中原城市群水資源綜合調(diào)控方案與效果評價(jià)

王慧亮　陳開放　李云飛　吳澤寧

摘要：結(jié)合中原城市群水資源系統(tǒng)現(xiàn)狀，考慮系統(tǒng)內(nèi)南水北調(diào)中線工程、黃河引水和大型水庫跨城市供水的特點(diǎn)，針對供水和需水結(jié)構(gòu)兩方面設(shè)置12個(gè)水資源調(diào)控方案。從水資源一經(jīng)濟(jì)一生態(tài)系統(tǒng)的角度構(gòu)建水資源調(diào)控效果評價(jià)指標(biāo)體系，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合優(yōu)選模型對不同方案水資源調(diào)控效果進(jìn)行評價(jià)和優(yōu)選。結(jié)果表明：采用黃河干流+南水北調(diào)+大型水庫聯(lián)合供水方案以及第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值增加40%的需水方案組合的調(diào)控措施，對于中原城市群整體的水資源調(diào)控效果比較明顯，即在基本供水方案的基礎(chǔ)上，突破黃河干流、南水北調(diào)、大型水庫等原分水指標(biāo)限制，統(tǒng)一調(diào)配共用水源的水量，結(jié)合產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，可以取得較好的調(diào)控效果。

關(guān)鍵詞：水資源調(diào)控;評價(jià)指標(biāo)體系;效果評價(jià);人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);中原城市群

中圖分類號：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.06.013

水資源是支撐城市社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)健康發(fā)展的必要資源之一，不合理的水資源開發(fā)利用會對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展造成重大影響，甚至影響城市整體競爭力的提升[1-2]。中原城市群作為國家重點(diǎn)培育的七大城市群之一，承擔(dān)著中原崛起的作用。中原城市群多年平均水資源總量為112.60億m，其中：黃河是中原城市群重要水源之一，有7個(gè)城市引用黃河水，供給量為27.03億m：南水北調(diào)中線工程2014年開始向中原城市群6個(gè)城市供水，供水量為17. 83億m;其他67.74億m為當(dāng)?shù)厮Y源量。黃河干流和南水北調(diào)供水溝通了城市群所在四大流域城市之間的水力聯(lián)系，水資源開發(fā)利用模式發(fā)生了變化，使中原城市群水資源的聯(lián)合調(diào)度、優(yōu)化配置、高效利用成為可能[3-4]。因此，在南水北調(diào)供水背景下，提出合理的中原城市群水資源調(diào)控方案，對中原城市群水資源合理開發(fā)利用和保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

對水資源調(diào)控效果的評價(jià)方法主要有主成分分析方法[4]、系統(tǒng)動力學(xué)方法[5]、模糊綜合評價(jià)法[6]、投影尋蹤法[7]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[8]等。這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，總體來說，水資源評價(jià)指標(biāo)多種多樣，各指標(biāo)與評價(jià)結(jié)果之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)點(diǎn)在于具有高度的自學(xué)習(xí)和非線性映射功能[9]，能夠克服綜合評價(jià)過程中的隨機(jī)性和評價(jià)專家主觀上的不確定性[10]。筆者基于中原城市群規(guī)劃年2020年水資源調(diào)控方案，從水資源、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)3方面建立水資源調(diào)控效果評價(jià)指標(biāo)體系，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對中原城市群12個(gè)調(diào)控方案進(jìn)行效果評價(jià)，以期為提高中原城市群水資源調(diào)控效果提供參考。

1 中原城市群水資源調(diào)控方案

南水北調(diào)工程對中原城市群的水資源補(bǔ)充，使中原城市群水資源調(diào)控措施更加多樣。從供水側(cè)和需水側(cè)兩方面可生成4個(gè)供水方案和3個(gè)需水方案，組合成12個(gè)水資源調(diào)控方案（見表1）。

1.1 供水方案

（1）基本供水方案是指規(guī)劃新建、擴(kuò)建的供水工程按期完成，南水北調(diào)中線工程、黃河干流、當(dāng)?shù)卮笮退畮烊笏窗丛蟹炙桨阜炙?/p>

（2）黃河干流供水方案是在基本供水方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)城市重要性等級（鄭州>洛陽>開封>新鄉(xiāng)>焦作>許昌>平頂山>漯河>濟(jì)源），調(diào)整黃河干流的分水量，生成新的分水方案：鄭州增加2.6億m3，開封增加2.0億m，洛陽減少1.3億m，新鄉(xiāng)減少4.0億m，焦作增加1.0億m，濟(jì)源減少0.3億m。

（3）黃河干流+南水北調(diào)供水方案是指在黃河干流供水方案的基礎(chǔ)上，依據(jù)城市重要性等級和分區(qū)缺水率大小，綜合調(diào)整黃河干流和南水北調(diào)供水量，生成新的分水方案：鄭州增加1.0億m.平頂山增加0.4億m，新鄉(xiāng)減少2.0 m億，許昌增加0.5億m，漯河增加1.3億m，焦作減少1.2億m。

（4）黃河干流+南水北調(diào)+大型水庫供水方案是指在黃河干流+南水北調(diào)供水方案的基礎(chǔ)上，在明晰各分區(qū)原有分水指標(biāo)情況下，調(diào)整白龜山水庫、陸渾水庫、河口村水庫和燕山水庫對各分區(qū)的水資源供給量，在不超過輸水能力情況下，將各分區(qū)分水剩余的水量優(yōu)先供給重要性等級高的分區(qū)，其次供給缺水率大的分區(qū)，以確定新的分水方案，即陸渾水庫從洛陽調(diào)配0.5億m水量到平頂山，河口村水庫從濟(jì)源調(diào)配0.1億m到焦作。

1.2 需水方案

（1）基本需水方案是指現(xiàn)狀水資源利用方案。

（2）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案一需水方案是指在基本需水方案的基礎(chǔ)上，第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值增加40%的需水方案。

（3）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案二需水方案是指在基本需水方案的基礎(chǔ)上，第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值各增加15%的需水方案。

2 中原城市群水資源調(diào)控效果評價(jià)方法

2.1 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

中原城市群水資源配置方案是在保證社會生活用水的基礎(chǔ)上調(diào)整供水、需水結(jié)構(gòu)，調(diào)控目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)一社會一生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。為使評價(jià)結(jié)果能反映出不同方案下中原城市群水資源的調(diào)控效果，評價(jià)指標(biāo)體系從水資源狀況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及生態(tài)環(huán)境狀況3個(gè)方面建立（見圖1）。

（1）水資源狀況。水資源系統(tǒng)作為中原城市群水資源調(diào)控的主體，其自身特性是影響調(diào)控效果的直接因素，決定了水資源可持續(xù)利用的水平[11]。“水資源利用率（ UI）”和“人均可利用水資源量（U2）”分別從水資源主體和利用主體上反映中原城市群的水資源調(diào)控效果。

（2）經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平指在一定水資源結(jié)構(gòu)下的區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平從兩個(gè)方面來體現(xiàn)：一是整體水平，包括“人均GDP（ U3）”和“萬元GDP用水量（U4）”;二是局部水平，包括第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)的相應(yīng)發(fā)展情況，因第一產(chǎn)業(yè)在水資源優(yōu)化配置中已經(jīng)設(shè)置了相應(yīng)約束條件，故只針對第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)設(shè)置相應(yīng)指標(biāo)，包括“第二產(chǎn)業(yè)用水保證率（U5）”“第三產(chǎn)業(yè)占比（U6）”等。

（3）生態(tài)環(huán)境狀況。生態(tài)系統(tǒng)的評價(jià)效果用生態(tài)環(huán)境狀況表示。生態(tài)環(huán)境狀況主要體現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的污染。選用“人均污水排放量（U7）”“COD排放量（U8）”指標(biāo)體現(xiàn)生活、生產(chǎn)等方面對生態(tài)環(huán)境帶來的壓力。2.2基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水資源調(diào)控效果綜合評價(jià)

模型

運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評價(jià)方法對中原城市群不同方案水資源調(diào)控效果進(jìn)行評價(jià)，通過建立評價(jià)指標(biāo)體系及對不同配置方案下的指標(biāo)值進(jìn)行量化和歸一化處理，將其指標(biāo)值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值，輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)與指標(biāo)個(gè)數(shù)相同，輸出層僅一個(gè)神經(jīng)元，為相應(yīng)方案的評價(jià)結(jié)果。其輸出是一個(gè)綜合值，是方案綜合效果（價(jià)值）的一種相對度量[12-13]，能體現(xiàn)中原城市群在水資源、經(jīng)濟(jì)、生活、生態(tài)環(huán)境等方面的綜合調(diào)控效果。

本研究采用理想點(diǎn)的方法來確定訓(xùn)練樣本[14]：由各指標(biāo)的最好值組成的方案為理想方案，各指標(biāo)的最差值組成的方案為最劣方案?？紤]到綜合優(yōu)選是相對優(yōu)選的特點(diǎn)，理想方案下的調(diào)控效果相對最好，將其網(wǎng)絡(luò)輸出設(shè)為0.95：最劣方案下的調(diào)控效果最差，網(wǎng)絡(luò)輸出設(shè)為0.05：介于理想方案與最劣方案之間的中間方案的網(wǎng)絡(luò)輸出設(shè)為0.50。

利用訓(xùn)練樣本對已建的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隨機(jī)重復(fù)訓(xùn)練，直到全局誤差小于預(yù)先給定的誤差，這時(shí)該網(wǎng)絡(luò)所具有的那組權(quán)系數(shù)值便是網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過自適應(yīng)學(xué)習(xí)所得到的正確內(nèi)部表示[15]。將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)作為一種有效的優(yōu)選工具，對不同水資源調(diào)控方案下的測試樣本集進(jìn)行仿真，得到綜合評價(jià)結(jié)果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的方法與計(jì)算流程參見文獻(xiàn)[14]，方案優(yōu)選方法參見文獻(xiàn)[15]。

3 結(jié)果與分析

3.1 中原城市群水資源調(diào)控方案指標(biāo)量化結(jié)果

結(jié)合前人對中原城市群供需水的計(jì)算結(jié)果[ll]，對12種水資源調(diào)控方案的指標(biāo)進(jìn)行量化，結(jié)果見表2。

3.2 中原城市群水資源調(diào)控效果評價(jià)

3.2.1 訓(xùn)練樣本構(gòu)造

在中原城市群水資源調(diào)控方案評價(jià)指標(biāo)體系量化結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立8層的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，采用理想點(diǎn)的方法得出測試樣本組合，測試樣本和目標(biāo)樣本的網(wǎng)紹輸出分別見表3和表4。

3.2.2 方案評價(jià)與分析

利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評價(jià)模型對規(guī)劃水平年2020年12個(gè)配置方案進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果見表5。

由表5可以看出不同方案對于中原城市群水資源調(diào)控效果的相對優(yōu)劣程度?？梢钥闯龇桨?（黃河干流+南水北調(diào)+大型水庫聯(lián)合供水方案以及第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值增加40%的需水方案組合）的調(diào)控措施效果最佳。

為進(jìn)一步對比分析12個(gè)配置方案的評價(jià)結(jié)果，將供水方案和需水方案的調(diào)控效果進(jìn)行比較?；拘杷桨赶碌姆桨?-方案4評價(jià)結(jié)果較低，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案二需水的方案6、方案10、方案11、方案12的評價(jià)結(jié)果比基本需水方案的評價(jià)結(jié)果好，而產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案一需水的方案5、方案7、方案8、方案9評價(jià)結(jié)果都在0.8以上，表明需水結(jié)構(gòu)調(diào)整對水資源調(diào)控效果的影響較大，同時(shí)表明2020年的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)按照方案一的需水類型，有助于中原城市群綜合效益的提高。從供水結(jié)構(gòu)類型來看，基本供水方案的水資源調(diào)控效果最差，3種水源綜合調(diào)控效果最好，但是從供水側(cè)對水資源調(diào)控效果沒有需水側(cè)調(diào)控效果明顯，表明中原城市群的發(fā)展需要根據(jù)水資源供需平衡，從需水側(cè)不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)水資源綜合效益最大化。

從表5可以看出，方案9對于中原城市群水資源調(diào)控效果最為明顯，指標(biāo)量化結(jié)果的綜合優(yōu)選值為0.942。方案9對應(yīng)的配置方案的供水類型為基本供水+黃河干流+南水北調(diào)+大型水庫，需水類型為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案一需水。方案9為推薦方案，選用指標(biāo)“人均GDP”“第二產(chǎn)業(yè)供水保證率”來具體說明對中原城市群水資源的調(diào)控效果，將方案9與基礎(chǔ)方案對比發(fā)現(xiàn)：指標(biāo)“人均GDP”增加25%，“第二產(chǎn)業(yè)供水保證率”提高11%.表明方案9有助于中原城市群經(jīng)濟(jì)承載度的提高：方案9的綜合評價(jià)結(jié)果遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)方案的評價(jià)結(jié)果，說明方案9的水資源配置結(jié)構(gòu)運(yùn)用于中原城市群的生活、生產(chǎn)和生態(tài)各個(gè)方面后對社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、水資源所產(chǎn)生的綜合效益最大。吳澤寧等[3]、曹建成[11]曾采用模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)方法對中原城市群各個(gè)方案進(jìn)行評價(jià)，綜合水資源可持續(xù)利用水平、協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r和水資源承載能力等評價(jià)成果，得出方案9為最優(yōu)方案，這與本文利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合優(yōu)選模型評價(jià)結(jié)果一致。

4 結(jié)語

水資源調(diào)控的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)一社會一生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，不同的調(diào)控措施都能在提高水資源利用效率方面起到一定的促進(jìn)作用，但每項(xiàng)措施調(diào)控效果有差別。本研究針對從供水結(jié)構(gòu)和需水結(jié)構(gòu)兩方面提出的中原城市群規(guī)劃水平年2020年12種調(diào)控措施，提出了綜合評價(jià)指標(biāo)體系，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與多目標(biāo)綜合優(yōu)選問題相結(jié)合，對中原城市群水資源調(diào)控效果進(jìn)行評價(jià)，得出中原城市群規(guī)劃水平年2020年最優(yōu)調(diào)控方案。本文僅從水資源狀況、社會經(jīng)濟(jì)狀況和生態(tài)環(huán)境3個(gè)方面建立評價(jià)指標(biāo)體系，沒有充分考慮中原城市群空間結(jié)構(gòu)以及水資源結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，如何建立動態(tài)一體化的綜合評價(jià)模型，使中原城市群水資源獲得最大效益，需要進(jìn)一步研究。

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