基于模糊物元的云南省工程型缺水程度分析

譚 平，梁 媛

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

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基于模糊物元的云南省工程型缺水程度分析

譚 平，梁 媛

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

工程型缺水是西南地區(qū)的主要缺水形式。目前國內(nèi)對于工程型缺水程度的界定尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，分析尚無明確方法。本文嘗試將模糊物元模型和歐氏貼近度引入到工程型缺水程度分析中，以云南省各州市和工程型缺水各階段作為物元事物，建立評價(jià)指標(biāo)體系；并在基于層次分析法的基礎(chǔ)上應(yīng)用熵權(quán)法確定權(quán)重，通過計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)模糊物元之間的歐氏貼近度，確定工程型缺水程度。本文提出了一種基于熵權(quán)的模糊物元工程型缺水分析方法，并將該方法應(yīng)用于云南省所有16個(gè)市、州的工程型缺水程度分析，并提出了相應(yīng)的對策措施，為工程型缺水分析提供一種新思路。

工程型缺水；模糊物元；熵值法；歐氏貼近度；云南省

0 前 言

工程型緊缺是指由于水工程開發(fā)建設(shè)滯后，水資源時(shí)空調(diào)配失衡，造成供水量不足而引起的水資源緊缺[1]。一些處于水資源豐富地區(qū)的城市和地區(qū)由于供水工程建設(shè)不足，也會出現(xiàn)工程型缺水。如2010年西南地區(qū)大旱，云南省等水資源較豐富的地區(qū)也出現(xiàn)了缺水現(xiàn)象情況，大部分地區(qū)干旱等級升至百年一遇以上，暴露出云南水利基礎(chǔ)設(shè)施仍然薄弱的局面。雖然經(jīng)過多年努力，云南水資源供水狀況有了很大改善，但工程型缺水仍是云南主要的缺水形式[2]。

目前國內(nèi)關(guān)于工程型缺水程度的研究較少，對其程度還沒有統(tǒng)一的界定標(biāo)準(zhǔn)。在四川省缺水城市缺水報(bào)告分析[3]中提出城市工程型缺水的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：缺水率大于20%，則認(rèn)為該城市為嚴(yán)重缺水城市，并通過建立指標(biāo)體系，計(jì)算需水量和工程可供水量，得出缺水率，最終確定出四川省各城市的工程型缺水程度。

模糊物元法在水資源分析中應(yīng)用較廣，袁華等[4]采用模糊物元分析方法，結(jié)合歐氏貼近度的概念，按照社會-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境-資源-效率合理性指標(biāo)建立水資源調(diào)配評判指標(biāo)。對黑河流域5種可能的水資源配置方案進(jìn)行分析，選出最佳配置方案。馬明衛(wèi)等[5]采用基于信息熵理論的模糊物元分析法對榆林市水資源可持續(xù)利用進(jìn)行評價(jià)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的改進(jìn)和運(yùn)用，結(jié)合歐氏貼近度實(shí)現(xiàn)不同評價(jià)分區(qū)的量化比較，得到各分區(qū)水資源可持續(xù)利用水平及其優(yōu)劣次序。本文在物元分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合歐氏貼近度，并在基于層次分析法的基礎(chǔ)上應(yīng)用熵權(quán)法確定權(quán)重，避免AHP法確定權(quán)重的主觀性。構(gòu)建基于熵權(quán)的模糊物元模型，并對云南省城市工程型缺水程度進(jìn)行比較分析。

1 模糊物元模型原理

1.1 模糊物元和復(fù)合模糊物元

給定事物的名稱N, 它關(guān)于特征c有量值為v,以有序三元R=(N,c,v)組作為描述事物的基本元, 簡稱物元。其中, 量值v具有模糊性, 便稱為模糊物元。如果事物N有n個(gè)特征c1,c2, …,cn和相應(yīng)的模糊量值v1,v2, ...,vn, 稱R為n維模糊物元,簡記為R=(N,c,v)。如果m個(gè)事物的n維物元組合在一起, 使構(gòu)成m個(gè)事物n維復(fù)合物元Rmn。若將Rmn的量值改寫為模糊物元量值, 稱為m個(gè)事物n維復(fù)合模糊物元[6,7], 記作

(1)

式中Rmn為m個(gè)事物n維復(fù)合模糊物元；Mi為第i個(gè)事物,i=1,2,…,m;ck為第k項(xiàng)特征，k=1,2,…,n;uik為第i個(gè)事物第k項(xiàng)特征對應(yīng)的模糊量值。

1.2 從優(yōu)隸屬度的確定

模糊量值u(x)表示與事物特征C相應(yīng)量值x的隸屬度。

越大越優(yōu)。其變換公式為：

(2)

越小越優(yōu)。其變換公式為：

(3)

越接近某個(gè)常數(shù)越優(yōu)。其變換公式為：

(4)

上面三個(gè)公式中uij是j個(gè)事物第i項(xiàng)指標(biāo)(特征)的從優(yōu)隸屬度；maxxij是各評價(jià)事物中每一項(xiàng)指標(biāo)所有的xij量值中的最大值；minxij是各評價(jià)事物中每一項(xiàng)指標(biāo)所有的xij的最小值，u0為該項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)模糊物元與差平方復(fù)合模糊物元

由式(1)可以構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)方案的n維模糊物元R0n,其中各項(xiàng)由Rmn中各方案從優(yōu)隸屬度中的最大值或最小值確定,則得到

(5)

若以Δij(j=1,2,∧,m;i=1,2,∧,n)表示標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0n與復(fù)合模糊物元Rmn中各項(xiàng)差的平方，則組成差平方復(fù)合模糊物元RΔ , 即

(6)

其中Δji=(u0i-uji)2,(j=1,2,∧,m;i=1,2,∧,n)

1.4 基于熵值的權(quán)重確定

熵是系統(tǒng)無序程度的度量，可以用于度量已知數(shù)據(jù)所包含的有效信息量和確定權(quán)重。當(dāng)評價(jià)對象指標(biāo)值相差較大時(shí)，熵值較小，說明該指標(biāo)提供的有效信息量較大，其權(quán)重也應(yīng)較大；反之，若某項(xiàng)該指標(biāo)值相差較小，熵值較大，說明該指標(biāo)的信息量較小，其權(quán)重也應(yīng)較小[8-9]?？梢韵鼳HP等方法確定權(quán)重的主觀因素，其計(jì)算步驟如下：

(1)構(gòu)建m個(gè)事物n個(gè)評價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣R

R=(rij)m×n(i=1,2…,n;j=1,2,…,m)

(7)

(2)將判斷矩陣R進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化矩陣B，B的元素為

(8)

式中 rmax、rmin分別為同一評價(jià)指標(biāo)下不同對象中最滿意者或最不滿意者。

根據(jù)熵的定義，m個(gè)評價(jià)對象n個(gè)評價(jià)指標(biāo)，確定評價(jià)指標(biāo)的熵值

(9)

(10)

(3)利用熵值計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)

(11)

(12)

(4)計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重[10]

W=(ωi)1×n

(13)

(14)

1.5 歐氏貼近度

貼近度是指被評價(jià)樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本兩者相互接近的程度，其值越大表示兩者越接近，反之則相離較遠(yuǎn)[11]?？捎糜趦晌镌N近度計(jì)算的公式有多種，考慮到本文具有綜合評價(jià)的意義，采用歐氏貼近度進(jìn)行計(jì)算[12]。

(15)

式中ρHj為第j個(gè)評價(jià)樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的貼近度,由此來構(gòu)造歐氏貼近度復(fù)合模糊物元RρH，即：

(16)

根據(jù)計(jì)算出的貼近度即可實(shí)現(xiàn)對各評價(jià)樣本的優(yōu)劣排序和類別劃分。

2 云南省工程型缺水程度綜合評價(jià)分析

本文選取2010年為現(xiàn)狀水平年，收集云南省全部16個(gè)地市州(昆明市、曲靖市、玉溪市、保山市、昭通市、麗江市、普洱市、臨滄市、楚雄彝族自治州、紅河哈尼族彝族自治州、文山壯族苗族自治州、西雙版納傣族自治州、大理白族自治州、德宏傣族景頗族自治州、怒江傈僳族自治州、迪慶藏族自治州)的水資源、水利工程數(shù)據(jù)，對16個(gè)地市州的工程型缺水程度進(jìn)行比較分析。所選數(shù)據(jù)全部來自于云南省統(tǒng)計(jì)年鑒、云南省水資源公報(bào)和云南省水利統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.1 指標(biāo)體系建立

評價(jià)指標(biāo)確定的原則：一是要能夠顯著的表征區(qū)域工程型水資源短缺的程度;二是能夠區(qū)分各地區(qū)缺水的類別;三是指標(biāo)代表性好，具有很好的可操作性和實(shí)用性。

同時(shí)云南省水資源具有以下特點(diǎn)：地處我國西南邊陲，由于橫斷山脈深度切割，高差懸殊，地形地貌復(fù)雜，水資源總量豐沛但開發(fā)利用的難度大、成本高、邊際效益低。水生態(tài)環(huán)境脆弱，水環(huán)境承載能力低，防污治污任務(wù)重。水土流失面積超過國土面積的1/3。水利基礎(chǔ)薄弱、防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，特別是農(nóng)村水利工程普遍老化失修、帶病運(yùn)行，險(xiǎn)工險(xiǎn)段隱患多。 根據(jù)云南省水資源特點(diǎn)，設(shè)置以下指標(biāo)：

(1)水土流失面積比x1：水土流失面積與土地面積之比，%;

(2)農(nóng)村飲水安全人口比x2：農(nóng)村飲水安全人口與農(nóng)村人口之比，%;

(3)人均供水量x3：水利工程總供水量與總?cè)丝谥?，m3/人;

(4)有效灌溉面積比x4：有效灌溉面積與耕地面積之比，%;

(5)總庫容系數(shù)x5：水利工程總庫容/多年平均年徑流量，%;

(6)達(dá)標(biāo)堤防長度比x6：達(dá)標(biāo)堤防長度與總堤防長度之比，%;

(7)水資源開發(fā)利用率x7：河道外供水量與多年平均水資源量之比，%;

(8)水利工程投資比x8：水利工程投資與總投資之比，%。

將工程型缺水程度分為5個(gè)等級，收集2000年～2010年共11年云南省各地市州的上述指標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行聚類分析，將工程型缺水程度分為5個(gè)等級，得到5個(gè)分級標(biāo)準(zhǔn)的各自評價(jià)指標(biāo)值，各評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 各工程型缺水程度評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值

2.2 模型建立

(1)構(gòu)建復(fù)合模糊物元。根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)，對云南省16個(gè)地市州各評價(jià)指標(biāo)值及5個(gè)分級標(biāo)準(zhǔn)方案，建立21個(gè)方案8個(gè)指標(biāo)的復(fù)合模糊物元。

(2)根據(jù)式(2)～(4)計(jì)算從優(yōu)隸屬度。水土流失面積比按越小越優(yōu)型計(jì)算，農(nóng)村飲水安全人口比、有效灌溉面積比、達(dá)標(biāo)堤防長度比等6個(gè)指標(biāo)按越大越優(yōu)型計(jì)算，水資源開發(fā)利用率按照常數(shù)型指標(biāo)計(jì)算，取國際普遍采用的30%的水資源合理開發(fā)利用程度[13]為u0，即u0=30。

(3)根據(jù)式(5)和(6)構(gòu)建得到差的平方復(fù)合模糊物元RΔ(下式用其轉(zhuǎn)置矩陣表示)。

(4)采用熵值法確定指標(biāo)的權(quán)重。首先根據(jù)各方案實(shí)測值構(gòu)造判斷矩陣，用層次分析法[14]求得主觀權(quán)重集：

W*=(0.019 7,0.034 1,0.230 7,0.049,

0.157 5,0.071 8,0.330 7,0.106 5)

進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，CR=0.035,滿足一致性。

根據(jù)式(9)～(14)計(jì)算出各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

W′=(0.133 9,0.154 2,0.127 2,0.147 8,

0.125 0,0.106 7,0.115 6,0.089 6)

由式(15)計(jì)算得出各評價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重：

W=(0.022 1,0.044 0,0.245 4,0.060 6,

0.164 6,0.064 1,0.319 6,0.079 8)

(5)歐氏貼近度的計(jì)算。根據(jù)求出的平方復(fù)合模糊物元和各指標(biāo)權(quán)系數(shù)，由式(7)計(jì)算得到各方案的歐氏貼近度:

ρHj=(0.785 3,0.590 4,0.817 8,0.500 2,0.401 3,

0.582 2,0.533 5,0.536 8,0.775 9,0.541 7,0.494 1,

0.585 4,0.660 9,0.603 6,0.387 3,0.524 6,

0.991 0,0.928 7,0.803 4,0.562 2,0.387 6)

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)歐氏貼近度的大小排序，云南省工程型缺水程度依次是玉溪市<昆明市<楚雄彝族自治州<大理白族自治州<德宏傣族景頗族自治州<曲靖市<西雙版納傣族自治州<麗江市<紅河哈尼族彝族

自治州<臨滄市<普洱市<迪慶藏族自治州<保山市<文山壯族苗族自治州<昭通市<怒江傈僳族自治州。由此可以得出結(jié)論：云南省的所有地市州存在不同程度的工程型缺水，云南省各地級市工程型缺水情況分布如圖1和表2所示。

圖1 云南省工程型缺水程度

表2 云南省各市、州歐氏貼近度計(jì)算結(jié)果

由圖1和表1可以看出：云南的所有地市州存在不同程度的工程型缺水，其中根據(jù)圖1，由于城市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展快，集中度高，庫容系數(shù)大，水資源開發(fā)利用率高，昆明市和玉溪市工程型缺水程度較輕，為輕度工程型缺水城市。而云南省其余地區(qū)由于地形地貌復(fù)雜，水資源開發(fā)利用難度大，水資源開發(fā)利用率均很低，均存在較為嚴(yán)重的工程型缺水現(xiàn)象。其中，怒江州為特別嚴(yán)重工程型缺水城市，工程型缺水最為嚴(yán)重。怒江州地處云南滇西橫斷山脈縱谷地帶，整個(gè)地勢由巍峨高聳的山脈與深邃湍急的江河構(gòu)成，有切割很深的怒江、瀾滄江、獨(dú)龍江三大峽谷的山區(qū)，水資源開發(fā)難度極大，水資源開發(fā)率很低。結(jié)果表明，基于熵權(quán)的模糊物元法的分析結(jié)果真實(shí)可信，可以合理評估研究區(qū)工程型缺水程度，為區(qū)域水資源開發(fā)提供決策依據(jù)。

2.4 對策措施

結(jié)合工程型缺水計(jì)算結(jié)果、資料收集分析及現(xiàn)場調(diào)查情況，制定了以下的對策措施。

怒江州和文山州特別要解決好“望天田”的灌溉問題，在地理地形條件不能興建水庫、堰陂的地方也要采取打機(jī)井、挖水窖等辦法蓄水灌溉；在電力發(fā)達(dá)，電能富余而又水資源緊缺的地方因地制宜興建一批抽水泵站和蓄水池，利用峰谷電源提水增蓄儲備水資源，徹底消滅灌溉“盲”區(qū)。加大園田化建設(shè)力度，平整土地，對灌排渠系截彎取直、加固防滲，改善輸水條件，提高水的利用率。

改革傳統(tǒng)灌溉模式，推廣滴灌、噴灌、霧灌等節(jié)水灌溉技術(shù)。我國農(nóng)業(yè)灌溉一直采用傳統(tǒng)的流灌、漫灌、浸灌、溝灌等方法，有水自然流，無水向天求。目前各用水農(nóng)戶普遍存在浪費(fèi)水現(xiàn)象，用水效益不高。我國的用水總量和美國相當(dāng)，但GDP僅為美國的1/8。農(nóng)民仍然習(xí)慣于大水漫灌，全國農(nóng)業(yè)灌溉水的利用系數(shù)平均約為0.43，而先進(jìn)國家為0.7甚至0.8。我國作物水分生產(chǎn)率平均為0.8kg/m3糧食，只相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家的40%。不少學(xué)者研究指出我國農(nóng)業(yè)用水的節(jié)水潛力十分巨大。迪慶州、西雙版納州和楚雄州如果全面采用噴灌、滴灌、霧灌、微灌、滲灌等節(jié)水技術(shù)，水資源緊缺情況將得到很大緩解。所以，各級政府要采取切實(shí)有效措施，宣傳群眾，動員群眾，支持和激勵群眾建設(shè)節(jié)水灌溉網(wǎng)絡(luò)，推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，開展節(jié)水灌溉。

臨滄市和德宏州應(yīng)對現(xiàn)有水利工程更新改造和清淤擴(kuò)容，挖潛增蓄。增加工程蓄水和解決農(nóng)村灌排“跑、漏、冒”的問題，從根本上改變“上游水下河，下游干死禾”的現(xiàn)象。這項(xiàng)工作大有潛力可挖，粗略估算如全部蓄水工程清淤到位，工程蓄水將有望增加30%～40%。

怒江州和迪慶州應(yīng)加大水土流失的治理力度，多種樹木、草皮，增加植被，含養(yǎng)水份，減少水份蒸發(fā)。

云南省以種植耗水量大的水稻為主，以2005年為例，畝均耗水量450m3，有些地方高達(dá)600m3/畝以上，加上工程型缺水，供需矛盾更加突出。怒江州和迪慶州可因地制宜調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，逐步減少水稻種植面積，引種一些低耗水的高原農(nóng)旱作物，擴(kuò)種一些耐旱的經(jīng)濟(jì)作物，做到種植結(jié)構(gòu)調(diào)整不影響農(nóng)業(yè)和農(nóng)民的增產(chǎn)增收。

3 結(jié) 論

基于熵權(quán)的模糊物元法通過直接選取與工程型缺水有關(guān)的指標(biāo)，采用熵法求得權(quán)重，避免了AHP法的主觀性，通過計(jì)算歐氏貼近度評估工程型缺水程度，并提出了相應(yīng)的對策措施。該模型在云南省的應(yīng)用結(jié)果表明，方法的分析結(jié)果真實(shí)可信，與事實(shí)較為吻合，較以往的方法相比針對性更強(qiáng)，更具備推廣價(jià)值。在以后的研究工作中，可以將該方法應(yīng)用在同樣工程型缺水問題較為嚴(yán)重的川、渝、黔、桂等地區(qū)進(jìn)行分析，為解決我國西南地區(qū)工程型缺水問題提供參考。該方法為城市工程型缺水程度分析提供了一種新的思路，為解決工程型缺水問題提供決策依據(jù)。

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2015-05-21

譚平(1977-)，男，四川武勝人，碩士，高級工程師，從事水電開發(fā)環(huán)境保護(hù)相關(guān)工作。。

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1003-9805(2016)04-0076-05