基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的衡水市水資源承載力研究

安國(guó)慶

(河北省衡水水文水資源勘測(cè)局，河北 衡水 053000)

水資源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與地球生態(tài)系統(tǒng)平衡不可或缺的長(zhǎng)期戰(zhàn)略資源，對(duì)區(qū)域民生發(fā)展、生態(tài)健康有著重要影響[1]。隨著全球氣候變暖，水資源的降水來(lái)源機(jī)制發(fā)生深刻變化，加之人口增長(zhǎng)、人為活動(dòng)日益頻繁，加劇了水資源短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)。研究水資源承載力(Water resources carrying capacity)，對(duì)宏觀認(rèn)識(shí)區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量、水資源供應(yīng)能力具有重要意義，也為水資源管理與保護(hù)提供基礎(chǔ)信息[2]。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

衡水市地處華北平原南部、河北省東南側(cè)，地理位置介于E115°10′-E116°34′、N37°03′-N38°23′之間，全市面積8 815 km2，人口435萬(wàn)人(2015年)。全市屬黃淮海沖積平原地形，地勢(shì)平坦，高程介于12～30 m。居于歐亞大陸中緯度東岸，受季風(fēng)環(huán)流與海陸熱力性質(zhì)控制形成溫帶大陸性季風(fēng)氣候，季候分明、雨熱同期，年均溫12.6℃，降水量550 mm。全市水系發(fā)育一般、河流平緩，水量年內(nèi)、年際變率較大，水資源總量達(dá)18.14×108m3，平均徑流深度為14.4 mm，地下水資源達(dá)5.92×108m3。衡水市用水總量達(dá)15.4×108m3，其中以地下水利用為主，達(dá)89.0%，水資源利用結(jié)構(gòu)極不均衡，地下水環(huán)境破壞嚴(yán)重。

為表征衡水市水資源承載力現(xiàn)勢(shì)性特征和受制于數(shù)據(jù)可得性，確定研究年限為2010-2016年，以《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《河北統(tǒng)計(jì)年鑒》、《衡水統(tǒng)計(jì)年鑒》等數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，提取相關(guān)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，在Excel 2016環(huán)境下對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，應(yīng)用Matlab2017b實(shí)施基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水資源承載力評(píng)價(jià)。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

BP(Back Propagation)是由數(shù)學(xué)家Rumelhart、McCelland基于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ǘ岢龅囊环N自學(xué)習(xí)模型[3]。該算法通過(guò)輸入、輸出等節(jié)點(diǎn)構(gòu)建映射關(guān)系，可無(wú)需先驗(yàn)關(guān)系完成網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。圖1為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，由圖1可知該模型主要由輸入層、隱含層、輸出層3部分構(gòu)成，以此為數(shù)學(xué)依據(jù)實(shí)施對(duì)衡水市水資源承載力的評(píng)價(jià)。其中，輸入層表征水資源承載力指標(biāo)體系中各指標(biāo)因子，輸出層表征水資源承載力指數(shù)，該拓?fù)淠Ｐ屯ㄟ^(guò)學(xué)習(xí)、歸納水資源承載力指標(biāo)級(jí)數(shù)與承載力指數(shù)之間的非線性多重映射函式，獲得水資源承載力評(píng)價(jià)能力。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

水資源承載力是區(qū)域水資源在不損害未來(lái)滿足其供應(yīng)潛力的條件下，利用現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平，對(duì)一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境發(fā)展最大支撐能力。由此可知，水資源承載力受多因素共同制約。從社會(huì)性來(lái)看，主要因素有人口、水資源利用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、技術(shù)能力等；從自然屬性來(lái)看，主要有水環(huán)境、水資源儲(chǔ)量等。指標(biāo)要素不僅要系統(tǒng)性反映水資源承載力的特點(diǎn)、影響因素，還應(yīng)具有獨(dú)立性、數(shù)據(jù)可得性。鑒于此，在參考借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合衡水市水環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、人口的特點(diǎn)，確定了由15個(gè)因子構(gòu)成的水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并基于指標(biāo)屬性與水資源承載力的關(guān)系，確定了指標(biāo)正負(fù)特征，詳見(jiàn)表1。

表1 各指標(biāo)因子分級(jí)區(qū)間

制定科學(xué)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)區(qū)域水資源承載力實(shí)現(xiàn)科學(xué)、客觀評(píng)估的關(guān)鍵，通常評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)需要具有普適性、公開(kāi)性，且能夠反映水資源承載力漸進(jìn)變化特征。因此，參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4]，將水資源承載力劃分為5個(gè)等級(jí)，依次為盈余承載、基本承載、臨界、弱超載、嚴(yán)重超載等。例如指標(biāo)C5水資源開(kāi)發(fā)利用率，當(dāng)其小于10%，說(shuō)明該項(xiàng)指標(biāo)處于盈余承載狀態(tài)，具有較大的開(kāi)發(fā)利用潛力；C5介于10%～20%時(shí)，表示該項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)區(qū)間為基本承載，以此類推。水資源承載力是由多指標(biāo)綜合表達(dá)的，其指數(shù)大小由各項(xiàng)指標(biāo)因子非線性反饋而來(lái)。

2.2 模型參數(shù)與結(jié)構(gòu)確定

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

指標(biāo)體系中量綱差異顯著，為避免數(shù)據(jù)噪聲影響，采樣極大、極小值標(biāo)準(zhǔn)化方法，進(jìn)行歸一化處理。公式如下：

正向指標(biāo)：

yij=(xij-xminj)/(xmaxj-xminj)

負(fù)向指標(biāo)：

yij=(xmax-xij)/(xmaxj-xminj)

2.2.2 生成訓(xùn)練樣本

充足的訓(xùn)練樣本能夠確保訓(xùn)練模型獲得充分訓(xùn)練，并提供模型可靠性。參照表1的評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(另將水資源承載力等級(jí)依次賦值為0.8～1、0.6～0.8、0.4～0.6、0.2～0.4、0～0.2)，在每個(gè)等級(jí)區(qū)間隨機(jī)內(nèi)插生成200組樣本，以其中的150組作為建模訓(xùn)練，另外50組為獨(dú)立驗(yàn)證樣本。由此，5個(gè)等級(jí)區(qū)間共生成1 000組樣本，其中建模、驗(yàn)證樣本共計(jì)750、250個(gè)。由此確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行建模訓(xùn)練。

2.2.3 評(píng)價(jià)模型建立

在Matlab環(huán)境下運(yùn)用LIBSVM3.2程序包，進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)按照輸入節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置，核函數(shù)確定為RBF類型，訓(xùn)練速率為0.9，動(dòng)態(tài)參數(shù)為0.75。根據(jù)訓(xùn)練好的模型，將驗(yàn)證樣本帶入，得到驗(yàn)證準(zhǔn)確率為100%，表明該模型可靠，具有一定適用性。

3 結(jié)果與分析

3.1 衡水市水資源承載力動(dòng)態(tài)特征分析

將衡水市2010-2016年水資源承載力各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理后，參照BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算過(guò)程，得出近7年來(lái)衡水市水資源承載力，結(jié)果見(jiàn)圖2。在研究時(shí)域內(nèi)，衡水市水資源承載力呈先上升后降低的趨勢(shì)。2012年之前，衡水市水資源承載力由0.482緩慢升高至0.487，這一時(shí)期區(qū)域水資源支撐能力逐步提升。究其原因則是由于這些年份衡水市降水量高于平均年份，提供了充足的地表水資源；同時(shí)對(duì)水域、濕地、河流保護(hù)凸顯成效，水域面積居于統(tǒng)計(jì)年份高值水平；另外，污水排放量也相對(duì)較低。而在2012-2016年間，衡水市水資源承載力由0.487逐步下降至0.453，結(jié)合表1分析獲知，由于該年份衡水市人口聚集加快，導(dǎo)致居民水資源占有量下降；水資源供應(yīng)趨緊的形勢(shì)導(dǎo)致地下水開(kāi)采量加大，這些因素終致衡水市水資源情勢(shì)惡化，水資源承載力減小。從其指數(shù)值域分布來(lái)看，7年間衡水市水資源承載力屬于臨界承載等級(jí)，表明水資源供應(yīng)能力觸底，需要優(yōu)化水資源利用結(jié)構(gòu)，提高水資源利用率，加強(qiáng)水環(huán)境保護(hù)等，密切關(guān)注水資源承載超標(biāo)情況。

圖2 衡水市2010-2016年水資源承載力指數(shù)

3.2 衡水市水資源承載力空間分布特征分析

為進(jìn)一步了解全市水資源承載力局部信息，以縣域?yàn)閱挝?，?duì)各縣區(qū)市進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并在ArcGIS10.2平臺(tái)上繪制其空間分布圖，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，衡水市水資源承載力成帶狀自東向西遞減分布，市域東部的阜城縣、景縣、故城縣的水資源承載力指數(shù)較高，依次為0.574、0.581、0.524，主要由于衡水市東部人口分布相對(duì)稀疏，因而用水量較少；同時(shí)受地理位置影響，該區(qū)降水量高于西部，加之處于河流下游、徑流豐富，為區(qū)域提供了充足的水資源。安平、饒陽(yáng)、武強(qiáng)、武邑、棗強(qiáng)縣的水資源承載力指數(shù)次之，依次為0.446、0.434、0.507、0.516、0.481，這些縣為衡水市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大縣，用水量大；然而徑流深度較小、地表水資源分布較少，水資源承載趨緊。深州、桃城、冀州3區(qū)集中了全市1/3的人口，生產(chǎn)生活用水遠(yuǎn)高于其他縣區(qū)，水域、濕地分布有限，水源涵養(yǎng)能力差，水資源承載力最弱。

圖3 衡水市水資源承載力空間分布

4 結(jié) 論

衡水市水資源承載力整體處于臨界狀態(tài)，局部來(lái)看呈現(xiàn)東西向空間分異。為應(yīng)對(duì)這一不利局面，應(yīng)采取綜合與分區(qū)管理：①統(tǒng)籌全市水資源開(kāi)源節(jié)流策略，優(yōu)化水資源利用結(jié)構(gòu)，利用現(xiàn)代科技如海綿城市設(shè)施等充分利用地表水資源、減少地下水開(kāi)采量；在水資源利用方面注重節(jié)約、高效。②空間上加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)布局與水資源分布的匹配性，適當(dāng)將部分產(chǎn)業(yè)遷移東部豐水區(qū)，控制耗水、污水排量大的產(chǎn)業(yè)。③強(qiáng)化水環(huán)境保護(hù)措施，同時(shí)加大力度投入水利工程的利用和建設(shè)，促進(jìn)衡水市水資源的長(zhǎng)效可持續(xù)利用。