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        基于三支決策改進(jìn)TOPSIS的水資源承載力評價

        2019-12-27 07:57:32孫國營孫新杰霍興贏龍尚銀
        節(jié)水灌溉 2019年12期
        關(guān)鍵詞:承載力標(biāo)準(zhǔn)化評價

        孫國營,孫新杰,霍興贏,龍尚銀

        (六盤水師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院,貴州 六盤水 553004)

        水是生命之源,我國的水資源分布很不均衡,加上人口的增加、生態(tài)資源的破壞等原因,我國一些地區(qū)已經(jīng)成為水資源匱乏的區(qū)域。水資源承載力是水資源可持續(xù)利用的重要指標(biāo),水資源承載力的研究對區(qū)域水資源的優(yōu)化配置和合理應(yīng)用有著非常重要的作用。

        關(guān)于水資源承載力的評價已經(jīng)有很多的研究。如危文廣[1]的基于理想點法的江西省水資源承載力評價;袁艷梅[2]的改進(jìn)的模糊綜合評價法在水資源承載力評價中的應(yīng)用;王正選[3]的基于改進(jìn)模糊集對評價法的水資源承載力評價----以龍川江流域為例;許有鵬[4]的干旱地區(qū)水資源承載能力綜合評價----以新疆和田河流域為例;陳臘嬌[5]的主成分分析法在水資源承載力影響因子評價中的應(yīng)用;黨麗娟[6]的水資源承載力研究進(jìn)展及啟示;左其亭[7]的水資源承載力研究方法總結(jié)與再思考;李高偉[8]的基于主成分分析的鄭州市水資源承載力評價。

        關(guān)于水資源承載力評價的文獻(xiàn)遠(yuǎn)不止于此,前期研究也有比較豐碩的成果,但是也存在一些局限性:對水資源承載力的評價僅局限于所獲評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,如果有個別評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,就有可能會使該水資源承載力的排名產(chǎn)生較大的影響。因此,本文引入了三支決策的評級制思想,通過主觀評判,給不同的評價指標(biāo)值進(jìn)行打分,再結(jié)合TOPSIS算法進(jìn)行評價,可以在最大程度上減少個別數(shù)據(jù)的干擾。另一方面,傳統(tǒng)的評價方法只有排名,而不能體現(xiàn)類別,因此,本文根據(jù)獲得的排名結(jié)果和三支決策的閾值α和β,將最終的水資源承載力分為優(yōu)、良、差三個等級,便于人們更加直觀的觀察。

        1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

        為了能夠準(zhǔn)確、科學(xué)的判斷水資源承載力的排名和級別,從水資源、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會4個方面進(jìn)行考慮,并選取人均水資源量、水資源開發(fā)利用率、人均日生活用水量以及人口密度等15個屬性作為評價指標(biāo),建立了水資源承載力評價指標(biāo)體系,如表1所示。

        表1 水資源承載力評價指標(biāo)體系

        2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

        2.1 創(chuàng)建初始矩陣

        假設(shè)一共有m個水資源承載力對象,每一個對象內(nèi)有n個屬性,用mij表示水資源承載力初始矩陣M中第i個對象下的第j個屬性,構(gòu)建水資源承載力初始矩陣M如下:

        (1)

        2.2 標(biāo)準(zhǔn)化處理

        標(biāo)準(zhǔn)化處理的目的是將不同評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)劃到同一量級上。效益型和成本型的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的公式各不相同,分別通過下式獲得標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣X=(xij)m×n:

        對越大越好的效益型指標(biāo)[9],原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的公式如式(2):

        (2)

        對越小越好的成本型指標(biāo)[9],原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的公式如式(3):

        (3)

        3 計算權(quán)重

        3.1 標(biāo)準(zhǔn)差貢獻(xiàn)率法[10]計算客觀權(quán)重

        (1)獲取mij在第i個評價指標(biāo)中的占比,如式(4)所示:

        (4)

        (2)獲取第j個評價指標(biāo)的權(quán)重μj,如式(5)所示:

        (5)

        (3)獲取客觀權(quán)重向量W1,如式(6)所示:

        W1=(μ1,μ2,μ3,…,μn)T

        (6)

        3.2 計算主觀權(quán)重

        群決策相對熵集結(jié)模型是對多個目標(biāo)進(jìn)行評判決策的主觀權(quán)重賦權(quán)方法[11],具體如以下三步所述:

        (1)計算群組決策矩陣K,如式(7)所示:

        K=(kij)m×ni=1,2,…,mj=1,2,…,n

        (7)

        其中,kij通常采用十分制,是第i個專家給第j個評價指標(biāo)的評分。

        (2)對矩陣K進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到規(guī)范化決策矩陣L=(lij)m×n,如式(8)所示:

        (8)

        (3)得到主觀權(quán)重向量W2=(σ1,σ2,σ3,…,σn)T,如下所示:

        (9)

        式中:λj為評審專家的決策權(quán)重。

        3.3 計算組合權(quán)重

        將式(6)和式(9)求得的客觀權(quán)重和主觀權(quán)重組合,得到組合權(quán)重向量W=(ω1,ω2,ω3,…,ωn)T,計算方法如式(10)所示:

        (10)

        4 預(yù)評分

        預(yù)評分是通過人的經(jīng)驗,對各年的水資源承載力屬性進(jìn)行打分,這樣可以排除個別偏離的數(shù)據(jù)對最終排名的影響。由于對水資源承載力評價指標(biāo)的評判不能簡單地分為好和不好兩種確定的情況,而且僅僅通過最終的排名也不能完全直觀的體現(xiàn)水資源承載力的實際情況,因此,本文引用三支決策的評級制思想,在對水資源承載力的評價指標(biāo)預(yù)評分的過程中,根據(jù)三支決策的閾值,將水資源承載力的評價指標(biāo)評為A、B、C三級,并根據(jù)最終排名和三支決策的閾值將水資源承載力評為優(yōu)、良、差三級。

        給定水資源承載力評價指標(biāo)的三支決策閾值α和β,根據(jù)下述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評級:對于效益型指標(biāo),首先將評價指標(biāo)值從大到小排序,對于成本型指標(biāo),首先將評價指標(biāo)值從小到大排序,每一個評價指標(biāo)排名小于等于10α的評定為A,每一個評價指標(biāo)排名大于10(1-β)的評定為C,其余的評定為B。通過分析各年水資源承載力中A、B、C的個數(shù),得到該年水資源承載力的預(yù)評分ψi,評分規(guī)則如下:若第i年水資源承載力的評價指標(biāo)中A占的比重最大,則ψi=1;若第i年水資源承載力的評價指標(biāo)中B占的比重最大,則ψi=0.5;若第i年水資源承載力的評價指標(biāo)中C占的比重最大,則ψi=0.1;若第i年水資源承載力的評價指標(biāo)中A和B一樣多且大于C,則ψi=0.75;若第i年水資源承載力的評價指標(biāo)中A和C一樣多且大于B,則ψi0.55;若第i年水資源承載力的評價指標(biāo)中B和C一樣多且大于A,則ψi0.3。

        水資源承載力所屬類別的評價規(guī)則如下:根據(jù)水資源承載力的排名,將排名不大于10α的水資源承載力的類別定義為優(yōu),將Yi中排名大于10(1-β)的水資源承載力的類別定義為差,其余的水資源承載力的類別定義為良。

        5 三支決策-改進(jìn)TOPSIS方法求排名和類別

        TOPSIS方法是多屬性決策中經(jīng)常用到的評價方法,可以判斷多個方案的優(yōu)劣程度。其具體過程如下:

        將權(quán)重向量W和標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣X相乘,求得加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z,如式(11)所示:

        Z=(zij)m×n=(ωjxij)m×n

        (11)

        計算水資源承載力的正理想解初始值Z1負(fù)理想解初始值Z0,如式(12)和式(13)所示:

        (12)

        (13)

        計算加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣中的值到正理想解初始值Z1和負(fù)理想解初始值Z0關(guān)于指標(biāo)j的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)hi(j)以及pi(j),分別如式(14)和式(15)所示:

        (14)

        (15)

        式中:ρ取0~1范圍內(nèi)的任意值,一般情況下取ρ=0.5。由公式(14)計算不同方案和正理想解初始值Z1的初始灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣H,由公式(15)計算不同方案和負(fù)理想解初始值Z0的初始灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣P,分別如式(16)和式(17)所示:

        (16)

        (17)

        (18)

        (19)

        (20)

        (21)

        (22)

        (23)

        計算不同年份的相對貼進(jìn)度Ci,如式(24)所示:

        (24)

        將Ci按大小排序,Ci越大,說明水資源承載力越強(qiáng),Ci越小,說明水資源承載力越弱。

        計算不同年份的最終得分Yi,如式(25)所示:

        (25)

        式中:ω′為預(yù)先給定的Ci在最終得分中占的比重;ω″為預(yù)先給定的ψi在最終得分中占的比重,本文中規(guī)定,ω′=0.8,ω″=0.2。其中Yi越大,水資源承載力越強(qiáng)。

        6 實例分析

        本文以文獻(xiàn)[12]中的數(shù)據(jù)為例,選取蕪湖市2006-2015年共10年的水資源承載力指標(biāo)數(shù)據(jù),構(gòu)建水資源承載力指標(biāo)數(shù)據(jù)初始數(shù)據(jù)表,如表2所示。

        表2 水資源承載力初始數(shù)據(jù)表

        通過公式(1)~(3),獲得標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣X,再通過公式(4)~(6)獲得客觀權(quán)重向量W1,結(jié)果如下:

        W1=(0.067,0.067,0.069,0.065,0.065,0.065,0.064,

        0.063,0.071,0.067,0.062,0.063,0.073,0.069,0.068)T

        通過公式(7)~(9),獲得主觀權(quán)重向量W2,結(jié)果如下:

        W2=(0.071,0.065,0.076,0.062,0.064,0.070,0.059,0.066,

        0.078,0.061,0.048,0.066,0.075,0.071,0.068)T

        通過公式(10)獲得組合權(quán)重向量W,結(jié)果如下:

        W=(0.071,0.065,0.079,0.060,0.062,0.068,0.057,0.062,

        0.083,0.061,0.045,0.062,0.082,0.073,0.069)T

        給定三支決策的閾值α=0.2,β=0.3,由于一共10個年份,首先根據(jù)評價指標(biāo)是效益型還是成本型進(jìn)行排序,不同評價指標(biāo)中排名不大于2的評級為A,不同評價指標(biāo)中排名大于7的評級為C,其余的評級為B。按上述標(biāo)準(zhǔn)獲得的預(yù)評分結(jié)果如表3所示。

        由公式(25),求得不同年份水資源承載力的最終得分Yi和排名及類別,結(jié)果如表5所示。

        表4是只通過改進(jìn)TOPSIS方法求得的結(jié)果,表5是通過三支決策-改進(jìn)TOPSIS方法求得的結(jié)果。從表4可以看出,水資源承載力排名前三的年份分別為2006、2015和2007,排名后三的年份分別為2010、2009和2008;從表5可以看出,水資源承載力排名前三的年份分別為2015、2014和2013,排名后三的

        表3 預(yù)評分結(jié)果

        表4 各年份的值及Ci的排名

        表5 各年份Yi的值和排名及分類

        年份分別為2009、2007和2008。對比表4和表5發(fā)現(xiàn),不同年份水資源承載力的排名有較大差別,通過和文獻(xiàn)[12]中的評價結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),通過三支決策改進(jìn)TOPSIS方法獲得的結(jié)果和文獻(xiàn)[12]中的結(jié)果幾乎保持一致,而僅僅通過改進(jìn)TOPSIS方法獲得的結(jié)果卻不滿足文獻(xiàn)[12]中的實際情況。通過對比,我們更容易看到三支決策改進(jìn)TOPSIS方法的優(yōu)越性和準(zhǔn)確性,同時,通過將不同年份的水資源承載力分為優(yōu)、良、差三級,更便于人們直觀地看出不同年份的水資源承載力情況。

        7 總 結(jié)

        本文針對蕪湖市2006-2015年十年的水資源承載力數(shù)據(jù),提出了一種基于三支決策改進(jìn)TOPSIS的水資源承載力評價方法,其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在下述三個方面:

        (1)通過結(jié)合客觀權(quán)重和主觀權(quán)重來計算組合權(quán)重,使計算結(jié)果更加合理;

        (2)通過增加預(yù)評分來計算水資源承載力的最后得分,能最大程度上排除個別不合理數(shù)據(jù)的干擾,使水資源承載力的排名更接近實際情況;

        (3)通過將不同年份的水資源承載力分為優(yōu)、良、差三級,便于人們更直觀地看出水資源承載力的好壞。

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