本文摘要：原标题：思量权重不确定性的珠三角地域水情况承载力评价:基于博弈论与云模型摘 要：针对水情况承载力评价中差别赋权方法评价效果及品级认定差异问题,在现有水情况承载力评价赋权方法的基础上思量权重盘算的不确定性,用博弈论举行组合赋权,引入云模型举行革新,并以珠三角地域为例,对比分析博弈论-云模型赋权法与五种组合赋权法的评价效果,探究该方法在水情况承载力评价中的适用性。

原标题：思量权重不确定性的珠三角地域水情况承载力评价:基于博弈论与云模型摘 要：针对水情况承载力评价中差别赋权方法评价效果及品级认定差异问题,在现有水情况承载力评价赋权方法的基础上思量权重盘算的不确定性,用博弈论举行组合赋权,引入云模型举行革新,并以珠三角地域为例,对比分析博弈论-云模型赋权法与五种组合赋权法的评价效果,探究该方法在水情况承载力评价中的适用性。效果讲明:(1)在水情况承载力评价中,博弈论-云模型赋权法思量了单一赋权方法自己的局限性以及方法选择的主观不确定性,可用于当前对水情况承载力认识不足情况下的量化评价;(2)五种组合赋权法在珠三角地域水情况承载力品级评定中跨品级的区县共14个,占评价工具的16%,通过云相似度盘算确定评价品级的方法可以降低人为分级的主观影响,客观地反映区域水情况承载力水平;(3)整体上,珠三角大部门地域水情况承载力处于基本可载水平,各区县承载力品级从Ⅱ级到Ⅳ级不等,空间上体现为中部低、工具高。将博弈论-云模型赋权法用于水情况承载力评价,其评价效果可以为水情况治理提供越发科学合理的决议依据。

关键词：水情况承载力综合评价; 云模型; 博弈论; 珠三角地域;作者简介：宋菲燕(1997—),女,硕士研究生,主要从事水文水资源方面的研究。E-mail:songfy3@mail2.sysu.edu.cn;林凯荣(1980—),男,教授,博士,主要从事水文水资源方面的研究。

E-mail:linkr@mail.sysu.edu.cn;基金：国家重点研发计划(2017YFC0405900);国家优秀青年科学基金项目(51822908);广东省特支计划百千万工程青年拔尖人才计划(42150001);引用：宋菲燕，林凯荣，何艳虎，等． 思量权重不确定性的珠三角地域水情况承载力评价: 基于博弈论与云模型［J］. 水利水电技术，2020，51( 11) : 145-154.SONG Feiyan，LIN Kairong，HE Yanhu，et al． Assessment of water environment carrying capacity in the Pearl Ｒiver Delta region with considering weight uncertainty: based on game theory and cloud model［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 11) :145-154.0 引 言近年来,随着工业化生长,水情况污染、水资源短缺等问题开始浮现,人口增长、都会化历程更是加剧了水生态情况和社会经济生长之间的矛盾。“承载力”的观点随着“可连续性”观点提出,区域的承载力越高,可连续生长的潜力就越大。由于情况所能支持的人类经济社会运动强度是有限的,当人类社会经济运动的影响凌驾了情况所能支持的极限,即情况承载力时,就会发生不行逆转的情况破坏,因此可以用情况承载力作为权衡人类社会经济与情况协调水平的判据。

水情况承载力作为标度水情况与社会经济运动协调水平的一个指标,对区域的生长计划和情况治理具有重要的参考价值。近年来,水情况承载力的评价方法已取得了较大的希望。徐志青等以南京市为例,接纳模糊综合评价法对该市的水情况承载力举行综合评价,并使用障碍度模型诊断影响其水情况承载力的主要障碍因素,阐明南京市水情况承载力的动态变化特征及主要影响因素;WANG等用条理分析法和可变模糊模式识别模型对水情况承载力举行动态一连评估;曾现进等基于条理分析法建设指标体系,并用向量模法对2005—2020年的宜昌市水情况承载力评价和分析;邓红卫等基于GIS与离差平方和组合赋权法对恩施地域的水情况承载力举行评价。

但由于水情况承载力的界说和盘算尚没有统一的尺度,因此水情况承载力评价存在不确定性。李德毅提出的云模型,联合了模糊性和随机性,是实现定性观点与定量表现的不确定性转换模型,被认为是当前水情况承载力评价中较为有效的方法。

许玲燕等用云模型举行评语集的生成和隶属度盘算,对太湖流域镇江区域农村水情况承载力举行评价,取得了较好的效果;门宝辉等运用云模型生成评价品级云,并凭据综合评价效果盘算隶属度,对水情况承载力的水平举行判断。综上所述,水情况承载力的评价方法是多样的,但大多都需要通过选取指标举行评价模型的构建。

在这些方法中,指标权重简直定是影响水情况承载力评价的重要因素。常用的权重确定方法有主观赋权法、客观赋权法和主客观组合赋权法三类,主观赋权法受小我私家偏好和历史履历等的影响导致主观不确定性较强,客观赋权法因无法思量指标间的差异,其赋权效果可能违背人的认知。

组合赋权法的不确定性则主要源于组合方法选择的差别。前人的研究中对权重盘算不确定性的讨论多集中于主观赋权法中人为因素的影响,但由于差别方法关注重点差别所得权重效果差别而引起的评价效果的差异却经常被忽略,因此本文在六种单一赋权法的基础上,用博弈论举行组合赋权,并引入云模型举行革新。该方法可以综合思量差别赋权方法的优点,用权重云的形式对权重的不确定性举行有效表达,可以反映差别赋权方法权重之间的差异。本文接纳基于博弈论和云模型的赋权方法生成权重云,用具有不确定性的权重云取代绝对的权重举行盘算,获得具有一定规模的水情况承载力综合评价效果,该赋权方法可以改善单一赋权方法中因方法选择差别造成评价效果偏大或偏小的问题,为水情况治理提供更合理的决议依据。

本文将上述方法用于珠三角地域的水情况承载力综合评价分析,从社会经济、水污染、水生态情况、水资源四个系统中选取20项评价指标,使用驱动力-压力-状态-响应(D-P-S-R)模型举行指标体系的构建,以区、县为评价单元,对珠三角地域九个市(共 49 个区、县)的水情况承载力举行综合评价分析,以探究珠三角各区县的水情况状况,为当地水情况治理提供依据。1 研究区概况与数据泉源1.1 研究区概况珠三角地域位于广东省中南部,包罗广州、佛山、肇庆、深圳、东莞、惠州、珠海、中山、江门九个都会,气候类型为亚热带季民风候,年降水量为1 600～2 300 mm。区域土地面积5.48万km2,占全省31%,城镇化率高达86%。珠三角地域水资源量较富厚,但由于需水量逐年增加,水资源开发使用率也逐年升高。

2018年珠三角地域总用水量为221.1亿m3,同时,废水排放总量高达82.6亿t,占全省废污水排放总量的72%,对当地的水情况造成了极大压力。2018年中国生态情况部统计资料显示,珠江口河口海湾水质80%为Ⅴ类及劣Ⅴ类,讲明在当前的经济生长水平下,珠三角地域的水情况状况亟待改善。

1.2 数据泉源本文的数据主要泉源于2017年度珠三角地域9市的统计年鉴、水资源公报、情况状况公报、生态文明建设计划及政府网站上宣布的水质监测数据,《2017年广东省水资源公报》。《2018广东统计年鉴》《2019中国统计年鉴》。

年降水量数据泉源于中国气象数据网,市县级行政区划数据、土地使用数据、河流数据泉源于中国科学院资源情况科学数据中心,植被笼罩度数据由地理空间数据云的Landsat 8数据通过合成波段盘算获得。2 研究方法本文接纳D-P-S-R模型和条理分析法(AHP)举行水情况承载力指标体系的构建,并基于博弈论和云模型提出一种新的综合赋权方法对各指标举行权重盘算,获得权重云,将权重云与尺度化的指标体系矩阵相乘获得综合评价云,通过综合评价云与尺度云举行相似度盘算评定水情况承载力品级,在此基础上分析各评价单元的水情况承载力状况,评价流程如图1所示。

图1 水情况承载力综合评价流程2.1 评价指标体系构建D-P-S-R模型可以用来形貌社会经济生长需要及人类运动与水情况之间的关系,即在社会经济需求驱动下,人类从自然情况中获取资源的同时造成水污染、水生态破坏、水资源短缺等事件,发生水情况压力,导致水情况系统发生变化,这些变化促使人类接纳相应的政策措施改善现状、恢复水生态情况,从而再次反作用于社会、经济和人口所组成的复合系统。在现有的研究基础上,本文运用D-P-S-R模型和条理分析法,从社会经济、水污染、水生态情况、水资源四个系统中选取了20项评价指标,根据驱动力、压力、状态、响应四个维度构建了珠三角地域水情况承载力综合评价指标体系(见表1)。其中驱动力模块包罗人口密度、地均GDP等4个指标,主要通过人口规模、经济生长水平来反映人类生发生活发生的需求;压力模块包罗地均污水排放量、人均综适用水量等5个指标,从水污染、用水、需水等方面体现水情况系统所蒙受的压力;状态模块包罗人均水资源量、主要江河水质种别、生态情况状况指数等6个指标,表征现状水情况系统可以为人类运动提供的资源情况支持;响应模块主要反映政府为减轻水情况系统压力接纳的控制性政策和措施,本文选取了水功效区水质达标率、污水集中处置惩罚率等5个指标。表1 珠三角水情况承载力综合评价指标体系2.2 水情况承载力综合评价云模型是李德毅院士提出的实现定量数值和定性观点相互转换的模型,定量数值向定性观点的转换通过逆向云发生器实现,定性观点的定量化表现由正向云发生器实现,期望(Ex)、熵(En)和超熵(He)是实现两者相互转换的前言。

在文中Ex表现权重样本、水情况承载力综合评价效果和承载力各品级尺度的中心值;En表现以上三者的取值规模,该值越大样本离散度越大;He表现三种云的厚度,该值越大云滴的离散度越大,随机性越大。2.2.1 思量不确定性的权重盘算单一的赋权方法只思量到了信息的某一个特性,各赋权方法之间关注的重点差别,所获得的权重系数也差别,因此评价效果存在较大差异。

基于博弈论的组合赋权法联合了主、客观赋权方法的优点,全方位地思量各个指标间的固有信息,降低主观随意性进而提高指标赋权的科学合理性,有效降低了单一赋权法造成的效果不确定性。因此本文基于博弈论组合赋权法,将主观赋权方法条理分析法划分与客观赋权方法熵权法、CRITIC法、变异系数法、尺度差法、坎蒂雷法组合后获得五组组合权重系数,并以此为样本,使用云模型生成权重云,用权重云取代单一权重系数举行综合评价盘算。

权重云简直定步骤如下:①划分用六种单一赋权方法举行权重盘算;②使用博弈论将主客观赋权方法举行组合,获得5种组合赋权权重(见表2),组成权重样本矩阵。按下式举行博弈论组合赋权盘算:表2 基于博弈论的组合赋权权重系数及权重云特征值用主观赋权法和客观赋权法划分对指标赋权,获得权重集记两个权重向量任意组合为基于博弈论的思想,以w和wk(wk为第k种方法盘算获得的基本权重集)最小离差为目的优化组合系数,优化函数和最优化一阶导数条件如下③用逆向云发生器,生成权重云特征值矩阵W={Exi,Eni,Hei| i=1,2,…,20}(见表2)。本文权重云的特征值接纳四阶矩预计算法,盘算公式如下2.2.2 水情况承载力盘算承载力综合评价云由权重云特征值矩阵W={Exi,Eni,Hei| i=1,2,…,20},与归一化的指标值矩阵R={rij| i=1,2,…,20,j=1,2,…,49}相乘所得的特征值矩阵P通过正向云发生器生成如下正向云发生器的实现步骤如下:水情况承载力的可变规模以综合评价云的中心正态漫衍曲线为准,并取0.9隶属度水平的区间值作为最终评价效果。

2.2.3 水情况承载力品级评定承载力分级尺度参考现有研究结果及《生态情况状况评价技术规范》(HJ/T 192—2017)的情况分级尺度,将水情况承载力划分为五个品级(见表3)。表3 水情况承载力分级尺度 为了降低人为分级带来的主观不确定性,将此分级尺度换算成表现水情况承载力各级尺度的特征值,并凭据上述特征值由正向云发生器生成水情况承载力分级尺度云S(见图2),作为水情况承载力品级划分的参考依据。图2 水情况承载力分级尺度云水情况承载力各特征值盘算如下各评价工具的最终承载力品级通过比力综合评价云和分级尺度云的相似水平举行确定,以两者相似度最高的一级作为水情况承载力的品级。

本文接纳基于组合模糊贴近度的云相似度盘算法(CFSM)举行盘算,相似度越高,表现两个云所形貌的观点越靠近。云相似度盘算公式如下3 效果分析3.1 单一赋权法权重系数离散度分析五种客观赋权法盘算所得权重系数如图3所示,除了少数指标的权重系数相对集中外,其余指标权重系数均较为疏散,讲明五种客观赋权法的赋权效果差异较大。

主观赋权法AHP与五种客观赋权效果相比,其权重系数大多小于客观赋权效果的极小值或大于极大值,主、客观赋权效果存在较大差异。六种单一赋权法的赋权效果对比讲明,现在评价研究中差别方法所得的权重系数存在较大的不确定性。

图3 五种客观赋权法权重系数漫衍与AHP权重系数对比 文中接纳博弈论理论将主观赋权法AHP与五种客观赋权法举行两两组合,获得五组组合权重系数。博弈论联合了主观赋权法和客观赋权法的优点,极大降低了单一赋权法赋权效果的离散度,使得权重系数越发集中,但仍然存在单一赋权法遗存的不确定性。

部门指标组合权重系数的云图如图4所示,图中四个云图的云滴厚度均较厚,云滴较为疏散,讲明权重的不确定性较大,四个指标中,住民可支配收入、城镇面积占比的相对变化幅度(En/Ex×100%)划分为36.36%和57.14%,讲明差别组合权重之间仍然存在较大差异,离散度高。权重云对组合权重集的不确定性表达一方面将离散的权重系数区间化,划定了权重系数的可变规模,另一方面则是通过云的模糊化表达来表征差别权重盘算方法之间的差异。图4 部门指标权重云3.2 组合赋权法与博弈论-云模型赋权法评价效果对比分析组合赋权法与博弈论-云模型赋权法评价效果对比分析效果如图5所示。

由图5可知,在五种组合赋权的评价效果中,差别方法的评价效果存在差别水平的差异,其中AHP-变异系数法的承载力评价效果最高,AHP-尺度差法组合赋权法的承载力评价效果整体偏低,在差别方法下各区县评价效果的极差可达0.1,两种评价效果间相差了一个品级。在0.9和0.95的隶属度水平上,49个区县基于博弈论-云模型的水情况承载力综合评价效果围绕评价云的均值在小规模内颠簸,0.9隶属度水平上的颠簸规模基本笼罩了五种组合赋权法的差别评价效果,因此取0.9隶属度水平的区间值作为最终评价效果。

下面以广州市黄埔区和深圳盐田区为例举行分析。图5 差别隶属度水平下水情况承载力与五种组合赋权法评价效果对比差别赋权方法在黄埔区的水情况承载力评价效果对好比图6所示。由图6可知,五种组合赋权法在黄埔区和盐田区的评价值差异均较大,且同一种方法在差别区域盘算获得的评价值相对巨细也有所差别,盐田区评价值最低的为AHP-熵权法,黄埔区评价值最低的则为AHP-CRITIC,两区承载力评价值极差划分为0.07和0.05;从承载力品级的评定效果来看,差别方法评定的品级也有所差别,在黄埔区,AHP-坎蒂雷法和AHP-变异系数法的评价品级与博弈论-云模型赋权法的综合评价品级一致,均为Ⅲ级,而其它三种方法的承载力品级则偏低;盐田区承载力品级评价效果与博弈论-云模型赋权法一致的是AHP-坎蒂雷法和AHP-熵权法,其它三种方法整体偏高。

与几种组合赋权方法获得的评价效果差别,基于博弈论-云模型的综合评价云可通过与尺度云的相似度盘算效果确定承载力品级,同时也提供了一个可变参考规模:黄埔区的承载力品级经相似度盘算评定为Ⅲ级,其承载力评价值的中心值为0.36,综合评价云主要跨了Ⅱ、Ⅲ两级;在盐田区,承载力品级评定为Ⅳ级,其中心值为0.75,综合评价云主要跨了Ⅳ、Ⅴ两级。图6 差别赋权方法在黄埔区、盐田区的水情况承载力评价效果对比总体上,博弈论虽然综合思量了主观赋权法和客观赋权法的优点,在一定水平上降低了单一赋权法的随机性和不确定性,但差别组合方法的评价值和品级评定仍存在较大的差异,这种差异可以通过综合评价云体现出来,黄埔区的综合评价云的跨度规模和云的厚度都比盐田区小,即承载力评价效果的随机性和不确定性在盐田区的体现越发显著。3.3 水情况承载力综合评价效果空间漫衍特征凭据综合评价云与尺度云的相似度盘算效果,珠三角地域水情况承载力品级大致呈中部低,两翼高的漫衍情况(见图7),各区县的水情况承载力品级从Ⅱ级到Ⅳ级不等,综合评价云的均值介于0.30～0.75之间。

各区县中,承载力最低的为荔湾区,其评价效果为[0.27,0.33],承载力最高的为深圳市盐田区,评价效果为[0.71,0.81]。49个区县中,品级为Ⅱ级的共有四个区,为广州市天河区、海珠区、荔湾区和越秀区,面积占珠三角的0.52%;Ⅲ级区集中在中部地域,共有16个区县,面积占25.39%;Ⅳ级区则漫衍在工具两翼,包罗肇庆、江门、惠州等市的29个区县,占珠三角总面积的74.09%。总体来看,珠三角大部门地域的水情况有受轻度破坏,但尚处于基本可载水平,少少数地域水情况已濒临超载。

图7 珠三角地域水情况承载力品级空间漫衍情况及评价效果凭据博弈论-云模型赋权法评价效果的参考规模,中东部及东翼的大部门地域水情况承载力品级均较稳定,中西部和西翼部门地域的承载力品级则多跨Ⅲ、Ⅳ两级,即中西部及西翼部门地域水情况承载力评价效果的不确定性较高,差别方法在这些地域的应用可能存在较大差异。从九个市的整体情况来看,水情况承载力按综合评价云的均值排序为:肇庆市>惠州市>珠海市>江门市>深圳市>佛山市>中山市>东莞市>广州市,各市的承载力评价云均值介于0.39 ～ 0.65之间。在珠三角的九个市中,肇庆市水资源量富厚、地表水情况质量较好,整体水情况承载力最高;惠州、珠海被评为2017年广东省最宜居的都会,两市的自然情况状态整体较好,惠州生态情况质量指数高,为较高的水情况承载力缔造了基础,珠海人口密度小,经济生长较快,且以高新工业为主,排污量较小,因此水情况承载力也处于前列;江门市2013年和2015年的水情况承载力水平较差,但自2016年开始,江门市开始部署水情况综合治理事情,包罗黑臭水体治理、农村污水整治等,到2017年其生态情况状态获得了较大恢复,水情况承载力水平有所提升;深圳整体经济实力雄厚,经济结构和技术水平均较为先进,其生产运动对水情况的影响较小,且当地政府重视水情况、水生态的治理和掩护,使得深圳整体水情况承载力水平较高;广州和深圳经济实力相当,在高速生长的经济驱动下,广州市水资源短缺、用水紧张等问题给水情况系统带来了很大的压力,加之现状水情况质量差,地方政府所接纳的相关措施尚不足以缓解水情况系统与社会经济生长之间的矛盾,在中心地域(越秀、荔湾、天河、海珠),这种矛盾越发显著,导致广州市整体的水情况承载力处于最低水平;佛山、中山、东莞水资源开发使用率均凌驾80%,面临着严重的水资源短缺问题,且三市均是全国制造业较集中的都会,污染物排放量较大,地表水情况质量较差,所以三市的水情况承载力水平较低。整体上,珠三角地域肇庆、惠州、江门水情况承载力较高,但存在用水效率低的问题,其中江门2017年万元GDP用水量高达104 m3,凌驾珠三角地域平均水平的一倍多。

若在当前经济、工业结构下继续生长,将碰面临水情况承载力下降的风险,因此相关部门需要实时调整工业结构,合理计划结构,重视水情况掩护和水资源治理,以保持高水平的水情况。广州、东莞等部门地域的水情况承载力已处于弱可载甚至临超载的水平,这些地域未来在生长经济的同时,需要同时兼顾生态情况治理,贯彻落实最严格水资源治理制度、河湖长制度,提升水情况质量以恢复水情况承载力,增强区域的可连续性生长。4 结论与展望本文以珠三角地域为例,在博弈论组合赋权法的基础上,使用云模型举行革新,用于水情况承载力综合评价。研究发现:(1)基于博弈论-云模型的综合评价效果思量了单一赋权方法自己的局限性以及方法选择的主观不确定性,将最终的评价效果可视化为在均值四周变化的云图,水情况承载力评价云在0.9隶属度水平下区间值可以涵盖差别组合赋权方法的评价效果,提供了一个可变参考规模,对水情况治理计谋的制定更具有参考意义。

(2)在珠三角地域水情况承载力评价中,五种组合赋权法综合评价品级存在差异的共有14个区县,占本文评价工具的16%,且多漫衍于中西部地域,这些地域的水情况承载力品级评定可能会因方法选择差别而发生差异,从而导致水情况治理投资过分或力度不足。(3)珠三角地域整体水情况承载力水平介于临超载和基本可载之间,水情况状态呈懦弱到轻度破坏情况,但面积约74.09%的大部门地域水情况承载力为Ⅳ级,讲明珠三角大部门地域的水情况虽有轻度破坏,但尚处于基本可载水平。

在市域上,水情况承载力按综合评价云的均值排序为:肇庆市>惠州市>珠海市>江门市>深圳市>佛山市>中山市>东莞市>广州市。本文在水情况承载力尚无统一界说及单一指标赋权方法评价效果差异较大的情况下,提出博弈论-云模型赋权法用于水情况承载力的综合评价,文中所取的0.9隶属度水平下的承载力区间是综合思量了五种组合赋权法评价效果举行确定的,该参考区间的隶属度水平选取需要经由差别区域、差别数据、差别评价领域的研究举行磨练。

其次,该方法是在多种赋权法的基础上举行盘算的,因此需要对差别的算法举行简化整合,以便于在相关研究领域举行挪用,这是本文未来需要深入研究的偏向。此外,珠三角地域社会、经济生长迅速,水情况受各方影响较大,且随着时间的推移,各项评价指标也在变化。

因此在以后的研究中,应联合时间变化和空间漫衍举行动态分析,对水情况承载力水平举行准确的评估和预测,为水情况的治理提供更为有效的依据。水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文焦点期刊，面向海内外公然刊行。

本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护，以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主，同时也报道外洋的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

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