基于云模型的水利現(xiàn)代化評價方法與應(yīng)用

黃顯峰,劉展志,方國華

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

基于云模型的水利現(xiàn)代化評價方法與應(yīng)用

黃顯峰,劉展志,方國華

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

從防洪除澇減災(zāi)、水資源保障、水環(huán)境與河湖生態(tài)保護、農(nóng)村水利保障、供排水工程、水管理服務(wù)以及水利發(fā)展保障7個方面建立了水利現(xiàn)代化水平評價指標(biāo)體系，共27項指標(biāo)，確定了各項指標(biāo)的評價等級與標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建云模型對江蘇省新沂市水利現(xiàn)代化水平進行了評價。結(jié)果表明，新沂市水利現(xiàn)代化水平在2015年現(xiàn)狀的評價值分別為85.53(云模型)和84.56(集對分析)，均處于基本現(xiàn)代化階段，與實際情況相符；而2020年評價值為93.71(云模型)和91.38(集對分析)，預(yù)測能達到全面現(xiàn)代化，與“十三五”規(guī)劃目標(biāo)相符，驗證了云模型評價方法的有效性和適用性。

水利現(xiàn)代化;指標(biāo)體系;云模型;集對分析;新沂市

21世紀(jì)初,水利部成立了中國水利現(xiàn)代化進程研究小組,對我國水利現(xiàn)代化意義和內(nèi)涵進行探討,建立了相應(yīng)的評價指標(biāo)體系。水利現(xiàn)代化建設(shè)是現(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)性支撐,更是改善生態(tài)環(huán)境不可替代的保障系統(tǒng),具有鮮明的公益、基礎(chǔ)和戰(zhàn)略性質(zhì)[1]。水利現(xiàn)代化進程同時也是我國經(jīng)濟社會實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展的重要組成部分,根據(jù)國內(nèi)外水利發(fā)展階段,水利現(xiàn)代化將是水利發(fā)展的必經(jīng)之路。目前國內(nèi)有一些學(xué)者對水利現(xiàn)代化提出了自己的分析見解。喻君杰等[2]提出了江蘇省水利現(xiàn)代化的目標(biāo)內(nèi)涵，同時構(gòu)建了6大體系共22項指標(biāo)系數(shù)的江蘇水利現(xiàn)代化指標(biāo)體系;嚴(yán)玲[3]對蘇南水利現(xiàn)代化和指標(biāo)體系進行了研究，并以此開發(fā)了水利現(xiàn)代化軟件;張穎等[4]結(jié)合蘇北實際情況進行了水利現(xiàn)代化指標(biāo)體系的重新賦權(quán)研究。目前針對指標(biāo)體系評價常用方法有多指標(biāo)綜合評判、層次分析法、模糊綜合評價、TOPSIS等[5]。這些方法中有的計算復(fù)雜、主觀性強,有的定性成分過多、權(quán)重較難確定。云模型是一種新的評價方法,該方法兼具模糊性和隨機性,比較客觀精確,能夠較好實現(xiàn)定性與定量之間的轉(zhuǎn)化。胡尊芳等[6]利用云模型分析了東平湖枯水期地下水水質(zhì)評價;張金鑫等[7]采用云模型對流域內(nèi)人水和諧關(guān)系進行分析;喬丹穎等[8]采用云模型來評價中運河的安全性。然而目前還沒有學(xué)者采用云模型進行水利現(xiàn)代化評價,本文在前人研究基礎(chǔ)上,參照徐州市水利水務(wù)現(xiàn)代化評價指標(biāo)體系,以江蘇省新沂市為實例對云模型應(yīng)用于水利現(xiàn)代化評價進行了探討。

表1 水利現(xiàn)代化評價指標(biāo)體系

1 水利現(xiàn)代化內(nèi)涵

水利現(xiàn)代化是指由傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化水利以及可持續(xù)水利的轉(zhuǎn)變,以達到強化水利保障體系的能力,推進人與自然和諧相處并保持生態(tài)文明發(fā)展進步的目的。水利現(xiàn)代化建設(shè)是一項涉及不同領(lǐng)域、層次、階段的系統(tǒng)工程,水利現(xiàn)代化的最終目的是為了實現(xiàn)水資源的循環(huán)可持續(xù)利用,人水和諧,促進經(jīng)濟社會不斷發(fā)展進步。根據(jù)我國的內(nèi)涵要求并結(jié)合各地區(qū)規(guī)劃與實際[2, 9],可以概括水利現(xiàn)代化的內(nèi)涵要求為:以經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展以及人與自然和諧相處為原則,以先進科學(xué)的治水理念為指導(dǎo)思想,并基于經(jīng)濟社會發(fā)展進步的要求,通過現(xiàn)代化裝備技術(shù)和管理手段,高效全面地改造傳統(tǒng)水利,并建立起保障經(jīng)濟社會安全與可持續(xù)發(fā)展的防洪減災(zāi)系統(tǒng)、水資源優(yōu)化配置與有效供給系統(tǒng)、水環(huán)境保護系統(tǒng)和水利發(fā)展服務(wù)系統(tǒng);最終實現(xiàn)人水協(xié)調(diào)、優(yōu)化配置、防洪減災(zāi)、山清水秀、供水保證、科學(xué)管理、高效運行、法制健全的目標(biāo),不斷提高社會的安全、富裕與舒適水平,不斷促進社會經(jīng)濟的全面、協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展。

2 水利現(xiàn)代化評價指標(biāo)體系

2.1 評價指標(biāo)體系

目前傳統(tǒng)水利仍然是通過水利工程的建造來滿足人類各種需求,使人類社會經(jīng)濟不斷發(fā)展進步,而現(xiàn)代水利往往是通過加強水資源的優(yōu)化配置,來達到水資源的循環(huán)高效利用,促進社會進步[10]。水利現(xiàn)代化評價指標(biāo)體系以及評價方法均是水利現(xiàn)代化的核心問題,評價體系中應(yīng)包括定性、定量和綜合評價三部分[11]。遵循國家水利發(fā)展方針,把水利現(xiàn)代化目標(biāo)任務(wù)作為基礎(chǔ),同時結(jié)合地區(qū)自然環(huán)境條件、水利各項現(xiàn)狀以及社會經(jīng)濟支撐能力,水利現(xiàn)代化的總體要求和目標(biāo)可大致概括為:防洪減災(zāi)安全可靠、河湖生態(tài)優(yōu)美健康、灌排標(biāo)準(zhǔn)全面提升、管理體系健全高效、水資源配置優(yōu)化合理、調(diào)度運行科學(xué)有序。

水利現(xiàn)代化評價各指標(biāo)的選取需遵循簡明、科學(xué)、實用的原則,同時要借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗和教訓(xùn),既要定性定量相結(jié)合,也要系統(tǒng)性和操作性兼具,還要注意可比性和代表性。本文以水利部及江蘇省關(guān)于水利現(xiàn)代化建設(shè)的總體要求以及各地區(qū)縣域水利現(xiàn)代化要求與目標(biāo)為依據(jù),參照引用徐州市水利水務(wù)現(xiàn)代化評價指標(biāo)體系[12],選取了包括防洪除澇減災(zāi)、水資源保障、水環(huán)境與河湖生態(tài)保護、農(nóng)村水利保障、供排水工程、水管理服務(wù)和水利發(fā)展保障體系7個方面的27項指標(biāo)(表1)。其特點是,在江蘇水利現(xiàn)代化評價指標(biāo)體系[13]的基礎(chǔ)上增加了供排水工程子體系,包括城市供水水質(zhì)綜合合格率、區(qū)域供水覆蓋率、城市雨水排水達標(biāo)率、城市污水集中處理達標(biāo)率4項指標(biāo)及城市污水處理回用率指標(biāo)。

2.2 評價等級與標(biāo)準(zhǔn)

考慮經(jīng)濟社會發(fā)展與全面小康社會的建設(shè)相適應(yīng),將水利現(xiàn)代化水平分為4個等級(N=4):起步期、初等現(xiàn)代化、基本現(xiàn)代化和全面現(xiàn)代化,最終評價等級也使用這4個等級,并確定各評價指標(biāo)不同等級的標(biāo)準(zhǔn)值。水利現(xiàn)代化指標(biāo)體系評價等級與標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 水利現(xiàn)代化評價等級與標(biāo)準(zhǔn)

3 水利現(xiàn)代化指標(biāo)體系云模型(CM)評價

3.1 云模型原理

云模型是一種兼具模糊性和隨機性的定性與定量轉(zhuǎn)換模型,通過具有一定隨機性的樣本點的值分析計算樣本的關(guān)聯(lián)性、模糊性以及隨機性[14-15],由3個特征值(期望Ex、熵En、超熵He)通過云發(fā)生器來實現(xiàn)樣本定性和定量之間的轉(zhuǎn)換。云模型不僅可以分析求解指標(biāo)權(quán)重,也可以計算指標(biāo)等級[5,16]。

期望Ex:與統(tǒng)計學(xué)中樣本的期望概念相同,是所有云滴的平均值,也是最具樣本特色的值;熵En:由樣本本身隨機性、模糊性定義,是樣本的不確定性度量,也反映云滴之間的離散和模糊程度;超熵He:由熵隨機性、模糊性定義,故可以稱為熵的熵,反映熵的不確定性度量。

云模型中的云發(fā)生器一般包括正向、逆向和條件云發(fā)生器3種:①正向云發(fā)生器(FCG)即通過云的數(shù)字特征Ex、En、He來產(chǎn)生定量云滴xi與隸屬度μi的過程,是由定性概念向定量指標(biāo)的變化,如圖1所示。②逆向云發(fā)生器(BCG)則是將一定數(shù)量的精確數(shù)值xi轉(zhuǎn)化為其定性概念Ex、En、He,并根據(jù)3個數(shù)值特征做分析計算,是由定量數(shù)值向定性概念的轉(zhuǎn)換,如圖2所示。③條件云發(fā)生器由X云發(fā)生器與Y云發(fā)生器構(gòu)成,他們均屬于特殊的正向云發(fā)生器,即已知Ex、En、He,同時已知特定條件X或者Y來產(chǎn)生隸屬度。通常由X與Y云發(fā)生器共同生成一個單條件單規(guī)則發(fā)生器,如圖3所示。其中,本文通過結(jié)合逆向與正向云發(fā)生器來計算體系權(quán)重,并用X條件云發(fā)生器來計算各個指標(biāo)的等級隸屬度。

圖1 正向云發(fā)生器

圖2 逆向云發(fā)生器

圖3 單條件單規(guī)則云發(fā)生器

3.2 云模型確定指標(biāo)權(quán)重

本文在計算權(quán)重時先用逆向云發(fā)生器求得3個特征值,再用正向云發(fā)生器補充云滴獲得權(quán)重,具體計算步驟如下[17]:

步驟1:收集一定數(shù)量專家各自的初始權(quán)重評價。

步驟2:通過逆向云發(fā)生器求解Ex、En、He;根據(jù)樣本值xi和樣本數(shù)n求Ex與樣本方差s2：

(1)

(2)

根據(jù)樣本均值求熵En:

(3)

根據(jù)樣本方差和熵求超熵He:

(4)

(5)

(6)

(7)

3.3 云模型計算指標(biāo)等級

確定評價目標(biāo)指標(biāo)值X與評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)S后,通過X條件云發(fā)生器來計算各指標(biāo)評價等級。

首先計算3個特征值并根據(jù)正反向指標(biāo)求解各個指標(biāo)在各等級下的隸屬度[18,19]

(8)

式中:Sij,max,Sij,min分別為第i個指標(biāo)在第j個等級中的上下限;Exij,Enij分別為第i項指標(biāo)在j評價等級中的期望和熵。這里He=0.005,取云滴數(shù)m=1 000。

(9)

指標(biāo)歸一化處理時,正向指標(biāo)采用式(10)～(12),反向指標(biāo)采用式(13)～(15)計算:

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

對每個樣本重復(fù)1 000次求出最后的確定度:

(16)

求出一個樣本對應(yīng)的4個等級指標(biāo)后進行歸一化處理:

(17)

通過級別特征值的方法進行評價等級評判[20],將最終評價等級以百分制形式表示:

(18)

式中k為各等級特征值。

整體評價等級評判:

(19)

式中μi為i體系的權(quán)重。

3.4 云模型評價流程

云模型具體應(yīng)用實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 云模型評價流程

4 實例研究

4.1 江蘇省新沂市水利現(xiàn)代化基本情況

水利現(xiàn)代化是經(jīng)濟社會現(xiàn)代化不可或缺的一環(huán),是各領(lǐng)域現(xiàn)代化的基礎(chǔ)與保障,制約影響整體現(xiàn)代化進程。新沂市位于江蘇省北部邊緣,是徐州市的一個縣級市,總面積1 616 km2。新沂市主要水系是“四河一湖”，即中運河、沂河、沭河、新沂河和駱馬湖,水資源總量豐富,達18.9億m3,地表水資源主來源于沂河、沭河、駱馬湖和高塘、阿湖兩座中型水庫。多年來,新沂市先后興建了大量的水利工程,形成了多級控制的工程體系,開挖、疏浚了16條河道;興建堤防總長度673 km;修筑了30座中小型水庫,水庫總庫容達到10 344萬m3;建設(shè)泵站264座,水閘191座,灌區(qū)8個,基本形成了水利現(xiàn)代化體系,為促進新沂市經(jīng)濟社會發(fā)展和改善民生提供了重要的基礎(chǔ)保障。

4.2 云模型指標(biāo)權(quán)重計算

首先收集10位專家對于各指標(biāo)權(quán)重的意見,構(gòu)建判斷矩陣,并把通過層次分析法計算出的專家評價權(quán)重作為初始權(quán)重(表3),然后再通過云模型的逆向、正向云發(fā)生器模擬1 000位專家的評價權(quán)重,通過求均值確定各指標(biāo)的最終權(quán)重。

表3 層次分析法確定各系統(tǒng)初始權(quán)重

各指標(biāo)體系權(quán)重的云模型圖像如圖5～11所示。

圖5 防洪除澇減災(zāi)體系指標(biāo)權(quán)重

由圖5～11可以看出,各指標(biāo)體系的模擬權(quán)重呈正態(tài)分布,通過求均值來求出對應(yīng)的權(quán)重分別為0.180 1、0.160 3、0.139 5、0.120 5、0.119 8、0.159 6、0.120 2。重復(fù)以上步驟,可計算出各子體系中各指標(biāo)的權(quán)重,結(jié)果見表4。

圖6 水資源保障體系指標(biāo)權(quán)重

圖7 水環(huán)境與河湖生態(tài)保護體系指標(biāo)權(quán)重

圖8 農(nóng)村水利保障體系指標(biāo)權(quán)重

圖9 城市供排水工程體系指標(biāo)權(quán)重

圖10 水管理服務(wù)體系指標(biāo)權(quán)重

圖11 水利發(fā)展保障體系指標(biāo)權(quán)重

由表4可以看出,不同指標(biāo)權(quán)重差距較大,流域防洪達標(biāo)率占比最大,達到0.069 9;供水保證率次之,為0.059 9;其余大部分指標(biāo)權(quán)重介于0.02～0.06之間;水域面積率與水利科技信息化水平的比重最低,均為0.019 6。

表4 云模型確定的指標(biāo)權(quán)重

表5 云模型確定的2015年及2020年指標(biāo)等級

4.3 云模型評價等級計算

根據(jù)新沂市水利現(xiàn)代化指標(biāo)現(xiàn)狀值與未來值,通過條件云發(fā)生器,可以計算各指標(biāo)的等級隸屬度,然后通過級別特征值法可以求出各體系的評價值與整體評價等級,具體計算結(jié)果見表5和表6。

分析結(jié)果顯示2015年水利現(xiàn)代化評價中水資源保障體系的評價等級較差,只有73.16,其余大部分體系評分均介于80～90之間,而農(nóng)村水利保障體系評分最高達到90.19,通過云模型最終計算得到的2015年整體評分為85.53,屬于基本現(xiàn)代化,與新沂市現(xiàn)狀相符,需要進一步加強水利現(xiàn)代化建設(shè)。而2020等級除水資源保障體系評分等級較差為89.08外,其余體系均達到全面現(xiàn)代化,整體等評分為93.71,屬于全面現(xiàn)代化,與新沂市水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃目標(biāo)一致。

4.4 評價結(jié)果分析

為了進一步驗證云模型的準(zhǔn)確性,本文另外采用集對分析法[21]進行評價,并將兩種方法的評價結(jié)果進行對比分析。由集對分析得出評價等級結(jié)果見表7。

表6 2015年與2020年現(xiàn)代化云模型評價等級

表7 集對分析的現(xiàn)狀值與未來值的現(xiàn)代化等級

由表7可得根據(jù)集對分析計算求得的新沂市現(xiàn)狀值整體為84.56,屬于基本現(xiàn)代化,2020年未來值整體為91.38,屬于全面現(xiàn)代化,與云模型計算的結(jié)果一致。

根據(jù)最終現(xiàn)代化等級對比分析云模型與集對分析的優(yōu)缺點:云模型除了具有模糊性以外同時還具有一定的隨機性,文中求出的現(xiàn)代化評價等級兩者的差距不大,云模型在計算過程中模擬的數(shù)據(jù)較多,更加精確可靠,同時正態(tài)分布是極其重要的概率分布,正態(tài)云模型的適用性和確定度較好。而在計算各個指標(biāo)的隸屬度過程中,由于集對分析在計算過程中通常通過vk=(1+uk)/2來求解隸屬度,其最高隸屬度只能到0.5,不能十分精確地反映指標(biāo)等級,而云模型可以更準(zhǔn)確地反映該指標(biāo)在某個等級中,而且云模型可以更好地處理邊界等級隸屬度問題。但是云模型在計算指標(biāo)等級中,若某指標(biāo)值處于中間等級時,在邊界等級評價的計算中可能會出現(xiàn)較小的誤差。

云模型計算求得的新沂市2015年水利現(xiàn)代化評價值為85.53,由集對分析計算求得的是84.56,兩者差別較小,均屬于基本現(xiàn)代化階段,且進一步向全面現(xiàn)代化發(fā)展。由各指標(biāo)的等級隸屬度可以看出,流域防洪達標(biāo)率、集中式飲用水源地水質(zhì)達標(biāo)率、城市供水水質(zhì)綜合合格率均達到全面現(xiàn)代化的標(biāo)準(zhǔn),其余部分指標(biāo)也已經(jīng)達到基本現(xiàn)代化階段。但仍有多項指標(biāo)現(xiàn)代化程度較低,相關(guān)部門應(yīng)加強城市排水設(shè)施的建設(shè),加快工業(yè)化工廠的轉(zhuǎn)型,提高水資源利用率,同時也要注重污水處理與水利管理方面的加強,引進更多專業(yè)型人才并加強現(xiàn)代化建設(shè)。通過各方面的共同努力,盡快實現(xiàn)水利的全面現(xiàn)代化,爭取達到2020年的期望值。根據(jù)集對分析計算的新沂市2020年預(yù)測水利現(xiàn)代化評價值為91.38,云模型計算的新沂市2020年預(yù)測水利現(xiàn)代化評價值為93.71,均已實現(xiàn)全面現(xiàn)代化。

綜上,本文現(xiàn)狀評價結(jié)果與新沂市水利現(xiàn)代化現(xiàn)狀相適應(yīng),2020年的評價結(jié)果與新沂市水利現(xiàn)代化規(guī)劃和水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃目標(biāo)一致,評價結(jié)果具有合理性,驗證了本文水利現(xiàn)代化云模型評價方法的有效性和適用性。

5 結(jié) 語

水利現(xiàn)代化建設(shè)是一項涉及不同領(lǐng)域、階段、層次的系統(tǒng)工程,其目標(biāo)是實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用,人與自然的和諧共處,以及經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。云模型是一種新的評價方法,該方法兼具模糊性和隨機性,比較客觀精確,能夠較好實現(xiàn)定性與定量之間的轉(zhuǎn)化。目前結(jié)合云模型對水利現(xiàn)代化評價的研究尚未見報道。本文以新沂市為計算實例,通過云模型計算了各指標(biāo)的權(quán)重和評價等級,并用集對分析進行對比,驗證了云模型評價結(jié)果的合理性。云模型既可以用來計算權(quán)重,也可以計算等級隸屬度,適用性較廣,在評價體系中有一定的應(yīng)用意義。

當(dāng)然,云模型在計算過程中,由于建模的不準(zhǔn)確可能會導(dǎo)致超熵的計算出現(xiàn)問題,而在指標(biāo)等級計算過程中,若某指標(biāo)實際從屬于某中間等級,那么在計算其邊界等級隸屬度時可能會出現(xiàn)較小的誤差,需要對云模型做進一步優(yōu)化研究。

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Evaluationandapplicationofwaterconservancymodernizationindexsystembasedonacloudmodel//

HUANG Xianfeng, LIU Zhanzhi, FANG Guohua

(CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Water conservancy modernization(WCM) forms an important part of the national modernization. To make the evaluation of WCM be more scientific and reasonable, an evaluation index system consisting of seven sub systems and twenty seven indices is established, including flood control and waterlogged reduction, water resources guarantee, water environment and ecological protection, rural water project guarantee, urban drainage and supply, water management service and water conservancy development guarantee. A cloud model(CM), which has both fuzziness and randomness is used for the evaluation.The CM determines the comprehensive evaluation index weight by using backward and forward cloud generator, and calculates the rank by condition cloudgenerator. The paper uses set pair analysis as a comparative analysis(SPA). A case study is put forward with XinyiCity of Jiangsu province. The results show that, the evaluation values are 85.53(CM) and 84.56(SPA)in 2015 and the level of WCM in Xinyi City is basic modernization, consistent with the actual situation.In 2020, the evaluation values are 93.71(CM) and 91.38(SPA), both can achieve the level of comprehensive modernization, consistent with the 13thFive-Year Plan. The effectiveness and applicability of the CM is verified.

water conservancy modernization; evaluation index system; cloud model; set pair analysis; Xinyi City

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0400909);國家自然科學(xué)基金(51279047)

黃顯峰(1980—),男,副教授,博士,主要從事水資源規(guī)劃與水庫調(diào)度研究。E-mail: hxfhuang2015@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.010

TV211.1

A

1006-7647(2017)06-0054-08

2017-02-18 編輯：鄭孝宇)