基于云模型的來水狀況綜合診斷
——以佛山市為例

汪麗娜,李粵安,鄺遠(yuǎn)華

(1.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510631；2.廣東省水利廳,廣東 廣州 510635； 3.佛山市水務(wù)局,廣東 佛山 528000)

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基于云模型的來水狀況綜合診斷
——以佛山市為例

汪麗娜1,李粵安2,鄺遠(yuǎn)華3

(1.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510631；2.廣東省水利廳,廣東 廣州 510635； 3.佛山市水務(wù)局,廣東 佛山 528000)

結(jié)合佛山市的來水條件,以佛山市降水量、馬口和三水過境水量作為衡量佛山市來水的指標(biāo),通過云模型綜合評(píng)價(jià)佛山市近30 a的來水狀況。結(jié)果表明：佛山市來水情況總體上來說較為豐沛,但各年來水狀況差異較大。在過去的33 a中,來水情況多的年份僅3 a,占9.1%。若以2011年作為現(xiàn)狀年,則佛山市來水條件不太樂觀,這不僅與佛山市當(dāng)年降水量較少相關(guān),且與馬口、三水的過境水量較少密切相關(guān)。

云模型;來水;水資源;診斷

佛山市位于東經(jīng)112°22′34″～113°23′12″,北緯22°40′～23°34′37″之間。位于中國廣東省中南部,地處珠江三角洲中部河網(wǎng)區(qū),西、北江分流的各水道貫穿其中,河流縱橫交錯(cuò),形成水網(wǎng)。東倚廣州,南鄰港、澳,地理位置優(yōu)越。佛山由于臨近海洋,氣候溫和,溫暖多雨,四季常綠,自古就是富饒的魚米之鄉(xiāng)。全市面積為3 848.49 km2,其中平原面積為2 915 km2,低山丘陵為586.45 km2,河流面積為347.04 km2,分別占全市總面積75.7%、15.3%和9.0%。佛山市域內(nèi)主要水系包括：西江干流在佛山市境內(nèi)長為69.1 km,有支流河道11條；北江干流在佛山市境內(nèi)長為100.2 km,主要支流河道有13條；高明河,流域面積為1 033 km2,總長為80.8 km。從自然氣候條件來看,該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年均降水為1 490.6 mm,年均氣溫22.1 ℃。本市人均當(dāng)?shù)刈援a(chǎn)水資源量較低,但本市過境水資源十分豐富,流入市域的客水主要來自西江和北江,整體上佛山市水資源量較為豐沛,但仍存在年際水量分配不均現(xiàn)象,量化各年來水狀況將更好地為水資源優(yōu)化使用服務(wù)[1-3]。因此,本文采用云模型[4]分析比較不同年份佛山市來水狀況。

1 云模型

云模型[5-6]實(shí)現(xiàn)定性定量轉(zhuǎn)換的有效工具,作為定性定量轉(zhuǎn)換的不確定性模型,能夠充分體現(xiàn)語言概念的隨機(jī)性和模糊性,根據(jù)因素集中元素概念的不同和最后綜合評(píng)語的不同,用不同個(gè)數(shù)或不同種類的評(píng)價(jià)語言來描述,最大限度的保留了評(píng)估過程中固有的不確定性,最后所得的評(píng)價(jià)結(jié)果是個(gè)直觀、易于理解的云圖,提高了評(píng)估結(jié)果的可信度。

云的數(shù)字特征用期望Ex、熵En和超熵He3個(gè)數(shù)值(圖1a)來表征,把模糊性和隨機(jī)性完全集成在一起,構(gòu)成定性和定量相互間的映射,為定性與定量相結(jié)合的信息處理提供了有力手段,反映了定性概念的定量特性。圖1b、圖1c和圖1d是云模型的數(shù)字特征期望值Ex和熵En都相同,超熵He不同的示意圖。通過云模型對(duì)來水狀況綜合評(píng)價(jià),能夠綜合多種影響因素,可以實(shí)現(xiàn)定性定量之間的轉(zhuǎn)換,使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加直觀。

期望Ex：云滴在論域空間分布的期望。通俗地說,就是最能夠代表定性概念的點(diǎn),或者說這個(gè)概念量化的最典型樣本。

熵En：定性概念的不確定性度量,由概念的隨機(jī)性和模糊性共同決定。一方面En是定性概念隨機(jī)性的度量,反映了能夠代表這個(gè)定性概念云滴的離散程度；另一方面又是定性概念亦此亦彼的度量,反映了論域空間中可被概念接受的云滴取值范圍,用同一個(gè)數(shù)字特征來反映隨機(jī)性和模糊性,也必然反映了它們之間的關(guān)聯(lián)性。超熵He：是熵的不確定性度量,即熵的熵,由熵的隨機(jī)性和模糊性共同決定,反映了在數(shù)域空間代表該語言值的所有點(diǎn)的不確定度的凝聚性,即云滴的凝聚度,超熵越大,云滴的離散度越大,隸屬度的隨機(jī)性越大,云的“厚度”也越大。

(a)Ex=30,En=1,He=0.1

(b)Ex=30,En=2,He=0.1

(c)Ex=30,En=1,He=0.3

(d)Ex=30,En=1,He=0.5

需要進(jìn)一步指出的是,根據(jù)正態(tài)分布的特性,對(duì)于論域U中的定性概念C有貢獻(xiàn)的云滴,主要落在區(qū)間[Ex-3En,Ex+3En],因此可以忽略[Ex-3En,Ex+3En]區(qū)間之外的云滴對(duì)定性概念C的貢獻(xiàn),即為正向正態(tài)云的“3En規(guī)則”。

2 來水狀況評(píng)價(jià)

利用前向云發(fā)生器,建立3項(xiàng)反映佛山市水文條件指標(biāo)對(duì)應(yīng)的云圖,并制定佛山市來水條件綜合診斷評(píng)價(jià)多條定性規(guī)則的不確定性推理,將來水條件分為5級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)應(yīng)的等級(jí)關(guān)系為：多——5級(jí)、較多——4級(jí)、一般——3級(jí)、較少——2級(jí)、少——1級(jí)。根據(jù)佛山市1980—2012年的降水值進(jìn)行等分為5個(gè)區(qū)間,佛山市年降水量5個(gè)作用分域的云數(shù)字特征(Ex,En,He)分別是：(2 001.73,85.284 8,0.1),(1 802.59,85.284 8,0.1),(1 603.45,85.284 8,0.1),(1 404.31,85.284 8,0.1),(1 205.17,85.284 8,0.1)。則“年降水量”評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖如圖2所示。

第5等級(jí)

第4等級(jí)

第3等級(jí)

第2等級(jí)

第1等級(jí)

相同地,如果馬口站和三水站年徑流量“多”則來水條件診斷評(píng)價(jià)級(jí)別為“5級(jí)”；如果年徑流量“較多” 則來水條件診斷評(píng)價(jià)級(jí)別為“4級(jí)”；如果年徑流量“一般” 則來水條件診斷評(píng)價(jià)級(jí)別為“3級(jí)”；如果年徑流量“較少” 則來水條件診斷評(píng)價(jià)級(jí)別為“2級(jí)”；如果年徑流量“少” 則來水條件診斷評(píng)價(jià)級(jí)別為“1級(jí)”。根據(jù)馬口、三水站1980—2012年的徑流數(shù)據(jù)等分為5個(gè)區(qū)間,利用云模型的相關(guān)計(jì)算公式[2,4],馬口站年徑流量5個(gè)作用分域的云數(shù)字特征(Ex,En,He)是：(2 877.5,140.899 4,0.1),(2 548.5,140.899 4,0.1),(2 219.5,140.899 4,0.1),(1 890.5,140.899 4,0.1),(1 561.5,140.899 4,0.1)；三水站年徑流量5個(gè)作用分域的云數(shù)字特征(Ex,En,He)是：(865.15,57.858 7,0.1),(730.05,57.858 7,0.1),(594.95,57.858 7,0.1),(549.85,57.858 7,0.1),(324.75,57.858 7,0.1)。

“馬口站和三水站年徑流量”評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖如圖3和圖4所示。

第5等級(jí)

第4等級(jí)

第3等級(jí)

第2等級(jí)

第1等級(jí)

第5等級(jí)

第4等級(jí)

第3等級(jí)

第2等級(jí)

第1等級(jí)

權(quán)重即權(quán)數(shù)或加權(quán)系數(shù),他是對(duì)某種事物或者因素重要程度的定量分配。佛山市來水條件和水資源條件的現(xiàn)狀診斷是一個(gè)多指標(biāo)的綜合診斷過程,本研究以佛山市的本地降水、西江馬口站的入境水量和北江三水站的入境水量,3項(xiàng)指標(biāo)作為衡量佛山市來水條件和水資源現(xiàn)狀的指標(biāo),因此，各指標(biāo)因子的權(quán)重對(duì)診斷結(jié)果有重要影響。如何確定佛山市來水條件和水資源現(xiàn)狀診斷指標(biāo)體系中各指標(biāo)因子的權(quán)重是佛山市來水條件和水資源現(xiàn)狀診斷的前提。權(quán)重的確定方法是專家根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際情況對(duì)指標(biāo)因子的權(quán)重進(jìn)行分配,最常用的方法是專家決策法[7]、層次分析法[8-9]等。本文分別采用層次分析法和實(shí)際值法,對(duì)佛山市來水條件和水資源現(xiàn)狀診斷指標(biāo)體系中各指標(biāo)因子進(jìn)行賦權(quán)。其中,層次分析法得到的降水、馬口站徑流量、三水站徑流量的權(quán)重分別為(0.655 1,0.211 4,0.133 7)。佛山市全市面積為3 848 km2,據(jù)相關(guān)報(bào)到,該市多年平均降雨量為61.12億m3(1956—2011年),馬口站多年平均(1980—2012年)入境水量為2 164.72億m3,三水站多年平均(1980—2012年)入境水量為526.05億m3,因此，實(shí)際值法得到降水、馬口站徑流量、三水站徑流量的權(quán)重分別為(61.12,2 164.72,526.05)。綜合考慮3項(xiàng)反映佛山市來水條件的指標(biāo),利用云模型分析佛山市來水條件及來水現(xiàn)狀情況,如表1和表2所示。

表1 佛山市來水條件綜合評(píng)價(jià)(層次分析法)

表2 佛山市來水條件綜合評(píng)價(jià)(實(shí)際值法)

表1和表2的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明,各指標(biāo)因子的權(quán)重對(duì)診斷結(jié)果有重要影響。盡管層次分析法采用相對(duì)權(quán)重, 比傳統(tǒng)的專家打分等經(jīng)驗(yàn)法直接賦予權(quán)重更加客觀,把對(duì)權(quán)重的判斷定量化,并能夠統(tǒng)一處理決策中的定性與定量因素,具有實(shí)用性、系統(tǒng)性、簡潔性等優(yōu)點(diǎn),特別適合在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的決策分析中使用,但是佛山的過境水大于降水,且過境水量中,大部分來自西江,這一實(shí)際情況卻表明依賴層次分析法確定權(quán)重的不合理性。

同時(shí),表2說明,若以降水、馬口徑流量和三水徑流量作為衡量佛山來水條件的指標(biāo),通過云模型的綜合評(píng)價(jià)得,整體上1980—2012年的33 a中佛山市的來水情況少的年份有8 a,占24.2%；來水情況較少和一般的年份均為9 a,各占27.27%；來水情況較多的年份有3 a,占9.09%；來水情況多的年份有4 a,占12.12%。近5 a內(nèi),佛山市的來水情況總體上來說較為豐沛,若以2011年作為現(xiàn)狀年,則佛山市來水條件不太樂觀,2011年佛山市來水條件所處的水平較低,這不僅與佛山市當(dāng)年降水量較少相關(guān),而且馬口站的徑流量值也是1980—2012年的33 a中最小的,三水站在2011年的徑流量值是1980—2012年33 a中徑流值處于第6小。因此,綜合來看佛山市2011年的屬枯水年。

3 結(jié)語

佛山市作為水量較為豐沛的地區(qū),但仍存在年際分配不均勻現(xiàn)象,為了更好的量化和識(shí)別各年來水狀況,結(jié)合佛山市的來水條件,本文以佛山市降水量、馬口和三水過境水量作為衡量佛山市來水的指標(biāo),通過云模型綜合評(píng)價(jià)佛山市近30 a的來水狀況。結(jié)果表明：盡管佛山市來水情況總體上來說較為豐沛,但各年來水狀況差異較大,1980—2012年的33 a中佛山市的來水情況少的年份有8 a,占24.2%；來水情況較少和一般的年份均為9 a,各占27.27%；來水情況較多的年份有3 a,占9.09%；來水情況多的年份僅4 a,占12.12%。近5 a內(nèi),佛山市的來水情況總體上來說較為豐沛。若以2011年作為現(xiàn)狀年,則佛山市來水條件不太樂觀,這不僅與佛山市當(dāng)年降水量較少相關(guān),且與馬口、三水的過境水量較少密切相關(guān)。

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(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Comprehensive Diagnosis of Water Conditions by Cloud Model——A Case Study of Foshan City

WANG Li'na1, LI Yuean2, KUANG Yuanhua3

(1. School of Geography, South China Normal University, Guangzhou 510631, China;2.Department of Water Resources of Guangdong Provine, Guangzhou 510635, China;3. Foshan Water Authorities, Foshan 528000, China)

Combined with precipitation of Foshan city,taken the makou and Sanshui station runoff as water measure index, water condition is evaluated by cloud model in recent 30 years of Foshan city. The results show that: Water resource of Foshan city is abundant, but annual inflow varies... In the past 33 years, only 3 years with large inflow accounte for 9.1%. If the current year was in 2011, water condition is not so optimistic in Foshan city, because it is related to the precipitation and transit water.

cloud model；water condition；water resource；comprehensive diagnosis

2016-03-09;

2016-09-24

國家自然科學(xué)基金(編號(hào)：41501021)。

汪麗娜(1981),女,博士,副教授,從事水文過程模擬及城市化的水資源特征研究工作。

TP181

A

1008-0112(2016)010-0004-05