確定聚類樹，從而在最佳聚類數(shù)c的基礎(chǔ)上，再取初始劃分資源量矩陣U(0)計(jì)算聚類中心：

(7)

對(duì)類別資源量矩陣U(l)進(jìn)行修正：

(8)

3實(shí)證分析

3.1研究區(qū)域概況

沙柳河(別名伊克烏蘭河)被認(rèn)為是青海湖水源的源頭，發(fā)源于青海省剛察縣境內(nèi)第一高峰桑斯扎山南麓，源頭為冰凍沼澤區(qū)。剛察縣地理位置為：99°20′44″～100°37′24″E、36°58′06″～38°04′04″N。沙柳河由西向東南流入青海湖，全長(zhǎng)106 km，流域總面積1 442 km2。該流域深居青藏高原腹地，屬于典型的高原大陸性氣候，地貌類型為湖濱灘地、丘陵和山地，海拔高度3 300 m左右，年平均氣溫為1.3 ℃，降水量為 380 mm，氣候干寒，多風(fēng)少雨，天氣多變，終年低溫。

截至2013年，青海省剛察縣根據(jù)境內(nèi)沙柳河投資實(shí)施7項(xiàng)大型水資源開發(fā)工程：在哈爾蓋鎮(zhèn)和沙柳河鎮(zhèn)尕曲灌區(qū)分別新建干渠、支渠92.4 km和15.8 km用于農(nóng)田灌溉；實(shí)施縣級(jí)非工程措施山洪災(zāi)害防治建設(shè)項(xiàng)目以提高山洪災(zāi)害預(yù)警能力；為哈爾蓋河工業(yè)園區(qū)群眾、企業(yè)建設(shè)防洪工程；在吉爾孟鄉(xiāng)秀腦秀麻村、伊克烏蘭鄉(xiāng)角什科貢麻村和泉吉鄉(xiāng)年乃索麻村分別鋪設(shè)輸水管道10.93，9.728和24.487 km以解決飲水安全問(wèn)題。

3.2數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采取分層抽樣，并且按照沙柳河各個(gè)水文站等距隨機(jī)抽樣調(diào)查，獲得了上述水資源開發(fā)指標(biāo)體系的調(diào)查問(wèn)卷。同時(shí)，將青海省剛察縣按照水資源開發(fā)進(jìn)行區(qū)域劃分，劃分為輕度開發(fā)、中度開發(fā)和大力開發(fā)區(qū)域，在這些區(qū)域中選取具有代表性的水資源開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行問(wèn)卷抽樣調(diào)查，這是為了保證被調(diào)查水資源開發(fā)項(xiàng)目的分散性和全面性，而且使所抽樣的項(xiàng)目代表了其所處地帶。搜集整理了沙柳河剛察縣水文站2002—2012年實(shí)地調(diào)查資料。

3.3合成算法的指標(biāo)權(quán)重分析

將所采集的樣本數(shù)據(jù)集作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。在該數(shù)據(jù)集中可以對(duì)已選擇的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分區(qū)間為1～10。對(duì)于指標(biāo)體系中的每一個(gè)數(shù)據(jù)集，如果專家評(píng)分大于等于6，則認(rèn)為該指標(biāo)有利于水資源開發(fā)項(xiàng)目。在刪除數(shù)據(jù)集中所有評(píng)分小于6的記錄之后，根據(jù)式(1)～(3)，結(jié)合水資源開發(fā)項(xiàng)目自身的特點(diǎn)計(jì)算相對(duì)公共資源結(jié)果集：

6.7,6.4,10.5,7.9,6.9,7.8]

隨機(jī)將公共資源結(jié)果集分為兩部分：90%的記錄作為訓(xùn)練度量樣本進(jìn)行相似度權(quán)重計(jì)算；另外10%的結(jié)果集在訓(xùn)練過(guò)程中被視為是未知的，因此不能被使用。根據(jù)式(4)，可調(diào)參數(shù)選擇α=0.5以平衡樣本節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)資源比重，可得到基于資源分配模型的相似度權(quán)重：

k(ωi)=[0.250,0.050,0.050,0.100,

0.100,0.125,0.050,0.060,0.025,

0.075,0.025,0.035,0.025]

根據(jù)式(5)，運(yùn)用拉格朗日約束函數(shù)的方法，收斂精度均設(shè)定為ε=0.001，聚類數(shù)從1類到13類，借助Matlab對(duì)式(6)～(8)進(jìn)行模糊聚類循環(huán)迭代，以實(shí)現(xiàn)上述改進(jìn)模糊聚類資源分配模型算法。由圖2可以分析得出類別數(shù)3應(yīng)為最佳聚類數(shù)，故根據(jù)采集的樣本數(shù)據(jù)集，對(duì)青海省剛察縣境內(nèi)的沙柳河水資源開發(fā)項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各個(gè)指標(biāo)重新劃分為3個(gè)類別。

由聚類分析可知，所選取的指標(biāo)可分為3類：第1類是工程措施和工程維護(hù)；第2類是非工程措施和規(guī)劃編制；其他的指標(biāo)為第3類。基于模糊聚類分析法對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，采用k-均值聚類分析方法，應(yīng)用SPSS軟件得出聚類結(jié)果，如表1所示。

圖2　聚類分析樹

表1　指標(biāo)的模糊聚類結(jié)果

由表1可以得出：指標(biāo)按照距離可分為3類。運(yùn)用Matlab軟件對(duì)式(6)～(8)進(jìn)行模糊循環(huán)迭代計(jì)算，得到評(píng)價(jià)體系中的準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重與單層次指標(biāo)綜合權(quán)重。根據(jù)指標(biāo)對(duì)剛察縣境內(nèi)沙柳河水資源開發(fā)影響因素指標(biāo)進(jìn)行排序，結(jié)果如表2所示。

將指標(biāo)權(quán)重計(jì)算數(shù)值與采用多層次分析法、熵權(quán)法、系統(tǒng)聚類法和資源分配模型計(jì)算方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較，并以Hamming distance檢驗(yàn)、Precision檢驗(yàn)以及Popularity檢驗(yàn)作為衡量權(quán)重計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如下：

Hamming distance檢驗(yàn)：

Precision檢驗(yàn)：

Popularity檢驗(yàn)：

其中：Q表示指標(biāo)i和指標(biāo)j之間相同樣本的數(shù)量；L表示指標(biāo)中列表的長(zhǎng)度；Ri(L)表示第i個(gè)指標(biāo)列表所包含的樣本集合中已選擇樣本的數(shù)量；m代表評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中指標(biāo)的總數(shù)；οij表示第i個(gè)指標(biāo)的第j個(gè)推薦樣本。計(jì)算結(jié)果中H越大，則模型的多樣性越好。P值越高，說(shuō)明模型精度越高；P*值越小，則模型中樣本的賦值能力越強(qiáng)。比較結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出：改進(jìn)模糊資源分配模型在各方面都優(yōu)于其他模型。在層次分析法、熵權(quán)法、系統(tǒng)聚類法以及資源分配模型這幾種方法中，層次分析法的多樣性最好，而改進(jìn)模糊資源分配模型的各個(gè)方面都優(yōu)于層次分析法，其中Precision提高了4.1%，Popularity降低了47.4%。與經(jīng)典的資源分配模型相比，改進(jìn)模糊資源分配模型的Hamming distance提高了8.9%，Precision提高了3.2%，Popularity降低了17.3%。說(shuō)明改進(jìn)的模糊資源分配模型的權(quán)重分配計(jì)算結(jié)果較為合理。

表2　剛察縣境內(nèi)沙柳河水資源開發(fā)指標(biāo)權(quán)重

表3　改進(jìn)模糊資源分配模型與其他方法

3.4結(jié)果分析

指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果表明：工程設(shè)施和社會(huì)效益是構(gòu)成沙柳河水資源開發(fā)的最主要因素，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政策法規(guī)對(duì)該地區(qū)水資源開發(fā)利用的影響因素最小，這與青海省剛察縣農(nóng)牧業(yè)和居民用水實(shí)際情況基本相符?？傮w來(lái)看，整體布局的不同是影響水資源開發(fā)項(xiàng)目差異的根本因素，而可持續(xù)性對(duì)開發(fā)項(xiàng)目的影響最低。 2013年青海省剛察縣不斷加大沙柳河水利工程投資，使全縣的人畜飲水半徑縮短到800 m以內(nèi)，飲水更方便、安全。這也說(shuō)明了評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的合理性。

4結(jié)束語(yǔ)

在分析水資源開發(fā)項(xiàng)目影響因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)整體布局、規(guī)劃編制、實(shí)施效果、保障機(jī)制和可持續(xù)發(fā)展5個(gè)方面和13個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了水資源開發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并選取基于模糊聚類改進(jìn)的資源分配模型對(duì)水資源開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)，這是一種新的嘗試。為了檢驗(yàn)該方法在快速評(píng)價(jià)中的運(yùn)用效果，選取青海省剛察縣境內(nèi)沙柳河水資源開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)證分析。從分析結(jié)果來(lái)看，工程設(shè)施和社會(huì)效益是水資源開發(fā)項(xiàng)目的最主要因素。結(jié)合政府工作報(bào)告，可知分析結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，驗(yàn)證了改進(jìn)模糊資源分配模型的可靠性，開辟了水資源開發(fā)項(xiàng)目決策過(guò)程中快速評(píng)價(jià)的新途徑。

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(責(zé)任編輯劉舸)

Evaluation of Fuzzy Resource Allocation Model of Regional Water Resources Development

WANG Hao1，WANG Zhi-yuan2

(1.School of Business，Hohai University，Nanjing 211100, China；2.School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250100, China)

Abstract:On basis of the brief analysis of influencing factors of water resources, we constructed of the evaluation index system of water resources development based on the development of water resources from the effect of the overall layout, planning, implementation, guarantee mechanism and sustainable development of 5 aspects 13 indicators, and tried to apply resource allocation model based on fuzzy clustering analysis method to the comprehensive evaluation of water resources development project. We had empirical analysis on Shaliu river water resources development in Gangca County, Qinghai province. The results show that engineering facilities and social benefits are constitute the most important factor of comprehensive development and utilization of water resources, and also the improved model for the sustainable development of water resources development provides a new method for fast forecasting.

Key words:resource allocation model; fuzzy cluster; water resource; comprehensive evaluation

收稿日期：2015-12-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51303182)；江蘇人文社科基地培育項(xiàng)目(2011B13614)

作者簡(jiǎn)介：王浩(1989—)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事國(guó)際河流水資源開發(fā)與合作研究；通訊作者 王志遠(yuǎn)(1987—)，男，山東日照人，博士研究生，主要從事水資源開發(fā)與規(guī)劃研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.011

中圖分類號(hào)：X196

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)05-0057-07

引用格式：王浩，王志遠(yuǎn).基于模糊資源分配模型的區(qū)域水資源開發(fā)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(5):57-63.

Citation format：WANG Hao，WANG Zhi-yuan.Evaluation of Fuzzy Resource Allocation Model of Regional Water Resources Development[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):57-63.