基于集对分析的区域产业结构与用水结构协调评价

刘　珊,吴成国,潘争伟,张礼兵

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥　230009;2.合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所,安徽 合肥　230009;3.安徽新华学院土木与环境工程学院, 安徽 合肥　230088)

基于集对分析的区域产业结构与用水结构协调评价

刘珊1, 2,吴成国1, 2,潘争伟3,张礼兵1, 2

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥230009;2.合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所,安徽 合肥230009;3.安徽新华学院土木与环境工程学院, 安徽 合肥230088)

摘要：从区域可持续发展的理念出发,以水资源合理利用为前提条件,在保证不牺牲水环境的前提下,构建了区域产业结构与用水结构协调评价指标体系,采用集对分析联系度计算的同异反态势度排序方法,参照生长曲线公式,提出了产业结构与用水结构协调发展指数公式,建立了基于集对分析的区域用水结构与产业结构协调评价模型。并将模型应用于山东省实例,模型计算结果与实际情况相符,计算过程简洁,可操作性强,研究成果可为区域水资源发展规划提供科学有效的决策依据。

关键词：协调评价;产业结构;用水结构;集对分析;态势度;山东省

随着经济社会的快速发展,资源与需求的矛盾也日趋紧张,人们的生存和发展离不开水资源,三大产业的生产和发展都依赖于水资源的支持,社会日益的工业化城市化,同时也出现了严重的水资源问题。产业结构与用水结构之间的相关性分析问题是目前迫切需要处理的问题之一,保证产业结构与用水结构之间的协调发展是促进社会经济可持续发展的关键[1-2]。在水资源与产业结构问题分析方面的研究很多,雷社平等[3]以北京市为例运用相关理论分析与方法,系统地分析了北京市产业结构调整与水资源需求变化之间的关系;云逸等[4]运用回归分析理论建立回归模型研究产业结构与用水量之间的关系;蔡继等[5]以湖北省为例运用灰色关联度方法探索产业结构与水资源的相关关系;汪党献等[6]建立水资源投入产出模型定量分析国民经济行业用水情况;以及由美国经济学家Granger[7]提出的因果关系检验法进行格兰杰检验。从这些研究方法来看,多数利用建模来定量分析产业结构与用水结构的相关关系,对于产业结构与用水结构协调问题的研究较少,雷社平等[8]以北京市为实例研究,应用协同学理论和复杂系统理论,构建了北京市产业用水系统内各组成子系统之间协调度模型。吴丽等[9]通过建立模糊的多目标优化模型进行区域产业结构与用水协调评价研究。这些方法都有其突出点,但都局限于产业结构与用水结构这两个大系统之间,没有综合考虑其外部的用水环境。目前由于水资源的不合理利用使得用水效率低,同时出现用水紧张和用水污染的现象,缺水形式得不到缓解,水污染却日益严重,因此在分析区域产业结构与用水结构现状及相关性研究时,也要充分考虑水环境因素。本文在进行区域产业结构与用水结构协调评价时,综合考虑选取产业结构、用水结构和水环境三大指标体系,应用集对分析原理构建综合协调评价模型,综合评价区域产业结构与用水结构的协调关系。协调评价研究促进经济社会与环境的和谐发展,实现资源的最优最大化利用走可持续发展的道路,建设绿色环保型社会。

1集对分析理论

集对分析是一种创新的方法,由我国学者赵克勤[10]于1989年提出用以处理不确定性问题,现已广泛运用于评价、管理、预测、决策和规划等诸多领域[11-15],目前在自然科学、军事科学、社会经济、工程技术和人文教育领域应用非常广泛。简要阐述集对分析的思路:由给定的且拥有一定关系的2个集合组成集对H=(A,B),在某个具体问题前提下对H的特性作同异反分析。联系数是一种结构函数,是将所研究的对象与给所定参考标准的同一性测度、差异性测度和对立性测度在同一个数学表达式中表现出来[16],其联系度u的表达式为

(1)

式中:S为这个集对中A和B所共同拥有的特性数;F为集对中A和B既不共同拥有又不彼此对立的特性数;P为集对中A和B互相对立的特性数;N是这个集对中总共的特性数;a、b、c分别表示为在具体问题下的同一度,差异度和对立度，a+b+c=1;i为差异度系数,i∈[-1,1];j为对立度系数,j=-1。将式(1)中a、b、c进行大小比较,并用0.1到1.0之间的一个相应实数从小到大赋值,则所取得数值即为态势度。同异反态势排序[17]的态势度见表1。

表1　态势度取值

2构建区域产业结构与用水结构的协调评价模型

2.1评价指标选取

由于衡量区域产业结构与用水结构是否协调既有其确定性,又有其不确定性的特征,所以本文采用集对分析对山东省区域进行产业结构与用水结构的协调评价。

评价指标反映一定时间尺度上系统的状态,能充分表明系统特征,是评判系统高低水平的依据和建立协调评价模型的基础。因为产业结构与用水结构系统的复杂性和水资源系统的多样性,需要建立能够全面、精确、系统、科学地反映系统特征和内容的一系列指标体系，所以在选取指标时,要遵循客观性、真实性、科学性和可操作性的原则[18]。根据目前全球发展的形式,第三产业在产业结构演变中地位更显突出,高科技的迅速崛起和蓬勃发展使得产业结构变得更加高度化,一、二、三向三、二、一的转变是三大产业发展的基本趋势[19]。经济的发展离不开水资源的开发利用,所有的国民经济包括生态系统都需要用水,而不合理用水现象随处可见。分析三大产业的用水现状,从用水效率和用水效益角度综合考虑,科学用水,保证用水结构的合理性和协调性是必要的。根据区域水环境自身的特点,结合产业结构与用水结构所依赖的水资源属性,从水环境容量、水污染总量控制和节水的角度考虑水环境指标体系。综合考虑选取经济效益、用水效益和水环境为三大类评价指标,并构建了三大类指标下的14个单项指标,分别是经济效益指标:第一产业产值占GDP比重、第二产业产值占GDP比重、第三产业产值占GDP比重、研发科技经费支出占GDP比重;用水效益指标:工业用水比重、农业用水比重、第三产业用水比重、生活用水比重、人均生活用水量、人均水资源量;水环境指标:万元GDP废水排放量、农业单位面积施肥量、工业废水排放达标率、污水处理率。由此即可构建水环境体系下区域产业结构与用水结构协调评价指标体系。

2.2评价标准建立

按照国家规范标准,以该地区目前经济社会发展现状以及该地区的发展计划作为依据建立协调评价等级标准。评价标准分为三个等级,即Ⅰ级表示合格,Ⅱ级表示中等,Ⅲ级表示良好。经文献查阅及专家咨询,结合上述所选定的评价指标及其阈值建立区域产业结构与用水结构协调评价等级标准如表2所示。

表2　评价指标及其等级划分

2.3a、b、c的计算

利用集对分析理论在水环境系统下对区域产业结构与用水结构进行协调评价,现将上述所定的相应的评价标准与区域经济效益、用水效益和水环境的指标值作为2个集合构成一个集对,并从这2个集合的同、异、反3方面对集对的特性进行系统分析。在上述所制定的级别i(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)的评价标准上,符合i级标准的评价指标数为集对中2个集合所共同具有的特性数;高于i级标准的评价指标数为集对中2个集合既不对立也不共同具有的特性数;低于i级标准的评价指标数为集对中2个集合彼此对立的特性数。在N个指标中,符合Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级标准的数目分别为N1、N2、N3。指标值符合Ⅰ级标准:对于效益型指标,其值满足≤Ⅰ级标准;对于成本型指标,其指标值评判范围在Ⅰ级标准值和Ⅱ级标准值之间。指标值符合Ⅱ级标准:对于效益型,其值在Ⅰ级和Ⅱ级标准之间;对于成本型指标,其值评判范围在Ⅱ级和Ⅲ级标准之间。指标值符合Ⅲ级标准:对于效益型指标,其值满足在Ⅱ级和Ⅲ级标准之间;对于成本型指标其值要大于Ⅲ级标准。在不同等级评价标准时,区域产业结构与用水结构的联系度表达式中a、b、c的值见表3。

表3　a、b、c值计算公式

2.4态势度的确定

以Ⅱ级标准作为评判标准，符合Ⅱ级标准的效益型指标，其值在Ⅰ级和Ⅱ级标准之间；符合Ⅱ级标准的成本型指标，其值评判范围在Ⅱ级和Ⅲ级标准之间。根据选取的系统指标实际值比照Ⅱ级评判标准值，得出N1、N2、N3的值。参照表3的Ⅱ级标准栏a、b、c的计算式，对照表1可以得出对应态势度分别为经济效益态势度de，用水效益态势度ds，水环境态势度dr。

2.5区域产业结构与用水结构协调发展指数

在确定协调发展指数公式之前,首先要引入生长曲线这个概念。生长曲线函数是预测事件的一组观测数据随时间的变化符合生长曲线的规律,以生长曲线函数进行预测的方法。一般来说,事物总是经过发生、发展、成熟3个阶段,而每一个阶段的发展速度各不相同。通常在发生阶段,变化速度较为缓慢;在发展阶段,变化速度加快;在成熟阶段,变化速度又趋缓慢,按上述3个阶段发展规律得到的变化曲线称为生长曲线。S型生长曲线在很多领域都广泛应用,其模型公式为

(2)

(3)

式中:y为生长曲线函数值;k为生长量指标;t为时间序列;c为常数,称为自然增长率或瞬时增长率;e为自然对数;f为常数。以上两式为S型生长曲线方程。k同时也是y的极限状态,生长曲线模型描述了生长的发展过程:从初始阶段缓慢发展开始,接着是快速的发展阶段,随后是一个平稳的发展时期,最后达到稳定状态。

通过研究经济、社会领域中一些现象,观察到现实中有许多变量随时间的变化从其最初的生长到成熟到最后的衰败的过程,类似于生物生长的过程。区域产业结构与用水结构之间的关系也可以用生产曲线指数模型来表示[20]。则协调发展指数I的表达式为

(4)

I的取值范围为[0.1, 1],由式(2)分析可知,当经济效益de与用水效益态势度ds最小(de=ds=0.1),而水环境态势度最大(dr=1),即水环境污染严重时,I=0.50;而当经济效益de和用水效益态势度ds最大(de=ds=1),而水环境态势度最小(dr=0.1),即水污染较轻时,I=0.97;当三者态势度均取中间值时(de=ds=dr=0.5),I=0.72。通过上述对de,ds,dr取某些特定值来分析I值,可得I的取值范围与系统协调评价结果的等级划分,评价结果为高度协调、基本协调、弱协调、不协调时，I的取值范围分别为[0.90,0.97]、[0.72,0.90)、[0.60,0.72)、[0.50,0.60) 。

3实例分析

以山东省为评价对象,选取2005—2010年历史资料,进行区域产业结构与用水结构协调评价。根据上述选取指标原则选取了14个指标的实际值见表4。

表4　2005—2010年山东省评价指标实际值

随着山东省快速的经济社会发展,工业体系也日趋优化,同时农业经济也全面的发展,高科技的不断创新,所带的第三产业创造的价值也蒸蒸日上。但是中国仍然是一个发展中的国家,山东省大发展也处于中等水平,因此选取Ⅱ级标准作为评判标准,根据上述方法可以得到a、b、c的值,结合表1可以得到态势度de、ds、dr和I的值,见表5。

表5　计算及评价结果

从表5可以看出山东省2005—2010年经济效益、用水效益、水环境的协调发展指数I是呈上升趋势的,从数据处理的结果来看该区域处于弱协调状态。从表5同时可以看出经济效益与用水效益的态势度较大的同时,水环境的态势度也较大,这就说明山东省在发展经济的同时,对水环境造成了严重的破坏,导致整个区域的协调发展指数呈弱协调状态。需要强调的是,虽然水环境态势度较大,但其数值在明显减小,这与山东省近几年注重环保工作,加大投资改善水环境,加强对水资源的统一管理,做好水资源的统一规划,完善三废处理工作密不可分,较好处理水环境污染问题从根本上减轻了水压力造成的负担,保障整个区域产业结构与用水结构协调发展。

4结语

提出用集对分析联系数的同异反态势度排序方法,计算出经济效益、用水效益和水环境的协调发展指数,建立该区域协调评价模型,对山东省产业结构与用水结构进行协调评价,分析结果为山东省的产业结构与用水结构呈现弱协调的状态,这与山东省现状发展情况相符合。该模型不受指标数量的限制,且不必赋予指标权重,计算简洁,可信度高。由于选取的是整个山东省作为实例,得到的研究结构可能不全面,需要更进一步的详细评价,有待更细分地研究山东省各市的协调情况,比对分析,有利于更好地说明协调评价结果。

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Coordinate assessment of regional industrial structure and water utilization structure based on set pair analysis

LIU Shan1, 2, WU Chengguo1, 2, PAN Zhengwei3, ZHANG Libing1, 2

(1.CollegeofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.InstituteofWaterResourceandEnvironmentalSystemEngineering,CollegeofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;3.SchoolofCivilEngineeringandEnvironmentalEngineering,AnhuiXinhuaUniversity,Hefei230088,China)

Abstract：From the concept of regional sustainable development, this paper established the coordinate assessment index system of regional industrial structure and water utilization structure on the condition of reasonable utilization of water resources and not sacrificing the water environment. Using the sort of set pair connection degree analysis of identical discrepancy contrary state, this study proposed a coordinate development index formula of regional industrial structure and water utilization structure by the reference to the growth curve formula and built the coordinate assessment model of regional industrial structure and water utilization structure based on set pair analysis. Applying the model to Shandong Province, the results are in accordance with the fact, the calculation process is concise, and the model has high operability. Research results can provide scientific and effective decision-making basis for regional water resources development.

Key words：coordinate assessment; industrial structure; water utilization structure; set pair analysis; state degree; Shandong Province

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.012

基金项目:国家自然科学基金(51309004, 51309072, 51479045); 水利部公益性行业科研专项经费项目(201301003)

作者简介:刘珊(1990—), 女, 硕士研究生, 研究方向为水资源系统工程。 E-mail: 770999010@qq.com 通信作者:潘争伟, 讲师。 E-mail: pzhwei1023@163.com

中图分类号：TV213.4

文献标志码：A

文章编号：1004-6933(2016)03-0064-05

(收稿日期：2015-05-10编辑：王芳)