袁艷梅,沙曉軍,劉煜晴,高穎會(huì),劉 俊

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.江陰市水資源管理辦公室,江蘇 江陰 214400)

?

改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法在水資源承載力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

袁艷梅1,沙曉軍2,劉煜晴1,高穎會(huì)1,劉 俊1

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.江陰市水資源管理辦公室,江蘇 江陰 214400)

用變異系數(shù)法及層次分析(analytic hierarchy process,AHP)法計(jì)算組合權(quán)重,并將灰色關(guān)聯(lián)分析法中的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)應(yīng)用于模糊綜合評(píng)價(jià)模型中的模糊關(guān)系矩陣,結(jié)合定性、定量分析,對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行改進(jìn)。將改進(jìn)后的模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用于江陰市水資源承載力評(píng)價(jià),結(jié)果表明,與傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法相比,綜合評(píng)價(jià)結(jié)果相同,但是計(jì)算結(jié)果對(duì)于各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度差距減小,降低了主觀影響,說(shuō)明改進(jìn)后的評(píng)價(jià)方法在區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)中應(yīng)用良好。

模糊綜合評(píng)價(jià);組合權(quán)重;灰關(guān)聯(lián)分析;水資源承載力

水資源承載力是指某個(gè)地區(qū)的水資源在一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及保證水生態(tài)環(huán)境前提下,最大可承載的人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境需求的能力[1]。由此可見(jiàn),對(duì)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)可以揭示水資源可持續(xù)利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系,可以反映區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用情況,促進(jìn)區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與水資源保護(hù)同步進(jìn)行。選擇一種科學(xué)合理的評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)并預(yù)測(cè)區(qū)域的水資源承載力,對(duì)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義

迄今為止,用于評(píng)價(jià)水資源承載力的方法有模糊綜合評(píng)價(jià)法、主成分分析法、多目標(biāo)情景分析法以及熵權(quán)法等[2-3]。由于水資源承載力具有不確定性和模糊性的特點(diǎn),目前在水資源承載力評(píng)價(jià)方面應(yīng)用最廣泛的是模糊綜合評(píng)價(jià)法。并且,為了使模糊綜合評(píng)價(jià)模型應(yīng)用更為廣泛,評(píng)價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確,國(guó)內(nèi)已經(jīng)有不少學(xué)者提出了模糊綜合評(píng)價(jià)模型的改進(jìn)方法。2002年付強(qiáng)等[4]就提出了對(duì)模糊綜合評(píng)判決策模型進(jìn)行改進(jìn);2008年蔣金良等[5]在電能質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)模型中對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn);劉力等[6-7]在2009年提出了將信息熵理論與模糊數(shù)學(xué)方法相結(jié)合,建立基于熵權(quán)的改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)方法,并應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)方面;2014年延瑋辰等[8]在水資源承載力模糊綜合評(píng)價(jià)模型中采用了組合權(quán)重法,避免了單一賦權(quán)法的不全面性。

基于模糊綜合評(píng)價(jià)法以往的一些改進(jìn),本文利用變異系數(shù)法與層次分析(analytic hierarchy process,AHP)法相結(jié)合來(lái)計(jì)算組合權(quán)重,將灰色關(guān)聯(lián)分析法中的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)應(yīng)用于模糊綜合評(píng)價(jià)模型中的模糊關(guān)系矩陣,對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)模型提出進(jìn)一步的改進(jìn),后將其應(yīng)用于區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)中,且將評(píng)價(jià)結(jié)果與傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行對(duì)比,分析改進(jìn)后的模型的可用性。

1 研究方法

1.1 傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法

傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)方法是以模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論為基礎(chǔ),對(duì)受到多重因素制約的對(duì)象做出一個(gè)總體評(píng)價(jià),并將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)判步驟如下:

步驟1：選擇n個(gè)評(píng)價(jià)因子按照一定的順序進(jìn)行排列,形成具有n個(gè)元素的評(píng)價(jià)因素集U={u1,u2,…,un};

步驟2：將水資源承載能力定為m個(gè)等級(jí),根據(jù)所分的評(píng)價(jià)等級(jí),建立評(píng)價(jià)集V={v1,v2,…,vm};

步驟3：計(jì)算評(píng)價(jià)因素集U內(nèi)各個(gè)因素的權(quán)重,確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量集W={w1,w2,…,wn},確定權(quán)重的方法有加權(quán)法、AHP法等;

步驟5：將評(píng)價(jià)因素的權(quán)重向量集與模糊關(guān)系矩陣通過(guò)合適的合成算子進(jìn)行模糊運(yùn)算,并且進(jìn)行歸一化,得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。模糊運(yùn)算采用模糊算子M(·,?)(先乘后加)進(jìn)行計(jì)算,可得綜合評(píng)價(jià)值:B=W°R,B是最后的綜合評(píng)判矩陣。

1.2 改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法

1.2.1 結(jié)合主觀、客觀賦權(quán)法確定組合權(quán)重

a. AHP法。AHP法確定權(quán)重首先要將評(píng)估目標(biāo)分解成一個(gè)多級(jí)指標(biāo),然后判斷每一層中各指標(biāo)的相對(duì)重要性。并且引入1～9比率標(biāo)度對(duì)判斷出的相對(duì)重要性進(jìn)行定量。AHP法能夠綜合考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各級(jí)指標(biāo)的重要程度,但是在采用分級(jí)定量法賦值來(lái)構(gòu)造權(quán)重判斷矩陣時(shí),會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)中不同因素的權(quán)重相差巨大的問(wèn)題,而且該方法主觀性較強(qiáng),無(wú)法給出客觀的賦值。

b. 變異系數(shù)法。變異系數(shù)法是一種客觀賦權(quán)的方法，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)直觀反映的信息,利用公式計(jì)算得到指標(biāo)權(quán)重。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中,某一指標(biāo)取值差異越大,說(shuō)明該指標(biāo)實(shí)現(xiàn)難度越大,這樣的指標(biāo)更能準(zhǔn)確的反映被評(píng)價(jià)單位的差距。而由于評(píng)價(jià)體系內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)的量綱不同,為了消除量綱的影響,采用各項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)來(lái)衡量各項(xiàng)指標(biāo)取值的差異程度。變異系數(shù)計(jì)算公式為

(1)

各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重為

(2)

式中,qi為變異系數(shù)法計(jì)算出的指標(biāo)權(quán)重。

c. 組合權(quán)重。組合權(quán)重采用的是集成賦權(quán)法,即綜合主觀、客觀賦權(quán)法,在保留原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,參考人們對(duì)各指標(biāo)重要程度的給分,結(jié)合AHP法和變異系數(shù)法計(jì)算的各指標(biāo)權(quán)重，從而確定各指標(biāo)的組合權(quán)重，計(jì)算公式為

(3)

式中:pi為層次分析法計(jì)算出的指標(biāo)權(quán)重;wi為組合權(quán)重。

1.2.2 利用灰關(guān)聯(lián)法確定隸屬度矩陣

灰關(guān)聯(lián)法是基于灰色系統(tǒng)理論的一種綜合分析方法,一般用于定量描述并比較一個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展變化態(tài)勢(shì)。而關(guān)聯(lián)系數(shù)則用于反映評(píng)價(jià)對(duì)象與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的接近程度,關(guān)聯(lián)系數(shù)越大,評(píng)價(jià)對(duì)象越接近于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象?；谊P(guān)聯(lián)分析法計(jì)算灰關(guān)聯(lián)系數(shù)的基本步驟如下:

步驟1：確定參考序列x0(k)和比較序列xi(k)。以評(píng)價(jià)區(qū)域各指標(biāo)值為參考序列,以評(píng)價(jià)階段各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值為比較序列。

步驟2：序列無(wú)量綱化。為消除評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱和單位不同帶來(lái)的影響,需對(duì)序列進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

無(wú)量綱化方法為

(4)

(5)

表1 江陰市各評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

式中,Yi(k)、Y0(k)為無(wú)量綱后的指標(biāo)序列。

步驟3：計(jì)算絕對(duì)差序列。

(6)

式中,Δ0i(k)為絕對(duì)差序列。

步驟4：計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

本文將灰關(guān)聯(lián)法運(yùn)用于模糊綜合評(píng)價(jià)中,采用灰關(guān)聯(lián)系數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法的隸屬度,即將xi(k)與x0(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)作為其隸屬度,即指標(biāo)xi(k)對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 江陰市概況

江陰市位于119°59′E～120°34′30″E,31°40′34″N～31°57′36″N,地處長(zhǎng)江三角洲太湖平原北端,屬于典型的平原河網(wǎng)區(qū)。其地形主要有長(zhǎng)江沖積平原、太湖水網(wǎng)平原和低山丘陵。江陰市屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),又靠近長(zhǎng)江下游入?？?受海洋性氣候影響,多年平均氣溫16.7℃,平均降水量1 047.8 mm。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)《江陰年鑒(2012年)》和《2011年江陰市水資源公報(bào)》,選取基準(zhǔn)水平年2011年(保證率為75%)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù),和根據(jù)《江陰市水資源綜合規(guī)劃(2011—2030)》得到的2020、2030年江陰市各項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象,見(jiàn)表1。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

在綜合了江陰市水資源狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、生態(tài)環(huán)境保護(hù)3方面的因素后,構(gòu)建了多層次遞階結(jié)構(gòu)的水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。體系分為3個(gè)層次。目標(biāo)層O為水資源承載力;準(zhǔn)則層C由水資源系統(tǒng)C1,社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)C2,生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)C33個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成;指標(biāo)層U包括:人均供水量U1,需水模數(shù)U2,萬(wàn)元GDP用水量U3,居民生活用水定額U4,工業(yè)用水重復(fù)率U5,灌溉水有效利用系數(shù)U6,年人均GDPU7,生態(tài)環(huán)境用水率U8。

根據(jù)選定的8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)區(qū)域水資源承載力的影響程度,借鑒國(guó)內(nèi)其他學(xué)者水資源承載力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9-10],將其分為3個(gè)等級(jí):Ⅰ級(jí)(v1)表示該區(qū)域水資源承載力較強(qiáng),水資源可開(kāi)發(fā)利用的潛力大,水資源現(xiàn)階段不會(huì)制約區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展;Ⅱ級(jí)(v2)表示該區(qū)域水資源承載力適中,水資源開(kāi)發(fā)利用已達(dá)到一定規(guī)模,但仍具有一定的開(kāi)發(fā)利用潛力,水資源有可能成為該區(qū)域發(fā)展的制約因素;Ⅲ級(jí)(v3)表示該區(qū)域水資源承載力較弱,水資源進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用空間有限,水資源狀況已明顯制約該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。指標(biāo)層分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2(其中A為綜合評(píng)分值)。

表2 指標(biāo)層分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)分值

由于等級(jí)v1、v2、v3的遞減關(guān)系,A=0.95v1+0.5v2+0.05v3將評(píng)判集等級(jí)數(shù)量化,等級(jí)越高,A的值越大,得分越高,代表水資源承載力也越強(qiáng)。所以,用A來(lái)定量地反映各等級(jí)水資源承載能力狀態(tài):A<0.4時(shí),水資源承載力屬于Ⅲ級(jí)；0.4≤A<0.7時(shí)，屬于Ⅱ級(jí)；A≥0.7時(shí),屬于Ⅰ級(jí)。

2.4 各指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)建立的江陰市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,用AHP法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重時(shí),必須對(duì)各單層和總層次進(jìn)行一致性檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果小于0.1,滿足一致性,AHP法計(jì)算的指標(biāo)層各指標(biāo)權(quán)重結(jié)果見(jiàn)表3,準(zhǔn)則層C1、C2、C3的權(quán)重分別為0.311、0.493、0.196。

表3 AHP法計(jì)算的指標(biāo)層權(quán)重

根據(jù)式(1)～(2)計(jì)算變異系數(shù)法權(quán)重,由式(3)得到組合權(quán)重,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 指標(biāo)層變異系數(shù)法權(quán)重和組合權(quán)重

2.5 關(guān)系矩陣

傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)是基于已構(gòu)建的指標(biāo)集Ui(i=1, 2, …, 8)和評(píng)判集V={v1,v2,v3},采用線性隸屬度函數(shù)計(jì)算得到各等級(jí)模糊子集的隸屬度,進(jìn)而確定模糊關(guān)系矩陣:

改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)法是用灰關(guān)聯(lián)系數(shù)替代隸屬度,構(gòu)建關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣。由式(4)～(6)計(jì)算得到灰關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣如下:

2.6 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

分別采用傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法和改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算江陰市不同水平年的水資源承載力，最終評(píng)判結(jié)果矩陣B及綜合評(píng)分值A(chǔ)的結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)最大隸屬度原則以及綜合評(píng)分值A(chǔ),對(duì)表5的結(jié)果進(jìn)行分析。傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)江陰市不同水資源承載力的評(píng)價(jià)結(jié)果是:江陰市水資源承載力在2011、2020和2030年對(duì)v2隸屬度最大,結(jié)合綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)均高于0.4且低于0.7可得,江陰市水資源承載力一直處于Ⅱ級(jí),即表示該區(qū)域水資源承載力適中,水資源開(kāi)發(fā)利用仍具有一定的開(kāi)發(fā)利用潛力。改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果為:江陰市不同水平年的水資源承載力對(duì)于3個(gè)等級(jí)的隸屬度相差不大,且對(duì)于v2的隸屬度略大于其他2級(jí),其綜合評(píng)分值較傳統(tǒng)模糊評(píng)價(jià)法有所提高,但仍處于Ⅱ級(jí)狀態(tài)。

表5 江陰市不同年份水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié) 論

a. 用主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法相結(jié)合計(jì)算得到的組合權(quán)重代替單一方法確定的權(quán)重,可減少主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響;結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行改進(jìn),克服單一方法使用過(guò)程的不足,可使評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面客觀。

b. 改進(jìn)后的方法應(yīng)用于江陰市水資源承載力評(píng)價(jià),與傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法相比,綜合評(píng)價(jià)結(jié)果相同,但是計(jì)算得出的結(jié)果對(duì)于各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度差距減小,降低了主觀影響,說(shuō)明該方法在區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)中應(yīng)用良好。

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Application of improved fuzzy comprehensive evaluation method to water resources carrying capacity evaluation

YUAN Yanmei1, SHA Xiaojun2, LIU Yuqing1, GAO Yinghui1, LIU Jun1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.WaterResourcesManagementOfficeofJiangyin,Jiangyin214400,China)

The coefficient of variation method and the analytic hierarchy process (AHP) method were used to calculate combined weights. The grey correlation coefficient of the grey correlation analysis method was applied to the fuzzy relation matrix in the fuzzy comprehensive evaluation model. Combined with qualitative and quantitative analyses, the fuzzy comprehensive evaluation model was modified. The improved fuzzy comprehensive evaluation method was used to evaluate the water resources carrying capacity of Jiangyin City. The evaluation results agreed with those of the traditional fuzzy comprehensive evaluation method. In addition, the degree of membership with regard to various evaluation grades showed an insignificant difference, and the subjective effect was reduced, indicating that the improved evaluation method is applicable to regional water resources carrying capacity.

fuzzy comprehensive evaluation; combined weights; grey relational analysis; water resources carrying capacity

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.011

國(guó)家自然科學(xué)基金(41471015)

袁艷梅(1992—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)槌鞘蟹篮榕艥撑c水資源配置。E-mail:18251820730@163.com

劉俊,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:ljhohai@163.com

TV211.1

A

1004-6933(2017)01-0052-05

2016-05-19 編輯：王 芳)