基于模糊集對評價(jià)模型的遼寧省水資源監(jiān)測能力評價(jià)

陳 月

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

遼寧省水資源分布不均衡以及水資源出現(xiàn)的嚴(yán)重問題已無法保證人們正常生活水平質(zhì)量的需要，嚴(yán)重制約了遼寧省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為保障經(jīng)濟(jì)建設(shè)的健康發(fā)展，提高人們生活水平質(zhì)量并緩解供水緊張壓力，必須建立健全水資源監(jiān)測管理制度，節(jié)約并減少水資源浪費(fèi)，合理開發(fā)利用水資源。而對水資源監(jiān)測能力進(jìn)行評價(jià)是檢驗(yàn)水資源監(jiān)測制度的合理性和有效性的重要依據(jù)[1]。目前用于水資源監(jiān)測能力評價(jià)的方法相對比較成熟，其中主要有物元評判法、灰色系統(tǒng)評價(jià)法以及模糊數(shù)學(xué)評價(jià)法，科學(xué)的評價(jià)方法將直接影響評價(jià)結(jié)果的合理性。水資源水環(huán)境系統(tǒng)受多種因素影響，且各因素相互關(guān)聯(lián)、隨機(jī)性較大，其不確定性因素在系統(tǒng)監(jiān)測中相對較為困難。已有學(xué)者通過采用模糊理論法對不確定性因素進(jìn)行分析和研究，但結(jié)果表明該評價(jià)系統(tǒng)中隸屬度參數(shù)設(shè)置因個(gè)人主觀性較大，通常會(huì)使賦予值超出一定的誤差范圍而被丟棄，因此也就失去了該參數(shù)所代表的價(jià)值信息，對評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生明顯的影響[2]。模糊集對評價(jià)法是運(yùn)用“亦此亦彼”的思想理論，將確定性和非確定性因素同時(shí)也當(dāng)成既是非確定性又是確定性進(jìn)行自動(dòng)識別和處理。根據(jù)集對分析法的原理和特點(diǎn)，目前該方法在水文水資源評價(jià)中主要應(yīng)用于水資源可持續(xù)評價(jià)、水安全以及水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)等。如尹志杰等學(xué)者通過建立集對分析模型，計(jì)算出N元聯(lián)系度，準(zhǔn)確的給出了研究區(qū)域的水資源可持續(xù)利用綜合評價(jià)等級；盧喜等學(xué)者利用聯(lián)系度對不確定性因素進(jìn)行表征，全面地考慮各種參數(shù)信息影響，對流域內(nèi)水安全發(fā)展趨勢進(jìn)行了可靠的預(yù)測。模糊集對評價(jià)法不僅充分考慮了評價(jià)等級邊界的模糊性，而且可采用不同的計(jì)算方法對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，有效地提高評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文為了對遼寧省水資源監(jiān)測能力進(jìn)行評價(jià)，通過分析集對評價(jià)模型原理并介紹遼寧省水資源監(jiān)測現(xiàn)狀，建立模糊集對評價(jià)模型并進(jìn)行綜合評價(jià)，為遼寧省水資源科學(xué)合理的開采利用，準(zhǔn)確把握遼寧省整體水資源狀況監(jiān)測水平一定的參考和依據(jù)[3]。

1 模糊集對評價(jià)模型

1.1 集對基本概念

由中國學(xué)者在1989年提出的對于不確定性問題處理的方法即集對分析理論，其基本原理和過程是先在不確定性系統(tǒng)中構(gòu)建兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)集合的集對，并將集對進(jìn)行異同性和差異性分析，然后采用合理的計(jì)算方法將集對進(jìn)行“亦同亦反”聯(lián)系度計(jì)算，構(gòu)建集對以及對聯(lián)系度計(jì)算是是集對分析法的基礎(chǔ)和關(guān)鍵工作[4]。具有一定關(guān)聯(lián)的兩個(gè)集合組成的對子即為集對，可用以下方法進(jìn)行描述說明。X和Y是表示具有一定關(guān)聯(lián)的兩個(gè)集合，X具有N相特性即X=(x1，x2，…，xN)，Y亦具有N相特性即Y=(y1，y2，…，yN)，則X和Y構(gòu)成的集對H(X，Y)聯(lián)系度為：

(1)

式中，S/N—集對H(X，Y)同一度，用a表示；F/N—集對H(X，Y)差異度，用b表示；P/N—集對H(X，Y)對立度，用c表示；I—差異不確定性系數(shù)，取值范圍為-1～1；J—對立度系數(shù)，值為-1時(shí)表示指標(biāo)對立。

上式為常用的3元聯(lián)系度，其K元聯(lián)系度為：

μx～y=a+b1I1+b2I2+…+bk-2Ik-2+cJ

(2)

1.2 模糊集對評價(jià)方法

模糊集對評價(jià)法是通過咨詢專家經(jīng)驗(yàn)、參考相關(guān)歷史資料以及查閱文獻(xiàn)等途徑，充分了解評價(jià)指標(biāo)的代表信息和重要性程度[5]，并選取具有代表性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性的指標(biāo)建立水資源監(jiān)測評價(jià)體系x1，x2，…，xm(m為評價(jià)指標(biāo)數(shù))；然后結(jié)合評價(jià)指標(biāo)對社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的影響，計(jì)算水資源監(jiān)測能力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)sk(k=1，2，…，K;K為評價(jià)等級數(shù))。集對的構(gòu)造和聯(lián)系度的計(jì)算原理和過程簡單介紹如下：用xi表示集合Ai在評價(jià)樣本中的第i個(gè)指標(biāo)值(i=1，2，…，m)，Bk為等級標(biāo)準(zhǔn)中第k級的集合，則H(Ai，Bk)即為集合Ai和集合Bk所組成的集對；若將Bk表征為指標(biāo)在評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的第1級的集合B1，則構(gòu)成的集對為H(Ai，B1)可提高評價(jià)結(jié)果的精確度和可靠度。

效益型評價(jià)指標(biāo)其計(jì)算結(jié)果越大越優(yōu)，集對H(Ai，B1)的5元聯(lián)系度為：

(3)

成本型評價(jià)指標(biāo)其計(jì)算結(jié)果越小越優(yōu)，H(Ai，B1)的5元聯(lián)系度為：

(4)

若A為評價(jià)樣本集合，B為等級標(biāo)準(zhǔn)中第1級集合，則集對H(A，B)的K元樣本聯(lián)系度為：

(5)

μA～B=f1+f2I1+…+fK-1Ik-2+fKJ

(6)

為減少因主觀因素影響造成的遼寧省水資源監(jiān)測能力評價(jià)結(jié)果的誤差，提高評價(jià)等級的準(zhǔn)確度，本文采用了置信度等級法對樣本所屬等級進(jìn)行評判，其公式為：

hk=(f1+f2+…+fk)>λ;k=1，2，…，K

(7)

式中，λ—置信度，其取值一般為0.50～0.70；λ取值過大，則評價(jià)結(jié)果趨于保守、平穩(wěn)；λ取值過小，則評價(jià)結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)性大、可靠性差。

2 遼寧省水資源監(jiān)測現(xiàn)狀

2.1 指標(biāo)體系

本文以水量監(jiān)測體系和水質(zhì)監(jiān)測體系為基礎(chǔ)，結(jié)合科學(xué)、客觀、準(zhǔn)確、全面的方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行樣本評價(jià)指標(biāo)的篩選，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的指標(biāo)大致可以分為兩大類即水量和水質(zhì)監(jiān)測覆蓋率指標(biāo)[6]。其中水量監(jiān)測覆蓋率指標(biāo)有用戶用水量指標(biāo)x1(%)、降雨量指標(biāo)x2(站/250km2)、出入境水量指標(biāo)x3(%)、水庫河流水量指標(biāo)x4(%)、日照蒸發(fā)量指標(biāo)x5(站/5000km2)、地下水位水量指標(biāo)x6(眼/1000km2)；水質(zhì)監(jiān)測覆蓋率指標(biāo)為飲用水水質(zhì)指標(biāo)x7(%)、水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)x8(%)、出入境水質(zhì)指標(biāo)x9(%)、地下水水質(zhì)指標(biāo)x10(眼/1000km2)以及入河排污口水質(zhì)指標(biāo)x11(%)。

2.2 分級標(biāo)準(zhǔn)

文中數(shù)據(jù)來源參考遼寧省水利統(tǒng)計(jì)年鑒、水質(zhì)通報(bào)、各水利專業(yè)統(tǒng)計(jì)資料以及水資源公報(bào)等，部分水文地質(zhì)資料由遼寧省水利局、水文地質(zhì)局和相關(guān)監(jiān)測機(jī)關(guān)單位提供[7]。遼寧省水資源監(jiān)測現(xiàn)狀能力評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)為強(qiáng)(1級)、較強(qiáng)(2級)、中(3級)、較弱(4級)、弱(5級)五個(gè)評判等級，見表1。

表1 遼寧省水資源監(jiān)測能力評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)

2.3 權(quán)重計(jì)算

主觀賦權(quán)法主要有層次分析法、特征值法、博弈組合權(quán)重法等，該類方法主觀判斷性較強(qiáng)，因個(gè)人經(jīng)驗(yàn)不同其評價(jià)結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生較大的偏差[8]。層次分析法主要是以知識經(jīng)驗(yàn)對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行判斷，賦權(quán)過程具有一定的主觀意識性；博弈組合權(quán)重法是將不同評價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行關(guān)聯(lián)、法則規(guī)劃等作用，以權(quán)重集的形式進(jìn)行賦權(quán)，具有一定的可靠性[9]。客觀分析法主要有變權(quán)分析法、熵值法和主要成分分析法，該類方法與實(shí)際數(shù)據(jù)密切相關(guān)，具有較強(qiáng)的客觀性，靈活性較差。變權(quán)分析法主要是適用于在指標(biāo)賦予值過低時(shí)可對整體評分產(chǎn)生顯著影響的情況，該方法是通過提高過低分?jǐn)?shù)指標(biāo)的權(quán)重使綜合評價(jià)得分更加合理[10]。

本文所采用的層次分析法主要是以專家的知識經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，首先將關(guān)鍵因素按照一定的規(guī)則自上而下的分解成若干層，其次按照指標(biāo)尺度構(gòu)造各層要素之間的判斷矩陣，并通過檢驗(yàn)指標(biāo)一致性結(jié)果計(jì)算權(quán)重向量，進(jìn)行權(quán)重組合[11]，再次綜合專家評價(jià)經(jīng)驗(yàn)，將各指標(biāo)評價(jià)權(quán)重進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，其結(jié)果見表2。

2.4 聯(lián)系度計(jì)算

以遼寧省沈陽市為例，進(jìn)行聯(lián)系度計(jì)算，計(jì)算過程為首先定義集合Ai的水資源監(jiān)測指標(biāo)xi(i=1，2，…，11)，定義與其對應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中第1級指標(biāo)集合為B1，建立集對H(Ai，B1)。然后結(jié)合分析指標(biāo)類型可知評價(jià)指標(biāo)為效益型指標(biāo)，則選擇式(2)進(jìn)行集對計(jì)算的5元聯(lián)系度為：

μAi-B1=ai+bi，1I1+bi，2I2+bi，3I3+ciJ

(8)

由式(8)計(jì)算的各指標(biāo)聯(lián)系度見表3。

如A為沈陽市水資源監(jiān)測能力評價(jià)指標(biāo)集合，B為11項(xiàng)指標(biāo)1級等級標(biāo)準(zhǔn)集合，則運(yùn)用公式(6)進(jìn)行集對H(A，B)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算，并依次計(jì)算遼寧省其他是3個(gè)市的集對關(guān)聯(lián)度，其計(jì)算結(jié)果中各市h3h3h3指標(biāo)可能性均為0，其他各項(xiàng)指標(biāo)可能性見表4。

2.5 綜合評價(jià)

本文的樣本置信度計(jì)算結(jié)果hk值見表4，以沈陽市為例，取權(quán)重系數(shù)λ為0.5，h1=0.373<0.5;h2=0.625>0.5，根據(jù)置信度評判準(zhǔn)則，沈陽市水資源監(jiān)測能力為2級。依次類推計(jì)算出其他13個(gè)城市的水資源監(jiān)測能力評價(jià)等級，并將模糊綜合評價(jià)法的評價(jià)結(jié)果與其做對比分析，評價(jià)結(jié)果見表5。

表2 遼寧省水資源監(jiān)測能力評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表3 沈陽市聯(lián)系度計(jì)算結(jié)果

表4 遼寧省各市關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)構(gòu)及hk值

表5 遼寧省水資源監(jiān)測能力評價(jià)結(jié)果

由表5可知，基于模糊集對評價(jià)法的等級評價(jià)結(jié)果與綜合評價(jià)法基本保持一致，遼寧省水資源監(jiān)測水平屬于中等，其中沈陽市、大連市、鞍山市、本溪市、鐵嶺市水資源監(jiān)測水平較高；而丹東市和營口市水資源監(jiān)測水平相對較弱，水資源監(jiān)測現(xiàn)狀相對落后，應(yīng)加強(qiáng)該地區(qū)的水資源監(jiān)測管理系統(tǒng)控制；撫順市、錦州市、阜新市、遼陽市、盤錦市以及葫蘆島市水資源監(jiān)測能力水平屬于中等[12]。遼寧省水資源監(jiān)測能力屬于2、3級的城市較多，整體水資源監(jiān)測能力趨于中等水平。

3 結(jié)語

本文應(yīng)用模糊集對評價(jià)模型并進(jìn)行評價(jià)指標(biāo)的聯(lián)系度系數(shù)計(jì)算，直觀準(zhǔn)確地反映了遼寧省14個(gè)城市的水資源監(jiān)測能力，理論清晰、計(jì)算簡單且可靠度和準(zhǔn)確性較高，具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。文中指標(biāo)的選取依據(jù)具有一定的局限性，所選取的層次分析法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，具有一定探索性和試驗(yàn)性，故在指標(biāo)賦權(quán)計(jì)算、指標(biāo)選取以及標(biāo)準(zhǔn)分級等方面還需要進(jìn)一步的研究和探討。

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