基于信息熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)度法的水資源綜合效益評價

烏仁娜

(新疆博爾塔拉水文勘測局，新疆 博爾塔拉 834000)

水資源是一切生物賴以生存的必須物質(zhì)，人類社會的工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展均離不開水資源的支撐[1]。然而人口的急劇增長、工農(nóng)業(yè)發(fā)展速度過快，導(dǎo)致水資源缺乏及污染問題日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了居民正常生活，制約了經(jīng)濟發(fā)展[2- 3]。針對現(xiàn)如今嚴(yán)峻的水資源形勢，我國主要頒布了節(jié)水優(yōu)先、治污為本、多渠道開源的措施[4- 5]，以最大限度解決水資源缺乏問題。水資源優(yōu)化配置是解決目前水資源短缺問題最主要的措施之一，現(xiàn)如今遺傳算法[6]、人工蟻群算法[7]已逐漸應(yīng)用于水資源優(yōu)化配置中，大大增加了水資源優(yōu)化配置的準(zhǔn)確性。對灌區(qū)水資源效益進(jìn)行綜合評價，可為水資源優(yōu)化配置提供參考，使優(yōu)化配置方案發(fā)揮最大效益，現(xiàn)實意義巨大，因此找出合適的方法評價水資源綜合效益，已成為了國內(nèi)水資源保護(hù)方面研究的重點。

目前針對水資源綜合效益的評價方法，國內(nèi)已有了部分研究。趙西寧等[8]在黃土高原評價了雨水資源化綜合效益，以層次分析法為研究方法，建立了生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益共32項指標(biāo)的綜合評價指標(biāo)體系；趙洪杰和唐善德[9]、周維博和李佩成[10]分別在黑河中游灌區(qū)和干旱半干旱地區(qū)灌區(qū)，利用層次分析法，建立了水資源效益綜合評價指標(biāo)體系，并對灌區(qū)水資源綜合效益進(jìn)行了評價。現(xiàn)如今的水資源綜合效益方法多采用層次分析法，該方法構(gòu)建出的數(shù)學(xué)模型，將復(fù)雜的問題簡單化，結(jié)果主觀性太強，無法完全反映水資源效益的客觀事實。

1 研究方法簡介

1.1 信息熵權(quán)法

本文基于改進(jìn)信息熵權(quán)法對灌區(qū)水資源綜合效益進(jìn)行評價，同時發(fā)出100份問卷調(diào)查，調(diào)查不同專家學(xué)者對各指標(biāo)權(quán)重的評定，將信息熵權(quán)重(客觀權(quán)重)與專家權(quán)重(主觀權(quán)重)進(jìn)行綜合，得出綜合權(quán)重，該權(quán)重既可以反映客觀事實，也可反映主觀專家意見，具有一定的代表性，客觀權(quán)重與綜合權(quán)重計算過程如下：

假設(shè)有m個對象，n個被評價指標(biāo)，熵定義為：

(1)

(2)

式中，Hj—計算的信息熵；m—評價對象個數(shù)；n—待評價指標(biāo)個數(shù)；bij—計算的相對隸屬度；fij—相對隸屬度所占比例。

對各項指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，得出相對隸屬度：

(3)

計算第j項指標(biāo)的變異度：

Dj=1-Hj

(4)

式中，Dj—求的變異度；Hj—指標(biāo)的信息熵。

計算該指標(biāo)所對應(yīng)的熵權(quán)重(客觀權(quán)重)：

(5)

式中，ωbj—所求的客觀權(quán)重；Dj—某項指標(biāo)的變異度。

根據(jù)專家經(jīng)驗得出的主觀權(quán)重與計算得出的客觀權(quán)重，得出綜合權(quán)重：

(6)

式中，ωj—所求的綜合權(quán)重；ωaj—通過問卷調(diào)查所得的主觀權(quán)重；ωbj—所求的客觀權(quán)重。

1.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是近代新型綜合評價方法。由于其對樣本量的要求較低，計算簡單，通俗易懂，結(jié)果可較強反映樣本之間的客觀關(guān)系等優(yōu)點已逐漸被廣泛應(yīng)用。其具體步驟如下：

對于一個最優(yōu)數(shù)列x0有若干個比較數(shù)列x1，x2，…，xn，關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(xi)：

(7)

式中，ρ—分辨系數(shù)，一般在0～1之間，通常取0.5；Δmin—兩級最小差；Δmax—兩級最大差；Δoi(k) —各值與最優(yōu)值之差。

由計算得到的ξ(xi)，計算關(guān)聯(lián)度，并以關(guān)聯(lián)度的大小排序。

1.3 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

由于水資源的經(jīng)濟、社會和生態(tài)3個屬性，因此水資源綜合效益主要包括經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益3個層面。本文基于信息熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法，從經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益3個方面，分別選取灌溉水利用系數(shù)C11、復(fù)種系數(shù)C12、綜合灌溉定額C13、單位水糧食產(chǎn)量C14、人均GDP占有量C21、農(nóng)民年收入C22、灌區(qū)年節(jié)水量C23、農(nóng)民節(jié)水意識程度C24、森林覆蓋率C31、污水處理率C32、垃圾無害化處理量C33、沙塵暴降低指數(shù)C34共12項指標(biāo)，綜合判定區(qū)域水資源綜合效益。

圖1 水資源綜合效益評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2 工程實例分析

灌區(qū)位于新疆西北部博爾塔拉自治州，流域總面積12000km2，灌區(qū)面積超過160萬畝，屬于大(Ⅰ)型灌區(qū)，灌區(qū)所在區(qū)域年平均降水量215mm，年蒸發(fā)量1620mm，水資源總量達(dá)16億m3，水資源總量分配不均、灌區(qū)設(shè)備老化、水資源管理制定不完善一直是制約灌區(qū)發(fā)展的主要因素，因此確定合適的水資源利用方法，對灌區(qū)水資源優(yōu)化配置，提高水資源利用率意義重大。

分析2003、2008、2010、2015年四年的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(3)確定不同指標(biāo)的相對隸屬度矩陣，結(jié)果見表1。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，可根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的客觀性與1.1節(jié)中的公式計算各指標(biāo)的客觀權(quán)重，與專家調(diào)查的主觀權(quán)重相比，信息熵權(quán)法計算結(jié)果基本與主觀權(quán)重一致，由主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，可綜合得出第3層指標(biāo)的初始綜合權(quán)重，結(jié)果見表2。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，綜合得出第2層指標(biāo)的相對隸屬度矩陣，從而計算出第2層指標(biāo)的計算權(quán)重，其中經(jīng)濟效益指標(biāo)的權(quán)重為0.53，生態(tài)效益指標(biāo)的權(quán)重為0.25，社會效益的指標(biāo)權(quán)重為0.22。根據(jù)第2層指標(biāo)權(quán)重與第3層指標(biāo)的初始綜合權(quán)重，求得第3層指標(biāo)的最終權(quán)重，結(jié)果見表3。

根據(jù)式(7)計算第3層指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果見表4。根據(jù)表3種的最終綜合權(quán)重，對表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合加權(quán)，得出每一年不同指標(biāo)的綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果見表5。

根據(jù)表5中的結(jié)果可知，將不同年份的水資源綜合效益按最大到小排列依次為：2015年0.952、2010年0.583、2008年0.329、2003年0.202，表明灌區(qū)水資源效益情況呈逐年上升趨勢，尤其是2010年之后，上升顯著，符合水資源優(yōu)化配置的要求，同時與灌區(qū)實際情況相符，因此計算過程正確，該方法具有一定的科學(xué)性。

表1 第三層指標(biāo)相對隸屬度矩陣

表2 第三層指標(biāo)初始綜合權(quán)重

表3 第三層指標(biāo)最終綜合權(quán)重

表4 第三層指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

表5 不同年份水資源綜合效益排名

3 結(jié)語

本文基于信息熵權(quán)法與灰色關(guān)聯(lián)度法的綜合分析方法，對灌區(qū)水資源綜合效益進(jìn)行了評價，建立了經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益共12項指標(biāo)的評價指標(biāo)體系。通過計算不同指標(biāo)的綜合權(quán)重和灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，得出綜合關(guān)聯(lián)系數(shù)，該方法最大程度上消除了評價方法的主觀性，同時對2003、2008、2010、2015年的水資源綜合效益進(jìn)行了評價，指出2015年的灌區(qū)水資源綜合效益最高，符合實際要求，證明了該方法的準(zhǔn)確性。

[1] 呂素冰, 許士國, 陳守煜. 水資源效益綜合評價的可變模糊決策理論及應(yīng)用[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報, 2011, 51(02): 269- 273.

[2] 田浪, 劉永強, 王珍, 等. 基于物元可拓模型的灌區(qū)水資源綜合效益評價[J]. 排管機械工程學(xué)報, 2016, 34(04): 351- 356.

[3] 陸寶龍, 陳發(fā)斌. 蘭州市水資源利用分析與優(yōu)化配置方案研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2017(10): 67- 72.

[4] 左其亭, 陳嚷. 面向可持續(xù)發(fā)展的水資源規(guī)劃與管理[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2003.

[5] 錢易. 水資源管理需要新思路新策略[J]. 中國水利, 2002(10): 17- 20.

[6] 潘俊, 王灝瀚. 基于遺傳算法的多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置——以沈陽地區(qū)為例[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016, 32(05): 945- 952.

[7] 李蘇, 劉彬. 改進(jìn)的人工魚群算法在邯鄲市水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué), 2016, 34(12): 10- 14.

[8] 趙西寧, 馮浩, 吳普特, 等. 黃土高原小流域雨水資源化綜合效益評價指標(biāo)體系研究[J]. 2005, 20(03): 354- 360.

[9] 趙洪杰, 唐善德. 黑河中游灌區(qū)水資源綜合效益評價體系研究[J]. 節(jié)水灌溉, 2006(06): 58- 62.

[10] 周維博, 李佩成. 干旱半干旱地域灌區(qū)水資源綜合效益評價體系[J]. 自然資源學(xué)報, 2003, 18(30): 288- 293.