孫兆光

(莒縣青峰嶺水庫(kù)管理服務(wù)中心，山東 莒縣 276500)

水利作為農(nóng)業(yè)灌溉的一個(gè)必要因素，對(duì)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有舉足輕重的現(xiàn)實(shí)意義。就生態(tài)平衡問(wèn)題，我國(guó)現(xiàn)已規(guī)劃了一系列的綠色發(fā)展項(xiàng)目，如清潔生產(chǎn)技術(shù)[1]、回收可再生資源[2]、再生能源產(chǎn)品與系統(tǒng)制造等。這些項(xiàng)目中，生態(tài)水利工程[3]是近幾年剛剛提出并正在逐步落實(shí)的項(xiàng)目之一，目標(biāo)是在最大限度保護(hù)好生態(tài)環(huán)境的前提下，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，確保農(nóng)作物取得大豐收。雖然隨著社會(huì)主義新農(nóng)村的建設(shè)，農(nóng)業(yè)灌區(qū)數(shù)量不斷增多，但生態(tài)水利工程始終沒(méi)有得到較高關(guān)注，導(dǎo)致應(yīng)用率較小、覆蓋速度較慢。因此，對(duì)生態(tài)水利工程灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)估是目前亟須解決的問(wèn)題。部分研究人員將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于生態(tài)水利工程灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估中，構(gòu)建生態(tài)水利工程灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估體系，獲取評(píng)估指標(biāo)，以計(jì)算指標(biāo)權(quán)重值為基礎(chǔ)，輸出評(píng)估結(jié)果。但是該方法沒(méi)有對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱處理，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不準(zhǔn)確。

為拓展生態(tài)水利工程的應(yīng)用前景，本文面向此工程的灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果，探討粗糙集理論在其評(píng)估階段中的應(yīng)用。粗糙集理論[4]憑借獨(dú)有的數(shù)據(jù)處理特征，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘、醫(yī)療診斷、決策分析等領(lǐng)域中，不僅不依賴先驗(yàn)知識(shí)與附加信息，而且可以較好地處理多變量或不完備的數(shù)據(jù)信息；基于粗糙集的知識(shí)約簡(jiǎn)方法，在簡(jiǎn)化無(wú)關(guān)指標(biāo)時(shí)，不會(huì)改變指標(biāo)分類能力，有助于降低算法復(fù)雜度與難度，提升評(píng)估精準(zhǔn)度。

1 節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估指標(biāo)體系建立

根據(jù)評(píng)估指標(biāo)體系的科學(xué)性、可操作性、針對(duì)性以及全面性4個(gè)原則，結(jié)合生態(tài)水利工程的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等角度，利用層次分析法[5]建立生態(tài)水利工程灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估指標(biāo)體系見(jiàn)表1，以多方位客觀地綜合評(píng)估灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果。

2 節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估模型

選用線性隸屬度函數(shù)，無(wú)量綱處理體系所含指標(biāo)，結(jié)合專家評(píng)分法[6-7]，明確評(píng)估指標(biāo)權(quán)值，得到m個(gè)指標(biāo)的權(quán)重集合W={w1，w2，…，wn}[7-10]。當(dāng)指標(biāo)權(quán)值存在較大差異時(shí)，利用下列2項(xiàng)條件方程組，分別計(jì)算出正相關(guān)與負(fù)相關(guān)指標(biāo)在同層級(jí)中的聯(lián)系度：

u1(v1k，xqk)=a+b1i++c1j++b2i-+c2j-=

u2(v1k，xqk)=a+b1i++c1j++b2i-+c2j-=

(2)

式中，u1(v1k，xqk)為正相關(guān)指標(biāo)在同層級(jí)中的聯(lián)系度；u2(v1k，xqk)為負(fù)相關(guān)指標(biāo)在同層級(jí)中的聯(lián)系度；xqk第q年第k個(gè)指標(biāo)的評(píng)估值；a、b1、b2、c1、c2為表示聯(lián)系度的5個(gè)系數(shù)；i+、i-、j+、j-分別為評(píng)估等級(jí)的優(yōu)異值、劣異值、優(yōu)反值、劣反值；v1k、v2k、v3k分別為評(píng)估結(jié)果的3個(gè)等級(jí)限值[11-13]。

以評(píng)估結(jié)果的第一等級(jí)v1k為例，通過(guò)下式加權(quán)處理評(píng)估指標(biāo)的平均聯(lián)系度，所得結(jié)果即為該評(píng)估結(jié)果的加權(quán)平均聯(lián)系度。同理，得到另外2個(gè)評(píng)估等級(jí)的加權(quán)平均聯(lián)系度數(shù)值。將其按從大到小的順序排列，所得的最大值即灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果的最終評(píng)估結(jié)果。

3 基于粗糙集的灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估指標(biāo)體系處理

根據(jù)具體灌區(qū)的實(shí)際情況，采用粗糙集的知識(shí)約簡(jiǎn)方法，在不改變指標(biāo)分類能力的同時(shí)，去除關(guān)聯(lián)性小、重要程度低且對(duì)研究灌區(qū)有干擾的指標(biāo)，降低算法復(fù)雜度與難度，提升評(píng)估精準(zhǔn)度[14]。

假設(shè)評(píng)估指標(biāo)數(shù)為m的集合用K={k1，k2，…，km}表示，模型的評(píng)估結(jié)果集合V={優(yōu)，中，差}，生態(tài)水利工程的n個(gè)灌區(qū)集合為Y={y1，y2，…，yn}。根據(jù)灌區(qū)集合Y在評(píng)估指標(biāo)集合K中的模型評(píng)估結(jié)果，劃分灌區(qū)集合元素類別[15]。當(dāng)灌區(qū)集合元素yp與yq的評(píng)估結(jié)果不一樣時(shí)，兩元素分屬于2個(gè)不同類別中；當(dāng)灌區(qū)集合元素yp與yq的評(píng)估結(jié)果一致時(shí)，兩元素屬于同一個(gè)類別中。

將指標(biāo)集K所含元素k1，k2，…，km逐一去除，劃分灌區(qū)集合元素y1，y2，…，yn的類別，具體如下所述。

(1)

表1 生態(tài)水利工程灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system of water saving and energy saving effect in ecological water conservancy project irrigation area

表2 模型評(píng)估結(jié)果的矩陣描述形式Tab.2 Matrix description form of model evaluation results

評(píng)估指標(biāo)體系是一個(gè)完備的信息系統(tǒng)，用S=(K，V，Y)表示，也可以說(shuō)，該體系中有且僅有一個(gè)灌區(qū)元素y能使值域Yl存在空值。評(píng)估結(jié)果集合V為指標(biāo)集合K與灌區(qū)集合Y的關(guān)系集，即V={vl：K→Yl}(Yl為第l個(gè)灌區(qū)yl的值域，l=1，2，…，n)[18]。

綜上所述，創(chuàng)建區(qū)分矩陣求解出區(qū)分函數(shù)，根據(jù)所得函數(shù)值劃分評(píng)估指標(biāo)體系的約簡(jiǎn)與核，完成完備信息系統(tǒng)的知識(shí)約簡(jiǎn)。

基于灌區(qū)集合Y所含元素?cái)?shù)量n，建立n×n的對(duì)稱區(qū)分矩陣，其元素子集y(g，h)可通過(guò)下列表達(dá)式加以描述：

y(g，h)={y∈Y|v(g，y)≠v(h，y)}

(3)

式中，評(píng)估結(jié)果v(g，h)與v(h，y)均在灌區(qū)的值域里。

為各灌區(qū)元素y指定一個(gè)布爾變量ψ，當(dāng)ψ(g，h)={ψ1，ψ2，…，ψn}為非空集合時(shí)，∑ψ(g，h)=1成立，故采用下列表達(dá)式計(jì)算出區(qū)分函數(shù)：

(4)

因此，灌區(qū)集合的全部約簡(jiǎn)就是區(qū)分函數(shù)Δ最小析取范式內(nèi)的全部合取式；核就是對(duì)稱區(qū)分矩陣中全部元素構(gòu)成的集合，界定表達(dá)式：

core(Y)={y∈Y|ψ(g，h)={y}}

(5)

式中，矩陣行g(shù)、列h均屬于指標(biāo)指標(biāo)集合K。

由此推導(dǎo)出如下定理：

core(Y)=∩red(Y)

(6)

式中，red(Y)為灌區(qū)集合Y的全部約簡(jiǎn)。

綜上所述，本文研究的粗糙集在生態(tài)水利工程灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估中的應(yīng)用具體流程如圖1所示。

圖1 具體流程Fig.1 Specific process

4 實(shí)例分析

4.1 灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估實(shí)現(xiàn)

選取某地區(qū)作為生態(tài)水利工程的灌區(qū)節(jié)水節(jié)能實(shí)現(xiàn)對(duì)象，該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，生態(tài)狀況不太可觀，是較為理想的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。目標(biāo)區(qū)域灌區(qū)節(jié)水節(jié)能工程如圖2所示。

圖2 目標(biāo)區(qū)域灌區(qū)節(jié)水節(jié)能工程Fig.2 Water saving and energy saving project in irrigation area of target area

從目標(biāo)區(qū)域灌區(qū)的實(shí)際情況出發(fā)，依據(jù)指標(biāo)體系創(chuàng)建準(zhǔn)則，利用基于粗糙集的知識(shí)約簡(jiǎn)方法，得到更具代表性與針對(duì)性的灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估指標(biāo)體系(表3)。

表3 基于目標(biāo)區(qū)域的灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估指標(biāo)體系Tab.3 Evaluation index system of water saving and energy saving effect in irrigation area based on target area

針對(duì)該區(qū)域年鑒的實(shí)際情況，劃分灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為優(yōu)秀、良好、中等、較差、無(wú)效5個(gè)級(jí)別。灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估體系的指標(biāo)分級(jí)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 評(píng)估體系指標(biāo)分級(jí)Tab.4 Index classification of evaluation system

選取目標(biāo)區(qū)域5個(gè)灌區(qū)的指標(biāo)數(shù)據(jù)(表5)，采用線性隸屬度函數(shù)，無(wú)量綱處理體系所含指標(biāo)，結(jié)合專家評(píng)分法，明確評(píng)估指標(biāo)權(quán)值，得到如圖3所示的5個(gè)評(píng)估等級(jí)加權(quán)平均聯(lián)系度參數(shù)，降序排列后取得各灌區(qū)對(duì)應(yīng)的節(jié)水效果評(píng)估結(jié)果。

表5 目標(biāo)區(qū)域5個(gè)灌區(qū)指標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.5 Index data of five irrigation districts in the target area

圖3 評(píng)估等級(jí)加權(quán)平均聯(lián)系度示意Fig.3 Schematic diagram of weighted average connection degree of evaluation level

根據(jù)加權(quán)平均聯(lián)系度的數(shù)值大小可以看出，5個(gè)灌區(qū)的最大值分別為優(yōu)秀、優(yōu)秀、優(yōu)秀、中等以及良好等級(jí)。因此，5個(gè)灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果的最終評(píng)估結(jié)果各是優(yōu)秀、優(yōu)秀、優(yōu)秀、中等以及良好。

4.2 灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果評(píng)估成果驗(yàn)證

利用目標(biāo)區(qū)域具體指標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行反向證明，驗(yàn)證評(píng)估結(jié)果的正確性。為確保客觀性與可靠性，從被粗糙集知識(shí)簡(jiǎn)約掉的指標(biāo)中任意選取3個(gè)指標(biāo)加以驗(yàn)證，即非表3所示評(píng)估指標(biāo)體系中的指標(biāo)。采集5個(gè)灌區(qū)驗(yàn)證指標(biāo)在實(shí)施生態(tài)水利工程后的真實(shí)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 驗(yàn)證指標(biāo)值示意Fig.4 Schematic diagram of validation index value

經(jīng)對(duì)比各灌區(qū)驗(yàn)證指標(biāo)在開(kāi)展生態(tài)水利工程前后的數(shù)據(jù)變化可以看出：前3個(gè)灌區(qū)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值分別升至90.73萬(wàn)、84.91萬(wàn)、95.19萬(wàn)元，節(jié)約的水量各高達(dá)46.35、45.24、44.16 t，為防止生態(tài)環(huán)境惡化所需的水資源量則分別降至4.96、4.83、4.99 t，結(jié)合表6發(fā)現(xiàn)，各指標(biāo)數(shù)值均處于優(yōu)秀等級(jí)中，說(shuō)明生態(tài)水利工程灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果斐然；4號(hào)灌區(qū)的驗(yàn)證指標(biāo)值各為52.49萬(wàn)元、29.71 t、17.5 t，結(jié)合分級(jí)取值范圍可知，該灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果屬于中等水平；將5號(hào)灌區(qū)的3個(gè)指標(biāo)值67.21萬(wàn)元、39.15 t、7.63 t與評(píng)估分級(jí)數(shù)值對(duì)照后發(fā)現(xiàn)，該灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果位于良好等級(jí)的范圍內(nèi)。

表6 驗(yàn)證指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Classification standard of validation index

綜上所述，根據(jù)真實(shí)的驗(yàn)證指標(biāo)值，將5個(gè)灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果主觀判定為優(yōu)秀、優(yōu)秀、優(yōu)秀、中等、良好，與本文模型的評(píng)估結(jié)果相一致。究其原因是采用粗糙集的知識(shí)約簡(jiǎn)方法，在不改變指標(biāo)分類能力的同時(shí)，去除了關(guān)聯(lián)性小、重要程度低且對(duì)研究灌區(qū)有干擾的非必要指標(biāo)，降低算法復(fù)雜度與難度，利用構(gòu)建的評(píng)估模型，針對(duì)指標(biāo)的權(quán)值差異化問(wèn)題，以評(píng)估等級(jí)的加權(quán)平均聯(lián)系度數(shù)值大小為判定依據(jù)，令節(jié)水效果評(píng)估結(jié)果更加精準(zhǔn)、正確。

5 結(jié)論

可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出令生態(tài)水利工程的落實(shí)力度不斷加大，目前已有近千個(gè)大中小型灌區(qū)投入使用，取得了“節(jié)能減排”道路上的階段性勝利，但后續(xù)的評(píng)價(jià)研究工作卻因?yàn)榉N種技術(shù)原因，一直沒(méi)有得以順利開(kāi)展。為此，本文就生態(tài)水利工程灌區(qū)節(jié)水節(jié)能效果，引入適用于處理不精確、不確定知識(shí)的粗糙集理論，建立一種評(píng)估方法。為使評(píng)估結(jié)果更準(zhǔn)確，魯棒性更能滿足當(dāng)前的市場(chǎng)需求，針對(duì)幾個(gè)方向做進(jìn)一步優(yōu)化。實(shí)際情況下，部分?jǐn)?shù)據(jù)是處于持續(xù)更新?tīng)顟B(tài)的，下一階段將探討現(xiàn)有數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)修正策略，強(qiáng)化評(píng)估穩(wěn)定性，使用更具客觀性的熵值法來(lái)確定指標(biāo)權(quán)值，以取得更精準(zhǔn)的評(píng)估結(jié)果。