投影尋蹤技術(shù)在昌吉州水資源承載力評價中的應(yīng)用

張元杰

水資源承載力的大小反映了一個地區(qū)水資源開發(fā)利用率，兩者是相輔相成，并又互相制約，不同的地理環(huán)境，水資源的開發(fā)有著很大差別，說明以分析水資源與社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境之間的重要性，同時有助于高效利用與合理配置。

近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者對水資源承載力綜合評價等方面進(jìn)行了廣泛的研究[1-3]。其中，水資源承載力最常用的方法主要有多目標(biāo)決策分析法、系統(tǒng)動力學(xué)法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）、主成分分析法、投影尋蹤法等[4-8]。由于水資源承載力研究涉及人口、資源、社會環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境等多方面的因素，研究范圍比較廣泛。比如，葛強[9]等人以云南高原典型流域為研究區(qū)域構(gòu)建評價指標(biāo)體系，運用主成分分析法進(jìn)行水資源承載力與可持續(xù)利用評價；張士鋒等人[10]以松花江去為例，建立社會經(jīng)濟(jì)、用水、水土資源對人口、水資源供需、水環(huán)境指標(biāo)綜合體系，采用綜合模型進(jìn)行水資源承載力變化趨勢計算；張杰等[11]以實施最嚴(yán)格的水資源管理制度和水資源承載能力為基礎(chǔ)，構(gòu)建廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)評價模型，對蘇州市水資源承載能力狀況進(jìn)行研究分析，總之，經(jīng)過幾十年的不斷探索和理論總結(jié)，我國的水資源承載力取得了一定的成就。鑒于此，水資源仍然是限制著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要因素，隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長，主要依靠水資源的開發(fā)利用水平，考慮水資源的發(fā)展趨勢和選擇有效措施解決日益嚴(yán)重的水資源問題，是我國可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大策略。

考慮到新疆特殊的地理區(qū)域，水資源在西北地區(qū)的重要性角度出發(fā)，以昌吉回族自治州為研究區(qū)域，運行投影尋蹤方法，進(jìn)行水資源承載力研究，對研究區(qū)域的水資源可持續(xù)利用具有一定的參考價值。

1 研究區(qū)概況

昌吉回族自治州位于天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，地勢南高北低，稱之為“天山北坡”。昌吉市屬中溫帶區(qū)，為典型的大陸性干旱氣候，日照充足，年日照時數(shù)為2700小時；年平均氣溫6.8℃。在水資源方面，常年有水河流57條，年徑流量25.5億m3，2016年水資源總量為35.36億m3,人均水資源占有量2519m3，全州用水總量30.4581億m3，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量93%，工業(yè)用水量占總用水量4%，生活及生態(tài)用水量占3%，一、二、三產(chǎn)用水結(jié)構(gòu)由 2015 年的 92.7∶3.7∶3.6 調(diào)整到約 90.3∶4.0∶5.7。

2 研究方法

2.1 投影尋蹤法

投影尋蹤方法是多為數(shù)據(jù)處理方法中的一種，期核心思想是把高維數(shù)據(jù)向低維空間進(jìn)行投影，然后通過對低維投影空間的分析來描述高維數(shù)據(jù)信息、結(jié)構(gòu)特征，它能夠很好地排除無關(guān)投影方向的干擾影響，便于快速、有效地分析高維數(shù)據(jù)的特征和結(jié)構(gòu)，并且在數(shù)據(jù)分析過程中能夠主動計算出單項指標(biāo)對綜合結(jié)果的影響度，避免了指標(biāo)權(quán)重的人為確定，降低了主觀經(jīng)驗的影響。

具體的主要步驟為：

（1）原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于各個評價指標(biāo)眾多，各個指標(biāo)的量綱存在差異性，為了消除量綱的不統(tǒng)一性，統(tǒng)一變化區(qū)間，需要將指標(biāo)分成越大越優(yōu)和越小越優(yōu)，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

（2）線性投影。即最佳投影方向，就是把高維數(shù)據(jù)的信息反映到低維數(shù)據(jù)空間中，運用常規(guī)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理與分析，更能直觀和形象進(jìn)行研究。

（3）建立投影指標(biāo)函數(shù)。投影指標(biāo)函數(shù)是進(jìn)行投影方向的基礎(chǔ)，在水資源承載力中采用分類指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)造函數(shù)，即在一維空間內(nèi)散布的類間距離與類內(nèi)密度同時達(dá)到最大值。

（4）優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。指標(biāo)函數(shù)值與其投影方向的變化成正比，方向不同反應(yīng)出不用的指標(biāo)數(shù)據(jù)特征，即投影指標(biāo)函數(shù)取得最大值時，就是投影函數(shù)的的最佳投影方向[8]。

2.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)新疆水資源公報與新疆統(tǒng)計年鑒等相關(guān)資料的收集，以新疆昌吉州為研究區(qū)域，選取2016現(xiàn)狀年的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，同時也參考其他相關(guān)的參考文獻(xiàn)[12-14]。

3 水資源承載力評價指標(biāo)體系

水資源承載力指標(biāo)體系是一個綜合復(fù)雜的評價指標(biāo)體系，指標(biāo)體系涉及到水資源、社會經(jīng)濟(jì)你、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域。因此，建立水資源承載力指標(biāo)體系應(yīng)遵循易收集性原則、科學(xué)性原則、可操作性原則、動和靜態(tài)相結(jié)合原則、績效量化原則，來保證指標(biāo)體系選取的全面、準(zhǔn)確與客觀。根據(jù)新疆昌吉州水資源特點和指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，共選取14個評價指標(biāo)建立指標(biāo)體系，由于目前評價指標(biāo)等級劃分沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，考慮到類似地區(qū)經(jīng)驗和專家意見，需要根據(jù)相關(guān)原則自行確定。根據(jù)國家水利“十三五”規(guī)劃和新疆最新的水資源發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展實際情況，構(gòu)建出新疆昌吉回族自治州水資源承載力評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)值，且對其14項指標(biāo)提出4級評判等級，即1級、2級、3級、4級，評價指標(biāo)體系與等級標(biāo)準(zhǔn)劃分見表1。

表1 水資源可持續(xù)利用評價單項指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)

4 水資源承載能力分析

通過運用投影尋蹤方法建立模型，將投影尋蹤特征值按照數(shù)值由大到小進(jìn)行排列，根據(jù)水資源承載力評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)，即1級、2級、3級、4級，與相應(yīng)的投影尋蹤特征值，繪制出各個等級標(biāo)準(zhǔn)與等級之間關(guān)系圖，建立水資源承載力等級評價函數(shù)f（z*），最后進(jìn)行樣本之間的評價與分類。

（1）將正向與負(fù)向兩類指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，可以將各個單項指標(biāo)數(shù)值轉(zhuǎn)換成0～1之間的數(shù)值范圍。

（2）根據(jù)投影尋蹤原理和計算程序，計算出各個指標(biāo)投影尋蹤的特征值z。在采用編程計算情況下，得到最佳投影方向向量 a=（0.252，0.242，0.268，0.246，0.245，0.255，0.261，0.257，0.243，0.247，0.250，0.255，0.258，0.260），同事對應(yīng)的1級、2級、3級、4級投影尋蹤投影方向的特征值分別為4.312、2.981、1.119、0.000。將最佳投影方向向量和各個評價指標(biāo)投影尋蹤投影方向特征值相乘得到新僵昌吉州水資源承載力評價指標(biāo)投影特征值，為z=0.49。

（3）根據(jù)水資源承載力評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)值與評價指標(biāo)投影特征值之間關(guān)系，建立水資源承載力等級評價函數(shù)f（z*），評價函數(shù)f（z*）就是投影尋蹤等級評價模型，具體關(guān)系圖見圖1。

圖1 水資源承載力等級評價函數(shù)值與投影特征值關(guān)系圖

通過對關(guān)系圖中函數(shù)的計算，根據(jù)關(guān)系圖的變化趨勢建立水資源承載力等級評價函數(shù)，如下：

通過絕對誤差與相對誤差的分析，評價指標(biāo)投影特征值與水資源承載力評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系擬合，絕對誤差為0.033，相對誤差為1.681%，說明建立的投影尋蹤等級評價模型誤差較小，計算準(zhǔn)確度高。根據(jù)新疆昌吉州的水資源特點，將投影尋蹤特征是帶入（1）式進(jìn)行計算，得到投影特征值

f（z*）為3.65，說明新疆昌吉州水資源承載力為4級。圖2為各個評價指標(biāo)權(quán)重柱狀圖，說明各個評價指標(biāo)在影響新疆昌吉州水資源承載力上的比重。

圖2 評價指標(biāo)權(quán)重柱狀圖

5 結(jié)論

以水資源承載力基本概念與評價方法為基礎(chǔ)，根據(jù)水資源承載力評價結(jié)果，新疆昌吉州水資源承載力為4級狀態(tài)，已接近飽和狀態(tài)，開發(fā)潛力比較小。通過水資源優(yōu)化配置、提高節(jié)水意識或者采用外流域引水工程等措施來提高新疆昌吉州水資源承載力。

結(jié)合各個評價指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果來看，影響水資源承載力兩個重要指標(biāo)是灌溉水利用系數(shù)和植被覆蓋率，指標(biāo)水平分別處于3級和2級水平。從數(shù)據(jù)上來，新疆昌吉州水資源開發(fā)利用中，農(nóng)業(yè)節(jié)水開始影響水資源承載力，2016年灌溉水利用系數(shù)0.5，與3級標(biāo)準(zhǔn)基本持平，通過轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制灌溉面積，采用噴灌、滴管等節(jié)水灌溉措施，來提高水資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的利用效率。新疆昌吉州屬于典型干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境比較脆弱，植被種類比較單一，2016年年底，新疆昌吉州森林覆蓋率達(dá)到23.5%，趨向于2級標(biāo)準(zhǔn)的25%的水平，植被覆蓋率的不高，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境用水效率的降低，影響到了水資源承載力的提高，生態(tài)環(huán)境用水的降低，導(dǎo)致新疆昌吉州的水土流失面積的加劇，出現(xiàn)沙漠化擴(kuò)大等生態(tài)環(huán)境問題，因此提高新疆生態(tài)環(huán)境用水效率也是刻不容緩的問題。

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