基于AHP-模糊綜合評價方法的泉州市水資源可持續(xù)利用評價

李俊曉, 李朝奎, 羅淑華, 陳 果

(1.湖南科技大學(xué) 地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 湖南 湘潭 411201;

2.湖南科技大學(xué) 地理空間信息湖南省工程實驗室, 湖南 湘潭 411201)

基于AHP-模糊綜合評價方法的泉州市水資源可持續(xù)利用評價

李俊曉1,2, 李朝奎1,2, 羅淑華1,2, 陳 果1,2

(1.湖南科技大學(xué) 地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 湖南 湘潭 411201;

2.湖南科技大學(xué) 地理空間信息湖南省工程實驗室, 湖南 湘潭 411201)

摘要：[目的] 構(gòu)建適合泉州市水資源評價的指標(biāo)體系，并對泉州市水資源可持續(xù)利用進(jìn)行綜合評價。[方法] 結(jié)合平水年內(nèi)泉州市的自然、經(jīng)濟(jì)、社會以及水資源資料，采用層次分析法AHP(Analytic Hierarchy Process)—模糊綜合評價方法。[結(jié)果] 泉州市水資源可持續(xù)利用綜合評價結(jié)果處于中等水平，這說明泉州市水資源可持續(xù)利用狀況比較良好。 [結(jié)論] AHP—模糊綜合評價方法簡單實用，評價結(jié)果與實際情況相符合，對泉州市以及類似地區(qū)水資源的管理有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：AHP; 多級模糊綜合評價; 水資源可持續(xù)利用; 泉州市

水是人類和地球上一切生物生存環(huán)境的重要支撐，也是人類社會及其經(jīng)濟(jì)活動發(fā)展中的重要因素[1-3]。水資源可持續(xù)利用綜合評價是在區(qū)域水資源影響因素綜合分析和水資源供需分析的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的評價指標(biāo)體系，制定評價等級標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)域各評價指標(biāo)的實際值與相應(yīng)的各級標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，來判斷和識別所研究區(qū)域水資源可持續(xù)利用系統(tǒng)達(dá)到的發(fā)展程度和發(fā)展水平的等級[4]。評價結(jié)果可揭示區(qū)域水資源可持續(xù)利用與經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系，能夠提高區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的可測性和可操作性。因而水資源可持續(xù)利用評價是當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展研究中的核心問題之一。

對于區(qū)域水資源可持續(xù)利用綜合評價常用的方法有基于AHP和模糊數(shù)學(xué)理論的綜合評價方法[5]、基于AHP和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論(BP)的綜合評價方法[6]、基于AHP和投影尋蹤理論(PP)的綜合評價方法[7]、基于AHP和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)的綜合評價方法[8]等等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是一門高度交叉的學(xué)科，權(quán)重的編碼和遺傳算子的計算比較麻煩；投影尋蹤方法能夠在一定程度上解決對多指標(biāo)樣本分類等非線性問題，但是因為其采用較少的樣本，建立模型對小樣本問題容易產(chǎn)生誤差。而模糊綜合評判法是模糊數(shù)學(xué)所提供的解決模糊現(xiàn)象評估問題的一種數(shù)學(xué)模型[9]。由于影響區(qū)域水資源可持續(xù)利用的因素是多方面的，且評價指標(biāo)等級劃分本身具有中間過渡不分明性或者說相鄰等級之間的界限具有模糊性，再加上評價指標(biāo)體系本身是多級的，所以本文利用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)綜合評價相結(jié)合的方法，以泉州市為區(qū)域研究對象，建立適合泉州市水資源可持續(xù)利用評價的指標(biāo)體系，并進(jìn)行定量評價，以期反映泉州市水資源可持續(xù)利用的水平及其與當(dāng)?shù)厣鐣?、?jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r。

1AHP-模數(shù)綜合評價模型

1.1　層次分析法

美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty等人于20世紀(jì)70年代提出了層次分析法(AHP)，并得到廣泛應(yīng)用。AHP是一種把定性與定量分析相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法。它首先把復(fù)雜的系統(tǒng)分解成若干組成因素，并按它們之間的從屬關(guān)系分組，建立有序的遞階層次結(jié)構(gòu)；然后利用1—9標(biāo)度法對同一層次的各元素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣；最后進(jìn)行一致性判斷，因為只有通過一致性檢驗，才能進(jìn)行后續(xù)計算；在上述步驟的基礎(chǔ)上，進(jìn)行層次總排序，得到各準(zhǔn)則及各個指標(biāo)的權(quán)重。

1.2　模糊綜合評價模型

模糊綜合評價分為一級和多級評價，由于水資源可持續(xù)利用本身是一個涉及社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的復(fù)雜系統(tǒng)，評價指標(biāo)較多，所以采用多級模糊綜合評價方法。以二級模糊綜合評價方法為例，其基本原理和步驟如下：

(1) 確定被評價對象的因素集和評價集。設(shè)U={u1，u2，…，uk}為n種因素，V={v1,v2,…,vm}為m種評價，由于人們對m種評價并不是絕對的肯定或否定，因此綜合評價結(jié)果應(yīng)該是V上的一個模糊子集，即

B=(b1,b2,…，bm)∈V

其中，bj(j=1,2，…，m)反映了第j種評價Vj在綜合評價中所占的地位。

(2) 確定各個因素的權(quán)重值，獲得權(quán)向量。確定ui中ni個因素的權(quán)重Ai，Ai=(a1i，a2i，…，ani),其中∑ani=1。

(3) 確定各個因素的隸屬度向量，獲得模糊評價矩陣，把權(quán)向量和模糊評價矩陣進(jìn)行模糊運(yùn)算，并進(jìn)行歸一化，得到模糊綜合評價結(jié)果。

先對ui中的因素進(jìn)行單因素評價，根據(jù)從U到V的一個模糊映射，可以得到ui中各個因素的單因素評價矩陣Ri，其中，Ri中第i行反應(yīng)的是被評價對象的第i個因素對于評價集中各等級的隸屬度；第j列反映的是被評價對象的各因素分別取評價集中第j個等級的程度。

例如，對u1作模糊變換B1=A1○R1，其中“○”表示廣義的合成結(jié)果，B1=(b1,b2,…，bm)就是對事物u1的綜合評價結(jié)果。

同理，可以得到B2，B3…，Bk，若u1，u2，…，uk的權(quán)向量為A=(a1,a2,…，ak),則對U代表的事物的綜合評價結(jié)果為B=A(B1,B2…，BK)T。

2泉州市水資源可持續(xù)利用評價

2.1　研究區(qū)概況

泉州市地處福建省東南沿海，臺灣海峽西岸，是福建三大中心城市之一?，F(xiàn)轄鯉城、豐澤、洛江、泉港4個區(qū)，晉江、石獅、南安3個縣級市，惠安、安溪、永春、德化、金門5個縣和省級開發(fā)區(qū)泉州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)?！度菔谐鞘锌傮w規(guī)劃(2008—2030)》的總體發(fā)展目標(biāo)是將泉州建設(shè)成全國重要的先進(jìn)制造業(yè)基地和海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)的中心城市，構(gòu)建成具有國際影響力的產(chǎn)業(yè)集群，打造全國重要的先進(jìn)制造業(yè)基地；建設(shè)海峽兩岸交流合作的前沿平臺，培育海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)重要的創(chuàng)業(yè)中心、文化中心、旅游名城和宜居城市。

根據(jù)《福建省水資源公報》，泉州市多年平均水資源總量約9.50×109m3，平均年降雨量1 682 mm，人均占有水資源量1 188 m3(2006—2012年平均值)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國和全省平均水平。按照國際通用標(biāo)準(zhǔn)，泉州市屬于國際上通稱的“水資源緊張地區(qū)(人年均水資源量介于1 000～1 667 m3)”。隨著泉州市社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的顯著提高，水資源的供需矛盾日益突出，水資源不足已經(jīng)成為泉州市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一個重要限制性因素，因此，研究水資源的可持續(xù)發(fā)展刻不容緩，水資源可持續(xù)發(fā)展，才能促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展，才能保證社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2　評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)指標(biāo)選取時要考慮系統(tǒng)性與層次性，全面性與概括性等相結(jié)合的原則，結(jié)合泉州市水資源和社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀，利用層次分析法，咨詢相關(guān)專家，從水資源自身條件、水資源與社會協(xié)調(diào)情況、水資源與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)情況、水資源與環(huán)境協(xié)調(diào)情況4個方面，構(gòu)建了泉州市水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)體系(見表1)。

表1　泉州市水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)體系

2.3　指標(biāo)權(quán)重確定

根據(jù)AHP方法中的1—9標(biāo)度法構(gòu)建評判矩陣，利用Matlab計算指標(biāo)的權(quán)重值，并對矩陣進(jìn)行一致性檢驗(表2)。

表2　A-B的評判矩陣

注：λmax=4.020 6 CI=0.006 9 RI=0.9 CR=0.008<0.1具有滿意的一致性。

用同樣方法，可以求出領(lǐng)域?qū)雍椭笜?biāo)層各個因素的權(quán)重值，并對指標(biāo)進(jìn)行層次總排序(見表3)。

2.4　指標(biāo)參考值的確定

根據(jù)泉州市的實際情況，參考大量文獻(xiàn)[5,9,10]和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及我國部分城市的現(xiàn)狀，根據(jù)指標(biāo)的可持續(xù)發(fā)展能力，劃分為“很弱V1”“較弱V2”“中等V3”“較強(qiáng)V4”“很強(qiáng)V5”5個等級(表4)。

2.5　評價指標(biāo)的隸屬度確定

在確立隸屬度函數(shù)時必須考慮各單項指標(biāo)的變化規(guī)律[11]，建立各評價指標(biāo)對應(yīng)各等級的函數(shù)。針對各等級之間數(shù)值相差不大、而評價等級相差一級的跳躍現(xiàn)象，需要對其進(jìn)行模糊化處理：對于中間的級別，令其落在區(qū)間中點(diǎn)的隸屬度為1.0，而落在區(qū)間兩側(cè)邊緣點(diǎn)的隸屬度為0.5，中間點(diǎn)向兩側(cè)按線性規(guī)律遞減；對于最左和最右的兩側(cè)區(qū)間，則令距離臨界值越遠(yuǎn)屬于兩側(cè)等級的隸屬度越大，在臨界上則屬于兩側(cè)等級的隸屬度均為0.5。例如，對于表4中類型為“+”的指標(biāo)，構(gòu)造的各級隸屬函數(shù)如下：

(1)

(2)

表3　泉州市水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)的權(quán)重

表4　泉州市水資源可持續(xù)利用水平評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

注：“+、-”符號表示該評價指標(biāo)對水資源可持續(xù)利用評價的正負(fù)效應(yīng)；“+”表示正效應(yīng)；“-”表示負(fù)效應(yīng)。

(3)

(4)

(5)

同理，對于表4中類型為“-”的指標(biāo)，也構(gòu)造了各級隸屬函數(shù)。根據(jù)構(gòu)造的隸屬函數(shù)，計算各個指標(biāo)對應(yīng)于各級的隸屬度(表5)。

表5　泉州市水資源可持續(xù)利用水平評價指標(biāo)隸屬度

注：計算隸屬度時，文中各個評價指標(biāo)原始數(shù)據(jù)來源于《福建省水資源公報》、《福建統(tǒng)計年鑒》、《泉州年鑒》、《泉州市環(huán)境質(zhì)量狀況公報》、《泉州水利志》以及“泉州統(tǒng)計信息網(wǎng)”。其中，指標(biāo)D9和D17來源于參考文獻(xiàn)[12]。

2.6　綜合評價結(jié)果

根據(jù)計算得到的權(quán)向量和各指標(biāo)的隸屬度，將兩者進(jìn)行合成運(yùn)算，得到泉州市水資源可持續(xù)利用綜合評價結(jié)果如表6所示。

從評價結(jié)果來看，泉州市水資源可持續(xù)利用綜合評價結(jié)果處于中等水平，這說明泉州市水資源可持續(xù)利用狀況比較良好。這是由于近年來，泉州市針對缺水嚴(yán)重的情況，積極采取了相應(yīng)的水管理措施，不斷提高對水的利用綜合效率，而且泉州市山區(qū)水資源較豐富，也使得泉州市整體的水資源利用狀況較好。

表6　泉州市水資源可持續(xù)利用水平綜合評價

3結(jié) 論

本文采用AHP—模糊綜合評價方法對泉州市水資源可持續(xù)利用情況進(jìn)行評價。構(gòu)建了指標(biāo)體系、確定了評價指標(biāo)權(quán)重、確定了指標(biāo)隸屬度函數(shù)。評價結(jié)果表明，泉州市水資源在水平年內(nèi)可持續(xù)利用狀況良好，評價等級處于中等(V3)。由于評價結(jié)果與實際情況相符合，進(jìn)一步證明了此方法對區(qū)域水資源可持續(xù)利用綜合評價具有適用性。評價結(jié)果對泉州市水資源可持續(xù)利用具有一定的指導(dǎo)意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1]徐良芳.區(qū)域水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)體系及其評價方法研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2002.

[2]蓋美,李偉紅.基于可變模糊識別模型的大連市水資源與社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展研究[J].資源科學(xué),2008,30(8):1141-1146.

[3]高媛媛,王紅瑞,許新宜,等.水資源安全評價模型構(gòu)建與應(yīng)用:以福建省泉州市為例[J].自然資源學(xué)報,2012,27(2):204-214.

[4]金菊良,洪天求,王文圣.基于熵和FAHP的水資源可持續(xù)利用模糊綜合評價模型[J].水力發(fā)電學(xué)報,2007,26(4):22-28.

[5]郜彗,金輝.基于AHP和模糊綜合評價的區(qū)域水資源可持續(xù)利用評價:以廣東省江門市為例[J].水資源與水工程學(xué)報,2007,18(3):50-55.

[6]張代鳳.基于AHP-BP模型的文山州水資源可持續(xù)利用評價分析[J].水資源與水工程學(xué)報,2013,24(4):203-209.

[7]孫才志,李紅新.基于AHP-PP模型的大連市水資源可持續(xù)利用水平評價[J].水資源與水工程學(xué)報,2007,18(5):1-5.

[8]李維乾,解建倉,李建勛等.基于AHP-BN的陜西經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展水資源保障研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2012,31(5):6-13.

[9]馬艷.基于AHP的西安市水資源可持續(xù)開發(fā)利用模糊綜合評價[D].西安:長安大學(xué),2008.

[10]宋松柏.區(qū)域水資源可持續(xù)利用指標(biāo)體系及評價方法研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2003.

[11]卜楠楠,唐德善,尹筍.基于AHP法的浙江省水資源承載力模糊綜合評價[J].水電能源科學(xué),2012,30(3):42-44.

[12]王紅旗,秦成,張文文.泉州市水資源風(fēng)險評價[J].中國農(nóng)村水利水電,2010(11):18-21.

Sustainable Utilization Evaluation of Water Resources in Quanzhou CityBased on AHP and Fuzzy Synthetic Judgment

LI Junxiao1,2, LI Chaokui1,2, LUO Shuhua1,2, CHEN Guo1,2

(1.National-localJointEngineeringLaboratoryofGeo-spatialInformationTechnology,Hu’nan

UniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hu’nan411201,China; 2.Hu’nanProvincialEngineering

LaboratoryofGeospatialInformation,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hu’nan411201,China)

Abstract：[Objective] To establish an evaluation index system for the water resources in order to analyze and evaluate the sustainable utilization of water resources in Quanzhou City.[Methods] Based on the data of environment, economy, society and water resources of Quanzhou City at the normal flow year, the AHP and fuzzy synthetic judgment method were used.[Results] The comprehensive evaluation result of sustainable utilization of water resources was in the medium level. And it showed that the sustainable utilization of water resources in Quanzhou City was in good condition. [Conclusion] The AHP—fuzzy synthetic evaluation method was simple and available, and its results accorded with actual situation. It provided certain reference function for the management of water resources in Quanzhou City.

Keywords:AHP; multilevel fuzzy synthetic judgment method; sustainable utilization of water resources; Quanzhou City

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)01-0210-05

中圖分類號：TV213

通信作者：李朝奎(1967—),男(漢族),湖南省漢壽縣人,博士，教授,博士生導(dǎo)師，主要從事三維地理建模及其應(yīng)用研究。E-mail:chkl_hn@163.com。

收稿日期：2014-02-10修回日期：2014-02-26

資助項目：湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目“車載激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割和特征點(diǎn)線面的處理研究”(S130034); 湖南省研究生創(chuàng)新基金資助項目(CX2013 B405); 國土資源部公益性行業(yè)科研專項課題(201211039-4)

第一作者：李俊曉(1987—),女(漢族),河北省邯鄲市人,碩士研究生，研究方向為GIS應(yīng)用及區(qū)域水資源評價方法。E-mail:ljxiaoGIS@163.com。