基于云模型的来水状况综合诊断——以佛山市为例

汪丽娜,李粤安,邝远华

(1.华南师范大学 地理科学学院,广东 广州 510631；2.广东省水利厅,广东 广州 510635； 3.佛山市水务局,广东 佛山 528000)



基于云模型的来水状况综合诊断
——以佛山市为例

汪丽娜1,李粤安2,邝远华3

(1.华南师范大学 地理科学学院,广东 广州 510631；2.广东省水利厅,广东 广州 510635； 3.佛山市水务局,广东 佛山 528000)

结合佛山市的来水条件,以佛山市降水量、马口和三水过境水量作为衡量佛山市来水的指标,通过云模型综合评价佛山市近30 a的来水状况。结果表明：佛山市来水情况总体上来说较为丰沛,但各年来水状况差异较大。在过去的33 a中,来水情况多的年份仅3 a,占9.1%。若以2011年作为现状年,则佛山市来水条件不太乐观,这不仅与佛山市当年降水量较少相关,且与马口、三水的过境水量较少密切相关。

云模型;来水;水资源;诊断

佛山市位于东经112°22′34″～113°23′12″,北纬22°40′～23°34′37″之间。位于中国广东省中南部,地处珠江三角洲中部河网区,西、北江分流的各水道贯穿其中,河流纵横交错,形成水网。东倚广州,南邻港、澳,地理位置优越。佛山由于临近海洋,气候温和,温暖多雨,四季常绿,自古就是富饶的鱼米之乡。全市面积为3 848.49 km2,其中平原面积为2 915 km2,低山丘陵为586.45 km2,河流面积为347.04 km2,分别占全市总面积75.7%、15.3%和9.0%。佛山市域内主要水系包括：西江干流在佛山市境内长为69.1 km,有支流河道11条；北江干流在佛山市境内长为100.2 km,主要支流河道有13条；高明河,流域面积为1 033 km2,总长为80.8 km。从自然气候条件来看,该区属亚热带季风气候,年均降水为1 490.6 mm,年均气温22.1 ℃。本市人均当地自产水资源量较低,但本市过境水资源十分丰富,流入市域的客水主要来自西江和北江,整体上佛山市水资源量较为丰沛,但仍存在年际水量分配不均现象,量化各年来水状况将更好地为水资源优化使用服务[1-3]。因此,本文采用云模型[4]分析比较不同年份佛山市来水状况。

1 云模型

云模型[5-6]实现定性定量转换的有效工具,作为定性定量转换的不确定性模型,能够充分体现语言概念的随机性和模糊性,根据因素集中元素概念的不同和最后综合评语的不同,用不同个数或不同种类的评价语言来描述,最大限度的保留了评估过程中固有的不确定性,最后所得的评价结果是个直观、易于理解的云图,提高了评估结果的可信度。

云的数字特征用期望Ex、熵En和超熵He3个数值(图1a)来表征,把模糊性和随机性完全集成在一起,构成定性和定量相互间的映射,为定性与定量相结合的信息处理提供了有力手段,反映了定性概念的定量特性。图1b、图1c和图1d是云模型的数字特征期望值Ex和熵En都相同,超熵He不同的示意图。通过云模型对来水状况综合评价,能够综合多种影响因素,可以实现定性定量之间的转换,使得评价结果更加直观。

期望Ex：云滴在论域空间分布的期望。通俗地说,就是最能够代表定性概念的点,或者说这个概念量化的最典型样本。

熵En：定性概念的不确定性度量,由概念的随机性和模糊性共同决定。一方面En是定性概念随机性的度量,反映了能够代表这个定性概念云滴的离散程度；另一方面又是定性概念亦此亦彼的度量,反映了论域空间中可被概念接受的云滴取值范围,用同一个数字特征来反映随机性和模糊性,也必然反映了它们之间的关联性。超熵He：是熵的不确定性度量,即熵的熵,由熵的随机性和模糊性共同决定,反映了在数域空间代表该语言值的所有点的不确定度的凝聚性,即云滴的凝聚度,超熵越大,云滴的离散度越大,隶属度的随机性越大,云的“厚度”也越大。

(a)Ex=30,En=1,He=0.1

(b)Ex=30,En=2,He=0.1

(c)Ex=30,En=1,He=0.3

(d)Ex=30,En=1,He=0.5

需要进一步指出的是,根据正态分布的特性,对于论域U中的定性概念C有贡献的云滴,主要落在区间[Ex-3En,Ex+3En],因此可以忽略[Ex-3En,Ex+3En]区间之外的云滴对定性概念C的贡献,即为正向正态云的“3En规则”。

2 来水状况评价

利用前向云发生器,建立3项反映佛山市水文条件指标对应的云图,并制定佛山市来水条件综合诊断评价多条定性规则的不确定性推理,将来水条件分为5级进行评价,对应的等级关系为：多——5级、较多——4级、一般——3级、较少——2级、少——1级。根据佛山市1980—2012年的降水值进行等分为5个区间,佛山市年降水量5个作用分域的云数字特征(Ex,En,He)分别是：(2 001.73,85.284 8,0.1),(1 802.59,85.284 8,0.1),(1 603.45,85.284 8,0.1),(1 404.31,85.284 8,0.1),(1 205.17,85.284 8,0.1)。则“年降水量”评价标准云图如图2所示。

第5等级

第4等级

第3等级

第2等级

第1等级

相同地,如果马口站和三水站年径流量“多”则来水条件诊断评价级别为“5级”；如果年径流量“较多” 则来水条件诊断评价级别为“4级”；如果年径流量“一般” 则来水条件诊断评价级别为“3级”；如果年径流量“较少” 则来水条件诊断评价级别为“2级”；如果年径流量“少” 则来水条件诊断评价级别为“1级”。根据马口、三水站1980—2012年的径流数据等分为5个区间,利用云模型的相关计算公式[2,4],马口站年径流量5个作用分域的云数字特征(Ex,En,He)是：(2 877.5,140.899 4,0.1),(2 548.5,140.899 4,0.1),(2 219.5,140.899 4,0.1),(1 890.5,140.899 4,0.1),(1 561.5,140.899 4,0.1)；三水站年径流量5个作用分域的云数字特征(Ex,En,He)是：(865.15,57.858 7,0.1),(730.05,57.858 7,0.1),(594.95,57.858 7,0.1),(549.85,57.858 7,0.1),(324.75,57.858 7,0.1)。

“马口站和三水站年径流量”评价标准云图如图3和图4所示。

第5等级

第4等级

第3等级

第2等级

第1等级

第5等级

第4等级

第3等级

第2等级

第1等级

权重即权数或加权系数,他是对某种事物或者因素重要程度的定量分配。佛山市来水条件和水资源条件的现状诊断是一个多指标的综合诊断过程,本研究以佛山市的本地降水、西江马口站的入境水量和北江三水站的入境水量,3项指标作为衡量佛山市来水条件和水资源现状的指标,因此，各指标因子的权重对诊断结果有重要影响。如何确定佛山市来水条件和水资源现状诊断指标体系中各指标因子的权重是佛山市来水条件和水资源现状诊断的前提。权重的确定方法是专家根据自己的经验与实际情况对指标因子的权重进行分配,最常用的方法是专家决策法[7]、层次分析法[8-9]等。本文分别采用层次分析法和实际值法,对佛山市来水条件和水资源现状诊断指标体系中各指标因子进行赋权。其中,层次分析法得到的降水、马口站径流量、三水站径流量的权重分别为(0.655 1,0.211 4,0.133 7)。佛山市全市面积为3 848 km2,据相关报到,该市多年平均降雨量为61.12亿m3(1956—2011年),马口站多年平均(1980—2012年)入境水量为2 164.72亿m3,三水站多年平均(1980—2012年)入境水量为526.05亿m3,因此，实际值法得到降水、马口站径流量、三水站径流量的权重分别为(61.12,2 164.72,526.05)。综合考虑3项反映佛山市来水条件的指标,利用云模型分析佛山市来水条件及来水现状情况,如表1和表2所示。

表1 佛山市来水条件综合评价(层次分析法)

表2 佛山市来水条件综合评价(实际值法)

表1和表2的综合评价结果表明,各指标因子的权重对诊断结果有重要影响。尽管层次分析法采用相对权重, 比传统的专家打分等经验法直接赋予权重更加客观,把对权重的判断定量化,并能够统一处理决策中的定性与定量因素,具有实用性、系统性、简洁性等优点,特别适合在社会经济系统的决策分析中使用,但是佛山的过境水大于降水,且过境水量中,大部分来自西江,这一实际情况却表明依赖层次分析法确定权重的不合理性。

同时,表2说明,若以降水、马口径流量和三水径流量作为衡量佛山来水条件的指标,通过云模型的综合评价得,整体上1980—2012年的33 a中佛山市的来水情况少的年份有8 a,占24.2%；来水情况较少和一般的年份均为9 a,各占27.27%；来水情况较多的年份有3 a,占9.09%；来水情况多的年份有4 a,占12.12%。近5 a内,佛山市的来水情况总体上来说较为丰沛,若以2011年作为现状年,则佛山市来水条件不太乐观,2011年佛山市来水条件所处的水平较低,这不仅与佛山市当年降水量较少相关,而且马口站的径流量值也是1980—2012年的33 a中最小的,三水站在2011年的径流量值是1980—2012年33 a中径流值处于第6小。因此,综合来看佛山市2011年的属枯水年。

3 结语

佛山市作为水量较为丰沛的地区,但仍存在年际分配不均匀现象,为了更好的量化和识别各年来水状况,结合佛山市的来水条件,本文以佛山市降水量、马口和三水过境水量作为衡量佛山市来水的指标,通过云模型综合评价佛山市近30 a的来水状况。结果表明：尽管佛山市来水情况总体上来说较为丰沛,但各年来水状况差异较大,1980—2012年的33 a中佛山市的来水情况少的年份有8 a,占24.2%；来水情况较少和一般的年份均为9 a,各占27.27%；来水情况较多的年份有3 a,占9.09%；来水情况多的年份仅4 a,占12.12%。近5 a内,佛山市的来水情况总体上来说较为丰沛。若以2011年作为现状年,则佛山市来水条件不太乐观,这不仅与佛山市当年降水量较少相关,且与马口、三水的过境水量较少密切相关。

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(本文责任编辑 王瑞兰)

Comprehensive Diagnosis of Water Conditions by Cloud Model——A Case Study of Foshan City

WANG Li'na1, LI Yuean2, KUANG Yuanhua3

(1. School of Geography, South China Normal University, Guangzhou 510631, China;2.Department of Water Resources of Guangdong Provine, Guangzhou 510635, China;3. Foshan Water Authorities, Foshan 528000, China)

Combined with precipitation of Foshan city,taken the makou and Sanshui station runoff as water measure index, water condition is evaluated by cloud model in recent 30 years of Foshan city. The results show that: Water resource of Foshan city is abundant, but annual inflow varies... In the past 33 years, only 3 years with large inflow accounte for 9.1%. If the current year was in 2011, water condition is not so optimistic in Foshan city, because it is related to the precipitation and transit water.

cloud model；water condition；water resource；comprehensive diagnosis

2016-03-09;

2016-09-24

国家自然科学基金(编号：41501021)。

汪丽娜(1981),女,博士,副教授,从事水文过程模拟及城市化的水资源特征研究工作。

TP181

A

1008-0112(2016)010-0004-05