基于熵权可拓物元模型的水资源可持续利用评价

魏光辉

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒　841000)



基于熵权可拓物元模型的水资源可持续利用评价

魏光辉

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒841000)

摘要：为准确把握新疆和田地区水资源可持续利用状况，构建了包含4方面、14个指标的水资源可持续利用评价体系，利用熵权物元模型，对研究区2012年水资源可持续利用程度进行评价。结果表明：总体上看，研究区水资源可持续利用评价等级为较高(Ⅱ级)，并有向中等(Ⅲ级)转化的趋势；就单个评价指标而言，单位面积水资源量、人口密度与耕地灌溉率3个指标属于高等级，人均水资源量、人均GDP产值与工业废水处理率这3个指标属于较高等级，人口自然增长率、城镇化率、GDP年增长率与生态环境用水率这4个指标属于中等，第一产业占GDP比例和林草地覆盖率属于较低等级，供水模数与地下水开采率这2个指标属于低等级；熵权可拓物元模型在水资源可持续利用评价方面实用可行，评价结果符合研究区实际情况，为同类研究提供了方法上的支持。关键词：水资源；可持续利用；熵权；可拓物元模型；和田地区

0前言

水资源可持续利用评价是水安全研究的重要内容，其实质是指通过对区域水资源指标的计算，利用数学模型对水资源可持续利用程度进行定量评价。目前常用的方法有主成分法、AHP法、模糊数学法、灰色关联分析法、神经网络模型及投影寻踪模型等[1]。由于现有评价方法大多采用综合指数原理分析，会造成单个指标信息遗漏问题[2]。此外，现有评价指标权重计算多采用主观法确定，造成评价结果存在一定的主观性。

可拓物元评价方法具有兼容性的优点，可将不相容指标进行综合分析，从而使评价结果真实客观[3]，目前广泛应用于土地生态安全[4-5]、资源环境质量[6-7]等领域。水资源可持续利用评价涉及面广，符合可拓学解决范畴。同时，熵权法计算评价指标权重，较其他方法更具有客观性[8]。鉴于此，本文综合上述2种方法的优越性，构建基于熵权-物元模型的区域水资源可持续利用综合评价模型，以2012年新疆和田地区为例，对其水资源可持续利用状况进行客观分析，以期为区域水资源的可持续利用提供参考。

1模型简介

可拓物元模型是将物元R及其三要素Q、C、U记作有序的三元组R=(Q,C,U)来描述对象、特征、关系的模型，其中，Q为对象;C为对象的特征;U为Q关于C的量值。熵权-物元模型计算步骤如下。

1.1物元模型建立

建立评价等级物元，组成m个评价等级物元，每级物元包含n个指标，j=1，2，…，m；i=1，2，…，n：

(1)

式中：Qmj为第j个评价等级；Ci为不同评价等级所对应的评价指标；Umji为不同评价等级对应的指标区间；amji、bmji为评价指标的下、上限。

1.2节域物元模型的建立

将n个评价指标划分为1个物元，则节域物元模型为：

(2)

式中：P为等级标准；Ci为不同评价等级所对应的评价指标；Tpi为P关于Ci的指标区间；api、bpi分别为节域下、上限。

1.3待评物元模型的建立

待评物元模型表达式如下：

(3)

式中：Q为水资源可持续利用程度；Ci为等级标准的水资源可持续利用评价指标；Ti为Q对应Ci的实际值。

1.4计算关联函数

水资源可持续利用程度的关联函数定义为：

(4)

其中

(5)

(6)

式中：ρ(Ti,Umji)、ρ(Ti,Upi)分别为指标实际值与经典域、节域的空间距离。

关联度Kj(Ti)<-1，表明评价指标不能达到该等级标准要求；当-1≤Kj(Ti)<0，表明评价指标基本满足该等级标准要求；当0≤Kj(Ti)≤1，表明评价指标符合该等级标准；Kj(Ti)>1，说明该评价指标完全能够满足该等级要求。

1.5指标权重计算

采用熵权法来计算水资源可持续利用评价指标权重，具体计算过程可以参见文献[8]。

1.6综合关联度的归一化处理

对各评价指标关联度值加权求和，得关联度综合值：

(7)

其中:wi为指标i权重；Kj(Rq)为关联度综合值；Kj(Ti)为加权关联度。

对关联度综合值归一化，得到关联度归一化值：

(8)

按照隶属度原则，最大的归一化值所处等级就是其评价等级。

2指标体系与评价标准构建

2.1指标体系构建

指标体系构建是建模评价水资源可持续利用程度的基础。本文在借鉴前人研究成果[9]的基础上，结合研究区实际情况，初步包含16个单项指标构成的水资源可持续利用程度评价体系，通过对指标进行相关分析，最终构建包含14个评价指标的水资源可持续利用评价体系。该体系包括人均水资源量(C1，m3)、单位面积水资源量(C2，万m3/km2)与供水模数(C3，万m3/km2)、人口密度(C4，人/km2)、人口自然增长率(C5，‰)、城镇化率(C6，%)、人均GDP产值(C7，元)、GDP年增长率(C8，%)、耕地灌溉率(C9，%)、第一产业占GDP比例(C10，%)、林草地覆盖率(C11，%)、生态环境用水率(C12，%)、地下水开采率(C13，%)与工业废水处理率(C14，%)共计16项指标。

评价标准是定量评价的前提，参考文献[9]，将水资源可持续利用评价指标划分为5个等级标准：高(Ⅰ级)、较高(Ⅱ级)、中(Ⅲ级)、较低(Ⅳ级)、低(Ⅴ级)，并对每个评价等级赋予分级标准(见表1)。

表1　和田地区水资源可持续利用评价指标分级表

3模型应用

3.1研究区概况

新疆和田地区位于塔里木盆地南缘，下辖7县1市，总区划面积24.78万km2，总人口212.34万人。降雨稀少而蒸发强烈，多年平均降水量33.5 mm，蒸发量2 602 mm(E20小型蒸发皿)，年均日照时数2 610.5 h，年均气温12.2 ℃，无霜期185 d。

研究区境内主要有安迪尔河(民丰县)、克里雅河(于田县)、策勒河(策勒县)、和田河(和田市、和田县、墨玉县)、皮山河(皮山县)等发源于昆仑山和喀喇昆仑山的大小河流36条，年总径流量约73.45亿m3。研究区河流径流量的季节反差极大，水资源时空、地域分配不均。

3.2评价模型构建

(1) 根据前述建模过程，首先建立经典物元模型，对于水资源利用高(Ⅰ级)来讲，j=1，则经典物元矩阵为：

(9)

同理，可建立较高(Ⅱ级)、中(Ⅲ级)、较低(Ⅳ级)、低(Ⅴ级)的经典物元矩阵及待评价的节域物元：

(10)

最后确定水资源可持续利用评价的物元矩阵：

(11)

(2) 计算指标实际值与经典域、节域的空间距离，见表2。

(3) 计算关联函数。利用式(4)计算关联函数值，见表3。

表2　指标实际值与经典域、节域的空间距离表

表3　评价指标关于评价等级的关联函数值表

(4) 计算指标权重及各归一化关联度值。根据熵权法得到指标权重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)。根据表3中的关联度值，利用式(7)、式(8)得各评价等级综合关联度和归一化关联度(见表4)。

表4　评价等级的归一化关联度值表

由熵权计算结果可知，14个评价指标中，熵权较大的为生态环境用水率(C12)、城镇化率(C6)、GDP年增长率(C8)和林草地覆盖率(C11)，熵权值分别为0.1339、0.0908、0.0820与0.0815，均超过0.08，这说明上述4因素是目前影响和田地区水资源可持续利用的主要因素；综合关联度最大值为1.000，研究区水资源可持续利用等级为较高(Ⅱ级)，并有向中等(Ⅲ级)转化的趋势。

(5) 评价结果检验。利用文献[9]评价结果(2012年和田地区水资源可持续利用评价等级为Ⅱ级)进行复核。结果表明，2种方法计算结果完全一致，实现了方法对方法的检验。

4结语

(1) 2012年，新疆和田地区水资源可持续利用评价等级为Ⅱ级，并有向中等(Ⅲ级)转化的趋势；生态环境用水率、城镇化率、GDP年增长率和林草地覆盖率是目前影响和田地区水资源可持续利用的主要因素。

(2) 采用熵权-可拓物元模型对区域水资源可持续进行评价，提高了评价方法的客观性与精确度，进而说明了该方法的可行性。

(3) 本文仅对和田地区水资源可持续利用情况进行了总体评价，由于资料的可获取性局限，未对各县(市)间水资源可持续利用程度进行评价。下一步应以县(市)为基本单元开展评价，揭示研究区水资源可持续利用的空间差异性。

参考文献:

[1]彭坤泉,张平.投影寻踪模型在水环境质量评价中的应用[J].江苏环境科技,2007,20(01):59-62.

[2]余健,房莉,仓定帮.熵权模糊物元模型在土地生态安全评价中的应用[J].农业工程学报,2012,28(05):260-266.

[3]厉莎,张仁贡.基于可拓评价的农村饮用水工程运行管理模式研究[J].自然资源学报,2013,28(06):1059-1069.

[4]余敦,陈文波.基于物元模型的鄱阳湖生态经济区土地生态安全评价[J].应用生态学报,2011,22(10):2681-2685.

[5]刘蕾,姜灵彦,高军侠.基于P-S-R模型的土地生态安全物元评价-以河南省为例[J].地域研究与开发,2011,30(04):117-121.

[6]谢炳庚,刘智平.模糊-物元综合评价法在环境空气质量评价中的应用研究[J].经济地理,2010,30(01):27-30.

[7]杨秋林,郭亚兵.水资源承载能力评价的熵权模糊物元模型[J].地理与地理信息科学,2010,26(02):89-92.

[8]吴冠岑,刘友兆,付光辉.基于熵权可拓物元模型的土地整理项目社会效益评价[J].中国土地科学,2008,22(05):40-46.

[9]吴雪梅,塔西甫拉提·特依拜.基于PSO-PPE模型的和田水资源承载力评价研究[J].干旱地区农业研究,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

文章编号：1006—2610(2016)03—0013—04

收稿日期：2015-10-30

作者简介：魏光辉(1981- )，男，新疆石河子市人，高级工程师，博士，主要从事干旱区水资源利用与工程建设管理工作.

基金项目：新疆水文学及水资源重点学科基金资助(XJSWSZYZDXK20101202).

中图分类号：TV213.4

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.003