魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒　841000)

?

基于熵權(quán)可拓物元模型的水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)

魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)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(gè)指標(biāo)的水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)體系，利用熵權(quán)物元模型，對(duì)研究區(qū)2012年水資源可持續(xù)利用程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：總體上看，研究區(qū)水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)等級(jí)為較高(Ⅱ級(jí))，并有向中等(Ⅲ級(jí))轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)；就單個(gè)評(píng)價(jià)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(gè)指標(biāo)屬于高等級(jí)，人均水資源量、人均GDP產(chǎn)值與工業(yè)廢水處理率這3個(gè)指標(biāo)屬于較高等級(jí)，人口自然增長(zhǎng)率、城鎮(zhèn)化率、GDP年增長(zhǎng)率與生態(tài)環(huán)境用水率這4個(gè)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(jí)，供水模數(shù)與地下水開采率這2個(gè)指標(biāo)屬于低等級(jí)；熵權(quán)可拓物元模型在水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)方面實(shí)用可行，評(píng)價(jià)結(jié)果符合研究區(qū)實(shí)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(píng)價(jià)是水安全研究的重要內(nèi)容，其實(shí)質(zhì)是指通過(guò)對(duì)區(qū)域水資源指標(biāo)的計(jì)算，利用數(shù)學(xué)模型對(duì)水資源可持續(xù)利用程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。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(píng)價(jià)方法大多采用綜合指數(shù)原理分析，會(huì)造成單個(gè)指標(biāo)信息遺漏問(wèn)題[2]。此外，現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算多采用主觀法確定，造成評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定的主觀性。

可拓物元評(píng)價(jià)方法具有兼容性的優(yōu)點(diǎn)，可將不相容指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，從而使評(píng)價(jià)結(jié)果真實(shí)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(píng)價(jià)涉及面廣，符合可拓學(xué)解決范疇。同時(shí)，熵權(quán)法計(jì)算評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)模型，以2012年新疆和田地區(qū)為例，對(duì)其水資源可持續(xù)利用狀況進(jìn)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(jiǎn)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(lái)描述對(duì)象、特征、關(guān)系的模型，其中，Q為對(duì)象;C為對(duì)象的特征;U為Q關(guān)于C的量值。熵權(quán)-物元模型計(jì)算步驟如下。

1.1物元模型建立

建立評(píng)價(jià)等級(jí)物元，組成m個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)物元，每級(jí)物元包含n個(gè)指標(biāo)，j=1，2，…，m；i=1，2，…，n：

(1)

式中：Qmj為第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)；Ci為不同評(píng)價(jià)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)；Umji為不同評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)區(qū)間；amji、bmji為評(píng)價(jià)指標(biāo)的下、上限。

1.2節(jié)域物元模型的建立

將n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為1個(gè)物元，則節(jié)域物元模型為：

(2)

式中：P為等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；Ci為不同評(píng)價(jià)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)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(píng)物元模型的建立

待評(píng)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)的水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)；Ti為Q對(duì)應(yīng)Ci的實(shí)際值。

1.4計(jì)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(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)不能達(dá)到該等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)-1≤Kj(Ti)<0，表明評(píng)價(jià)指標(biāo)基本滿足該等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)0≤Kj(Ti)≤1，表明評(píng)價(jià)指標(biāo)符合該等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；Kj(Ti)>1，說(shuō)明該評(píng)價(jià)指標(biāo)完全能夠滿足該等級(jí)要求。

1.5指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

采用熵權(quán)法來(lái)計(jì)算水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，具體計(jì)算過(guò)程可以參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

1.6綜合關(guān)聯(lián)度的歸一化處理

對(duì)各評(píng)價(jià)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(duì)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(jí)就是其評(píng)價(jià)等級(jí)。

2指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(shí)際情況，初步包含16個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成的水資源可持續(xù)利用程度評(píng)價(jià)體系，通過(guò)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，最終構(gòu)建包含14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)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(wàn)m3/km2)與供水模數(shù)(C3，萬(wàn)m3/km2)、人口密度(C4，人/km2)、人口自然增長(zhǎng)率(C5，‰)、城鎮(zhèn)化率(C6，%)、人均GDP產(chǎn)值(C7，元)、GDP年增長(zhǎng)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(jì)16項(xiàng)指標(biāo)。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是定量評(píng)價(jià)的前提，參考文獻(xiàn)[9]，將水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為5個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：高(Ⅰ級(jí))、較高(Ⅱ級(jí))、中(Ⅲ級(jí))、較低(Ⅳ級(jí))、低(Ⅴ級(jí))，并對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)賦予分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表1)。

表1　和田地區(qū)水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)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(wàn)km2，總?cè)丝?12.34萬(wàn)人。降雨稀少而蒸發(fā)強(qiáng)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(shí)數(shù)2 610.5 h，年均氣溫12.2 ℃，無(wú)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(shí)空、地域分配不均。

3.2評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

(1) 根據(jù)前述建模過(guò)程，首先建立經(jīng)典物元模型，對(duì)于水資源利用高(Ⅰ級(jí))來(lái)講，j=1，則經(jīng)典物元矩陣為：

(9)

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

(10)

最后確定水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)的物元矩陣：

(11)

(2) 計(jì)算指標(biāo)實(shí)際值與經(jīng)典域、節(jié)域的空間距離，見(jiàn)表2。

(3) 計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)。利用式(4)計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)值，見(jiàn)表3。

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

表3　評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值表

(4) 計(jì)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(píng)價(jià)等級(jí)綜合關(guān)聯(lián)度和歸一化關(guān)聯(lián)度(見(jiàn)表4)。

表4　評(píng)價(jià)等級(jí)的歸一化關(guān)聯(lián)度值表

由熵權(quán)計(jì)算結(jié)果可知，14個(gè)評(píng)價(jià)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(zhǎng)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(guò)0.08，這說(shuō)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(jí)為較高(Ⅱ級(jí))，并有向中等(Ⅲ級(jí))轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。

(5) 評(píng)價(jià)結(jié)果檢驗(yàn)。利用文獻(xiàn)[9]評(píng)價(jià)結(jié)果(2012年和田地區(qū)水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí))進(jìn)行復(fù)核。結(jié)果表明，2種方法計(jì)算結(jié)果完全一致，實(shí)現(xiàn)了方法對(duì)方法的檢驗(yàn)。

4結(jié)語(yǔ)

(1) 2012年，新疆和田地區(qū)水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，并有向中等(Ⅲ級(jí))轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)；生態(tài)環(huán)境用水率、城鎮(zhèn)化率、GDP年增長(zhǎng)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(duì)區(qū)域水資源可持續(xù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，提高了評(píng)價(jià)方法的客觀性與精確度，進(jìn)而說(shuō)明了該方法的可行性。

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

參考文獻(xiàn):

[1]彭坤泉,張平.投影尋蹤模型在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].江蘇環(huán)境科技,2007,20(01):59-62.

[2]余健,房莉,倉(cāng)定幫.熵權(quán)模糊物元模型在土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(05):260-266.

[3]厲莎,張仁貢.基于可拓評(píng)價(jià)的農(nóng)村飲用水工程運(yùn)行管理模式研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2013,28(06):1059-1069.

[4]余敦,陳文波.基于物元模型的鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(10):2681-2685.

[5]劉蕾,姜靈彥,高軍俠.基于P-S-R模型的土地生態(tài)安全物元評(píng)價(jià)-以河南省為例[J].地域研究與開發(fā),2011,30(04):117-121.

[6]謝炳庚,劉智平.模糊-物元綜合評(píng)價(jià)法在環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].經(jīng)濟(jì)地理,2010,30(01):27-30.

[7]楊秋林,郭亞兵.水資源承載能力評(píng)價(jià)的熵權(quán)模糊物元模型[J].地理與地理信息科學(xué),2010,26(02):89-92.

[8]吳冠岑,劉友兆,付光輝.基于熵權(quán)可拓物元模型的土地整理項(xiàng)目社會(huì)效益評(píng)價(jià)[J].中國(guó)土地科學(xué),2008,22(05):40-46.

[9]吳雪梅,塔西甫拉提·特依拜.基于PSO-PPE模型的和田水資源承載力評(píng)價(jià)研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2014,32(02):228-233.

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(hào)：1006—2610(2016)03—0013—04

收稿日期：2015-10-30

作者簡(jiǎn)介：魏光輝(1981- )，男，新疆石河子市人，高級(jí)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(xiàng)目：新疆水文學(xué)及水資源重點(diǎn)學(xué)科基金資助(XJSWSZYZDXK20101202).

中圖分類號(hào)：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.003