基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的筑壩建庫環(huán)境影響綜合評價——以富嶺水庫為例

劉　斌　殷國仕　周召梅

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院　長沙市　410131）

基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的筑壩建庫環(huán)境影響綜合評價——以富嶺水庫為例

劉斌殷國仕周召梅

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院長沙市410131）

針對水電工程與社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜的關(guān)系，選用PSR概念模型建立指標(biāo)體系，構(gòu)建了基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。以2014年為評價水平年，對富嶺水庫的環(huán)境影響進(jìn)行評價。根據(jù)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入評價指標(biāo)，計算得出評價指數(shù)為0.379。結(jié)果表明：生態(tài)環(huán)境影響處于四級，總體為負(fù)效應(yīng)，但影響程度較小。

筑壩建庫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響綜合評價

在河流上筑壩建庫是人類開發(fā)利用水資源，控制河流對人類危害的一項(xiàng)重要活動。水庫工程在防洪、灌溉、發(fā)電、供水、養(yǎng)殖及改善航運(yùn)條件等方面發(fā)揮了巨大作用，但在河流上建設(shè)水庫，通過對河流通道的阻隔、水庫淹沒、人為徑流調(diào)節(jié)等人工干預(yù)，改變了河流的各種循環(huán)模式，破壞了河道原有的生態(tài)系統(tǒng)，影響了河道的生態(tài)功能，并對周邊生態(tài)系統(tǒng)工程產(chǎn)生負(fù)面影響。

現(xiàn)行的環(huán)境影響評價多采用單因子法、綜合指數(shù)法、主成分分析法、層次分析法等，這些方法在指標(biāo)權(quán)重的確定上仍具有很大的主觀性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和容錯性等優(yōu)良性質(zhì)以及復(fù)雜的并行分布處理能力，因而能夠從具體的學(xué)習(xí)樣本出發(fā)，獲得基于客觀的權(quán)重。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被用于水質(zhì)評價、大氣質(zhì)量評價、安全評價等應(yīng)用中，但在筑壩建庫的宏觀環(huán)境影響評價中還未采用。本文在對評價指標(biāo)及評價標(biāo)準(zhǔn)的研究基礎(chǔ)上，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對筑壩建庫的水電工程生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行定量評價探索。

1　評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1構(gòu)建原理

水電工程生態(tài)環(huán)境影響研究所面對的是一個涉及社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境的紛繁復(fù)雜的大系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)內(nèi)既有自然因素的影響，又有社會、經(jīng)濟(jì)、文化、傳統(tǒng)等因素的影響。

針對水電工程與社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜的關(guān)系，為滿足水電工程管理與水資源保護(hù)管理和決策要求，選用PSR概念模型來建立指標(biāo)體系。“壓力（Pressure）─狀態(tài)（State）─響應(yīng)（Response）”概念模型是國際上流行的指標(biāo)體系，簡稱PSR模型。基于PSR的指標(biāo)體系充分考慮了水電工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的破壞和改善的雙重效果，在評價過程中包含了經(jīng)人類活動影響帶來的生態(tài)修復(fù)的作用，全面反映了對生態(tài)環(huán)境的影響，具有真實(shí)性、系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性。

借鑒壓力-狀態(tài)-響應(yīng)這一思路，分析研究其在各領(lǐng)域的運(yùn)用案例，根據(jù)水電工程生態(tài)環(huán)境影響的特點(diǎn)，建立起指標(biāo)體系的具體框架，形成水電工程生態(tài)環(huán)境影響綜合評價的PSR概念模型框架圖（圖1）。

圖1　水電工程生態(tài)環(huán)境影響評價的PSR概念模型框架

1.2評價指標(biāo)體系構(gòu)建

在PSR模型中，壓力指標(biāo)體系表征人類修建水電工程對最初的自然條件變化和社會經(jīng)濟(jì)而引起的壓力，狀態(tài)指標(biāo)體系表征受影響的自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中各因素的狀態(tài)或趨勢，響應(yīng)指標(biāo)體系表征人類在改善生態(tài)環(huán)境的行為。

評價指標(biāo)選取的依據(jù)主要從體系的完整性、正確性、可行性入手，在不失全面的情況下，盡量減少體系中指標(biāo)的個數(shù)，注重指標(biāo)的影響評價功能，選擇和確定評價指標(biāo)。指標(biāo)詳見表1。

表1　筑壩建庫生態(tài)環(huán)境影響綜合評價指標(biāo)體系

2　筑壩建庫環(huán)境影響評價模型

2.1評價水平年確定

水電開發(fā)對環(huán)境帶來的影響是動態(tài)變化的，建庫前、施工過程中和建庫后，生態(tài)環(huán)境都在不斷變化，因此針對環(huán)境影響的評價需要確定評價水平年，選擇一個具有代表性的年份進(jìn)行環(huán)境影響評價。對于評價水平年的選擇可以選：①工程修建前；②工程投產(chǎn)后；③工程運(yùn)行若干年后。

2.2評價區(qū)域和層次確定

流域生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)合的大系統(tǒng)，梯級水電開發(fā)對系統(tǒng)的影響廣泛而深刻，自然環(huán)境、社會環(huán)境的差異，導(dǎo)致工程對環(huán)境影響區(qū)域各點(diǎn)各塊的影響程度和性質(zhì)上存在差異。水利工程環(huán)境影響的范圍包括庫區(qū)、上游段、下游段及周圍區(qū)域等。

按照層次分析方法，根據(jù)評價對象各組成部分之間的相互關(guān)系，將其歸納為下列層次結(jié)構(gòu)體系：

目標(biāo)層，以水電工程對生態(tài)環(huán)境影響綜合評價指數(shù)為目標(biāo)層，以綜合表征生態(tài)環(huán)境影響態(tài)勢；準(zhǔn)則層，以生態(tài)環(huán)境影響內(nèi)部具有邏輯關(guān)系的筑壩建庫壓力、生態(tài)環(huán)境狀態(tài)和工程生態(tài)環(huán)境響應(yīng)作為準(zhǔn)則層的評判依據(jù)；指標(biāo)層，是指標(biāo)體系中最基本的層面，即評價要素有哪些具體指標(biāo)來表達(dá)。

2.3基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

徑向基函數(shù)神經(jīng)（Radial Basis Function，縮寫成RBF）網(wǎng)絡(luò)簡稱徑向基網(wǎng)絡(luò)，是由J.Moody和C. Darken于20世紀(jì)80年代末提出來的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它是具有單隱含層的3層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。目前已經(jīng)證明，徑向基網(wǎng)絡(luò)能夠以任意精度逼近連續(xù)函數(shù)。

徑向基網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點(diǎn)只傳遞輸入信號到隱含層,隱含層節(jié)點(diǎn)由像高斯函數(shù)那樣的輻射狀作用函數(shù)構(gòu)成,而輸出層節(jié)點(diǎn)通常是簡單的線性函數(shù)。徑向基網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的原型函數(shù)為：radbas（n）=e-n2。

隱含層每個神經(jīng)元與輸入層相連的權(quán)值向量w1i和輸入向量Xp（表示q個輸入向量）之間的距離乘上閾值b1i作為本身的輸入。

由此可以得到隱含層的第i個神經(jīng)元的輸入

徑向基函數(shù)的閾值b1可以調(diào)節(jié)函數(shù)的靈敏度，但在實(shí)際應(yīng)用中使用擴(kuò)展系數(shù)C。b1和C的關(guān)系有多種確定方法，在MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中，b1和C的關(guān)系為b1i=0.8326/Ci。不難看出，C值的大小實(shí)際上反映了輸出對輸入的響應(yīng)寬度。C值越大，隱含層神經(jīng)元輸入向量的響應(yīng)范圍越大，而且神經(jīng)元之間的平滑度也較好。

輸出層的輸入為各層神經(jīng)元輸出的加權(quán)求和。由于傳遞函數(shù)為純線性函數(shù)，因此輸出算式為：

在RBF網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)之前，需要提供輸入向量X、對應(yīng)的目標(biāo)向量T與徑向基函數(shù)的擴(kuò)展常數(shù)C。學(xué)習(xí)的目的是求取兩層的最終權(quán)值w1、w2和閾值b1、b2。

本文的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過MATLAB6.5軟件系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用徑向基網(wǎng)絡(luò)算法建立筑壩建庫生態(tài)環(huán)境影響綜合評價模型按照如圖2進(jìn)行。

圖2　筑壩建庫生態(tài)環(huán)境影響綜合評價模型RBF算法流程圖

3　富嶺水庫環(huán)境影響評價

3.1項(xiàng)目概況

富嶺水庫位于瀏陽市沿溪鎮(zhèn)，大溪河一級支流大光河中游，大光河屬于瀏陽河支流大溪河的一級支流，發(fā)源于瀏陽市次高峰，海撥1 600 m的連云山脈，流域面積為74.2 km2，河道長26 km，流經(jīng)大光河、三合口，于沿溪鎮(zhèn)匯入大溪河。

富嶺水庫正常蓄水位為190.0 m（黃海高程，下同），設(shè)計水位為192.2 m，校核水位為192.7 m，防洪限制水位為184.5 m，防洪高水位為192.2 m，死水位為171 m；總庫容為1 311萬m3，死庫容為184萬m3，防洪庫容為535萬m3。

3.2評價指標(biāo)體系的選取和評價標(biāo)準(zhǔn)的確定

由于指標(biāo)體系中的各項(xiàng)評價指標(biāo)的類型復(fù)雜，單位存在差異，難以進(jìn)行比較和綜合分析，因此，需要對各指標(biāo)進(jìn)行量化，即無量綱處理，并劃分成11級，然后根據(jù)它們對生態(tài)環(huán)境影響的大小，對每級給定標(biāo)準(zhǔn)化分值，取值設(shè)定在-1.0～1.0之間，見表2。標(biāo)準(zhǔn)的制定需要進(jìn)行敏感性分析，并應(yīng)以國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、其它國際標(biāo)準(zhǔn)和已取得的研究成果等為參照值，通過專家咨詢，研究得出具體指標(biāo)的劃分評價標(biāo)準(zhǔn)。

3.3評判標(biāo)準(zhǔn)的確定

將筑壩建庫生態(tài)環(huán)境影響指數(shù)劃分為五級：

一級，工程對生態(tài)環(huán)境影響大，綜合指數(shù)為± 0.8～±1.0；二級，工程對生態(tài)環(huán)境影響較大，綜合指數(shù)為±0.6～±0.8；三級，工程對生態(tài)環(huán)境影響中等，綜合指數(shù)為±0.4～±0.6；四級，工程對生態(tài)環(huán)境影響較小，綜合指數(shù)為±0.2～±0.4；五級，工程影響小，即筑壩建庫對生態(tài)環(huán)境幾乎沒有影響，綜合指數(shù)為±0.2～0.2。

其中，如果結(jié)果為負(fù)，則為負(fù)影響，即為不利影響大于有利影響；如果結(jié)果為正，則為正影響，即為有利影響大于不利影響。

3.4基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

（1）樣本數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

①生成隨機(jī)數(shù)據(jù)。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型需要大量的數(shù)據(jù)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，但水電工程的生態(tài)環(huán)境影響評價研究缺少大量的資料供我們使用。為了提高訓(xùn)練精度，對標(biāo)準(zhǔn)類別進(jìn)行有限次內(nèi)插，從而增加訓(xùn)練樣本。本次采用在評價分級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法來獲取訓(xùn)練樣本。利用MATLAB的數(shù)學(xué)工具，產(chǎn)生了10組隨機(jī)數(shù)。

表2　筑壩建庫生態(tài)環(huán)境影響評價指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)

②無量綱歸一化。由于數(shù)據(jù)間的量綱不統(tǒng)一，在評價時無法進(jìn)行一致性比較，因此需進(jìn)行無量綱歸一化處理。

采用無量綱歸一化公式：

式中X’──目標(biāo)數(shù)據(jù)；

X──原始數(shù)據(jù)；

Xmax、Xmin──原始數(shù)據(jù)的最大值和最小值。在評價標(biāo)準(zhǔn)中，不利影響評價指標(biāo)只在負(fù)的等級內(nèi)取值，即在-1.0～0內(nèi)，因此在評價前應(yīng)將前面空缺的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)齊，以便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練?？紤]到指標(biāo)取值的實(shí)際范圍，我們將最?。ㄗ畲螅┛赡艿娜≈底鳛閿?shù)據(jù)的極值，并經(jīng)過無量綱歸一化后分別以0和1代替。

有利影響評價指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)取值正負(fù)均可取，即可在-1.0～1.0內(nèi)任意取值，在制定標(biāo)準(zhǔn)時考慮到人為判別的能力，也只取了5級，在評價時我們以上下兩級的均值來補(bǔ)齊中間的評價等級標(biāo)準(zhǔn)。

③評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。富嶺水庫筑壩建庫不同階段指標(biāo)初始值和無量綱處理后指標(biāo)值見表3。

（2）RBF網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計。

本文采用徑向基函數(shù)（RBF）三層網(wǎng)絡(luò)。由前文得知，生態(tài)環(huán)境影響綜合評價指標(biāo)為12個，因此RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為12個。在生態(tài)環(huán)境指標(biāo)各級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)分別隨機(jī)產(chǎn)生10個樣本，作為輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，經(jīng)過30次學(xué)習(xí)，達(dá)到誤差要求。

3.5評價結(jié)果

根據(jù)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入需要評價的評價指數(shù)，即可得出評價結(jié)果。計算得出評價指數(shù)為0.379，表明生態(tài)環(huán)境影響處于四級，總體為負(fù)效應(yīng)，但影響程度較小。

4　結(jié)論

（1）根據(jù)建庫環(huán)境影響的特點(diǎn)，從 “壓力 （Pressure）-狀態(tài)（State）-響應(yīng)（Response）”出發(fā)，綜合考慮建庫對環(huán)境和影響及人類修復(fù)措施的成效構(gòu)建了評價指標(biāo)體系，并建立了基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型，對建庫造成的環(huán)境影響進(jìn)行定量評價。

（2）將模型應(yīng)用于富嶺水庫開發(fā)對生態(tài)環(huán)境影響評價,經(jīng)過評價指標(biāo)因子識別、量化，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)果表明：富嶺水庫評價指數(shù)為0.379，表明生態(tài)環(huán)境影響處于四級，總體為負(fù)效應(yīng)。富嶺水庫的生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行受到了影響，需要采取一定的生態(tài)修復(fù)措施進(jìn)行修復(fù)。

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劉斌（1981-），男，湖南新化人，碩士研究生，講師、工程師，主要從事水利職業(yè)教育與水利工程設(shè)計等工作。

（2016-02-28）