基于anp-fce的臺蘭河灌區(qū)需水評價

基于anp-fce的臺蘭河灌區(qū)需水評價

0溫宿縣面臨的形勢水資源在人們的生活中起著非常重要的作用。這是人類生命的源泉，尤其是在干旱地區(qū)。水資源的重要性可以說是顯而易見的。但是,隨著環(huán)境的不斷變化以及水資源掠奪式開發(fā)利用,造成現(xiàn)在我國生態(tài)環(huán)境日益惡化,沙塵暴,PM過高的惡劣天氣時常發(fā)生,影響農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)以及人們生活,尤其在我國西北干旱地區(qū)水資源日益緊缺,同時水資源破壞以及過度開發(fā)利用等問題嚴(yán)峻。臺蘭河灌區(qū)位于溫宿縣東部,是新疆阿克蘇地區(qū)和溫宿縣建設(shè)糧棉油基地、畜產(chǎn)品基地和果品基地的重點區(qū)域之一,在溫宿縣國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中占有重要地位。經(jīng)水利部批準(zhǔn),臺蘭河流域作為《干旱區(qū)地下水庫關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》區(qū),研究地下水庫與地表水優(yōu)化配置、高效利用的新思路、新方法、新途徑;該示范工程為溫宿縣水利、城鎮(zhèn)發(fā)展創(chuàng)造了極佳的機(jī)遇。本文以臺蘭河灌區(qū)為研究對象,綜合考慮實際情況以及流域存在的問題,進(jìn)行本流域生產(chǎn),生活,生態(tài)需水模糊綜合評價,為臺蘭河灌區(qū)水利工程建設(shè)提供了依據(jù)。1通過反饋分析法確定指標(biāo)權(quán)重ANP-FCE方法是網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)和模糊綜合評價法(FCE)的集成、ANP是進(jìn)化的層次分析法(AHP),其核心是把整個系統(tǒng)分成幾層,認(rèn)為所有的元素是一個互補(bǔ)準(zhǔn)則層,和AHP法中各元素之間相互獨立是不同的。在許多實際問題,指標(biāo)層往往是相互關(guān)聯(lián)的,較低的元素對高層元素也有顯性效應(yīng),即有反饋,ANP正是適應(yīng)這種需要,由層次分析法擴(kuò)展演變而來的系統(tǒng)決策方法［１］。灌區(qū)需水評價的核心就是指標(biāo)權(quán)重的確定和評價方法。本文用網(wǎng)絡(luò)分析法確定需水評價各級指標(biāo)的權(quán)重,再利用模糊綜合評價法對灌區(qū)需水進(jìn)行評價［２］。1.1計算權(quán)重和隸屬度(1)權(quán)矩陣的計算是比較繁瑣的,控制層中相對目標(biāo)層A的一級指標(biāo)層為B１,B２,…,BＮ,二級指標(biāo)層為C１,C２,…,CＮ。第i層對j層的相互影響作用矩陣為:(2)超級矩陣W是通過相互之間的兩兩比較得出,每一列都是以某個元素為準(zhǔn)則的排序權(quán)重［４］。(3)為簡化計算過程,要將超矩陣的每列歸一化,用加權(quán)矩陣實現(xiàn)(4)求得二級指標(biāo)的隸屬度rｉｊ,得到隸屬度矩陣因本文采用專家群體打分法,以灌區(qū)缺水情況為例,20位專家中,若有10位認(rèn)為該區(qū)域缺水嚴(yán)重選擇較差,5位認(rèn)為一般,另外5位認(rèn)為不缺水,選擇較好,則該指標(biāo)的隸屬度集為[0,0.25,0.25,0.5]。(5)綜合評價,將加權(quán)矩陣W與隸屬度矩陣R相乘,進(jìn)行變換,得到A=WR,得出評價結(jié)果,進(jìn)一步分析灌區(qū)的需水情況。1.2生態(tài)需水對評價結(jié)果的影響構(gòu)建科學(xué)合理的需水評價指標(biāo)體系應(yīng)遵循:科學(xué)性、系統(tǒng)性、綜合性、層次性、容易獲取、區(qū)域性等原則。對灌區(qū)的生產(chǎn),生活,生態(tài)需水總量情況進(jìn)行等級評價是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,采取準(zhǔn)確,客觀,合理的評價體系,對評價結(jié)果有重要影響。從系統(tǒng)科學(xué)的角度出發(fā),需水需求的實現(xiàn)其實是水資源-生態(tài)-社會經(jīng)濟(jì)這個復(fù)合系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展功能的體現(xiàn)。要想實現(xiàn)整體功能的最優(yōu)化,必須合理地劃分環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會的結(jié)構(gòu);當(dāng)系統(tǒng)的演變有序而穩(wěn)定進(jìn)行,系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展才能夠得到保證。而這一系統(tǒng)受到自然因素、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境狀況、水資源狀況等因素的影響,使其處于不斷變化之中［３］。區(qū)域的水資源保有度與自然降水和蒸發(fā)有直接的關(guān)系,而人均GDP以及水資源的利用率直接決定區(qū)域生產(chǎn),生活的需水量。灌區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀,例如植被覆蓋率,干燥指數(shù)等,水資源的開發(fā)利用程度都與生態(tài)需水有著直接的關(guān)系。故根據(jù)灌區(qū)實際情況選取4個一級指標(biāo),13個二級指標(biāo)。見表1。2水資源及用電現(xiàn)狀灌區(qū)主要水源為臺蘭河,臺蘭河多年平均流量為23.36m３/s,多年平均徑流量為7.42億m３,多年平均徑流模數(shù)為17.64m３/s·km２,多年平均徑流深為556.7mm。變差系數(shù)Cv=0.12。平原區(qū)地下水年可開采量2.5億m３,現(xiàn)狀年地下水開采能力為0.8432億m３/a。臺蘭河灌區(qū)水資源總量為8.2632億m３/a。灌區(qū)內(nèi)大農(nóng)業(yè)用地面積5.94萬hm２,灌溉草場面積為0.55萬hm２,大農(nóng)業(yè)以及種植結(jié)構(gòu)不合理,生態(tài)環(huán)境脆弱。灌區(qū)內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)主要以農(nóng)業(yè)為主,工業(yè)總產(chǎn)值占國民經(jīng)濟(jì)比例較小,工業(yè)基礎(chǔ)薄弱。臺蘭河灌區(qū)水利工程大部分建于20世紀(jì)60年代,建筑標(biāo)準(zhǔn)低,經(jīng)過40多年的運行,工程普遍老化失修,引水渠道防滲襯砌被毀,滲漏嚴(yán)重,渠系建筑物多數(shù)均存在不同程度的損壞,供水能力大幅度降低。在灌水方法上,仍采用傳統(tǒng)地面灌水技術(shù),大水漫灌浪費現(xiàn)象還相當(dāng)嚴(yán)重,灌溉水利用系數(shù)仍然較低?，F(xiàn)狀年灌區(qū)生活,生產(chǎn)需水量為62502.78萬m３,農(nóng)業(yè)需水量占90%,需水等級一般,供水量雖然基本滿足需求,但存在嚴(yán)重的季節(jié)性缺水問題,受水資源因素影響極大。因此對灌區(qū)需水情況進(jìn)行評價,規(guī)劃變得十分必要。2.1權(quán)重的歸一化處理以上述工程實測數(shù)據(jù)為依據(jù),構(gòu)造ANP網(wǎng)絡(luò)判斷矩陣,首先構(gòu)造判斷矩陣,并由專家利用九級分制法進(jìn)行賦值。下面以WＢ１(指標(biāo)B１內(nèi)二級指標(biāo)權(quán)重)的構(gòu)建為例,來說明判斷矩陣及超矩陣的計算過程。以自然因素B１為準(zhǔn)則,以二級指標(biāo)C１為次準(zhǔn)則,與該一級指標(biāo)下的二級指標(biāo)C２,C３依次進(jìn)行比較,構(gòu)造判斷矩陣,結(jié)果見表2［４］。經(jīng)計算,矩陣的最大特征值及特征向量滿足一致性檢驗,最后將其歸一化處理得到上表數(shù)據(jù)。重復(fù)上述步驟,以C２,C３為次準(zhǔn)則,建立判斷矩陣,進(jìn)行一致性檢驗,滿足條件后,將特征向量進(jìn)行歸一化處理,得到權(quán)矩陣:繼續(xù)重復(fù)上述步驟,將得到一個4×4的未加權(quán)超矩陣:該矩陣可分為16個部分,每一部分均由類似WＢ１的權(quán)重矩陣構(gòu)成。對于一級指標(biāo)B１~B４,依次以B１,B２,B３,B４為次準(zhǔn)則,進(jìn)行兩兩比較,建立判斷矩陣,得出最大特征值和對應(yīng)的特征向量,進(jìn)行一致性檢驗后,滿足條件的就進(jìn)行歸一化處理,最終得到一個4階的全矩陣［４］。由于ANP各指標(biāo)層的元素之間往往是相互關(guān)聯(lián)的,低層的元素在高層元素中也有顯效性,即存在反饋,所以不同于AHP中元素的相互獨立。因此在計算w時需要反復(fù)迭代,利用matlab軟件編程,求得權(quán)重的極限值。經(jīng)過一致性檢驗,得到二級指標(biāo)權(quán)重為WＣ=[0.0323,0.0221,0.0512,0.163,0.122,0.1444,0.056,0.068,0.063,0.09,0.078,0.110],一級指標(biāo)層最終權(quán)重WＢ=[0.1056,0.4294,0.187,0.278]。傳統(tǒng)的AHP方法則利用專家九級分制建立判斷矩陣,直接計算最大特征值和特征向量,經(jīng)一致性檢驗后得到二級指標(biāo)權(quán)重WＣ１=[0.0308,0.0208,0.0589,0.0152,0.149,0.120,0.143,0.062,0.081,0.070,0.102,0.080,0.0673],一級指標(biāo)層最終權(quán)重WＢ２=[0.1105,0.2842,0.213,0.2493]。兩種方法得到的二級指標(biāo)權(quán)重排序相同,依次為B２>B４>B３>B１,但是由ANP方法求得的權(quán)重中水資源因素(B２)明顯占有較大優(yōu)勢,4個因素重要性分級明顯,與臺蘭河灌區(qū)的工程實際情況更加吻合。2.2群體評價結(jié)果選取20位熟悉當(dāng)?shù)厍闆r的專家,進(jìn)行群體打分,包括溫宿縣水利局的工作人員以及相關(guān)工程師。得到單因素評價表,見表3。根據(jù)表3,建立定性隸屬度矩陣:2.3土地影響因素的隸屬度將13個二級指標(biāo)的權(quán)重WＣ與表3求得的隸屬度矩陣R相乘,進(jìn)行變換,得到:根據(jù)最大隸屬度原則,V中的最大值為0.5455,對應(yīng)的評價等級為一般,在該灌區(qū)工程區(qū)域內(nèi)需水的主影響因素是水資源因素,生態(tài)環(huán)境因素,經(jīng)濟(jì)因素以及自然因素。水資源因素對該區(qū)域內(nèi)的綜合影響占據(jù)了主導(dǎo)地位。灌區(qū)很容易受到外部環(huán)境的影響,與工程實際情況一致。3確定評價體系本文利用ANP-FCE模型,對臺蘭河灌區(qū)進(jìn)行需水評價,得出結(jié)果一般,水資源因素對灌區(qū)需水影響占主導(dǎo)地位,與實際情況吻合,說明ANP-FCE方法在灌區(qū)需水評價中可行。因此在該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境的改善與管理的過程中,更應(yīng)該重視水資源的合理利用以及有效的管理,實現(xiàn)水資源的合理配置以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境相互協(xié)調(diào)發(fā)展,獲取更大的經(jīng)濟(jì)利益。另外,在計算權(quán)重的過程中充分考慮了影響需水評價指標(biāo)之間的相互關(guān)聯(lián)和相互影響,并與AHP方法計算結(jié)果進(jìn)行比較,提高了決策的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)有效性。但是由于在臺蘭