用水效率是实施最严格的水资源管理制度的关键一环,对其进行客观评价是开展用水效率控制工作的前提。本文在传统灰靶模型中引入了CRITIC权进行客观赋权,克服了传统模型中使用等权的不足,提出了基于CRITIC权的改进灰靶模型,同时利用障碍因子诊断模型剖析了影响水资源利用效率的主要障碍因素。以2017年郑州市各地区用水效率评价为例,通过与TOPSIS法进行比较,两种方法的评价结果有很好的一致性,表明了改进灰靶模型在水资源利用效率评价中有一定的应用价值。通过障碍度模型分析,生态环境用水指标是阻碍郑州市水资源利用效率提高的主要因素。 Water efficiency is a key part of implementing the most stringent water management system, and objective evaluation of it is the prerequisite for water efficiency control. In this paper, the CRITIC weight is introduced into the traditional gray target model for objective weighting, which overcomes the shortcomings of the use of equal weight in the traditional model. An improved gray target model based on CRITIC weight is proposed. At the same time, the obstacle factor diagnosis model is used to analyze the main obstacles affecting water use efficiency. Taking the water efficiency evaluation of various districts in Zhengzhou in 2017 as an example, the evaluation results of the two methods are in good agreement compared with the TOPSIS method, indicating that the improved gray target model has certain application in the evaluation of water use efficiency. Through the analysis of the obstacle degree model, the ecological environment water use index is the main factor hindering the improvement of water use efficiency in Zhengzhou City.
徐冬梅,徐梦臣,王文川*,马俊清,高东方
华北水利水电大学水利学院,河南 郑州
收稿日期:2019年6月25日;录用日期:2019年7月15日;发布日期:2019年7月26日
用水效率是实施最严格的水资源管理制度的关键一环,对其进行客观评价是开展用水效率控制工作的前提。本文在传统灰靶模型中引入了CRITIC权进行客观赋权,克服了传统模型中使用等权的不足,提出了基于CRITIC权的改进灰靶模型,同时利用障碍因子诊断模型剖析了影响水资源利用效率的主要障碍因素。以2017年郑州市各地区用水效率评价为例,通过与TOPSIS法进行比较,两种方法的评价结果有很好的一致性,表明了改进灰靶模型在水资源利用效率评价中有一定的应用价值。通过障碍度模型分析,生态环境用水指标是阻碍郑州市水资源利用效率提高的主要因素。
关键词 :水资源利用效率,CRITIC法,改进灰靶模型,障碍因子诊断模型,郑州市
Copyright © 2019 by author(s) and Wuhan University.
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用水效率是我国实行最严格水资源管理制度的核心内容之一,我国现状水资源利用效率较发达国家相比仍有一定差距。因此,水资源利用效率的研究对划定用水效率红线、改善用水现状等具有重要的指导意义。
水资源利用效率评价是一个涉及多层次、多目标的问题。近年来的相关研究已经取得了一些进展,如李红新 [
灰靶模型在解决多层次、模糊的决策问题时,具有一定优势 [
郑州市是河南省省会,位于黄河中下游,地处华北平原南部,跨黄河、淮河两大水系,介于东经112˚42'~114˚14'、北纬34˚16'~34˚58'之间,是我国中部地区重要的中心城市,辖4市1县3区(不含巩义市),总面积6470.3 km2,地势整体呈现东北低、西南高的趋势。郑州市多年平均降水量640.5 mm,全市降雨时程分配严重不均,主要集中在7、8、9月。郑州市多年平均水资源总量11.2578亿m3 (2017年郑州市水资源公报),人均水资源占有量为124.4 m3,是水资源严重短缺的城市。
杨丽英等 [
准则层 | 评价指标 | 指标性质 | 权重 |
---|---|---|---|
综合用水指标 | 万元GDP用水量u1/(m3·万元−1) | 逆向型 | 0.206 |
农业用水指标 | 农田灌溉亩均用水量u2/(m3·亩−1) | 逆向型 | 0.134 |
工业用水指标 | 万元工业增加值用水量u3/(m3·万元−1) | 逆向型 | 0.065 |
生活用水指标 | 农村人均综合用水量u4/(L·人−1) | 逆向型 | 0.112 |
城镇人均综合用水量u5/(L·人−1) | 逆向型 | 0.070 | |
生态环境用水指标 | 生态环境用水比例u6/% | 正向型 | 0.201 |
污径比u7/% | 逆向型 | 0.212 |
表1. 郑州市水资源利用效率评价指标体系及指标权重值
CRITIC赋权法由Diakoulaki提出的一种新型客观赋权方法,以指标特征的对比强度和冲突性来综合反映指标的客观权重,它不仅考虑指标内部的变异程度,而且还考虑了指标之间的冲突性,充分考虑了指标的内部和外部特性,赋权结果更为客观、合理。传统的CRITIC赋权法存在下列两方面的不足:第一,带量纲的标准差无法反映出指标内部的对比强度大小;第二,出现负相关时,用相关系数反映指标冲突性显然不合理,参考王瑛等 [
C j = δ j ∑ i = 1 n ( 1 − | r i j | ) , j = 1 , 2 , ⋯ , n (1)
因此,第j个指标的客观权重wj表示为:
w j = C j / ∑ i = 1 n C j , j = 1 , 2 , ⋯ , n (2)
式中:Cj为信息量;δj为第j个指标的变异系数,用指标标准差与均值的比值表示;rij表示第i个评价指标与第j个评价指标的相关系数。
灰靶模型的原理是在缺乏统一标准的基础上,构造一个灰靶,并在其中找到靶心将其设定为标准,然后通过比较待评方案与标准方案来计算靶心度,进而划分等级标准,详细步骤见文献 [
γ [ x 0 ( u j ) , x i ( u j ) ] = min i min j Δ 0 i ( u j ) + ρ max i max j Δ 0 i ( u j ) Δ 0 i ( u j ) + ρ max i max j Δ 0 i ( u j ) = 0.477 Δ 0 i ( u j ) + 0.477 (3)
φ ( x 0 , x i ) = ∑ j = 1 n w j γ [ x 0 ( u j ) , x i ( u j ) ] (4)
式中: γ [ x 0 ( u j ) , x i ( u j ) ] 、 φ ( x 0 , x i ) 分别表示待评方案xi相对于标准方案的靶心系数和靶心度值。通常情况下,分辨系数ρ = 0.5。
引入因子贡献度(即权重wj)、指标偏度Ij (即各指标标准化后的实际值与最优值之间的差,可用灰差异信息空间值Δ表示)及障碍度Mj (Mj值的大小表示各指标或准则层指标对区域水资源利用效率影响程度的高低) 3个指标,对影响水资源利用效率的主要障碍因素进行分析与诊断。障碍度计算公式如下:
M j = I j ⋅ w j / ( ∑ j = 1 n I j ⋅ w j ) (5)
以2017年郑州市的8个地区为待评方案X1~X8,将表中各指标通过式(1)~(2)计算得到各指标的权重值wj。在原始数据uij中找到靶心将其设定为标准,再利用灰靶变换公式得到灰靶变换值vij,结果见表2;构造灰关联差异信息空间矩阵Δvij并利用式(3)~(4)计算靶心系数γij及靶心度,见表3;依据上述求得靶心度φi的取值,采用自然断点法将其均匀划分为5个评价等级。因靶心度φi值大多在0.4~0.6之间,故等级标准划分结果见表4。
地区 | u1 | u2 | u3 | u4 | u5 | u6 | u7 | v1 | v2 | v3 | v4 | v5 | v6 | v7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
新密市 | 12.5 | 68 | 20.5 | 119 | 142 | 2.5% | 1.856 | 0.544 | 0.368 | 0.439 | 0.319 | 0.831 | 0.084 | 0.203 |
新郑市 | 12.7 | 105 | 14.6 | 59 | 204 | 14.0% | 1.659 | 0.535 | 0.238 | 0.616 | 0.644 | 0.578 | 0.462 | 0.227 |
荥阳市 | 19.3 | 89 | 18.7 | 38 | 118 | 3.3% | 1.666 | 0.352 | 0.281 | 0.481 | 1.000 | 1.000 | 0.110 | 0.226 |
登封市 | 13.8 | 70 | 17.1 | 91 | 251 | 5.5% | 1.183 | 0.493 | 0.357 | 0.526 | 0.418 | 0.470 | 0.182 | 0.318 |
中牟县 | 60.8 | 234 | 9 | 76 | 201 | 10.3% | 0.376 | 0.112 | 0.107 | 1.000 | 0.500 | 0.587 | 0.339 | 1.000 |
郑州市区 | 6.8 | 122 | 19.1 | 89 | 291 | 30.3% | 8.205 | 1.000 | 0.205 | 0.471 | 0.427 | 0.405 | 1.000 | 0.046 |
航空港区 | 11.5 | 102 | 15.4 | 119 | 256 | 19.7% | 5.140 | 0.591 | 0.245 | 0.584 | 0.319 | 0.461 | 0.651 | 0.073 |
上街区 | 12.7 | 25 | 25.6 | 46 | 194 | 13.9% | 7.021 | 0.535 | 1.000 | 0.352 | 0.826 | 0.608 | 0.457 | 0.054 |
标准方案 | 6.8 | 25 | 9 | 38 | 118 | 30.3% | 0.376 | 1.000 | 1.000 | 1.000 | 1.000 | 1.000 | 1.000 | 1.000 |
表2. 指标数据实际值及灰靶变换结果
地区 | Δv 1 | Δv 2 | Δv 3 | Δv 4 | Δv 5 | Δv 6 | Δv 7 | γ1 | γ2 | γ3 | γ4 | γ5 | γ6 | γ7 | 靶心度φ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
新密市 | 0.456 | 0.632 | 0.561 | 0.681 | 0.169 | 0.916 | 0.797 | 0.511 | 0.430 | 0.460 | 0.412 | 0.738 | 0.342 | 0.374 | 0.439 |
新郑市 | 0.465 | 0.762 | 0.384 | 0.356 | 0.422 | 0.538 | 0.773 | 0.507 | 0.385 | 0.554 | 0.573 | 0.531 | 0.470 | 0.382 | 0.469 |
荥阳市 | 0.648 | 0.719 | 0.519 | 0.000 | 0.000 | 0.890 | 0.774 | 0.424 | 0.399 | 0.479 | 1.000 | 1.000 | 0.349 | 0.381 | 0.505 |
登封市 | 0.507 | 0.643 | 0.474 | 0.582 | 0.530 | 0.818 | 0.682 | 0.485 | 0.426 | 0.502 | 0.450 | 0.474 | 0.368 | 0.412 | 0.434 |
中牟县 | 0.888 | 0.893 | 0.000 | 0.500 | 0.413 | 0.661 | 0.000 | 0.349 | 0.348 | 1.000 | 0.488 | 0.536 | 0.419 | 1.000 | 0.572 |
郑州市区 | 0.000 | 0.795 | 0.529 | 0.573 | 0.595 | 0.000 | 0.954 | 1.000 | 0.375 | 0.474 | 0.454 | 0.445 | 1.000 | 0.333 | 0.641 |
航空港区 | 0.409 | 0.755 | 0.416 | 0.681 | 0.539 | 0.349 | 0.927 | 0.539 | 0.387 | 0.534 | 0.412 | 0.470 | 0.577 | 0.340 | 0.465 |
上街区 | 0.465 | 0.000 | 0.648 | 0.174 | 0.392 | 0.543 | 0.946 | 0.507 | 1.000 | 0.424 | 0.733 | 0.549 | 0.468 | 0.335 | 0.552 |
表3. 灰关联差异信息空间及靶心系数、靶心度值
等级划分 | 靶心度φ取值 | 含义 |
---|---|---|
I级 | φ > 0.61 | 水资源利用效率很高 |
II级 | 0.54 < φ ≤ 0.61 | 水资源利用效率较高 |
III级 | 0.47 < φ ≤ 0.54 | 水资源利用效率中等 |
IV级 | 0.40 < φ ≤ 0.47 | 水资源利用效率较低 |
V级 | φ ≤ 0.40 | 水资源利用效率很低 |
表4. 自然断点法划分等级标准结果
利用公式(5)计算得到郑州市水资源利用效率各指标的障碍度,由于指标众多且障碍度大小不一,仅筛选出障碍度值较大的指标作为影响郑州市水资源利用效率的主要障碍因素,各地区主要障碍因子及障碍度见图1。
由表3数据可知,郑州市各地区水资源利用效率的高低排序及等级依次为:郑州市区 > I级 > 中牟县 > 上街区 > II级 > 荥阳市 > III级 > 新郑市 > 航空港区 > 新密市 > 登封市 > IV级。通过与TOPSIS法的进行比较,两种方法得到的结果具有较好的一致性,见表5,表明将灰靶模型应用到郑州市水资源利用效率评价中是可行的。
通过对郑州市水资源利用效率的主要障碍因素及障碍度进行分析,识别出水资源利用效率的主要障碍因素是生态环境指标中生态环境用水比例,其次是污径比。
地区 | 利用效率等级 | 改进灰靶模型 | TOPSIS法 |
---|---|---|---|
新密市 | IV | 7 | 8 |
新郑市 | IV | 5 | 5 |
荥阳市 | III | 4 | 7 |
登封市 | IV | 8 | 6 |
中牟县 | II | 2 | 2 |
郑州市区 | I | 1 | 1 |
航空港区 | IV | 6 | 4 |
上街区 | II | 3 | 3 |
表5. 不同评价方法计算结果对比
图1. 郑州市水资源利用效率主要障碍因子及障碍度
将CRITIC客观赋权法引入到灰靶模型中,克服了传统模型的不足,构建了基于CRITIC权的改进灰靶模型,通过采用不同方法对郑州市水资源利用效率评价结果比较,两种方法得到的结果具有较好的一致性,表明了改进灰靶模型在水资源评价中的应用价值,利用障碍因子诊断模型识别了阻碍郑州市各地区水资源利用效率的主要障碍因子。
国家自然科学基金项目(51509088, 51709108);河南省高校科技创新团队(14IRTSTHN028);河南省水环境模拟与治理重点实验室(2017016)。
徐冬梅,徐梦臣,王文川,马俊清,高东方. 基于改进灰靶模型的水资源利用效率评价Evaluation of Water Use Efficiency Based on Improved Grey Target Model[J]. 水资源研究, 2019, 08(04): 335-341. https://doi.org/10.12677/JWRR.2019.84039