数学建模论文水资源短缺风险综合评价1.doc
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1、水资源短缺风险综合评价摘要北京是世界上水资源严重缺乏的大都市之一,水资源短缺已经成为影响和制约首都社会和经济发展的主要因素。对于问题一,以往常用单要素指标( 如人均水资源量)来对水资源短缺程度进行评价,但这往往不能全面反映该地区的真实缺水状况。本文采用多指标综合评价法,通过对人均水资源量、人均供水量、单位面积水资源占有量和万元GDP水资源占有量四个方面数据的收集,采用层次分析法确定此四个要素的权重,得出了北京水资源短缺风险的主要因子是人均水资源量和单位面积水资源占有量。对于问题二,针对问题一得到的风险因子,我们对数据归一化处理后建立模型。同时分出四个不同的风险级别为:水资源丰富区、 水资源脆弱
2、区、水资源缺水区和水资源严重缺水区。求解模型计算出北京市属于严重缺水区,而且给出了如何调控风险因子,从而降低水资源风险的方案。另外,由于层次分析法会造成评价结果可能由于人的主观因素而形成偏差,我们又建立熵权模糊分析法来优化我们的模型,丰富和改进了水资源短缺风险的评价方法。最后综合权重,我们计算出北京市仍属于严重缺水区。对于问题三,我们通过对近几年水资源风险的计算,利用EXCEL软件进行函数拟合后,得到了函数解析式,用MATLAB预测了未来两年北京市水资源短缺风险变化的趋势。对于问题四,在模型一中我们算出北京市水资源短缺主要风险因子,因为主要危险因子数值波动将对风险等级产生重要影响,因此我们对模
3、型一中主要危险因子进行分析得出,引进水资源使用过度系数和水资源储备系数,作为影响水资源风险因子的主要因素。我们通过分析水资源使用过度系数和水资源储备系数,给出降低水资源风险的解决方案。我们通过三级模型的建立,真实地反映出水资源的主要风险因子,给出合理的评价等级,并预测未来两年的水资源风险情况,提出降低水资源风险等级的方案。我们的模型二是对模型一在方法上的优化,模型三是模型一思想上的递进。当然影响水资源短缺的因素十分复杂,我们所建的模型相对比较简单。关键词:水资源风险 层次分析法 熵权模糊分析法 H值WRW值双重评价 一、问题重述水资源短缺风险,泛指在特定的时空环境条件下,由于来水和用水两方面存
4、在不确定性,使区域水资源系统发生供水短缺的可能性以及由此产生的损失。近年来,我国、特别是北方地区水资源短缺问题日趋严重,水资源成为焦点话题。以北京市为例,北京是世界上水资源严重缺乏的大都市之一,其人均水资源占有量不足300m3,为全国人均的1/8,世界人均的1/30,属重度缺水地区,附表中所列的数据给出了1979年至2000年北京市水资源短缺的状况。北京市水资源短缺已经成为影响和制约首都社会和经济发展的主要因素。政府采取了一系列措施, 如南水北调工程建设, 建立污水处理厂,产业结构调整等。但是,气候变化和经济社会不断发展,水资源短缺风险始终存在。如何对水资源风险的主要因子进行识别?对风险造成的
5、危害等级进行划分?对不同风险因子采取怎样的有效措施规避风险?或减少其造成的危害呢?二、模型假设1.假设如果IR 1,则代表区域出现缺水的概率大于可接受的水平.2.北京水资源短缺只受以下四个因素影响:人均水资源量,人均供水量,单位面积水资源占有量和万元GDP水资源占有量.3.官方统计的数据是真实可靠的.4.人口,水资源和北京市的面积在当年是不变的. 三、符号说明X: i=1表示人均水资源量,i=2表示单位面积土地水资源占有量,i=3表示人均供水量,i=4表示万元GDP水资源占有量,j=1表示2001年,以此类推j=8表示2008年数据a:人均水资源量的权重 b: 单位面积土地水资源占有量的权重c
6、 人均供水量的权重、d: 万元GDP水资源占有量的权重H: 北京市水资源危险系数,i=18分别表示2001年到2008年北京市水资源危险等级I: 水资源使用过度系数A: 全年供水(用水)总量D: 全年水资源总量I: 水资源储备系数A: 地表水资源量D: 地下水资源量四、模型建立及求解说明:由于北京2009统计年鉴的原因,很容易收集1978-2008年的各项数据,但是2009年之后由于个别数据没有找到权威资料,所以无法使用,又由于1978-2001年时间久远,社会经济变因素化巨大,不能很好的反映当今的缺水情况,因此本模型经数据筛选所有数据都针对2001-2008年来建立。4.1地区水资源短缺程
7、度评价北京是世界上水资源严重缺乏的大都市之一,北京市水资源短缺已经成为影响和制约首都社会和经济发展的主要因素。影响水资源的因素很多,例如:气候条件、水利工程设施、工业污染、农业用水、管理制度,人口规模等。由于影响因素众多,关系复杂于对决策结果难于直接准确计量。因此选用采用层次分析法确定要素权重。以往常用单要素指标( 如人均水资源量)来对水资源短缺程度进评价,但这往往不能全面反映地区的真实缺水状况。因为一个地区的水问题除了与当地人均水资源量有关外,还与供水能力以及经济发展状况有关。为此, 本文采用多要素指标综合评价法,通过人均水资源量、人均供水量、单位面积土地水资源占有量和万元GDP水资源占有量
8、四个指标来综合评价各地区的水资源短缺程度。模型:水资源短缺程度综合评价指数H值模型:H=a*X+b*X+c*X-d*X其中,X、X、X、X分别为人均水资源量、单位面积土地水资源占有量、人均供水量和万元GDP水资源占有量的归一化处理后的数值;a、b、c、d 为各指标的权重。采用层次分析法确定要素权重,用数值1、3、5、7、9标度两指标相比前者较后者同等重要、稍重要、明显重要、强烈重要、极端重要,2、4、6、8 则表示它们之间的过渡情况。后者与前者比较的重要性标度值用前者与后者比较的重要性标度值的倒数表示。建立构造判断矩阵,经计算、检验,求出权重值。相关数据如下。表1:水资源情况(2001-200
9、8年) 单位:亿立方米年 份20012002200320042005200620072008全年水资源总量6.18.27.66.07.612.86.18.2地表水资源量7.85.36.18.27.66.07.612.8地下水资源量15.714.714.816.518.518.516.221.4人均水资源(立方米)139.7114.7127.8145.1153.1157.1148.1205.5全年供水(用水)总量38.934.635.834.634.534.334.835.1万元GDP水耗(立方米)104.9279.9571.2657.0150.1043.5837.2033.66表2: 地区生产
10、总值(1978-2008年) 单位:亿元年份20012002200320042005200620072008生产总值3710.54330.45023.86060.36886.37861.09353.310488.0表3: 指标及权重表3项目归一化值权重人均水资源X0.473单位面积土地水资源占有量X0.284人均供水量X0.17万元GDP水资源占有量X0.073一致性检验的步骤如下:计算一致性指标CI.:我们用MATLAB软件解出最大特征根为max=3.9999;(编程见附录)。根据查表确定相应的平均随机一致性指标RI.。据判断矩阵不同阶数查下表,得到平均随机一致性指标RI,对于4阶的判断矩阵
11、查表得到RI.=0.89表4: 平均随机一致性指标R.I.表(1000次正互反矩阵计算结果)矩阵阶数12345678RI.000.520.891.121.261.361.41矩阵阶数9101112131415RI.1.461.491.521.541.561.581.59我们解出,因此判断矩阵通过一致性检验。 从排序来看,在各评价指标中:首先是人均水资源量的权重最大,为0.473,这与国际、国内的多数评价所采用的主导指标是一致的,该指标可反映某些地区因人口集中而导致的水资源短缺。其次是单位面积土地水资源占有量,为0.284, 这是一个表示干燥度的指标, 一个地区水资源多少主要与此因素有关。再次
12、是人均供水量,该指标除了受当地水资源条件制约外,还反映了一个地区供水能力,在某些水资源丰富地区,由于经济欠发达, 缺乏引水设施, 人均供水量较低,但通过增加水利设施建设投入可以得到改善。最后是万元GDP水资源占有量,这是一个与工业发展水平有关的指标,可反映某些地区因工业发达,用水量加大而导致的水资源短缺。综上所述,我们计算出主要风险因子是人均水资源量和单位面积土地水资源占有量。4.2水资源短缺程度评价对所得数据通过归一化处理后,根据水资源短缺程度综合评价指数H值的公式H=a*X+b*X+c*X-d*X可得 H= aX+bX+cX-dX, H= aX+bX+cX-dX,我们通过EXCEL软件计算
13、结果如下:H=0.15396 H=0.128646 H=0.138529 H=0.148301H=0.153408 H=0.155768 H=0.149209 H=0.192649由于人每天都有一定的用水量,人均水资源占有量、单位面积土地水资源占有量和人均供水量越少则该城市用水越紧张,越需要外界供水或建其它设施工程,这样一些不确定因素增加,水资源风险增加。例如北京从外省调水,如果遇到该省大旱必将导致供水问题,增加水风险。万元GDP水资源占有量指生产10000元GDP所需要的水量,如果万元GDP水资源占有量低,说明每社会生产用水量少,如果万元GDP水资源占有量高,说明社会生产用水量多,然而一个城
14、市必须要发展,社会生产用水量越多,对水资源缺地区来说,水资源会不断恶化。很显然H数值越小,北京水资源短缺越严重。因此我们将H的值(0-1)进行分级,从而对北京水资源短缺进行分级评价。表5: 水资源短缺危险系数等级H值小于0.30.3至 0.50. 5至 0.7大于0.7评价等级严重缺水区水资源缺水区水资源脆弱区水资源丰富区虽然北京水资源短缺情况在不断好转,但是H值小于0.3,依然是严重缺水。上题解出主要风险因子是人均水资源量和单位面积土地水资源占有量。所以只要人均水资源量和单位面积土地水资源占有量提高,H值就会升高,从而降低风险等级。解决方案如下:1.坚持计划生育及限制来京人口,通过降低人数,
15、来增大人均水资源量,从而使风险等级降低。2.加大南水北调的水量,多修建水库增加水资源,来增大人均水资源量和单位面积土地水资源占有量,从而使风险等级降低。4.3水资源短缺风险预测通过几年水资源风险的计算,我们用EXCEL软件进行函数拟合后,预测了未来两年北京水资源短缺风险变化趋势。如下图图1: 北京市水资源风险等级图经检验:0.99,因此函数拟合精度很高,可以使用。根据函数表达式我们可以预测北京市未来2009和2010年两年的水资源风险等级。我们运用MATLAB软件拟合函数预测后结果为2009年H值为H=0. 203943,2010年H值为H=0. 228214,都属于严重缺水等级。图2: 北京
16、水风险等级预测我们又通过Visual Basic语言编程,检验结果。编程语言见附录。五、模型的检验 上海虽然地处江南水乡,但水资源储量并不丰富。在水量方面,上海的水资源绝大部分为过境水,水资源年均9335亿立方米,看似总量很大,但据2004年的水资源公报,上海本地水资源的径流量仅为24.98亿立方米。只占总水资源量的0.27%。因此,如不计算过境水资源,上海本地水资源是全国最少的城市之一。(摘自陆文军上海凸现缺水隐患)下面我们通过计算上海市的水资源短缺程度综合评价指数H值来检验我们的模型。 X、X、X、X分别为人均水资源量、单位面积土地水资源占有量、人均供水量和万元GDP水资源占有量的归一化处
17、理后的数值。表6: 上海市相应的X值XXXX0.156030.40240.617080.115经计算,上海市的水资源短缺程度综合评价指数H=0.299 ,说明上海市是严重缺水城市,与官方报告评价相一致。验证了我们的模型是合理的。相关数据见附录。六、模型的优化6.1优化级模型熵权模糊分析法由于水资源短缺风险评价标准没有明显的界限,指标的选择、指标权重等都具有模糊性和不确定性,这就会造成单项指标评价往往会遗漏一些有用的信息,评判结果常常是不相融合独立的,甚至得到错误的结论。目前常用的评价方法有模糊评判法、灰色聚类评价、人工神经网络等综合评价方法。但是,这些方法缺乏比较客观可靠的确定评价指标权重的方
18、法,权重的确定成为评价的难点。以往在确定评价指标的权重时,通常采用主观确定权重的方法,如层次分析法(我们建立的第一个模型)。这样就会造成评价结果可能由于人的主观因素而形成偏差。因此我们建立熵权模糊分析法模型。来弥补层次分析法不足。优化模型是将信息论中的熵值理论应用于水资源短缺风险评价中,建立了基于熵权的水资源短缺风险模糊综合评价模型,避免了传统层次分析法中两两对比构造判断矩阵易于发生目标先后不一致性问题,丰富和改进水资源短缺风险评价方法。运用信息熵所反映数据本身的效用值来计算评价指标的权重系数,使得权重的确定有了一定的理论依据。同时,采用熵权与主观权重结合的方法确定综合权重,兼顾主观偏好与客观
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