基于云模型的水利现代化评价方法与应用

黄显峰,刘展志,方国华

(河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

基于云模型的水利现代化评价方法与应用

黄显峰,刘展志,方国华

(河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

从防洪除涝减灾、水资源保障、水环境与河湖生态保护、农村水利保障、供排水工程、水管理服务以及水利发展保障7个方面建立了水利现代化水平评价指标体系，共27项指标，确定了各项指标的评价等级与标准，构建云模型对江苏省新沂市水利现代化水平进行了评价。结果表明，新沂市水利现代化水平在2015年现状的评价值分别为85.53(云模型)和84.56(集对分析)，均处于基本现代化阶段，与实际情况相符；而2020年评价值为93.71(云模型)和91.38(集对分析)，预测能达到全面现代化，与“十三五”规划目标相符，验证了云模型评价方法的有效性和适用性。

水利现代化;指标体系;云模型;集对分析;新沂市

21世纪初,水利部成立了中国水利现代化进程研究小组,对我国水利现代化意义和内涵进行探讨,建立了相应的评价指标体系。水利现代化建设是现代经济社会发展不可或缺的基础性支撑,更是改善生态环境不可替代的保障系统,具有鲜明的公益、基础和战略性质[1]。水利现代化进程同时也是我国经济社会实现现代化发展的重要组成部分,根据国内外水利发展阶段,水利现代化将是水利发展的必经之路。目前国内有一些学者对水利现代化提出了自己的分析见解。喻君杰等[2]提出了江苏省水利现代化的目标内涵，同时构建了6大体系共22项指标系数的江苏水利现代化指标体系;严玲[3]对苏南水利现代化和指标体系进行了研究，并以此开发了水利现代化软件;张颖等[4]结合苏北实际情况进行了水利现代化指标体系的重新赋权研究。目前针对指标体系评价常用方法有多指标综合评判、层次分析法、模糊综合评价、TOPSIS等[5]。这些方法中有的计算复杂、主观性强,有的定性成分过多、权重较难确定。云模型是一种新的评价方法,该方法兼具模糊性和随机性,比较客观精确,能够较好实现定性与定量之间的转化。胡尊芳等[6]利用云模型分析了东平湖枯水期地下水水质评价;张金鑫等[7]采用云模型对流域内人水和谐关系进行分析;乔丹颖等[8]采用云模型来评价中运河的安全性。然而目前还没有学者采用云模型进行水利现代化评价,本文在前人研究基础上,参照徐州市水利水务现代化评价指标体系,以江苏省新沂市为实例对云模型应用于水利现代化评价进行了探讨。

表1 水利现代化评价指标体系

1 水利现代化内涵

水利现代化是指由传统水利向现代化水利以及可持续水利的转变,以达到强化水利保障体系的能力,推进人与自然和谐相处并保持生态文明发展进步的目的。水利现代化建设是一项涉及不同领域、层次、阶段的系统工程,水利现代化的最终目的是为了实现水资源的循环可持续利用,人水和谐,促进经济社会不断发展进步。根据我国的内涵要求并结合各地区规划与实际[2, 9],可以概括水利现代化的内涵要求为:以经济社会可持续发展以及人与自然和谐相处为原则,以先进科学的治水理念为指导思想,并基于经济社会发展进步的要求,通过现代化装备技术和管理手段,高效全面地改造传统水利,并建立起保障经济社会安全与可持续发展的防洪减灾系统、水资源优化配置与有效供给系统、水环境保护系统和水利发展服务系统;最终实现人水协调、优化配置、防洪减灾、山清水秀、供水保证、科学管理、高效运行、法制健全的目标,不断提高社会的安全、富裕与舒适水平,不断促进社会经济的全面、协调与可持续发展。

2 水利现代化评价指标体系

2.1 评价指标体系

目前传统水利仍然是通过水利工程的建造来满足人类各种需求,使人类社会经济不断发展进步,而现代水利往往是通过加强水资源的优化配置,来达到水资源的循环高效利用,促进社会进步[10]。水利现代化评价指标体系以及评价方法均是水利现代化的核心问题,评价体系中应包括定性、定量和综合评价三部分[11]。遵循国家水利发展方针,把水利现代化目标任务作为基础,同时结合地区自然环境条件、水利各项现状以及社会经济支撑能力,水利现代化的总体要求和目标可大致概括为:防洪减灾安全可靠、河湖生态优美健康、灌排标准全面提升、管理体系健全高效、水资源配置优化合理、调度运行科学有序。

水利现代化评价各指标的选取需遵循简明、科学、实用的原则,同时要借鉴国内外经验和教训,既要定性定量相结合,也要系统性和操作性兼具,还要注意可比性和代表性。本文以水利部及江苏省关于水利现代化建设的总体要求以及各地区县域水利现代化要求与目标为依据,参照引用徐州市水利水务现代化评价指标体系[12],选取了包括防洪除涝减灾、水资源保障、水环境与河湖生态保护、农村水利保障、供排水工程、水管理服务和水利发展保障体系7个方面的27项指标(表1)。其特点是,在江苏水利现代化评价指标体系[13]的基础上增加了供排水工程子体系,包括城市供水水质综合合格率、区域供水覆盖率、城市雨水排水达标率、城市污水集中处理达标率4项指标及城市污水处理回用率指标。

2.2 评价等级与标准

考虑经济社会发展与全面小康社会的建设相适应,将水利现代化水平分为4个等级(N=4):起步期、初等现代化、基本现代化和全面现代化,最终评价等级也使用这4个等级,并确定各评价指标不同等级的标准值。水利现代化指标体系评价等级与标准见表2。

表2 水利现代化评价等级与标准

3 水利现代化指标体系云模型(CM)评价

3.1 云模型原理

云模型是一种兼具模糊性和随机性的定性与定量转换模型,通过具有一定随机性的样本点的值分析计算样本的关联性、模糊性以及随机性[14-15],由3个特征值(期望Ex、熵En、超熵He)通过云发生器来实现样本定性和定量之间的转换。云模型不仅可以分析求解指标权重,也可以计算指标等级[5,16]。

期望Ex:与统计学中样本的期望概念相同,是所有云滴的平均值,也是最具样本特色的值;熵En:由样本本身随机性、模糊性定义,是样本的不确定性度量,也反映云滴之间的离散和模糊程度;超熵He:由熵随机性、模糊性定义,故可以称为熵的熵,反映熵的不确定性度量。

云模型中的云发生器一般包括正向、逆向和条件云发生器3种:①正向云发生器(FCG)即通过云的数字特征Ex、En、He来产生定量云滴xi与隶属度μi的过程,是由定性概念向定量指标的变化,如图1所示。②逆向云发生器(BCG)则是将一定数量的精确数值xi转化为其定性概念Ex、En、He,并根据3个数值特征做分析计算,是由定量数值向定性概念的转换,如图2所示。③条件云发生器由X云发生器与Y云发生器构成,他们均属于特殊的正向云发生器,即已知Ex、En、He,同时已知特定条件X或者Y来产生隶属度。通常由X与Y云发生器共同生成一个单条件单规则发生器,如图3所示。其中,本文通过结合逆向与正向云发生器来计算体系权重,并用X条件云发生器来计算各个指标的等级隶属度。

图1 正向云发生器

图2 逆向云发生器

图3 单条件单规则云发生器

3.2 云模型确定指标权重

本文在计算权重时先用逆向云发生器求得3个特征值,再用正向云发生器补充云滴获得权重,具体计算步骤如下[17]:

步骤1:收集一定数量专家各自的初始权重评价。

步骤2:通过逆向云发生器求解Ex、En、He;根据样本值xi和样本数n求Ex与样本方差s2：

(1)

(2)

根据样本均值求熵En:

(3)

根据样本方差和熵求超熵He:

(4)

(5)

(6)

(7)

3.3 云模型计算指标等级

确定评价目标指标值X与评价指标等级标准S后,通过X条件云发生器来计算各指标评价等级。

首先计算3个特征值并根据正反向指标求解各个指标在各等级下的隶属度[18,19]

(8)

式中:Sij,max,Sij,min分别为第i个指标在第j个等级中的上下限;Exij,Enij分别为第i项指标在j评价等级中的期望和熵。这里He=0.005,取云滴数m=1 000。

(9)

指标归一化处理时,正向指标采用式(10)～(12),反向指标采用式(13)～(15)计算:

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

对每个样本重复1 000次求出最后的确定度:

(16)

求出一个样本对应的4个等级指标后进行归一化处理:

(17)

通过级别特征值的方法进行评价等级评判[20],将最终评价等级以百分制形式表示:

(18)

式中k为各等级特征值。

整体评价等级评判:

(19)

式中μi为i体系的权重。

3.4 云模型评价流程

云模型具体应用实现过程如图4所示。

图4 云模型评价流程

4 实例研究

4.1 江苏省新沂市水利现代化基本情况

水利现代化是经济社会现代化不可或缺的一环,是各领域现代化的基础与保障,制约影响整体现代化进程。新沂市位于江苏省北部边缘,是徐州市的一个县级市,总面积1 616 km2。新沂市主要水系是“四河一湖”，即中运河、沂河、沭河、新沂河和骆马湖,水资源总量丰富,达18.9亿m3,地表水资源主来源于沂河、沭河、骆马湖和高塘、阿湖两座中型水库。多年来,新沂市先后兴建了大量的水利工程,形成了多级控制的工程体系,开挖、疏浚了16条河道;兴建堤防总长度673 km;修筑了30座中小型水库,水库总库容达到10 344万m3;建设泵站264座,水闸191座,灌区8个,基本形成了水利现代化体系,为促进新沂市经济社会发展和改善民生提供了重要的基础保障。

4.2 云模型指标权重计算

首先收集10位专家对于各指标权重的意见,构建判断矩阵,并把通过层次分析法计算出的专家评价权重作为初始权重(表3),然后再通过云模型的逆向、正向云发生器模拟1 000位专家的评价权重,通过求均值确定各指标的最终权重。

表3 层次分析法确定各系统初始权重

各指标体系权重的云模型图像如图5～11所示。

图5 防洪除涝减灾体系指标权重

由图5～11可以看出,各指标体系的模拟权重呈正态分布,通过求均值来求出对应的权重分别为0.180 1、0.160 3、0.139 5、0.120 5、0.119 8、0.159 6、0.120 2。重复以上步骤,可计算出各子体系中各指标的权重,结果见表4。

图6 水资源保障体系指标权重

图7 水环境与河湖生态保护体系指标权重

图8 农村水利保障体系指标权重

图9 城市供排水工程体系指标权重

图10 水管理服务体系指标权重

图11 水利发展保障体系指标权重

由表4可以看出,不同指标权重差距较大,流域防洪达标率占比最大,达到0.069 9;供水保证率次之,为0.059 9;其余大部分指标权重介于0.02～0.06之间;水域面积率与水利科技信息化水平的比重最低,均为0.019 6。

表4 云模型确定的指标权重

表5 云模型确定的2015年及2020年指标等级

4.3 云模型评价等级计算

根据新沂市水利现代化指标现状值与未来值,通过条件云发生器,可以计算各指标的等级隶属度,然后通过级别特征值法可以求出各体系的评价值与整体评价等级,具体计算结果见表5和表6。

分析结果显示2015年水利现代化评价中水资源保障体系的评价等级较差,只有73.16,其余大部分体系评分均介于80～90之间,而农村水利保障体系评分最高达到90.19,通过云模型最终计算得到的2015年整体评分为85.53,属于基本现代化,与新沂市现状相符,需要进一步加强水利现代化建设。而2020等级除水资源保障体系评分等级较差为89.08外,其余体系均达到全面现代化,整体等评分为93.71,属于全面现代化,与新沂市水利发展“十三五”规划目标一致。

4.4 评价结果分析

为了进一步验证云模型的准确性,本文另外采用集对分析法[21]进行评价,并将两种方法的评价结果进行对比分析。由集对分析得出评价等级结果见表7。

表6 2015年与2020年现代化云模型评价等级

表7 集对分析的现状值与未来值的现代化等级

由表7可得根据集对分析计算求得的新沂市现状值整体为84.56,属于基本现代化,2020年未来值整体为91.38,属于全面现代化,与云模型计算的结果一致。

根据最终现代化等级对比分析云模型与集对分析的优缺点:云模型除了具有模糊性以外同时还具有一定的随机性,文中求出的现代化评价等级两者的差距不大,云模型在计算过程中模拟的数据较多,更加精确可靠,同时正态分布是极其重要的概率分布,正态云模型的适用性和确定度较好。而在计算各个指标的隶属度过程中,由于集对分析在计算过程中通常通过vk=(1+uk)/2来求解隶属度,其最高隶属度只能到0.5,不能十分精确地反映指标等级,而云模型可以更准确地反映该指标在某个等级中,而且云模型可以更好地处理边界等级隶属度问题。但是云模型在计算指标等级中,若某指标值处于中间等级时,在边界等级评价的计算中可能会出现较小的误差。

云模型计算求得的新沂市2015年水利现代化评价值为85.53,由集对分析计算求得的是84.56,两者差别较小,均属于基本现代化阶段,且进一步向全面现代化发展。由各指标的等级隶属度可以看出,流域防洪达标率、集中式饮用水源地水质达标率、城市供水水质综合合格率均达到全面现代化的标准,其余部分指标也已经达到基本现代化阶段。但仍有多项指标现代化程度较低,相关部门应加强城市排水设施的建设,加快工业化工厂的转型,提高水资源利用率,同时也要注重污水处理与水利管理方面的加强,引进更多专业型人才并加强现代化建设。通过各方面的共同努力,尽快实现水利的全面现代化,争取达到2020年的期望值。根据集对分析计算的新沂市2020年预测水利现代化评价值为91.38,云模型计算的新沂市2020年预测水利现代化评价值为93.71,均已实现全面现代化。

综上,本文现状评价结果与新沂市水利现代化现状相适应,2020年的评价结果与新沂市水利现代化规划和水利发展“十三五”规划目标一致,评价结果具有合理性,验证了本文水利现代化云模型评价方法的有效性和适用性。

5 结 语

水利现代化建设是一项涉及不同领域、阶段、层次的系统工程,其目标是实现水资源的可持续利用,人与自然的和谐共处,以及经济社会的可持续发展。云模型是一种新的评价方法,该方法兼具模糊性和随机性,比较客观精确,能够较好实现定性与定量之间的转化。目前结合云模型对水利现代化评价的研究尚未见报道。本文以新沂市为计算实例,通过云模型计算了各指标的权重和评价等级,并用集对分析进行对比,验证了云模型评价结果的合理性。云模型既可以用来计算权重,也可以计算等级隶属度,适用性较广,在评价体系中有一定的应用意义。

当然,云模型在计算过程中,由于建模的不准确可能会导致超熵的计算出现问题,而在指标等级计算过程中,若某指标实际从属于某中间等级,那么在计算其边界等级隶属度时可能会出现较小的误差,需要对云模型做进一步优化研究。

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Evaluationandapplicationofwaterconservancymodernizationindexsystembasedonacloudmodel//

HUANG Xianfeng, LIU Zhanzhi, FANG Guohua

(CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Water conservancy modernization(WCM) forms an important part of the national modernization. To make the evaluation of WCM be more scientific and reasonable, an evaluation index system consisting of seven sub systems and twenty seven indices is established, including flood control and waterlogged reduction, water resources guarantee, water environment and ecological protection, rural water project guarantee, urban drainage and supply, water management service and water conservancy development guarantee. A cloud model(CM), which has both fuzziness and randomness is used for the evaluation.The CM determines the comprehensive evaluation index weight by using backward and forward cloud generator, and calculates the rank by condition cloudgenerator. The paper uses set pair analysis as a comparative analysis(SPA). A case study is put forward with XinyiCity of Jiangsu province. The results show that, the evaluation values are 85.53(CM) and 84.56(SPA)in 2015 and the level of WCM in Xinyi City is basic modernization, consistent with the actual situation.In 2020, the evaluation values are 93.71(CM) and 91.38(SPA), both can achieve the level of comprehensive modernization, consistent with the 13thFive-Year Plan. The effectiveness and applicability of the CM is verified.

water conservancy modernization; evaluation index system; cloud model; set pair analysis; Xinyi City

国家重点研发计划(2016YFC0400909);国家自然科学基金(51279047)

黄显峰(1980—),男,副教授,博士,主要从事水资源规划与水库调度研究。E-mail: hxfhuang2015@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.010

TV211.1

A

1006-7647(2017)06-0054-08

2017-02-18 编辑：郑孝宇)