基于改進(jìn)指標(biāo)體系的水資源調(diào)控方案評(píng)價(jià)模型

孟 穎，唐德善，石藍(lán)星，王曉淋

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

基于改進(jìn)指標(biāo)體系的水資源調(diào)控方案評(píng)價(jià)模型

孟 穎，唐德善，石藍(lán)星，王曉淋

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

為更科學(xué)合理地對(duì)甌江中上游流域水資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，依據(jù)流域的現(xiàn)狀和存在的問題選取相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)指標(biāo)和劣勢(shì)指標(biāo)，提出了體現(xiàn)依靠優(yōu)勢(shì)、克服劣勢(shì)目標(biāo)的指標(biāo)體系。將層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合,計(jì)算指標(biāo)組合權(quán)重。層次分析法確定主觀權(quán)重，熵權(quán)法確定客觀權(quán)重，既充分考慮了專家意見，又避免了單一賦權(quán)的片面性。并結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度法建立灰色綜合評(píng)判模型，計(jì)算得到甌江中上游流域水資源最優(yōu)調(diào)控方案，與傳統(tǒng)指標(biāo)體系和計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，證明提出的指標(biāo)體系構(gòu)建方法和綜合評(píng)價(jià)模型是合理可行的。由于改進(jìn)的指標(biāo)體系簡化了傳統(tǒng)指標(biāo)體系，突出評(píng)價(jià)的針對(duì)性，使得基于該指標(biāo)體系的灰色綜合評(píng)判模型可用于甌江中上游流域水資源調(diào)控方案的評(píng)價(jià)和優(yōu)選，也為其他流域水資源調(diào)控方案優(yōu)選提供了新的思路。

甌江中上游流域；水資源調(diào)控；改進(jìn)指標(biāo)體系；灰色綜合評(píng)判模型；方案優(yōu)選

1 研究背景

甌江發(fā)源于麗水市慶元縣，甌江中上游流經(jīng)麗水地區(qū)，下游流經(jīng)溫州地區(qū)，是浙江省內(nèi)第2大河流。甌江中上游流域雖屬于水資源豐沛區(qū)，但洪澇災(zāi)害、水資源供需不平衡、水環(huán)境污染等問題仍然存在，水資源區(qū)域調(diào)控需要進(jìn)一步優(yōu)化。

水資源區(qū)域調(diào)控采用工程與非工程措施，調(diào)節(jié)供、需2個(gè)方面，對(duì)流域內(nèi)的水資源進(jìn)行科學(xué)配置，其目的是保證流域內(nèi)水資源的可持續(xù)利用，通過對(duì)備選調(diào)控措施的合理組合可以得到多種不同的水資源配置方案[1]。為了預(yù)測(cè)不同的水資源配置方案所實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益等總體效益，需要建立評(píng)價(jià)體系對(duì)配置方案進(jìn)行綜合評(píng)判[1]。

1996年左東啟等[2]構(gòu)建了水資源評(píng)價(jià)研究早期較為完善的指標(biāo)體系。2002年崔振才等[3]在可持續(xù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)上建立了區(qū)域水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。2004年耿雷華等[4]提出了水資源配置的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：社會(huì)合理性、經(jīng)濟(jì)合理性、生態(tài)環(huán)境合理性、效率合理性和開發(fā)合理性準(zhǔn)則。

發(fā)展至今，水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系已日趨完善，具有多元化、綜合化、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)[5-6]，但指標(biāo)體系往往過于龐大，指標(biāo)數(shù)量過多，缺乏具體問題具體分析的針對(duì)性，評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選及其權(quán)值有待深入研究。

水資源配置方案效果評(píng)價(jià)方法主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。這些方法都存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)：模糊綜合評(píng)價(jià)法適用于解決不確定性問題，但其隸屬函數(shù)確定較為復(fù)雜且?guī)в幸欢ǖ闹饔^性；灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)簡單模型較為適用，客觀性強(qiáng)，但其對(duì)于復(fù)雜模型則表現(xiàn)欠佳；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在對(duì)構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，需要較多的水資源評(píng)價(jià)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，在傳統(tǒng)指標(biāo)體系下可操作性偏低。

本文針對(duì)上述問題，在前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合甌江中上游流域的實(shí)際，提出了一種新的指標(biāo)體系的建立方法：依據(jù)流域的現(xiàn)狀和存在的問題選取相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)指標(biāo)和劣勢(shì)指標(biāo)，建立一套科學(xué)合理、針對(duì)性強(qiáng)的指標(biāo)體系。通過層次分析法(AHP)計(jì)算準(zhǔn)則層中不同優(yōu)勢(shì)指標(biāo)、劣勢(shì)指標(biāo)的權(quán)重，體現(xiàn)不同優(yōu)、劣勢(shì)對(duì)流域的重要程度，采用熵權(quán)法計(jì)算同準(zhǔn)則中各指標(biāo)權(quán)重，體現(xiàn)不同指標(biāo)的影響程度。將AHP和熵權(quán)法相結(jié)合，得到適用于該指標(biāo)體系的組合權(quán)重，并通過灰色關(guān)聯(lián)度法建立灰色綜合評(píng)判模型，對(duì)流域內(nèi)水資源綜合開發(fā)利用的調(diào)控方案進(jìn)行優(yōu)選，找出最有利于實(shí)現(xiàn)發(fā)揮流域優(yōu)勢(shì)、克服流域劣勢(shì)目標(biāo)的調(diào)控方案。由于改進(jìn)的指標(biāo)體系簡化了傳統(tǒng)指標(biāo)體系，突出評(píng)價(jià)的針對(duì)性，使得基于該指標(biāo)體系的灰色綜合評(píng)判模型可用于復(fù)雜的評(píng)判情況。

2 研究區(qū)概況及水資源調(diào)度方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 甌江中上游流域水資源現(xiàn)狀分析

2.1.1 甌江中上游水資源配置的優(yōu)勢(shì)

甌江中上游流域擁有豐富優(yōu)質(zhì)的水資源，多年平均年徑流總量達(dá)195.5億m3，多年平均降水總量約290億m3，多年平均年水資源總量184億m3，人均占有量約7 604 m3，高于全國平均水平2.5倍。麗水市總體水質(zhì)較優(yōu)，以Ⅰ—Ⅲ水質(zhì)為主。

2.1.2 甌江中上游水資源配置的劣勢(shì)

(1) 防洪能力難提高。流域洪水地區(qū)組成復(fù)雜，且流域防洪控制能力有限。甌江流域面積大，流域暴雨洪水成因不同。麗水城區(qū)上游的大溪、松陰溪、宣平溪及小安溪流域一般受臺(tái)風(fēng)暴雨影響少而受梅雨暴雨影響多，持續(xù)時(shí)間長，形成量大峰高洪水；麗水城區(qū)下游的好溪及小溪等支流受臺(tái)風(fēng)暴雨影響機(jī)會(huì)相對(duì)較多，峰高時(shí)間短。

(2) 供水安全風(fēng)險(xiǎn)高。隨著城市發(fā)展以及水資源時(shí)間分配不均，水資源供需矛盾尤其是工程性缺水日益凸顯，麗水市城區(qū)主要供水水源供水能力不足，且輸水管道受到工業(yè)污水的污染，城市供水安全不能得到有效保證。

(3) 生態(tài)改善難度大。甌江干流脫水現(xiàn)象普遍存在。甌江干流大規(guī)模水電開發(fā)造成自然生態(tài)河段減少。同時(shí)，由于電站調(diào)峰運(yùn)行，峰谷電價(jià)對(duì)發(fā)電效益的影響較大，河道生態(tài)流量難以保障，部分河段脫水現(xiàn)象成為常態(tài)，河湖水系連通格局受到較大影響。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

借鑒已有的研究成果，參照已有的指標(biāo)體系[7-8]，針對(duì)甌江中上游流域的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)，共選取13個(gè)相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，見表1。

3 調(diào)度方案灰色綜合評(píng)判模型

3.1 熵權(quán)-AHP確定權(quán)重系數(shù)

熵權(quán)法是從指標(biāo)的數(shù)值差異程度客觀地來反映指標(biāo)重要程度，計(jì)算出指標(biāo)權(quán)重，易受原始數(shù)據(jù)影響，而且如果改變?cè)u(píng)價(jià)對(duì)象，所得的指標(biāo)權(quán)重可能會(huì)改變，從而影響評(píng)價(jià)值；層次分析法是主觀賦權(quán)法的常用方法，由多位專家依據(jù)指標(biāo)的重要性大小打分，取其平均值，計(jì)算得到指標(biāo)權(quán)重，依靠專家的專業(yè)知識(shí)和個(gè)人偏好得到評(píng)價(jià)結(jié)果， 一定程度上容易受到主觀偏好的影響。因此，本文根據(jù)所建立的評(píng)價(jià)體系的特性，結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法，計(jì)算組合權(quán)重，層次分析法確定主觀權(quán)重，熵權(quán)法確定客觀權(quán)重，既充分考慮了專家意見，又避免了單一賦權(quán)的片面性，其步驟如下。

步驟1： 根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。

表1 調(diào)控方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Assessment index system for the control alternatives

注：P5社會(huì)不良影響為定性指標(biāo)，其余指標(biāo)均為定量指標(biāo)。

步驟2：層次分析法計(jì)算準(zhǔn)則層主觀權(quán)重。引入“1—9”標(biāo)度方法將準(zhǔn)則層n個(gè)因素的重要性比較定量化，構(gòu)造n×n階準(zhǔn)則層判斷矩陣B，計(jì)算準(zhǔn)則層判斷矩陣B的最大特征根λmax和特征向量，歸一化處理和一致性檢驗(yàn)后，得到該層有關(guān)因素相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重值WC[9]。

步驟3：熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)層客觀權(quán)重。

(1) 構(gòu)建判斷矩陣R，即

(1)

式中：i為評(píng)價(jià)指標(biāo)；j為評(píng)價(jià)方案；rij為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)第j個(gè)方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)值。

(2) 對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理，即

(2)

式中：rmax，rmin分別為同一指標(biāo)下不同方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)值rij中的最大值和最小值；bij為經(jīng)歸一化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)值。

(3) 確定各個(gè)指標(biāo)的熵值Hi，即

(3)

其中

(4)

(4) 得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(熵權(quán))，即：

(5)

(6)

式中：ωi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)；WP為指標(biāo)層相對(duì)權(quán)重矩陣。

步驟4：計(jì)算指標(biāo)層各指標(biāo)組合權(quán)重，即

(7)

3.2 灰色關(guān)聯(lián)度法確定方案排序

首先進(jìn)行指標(biāo)值的規(guī)范化處理，采用均值法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即將各個(gè)指標(biāo)除以該指標(biāo)序列的平均值[10]。

其次構(gòu)建規(guī)范化處理后的最優(yōu)指標(biāo)集和各評(píng)判對(duì)象的指標(biāo)矩陣E，即

(8)

然后進(jìn)行評(píng)判矩陣的確定，根據(jù)灰色系統(tǒng)理論[11]可求得第j個(gè)評(píng)判方案的第i個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，即

(9)

(10)

最后進(jìn)行灰色綜合評(píng)判(總目標(biāo)層的綜合評(píng)判)。U=WA×T(u1，u2，…，un)，uj愈大，說明第j個(gè)設(shè)計(jì)組合方案愈接近最優(yōu)方案。因此，當(dāng)uj=max(u1，u2，…，un) 時(shí)，第j個(gè)設(shè)計(jì)組合方案為所有組合方案中的最優(yōu)方案。

4 實(shí)例研究

4.1 調(diào)控方案說明

本文選取了甌江中上游流域水資源2030水平年的15個(gè)調(diào)控方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)，調(diào)控方案見表2。

表2 調(diào)控方案集Table 2 Control alternatives

注：“★”代表采取某項(xiàng)調(diào)控措施，例如上蓄方案2為采取“興修水庫+工農(nóng)業(yè)節(jié)水”2項(xiàng)調(diào)控措施。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)和權(quán)重計(jì)算

根據(jù)各調(diào)控方案的水資源配置結(jié)果和流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料，計(jì)算各調(diào)控方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)見表3，根據(jù)專家打分和信息熵計(jì)算各指標(biāo)的組合權(quán)重，結(jié)果見表 4。

4.3 調(diào)控方案評(píng)價(jià)結(jié)果

各調(diào)控方案評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

由表5可知:①從各方案與最優(yōu)方案的關(guān)聯(lián)度看，方案10“北洪南調(diào)隧洞+南水北引+工農(nóng)業(yè)節(jié)水+產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整+生態(tài)調(diào)度”的調(diào)控方案為最優(yōu)方案；②從方案總體來看，中分的5個(gè)方案要優(yōu)于上蓄方案和下疏方案，這是因?yàn)殡m然從投資角度來看，中分方案前期投入較大，但充分實(shí)現(xiàn)了洪水的資源化，所以從長遠(yuǎn)來看，在水平年2030年，中分方案為最優(yōu)方案;③在中分的5個(gè)方案中，雖然方案10前期投入最多，工程量最大，但由于其具有更好的可持續(xù)發(fā)展性，故為最優(yōu)方案。

4.4 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

為了檢驗(yàn)本文所建立的評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)模型的適用性，用基于傳統(tǒng)指標(biāo)體系的文獻(xiàn)[12-13]的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行計(jì)算，并與本文的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。不同評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果及排序見表6。

表3 調(diào)控方案評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Index values of the alternatives

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重Table 4 Combination weights of indexes

表5 調(diào)控方案歸一化評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Normalized assessment results of the alternatives

從表6可知，基于傳統(tǒng)指標(biāo)體系下的模糊決策模型與 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得出的最優(yōu)方案均為方案10，其評(píng)價(jià)結(jié)果及排序與本文模型基本一致，僅在個(gè)別方案的排序上有所出入，表明本文所建立的基于改進(jìn)指標(biāo)體系的灰色綜合評(píng)判模型具有很好的適用性。

表6 不同評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果及排序Table 6 Evaluation results and sorting of different methods

5 結(jié) 語

(1) 依據(jù)水資源豐沛區(qū)——甌江中上游流域的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)，將傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選分類，從水資源利用、防洪能力、供水安全、生態(tài)改善4個(gè)方面選取13個(gè)指標(biāo)建立了水資源調(diào)控方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，一方面使建立的評(píng)價(jià)體系更具有針對(duì)性和適用性，另一方面也更利于指標(biāo)權(quán)重的賦權(quán)分析。

(2) 結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度法建立灰色綜合評(píng)判模型。為克服該模型中確定指標(biāo)和目標(biāo)權(quán)重的困難，避免單一賦權(quán)的片面性，采用熵權(quán)-層次分析法計(jì)算指標(biāo)組合權(quán)重，層次分析法計(jì)算準(zhǔn)則層主觀權(quán)重，熵權(quán)法確定指標(biāo)層客觀權(quán)重。

(3) 利用上述的水資源調(diào)控方案評(píng)價(jià)模型對(duì)甌江中上游流域15個(gè)調(diào)控方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)，通過計(jì)算分析得出，甌江中上游流域水資源調(diào)控的最優(yōu)方案為“北洪南調(diào)隧洞+南水北引+工農(nóng)業(yè)節(jié)水+產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整+生態(tài)調(diào)度”，可充分利用該流域水資源，將洪水資源化，化劣勢(shì)為優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)流域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。通過與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，證明本文提出的指標(biāo)體系構(gòu)建方法和綜合評(píng)價(jià)模型是合理可行的，可用于流域水資源調(diào)控方案的評(píng)價(jià)和優(yōu)選。

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(編輯：陳 敏)

Evaluation Model of Water Resources Regulation andControl Schemes Based on Improved Index System

MENG Ying, TANG De-shan, SHI Lan-xing, WANG Xiao-lin

(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

In the aim of optimizing the water resources regulation and control in the middle and upper reaches of Oujiang river, an index system which contains advantageous indexes and defective indexes is proposed according to the current situation of the basin. The weights are calculated by combining entropy method which determines objective weights and Analytic Hierarchy Process which determines subjective weights, hence experts’ opinions are taken into consideration and one-sidedness of single-weighting is avoided. Furthermore, a grey evaluation model on regulation and control schemes is built in association with Grey Relation Degree, and the optimal regulation and control scheme is calculated. The present index system and model are verified reasonable and practicable through comparison with other methods. The improved index system simplifies the traditional index system and makes the evaluation more targeted. As a result, the evaluation model based on it could be applied to the middle and upper reaches of Oujiang River, and provides a new idea of optimizing regulation and control schemes for other basins.

middle and upper reaches of Oujiang river; water resources regulation and control; improved index system; grey comprehensive evaluation model; scheme optimization

2016-03-08;

2016-04-22

孟 穎(1991- )，女，浙江紹興人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗姽こ桃?guī)劃，(電話)15151822196(電子信箱)shangkezu@163.com。

唐德善(1955- )，男，江蘇泰州人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗姽こ?、水利水電建設(shè)與管理、管理科學(xué)與工程和技術(shù)經(jīng)濟(jì)及管理，(電話)13915969926(電子信箱)Tds808@163.com。

10.11988/ckyyb.20160191

2017,34(5):9-13

TV213.4

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1001-5485(2017)05-0009-05