CN109508900A

CN109508900A - 一种基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法

Info

Publication number: CN109508900A
Application number: CN201811521695.2A
Authority: CN
Inventors: 董增川; 叶海焯; 杨光; 罗晶; 李冰; 徐伟; 高晓琦
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-03-22

Abstract

本发明公开了一种基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法，包括如下步骤：(1)指标选取：从水资源、社会、经济、生态环境四个子系统设置评价指标；(2)采用层次分析法对各个指标进行权重计算；(3)根据步骤(2)计算的各个指标的权重，采用可变模糊法对区域水资源承载状态进行评价。该方法可以更加准确合理地对水资源的承载状态做出评价。

Description

一种基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法

技术领域

本发明涉及水资源的评价方法，特别涉及一种基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法。

背景技术

水资源承载状态评价是用来表征区域水资源对社会经济、生态环境等系统的现状支撑状态，并对未来可能出现的情况进行预警，具有评价结果较为客观、评价结果值与水资源承载状态内涵符合，能使决策者更简单、迅速的做出一个地区水资源承载状态的评价决策，具有很强的实用性和广泛的适用性等优点。但衡量区域水资源承载状态的因素极其复杂，目前提出的大多方法无法反映水资源承载状态的真实状态。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法，该评价方法更加准确、合理。

技术方案：本发明提供一种基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法，包括如下步骤：

(1)指标选取：从水资源、社会、经济、生态环境四个子系统设置评价指标；

(2)采用层次分析法对各个指标进行权重计算；

(3)根据步骤(2)计算的各个指标的权重，采用可变模糊法对区域水资源承载状态进行评价。

进一步地，所述步骤(1)的水资源子系统包括水利工程设施完好率、用水总量控制指标比、地下水超采面积比、再生水利用率四个指标；社会子系统包括人口密度、供水管网漏损率、城镇生活污水集中处理率三个指标；经济子系统包括人均GDP、万元工业增加值用水量、灌溉水利用系数、化肥施用强度、工业废水排放达标率五个指标；生态环境子系统包括水功能区水质达标率、城镇绿化覆盖率、水面率三个指标。

进一步地，所述步骤(2)中对各个指标进行权重计算之后再进行一致性检验和层次排序。

进一步地，所述步骤(3)的承载状态均分为可载、临界超载、超载三个等级。

进一步地，当级别特征值H小于1.5，则判定区域水资源承载状态为可载；当H值大于等于1.5且小于2.5，则判定区域承载状态为临界超载；当H值大于等于2.5，则判定区域承载状态为超载。

本发明通过建立评价指标体系，构建多因子比较矩阵，通过层次分析法对指标权重进行计算，利用可变模糊法思想进行对水资源系统承载状态进行衡量，最终得出水资源承载状态的评价结果。本发明中的层次分析法能够把决策者的主观判断和推理紧密的联系起来，对决策者的推理过程进行量化描述，体现了决策思维过程中分解、判断、综合的基本特征；可变模糊法能够科学、合理地确定样本指标对各级指标标准区间的相对隶属度，并且能够通过变化模型及其参数，合理地确定出样本水资源承载能力的评价等级，提高对样本等级评价的可信度。

有益效果：本发明能使决策者更准确、合理的对水资源承载状态做出评价，避免了现有技术中评价结果过于抽象、评价结果值与水资源承载状态内涵不符的不足，具有很强的实用性和广泛的适用性。

附图说明

图1为实施例步骤(3)中的步骤b中点x、M与区间X₀、X的位置关系图。

具体实施方式

本实施例提供的基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法，包括如下步骤：

(1)在分析区域水资源-社会经济-生态环境大系统的基础上，结合区域市实际情况，遵循可持续发展理论，从水资源、社会、经济、生态环境四个角度挑选15个评价指标，构建区域水资源承载状态评价指标体系。其中，水资源子系统包括水利工程设施完好率、用水总量控制指标比、地下水超采面积比、再生水利用率四个指标，分别反映区域水利工程、地表水、地下水、再生水情况；社会子系统包括人口密度、供水管网漏损率、城镇生活污水集中处理率三个指标，表征居民生活及其用水、排污状况；采用人均GDP、万元工业增加值用水量、灌溉水利用系数、化肥施用强度、工业废水排放达标率等指标表征经济水平及经济发展相关用水、排污情况；生态环境子系统则采用水功能区水质达标率、城镇绿化覆盖率、水面率等指标反应。

区域水资源环境承载状态是通过区域“水资源-水环境-社会-经济”这个复杂系统相互作用而表现出来的一种状态，其中涉及“水资源”、“水环境”、“社会经济”、“生态环境”各个子系统内部作用以及各个子系统之间的相互关联和相互影响。本发明在对影响分析各个子系统运行主要因素及其相互联系的主要途径的基础上，构建包含目标层、准则层和指标层在内的三层综合评价体系(其中，目标层设立“区域水资源环境承载状态”，准则层设立“水资源子系统、社会子系统、经济子系统、生态环境子系统”，指标层共设15个指标Ci(i＝1，2...，15)，全面反映影响区域水资源环境承载状态的各主要因素)，指标体系构建遵循以下原则。

a.全面性。区域水资源环境承载状态综合评价是多方面、多系统的评价，它具有深刻而丰富的内涵，所以要求选取的指标具有足够的涵盖面，能够全面反映区域水资源环境的承载状态。

b.精炼性。在选取指标时，要求指标简洁、精炼，因为要实现指标体系的全面性就容易造成指标体系过于庞大，这样既不便于数据的收集和加工处理，也非常不便于应用。为此，应尽可能地筛选出综合性强、具有代表性的指标，而避免选择过于具体详细的指标。

c.可操作性。在选择指标时，需要考虑指标数据资料来源，即选择的每一个指标不但要符合可持续发展的科学理论要有代表性，而且应尽可能选用目前统计制度中所包含或通过努力可能达到的。对于那些未纳入现行统计制度、数据获得不是很直接的指标，可以选择与其代表意义相近的指标代替。

(2)利用层次分析法对各个指标进行权重计算，具体计算过程如下：

a.递阶层次结构的创建：将问题包含的因素分层：最高层(解决问题的目标)；中间层(实现总目标而采取的各种措施、必须考虑的准则等，也可称为方略层、约束层或者准则层)；最底层(用于解决问题的各种措施、方案等)。

b.构造多因子比较矩阵：为了综合不同方面专家的意见，主要采用发放专家意见调查表的方法。问卷中详细介绍了各指标的具体内容，并对评分标准和说明进行了说明。根据专家意见判断各因子的相对重要性，并将这些判断用数值表示，得到一个n阶互反性判断矩阵A，即所谓的判断矩阵。各指标层次排序标准详见表1。

表1各指标层次排序标准

标度	含义
		1	表示两因素相比，具有同样的重要性
3	表示两因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要
		5	表示两因素相比，一个因素比另一个因素明显重要
7	表示两因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要
		9	表示两因素相比，一个因素比另一个因素极端重要
2，4，6，8	上述两相邻判断的中间值
		倒数	i因素与j比较的判断b<sub>ij</sub>，因素j与i比较的判断b<sub>ji</sub>＝1/b<sub>ij</sub>

c.因子权重系数的确定。对矩阵A，先计算出矩阵的最大特征根λ_max，然后求出其相应的规范化的特征向量W，即AW＝λ_maxW，式中，W的分量(w₁，w₂...，w_n)就是对应于n个因子的权重系数。

d.求解特征向量和特征值。直接求解特征向量和特征值比较繁琐，由于专家进行两两因子相对重要性比较的精度有限，在实际工作中采用近似算法可以简易地计算权重系数。该方法的步骤为：

按行元素求几何均值，得：

规范化，即得权重系数W_i：

e.一致性检验：为了检验层次分析法得出的结果是否合理，需要对判断矩阵进行一致性检验。所谓一致性，即指当X₁比X₂重要、X₂比X₃重要时，则认为X₁一定比X₃重要。判断矩阵一致性指标CI与同阶平均随机一致性指标RI的比值称为随机一致性比率，即：CR＝CI/RI。根据判断矩阵的一致性准则，当CR＜0.1时，就认为判断矩阵具有满意的一致性；否则，就需要不断改动判断矩阵，直到取得较为合理的一致性为止。

f.层次性总排序：利用同一层次中所有层次单排序的结果，就可计算针对上一层的本层次的所有因素重要性权值。

(3)根据步骤(2)中所算各指标权重，利用可变模糊法的思想对该区域水资源承载状态进行评价，得到评价结果。具体步骤如下：

a.设论域U上的一个模糊概念(事物、现象)A，对U中的任意元素u(u∈U)，在相对隶属函数的连续统数轴任一点上，u对表示吸引性质A的相对隶属度为μ_A(u)，对表示排斥性质A^c的相对隶属度为设

式中：D_A(u)为u对A的相对差异度。

根据：

则

或

D_A(u)＝2μ_A(u)-1

令

A₊＝{u|u∈U，0＜D_A(u)≤1}

A_＝{u|u∈U，-1≤D_A(u)≤0}

A₀＝{u|u∈U，D_A(u)＝O

式中：V称为模糊可变集合；A₊、A_{_}、A₀分别称为模糊可变集合V的吸引(为主) 域、排斥(为主)域和渐变式质变界。

设C是V的可变因子集：

C＝{C_A，C_BC_C}

式中：C_A为可变模型集；C_B为可变模型参数集；C_C为除模型及其参数外的可变其他因子集。令：

A^-＝C(A₊)＝{u|u∈U，O＜D_A(u)≤1，-1≤D_A(C(u))＜0}

A⁺＝C(A_-)＝{u|u∈U，-1≤D_A(u)＜0，0＜D_A(C(u))≤1}

统一称为模糊可变集合V关于可变因子集C的可变域。令：

A⁽⁺⁾＝C(A₍₊₎)＝{u|u∈U，0＜D_A(u)≤1，0＜D_A(C(u))≤1}

A^(-)＝C(A_(-))＝{u|u∈U，-1≤D_A(u)＜0，-1≤D_A(C(u))＜0}

统一称为模糊可变集合V关于可变因子集C的量变域。

b.设X₀＝[a，b]为实轴上模糊可变集合V的吸引(为主)域，即0＜D_A(u)≤1区间， X＝[c，d]为包含的某一上、下界范围域区间，点x、M与区间X₀、X的位置关系图见图1。

根据模糊可变集合V定义可知[c，a]与[b，d]均为V的排斥域，即-1≤D_A(u)＜0区间。设M为吸引(为主)域区间[a，b]中D_A(u)＝1的点值，按物理分析确定，M不一定是区间[a，b]的中点值。x为X区间内的任意点的量值，则x落入M点左侧时的相对差异函数模型可为：

x落入M点右侧时，其相对差异函数模型为

式中：β为非负指数，通常可取β＝1，即相对差异函数模型为线性函数。当 x＝a，x＝b时，D_A(u)＝0；当x＝M时，D_A(u)＝1；当x＝c，x＝d时，D_A(u)＝-1。 D_A(u)确定以后，可以求解相对隶属度μ_A(u)。

c.设水资源环境承载能力综合评价的特性用m个指标特值指表示：

X＝(x_i)

式中：x_i为指标i的特征值，i＝1，2......m。m个指标按c个级别的指标标准特征值进行识别，则有m×c阶指标标准特征值矩阵：

Y＝(y_ih)

式中：y_ih为级别h指标i的标准特征值，h＝1，2......c。

参照指标标准值矩阵和待评价区域的实际情况确定水资源承载能力可变集合的吸引(为主)域矩阵与范围域矩阵：

I_ab＝([a_ih，b_ih])

I_cd＝([c_ih，d_ih])

根据水资源承载能力分为c个级别的实际情况确定吸引(为主)域[a_ih，b_ih]中 D_A(x_i)_h＝1的点值M_ih的矩阵：

M＝(M_ih)

判断特征值x_i在M_ih点的左侧还是右侧，据此选用式计算差异度D_A(x_i)_h，再由上式计算指标对h级的相对隶属度u_A(x_i)_h矩阵：

[U_h]＝(μ_A(x_i)_h)

采用模糊评价模型：

式中：μ_h′为非归一化的综合相对隶属度；α为模型优化准则参数；w_i为指标权重； m为指标数；P为距离参数，P＝1为海明距离，P＝2为欧氏距离。

归一化处理得到综合相对隶属度矩阵：

U＝(u_h)

式中：

采用p＝1α＝1、p＝1 α＝2、p＝2α＝1、p＝2α＝2四种参数情况进行计算，并采用4种情况的隶属度均值作为最终结果。

最大隶属度原则是模糊集合论中一个重要的判断准则，具有简明直观的优点，别广泛的运用于模糊集领域。但是最大隶属度原则也有不适用性，当结果对两种或者两种以上的级的隶属度相近时，利用最大隶属度原则不能作出合理的判断。为了解决最大隶属度原则的不适用性，本项目采用级别特征值对状态进行判断。《工程模糊集理论与应用》一书中提出级别特征值H，H表示了h与u_h分布列的整体相对特征，利用了状态变量h 的全部相对隶属度信息，使得样本归属于何种状态更加全面和客观。H的计算公式见下：

H＝(1，2...c)·U

参考《可变模糊集理论与模型及其应用》的理论，级别特征值H评价级别的判别式如下：

以下列举具体的实施方式：

步骤1，选择10个区域(分区1：响水，分区2：滨海，分区3：阜宁，分区4：射阳，分区5：建湖，分区6：亭湖，分区7：盐都，分区8：东台，分区9：大丰，分区 10：全市)的地区，其分别为分区1-10。共确定15个指标，其分别为水利工程设施完好率(C₁)、用水总量控制指标比(C₂)、地下水超采面积比(C₃)、再生水利用率(C₄)、人口密度(C₅)、供水管网漏损率(C₆)、城镇生活污水集中处理率(C₇)、人均GDP (C₈)、万元工业增加值用水量(C₉)、灌溉水利用系数(C₁₀)、化肥施用强度(C₁₁)、工业废水排放达标率(C₁₂)、水功能区水质达标率(C₁₃)、城镇绿化覆盖率(C₁₄)、水面率(C₁₅)。本实施例中各分区的各指标值如表2所示。

表2各分区的各指标值

指标	单位	分区1	分区2	分区3	分区4	分区5	分区6	分区7	分区8	分区9	分区10
												C<sub>1</sub>	％	82	80	82	80	85	88	88	85	85	85
C<sub>2</sub>	％	97.60	99.33	99.15	99.9	95.7	93.8	93.84	99.11	95.04	97.16
												C<sub>3</sub>	％	17	17	6.5	17	17	21.5	10	17	3	19
C<sub>4</sub>	％	10	10	9	10	8	20	20	15	10	12
												C<sub>5</sub>	人/km<sup>2</sup>	424	623	779	371	693	101	866	241	358	498
C<sub>6</sub>	％	13	14	14.2	12	19	12	15	16	18	13
												C<sub>7</sub>	％	80	80	80	75	83	85	70	83	75	85
C<sub>8</sub>	万元/人	3.91	2.97	3.24	4.21	5.38	8.55	5.73	7.38	5.89	5.08
												C<sub>9</sub>	m<sup>3</sup>/元	18	17.9	17	18	15.5	15.4	15.6	15.5	15.9	16.2
C<sub>10</sub>	％	58	55	63	58	63	63	65	60	64	61
												C<sub>11</sub>	kg/亩	33.93	22.33	22.8	18.5	32.9	50.8	37.19	15.38	16.01	23.89
C<sub>12</sub>	％	85	92	85	92	84	90	90	90	85	90
												C<sub>13</sub>	％	85.7	92.3	86.7	57	86.5	61.6	88.4	68.4	66.1	75.9
C<sub>14</sub>	％	47	41	42.5	35.2	41.2	40.2	42	42.6	36	40.52
												C<sub>15</sub>	％	9	7	15	13	10	8	8	10.2	6	13.3

步骤2，将评价区域水资源承载状态的结果分为可载、临界超载、超载三个等级，各指标评价标准如表3所示。

表3各指标评价标准

步骤3，运用层次分析法确定各指标的权重，其中确定各指标权重如表4所示。

表4各指标权重

步骤4，利用可变模糊方法对该区域水资源承载状态进行计算，进而得出水资源承载状态评价结果，其结果如表5所示。

表5水资源承载状态评价结果

其中分区水资源承载状态结果中，分区9水资源承载状态级别判别值最小，即水资源承载状态最好，分区2水资源承载状态值最大，即水资源承载状态最差。

Claims

1.一种基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法，其特征在于：包括如下步骤：

(2)采用层次分析法对各个指标进行权重计算；

2.根据权利要求1所述的基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法，其特征在于：所述步骤(1)的水资源子系统包括水利工程设施完好率、用水总量控制指标比、地下水超采面积比、再生水利用率四个指标；社会子系统包括人口密度、供水管网漏损率、城镇生活污水集中处理率三个指标；经济子系统包括人均GDP、万元工业增加值用水量、灌溉水利用系数、化肥施用强度、工业废水排放达标率五个指标；生态环境子系统包括水功能区水质达标率、城镇绿化覆盖率、水面率三个指标。

3.根据权利要求1所述的基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法，其特征在于：所述步骤(2)中对各个指标进行权重计算之后再进行一致性检验和层次排序。

4.根据权利要求1所述的基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法，其特征在于：所述步骤(3)的承载状态均分为可载、临界超载、超载三个等级。

5.根据权利要求4所述的基于可变模糊法的水资源承载状态评价方法，其特征在于：当级别特征值H小于1.5，则判定区域水资源承载状态为可载；当H值大于等于1.5且小于2.5，则判定区域承载状态为临界超载；当H值大于等于2.5，则判定区域承载状态为超载。