熵權(quán)云模型組合在新疆喀什地區(qū)地下水供水安全評估中的應(yīng)用

艾尼瓦爾·蘇來曼

(新疆喀什水文水資源勘測局，新疆 喀什 844000)

熵權(quán)云模型組合在新疆喀什地區(qū)地下水供水安全評估中的應(yīng)用

艾尼瓦爾·蘇來曼

(新疆喀什水文水資源勘測局，新疆 喀什 844000)

以新疆較為干旱的喀什區(qū)域為研究對象，將區(qū)域劃分為8個分區(qū)，該區(qū)域地下水資源占據(jù)總水資源量的40%以上，是區(qū)域水資源的重要組成部分。選取11種地下水安全影響指標(biāo)構(gòu)建地下水安全指標(biāo)體系，通過構(gòu)建新疆喀什地區(qū)地下水安全評價指標(biāo)體系，結(jié)合熵權(quán)云模型對區(qū)域地下水供水安全進(jìn)行定量評估。評估結(jié)果表明：熵權(quán)云模型可綜合考慮地下水安全評估的隨機(jī)性和模糊性，評估結(jié)果和實際情況吻合度較高，喀什地下水供水安全綜合評價值在0.094 5～0.252之間。區(qū)域地下水供水總體達(dá)到較安全的程度。研究成果對于地下水供水安全評估提供新的方法參考。

地下水安全評價指標(biāo)體系；熵權(quán)云模型；地下水供水安全評估；新疆喀什地區(qū)

當(dāng)前，隨著人類活動和氣候變化的雙重影響，區(qū)域地下水供水安全程度逐漸減弱，對地下水供水安全進(jìn)行準(zhǔn)確評估，對于地下水資源的保護(hù)至關(guān)重要，特別是對干旱半干旱以及干旱區(qū)域，地下水資源為其水資源的重要組成。對于地下水供水安全的評估，國內(nèi)許多學(xué)者展開過相關(guān)研究[1-5]，但是這些地下水供水安全評估成果大都采用層次分析方法進(jìn)行研究，而地下水安全由于受到多個因素的影響，存在較強的隨機(jī)性和模糊性特點。而傳統(tǒng)層的分析方法在分析具有隨機(jī)性和模糊性變量存在一定的局限。近些年來，熵權(quán)云模型采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可對具有隨機(jī)性和模糊性的變量進(jìn)行定量客觀評估，并在許多領(lǐng)域的評價體系中得到應(yīng)用[6-9]，且評估效果較好，但是熵權(quán)云模型在地下水安全評估領(lǐng)域中還未得到相關(guān)應(yīng)用，為此本位引入熵權(quán)云模型，以新疆較為干旱的喀什區(qū)域為研究區(qū)域，對該區(qū)域的地下水供水安全進(jìn)行定量評估。研究成果對于區(qū)域地下水資源保護(hù)措施的制定提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 熵權(quán)云模型原理

云模型計算假定U為計算論域，C表示為定性概念，x為定量評價指標(biāo)值，若x～N(Ex、，En2)，且En′～ N(Ex，He2)，模型對定性概念C的隸屬度計算方程為：

(1)

其中在方程(2)中μ(x)表示為模型論域U上的正態(tài)分布云函數(shù)；EX表示為云模型的期望值；En表示為云模型的熵權(quán)值。云模型在具體計算時，首先生成具有正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，計算方程為：

En′～N(En，He2)

(2)

其中在方程(2)中En表示為隨機(jī)數(shù)組的期望；He2表示為隨機(jī)數(shù)組的方程值，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步在計算正態(tài)隨機(jī)數(shù)組，計算方程為：

x～N(Ex，En2)

(3)

其中在方程(3)中Ex表示正態(tài)隨機(jī)數(shù)組序列的期望，En表示為正態(tài)隨機(jī)數(shù)組序列的方差。在兩次正態(tài)隨機(jī)數(shù)組計算的基礎(chǔ)上，利用特征值x和期望值Ex代入到方程(1)計算云模型的指標(biāo)隸屬度。為客觀定量確定評價指標(biāo)的權(quán)重，本文結(jié)合熵權(quán)方法對各個評價指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的確定，熵權(quán)方法的計算步驟為：

假定m個評價對象，每個對象包含n個評價指標(biāo)，并構(gòu)建評價判定矩陣，該判定矩陣的表達(dá)式為：

R=(rij)m×n

(4)

其中在方程(4)中R為判定矩陣；r為判定指數(shù)；i表示為評價對象；j表示為評價指標(biāo)。在判定矩陣確定的基礎(chǔ)上，確定各個指標(biāo)的熵值，計算方程為：

(5)

其中在方程(5)中Hj表示為各評價指標(biāo)的熵權(quán)值；fij表示為指標(biāo)的熵值參數(shù)，其計算方程為：

(6)

其中在方程(6)中rij、m的變量含義同方程(4)中變量含義。在各指標(biāo)熵值確定的基礎(chǔ)上，需要對各評價指標(biāo)的熵權(quán)值進(jìn)行確定，計算方程為：

(7)

其中在方程(7)中Hj表示為各評價指標(biāo)的熵值。

2 熵權(quán)云模型在新疆喀什地區(qū)具體應(yīng)用分析

2.1 地下水安全指標(biāo)選取

以新疆喀什為研究區(qū)域，并將該區(qū)域劃分為8個分區(qū)，該區(qū)域地下水資源占據(jù)總水資源量的40%以上，是區(qū)域水資源的重要組成部分，為此地下水安全對于區(qū)域水資源安全至關(guān)重要，選取11中地下水安全影響指標(biāo)構(gòu)建地下水安全指標(biāo)體系，選取的地下水安全指標(biāo)屬性值見表1，結(jié)合各地下水安全指標(biāo)，結(jié)合熵權(quán)云模型對該區(qū)域的地下水供水安全進(jìn)行綜合評估。

表1 區(qū)域地下水供水安全評估各指標(biāo)的屬性值

2.2 各評價指標(biāo)的隸屬度矩陣

結(jié)合方程(1)和各指標(biāo)正態(tài)云標(biāo)準(zhǔn)值，假定N=1 000，結(jié)合對應(yīng)的指標(biāo)正態(tài)云模型標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)合正向標(biāo)準(zhǔn)算法計算不同指標(biāo)的隸屬度矩陣，各評價指標(biāo)隸屬度矩陣計算結(jié)果見表2。

表2 各評價指標(biāo)正態(tài)云隸屬度計算結(jié)果

2.3 地下水供水安全指標(biāo)計算

結(jié)合熵權(quán)方法對地下水供水安全的各個指標(biāo)進(jìn)行熵權(quán)值的計算，計算結(jié)果見表3。從表3中可以看出，含水層深度和地下水含水層的富水程度的熵權(quán)值最高，這主要是因為其實地下水供水量的重要保證，因此其熵權(quán)值較高，其次是面源污染程度直接影響地下水的水質(zhì)，因此其對地下水供水安全影響權(quán)重值也較高。

表3 各評價指標(biāo)的熵權(quán)值

2.4 地下水供水安全綜合評價結(jié)果

在各指標(biāo)隸屬度確定的基礎(chǔ)上，結(jié)合熵權(quán)云模型組合方法對區(qū)域各個分區(qū)的地下水供水安全進(jìn)行綜合評估，綜合評估結(jié)果見表4。從表4中可以看出，喀什地區(qū)地下水綜合評價值在0.094 5～0.252之間，經(jīng)評價，區(qū)域地下水供水安全總體為較安全程度，從各分區(qū)綜合評價結(jié)果可以看出，1#、2#、5#、7#分區(qū)綜合評價結(jié)果為較安全，經(jīng)實地調(diào)查，這幾個分區(qū)由于近些年來地下水保護(hù)措施力度逐年在加大，因此該區(qū)域地下水供水一直較為平穩(wěn)，且水質(zhì)情況較好，評價結(jié)果和區(qū)域?qū)嶋H情況較為吻合。3#和8#分區(qū)由于靠近水源保護(hù)區(qū)，區(qū)域地下水資源保護(hù)程度較好，因此該區(qū)域地下水供水安全，這和模型評價結(jié)果較為吻合。4#分區(qū)經(jīng)過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域地下水存在一定程度的超采現(xiàn)象，使得該區(qū)域地下水供水安全受到一定程度的影響，供水安全呈現(xiàn)較不安全的程度，因較大對該分區(qū)水資源的保護(hù)力度。

表4 區(qū)域地下水安全綜合評價結(jié)果

3 結(jié)語

通過構(gòu)建地下水供水安全評價指標(biāo)體系，并結(jié)合熵權(quán)云模型對新疆喀什地下水安全進(jìn)行綜合評估，結(jié)果可知，熵權(quán)云模型可綜合考慮地下數(shù)供水安全的隨機(jī)性和模糊性，評估結(jié)果更符合實際情況，可對傳統(tǒng)層次評估方法進(jìn)行改進(jìn)；新疆喀什地下水供水安全總體達(dá)到較為安全的程度，但也有區(qū)域地下水供水安全處于較不安全的程度，應(yīng)對不安全區(qū)域加大地下水資源的保護(hù)力度。

[1]王水獻(xiàn),吳彬,楊鵬年,等. 焉耆盆地綠洲灌區(qū)生態(tài)安全下的地下水埋深合理界定[J]. 資源科學(xué).2011.(03):422-430.

[2]劉禧超,李立偉,石文學(xué). 天津市寧河縣地下水安全AHP模糊評價淺析[J]. 地下水.2010.(04):13-17+37.

[3]白世貞,劉莉,楊艷玲. 基于灰色模型與季節(jié)指數(shù)的物流需求預(yù)測研究——以哈爾濱市為例[J]. 物流工程與管理.2010.(06):8-10.

[4]王振龍,魯程鵬,劉猛. 地下水安全開采量的概念與評價方法研究[J]. 水文.2010.(02):14-19+13.

[5]皮建高,劉長明,潘晟. 洞庭湖區(qū)淺層地下水安全供水研究[J]. 華南地質(zhì)與礦產(chǎn).2009.(04):48-53.

[6]付文藝. 基于熵權(quán)-正態(tài)云模型的地下水水質(zhì)綜合評價[J]. 人民黃河.2016.(05):68-71+76.

[7]趙軍,宋揚. 改進(jìn)熵權(quán)-正態(tài)云模型在邊坡穩(wěn)定性評價中的應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué).2016.(04):120-122+165.

[8]成琨,付強,任永泰,等.基于熵權(quán)與云模型的黑龍江省水資源承載力評價[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報.2015.(08):75-80.

[9]于志慧,許有鵬,張媛,等.基于熵權(quán)物元模型的城市化地區(qū)河流健康評價分析——以湖州市區(qū)不同城市化水平下的河流為例[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報.2014.(12):3188-3193.

2016-12-11

艾尼瓦爾·蘇來曼(1976-)，男，新疆喀什人，工程師，主要從事水文水資源方面工作。

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1004-1184(2017)04-0240-03