水工隧洞建設(shè)對(duì)區(qū)域水資源優(yōu)化的影響

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

水工隧洞建設(shè)對(duì)區(qū)域水資源優(yōu)化的影響

吳小靜

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著人口不斷攀升及工商業(yè)的發(fā)展，區(qū)域用水需求量逐年增加，使得水資源短缺問(wèn)題日顯嚴(yán)重，水工隧洞成為目前區(qū)域性水資源嫁接渠道，日益成為研究焦點(diǎn)。本文首先利用灰色系統(tǒng)之灰關(guān)聯(lián)分析法(Grey relational analysis)評(píng)估區(qū)域水資源優(yōu)化，以得知水工隧洞建設(shè)的影響值；另以灰色系統(tǒng)之GM(1,N)模型對(duì)水工隧洞建設(shè)的影響值進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)；最后對(duì)實(shí)際值與模擬預(yù)測(cè)值進(jìn)行相對(duì)殘差值評(píng)析，并進(jìn)一步提出一種預(yù)測(cè)效能最優(yōu)的分析方法。

灰關(guān)聯(lián)分析法(Grey relational analysis)；GM(1,N)模型；水工隧洞建設(shè)影響值；區(qū)域水資源優(yōu)化

1 引 言

水工隧洞是水利水電工程的重要組成部分,受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，隨著一批新的重大水利水電工程特別是調(diào)水工程的陸續(xù)實(shí)施，水工隧洞技術(shù)不斷更新和發(fā)展，隧洞的埋深、長(zhǎng)度和建設(shè)難度不斷增加，特別是穿越山脈、河流、海峽等自然障礙的長(zhǎng)隧洞已逐步成為水利水電工程的難點(diǎn)和重點(diǎn)。以灰色系統(tǒng)之GM(1,N)模型對(duì)水工隧洞建設(shè)影響值進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，最后對(duì)實(shí)際值與模擬預(yù)測(cè)值進(jìn)行相對(duì)殘差值的評(píng)析，以評(píng)估模型來(lái)預(yù)測(cè)效能。以通過(guò)此灰色系統(tǒng)了解水工隧洞建設(shè)對(duì)區(qū)域水資源優(yōu)化影響的研究，進(jìn)而減少國(guó)內(nèi)區(qū)域嚴(yán)重缺水和用水調(diào)度問(wèn)題。

2 背景和相關(guān)文獻(xiàn)研究

2.1 背景分析

根據(jù)國(guó)家水安全創(chuàng)新工程總體安排，科技部會(huì)同有關(guān)部門及有關(guān)省(自治區(qū)、直轄市)科技主管部門制定了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“水資源高效開(kāi)發(fā)利用”重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)施方案。本專項(xiàng)緊密圍繞水資源安全供給的科技需求，重點(diǎn)開(kāi)展綜合節(jié)水、非常規(guī)水資源開(kāi)發(fā)利用、水資源優(yōu)化配置、重大水利工程建設(shè)與安全運(yùn)行、江河治理與水沙調(diào)控、水資源精細(xì)化管理等方面科學(xué)技術(shù)研究，促進(jìn)科技成果應(yīng)用，培育和發(fā)展水安全產(chǎn)業(yè)，形成重點(diǎn)區(qū)域水資源安全供給系統(tǒng)性技術(shù)解決方案及配套技術(shù)裝備，形成50億m3的水資源。

2.2 文獻(xiàn)研究

吳澤寧、索麗生結(jié)合我國(guó)水資源問(wèn)題，闡述了水資源優(yōu)化配置的作用，對(duì)國(guó)內(nèi)外水資源優(yōu)化配置的研究進(jìn)展做了評(píng)述，從可持續(xù)發(fā)展的角度，對(duì)水資源優(yōu)化配置研究成果的特點(diǎn)進(jìn)行歸納。在此基礎(chǔ)上，指出水質(zhì)水量聯(lián)合優(yōu)化配置和水資源優(yōu)化配置效果評(píng)價(jià)的理論、模型和方法,以及3S技術(shù)和新優(yōu)化算法在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用，是水資源優(yōu)化配置研究的重要領(lǐng)域。

3 灰色系統(tǒng)模型——灰關(guān)聯(lián)分析法、GM (1, N) 模型

灰關(guān)聯(lián)分析源自灰色系統(tǒng)理論，具有少數(shù)據(jù)及多因素分析特性，而灰關(guān)聯(lián)分析是針對(duì)一群離散序列數(shù)據(jù)，找出其中一序列對(duì)其他序列的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)灰色理論定義，灰關(guān)聯(lián)度實(shí)際上是表示兩個(gè)序列間相關(guān)程度，因此，利用離散的測(cè)度方式計(jì)算距離量度，此測(cè)度稱為 “灰關(guān)聯(lián)度”，并藉由其序列間的灰關(guān)聯(lián)度數(shù)值大小(重要性)加以排序，以獲得重要訊息。進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，建立序列的可比性必須滿足以下三個(gè)條件(Deng, 1982；Deng, 1989)：

依上，求灰關(guān)聯(lián)度時(shí)，傳統(tǒng)的方式必須先求出灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。求出灰關(guān)聯(lián)度后，將結(jié)果加以排列，稱為灰色關(guān)聯(lián)序列。

在灰關(guān)聯(lián)系數(shù)中，辨識(shí)系數(shù)的功能主要是作背景值和待測(cè)物之間的對(duì)比，數(shù)值的大小可以根據(jù)實(shí)際的需要做適當(dāng)調(diào)整。一般而言，辨識(shí)系數(shù)的數(shù)值均取為0.5，但是為了加大結(jié)果的差異性，可以依實(shí)際需要做調(diào)整。由實(shí)際的數(shù)學(xué)證明中得知，辨識(shí)系數(shù)數(shù)值的改變只會(huì)變化相對(duì)數(shù)值的大小，不會(huì)影響灰關(guān)聯(lián)度的排序。

如上式，整體性灰關(guān)聯(lián)度中，由于每一個(gè)序列均可以成為標(biāo)準(zhǔn)序列，因此在求出所有的灰關(guān)聯(lián)度后，可以用特征值方式(eigen- vector method)加以排序。

a. 無(wú)因次性(Normalization)：不論因子的測(cè)定為何，必須經(jīng)過(guò)處理成無(wú)因次性。

b. 等級(jí)性(Scaling)：各序列均屬于同等級(jí)(Order)。

c. 同極性(Polarization)：序列中的因子描述應(yīng)為同方向。

GM (1,N) 模型序列x1(k),x2(k),x3(k),…,xN(k)中，假設(shè)x1(k) 是系統(tǒng)行為的主行因子，而x2(k),x3(k),…,xN(k)為影響主行為的因子，稱為次行因子，則可利用GM (1,N) 模型做分析。在本研究中將水工隧洞建設(shè)影響值(BOD、COD、SS放流濃度)當(dāng)成主行因子，而將區(qū)域水資源優(yōu)化背景數(shù)據(jù)如政府調(diào)控、財(cái)政支持率(%)、區(qū)域性質(zhì)(CMD) 當(dāng)成次行因子。

4 實(shí)證模型建立與分析

4.1 區(qū)域水工隧洞條件決定優(yōu)先推動(dòng)水資源優(yōu)化

在標(biāo)準(zhǔn)序列x0(k)上，是區(qū)域水工隧洞政策調(diào)控條件表示；在比較序列xi(k)上，是區(qū)域水工隧洞財(cái)政條件表示。因此，在條件處理方面也可分為區(qū)域水工隧洞決策處理和區(qū)域水工隧洞施工處理。應(yīng)用灰關(guān)聯(lián)計(jì)算得出結(jié)果值：灰關(guān)聯(lián)度越大(接近1)，表示區(qū)域水工隧洞開(kāi)工條件較佳時(shí)，其區(qū)域水資源調(diào)控和利用的潛力強(qiáng)；當(dāng)灰關(guān)聯(lián)度越小(接近0)，表示區(qū)域水工隧洞開(kāi)工條件較差時(shí)，顯示的是區(qū)域水資源調(diào)控和利用的潛力弱。由此可以看出，我國(guó)區(qū)域水資源的優(yōu)化配置要以政府政策調(diào)控條件和財(cái)政支持條件為主導(dǎo)下進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)排序來(lái)完成。

4.2 水資源優(yōu)化評(píng)析

依據(jù)第4.1節(jié)的灰關(guān)聯(lián)分析決定優(yōu)先推動(dòng)區(qū)域性地區(qū)水資源優(yōu)化，研究結(jié)果顯示：在區(qū)域水資源調(diào)控和利用的潛力為A區(qū)域水資源優(yōu)化時(shí)，此標(biāo)準(zhǔn)序列x0(k)都是固定的區(qū)域，其水資源優(yōu)化水質(zhì)為BOD=6mg/L、COD=12mg/L、SS=3.1mg/L；在比較序列xi(k)上，基于最具區(qū)域水資源調(diào)控和利用的潛力，依序?yàn)槌鞘杏盟娃r(nóng)業(yè)用水，其灰關(guān)聯(lián)度值都為0.5864，反之，而最不具區(qū)域水資源調(diào)控和利用的潛力，依序?yàn)楣I(yè)補(bǔ)給水及工藝與產(chǎn)品用水，其灰關(guān)聯(lián)度值都為0.424，見(jiàn)下表。就現(xiàn)階段來(lái)看，區(qū)域水資源優(yōu)化的用水用途中，以城市供水最普遍。

中國(guó)區(qū)域水資源優(yōu)化用水分類之灰關(guān)聯(lián)度、灰關(guān)聯(lián)序表

4.3 GM(1, N)模型對(duì)區(qū)域水資源優(yōu)化的影響

對(duì)水工隧洞建設(shè)影響值進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，由GM(1,N) 建模解出系數(shù)|bi|，對(duì)將來(lái)具區(qū)域水資源調(diào)控和利用潛力的顯著影響因子，模型中參數(shù)主要受|b3|財(cái)政支持率(%)影響較為顯著，再依序?yàn)閨b4|區(qū)域特性(CMD)、|b2|政府政策調(diào)控。

與相關(guān)研究MAPE比較，以建模數(shù)據(jù)集作GM(1,N) 預(yù)測(cè)模式，得知現(xiàn)有區(qū)域水資源調(diào)控和利用潛力BOD、COD、SS對(duì)水工隧洞建設(shè)影響值的預(yù)測(cè)值，建模值MAPE差異最小為SS、差異最大為BOD，建模值MAPE介于8%～11%間，誤差不大。就建模值MAPE而言，本研究與(何憲等，2015)建模值MAPE介于36%～42%間、(Pai et al., 2005)建模值MAPE介于32%～99%間、(蔡嘉等，2013)建模值MAPE介于87%～121%間的研究結(jié)果進(jìn)行比較，本研究的建模值MAPE皆低于三位學(xué)者的研究結(jié)果，與蔡嘉的建模值MAPE結(jié)果差異最大。

GM (1,N) 模式的測(cè)試數(shù)據(jù)集，得知將來(lái)具區(qū)域水資源調(diào)控和利用潛力BOD、COD、SS的水工隧洞建設(shè)影響值的預(yù)測(cè)值，其測(cè)試值MAPE差異最小為BOD、差異最大為COD，測(cè)試值MAPE介于10%～49%間。就測(cè)試值MAPE而言，本研究與(何憲等，2015)測(cè)試值MAPE介于41%～177%間、(Pai et al., 2005)測(cè)試值MAPE介于77%～123%間、(蔡嘉等，2013)測(cè)試值MAPE介于46%～153%間的研究結(jié)果比較，本研究的建模值MAPE皆低于三位學(xué)者的研究結(jié)果，與Pai et al.的預(yù)測(cè)結(jié)果差異最大，因此，本研究測(cè)試值MAPE可算誤差不大，唯一例外的是何憲的COD測(cè)試值MAPE為41%，其研究結(jié)果優(yōu)于本研究COD測(cè)試值MAPE為49%。因此，就整體預(yù)測(cè)效果顯示，給予最佳預(yù)測(cè)效果分析法，以灰關(guān)聯(lián)法排序GM (1,N)的預(yù)測(cè)結(jié)果確實(shí)優(yōu)于三位學(xué)者的研究預(yù)測(cè)模式。

5 結(jié)論與建議

本文論述的水工隧洞建設(shè)對(duì)水資源優(yōu)化的影響目前還處于探索階段，需要對(duì)水工隧洞概念和內(nèi)涵進(jìn)行進(jìn)一步的研究。首先利用灰色系統(tǒng)的灰關(guān)聯(lián)分析法評(píng)估出最具區(qū)域水資源調(diào)控和利用潛力的水工隧洞建設(shè)影響值，再與我國(guó)區(qū)域水資源優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)排序比較。另以灰色系統(tǒng)GM(1,N)模型對(duì)于區(qū)域水資源優(yōu)化下的水工隧洞建設(shè)影響值進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立起隧洞建設(shè)區(qū)域與調(diào)水區(qū)域的配置模型是合理的，且優(yōu)化配置結(jié)果可行，對(duì)同類行業(yè)具有一定的參考研究?jī)r(jià)值。

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Influenceofhydraulictunnelconstructiononregionalwaterresourcesoptimization

WU Xiaojing

(XinjiangYiliRiverBasinDevelopmentandConstructionAuthority,Urumqi830000,China)

Regional water demand is increasing year by year with the population increasing and the development of industry and commerce, water shortage problem is more and more serious, the hydraulic tunnel becomes a grafting channel of regional water resources, and it has become a research focus gradually. In the paper, Grey relational analysis of grey system is firstly utilized for evaluating regional water resources optimization in order to find out the influence value of hydraulic tunnel construction. In addition, the influence value of grey system GM (1,N) model on hydraulic tunnel construction is simulated and predicted. Finally, the actual value and simulated prediction value undergo relative residual value evaluation, and an analysis method with the best prediction efficiency is further proposed.

Grey relational analysis; GM (1,N) model; influence value of hydraulic tunnel construction; regional water resources optimization

10.16616/j.cnki.10- 1326/TV.2017.010.004

TV213.9

A

2096-0131(2017)010-0011-04