基于投影寻踪改进TOPSIS的地下水资源承载力评价方法.pdf
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1、 收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目();中央高校基本科研业务费专项资金资助项目()作者简介:陈磊(),男,安徽宣城人,工程师,硕士,主要从事水资源系统工程研究工作 通信作者:崔毅(),男,安徽铜陵人,讲师,博士,主要从事水资源系统工程研究工作:【水资源】基于投影寻踪改进 的地下水资源承载力评价方法陈 磊,陈莹莹,崔 毅,金菊良,(诸暨市水利局 水利勘测设计院,浙江 诸暨;合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥;合肥工业大学 水资源与环境系统工程研究所,安徽 合肥)摘 要:为科学合理地评价区域地下水资源承载状况,提出基于投影寻踪改进 的地下水资源承载力评价方法。首先,确定 个区域地
2、下水资源承载力评价指标,采用专家咨询和遗传层次分析法计算各评价指标权重;其次,确定各评价指标的 个评价等级标准;最后,构建基于投影寻踪改进 的地下水资源承载力评价模型()。将 模型应用于 年豫北地区 个地级市的地下水资源承载力评价,结果表明:焦作市的地下水资源承载状况最好,为级(基本可载);鹤壁市、新乡市、濮阳市的为级(临界超载);安阳市的最差,为级(超载)。该评价结果与豫北地区实际地下水资源承载状况基本一致,表明 模型在区域地下水资源承载力定量评价方面有较好的适用性。关键词:地下水;水资源承载力;综合评价;投影寻踪方法;豫北地区中图分类号:文献标志码:引用格式:陈磊,陈莹莹,崔毅,等基于投影
3、寻踪改进 的地下水资源承载力评价方法人民黄河,():,(,;,;,):,(),();,(),(),:;中国华北地区的地下水超采问题已经成为影响区域经济社会平稳快速发展和生态环境良性循环的主要瓶颈,由于地下水超采导致一系列的生态环境问题日益凸显,因此地下水资源承载力作为一个定量反映区域地下水超载引发各类问题的综合指标,具有重要的研究价值。近年来,国内外学者针对地下水资源承载力评价问题开展了大量的相关研究,其中具有代表性的评价方法有模糊综合评价法、主成分分析法、系统动力学方法和 方法等。上述评价方法的应用为评价区域地下水资源承载状况提供了有效的途径,并取得了丰富成果,但同时存在一些不足,例如主成分
4、分析法存在主成分难以取舍的问题,系统动力学方法存在参变量繁多、对基础数据要求较严苛等问题。方法是 和 于第 卷第 期 人 民 黄 河 ,年 月 ,年提出的一种多属性决策方法,具有计算简单、应用灵活等优点。屈吉鸿等在研究 方法时发现存在评价样本到正理想解样本距离近的同时与负理想解样本也近的矛盾,导致评价结果区分度不够,随着评价方案指标维数的增加,出现矛盾的可能性增大。针对上述问题,国内外学者开展了一系列研究,华小义等和 等采用垂面距离代替欧氏距离改进 方法;孙晓东等和 等将 方法与灰色关联方法相结合,使用“灰色距离”改进欧氏距离;等指出评价对象指标之间的线性关系较强时,可用马氏距离代替欧氏距离改
5、进 方法;张目等在研究集对分析方法的基础上,提出用联系数距离代替欧氏距离改进 方法。上述方法为提高 方法应用的科学性做出了有益的改进,但缺乏对内在机理的阐述,难以说明改进的 方法的普适性。为更加全面科学地评价地下水资源承载力,选取的评价指标一般较多,且各评价指标之间存在较高的相关性,使用传统的 方法可能出现评价结果与实际情况不相符合的风险。投影寻踪方法的实质是将高维数据线性投影到低维空间上,将复杂的多维问题转化到简单的一维空间上解决,可以较好地解决 方法评价指标多维、评价指标之间相关性较强所导致的评价结果区分度不够的问题。笔者提出基于投影寻踪改进 方法的地下水资源承载力评价模型()并利用其评价
6、豫北地区地下水资源承载力,明晰区域地下水资源的承载状况,以期为提升区域水资源的承载力提出针对性措施和方法提供参考。区域地下水资源承载力评价方法 地下水资源承载力评价指标体系和等级标准的确定在分析地下水资源承载力的影响因素的基础上,将地下水资源承载力分为承载支撑力、承载压力和承载调控力 个子系统,并参考相关文献和专家意见建立区域地下水资源承载力评价指标体系,见表。表 地下水资源承载力评价指标体系子系统评价指标承载支撑力人均地下水资源量 地下水资源模数 (万 )承载压力人口密度 (人)人均生活地下水用水量 ()每公顷农田地下水灌溉用水量 万元 地下水用水量 承载调控力地下水质评价要素综合达标率 地
7、下水 值 地下水资源开发利用率 地下水埋深较标准年变化 平原区地下水漏斗面积率 将评价指标数据集记为,;,;,(、和 分别为评价样本总数、子系统总数和第 个子系统的评价指标总数)。为反映区域地下水资源承载力的时空差异,建立区域地下水资源承载力评价指标等级标准(见表)。本文选取的 个评价指标均分为 个等级:级(可载)、级(基本可载)、级(临界超载)、级(超载)、级(严重超载)。表 地下水资源承载力评价指标等级标准子系统指标级(可载)级(基本可载)级(临界超载)级(超载)级(严重超载)承载支撑力(,(,(,(,(万 )(,(,(,(,承载压力(人)(,(,(,(,()(,(,(,(,(,(,(,(
8、,(,(,(,(,承载调控力(,(,(,(,(,(,或(,(,或(,(,或(,(,或(,)(,(,(,(,(,(,(,(,(,(,(,专家咨询信息和遗传层次分析法()计算各评价指标的权重合理确定各评价指标的权重是科学评价区域地下水资源承载力的关键。采用专家咨询信息和遗传层次分析法()计算各评价指标的权重,设专家 对第 个子系统中第 个评价指标的重要性排序值表示为(,),;,;,。第 个子系统中第 个评价指标的重要性排序值对应的均值和标准差计算公式分别为(,)(,)()(,)(,)(,)()()人 民 黄 河 年第 期式中:为专家总人数。显然,重要性排序值越小评价指标的重要性程度越高,根据文献建
9、立第 个子系统的互反判断矩阵为(,),(,)(,)()式中:,为第 个子系统中第 个评价指标优于评价指标 的程度(,)。当,时表示评价指标 和 同等重要;当,时表示评价指标 比 重要,且,越大表示评价指标 比 越重要;当,时表示评价指标 比 重要,且,越小表示评价指标 比 越重要。设 的修正判断矩阵为(,),则使一致性指标系数()达到最小值的 为 的最优一致性判断矩阵:(),(),(当两名专家对某一评价指标的重要性判断一致时,),(),(,;,)式中:、分别为第 个子系统中第、个评价指标的权重;为非负参数,从区间,内取值。利用加速遗传算法求解式()。当()时认为判断矩阵 具有满意的一致性,此时
10、得到的 具有较高的可信度,否则应改变非负参数 或修改原判断矩阵,使之满足一致性要求。模型的构建传统的投影寻踪模型由于投影方向具有不确定性和随机性较强,因此较难寻找到最优的投影方向。熵是度量相关因素不确定性和随机性的有效工具,当因素的熵值最大时表明因素的不确定性和随机性最大,此时所受客观因素的约束最少。将熵值作为度量投影方向的标准时,传统投影寻踪模型全局搜索能力较差的缺点会被进一步放大。加速遗传算法是一种求解最优化问题的高效智能方法,具有很强的寻找最优解的能力,在各种优化问题中得到广泛应用。基于此,本文建立最大熵原理的投影寻踪模型,并用加速遗传算法求解该模型。由评价指标样本、评价标准样本和理想解
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