陸靜良

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

回良玉曾在2009年的全國水利工作會(huì)議上提出，應(yīng)結(jié)合我國的水利基本國情建立最嚴(yán)格水資源管理制度，嚴(yán)格按照“三條紅線”進(jìn)行水資源管理；陳雷部長在全國水資源管理會(huì)議上提出實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展必須保證實(shí)施水資源的最嚴(yán)格管理[1]。我國政府提出當(dāng)前水資源過度開發(fā)問題應(yīng)嚴(yán)格控制、明顯改善水資源浪費(fèi)和嚴(yán)重污染問題，努力按照“三條紅線”基本要求保證用水總量、用水效率系數(shù)和納污能力符合控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)中央、國務(wù)院提出的基本要求和根本出發(fā)點(diǎn)，我國水利學(xué)者利用多種手段和技術(shù)方法從多方面開展了大量的研究，其中主要包含“三條紅線”的解析、基本思路和主要原則、實(shí)施措施和制度保障等，而有關(guān)水資源管理水平和主要問題的研究相對較少[2]。隨著水資源管理的進(jìn)一步發(fā)展和研究，全國范圍內(nèi)普遍建立了關(guān)于水資源管理的制度和相關(guān)措施。目前，對水資源管理水平進(jìn)行評價(jià)，以及全面、科學(xué)地對未來水資源管理狀況進(jìn)行預(yù)測已成為驗(yàn)證水資源管理相關(guān)制度措施是否科學(xué)合理的主要研究內(nèi)容。科學(xué)合理地對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選將直接影響評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，故對不同的研究區(qū)域應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃Y源管理實(shí)際情況建立評價(jià)指標(biāo)體系。用于水資源評價(jià)的方法很多，主要有層次分析法、熵權(quán)法、模糊分析法以及組合權(quán)重法等，因此，應(yīng)結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和水資源開發(fā)利用情況，采取科學(xué)合理的計(jì)算評價(jià)方法對水資源管理水平的評價(jià)具有重要意義[3- 6]。

據(jù)此，文章在詳細(xì)分析了物元分析的基本理論和計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，分別利用層次分析法和熵權(quán)法對體系中指標(biāo)層和準(zhǔn)則層的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后建立了基于改進(jìn)模糊物元分析法的最嚴(yán)格水資源評價(jià)模型，對遼寧省水最嚴(yán)格資源管理水平進(jìn)行模擬和預(yù)測。

1 基于改進(jìn)的熵權(quán)模糊元分析法

1.1 基于改進(jìn)熵權(quán)法的權(quán)重計(jì)算

目前層次分析法、變權(quán)分析法、熵值法和博弈組合權(quán)重法等是應(yīng)用于最嚴(yán)格水資源管理評價(jià)的主要評價(jià)方法。其中層次分析法是以專家學(xué)者的知識經(jīng)驗(yàn)對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行賦值，該方法具有一定直觀判斷性，受個(gè)人影響因素較大；變權(quán)分析法主要是適用于在指標(biāo)賦予值過低時(shí)可對整體評分產(chǎn)生顯著影響的情況，該方法是通過提高過低分?jǐn)?shù)指標(biāo)的權(quán)重使綜合評價(jià)得分更加合理；熵值法是對指標(biāo)離散程度賦予客觀的指數(shù)，但可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離指標(biāo)在實(shí)際情況中的權(quán)重比值；博弈組合權(quán)重法是將不同評價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行關(guān)聯(lián)、法則規(guī)劃等作用，以權(quán)重集的形式進(jìn)行賦權(quán)，具有一定的可靠性[7]。

因?qū)ρ芯繀^(qū)域生態(tài)效應(yīng)成效機(jī)制的認(rèn)識存在一定的局限性和缺陷，且為了提高評價(jià)結(jié)果的可信度，使其更加貼近實(shí)際情況，文章在充分考慮了各種主客觀因素的基礎(chǔ)上，采用組合賦權(quán)的方法對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算[8]。文章所采用的層次分析法主要是以專家的知識經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，首先將關(guān)鍵因素按照一定的規(guī)則自上而下地分解成若干層，然后按照指標(biāo)尺度構(gòu)造各層要素之間的判斷矩陣，并通過檢驗(yàn)指標(biāo)一致性結(jié)果計(jì)算權(quán)重向量，進(jìn)行權(quán)重組合。文章分別利用熵權(quán)法和層次分析法對不同層級的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重系數(shù)計(jì)算，計(jì)算過程如下：

首先設(shè)定水資源管理評價(jià)的方案個(gè)數(shù)為n，評價(jià)體系中包含的指標(biāo)數(shù)總數(shù)為m，表達(dá)為X=(xij)m×n;(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)。因不同評價(jià)指標(biāo)之間的量綱和單位存在一定的差異性，故需對判斷矩陣進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范化處理，并得到相對隸屬矩陣：R=(rij)m×n(i=1，2，…，m;n=1，2，…，n)。

經(jīng)濟(jì)型評價(jià)指標(biāo)其計(jì)算結(jié)果越大則評價(jià)越優(yōu)，經(jīng)濟(jì)型評價(jià)指標(biāo)的相對隸屬度可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

成本型評價(jià)指標(biāo)其計(jì)算結(jié)果越小越優(yōu)，此類評價(jià)指標(biāo)的相對隸屬度可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中，rij—第j個(gè)評價(jià)方案中的第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的相對隸屬度；(xij)max、(xij)min—在不同方案中同一評價(jià)指標(biāo)xij的最大值和最小值。

評價(jià)指標(biāo)熵的確定可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

(4)

式中，Hi—方案中第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的熵值；n—所選方案的總數(shù)；fij—第j個(gè)評價(jià)方案中的第i項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重占評價(jià)的權(quán)重值。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可對各評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

W=(ωi)1×m

(5)

(6)

式中，ωi—各評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)，取值范圍為0～1，所有評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)之和為1；W—熵權(quán)特征向量。

將上述一級和二級權(quán)重計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合計(jì)算可得AHP-熵權(quán)的合成權(quán)重即為評價(jià)指標(biāo)目標(biāo)層的組合權(quán)重，綜合計(jì)算公式如下所示：

Wj=WiWij

(7)

式中，Wj—評價(jià)指標(biāo)在目標(biāo)層的組合權(quán)重；Wi—一級權(quán)重即準(zhǔn)則層相對熵權(quán)；Wij—二級權(quán)重即指標(biāo)層相對熵權(quán)。

1.2 構(gòu)建模糊元模型

事物、特征和向量是描述物元分析理論的關(guān)鍵性參數(shù)要素，設(shè)定體系評價(jià)對象為M，其特征為C，特征向量為X，則進(jìn)行評價(jià)的基本物元為R=(M，C，X)，利用上述的評價(jià)事物、特征和向量分析研究這些物元及其變化規(guī)律。設(shè)定向量X具有一定的模糊性即X為基本模糊物元，設(shè)定M具有m個(gè)評價(jià)指標(biāo)C1，C2，…，Cm和向量值X1，X2，…，Xm。綜上所述，R即為具有m個(gè)維度的模糊物元，則具有m個(gè)維度的n個(gè)樣本構(gòu)成的復(fù)合模糊物元如下所示：

(8)

式中，Xij—第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)在j樣本中的模糊量值。

不同評價(jià)指標(biāo)之間的單位和量綱存在一定的差異，故需對模糊物元進(jìn)行從優(yōu)隸屬度計(jì)算，結(jié)合不同評價(jià)指標(biāo)的類型，則經(jīng)濟(jì)型和成本型評價(jià)指標(biāo)的從優(yōu)隸屬度可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(9)

式中，μij—方案j在第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的從優(yōu)隸屬度；(Xij)max、(Xij)min—分別為評價(jià)指標(biāo)的最大值和最小值。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可構(gòu)建在n個(gè)樣本中的m項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)從優(yōu)隸屬度模糊元矩陣如下：

(10)

文章中模糊物元R0m與Rmn之間的差的平方用Δij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)表示，則模糊物元RΔ的表達(dá)式如下：

(11)

文章通過計(jì)算歐式貼近度ρHj，構(gòu)建貼近度模糊物元矩陣RρH，計(jì)算公式如下：

(12)

RρH=[ρH1，ρH2，…，ρHn]

(13)

2 遼寧省最嚴(yán)格水資源管理評價(jià)指標(biāo)體系

2.1 研究區(qū)域概況

遼寧省位于我國東北地區(qū)西南部，屬于溫帶、寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥漫長，夏季多雨炎熱，全年降雨量和徑流量分布不均勻，其中西部水資源面積較大[9]。遼寧省工業(yè)發(fā)展充分、畜牧業(yè)和農(nóng)林業(yè)發(fā)展迅速，不僅是我國的糧食基地也是工業(yè)發(fā)展中心。研究區(qū)域地勢由東南向西北呈逐漸降低趨勢，包含低山地丘陵區(qū)，在水資源管理中主要出現(xiàn)的問題有水供應(yīng)能力不足，局部地下水過度開采、水污染和浪費(fèi)情況嚴(yán)重、工農(nóng)業(yè)廢水排放不達(dá)標(biāo)、水資源凈化設(shè)施不完善等[10]。隨著社會(huì)的發(fā)展以及人們對生活質(zhì)量的提高，當(dāng)前的水資源問題已無法保證人們正常生活水平質(zhì)量的需要，嚴(yán)重制約了東北部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為保障經(jīng)濟(jì)建設(shè)的健康發(fā)展，提高人們生活水平質(zhì)量并緩解供水緊張壓力，就必須建立健全水資源管理制度，加強(qiáng)水資源綜合管理控制，節(jié)約減少水資源浪費(fèi)，合理開發(fā)利用水資源[11]。

2.2 建立評價(jià)指標(biāo)體系

全面、科學(xué)地對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選是影響評價(jià)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性的主要影響因素之一，文章結(jié)合遼寧省水資源分布結(jié)構(gòu)和開采利用現(xiàn)狀，通過將理論分析法和專家經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合建立了水資源管理評價(jià)指標(biāo)體系，并結(jié)合相關(guān)資料數(shù)據(jù)確定了各評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)等級，評價(jià)指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1中性質(zhì)欄，升代表越大越優(yōu)型指標(biāo)，降代表越小越優(yōu)型指標(biāo)，A1表示水資源人均用量、A2表示水資源開發(fā)利用率、A3表示農(nóng)業(yè)用水比例、A4表示生態(tài)用水比例、B1表示GDP萬元用水量、B2表示工業(yè)萬元增加值用水量、B3表示農(nóng)業(yè)灌溉利用系數(shù)、C1表示達(dá)標(biāo)率、C2表示生活污水處理率、C3表示排放廢水合格率，文章以2015年的水資源管理現(xiàn)狀為基準(zhǔn)，對2018年和2020年水平年的管理水平進(jìn)行預(yù)測評價(jià)。

表1 遼寧省水資源評價(jià)指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)

3 遼寧省最嚴(yán)格水資源管理評價(jià)

3.1 基于改進(jìn)熵權(quán)法的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

首先構(gòu)造判斷矩陣，確定一級權(quán)重為然后確定指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的權(quán)重。根據(jù)表1所構(gòu)建的遼寧省最嚴(yán)格水資源管理評價(jià)指標(biāo)體系及其評級標(biāo)準(zhǔn)，用熵權(quán)法公式計(jì)算出指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的二級權(quán)重，以及指標(biāo)層對目標(biāo)層的組合權(quán)重，見表2。

表2 遼寧省水資源管理指標(biāo)評價(jià)體系及指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

3.2 構(gòu)建模糊物元分析模型

結(jié)合文中所述的熵權(quán)法計(jì)算基本公式和評價(jià)指標(biāo)賦予系數(shù)，構(gòu)建了評價(jià)模型，根據(jù)遼寧省的不同年份的樣本和指標(biāo)數(shù)據(jù)建立了模糊物元R，然后利用文中所述公式的從優(yōu)隸屬度構(gòu)建了Rmn，并根據(jù)計(jì)算公式構(gòu)造RΔ，計(jì)算結(jié)果分別如下：

歐式貼進(jìn)度ρHj的計(jì)算是以各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)，利用模糊矩陣元RρH進(jìn)行計(jì)算，各樣本的貼進(jìn)度計(jì)算結(jié)果如下：

3.3 評價(jià)結(jié)果分析

計(jì)算得到遼寧省2015年、2018年和2020年最嚴(yán)格水資源管理水平：2015年Ⅱ級,2018年Ⅱ級,2020年Ⅰ級。根據(jù)表1中對遼寧省2018年和2020年各評價(jià)指標(biāo)的預(yù)測結(jié)果，采用改進(jìn)的模糊物元分析法對各規(guī)劃水平年遼寧省最嚴(yán)格水資源管理水平進(jìn)行預(yù)測[12]。

文章在確定了各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)后，將熵值法與賦權(quán)法進(jìn)行組合賦權(quán)，然后通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料并借鑒有關(guān)專家學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)公式，對各評價(jià)指標(biāo)的靈敏性進(jìn)行分析和判斷[13]，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 權(quán)重系數(shù)靈敏度計(jì)算結(jié)果

由表3可知，若要維持方案的優(yōu)劣排序，各指標(biāo)權(quán)重變化區(qū)間長度ω3>ω1>ω2，即用水效率控制的權(quán)重變化區(qū)間最小，敏感性最大；而納污能力的敏感性變化區(qū)間最大，故其受其他因素的影響作用程度較小，這也與遼寧省的實(shí)際情況保持一致。綜上所述，文章的權(quán)重系數(shù)整體敏感性較低，模型的評價(jià)結(jié)果具有良好的科學(xué)性和可靠度。

4 結(jié)語

文章在詳細(xì)分析了熵權(quán)法和層次分析法的基本原理和特征的基礎(chǔ)之上，通過將二者有效結(jié)合，應(yīng)用于評價(jià)系統(tǒng)中的不同層級中。通過對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊化處理使得不同層級的評價(jià)對象不僅包含有關(guān)專家學(xué)者的理論知識經(jīng)驗(yàn)而且具有一定的客觀性，既降低了個(gè)人主觀因素的影響，而且避免了全部采用理論分析所引起的計(jì)算結(jié)果的偏差。文章所建立的評價(jià)指標(biāo)體系具有較強(qiáng)的針對性和全面性，能夠涵蓋遼寧省水資源管理的關(guān)鍵性參數(shù)要素。基于改進(jìn)模糊元分析的權(quán)重計(jì)算法表現(xiàn)出良好的精度和穩(wěn)定性，評價(jià)模型表現(xiàn)出良好的適用性和準(zhǔn)確性。

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