基于改進關(guān)聯(lián)分析模型的塔里木河流域水資源承載力評價

魏光輝

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒　841000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊　830052)

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基于改進關(guān)聯(lián)分析模型的塔里木河流域水資源承載力評價

魏光輝1，2

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒841000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052)

摘要：針對水資源承載力評價指標(biāo)間模糊且相互關(guān)聯(lián)的特點,在綜合考慮從優(yōu)隸屬度和灰色關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上,提出了改進灰色關(guān)聯(lián)模糊評價法,并以新疆塔里木河流域為例,驗證該模型的可行性，結(jié)果表明:該模型可以有效減少評價過程中的主觀因素干擾,能全面、客觀地對區(qū)域水資源承載力狀況作出評價。

關(guān)鍵詞：水資源承載力；灰色關(guān)聯(lián)度；分辨系數(shù)；塔里木河流域

0前言

水資源是一個國家和地區(qū)在社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中不可或缺的重要資源，也是區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源。隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，水資源問題越來越成為制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[1]。

錢正英[2]等人將水資源承載力定義為：“在某一具體的歷史發(fā)展階段，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，在水資源經(jīng)過優(yōu)化配置并得到合理開發(fā)利用的情況下，某一區(qū)域的水資源對該區(qū)人口增長與經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力”。在國際上，一些學(xué)者使用“水資源可持續(xù)利用”[3]或“水資源自然系統(tǒng)的限制”[4]等來表達類似的意思。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對水資源承載力評價方法進行了大量研究，這些方法主要有背景分析法[5]、模糊綜合評判法[6]、DPSIR模型[7]，投影尋蹤法[8]、多目標(biāo)決策分析法[9]、系統(tǒng)動力學(xué)模型(SD模型)[10]與極大熵權(quán)法[11]等，這些方法各有特點，但在具體的分析過程中都存在一定的局限性，且模型精度較難控制。

鑒于此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮模糊數(shù)學(xué)理論與灰色系統(tǒng)理論的技術(shù)優(yōu)勢，建立了基于改進灰色關(guān)聯(lián)模型的水資源承載力評價方法，以解決水資源承載力評價過程中信息量不全、難以定量和準(zhǔn)確性不高的問題。

1灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色系統(tǒng)理論[12]是鄧聚龍教授在20世紀(jì)80年代提出的，灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的重要組成部分[13]。

設(shè)X0={x0(k),k=1,2,…,m}為參考數(shù)據(jù)序列，Xi={xi(k)，k=1，2，…，m；i=1，2，…，n}為評價數(shù)據(jù)序列。即共有n個評價數(shù)據(jù)序列，每個序列共有m個指標(biāo)，則關(guān)聯(lián)系數(shù)表示為ξ0i(k):

(1)

關(guān)聯(lián)度計算方法:

(2)

在式(1)計算過程中，由于分辨系數(shù)δ的取值受人為因素影響，故將會導(dǎo)致式(2)計算結(jié)果具有一定的主觀性。

2改進灰色關(guān)聯(lián)分析法

由于灰色系統(tǒng)理論適合“外延明確、內(nèi)涵不明確”這類問題的研究，模糊理論適合“內(nèi)涵明確、外延不明確”這類不確定問題的研究[14]。故，本文綜合考慮上述2種方法的技術(shù)優(yōu)勢，將其用來解決水資源承載力評價過程中信息量不全和準(zhǔn)確性不高的問題。

2.1數(shù)據(jù)歸一化處理

由于評價指標(biāo)之間量綱的不統(tǒng)一，這就需要首先對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理[15]，計算方法如下：

(1) 對于正指標(biāo)(評價指標(biāo)值越大，相應(yīng)的水資源承載力值越大)，按照式(3)計算：

(3)

(2) 對于負指標(biāo)(評價指標(biāo)值越小，則相應(yīng)的水資源承載力值越大)，按照式(4)計算：

(4)

式中:xij為i方案第j個指標(biāo)的初始數(shù)據(jù)；maxxij為所有方案中j指標(biāo)的最大值；minxij為所有方案中j指標(biāo)的最小值；xij(k)為歸一化數(shù)據(jù)。

2.2參考數(shù)據(jù)序列

在本模型中，設(shè)參考序列為最優(yōu)序列，則其從優(yōu)隸屬度值均為1，即：

(5)

2.3差異空間變換矩陣Δij(k)

記Δij為參考數(shù)據(jù)列x0(k)與比較數(shù)據(jù)列xij(k)之間差值的絕對值。

(6)

(7)

式中:Δij的最大值表示為Δmax、最小值表示為Δmin。

2.4分辨系數(shù)

分辨系數(shù)δ的取值應(yīng)客觀、科學(xué)，不應(yīng)當(dāng)帶有主觀性，故δ計算取值方法敘述如下：

(8)

設(shè):η=Δi/Δmax,η表示平均值與最大值的比值；當(dāng)Δmax≥3Δi時，δ取值區(qū)間為η≤δ≤1.5η;Δmax≤3Δi時,δ取值區(qū)間為1.5η≤δ≤2η。

2.5關(guān)聯(lián)系數(shù)計算

關(guān)聯(lián)系數(shù)ξij采用式(9)計算:

(9)

3水資源承載力綜合評價模型

3.1方案集和評價指標(biāo)集

方案為x1，x2，…，xn，方案集則為:

(10)

系統(tǒng)有m個評價指標(biāo)，評價指標(biāo)集則為:

(11)

3.2決策矩陣的組成

決策矩陣由n個方案，每個方案有m個評價指標(biāo)組成:

(12)

3.3計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

詳見本文第2部分第2.1～2.5節(jié)。

3.4關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

將在3.3節(jié)計算得到的差異空間變換矩陣Δij(k)中的所有數(shù)據(jù)，代入式(9)計算:

(13)

3.5關(guān)聯(lián)度及權(quán)重計算

關(guān)聯(lián)度和權(quán)重的計算按下列公式進行。

(14)

(15)

通過歸一化處理，評價指標(biāo)權(quán)重wj和權(quán)重集W為:

(16)

3.6水資源承載力綜合評價

水資源承載力綜合值計算如下:

(17)

式中:W為評價指標(biāo)權(quán)重集；ξT為矩陣ξ的轉(zhuǎn)置矩陣；G表示關(guān)聯(lián)度，該值越大，表明水資源承載力綜合值越大(也即水資源開發(fā)利用潛力越大)，反之則越小。

4模型應(yīng)用

本文根據(jù)文獻[16]數(shù)據(jù)，采用改進關(guān)聯(lián)分析法對研究區(qū)水資源承載力進行綜合評價。

4.1評價指標(biāo)選取

參考文獻[16]中的數(shù)據(jù)，選取耕地灌溉率x1、水資源利用率x2、水資源開發(fā)程度x3、供水模數(shù)x4、需水模數(shù)x5、人均供水量x6和生態(tài)環(huán)境用水率x7這7個因素作為研究區(qū)水資源承載力評價指標(biāo)，組建得到塔里木河流域水資源承載力評價體系，該體系中各評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1　評價指標(biāo)分級 [16] 表

表1中，1級表明水資源承載力綜合值狀況較差，水資源開發(fā)利用潛力低；3級表明水資源承載力綜合值狀況較好，水資源開發(fā)利用潛力大；2級介于兩者之間，表明水資源承載力綜合值狀況一般，水資源開發(fā)利用潛力適中。

4.2水資源承載力評價

根據(jù)文獻[16]資料，將塔里木河流域劃分為阿克蘇、和田、克州、喀什與巴州5個地區(qū)。各地區(qū)水資源承載力評價指標(biāo)值見表2。

表2　各地區(qū)水資源承載力指標(biāo)值[16] 表

(1) 參考數(shù)據(jù)列

由表1可知，除人均供水量與生態(tài)用水率為正指標(biāo)外，其余均為負指標(biāo)。根據(jù)式(5)構(gòu)建理想指標(biāo)集C:

C={40，4.9，8.2，0.8，0.7，4958.9，2}

通過對理想指標(biāo)集數(shù)據(jù)進行歸一化處理，則各指標(biāo)數(shù)據(jù)均變?yōu)?，即:

X0(k)={x0(1)，x0(2)，x0(3)，x0(4)，x0(5)，x0(6)，x0(7)}={1，1，1，1，1，1，1，1，1}

(2) 數(shù)據(jù)歸一化處理

根據(jù)式(3)與式(4)，對表2中數(shù)據(jù)進行歸一化處理，結(jié)果見歸一化矩陣X(k)ij：

(3) 差異空間變換矩陣

根據(jù)式(6)進行差異空間變換，得到差異空間變換矩陣Δij(k)：

由差異空間變換矩陣可知：Δmax=1，Δmin=0，Δi=0.4599。

根據(jù)本文2.4節(jié)敘述可知，由于Δmax≤3Δi，故分辨系數(shù)取值范圍為0.6899<δ<0.9198，本文在計算過程中取δ=0.8(最大值與最小值的平均值)。

將δ=0.8代入式(9)，得到關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式:

(18)

(4) 關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣計算

(5) 關(guān)聯(lián)度和權(quán)重

根據(jù)式(14)、(15)與式(16)，計算得到各評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)度及權(quán)重W={0.1127，0.1451，0.1367，0.1768，0.1755，0.1311，0.1220}

(6) 水資源承載力綜合評價

將矩陣ξ的轉(zhuǎn)置矩陣ξT、權(quán)重集W代入式(17)，可得各評價區(qū)水資源承載力關(guān)聯(lián)度綜合值，見表3。

表3　水資源承載力綜合值計算結(jié)果對比表

由表3可知，評價區(qū)域中，克州地區(qū)的水資源承載力最高，喀什地區(qū)的水資源承載力最低。水資源承載力由高到低的排列順序為:克州>巴州>和田>阿克蘇>喀什，各評價區(qū)域水資源承載力等級均為2級。

4.3評價結(jié)果對比分析

為了檢驗本文所建模型的準(zhǔn)確性，將本文計算結(jié)果與文獻[8]投影尋蹤模型水資源承載力評價結(jié)果進行對比(見表3)，可知：利用改進關(guān)聯(lián)分析法計算所得結(jié)果和投影尋蹤模型評價結(jié)果在承載力排序上基本相同(見表3),在水資源承載力等級計算結(jié)果上完全相同。這充分說明了本文所建模型是可以應(yīng)用于區(qū)域水資源承載力評價中的，評價結(jié)果也是客觀準(zhǔn)確的。

5結(jié)語

本文以新疆塔里木河流域為例，建立了基于改進灰色關(guān)聯(lián)模型的水資源承載力評價方法，研究結(jié)果表明：

(1) 改進灰色關(guān)聯(lián)模型在一定程度上克服了人為因素對分辨系數(shù)的影響，使得評價結(jié)果更加客觀、科學(xué)與合理；

(2) 改進灰色關(guān)聯(lián)模型充分考慮到了評價指標(biāo)間的相互影響，并通過對權(quán)重的處理使這種影響得到量化，能夠充分地反映出評價方案與理想方案的相近程度，克服單個理想方案決策時未能充分利用已知信息的問題；

(3) 在塔里木河流域各分區(qū)水資源承載力評價中，克州地區(qū)的水資源承載力最高，喀什地區(qū)的水資源承載力最低。水資源承載力由高到低的排列順序為：克州>巴州>和田>阿克蘇>喀什，各評價區(qū)域水資源承載力等級均為2級(水資源開發(fā)利用潛力適中)。為了保證流域國民經(jīng)濟穩(wěn)定、健康、可持續(xù)發(fā)展，仍然應(yīng)建立和實施合理的水資源開發(fā)、利用和保護措施。

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Assessment of Bearing Capacity of Water Resources in Tarim River Catchment Based on Improved Relational Analysis Model

WEI Guanghui1,2

(1. Xinjiang Tarim River Catchment Administration, Korla841000,China; 2. College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi830052,China)

Abstract:Aiming at the features of the assessment index of bearing capacity of water recourses being fuzzy and related mutually, improvement of the gray relational fuzzy assessment method is raised in consideration of the membership degree and the gray relation. With the case of the Tarim River catchment, the model feasibility is verified. The study shows that this model can effectively decrease interference of subjective factors and fully and subjectively assess the bearing capacity of the regional water resources.

Key words:bearing capacity of water resources; gray relational degree; resolving factor. Tarim River catchment

中圖分類號：TV213.4

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.002

作者簡介：魏光輝(1981- )，男，新疆石河子市人，高級工程師，博士，主要從事干旱區(qū)水資源利用與工程建設(shè)管理工作.

收稿日期：2014-09-05

文章編號：1006—2610(2016)01—0005—05