基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性動態(tài)評價

郭 放，崔 毅，陳夢璐

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

干旱是指某一地理區(qū)域在水循環(huán)過程中自然水源一直低于其長期平均值，導(dǎo)致該區(qū)域的河流、湖泊、土壤或地下含水層等出現(xiàn)水量不足的現(xiàn)象[1]。當干旱發(fā)展到一定程度時，就會演變成為干旱災(zāi)害，簡稱旱災(zāi)[2]。由于農(nóng)作物本身具有成災(zāi)高風(fēng)險的特性和應(yīng)對自然災(zāi)害的能力有限，它已成為受干旱影響最嚴重的承災(zāi)體類別[3]。農(nóng)業(yè)干旱是指由于植物生長發(fā)育過程中缺乏或得不到適量的水分供應(yīng)而導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降甚至絕收的現(xiàn)象。量化區(qū)域旱災(zāi)風(fēng)險是實現(xiàn)旱災(zāi)風(fēng)險管理、降低旱災(zāi)損失的關(guān)鍵。其中，如何準確定量評估旱災(zāi)脆弱性十分重要。旱災(zāi)脆弱性是旱災(zāi)風(fēng)險的重要組成部分，旱災(zāi)脆弱性評估是科學(xué)認識旱災(zāi)風(fēng)險、定量描述旱災(zāi)風(fēng)險的重要基礎(chǔ)，從脆弱性的角度探討旱災(zāi)風(fēng)險形成機制，為防災(zāi)減災(zāi)和政府決策奠定更科學(xué)合理的決策基礎(chǔ)[4]。

脆弱性的概念源于20世紀90年代國內(nèi)外學(xué)者們通過對自然災(zāi)害展開大量的研究得到的研究成果。隨著脆弱性在許多不同的研究領(lǐng)域得到了應(yīng)用，脆弱性概念的理解和應(yīng)用也逐漸豐富起來。Das等[5]用近年來衛(wèi)星數(shù)據(jù)序列評估印度氣象和農(nóng)業(yè)干旱狀況的趨勢和脆弱性，Kamali等[6]將干旱暴露指數(shù)與作物敏感性指數(shù)結(jié)合起來，提出一個實際的作物干旱脆弱性指數(shù)。目前農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價方法主要有集對分析法[7]、模糊綜合評價法[8]、灰色關(guān)聯(lián)度法[9]、云相似度法[1]等。這些方法在實際應(yīng)用中各有優(yōu)勢和局限性，其中，在應(yīng)用集對分析理論進行農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的綜合評價時，差異度系數(shù)I的取值會對評價結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，如李陶等[10]采用灰色關(guān)聯(lián)方法計算I時，I的取值可能會導(dǎo)致評價結(jié)果與真實情況相反；張文[11]和金菊良等[9]運用灰色關(guān)聯(lián)度與聯(lián)系數(shù)耦合的方法計算差異度系數(shù)I時，差異度系數(shù)I取值較為粗糙。為此，本文采用三角模糊數(shù)與集對分析聯(lián)系數(shù)耦合的方法建立區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價模型，采用取不同等級標準閾值對應(yīng)不同差異度系數(shù)的動態(tài)計算方法，確定基于三角模糊數(shù)的每個評價子系統(tǒng)里單個指標的差異度系數(shù)，解決傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)方法進行綜合評價時差異度系數(shù)I取值的粗糙性問題，實現(xiàn)差異度系數(shù)I隨實際情況動態(tài)變化。應(yīng)用該模型進行蚌埠市實證研究，為區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價提供新的有效途徑，為農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價模型的建立

1.1 評價指標體系、權(quán)重及評價等級標準

根據(jù)區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的形成機理、組成因素并統(tǒng)籌考慮評價指標選取的科學(xué)性、全面性、層次性和可操作性等原則[12-13]，將區(qū)域旱災(zāi)脆弱性評價系統(tǒng)分為承災(zāi)體的暴露子系統(tǒng)(E)、災(zāi)損敏感性子系統(tǒng)(V)、防災(zāi)減災(zāi)能力子系統(tǒng)(A)3個子系統(tǒng)及其評價指標構(gòu)成的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價指標體系[9]，各指標樣本數(shù)據(jù)集記為{xijk|i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;k=1,2,…,Nj}，n為評價樣本數(shù)目，m為子系統(tǒng)數(shù)目，Nj為評價指標數(shù)目。運用基于加速遺傳算法的模糊層次分析法(AGA-AHP)[14]求各子系統(tǒng)及其各項評價指標的權(quán)重[11]。參考現(xiàn)有評價指標體系[9,15]和咨詢專家意見，建立區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價等級標準{sgjk|g=1,2,3,4,5;j=1,2,3;k=1,2,…,Nj}。令集合Ak代表樣本i子系統(tǒng)j指標k的指標值xijk，令集合Bk代表該指標等級下的標準值sgjk，從而集合Ak與Bk組成一個集對H(Ak,Bk)[16]。

1.2 計算區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價樣本的聯(lián)系數(shù)

為了避免聯(lián)系數(shù)計算時等級1和5對應(yīng)閾值s0jk及s5jk取值的主觀性，可用“同異反層次法”聯(lián)系度表達式分析確定區(qū)域旱災(zāi)脆弱性程度的聯(lián)系數(shù)表達式[16]。脆弱性等級與同異反關(guān)系對照見圖1。

圖1 脆弱性、標準閾值及同異反關(guān)系對照

1.3 構(gòu)建基于三角模糊數(shù)的動態(tài)差異度系數(shù)區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性綜合評價方法

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中wjk——區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價樣本第j個子系統(tǒng)第k個指標的權(quán)重；wj——區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價樣本第j個子系統(tǒng)。

(7)

2 在蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價中的應(yīng)用分析

蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價樣本數(shù)據(jù)集來源于《安徽統(tǒng)計年鑒(2002—2011)》[21]。結(jié)合文獻[1]、[9]中的評價指標體系、評價等級劃分標準及相應(yīng)指標權(quán)重，將蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價樣本指標值代入式(1)可得單指標聯(lián)系數(shù)μijk，同時代入式(2)、(3)得到各評價年份不同指標的差異度系數(shù)I1、I2，考慮到篇幅，這里僅列出2001—2010年蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價指標農(nóng)業(yè)人口密度(E1)、農(nóng)業(yè)GDP所占比例(E6)、人均耕地面積(V1)、有效灌溉面積率(A3)、保灌面積率(A4)、單位耕地面積灌溉動力(A8)所對應(yīng)的差異度系數(shù)I1、I2，結(jié)果見表1。

表1 不同指標的動態(tài)差異度系數(shù)I1和I2計算結(jié)果

表2 2001—2010年蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價子系統(tǒng)聯(lián)系數(shù)及樣本綜合聯(lián)系數(shù)

表3 2001—2010年蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性不同評價方法的計算結(jié)果比較

圖2 2001—2010年蚌埠市區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性不同評價方法結(jié)果比較

由表3、圖2可看出：①從評價等級值的趨勢來看，本文方法的評價結(jié)果總體由4級向3級的趨勢發(fā)展，隨時間的推移蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性等級值總體呈下降趨勢，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)抵御干旱的能力在逐漸增強，這與灰色關(guān)聯(lián)度與聯(lián)系數(shù)耦合法[9]、模糊綜合評價法[8]和云相似度法[1]的評價結(jié)果在趨勢上是一致的，說明本文構(gòu)建的基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價模型具有合理性、可行性，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)抵御干旱的能力逐漸增強可能與當?shù)仡A(yù)警、調(diào)控措施密切相關(guān)；②從評價等級值來看，本文評價方法計算得到的2001—2003年蚌埠市區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性等級值分別為3.525、3.493和3.410，即在等級3.5左右輕微浮動，2004—2010年在等級3左右微小變化，這相較于灰色關(guān)聯(lián)度與聯(lián)系數(shù)耦合法[9]、模糊綜合評價法[8]和云相似度法[1]的評價等級值更加穩(wěn)定，浮動較小，這是因為基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的評價模型本文充分考慮了差異度系數(shù)I1、I2的動態(tài)變化特征，克服了傳統(tǒng)方法對I1、I2經(jīng)驗取值時的粗糙性，使得差異度系數(shù)I1、I2的取值更加符合實際涵義和物理過程，從而提高評價結(jié)果的精度。而灰色關(guān)聯(lián)與聯(lián)系數(shù)耦合法[9]雖然將聯(lián)系數(shù)理論引入評價模型中，但在計算聯(lián)系數(shù)值時沒有考慮差異度系數(shù)I1、I2隨指標值變化而變化的特征，是靜態(tài)的，由此可能造成對評價樣本數(shù)據(jù)的解析不夠深刻、全面，評價結(jié)果的趨勢可能一致，在精確度上卻會弱于由三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合法計算得到的評價結(jié)果。模糊綜合評價法[8]和云相似度法[1]亦是未考慮差異度系數(shù)的動態(tài)變化。此外，集對分析作為一種數(shù)據(jù)挖掘的有效工具，具有從宏觀和微觀不同層次刻畫和反映所研究對象的確定不確定性趨勢，將三角模糊數(shù)與聯(lián)系數(shù)耦合可以深入解析評價樣本與評價等級值之間的隱含信息，為區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價提供技術(shù)支撐，同時可為農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險防控和區(qū)域防旱抗旱給予科學(xué)指導(dǎo)。云相似度法的評價結(jié)果相較于其他方法偏差較大，這與計算過程中精確度損耗比較大可能有關(guān)系，而以集對分析聯(lián)系數(shù)為基本理論的方法計算結(jié)果較穩(wěn)定。

上述研究實例結(jié)果說明構(gòu)建的基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域旱災(zāi)脆弱性評價模型的合理性、可解釋性及準確性，這表明通過三角模糊數(shù)計算差異度系數(shù)I1、I2，再進行綜合評價的方法在區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價上有很好的應(yīng)用前景。通過集對分析構(gòu)造評價等級與評價樣本值間的集對并計算單指標聯(lián)系數(shù)，然后經(jīng)三角模糊數(shù)計算得到隨評價樣本值動態(tài)變化的差異度系數(shù)I1、I2，克服了差異度系數(shù)由傳統(tǒng)經(jīng)驗取值時的粗糙性，最后經(jīng)加權(quán)后得到各評價子系統(tǒng)聯(lián)系數(shù)值及評價樣本綜合聯(lián)系數(shù)值，并由構(gòu)建的評價等級值與評價樣本綜合聯(lián)系數(shù)值間的函數(shù)關(guān)系得到蚌埠市區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價等級值。可見，本文構(gòu)建的基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的評價模型兼具物理含義解釋性強、數(shù)據(jù)挖掘深及動態(tài)變化等優(yōu)點。

3 結(jié)論

以蚌埠市2001—2010年農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性為評價樣本，依據(jù)集對分析聯(lián)系數(shù)原理構(gòu)建了基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價模型，通過對實際應(yīng)用結(jié)果的分析可得如下結(jié)論。

a)為了更加準確地刻畫和描述評價樣本值與評價等級值間的模糊隸屬關(guān)系，通過構(gòu)造評價等級與評價樣本值間的集對并計算單指標聯(lián)系數(shù)，然后經(jīng)三角模糊數(shù)計算得到隨評價樣本值動態(tài)變化的差異度系數(shù)I1、I2，最后計算得到評價樣本綜合聯(lián)系數(shù)值，并由構(gòu)建的評價等級值與評價樣本綜合聯(lián)系數(shù)值間的函數(shù)關(guān)系得到蚌埠市區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價等級值。這種評價方法兼具物理含義完整、計算簡單方便、數(shù)據(jù)解析深刻及動態(tài)變化特征，更為合理、有效。

b)基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價模型，實現(xiàn)了聯(lián)系數(shù)計算過程中差異度系數(shù)I1、I2的動態(tài)取值，即隨著評價樣本指標值的變化而變化，不同評價年份不同評價指標值對應(yīng)的差異度系數(shù)I1、I2可能是不同的。這種差異度系數(shù)的取值方法克服了經(jīng)驗取值法的粗糙性，為評價結(jié)果的準確性提供有力支撐。

c)基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價模型計算得到蚌埠市2001—2010年農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性在減弱，評價等級由2001年的3.525級逐年變化到2010年的2.921級，其中2001—2003年脆弱性等級值在等級3.5左右波動，2004—2010年脆弱性等級值在等級3左右波動，這與文獻[8-9]結(jié)果基本一致，這說明蚌埠市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的抗旱能力在逐年增強。同時，本文的評價方法計算結(jié)果較文獻[8-9]更穩(wěn)定，浮動更小。

d)基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價模型為區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性定量評估提供了一種新的思路，并且在物理內(nèi)涵、數(shù)據(jù)挖掘和動態(tài)變化方面具有良好的潛力，應(yīng)用實例計算結(jié)果合理，因此具有推廣應(yīng)用價值。