CN110222956A - 一种基于云理论和spa的水资源承载能力评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于云理论和SPA的水资源承载能力评价方法，属于水资源承载能力技术领域。其包括以下步骤：步骤一、构建区域水资源承载能力评价体系，获取待研究区域水资源承载能力的相关指标数据；步骤二、根据区域水资源和经济社会发展的特点，确定水资源承载能力评价等级与标准；步骤三、通过云理论计算指标权重；步骤四、基于集对分析法(SPA)计算隶属度，得出综合评价结果。本发明从水资源总量、水资源强度和生态环境三个方面出发，建立了一套具有普遍适用性的区域水资源承载能力评价方法，为最严格的水资源管理和水生态文明建设提供科学依据。
Description
技术领域
本发明属于区域水资源承载能力评价技术领域，涉及一种基于云理论和 SPA的水资源承载能力评价方法。
背景技术
随着经济社会的不断进步发展，我国水资源供需矛盾突出，水资源短缺与 水环境恶化已经阻碍了社会经济的可持续发展。我国水资源总量丰富，但由于技 术水平和自然环境条件的限制，可开发利用率低，许多城市的社会经济发展已超 过水资源承载能力，导致社会经济发展停滞，人民生活水平无法提高。要解决水 资源短缺问题需正确分析该地区的水资源承载能力。水资源承载能力是区域可持 续发展的重要组成部分，对一个国家或地区提高综合发展能力，扩大发展规模十 分重要。
在新形势下，党的十八届五中全会部署开展了水资源消耗总量和强度双控 行动，对加强水资源管理提出了新的要求，实施双控行动是破解我国水资源短缺 瓶颈、确保水资源可持续利用的战略举措。为了解决区域水资源承载能力与社会 经济发展和生态环境之间的矛盾，找到增强区域的水资源承载能力措施，需要进 行水资源承载能力的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于云理论和SPA的水资源承载能力评价方法， 从水资源总量、水资源强度、生态环境三个方面出发，建立了一套具有普遍适用 性的区域水资源承载能力评价指标体系和评价标准，运用云理论确定各评价指标 的权重，SPA法计算隶属度，对区域水资源承载能力水平进行综合评价，为最严 格的水资源管理和水生态文明建设提供科学依据。
本发明的目的是这样实现的：
本发明所采用的技术方案是：一种基于云理论和SPA的水资源承载能力评 价方法，按照以下步骤进行：
步骤一、构建区域水资源承载能力评价体系，获取待研究区域水资源承载能 力的相关指标数据；
步骤二、根据区域水资源和经济社会发展的特点，确定水资源承载能力评价 等级与标准；
步骤三、通过云理论计算指标权重；
步骤四、基于集对分析法(SPA)计算隶属度，得出综合评价结果。
本发明步骤一中，所述区域水资源承载能力评价体系分为水资源总量、水 资源强度和生态环境三个子体系，包含用水总量控制水平、农业用水比例、工业 用水比例、生活用水比例、生态环境用水比例、人均供水量、水资源利用率、万 元GDP综合耗水量、万元工业增加值用水量、工业用水计量率、农田灌溉水有 效利用系数、城市供水管网漏损率、水功能区水质达标率、污水处理率、再生水 利用率共15项指标。
本发明步骤二中，所述评价等级与标准具体是：分为5个等级，分别是好 (Ⅰ)、较好(Ⅱ)、一般(Ⅲ)、较差(Ⅳ)和差(Ⅴ)。
本发明步骤三中，所述云理论计算指标权重具体步骤为：根据专家评价， 得到指标初始权重；用逆向云发生器求解Ex、En、He；依据求得的Ex、En、 He，用正向云发生器生成较多云滴，将其均值作为指标权重。
本发明步骤四中，所述集对分析法(SPA)计算隶属度具体步骤为：计算 指标j与评价标准等级k的联系度ujk；计算评价样本与评价标准等级k之间的综 合联系度uk；计算评价样本隶属于评价等级k的隶属度Rk；通过置信度准则评 判法进行评价等级评判。
有益效果
实施本发明，将云理论和SPA引入水资源承载能力评价中来，相对于现有 技术具有如下优点：
(1)从水资源总量、水资源强度和生态环境系统三个方面，构建全面合理 的水资源承载能力评价体系，体现了双控行动新形势下，对水资源可持续发展的 新要求；
(2)通过正向云发生器与逆向云发生器的结合，能够扩大样本数量，减少 评价误差，通过各指标权重云滴图，将评价过程可视化，更加直观，同时增加评 价结果可靠性；
(3)基于云理论和SPA的水资源承载能力评价方法思路清晰，操作简便， 为水资源承载能力评价的研究提供更优化的模型或新的思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中 的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创 造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种基于云理论和SPA的水资源承载能力评价方法技 术路线图；
图2为本发明水资源承载能力评价体系；
图3为本发明实例的准则层权重图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全 部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳 动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，为本发明提供了一种基于云理论和SPA的水资源承载能力评价 方法技术路线图。本发明一种基于云理论和SPA的水资源承载能力评价方法， 按照以下步骤进行：
步骤一、构建区域水资源承载能力评价体系，获取待研究区域水资源承载能 力的相关指标数据；
步骤二、根据区域水资源和经济社会发展的特点，确定水资源承载能力评价 等级与标准；
步骤三、通过云理论计算指标权重；
步骤四、基于集对分析法(SPA)计算隶属度，得出综合评价结果。
本发明建立了一套具有普遍适用性的基于水资源总量、水资源强度和生态 环境的区域水资源承载能力评价指标体系和评价标准，运用云理论确定各评价指 标的权重，构建SPA评价模型，对区域水资源承载能力水平进行综合评价。
实施例
下面以具体实例对本发明加以说明。
步骤一、构建区域水资源承载能力评价体系，获取待研究区域水资源承载 能力的相关指标数据。
水资源承载能力评价指标体系的构建是评价过程的重要环节。可持续发展 与水资源承载能力是密切联系、不可分割的统一体。一方面，如果一味的追求经 济的高速发展势必会破坏生态环境，降低水资源承载能力，破坏社会可持续发展； 另一方面，若为了保持生态环境而一味的降低供水量、畏首畏尾发展经济，那么 居民生活用水及工农业生产用水都会受到影响，这些都不利于社会可持续发展。 本发明是在对水资源总量、强度控制及生态环境进行分析的基础上，采用层次分 析法进行指标的优选。在指标优选过程中，先征求专家关于指标相对重要程度的 意见，然后计算指标相对总目标的权重，根据权重的大小对指标进行排序，由此 可建立全面合理的水资源承载能力评价指标体系，见图1，共包含15个评价指 标，每个指标的具体含义见表1。
表1评价指标的具体含义
浦口区位于南京市西北部，长江下游北岸，东北与六合区为界。2016年， 浦口区总供水量为31321万m3。其中，地表水源供水量为31292.5万m3，占供 水总量的99.91％，地下水源供水量为28.5万m3，占供水总量的0.09％。2016 年浦口区实际用水总量31321万m3，地下水用水量28.5万m3。其中，农业用水 量为(包括林牧渔业用水)21960万m3、工业用水量为1918万m3(不包括工业 重复利用水量)、城镇公共用水量910万m3、居民生活用水量为4473万m3、生 态环境用水量为2060万m3。其中农业用水量占的比例最大，为70.1％；城镇公 用水量占的比例最小，为2.9％。
结合浦口区的实际情况、确定浦口区基于水资源总量、水资源强度和生态 环境的水资源承载能力评价指标各指标数据见表2。
表2浦口区水资源承载能力评价指标体系
步骤二、根据区域水资源和经济社会发展的特点，确定水资源承载能力评 价等级与标准。
在已有研究成果基础上，结合水资源承载能力评价的特点，将区域水资源 承载能力划分为5级：好、较好、一般、较差和差，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示。 Ⅰ表示区域水资源有较大的承载能力，可以继续持续发展；Ⅲ表示区域水资源开 发与社会经济发展、生态环境相平衡；Ⅴ表示水资源承载能力已接近极限值，继 续发展下去将导致水资源短缺；Ⅱ和Ⅳ则分别是介于好与一般、差与一般的级别 中间。
综合考虑全国、江苏省和南京市近年来各项指标的平均值、上限值和下限 值，以及国际上一些相关指标的警戒值，结合县级区域水资源和经济社会发展的 特点，按5等级，确定了15个评价指标的评价标准，见表3。
表3水资源承载能力评价指标评价标准
步骤三、通过云理论计算指标权重。
云理论是由李德毅院士提出的一种定性概念与定量描述的不确定转换模 型，兼具模糊性和随机性。本发明采用云模型计算指标权重，先用逆向云发生器 求初始权重的特征值：Ex、En、He，再通过正向云发生器生成较多的数据，从 而求得指标的权重值。具体计算步骤为：
(1)根据专家评价，得到指标初始权重；
(2)用逆向云发生器求解Ex、En、He；
式中，xi为指标值，n为样本数，S2为样本方差。
(3)依据求得的Ex、En、He，用正向云发生器生成较多云滴，将其均值 作为指标权重。
先求正态随机数En’
En'＝randn()×He+En (5)
再求正态随机数Exi’
Exi'＝randn()×En'+Ex (6)
最后确定度μi
采用云模型理论，用matlab程序计算出指标权重值，准则层指标权重图见 图3。从权重图可以发现，模拟权重呈正态分布，对云滴的求均值，得到权重值， 结果见表4。同理可以得到指标层中各指标在子体系中的权重值，再结合准则层 权重，可以得到评价指标整体权重，结果见表5。结果表明，用水控制水平、水 功能区水质达标率、农业用水比例、生态环境用水比例所占的权重较大。
表4云模型确定准则层权重
表5云模型确定指标层权重
步骤四、基于集对分析法(SPA)计算隶属度，得出综合评价结果。
SPA评价模型：
集对分析(SPA)是由赵克勤教授提出的一种研究系统确定性与不确定性相 互作用的分析理论。集对分析评价模型的计算步骤如下：
(1)构建水资源承载能力评价指标体系，确定评价标准。将指标评价标准 的临界值记为{skj|k＝1～K,j＝1～m}，指标数据记为{xj|j＝1～m}。其中，K为评 价等级数目，m为指标数目。
(2)计算指标j与评价标准等级k的联系度ujk。其取值在[-1,1]区间变化， 指标值越接近评价等级，差异系数越接近1；指标值越接近相隔的评价等级，差 异系数越接近-1。假定各评价指标xj均随着评价等级的增大而增大，则ujk具体 计算公式为：
(3)评价样本与评价标准等级k之间的综合联系度uk：
式中，Aj为各指标的权重。
(4)评价样本隶属于评价等级k的隶属度Rk。评价样本隶属于评价等级k 的相对隶属度vk可表示为：
vk＝0.5+0.5uk (14)
把相对隶属度归一化，得
(5)通过置信度准则评判法进行整体评价等级评判，计算公式为：
式中，λ为置信度，一般取值在[0.5,0.7]，若λ取值越大则越保守，本文取λ为 0.6。
综上所述，根据表2中给出的浦口区水资源承载能力各评价指标中的具体 数值和相关计算公式，可计算出浦口区水资源承载能力各评价指标的隶属度，计 算结果见表6，根据式(16)，浦口区2016年水资源承载能力评价等级是一般， 符合浦口区实际情况，主要是因为随着经济的快速发展，浦口区生活、工业污水 排放量增加，河湖水体受到污染，水环境较差，生态护岸、城市绿地透水建设比 例偏低，相关部门应采取措施提高浦口区的水资源双控及承载能力。
表6浦口区水资源承载能力各评价指标隶属度计算结果
本发明建立了一套具有普遍适用性的基于水资源总量、水资源强度和生态 环境的区域水资源承载能力评价指标体系和评价标准，运用云理论确定各评价指 标的权重，构建SPA评价模型，对区域水资源承载能力水平进行综合评价，为 最严格的水资源管理和水生态文明建设提供科学依据。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解 在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、 替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于云理论和SPA的水资源承载能力评价方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、构建区域水资源承载能力评价体系，获取待研究区域水资源承载能力的相关指标数据；
步骤二、根据区域水资源和经济社会发展的特点，确定水资源承载能力评价等级与标准；
步骤三、通过云理论计算指标权重；
步骤四、基于集对分析法(SPA)计算隶属度，得出综合评价结果。
2.根据权利要求1所述的基于云理论和SPA的水资源承载能力评价方法，其特征在于：步骤一中，所述区域水资源承载能力评价体系分为水资源总量、水资源强度和生态环境三个子体系，包含用水总量控制水平、农业用水比例、工业用水比例、生活用水比例、生态环境用水比例、人均供水量、水资源利用率、万元GDP综合耗水量、万元工业增加值用水量、工业用水计量率、农田灌溉水有效利用系数、城市供水管网漏损率、水功能区水质达标率、污水处理率、再生水利用率共15项指标。
3.根据权利要求2所述的基于云理论和SPA的水资源承载能力评价方法，其特征在于：步骤二中，所述评价等级与标准具体是：分为5个等级，分别是好(Ⅰ)、较好(Ⅱ)、一般(Ⅲ)、较差(Ⅳ)和差(Ⅴ)。
4.根据权利要求3所述的基于云理论和SPA的水资源承载能力评价方法，其特征在于：步骤三中，所述云理论计算指标权重具体过程为：根据专家评价，得到指标初始权重；用逆向云发生器求解Ex、En、He；依据求得的Ex、En、He，用正向云发生器生成较多云滴，将其均值作为指标权重。
5.根据权利要求4所述的基于云理论和SPA的水资源承载能力评价方法，其特征在于：步骤四中，所述集对分析法(SPA)计算隶属度具体过程为：计算指标j情况下样本i与评价标准等级k的联系度uijk；计算样本i与评价标准等级k之间的综合联系度uik；计算样本i隶属于评价等级k的隶属度R；通过置信度准则评判法进行评价等级评判。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190910 |
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