遼寧省水資源可持續(xù)利用預(yù)警研究

劉雯雯

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110094)

在充分考慮區(qū)域水資源狀況的條件下，可持續(xù)預(yù)警就是在其管理過程中，利用預(yù)警方法和理論對(duì)水資源質(zhì)、量偏離預(yù)期狀態(tài)的程度給予相應(yīng)的預(yù)測(cè)、評(píng)判和警示，并給出科學(xué)的調(diào)控對(duì)策。它是依據(jù)數(shù)學(xué)模型和已有相關(guān)資料，對(duì)偏離水資源期望值的各類參數(shù)或指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而準(zhǔn)確掌握水資源未來的動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)和變化狀況，并可實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)非正常水資源利用的危害程度和范圍，即通過報(bào)警、調(diào)控的防范措施處理水資源問題[1]。針對(duì)可持續(xù)預(yù)警問題，許多學(xué)者從多個(gè)角度進(jìn)行了研究并取得了一定的成果，如王慧敏等[2]針對(duì)流域水資源發(fā)展模式及其可持續(xù)性的度量問題，提出了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)預(yù)警方法；荊平等[3]通過分析預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)內(nèi)涵和理論方法，構(gòu)建了基于模糊物元法的可持續(xù)利用預(yù)警模型；韓大軍等[4]以湖州市為例，通過分析了水資源開采現(xiàn)狀和生態(tài)環(huán)境特征，科學(xué)地提出了水資源管理對(duì)策和措施；潘安娥[5]等從水足跡方面對(duì)湖北省社會(huì)生產(chǎn)和生活與水資源壓力之間的變化關(guān)系進(jìn)行分析，揭示了區(qū)域水足跡表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。水資源可持續(xù)預(yù)警的最終目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)狀態(tài)的調(diào)控，通過準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)分析并采取有針對(duì)性的警患排除措施，從而保證水資源長(zhǎng)期的處于可持續(xù)狀態(tài)[6]。本文在詳細(xì)分析了可持續(xù)利用預(yù)警內(nèi)涵、特征的基礎(chǔ)上，分別從可持續(xù)利用的各個(gè)方面選取典型的16項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)遼寧省2010—2015年水資源可持續(xù)狀況和未來發(fā)展趨勢(shì)，利用ANN預(yù)警模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為促進(jìn)區(qū)域水資源發(fā)展規(guī)劃和人水協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 水資源可持續(xù)利用ANN預(yù)警模型

1.1 預(yù)警指標(biāo)體系框架

預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建不僅要考慮區(qū)域水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀、水系統(tǒng)特征，而且還要涉及自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水資源之間的協(xié)調(diào)匹配狀況[7]。本文結(jié)合遼寧省水資源狀況以及各子系統(tǒng)的具體特征，分別利用理論分析法和頻率統(tǒng)計(jì)法設(shè)計(jì)了預(yù)警指標(biāo)體系框架，主要包括3個(gè)層級(jí)，即目標(biāo)層A：可持續(xù)利用預(yù)警指數(shù)為目標(biāo)層中的唯一參數(shù)，它是反映區(qū)域水資源整體發(fā)展趨勢(shì)的關(guān)鍵指標(biāo)；準(zhǔn)則層B：可持續(xù)預(yù)警指數(shù)受多種因素的共同作用，可從水資源條件、管理能力、開發(fā)利用和水生態(tài)環(huán)境4個(gè)方面建立準(zhǔn)則層，并進(jìn)一步反映各子系統(tǒng)的影響作用；指標(biāo)層C：通過實(shí)際調(diào)查與理論分析相結(jié)合的方法，選取一系列能夠描述水資源可持續(xù)利用狀況的指標(biāo)，進(jìn)而全面、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)預(yù)警程度。

本研究通過邀請(qǐng)10位專家參與調(diào)查，并利用德爾菲法選取了可持續(xù)預(yù)警基礎(chǔ)指標(biāo)，在遵循代表性、獨(dú)立性、可行性原則基礎(chǔ)上構(gòu)建了預(yù)警指標(biāo)體系，結(jié)果見表1。

表1 可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)體系

1.2 構(gòu)建ANN預(yù)警模型

在網(wǎng)絡(luò)中不同的人工神經(jīng)元連接方式，可形成不同的預(yù)測(cè)模型，BP網(wǎng)絡(luò)以全互連的連接模式作為各層神經(jīng)元之間的連接方式，各層次神經(jīng)元的相互連接關(guān)系，本文采用該模型進(jìn)行預(yù)警的模擬分析。

BP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的輸入層即為輸入變量，根據(jù)具體問題和影響因素確定該層次單元數(shù)目；網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架隱含層主要通常包含多個(gè)或一個(gè)隱含層，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或網(wǎng)絡(luò)調(diào)試法確定該層次處理單元數(shù)目；網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架輸出層可采用非線性轉(zhuǎn)換函數(shù)，反映整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的輸出變量，根據(jù)具體問題和評(píng)價(jià)對(duì)象特征確定該層次評(píng)價(jià)的單元。BP結(jié)構(gòu)訓(xùn)練的主要過程包活激勵(lì)信號(hào)的正向以及誤差的反向傳播兩方面內(nèi)容，其中樣本的正向傳播經(jīng)過隱含層的逐級(jí)處理向傳向輸出層，在該過程中如果出現(xiàn)輸出偏差，則可實(shí)現(xiàn)反向誤差的傳播。該過程以某種形式反向分擔(dān)給各個(gè)單元，然后以獲取相應(yīng)的誤差信號(hào)作為各個(gè)權(quán)值的修正依據(jù)。在達(dá)到設(shè)定的次數(shù)或誤差降低至要求范圍時(shí)，該循環(huán)復(fù)始過程方可停止傳遞和計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)誤差均方值的最小。

BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中各層級(jí)之間激勵(lì)函數(shù)的選擇，是影響模糊優(yōu)選模型合理性與科學(xué)性的關(guān)鍵因素，以3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例其隱含層激勵(lì)函數(shù)如下：

(1)

式中，j、rij—樣本序數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)輸入；wij、ukj—i、k層之間的連接權(quán)重和節(jié)點(diǎn)輸出；θk—k節(jié)點(diǎn)的閥值。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中輸出層的激勵(lì)函數(shù)表達(dá)式如下：

(2)

式中，ukj、uhj—隱含層輸入與h層節(jié)點(diǎn)的輸出；wkh、θh—k、h層之間的連接權(quán)重和h節(jié)點(diǎn)的閥值。

根據(jù)已有研究成果和遼寧省水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，可將其可持續(xù)利用狀態(tài)劃分為1～4級(jí)，分別對(duì)應(yīng)于可持續(xù)、弱可持續(xù)、弱不可持續(xù)、不可持續(xù)4個(gè)水資源狀態(tài)。為提高BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的精度和效率，以各分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值為基礎(chǔ)進(jìn)行線性內(nèi)插，從而擴(kuò)充樣本并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。另外，在已有預(yù)警數(shù)據(jù)的條件下，也可將其作為檢驗(yàn)樣本并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，內(nèi)插法擴(kuò)充樣本，方法見表2。

表2 內(nèi)插法擴(kuò)充樣本

1.3 可持續(xù)利用閥值及趨勢(shì)預(yù)警

警界與警燈分別為指示不同警報(bào)級(jí)別的指標(biāo)界限和多種不同顏色組成信號(hào)體系，警界值由輕到重所對(duì)應(yīng)的信號(hào)分別為綠燈、黃燈、橙等和紅燈。根據(jù)國家、區(qū)域水資源可持續(xù)利用劃分標(biāo)準(zhǔn)和研究區(qū)域?qū)嶋H狀況，參考已有研究成果合理劃分各狀態(tài)的閥值，結(jié)果見表3。

表3 可持續(xù)利用警度劃分及閥值

以期望指數(shù)E(t)值為40作為邊界條件，低于該值則認(rèn)為系統(tǒng)處于可持續(xù)過渡狀態(tài)；大于等于該值則認(rèn)為系統(tǒng)處于不可持續(xù)狀態(tài)。水資源復(fù)合系統(tǒng)的惡化速度和趨勢(shì)，可利用下式反映：

(3)

(4)

水資源復(fù)合系統(tǒng)不可持續(xù)預(yù)警公式如下：

E(t)≤EP

(5)

式中，ΔEP—在Δt=t-2010期間，E(t)的惡化速度或趨勢(shì)預(yù)警值，為1.0。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 遼寧省概況

遼寧省位于我國東北部地區(qū)，地理位置處于東經(jīng)118°53′～125°46′，北緯38°43′～43°26′之間，臨黃海、渤海，東與朝鮮相近，全省占地面積14.8萬km2；境內(nèi)為大陸性季風(fēng)氣候，冬冷干燥、夏熱多雨，年降水量在400～1100mm，水資源補(bǔ)給以大氣降水為主。該區(qū)域水資源量主要包括降水入滲補(bǔ)給和地表徑流量?jī)纱蟛糠?，年均水資源量為341.79億m3，并且在空間分布上呈現(xiàn)出由東南向西北逐漸降低的趨勢(shì)。東南部與渤海相鄰水源面積較大，降水量較為充足，西北區(qū)域降水較少并且風(fēng)沙干旱現(xiàn)象較為頻繁。境內(nèi)主要包括大凌河、遼河、渾河、太子河和繞陽河等河流，年際水資源量呈現(xiàn)出典型的周期性豐枯變化特征，其中75%以上的降水量集中在汛期6—9月，并多以暴雨和強(qiáng)降雨的形式出現(xiàn)。境內(nèi)約80%以上的區(qū)域處于極度或重度缺水狀態(tài)，并且已經(jīng)具有較高的水資源開采程度。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類數(shù)量的急劇增加，各行業(yè)工業(yè)廢水和生活污水排放顯著增大，并已超過河流水系的自凈化能力和納污承載極限，水環(huán)境問題已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵因素，開展遼寧省水資源可持續(xù)預(yù)警分析，對(duì)于區(qū)域水資源的科學(xué)開發(fā)利用和人水協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義[8- 14]。

2.2 預(yù)警分析

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本為遼寧省2000—2010年各指標(biāo)的實(shí)際值，本文利用MATLAB軟件建立模型，模型輸入為15項(xiàng)典型指標(biāo)，隱含層為4個(gè)子系統(tǒng)，輸出為區(qū)域可持續(xù)利用警度指數(shù)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差變化趨勢(shì)

對(duì)遼寧省2000—2009年各預(yù)警指標(biāo)初始數(shù)值的選擇，參考遼寧省水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒、環(huán)境狀況公報(bào)等資料。然后對(duì)該區(qū)域水資源可持續(xù)演變趨勢(shì)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中訓(xùn)練樣本選擇2000—2009年的10個(gè)樣本，預(yù)測(cè)樣本為2010—2015年的6個(gè)樣本，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行提取并建立BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)警的輸入樣本矩陣，見表4。

表4 輸入樣本矩陣

同理，統(tǒng)計(jì)收集2010—2015年各指標(biāo)數(shù)據(jù)并構(gòu)建預(yù)測(cè)矩陣，受文章篇幅限制不再贅述，利用文中所述BP網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)遼寧省水資源可持續(xù)利用進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見表5。

表5 2010—2015年遼寧省水資源可持續(xù)利用變化及預(yù)警結(jié)果

由上表計(jì)算結(jié)果可知，遼寧省可持續(xù)利用指數(shù)最大值為51.38，水資源利用處于弱可持續(xù)狀態(tài)并屬于中警，研究期間水資源變化趨勢(shì)并不明顯。該評(píng)價(jià)結(jié)果，基本上可反映該區(qū)域可開發(fā)利用水資源的實(shí)際狀況，所建立的指標(biāo)體系和BP網(wǎng)絡(luò)模型具有良好的適用性，可為促進(jìn)區(qū)域水資源發(fā)展規(guī)劃和人水協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考依據(jù)。

3 結(jié)語

本文通過分析可持續(xù)利用預(yù)警內(nèi)涵、特征，分別從4個(gè)不同方面選取了16項(xiàng)典型指標(biāo)，并建立了預(yù)警指標(biāo)體系，對(duì)遼寧省2010—2015年水資源可持續(xù)利用狀態(tài)，利用MATLAB軟件構(gòu)建的BP網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了科學(xué)的預(yù)測(cè)，主要結(jié)論如下：

(1)遼寧省可持續(xù)利用指數(shù)最大值為51.38，水資源利用處于弱可持續(xù)狀態(tài)并屬于中警，研究期間水資源變化趨勢(shì)并不明顯。本研究基本上可反映該區(qū)域可開發(fā)利用水資源的實(shí)際狀況，所建立的指標(biāo)體系和BP網(wǎng)絡(luò)模型具有良好的適用性。

(2)在特殊條件的地區(qū)或經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在較大差異的區(qū)域，水資源可持續(xù)影響因素不同且作用程度存在一定差異，因此在構(gòu)建指標(biāo)體系時(shí)應(yīng)綜合考慮區(qū)域?qū)嶋H狀況，有針對(duì)性和側(cè)重性的選擇代表性的指標(biāo)。