浙江省水資源支撐力定量評價研究

秦旭寶，劉夏明，崔冰雪，裴 珺，薛 娟

(1.浙江省水利水電技術(shù)咨詢中心，杭州 310020；2. 浙江水利水電學院，杭州 310018)

1 水資源支撐力理論和評價指標體系研究

1.1 水資源支撐力概念

早在20世紀70年代末期，聯(lián)合國教科文就組織對水資源支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的能力進行了大量研究，并提出了水資源承載力概念，用于衡量水資源與經(jīng)濟社會發(fā)展間的關(guān)系。20世紀80年代末期，新疆水資源軟科學課題研究組的新疆水資源及其承載問題專項研究，為國內(nèi)首次提出水資源承載力的研究。自此以后，水資源承載力研究方興未艾。如施雅風等的新疆烏魯木齊河流域的水資源承載力研究。徐中民黑河流域、賈嶸等及蔣曉輝等關(guān)中地區(qū)的水資源承載力研究。李慶航等的城市水資源承載力的評價研究等等。專家學者們在研究的同時也對水資源承載力進行了定義，如“水資源承載能力是指某一地區(qū)的水資源，在一定社會歷史和科學技術(shù)發(fā)展階段，在不破壞社會和生態(tài)系統(tǒng)時，最大可承載(容納)的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模和人口的能力”、“在一定的技術(shù)經(jīng)濟水平和社會生產(chǎn)條件下，某一地區(qū)對該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和維護良好的生態(tài)環(huán)境的最大支撐能力”等。然而水資源承載力是集分析、預測與評價為一體的綜合研究，涉及區(qū)域人口、經(jīng)濟、資源和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，內(nèi)容復雜，涉及面廣，對于水資源承載力的定義目前還未形成統(tǒng)一的共識[1-4]。

筆者認為，水資源對人類經(jīng)濟社會以及自然生態(tài)的支撐作用(能力)是水資源承載力的核心內(nèi)涵，而且“支撐力”和“承載力”是兩個非常相似的概念，即如物理學中的相互作用力，可以從施力和受力兩個角度分析，如水資源的支撐力，即把水資源作為施力者，突出它對區(qū)域人類社會和自然生態(tài)發(fā)展所起到的支撐作用；而討論水資源的承載力時把水資源作為受力者，主要強調(diào)資源本身所能容納的最大人類社會要素，如人口、經(jīng)濟規(guī)模等。而運用“支撐力”能更直觀易懂的描述水資源對經(jīng)濟社會和環(huán)境的支撐作用，把水資源的支撐作用突顯出來，就如人們比較容易理解作用力。另外，當前的研究中，部分研究成果把水資源承載力作為一個閾值，指區(qū)域水資源最大開采量或能承受的最大人口、經(jīng)濟規(guī)模等。借鑒生物學原理，一個種群達到最繁榮最優(yōu)狀態(tài)，并不是單指群里數(shù)量最大時，而是指種群穩(wěn)定時的最大值。綜上所訴，水資源支撐力可定義為：在一定的技術(shù)和管理水平條件下，某一區(qū)域水資源對區(qū)域經(jīng)濟社會、自然環(huán)境發(fā)展等總體目標支撐限度，且其最優(yōu)狀態(tài)為該地區(qū)水資源支撐經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、良性發(fā)展時的最大值。

1.2 評價指標體系

水資源系統(tǒng)是一個水資源、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟相互耦合的巨大系統(tǒng)。水資源支撐力研究涉及到社會、經(jīng)濟、環(huán)境、生態(tài)和水資源等各個方面，要科學、合理的對水資源支撐力進行評價，必然要考慮以上各方面的因素影響及它們之間的相互作用關(guān)系。可見水資源支撐力評價問題具有明顯的多層次和多指標特征。同時，不同的區(qū)域有著不同的水資源開發(fā)利用特點，在選取指標時，要綜合考慮到當?shù)厮Y源條件、人類活動影響和社會經(jīng)濟發(fā)展的差異。本文按照系統(tǒng)性、代表性、層次性、可度量性和功效性的原則，在前人對指標選取分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合浙江省生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水實際，分為目標層、準則層和指標層3個層次，從水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟社會系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)3個方面選取人均水資源量、水資源開發(fā)利用率、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、平均綜合灌溉用水量、人均生活用水量、人均環(huán)境用水量、生態(tài)環(huán)境用水率8個指標作為評價浙江省水資源支撐力的指標體系，詳見表1。

表1 水資源支撐力評價指標體系Tab.1 Evaluation indicator system of the waterresources supporting capacity

2 基于改進遺傳算法的投影尋蹤模型

2.1 投影尋蹤模型

投影尋蹤法(Projection Pursuit，簡稱PP方法)是一種新興的、有價值的數(shù)據(jù)分析方法，涉及到統(tǒng)計學、應用數(shù)學和計算機技術(shù)等學科，用來分析和處理高維數(shù)據(jù)，尤其是處理非線性、非正態(tài)高維數(shù)據(jù)。它可以直接由樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動來處理和分析高維數(shù)據(jù)，避免由于形式化、數(shù)學化而對某些高維、非線性、非正太問題帶來的適應能力不強的問題，具有穩(wěn)健性好、抗干擾性強和準確度高等優(yōu)點。其基本思路為:利用計算機技術(shù)將高維數(shù)據(jù)通過某種組合投影到一維空間上，并尋找最能夠反映數(shù)據(jù)特征和最能充分挖掘數(shù)據(jù)信息的最優(yōu)投影方向，找出最佳投影，然后根據(jù)該投影值與研究系統(tǒng)實際的評價輸出值之間的關(guān)系構(gòu)造適當?shù)臄?shù)學模型以模擬系統(tǒng)的評價輸出。其模型構(gòu)建主要分為數(shù)據(jù)歸一化處理、構(gòu)建投影目標函數(shù)、優(yōu)化投影目標函數(shù)和分類與有序排列四個步驟，詳見文獻[5]。

2.2 改進遺傳算法優(yōu)化投影方向

遺傳算法由美國的J.Holland教授于1975年首先提出，它是一種借鑒生物界進化規(guī)律(適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機制)演化而來的隨機化搜索方法，具有直接對結(jié)構(gòu)對象進行操作，不存在求導和函數(shù)連續(xù)性的限定以及可全局尋優(yōu)等優(yōu)點。本次研究對標準遺傳算法進行了實數(shù)編碼和自適應改進后用于優(yōu)化投影方向。即染色體編碼采用實數(shù)編碼(RAGA)，同時為了進行全局搜索和克服早熟現(xiàn)象，采用自適應的交叉概率和變異概率，見下式。

(1)

(2)

式中：pj為交叉概率；pb為變異概率；fmax為種群中最大適應度值；favg為種群平均適應度值；f′為要交叉的兩個個體中較大適應度值；f為要變異個體的適應度值。

改進遺傳算法優(yōu)化投影方向的計算思路為：在單位超球面內(nèi)隨機生成若干初始投影方向，并對其進行實數(shù)編碼后生成計算初始種群，然后分別計算其投影目標函數(shù)值，運用改進遺傳算法按照取大原則選取投影目標函數(shù)值，經(jīng)過多次優(yōu)化計算后，最終確定最大投影目標函數(shù)值對應的投影方向為最優(yōu)投影方向。具體計算流程見圖1。

圖1 計算流程圖Fig.1 Flow chart of improved GA optimized PP

3 實例分析

浙江省位于亞熱帶季風氣候區(qū)，冬夏季風交替顯著，多年平均降雨量1 603 mm。全省多年平均水資源量為955億m3，平均單位面積水資源量為92萬m3/km2，按單位面積計算的水資源量較豐，僅次于臺灣、福建、廣東，居全國第4位。然而從人均水資源量來看，浙江人均水資源量僅為2 100 m3，低于全國平均數(shù)2 200 m3，同時近年來隨著全省經(jīng)濟社會的跨越式發(fā)展，對水資源需求不斷增長，且發(fā)展過程中部分行業(yè)環(huán)保意識的薄弱，措施不到位，平原地區(qū)各河流水體不同程度受到污染，局部地區(qū)的資源性、水質(zhì)性和工程型缺水問題日益凸顯。

3.1 浙江省水資源支撐力評價指標體系及分級標準

根據(jù)水資源支撐力的定義和評價指標體系研究情況，選取分別代表水資源、經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境三大系統(tǒng)的8個指標。由于目前國內(nèi)外對于水資源支撐力評價研究較少，借鑒水資源承載力等相關(guān)研究的劃分方法[6]，將水資源支撐力分為3個等級，Ⅰ級為良好，表示水資源支撐力水平較高，支撐力強勁，可滿足經(jīng)濟社會的水資源需求；Ⅲ級屬于狀況較差，表示水資源支撐能力趨于飽和，很大可能性會出現(xiàn)短缺，阻礙經(jīng)濟社會發(fā)展；Ⅱ級為基本滿足，介于兩者之間，表明當?shù)厮Y源基本能支撐經(jīng)濟社會發(fā)展，水資源已經(jīng)開發(fā)到相當規(guī)模，局部存在一定程度的水資源短缺問題。并結(jié)合浙江省實際，按照3個等級劃分了8個指標的相應等級標準，見表2。

為了建立模型計算結(jié)果與評價等級之間的數(shù)值關(guān)系，在8個評價指標相應的等級區(qū)間內(nèi)隨機生成一定數(shù)量的樣本，輸入模型進行計算，得出各等級標準對應投影值分布區(qū)間。理論上，初始樣本數(shù)量越多，計算結(jié)果越好，但參閱前人研究成果，發(fā)現(xiàn)由于PP模型為非線性優(yōu)化模型，數(shù)據(jù)量過大會產(chǎn)生后續(xù)優(yōu)化緩慢甚至難以進行的負面影響，因此初始種群數(shù)選取90個，3個等級各選擇30個。遺傳算法參數(shù)設(shè)定如下：最大進化代數(shù)為150。初始交叉概率和變異概率分別為0.8和0.002，經(jīng)編程計算，得到最優(yōu)投影方向后計算一維空間上最佳投影特征值，由各等級30個樣本計算投影值分析得出評價等級和投影值分布區(qū)間對應關(guān)系，結(jié)果詳見表3。

表2 水資源支撐力力評價指標及分級標準Tab.2 Evaluation indicator and levels of waterresources supporting capacity

表3 評價等級和投影值對應關(guān)系Tab.3 Correspondence of evaluation levels and projection ranges

3.2 浙江省水資源支撐力定量評價

通過《浙江省水資源公報(2013)》、《浙江省統(tǒng)計年鑒(2014)》等權(quán)威資料，分析計算浙江省11個地市及全省2013年8個評價指標值，并形成評價指標矩陣，詳見表4。采用基于改進遺傳算法的投影尋蹤模型對各地水資源支撐力進行定量評價，評價計算結(jié)果見表5。

表4 浙江省各地市評價指標矩陣Tab.4 Evaluation indicator matrix of all districts in Zhejiang province

注：過境水量不參與開發(fā)率計算。

表5 浙江省水資源支撐力投影值Tab.5 The water resources supporting capacity projections in Zhejiang province

圖2 支撐力投影值情況圖Fig.2 The water resources supporting capacity projections of all districts

從支撐力投影值計算成果來看，2013年浙江省水資源支撐力水平處于II級，水資源基本能支撐全省經(jīng)濟社會發(fā)展的需求。11個地市中有9個地市水資源支撐力處于Ⅱ級以上，僅舟山和嘉興處于Ⅲ級，支撐力最低的舟山為0.779處于Ⅲ等區(qū)間的中上游，離下邊界0.61較遠，總體來看，浙江省屬于我國水資源較為豐沛的地區(qū)，全省及各地市的水資源支撐力情況大部分屬于Ⅱ級標準，與當?shù)厮Y源支撐經(jīng)濟社會發(fā)展實際相符。海島和部分沿海平原地區(qū)由于水資源稟賦和水污染問題，水資源支撐力相對較低。另外，全省僅麗水和衢州水資源支撐力達到I級水平，且從投影值來看，還處于Ⅰ級標準區(qū)間的下邊界附近。其余處于Ⅱ級水平的地市，支撐力投影值也處于Ⅱ標準區(qū)間的下半段，全省水資源支撐力還有較大的提升空間。

為提高水資源支撐力水平，全省各地一方面根據(jù)水資源支撐能力調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和優(yōu)化生產(chǎn)力布局，通過各項工程措施，科學合理有序開發(fā)利用水資源，提高水資源配置和調(diào)控能力；另一方面，實行最嚴格的水資源管理制度，根據(jù)劃定的水資源管理三條“紅線”，加強水資源節(jié)約保護，尤其是水污染較為嚴重的沿海平原地區(qū)，嚴格實行用水總量控制，堅決遏制用水浪

費，嚴格控制入河排污總量。

4 結(jié) 語

(1)全面分析梳理了水資源承載力等表征水資源與經(jīng)濟社會相互聯(lián)系的研究情況，并結(jié)合水資源與支撐經(jīng)濟社會發(fā)展實際對水資源支撐力概念進行了專業(yè)定義。

(2)綜合考慮水資源、經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境3大系統(tǒng)相互影響，建立了浙江省水資源支撐力分析評價指標體系，并將基于改進遺傳算法投影尋蹤模型應用于浙江省11個地市及全省的水資源支撐力評價中，實際應用表明，該方法思路清晰，計算求解可操作性強，不僅清晰地給出了投影值和評價等級的關(guān)系，而且對浙江省各地水資源支撐力進行了合理、科學量化，量化結(jié)果與各地水資源支撐經(jīng)濟社會發(fā)展實際基本相符。

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[1] 新疆水資源軟科學課題組. 新疆水資源及其承載力的開發(fā)戰(zhàn)略對策[J].水利水電技術(shù),1989,(6):2.

[2] 劉 曉,陳 雋,琳 琳,等.水資源承載力研究進展與新方法[J].北京師范大學學報(自然科學版),2014,50(3):313-317.

[3] 龍騰銳，姜文超.水資源(環(huán)境)承載力的研究進展[J].水科學進展,2003,14(2):249.

[4] 李慶航,董增川,付 湘,等.城市水資源承載力評價研究[J].水力發(fā)電,2008,2(34):1.

[5] 何 偉,基于投影尋蹤法的江蘇城市經(jīng)濟國際化水平評價[J],經(jīng)濟管理,2008,30:59-61.

[6] 王懷柱,趙亞峰,鄭元世,基于遺傳算法的投影尋蹤聚類模型對銀川市各地區(qū)水資源承載能力評估[J].寧夏大學學報(自然科學版),2009,(30):408-410.

[7] 浙江省統(tǒng)計局.浙江省2014年統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2014.