根据熵权的集对分析法在水资源可持续利用评价中的应用以塔里木河三源流地区为例.pdf

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1、书书书 文章编号： （ ） 基于熵权的集对分析法在水资源可持续 利用评价中的应用 以塔里木河三源流地区为例 收稿日期： ；修订日期： 基金项目：国家重点基础研究发展计划（ ） 计划项目（ ） 资助 作者简介：黎枫（ ） ，男，湖北荆州人， 年在中国科学院新疆生态与地理研究所获硕士学位，主要从事水资源可持续利用研究 ： 通讯作者：陈亚宁， ： 黎枫 ， 陈亚宁 ， 李卫红 ， 孟丽红 ， （中国科学院 新疆生态与地理研究所，中国科学院 绿洲生态与荒漠环境重点实验室，新疆 乌鲁木齐 ； 中国科学院 研究生院，北京 ） 摘要：以塔里木河三源流地区为研究对象，结合研究区 年统计年鉴资料，从社会经济、

2、水资源和生态环境三方面构建水资源可持续利用评价指标体系，采用集对分析和熵权法，对研究区水 资源可持续利用进行评价结果表明：塔里木河三源流地区水资源开发利用已基本达到饱和，水资源 可持续利用呈现弱不可持续状态，具体表现为和田地区（）阿克苏地区（）喀什地区（）基于 评价结果提出了一些促进三源流地区水资源可持续利用的措施 关键词：集对分析；联系度；水资源可持续利用；熵权法；三源流 中图分类号： 文献标识码： 引言 水资源可持续利用是指既要为社会经济的可持 续发展提供安全可靠的淡水供应，又要保证生态环 境良性循环所需的淡水资源，以达到社会经济、水 资源和生态环境的协调发展，从而有效地开发、利 用、管理

3、和保护水资源的一种合理利用方式 水 资源可持续利用评价作为水资源可持续利用研究的 重要依据，近期得到较快发展，现阶段评价方法主 要有：主成分法 、密切值法、物元法、模糊 综合评价法 、模糊可变模型法、神经网络模 型法 、系统动力学法和投影寻踪法 等，诸多 方法各有优点，但也存在不足本文针对水资源可 持续利用是一个社会经济水资源生态环境的复合 巨系统，各系统之间、系统内部各要素之间广泛存 在着确定性与不确定性的特点，结合近年来发展的 一种处理确定性与不确定性系统的新方法 集对 分析法 以中国西北地区塔里木河流域源流 区为研究对象，结合研究区 年的水资 源利用、社会经济发展及生态用水等方面资料构建

4、 了水资源可持续利用评价指标体系充分考虑各指 标的客观影响大小，采用基于熵权的集对分析法， 对塔里木河流域三源流水资源可持续利用进行评 价，为塔里木河流域源流区水土资源开发，社会经 济发展和生态环境保育提供科学支持 集对分析简介 集对分析（ ） 是赵克勤于 年提出的一 种系统分析方法 集对是指具有一定联系的 两个集合所组成的对子，集对论的核心思想是把确 定不确定视作一个确定不确定系统，在这个系统 中，确定性与不确定性互相联系，互相影响，互相 制约，并在一定条件下互相转化集对分析是指在 一定的问题背景下对所论两个集合所具有的特性进 行同异反三位一体的，确定性与不确定性相结合的 分析，并加以度量刻

5、画得出这两个集合在所论述问 题背景下的同异反联系度表达式的方法 设集合， 和集合， 第 卷第期 年月 冰川冻土 ， ，它们组成的集对 （，） ，对集 对 从同、异、反三个方面进行分析得到集对在 所论述问题背景下的同异反联系度表达式： （ ） （ ，且） 式中：为集对所具有的特性总数； 为集对中两 个集合共同具有的特性数；为集对中两个集合相 互对立的特性数；为集对中两个集合既不共同具 有也不相互对立的特性数，；为差 异不确定度系数，在， 区间视不同情况取 值，有时仅起差异标识作用；为对立度系数，运 算时取值为；，分别为集对中两个集合在 同一问题背景下的同一度、差异度和对立度因为 ，满足，故式（）

6、 联系度表达式可 简写为： （ 同异式） （ ） 或 （ 同反式）（ ） 或 （ 异反式）（ ） 基于熵权的集对分析评价法 设有个评价对象（， ） ，（，） ，个评价指标（， ，） ，（，） ，它们构成 个对象关于个指标的评价矩阵（ ） 设有级评价标准，个指标的第（， ） 级评价标准构成集合，采用集对分析法评价 时，集合与构成集对 （，） ，求解每 个集对的联系度表达式，算出联系度数的大小，对 不同评价等级的联系度数求加权和，根据联系度数 的大小即可判断各指标所属等级 指标权重的确定 熵权法 指标的归一化处理 对评价矩阵（ ）进行极差归一化处理 得到归一化矩阵（ ） 极差归一化： （ ） （

7、）效益型指标 （ ） （ ） （ ）成本型指标 （ ） 式中： 、 分别为第个评价指标下不同评 价对象中最大值和最小值 熵权的确定 根据熵的定义，可确定第个指标的熵： （ ） （ ） 第个指标的权重即为： （） （ ） （ ） 式中： （ ） （ ） ， 联系度表达式的确定 集对分析中联系度表达式的的确定和差异度系 数的确定至关重要，本文采用同异式，根据文献 中 ，和差异度系数的确定过程确定了成本 型指标的联系度表达式为计算方便，在求解效益 型指标联系度数时将其做适当变换转变为成本型指 标 成本型指标对，级标准的联系 度表达式为： 烅 烄 烆 ，） ，） ， ） （ ） （ ） 烅 烄 烆 ，

8、） ，） ，） （ ） ， ） （ ） 烅 烄 烆 ，） ，） （ ，） ，） （ ） ， ） （ ） 烅 烄 烆 ，） ，） （ ） ， ） （ ） 冰川冻土 卷 同级别个指标值的联系度数加权和即为该级别 的综合联系度值： （，） （ ） 式中：为第个指标的权重，并有 （ ，） 计算结果中最大值所在的级别即为评价结果所 属级别 实例研究 研究区概况 塔里木河流域地处新疆南部，面积约 文中所指的塔里木河三源流为和田河、叶尔 羌河和阿克苏河，它们分别位于和田、喀什和阿克 苏地区，是目前塔里木河干流的主要补给河流（ 图 ） ，故也称塔里木河源流区塔里木河源流区水资 源总量约为 ，其中，地表水 ，地

9、下水 年塔里木河源 流区总耕地面积为 ，总供水量达 ，分 别 占 整 个 塔 里 木 河 流 域 的 ， ，水资源开发利用率已经超过内 陆干旱区水资源开发利用率 的上限 ，并严 重影响了向塔里木河干流的输水量近年来，在全 球气候变化的大背景下，塔里木河三源流中的阿克 苏河和叶尔羌河径流量呈现明显增加趋势 但 随着三源流地区人口的增加，经济社会的发展，水 土资源的大规模开发，三源流向塔里木河干流输送 的水量呈逐年减少趋势，加上干流中上游的大量引 水，下游近 的河道断流，台特玛湖干涸，水 质恶化，地下水位下降，天然植被严重衰败，沙漠 化过程加重 图塔里木河源流区示意图 评价指标体系的建立及分级标准

10、的制定 评价指标体系的建立是水资源可持续评价的难 点之一，随着水资源可持续利用研究的不断深入， 表评价指标及分级标准 指标 社会经济 人口自然增长率， 增长率， 人均 （ 元人） ， 水资源 人均水资源量 （人） ， 人均供水量 （人）， 人均日生活用水 （人） ， 供水模数（ ） ， 水资源开发利用率， 耕地率， 耕地灌溉率， 生态环境 生态用水率， 干旱指数， 注：人口自然增长率是指人口出生率与死亡率之差； 人均 是指国内生产总值与人口之比； 人均水资源量是指水资源总量与总人口之 比； 人均供水量是指供水量与总人口之比； 人均日生活用水量是指生活用水量与 人口之比； 供水模数是指供水量与平

11、原绿洲面积之比； 水资源开发利用率是指总供水量与水资源总量之比； 耕地率是指耕地面积与平原绿洲面积之比； 耕地灌溉率是指灌溉耕地面积与耕地面积之 比； 生态用水率是指生态用水量与总耗水量之比； 干旱指数是指多年平均蒸发量（ 型水面蒸发量） 与多年平均降水量之比 期 黎枫等：基于熵权的集对分析法在水资源可持续利用评价中的应用以塔里木河三源流地区为例 表塔里木河源流区评价指标统计结果及其权重和隶属等级 ， 指标 阿克苏 实际值隶属等级 喀什 实际值隶属等级 和田 实际值隶属等级 三源流 实际值隶属等级 权重 劣 注：数据主要来源于 ， ， ， 年新疆统计年鉴；平原区绿洲面积来自文献 ；蒸发量与降水

12、量来自文献 已有很多关于评价指标体系建立的研究 本 文结合研究区的实际情况及相关研究 ， ，从 社会经济、水资源和生态环境三系统选取 项评 价指标构建了评价指标体系，制定了级评价标 准根据隶属函数，超过级评级标准，即属于 级时，级中的指标值与级有差异联系，此是不 合理的，因而需在级中需要选取一个值作为与 级有联系的上限，即在级中选一个最劣值作为划 分是否与级有差异联系的标准，定义此最劣值为 级评级标准对成本型指标，设定级标准的上 限值为级标准上限值的两倍；对于效益型指标， 设定级标准的上限值为级标准上限值的二分之 一（ 表） 级为较可持续，级为弱可持续， 级为弱不可持续，而级则表示较不可持续研

13、究 区 项评价指标 年实际值的平均值见 表 权重的确定 权重的确定是水资源可持续利用评价的又一关 键，常见方法可分为主观赋权法和客观赋权法前 者是由决策分析者根据各指标的主观重视程度赋 权，由于引入人为干预，无法消除人为因素的影 响，主要有专家调查法、层次分析法等后者根据 指标的实际信息通过客观运算赋权，避免了人为主 观因素的影响，主要有熵权法、单纯阈值法、主成 分分析法等为消除人为主观因素的影响，本文采 用熵权法，计算结果见表 水资源可持续利用评价与对比分析 由表可知 项评价指标以隶属于、级 者居多，源流区水资源可持续利用状况不容乐观 根据表中各评价指标的实际值，按式（）式 （ ） 联系度表

14、达式计算各评价指标对各级评价等级 的联系数再由（ ） 式可得各地区社会经济（ ） 、 水资源（ ） 、生态环境（） 三子系统以及由三子系 统组成的综合体水资源可持续利用（） 对不同评价 级别的联系度数（ 表） 为检验基于熵权的集对分析法（ ） 评价结 果 的 可 靠 性，将 其 与 基 于 等 权 的 集 对 分 析 法 （ ） 和改进型密切值法（） 评价结果相比较 （ 表 ）表显示，种评价结果隶属等级基本一 致，排序略有不同结合表中评价指标对各评价 等级的隶属情况，说明集对分析法评价结果可靠， 与实际情况更相符 结合权重，充分体现各 评价指标对水资源可持续利用的贡献，评价结果更 为科学 由表

15、可知，三源流各地区水资源可持续利用 状况表现为弱不可持续状态，地区水资源可持续 利用水平高低排序为和田地区阿克苏地区喀什 地区，与实际情况相符由表可知，选取的 项 评价指标权重排在前项的分别为干旱指数 ， 水资源开发利用率，生态用水率 ， 增长 率，人均水资源量和人均供水量，它们也 是对水资源可持续利用影响较大的因素 权重 冰川冻土 卷 表塔里木河源流区联系度数计算结果 地区系统 级别 阿克苏 喀什 和田 三源流 最大，对水资源可持续利用的影响最大，它是对研 究区降水、蒸发的综合反映，三源流地区以经济发 展以灌溉农业为主，降水、蒸发通过影响径流及水 资源时空分布影响区域生产生活，从而影响区域的

16、 水资源利用权重次之，对水资源可持续利用的 影响较大，阿克苏与喀什两地区水资源开发利用率 均已超过 ，远大于内陆干旱区水资源开发利 用率 的上限并已逼近水资源开发利用率的最 劣 值 ， 属 超 饱 和 开 发， 和 田 地 区 则 为 ，还具有一定的开发潜力 对水资源可 持 续 利 用 也 具 有 重 大 影 响，阿 克 苏 地 区 仅 为 ，远低于最劣值，喀什地区为 ， 略高于最劣值，和田地区最好，为 ，达到 级标准；地区评价指标 有所差异，但隶属于同 一级别，对各评价等级的隶属度数相差无几反 映水资源赋存条件好坏，是影响水资源可持续利用 的又 一 重 要 因 素，喀 什 地 区 人 均 水

17、 资 源 量 仅 为 人，相比级标准下限值，与最劣 值 人更为接近，水资源赋存条件较 差，阿克苏地区为 人，接近级标 准下限值，和田地区达到 人，水资 源赋存条件较好是反映区域对水资源的控制和 开发能力的指标，阿克苏和喀什两地区人均供水量 较大，但对比其人均水资源量可发现此两地区水资 源已经是过饱和开发利用 表三种评价方法评价结果对比 地区 隶属等级 排序 隶属等级 排序 隶属等级 排序 阿克苏 喀什 和田 三源流 注： ：基于熵权的集对分析， ：基于等权的集对分 析， ：密切值法 整个三源流地区水资源可持续利用隶属于 级，为弱不可持续水平究其原因为西部干旱区经 济以灌溉农业为典型特点的绿洲农

18、业为主体，加上 干旱区水利设施落后，耕地灌溉定额高，经济发展 需要消耗大量水资源，并导致部分地区生态用水受 到挤占三源流地区 增长率较高，但经济基 础较差，且人口自然增长率相对较高，这些不利的 社会经济因素也影响了水资源的可持续利用 从各子系统看，社会经济子系统具体表现为阿 克苏（） 喀什地区（）和田地区（） ，社会经 期 黎枫等：基于熵权的集对分析法在水资源可持续利用评价中的应用以塔里木河三源流地区为例 济的可持续是水资源可持续利用的经济基础和重要 目的，因而对和田地区则要努力改善现有社会经济 状况，对阿克苏和喀什地区则应尽量在保持现有社 会经济状况的基础上进一步优化社会经济状况，实 现社会

19、经济的又好又快发展；水资源子系统表现为 和田地区（） 阿克苏地区（）喀什地区（） ， 水资源子系统是水资源可持续利用的核心，节约用 水和提高水资源利用效率势在必行；生态环境子系 统表现为和田地区（）阿克苏地区（ ）喀什地 区（） ，良好的生态环境是人类生活和发展的基本 条件，是经济、社会发展的基础，生态环境保护需 要加强 结语 本文结合研究区实际情况，从社会经济、水资 源及生态环境三系统选取 项指标建立了水资源 可持续利用评价指标体系，在充分考虑各评价指标 对水资源可持续利用的影响大小的基础上，采用基 于熵权的集对分析法对塔里木河源流区水资源可持 续利用状况进行了评价结果显示，塔里木河源流 区

20、水资源可持续利用状况不容乐观，基本呈现弱不 可持续状态，具体为和田地区（）阿克苏地区 （）喀什地区（） ，与实际情况相符水资源可 持续利用的三子系统中，社会经济子系统表现为阿 克苏（） 喀什地区（）和田地区（） ；水资源 子系统表现为和田地区（）阿克苏地区（ ）喀 什地区（） ；生态环境子系统表现为和田地区（ ） 阿克苏地区（）喀什地区（） 密切值法计算简单，主要用于优劣排序研究， 改进型密切值法引入评价指标分级标准作为样本后 能进行优劣排序，也能对评级结果分级，但不能反 映各系统的优劣情况集对分析法评价结果可靠、 科学且直观，可操作性强，评价结果不仅能反映水 资源可持续利用的状况，还能反映各

21、系统对各评价 等级的隶属情况，能较好的应用于水资源可持续利 用评价而将熵权法与集对分析相结合，充分体现 各评价指标对水资源可持续利用影响的大小，评价 结果更为科学可靠 水资源可持续利用是一个复杂的巨系统，其优 劣不是水资源开发与供给等指标所能反映的，与社 会经济及生态环境均有紧密联系，因而为实现区域 水资源的可持续利用，必须实现社会经济、水资源 和生态环境三系统的均衡发展对于制约区域水资 源复合系统结构和功能的长时段因子较难改变，可 以通过调整中时段因子和改变短时段因子来实现区 域水资源的可持续利用 ，因而可采取的一些具 体措施为： （）在满足生态需水、维护生态环境稳定性的 前提下，保持塔里木

22、河源流区经济强劲增长势头， 增加人民，特别是农牧民收入在兼顾少数民族政 策的情况下彻底贯彻实施计划生育，有效控制人口 增长速度 （）将三源流和塔里木河干流作为一个整体， 实现流域的统一管理，并转变流域管理模式，实行 流域性的水资源需求管理模式和资产化管理模式 调节源流与干流，上中游与下游、两岸以及生态与 社会经济之间的用水矛盾 （）调整农业种植结构，发展生态农业，大力 宣传节水知识和推广节水技术，努力提高水资源利 用效率科学引导水土资源开发，适当加大水利投 资，完善水利设施，提高渠利系数，适当增加对地 下水的开采，减少或杜绝因水土开发而导致的土壤 盐渍化和水土流失 （）研究表明新疆塔里木河流域

23、气候正向暖湿 方向发展，气温降水有所增加，受气候变化等因素 影响阿克苏河与叶尔羌河径流呈增加趋势，和田河 径流表现为减少趋势 ，此势必会影响到三源流 地区的农业发展和水资源利用，因而在水资源利用 规划中应考虑气候变化及其对径流的影响 参考文献（ ） ： ， ， ， （） ： 欧阳彬生，何长高水资源可持续发展评价方法综述江 西水利科技， ， （ ） ： ， ， ，（） ： 傅湘，纪 昌明区域水资源承载能力综合评价 主成分分析法的应 用长江流域资源与环境， ，（） ： ， ， ， （） ： 卓飞豹，陈兴伟福建省水资源可持续利用的密切值法 评价水土保持研究， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ：

24、汤亚林，朱帅帮物元模型在新疆水资源承载力综合评 价中的应用水资源保护， ， （ ） ： 冰川冻土 卷 ： ， ， （） ： 许有鹏干旱地区水资源承载能力综合评 价自然资源学报， ，（） ： ， ， ， ， （） ： 孟丽 红，陈亚宁，李卫红新疆塔里木河流域水资源承载力评价研 究中国沙漠， ， （） ： ， ， ， （） ： 陈守煜，胡吉敏可变模糊评价法及在水资源承载能力 评价中的应用水利学报， ， （ ） ： ， ， ， ， （） ： 苏伟，刘景双，李方 神经网络在水资源承载 力预测中的应用水利水电技术， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （） ： 王建华，江东，顾定法，等基于 模型的干旱区

25、城市水资源承载力预测研究地理学与国土 研究， ， （ ） ： ， ， ， （） ： 卞建民，张芳投影寻踪技术在松嫩 平原西部水资源可持续利用中的应用水土保持通报， ， （） ： ， ， （） ： 赵克勤集 对分析及其初步应用大自然探索， ， （ ） ： ， ， ， （） ： 赵克勤，宣爱理集对论一种新的 不确定性理论方法与应用系统工程， ， （ ） ： ， ， ， ： ， ， 李祚泳，汪嘉杨，熊建秋， 等可持续发展评价模型与应用北京：科学出版社， ， ， ， （ ） ： ， ： 钱正英，沈国航，潘家铮西北地区水资源配置生态环 境建设和可持续发展战略研究（ 综合卷） 北京：科学出版 社， ： ，

26、 ， （） ， ， （ ） ： 陈亚宁， 徐宗学全球气候变化对新疆塔里木河流域水资源的可能性 影响中国科学（ 辑） ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （） ： 陈亚 宁，崔旺诚，李卫红，等塔里木河的水资源利用与生态保护 地理学报， ， （） ： ， ， ， ， （） ： 刘恒，耿雷 华，陈晓燕区域水资源可持续利用评价指标体系的建立 水科学进展 ， （） ： ， ， ，： 宋松柏，蔡焕杰区域水资源可持续利用的 指标 体系及评价方法水利学报， ，： ， ， ， ， （） ： 王友贞，施国庆，王德胜区域水资源承载力评价指标体系 的研究自然资源学报， ， （ ） ： ， ： 巢礼义，湖南省水资源

27、可持 续利用研究湖南师范大学硕士学位论文， ： ， ， ， ， ， （） ： 金菊良，丁晶，魏一鸣，等区域水资源可持续利 用系统评价的插值模型自然资源学报， ， （ ） ： ， ， （ ） ， ， （） ： 迪丽拜尔艾拜都拉，海米提依 米提，王志明塔里木盆地绿洲分布与水源的关系新疆 大学学报（ 自然科学版） ， ， （） ： ， ： ， ， 邓铭江中国塔里木河治水理论与实践北京：科学 出版社， ： ， ， ， ， （） ： 冯宝平，张展羽， 贾仁辅区域水 资 源 可 持续利 用机理分析 水利学报， ， （） ： ， ， ， ， ， ， （） ： 陈亚宁，徐长春，郝兴明，等新疆 塔里木河流域近 气候变化及其对径流的影响冰川冻 土， ， （ ） ： 期 黎枫等：基于熵权的集对分析法在水资源可持续利用评价中的应用以塔里木河三源流地区为例 ， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ） ： ， ， ， （ ） ， ， ， （） （） （） ， （） （） （） ， ， （） （） （） ， （） （） （） ， ， ： ； ， ； ； 冰川冻土 卷