基于模糊綜合決策的調(diào)水量分配模型

基于模糊綜合決策的調(diào)水量分配模型

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，水資源需求的增加。另一方面，水資源的缺乏變得越來越嚴(yán)重。另一方面，中國的水資源浪費(fèi)也非常嚴(yán)重。因此，建立完整的水保護(hù)體系和成熟的水保護(hù)市場，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，是當(dāng)前我國水資源管理的重點(diǎn)工作。在建立水保護(hù)市場之前，政府必須對水資源進(jìn)行初始分配，即初始分配。水權(quán)也稱水資源產(chǎn)權(quán),它是產(chǎn)權(quán)滲透到水資源領(lǐng)域的產(chǎn)物.主要是指水資源的所有權(quán),以及由水資源開發(fā)利用而產(chǎn)生的使用權(quán),包括占有、使用、經(jīng)營、轉(zhuǎn)讓、收益和處分等一系列權(quán)利,其核心是所有權(quán).在水資源的所有權(quán)屬于國家的前提下,水權(quán)主要是指水資源的使用權(quán),即單位與個人依照法律規(guī)定對國家所有水資源進(jìn)行使用收益的權(quán)利.初始水權(quán)的分配是一個多地區(qū)多目標(biāo)多層次的決策問題,涉及到流域內(nèi)各地區(qū)的社會、政治、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面因素,各影響因素之間通常有著不同的類別和層次.由于目前國內(nèi)對初始分配水資源的研究多是宏觀理論指導(dǎo),缺乏微觀量化.為此,本文嘗試?yán)媚：C合決策、層次分析法(AHP)等理論,構(gòu)建水權(quán)初始分配數(shù)學(xué)模型,以期能有助于初始水權(quán)分配.1初始水權(quán)分配的數(shù)學(xué)模型首先,選擇能代表影響水資源優(yōu)化分配因素的指標(biāo),并建立指標(biāo)體系,構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)圖.然后,利用層次分析法計(jì)算出各影響因素的權(quán)重,再根據(jù)兩個層次多因素決策方案模糊優(yōu)選方法,建立初始水權(quán)分配的數(shù)學(xué)模型,其步驟見圖1.1.1水權(quán)分配指標(biāo)的測定初始水權(quán)分配涉及各地區(qū)的資源、人口、社會、經(jīng)濟(jì)、生活、環(huán)境和生態(tài)等方面的利益.分配時主要遵循的原則有:①流域統(tǒng)一分配原則;②分水優(yōu)先原則;③公平用水原則;④可持續(xù)性原則.從水權(quán)分配的原則出發(fā),綜合考慮各方面因素,依據(jù)概念清楚、資料易得、便于計(jì)算、各自獨(dú)立的原則,選擇能夠反映分水原則的指標(biāo)體系.其8個指標(biāo)為:(1)缺水指標(biāo)用本地區(qū)的缺水率、缺水量占全區(qū)缺水量的比例,表示缺水地區(qū)應(yīng)適當(dāng)增加配水量.(2)產(chǎn)水量指標(biāo)以產(chǎn)水量的多少作為定性指標(biāo),以體現(xiàn)水源地優(yōu)先的原則.(3)節(jié)水指標(biāo)由于水資源短缺,應(yīng)在節(jié)水的基礎(chǔ)上進(jìn)行水量分配.對于同樣程度缺水的不同地區(qū),水利用程度高的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先分水、多分水.采用各地區(qū)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水的利用系數(shù)來反映水資源利用效率.(4)平均分水量指標(biāo)用人均和每公頃土地配水定額反映用水的公平性.同時,增加人均分水量、每公頃土地分水量加降雨兩個指標(biāo).(5)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)用流域內(nèi)(或區(qū)域內(nèi))各省(地區(qū))的國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值、工業(yè)產(chǎn)值和糧食產(chǎn)量分別占全流域(或全區(qū))GDP、工業(yè)總產(chǎn)值和糧食總產(chǎn)量的比例,表示其國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展在流域內(nèi)的重要程度.(6)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)以每立方水產(chǎn)生的國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值表示各省(地區(qū))生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益.(7)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)以與水資源開發(fā)利用相關(guān)的生態(tài)環(huán)境狀況作為定性指標(biāo)(主要包括土地次生鹽堿化、河流斷流、地下水降落漏斗、水質(zhì)污染等4個方面).(8)社會發(fā)展指標(biāo)主要通過醫(yī)療衛(wèi)生狀況、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動率、科技進(jìn)步貢獻(xiàn)率、人口增長這4方面來反映.疾病傳播范圍廣、醫(yī)療衛(wèi)生條件不好的地區(qū)應(yīng)適當(dāng)增加配水量.以上指標(biāo)中的(1)～(4)個指標(biāo)反映了地區(qū)水資源利用情況對水權(quán)分配的影響;第(5)和第(6)個指標(biāo)反映了地區(qū)經(jīng)濟(jì)對水權(quán)分配的影響;第(7)個指標(biāo)反映了環(huán)境因素對水權(quán)分配的影響;第(8)個指標(biāo)反映了社會因素對水權(quán)分配的影響.1.2中間因素層和指標(biāo)體系層在建立層次結(jié)構(gòu)圖時,應(yīng)將實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置作為最高層的總目標(biāo)列;將影響水資源優(yōu)化分配的各個因素(如資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會等)作為中間因素層;將影響各因素的約束條件作為指標(biāo)層;將實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)的具體方案,即各個地區(qū)的總分配水量作為方案層放在最底層.將上、下層次之間有關(guān)系的因素用直線連接,以構(gòu)建水權(quán)分配層次結(jié)構(gòu)圖(見圖2).1.3確定指標(biāo)權(quán)重采用基于層次分析的判斷矩陣分析法,計(jì)算各影響指標(biāo)的相對權(quán)重值.其步驟如下:第1步確定目標(biāo)V和指標(biāo)集U將流域內(nèi)每一個需分水的地區(qū)均看作為一個方案,則可設(shè)決策論域V為方案集,V={地區(qū)1,地區(qū)2,…,地區(qū)m}={v1,v2,…,vm}.對影響各地區(qū)水資源分配的指標(biāo)分為兩個層次:第一層次指標(biāo)集U={U1,U2,…,U8}(8個一級指標(biāo));第二層次指標(biāo)集U1={u1,u2},U2={u3},U3={u4,u5,u6},U4={u7,u8,u9,u10},U5={u11,u12,u13},U6={u14},U7={u15,u16,u17,u18},U8={u19,u20,u21,u22}.第2步計(jì)算第二層指標(biāo)集內(nèi)的指標(biāo)權(quán)重對分指標(biāo)集Up(p=1,2,…,8)內(nèi)的np個指標(biāo)構(gòu)造判斷矩陣.其中,uij的值可根據(jù)表1的方法來確定,fuj(ui)表示第i指標(biāo)與第j指標(biāo)相比的重要程度.通過指標(biāo)的兩兩相互比較,求得相應(yīng)的重要性判斷矩陣UP=?????????u11u21?unp1u12u22?unp2????u1npu2np?unpnp?????????UΡ=[u11u12?u1npu21u22?u2np????unp1unp2?unpnp]計(jì)算判斷矩陣Up的最大特征值λmax,即解Upw=λmaxw,λmax所對應(yīng)的特征向量wp即為所要確定的np個指標(biāo)的權(quán)重ωk(k=1,2,…,np),記為:wp=(ω1,ω2,…,ωnp).為驗(yàn)證各指標(biāo)權(quán)重的合理性,還需要對判斷矩陣Up進(jìn)行一致性檢驗(yàn).檢驗(yàn)合格后,即認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性要求,權(quán)重分配才算合理.第3步計(jì)算各方案在第二層指標(biāo)集內(nèi)各指標(biāo)下的優(yōu)屬度:①建立np個單指標(biāo)模糊優(yōu)先關(guān)系矩陣Bk=(bkijijk)m×m(k=1,2,…,np),其中,bkijijk為在指標(biāo)uk下,vi對vj的優(yōu)先關(guān)系系數(shù),且bkij=?????0?若在指標(biāo)uk下?vj優(yōu)于vi；0.5?若在指標(biāo)uk下?vi與vj等優(yōu)；1?若在指標(biāo)uk下?vi優(yōu)于vj.bijk={0?若在指標(biāo)uk下?vj優(yōu)于vi；0.5?若在指標(biāo)uk下?vi與vj等優(yōu)；1?若在指標(biāo)uk下?vi優(yōu)于vj.②根據(jù)下式將矩陣Bk改造成模糊一致矩陣Rk=(rkijijk)m×m.rkij=rki?rkj2np+0.5；rki=∑l=1mbkilrijk=rik-rjk2np+0.5；rik=∑l=1mbilk③運(yùn)用方根法,計(jì)算方案vi在某單指標(biāo)uk下的優(yōu)屬度pskiik.④計(jì)算各方案的綜合優(yōu)屬度pSi.第4步對指標(biāo)集U進(jìn)行總體方案優(yōu)選.將每一個分指標(biāo)集看作一個指標(biāo),則根據(jù)第2步求出分配初始水權(quán)的8個一級指標(biāo)的權(quán)重:ω=(ω1,ω2,…,ω8);再根據(jù)第3步求出m個方案在高一層次上的總體優(yōu)屬度Si(i=1,2,…,m).根據(jù)求得的各省(地區(qū))總體優(yōu)屬度Si和總水量W總,即可計(jì)算得各省(地區(qū))的水權(quán)分配量W=W總S=(W1,W2,…,Wm)2水系及供水概況南水北調(diào)東線工程,是在現(xiàn)有的江蘇省南水北調(diào)工程和京杭運(yùn)河航道工程、治淮工程的基礎(chǔ)上,并結(jié)合治淮計(jì)劃而興建的調(diào)水工程.該工程的興建必將帶來區(qū)域水資源供需關(guān)系的變化.現(xiàn)應(yīng)用本文建立的初始水權(quán)分配數(shù)學(xué)模型,分配該工程的調(diào)水量.南水北調(diào)東線工程共分三期實(shí)施.其中,一期工程已于2002年開始,將于2007年完工.先調(diào)水到山東半島和魯東地區(qū),以緩解這些地區(qū)最為緊迫的城市缺水問題,并為向黃河以北應(yīng)急供水創(chuàng)造條件.一期工程的規(guī)劃規(guī)模為:抽長江水500m3/s,入東平湖100m3/s,過黃河50m3/s,向山東半島供水50m3/s.一期工程建成后,多年平均抽江水量為89.37億m3,送山東半島水量為8.76億m3.南水北調(diào)工程實(shí)行資本金制度,按照各省區(qū)的投資份額來決定各自的取水額度.一期工程向供水區(qū)凈增加供水量為39.32億m3.其中,江蘇省19.22億m3,安徽省3.29億m3,山東省16.81億m3(其中魯西南3.80億m3,山東半島8.76億m3,魯北4.25億m3).南水北調(diào)東線一期工程跨越長江、淮河、黃河和海河4大水系,供水范圍為蘇北、皖東北、魯西南、魯北和山東半島.供水范圍內(nèi)各地區(qū)的自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不盡相同,故本文將供水區(qū)籠統(tǒng)的劃分為江蘇省、安徽省、魯南、山東半島和魯北5大片.(1)影響東北方工程水權(quán)分配的指標(biāo)方案集V={v1,v2,…,vm}={江蘇省供水區(qū),安徽省供水區(qū),魯南供水區(qū),山東半島供水區(qū),魯北供水區(qū)}.影響東線一期工程水權(quán)分配的各指標(biāo)見表2.(2)初始水權(quán)分配S=[0.41210.08640.10810.25520.1382]S=[0.41210.08640.10810.25520.1382]然后,根據(jù)一期工程新增供水量39.32億m3,計(jì)算各供水區(qū)的分水量W=W總S=39.32×?????????????0.41210.08640.10810.25520.1382?????????????=?????????????16.213.404.2510.035.43?????????????W=W總S=39.32×[0.41210.08640.10810.25520.1382]=[16.213.404.2510.035.43]計(jì)算結(jié)果表明,南水北調(diào)東線一期工程調(diào)水量的初始分配,應(yīng)分給