遼寧省的水資源利用效率評價(jià)方法研究

聶大鵬

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

0 引 言

隨城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)一體化的不斷推進(jìn)，水資源利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾日趨突出，為保護(hù)水體生態(tài)環(huán)境以及促進(jìn)水系統(tǒng)的良性循環(huán)，評價(jià)和分析遼寧省水資源利用效率對于促進(jìn)人水和諧發(fā)展發(fā)揮著重要作用。通過對不同區(qū)域用水效率的差異性分析，找出制約用水效率提升的關(guān)鍵性因子，從而提出有效的解決方案和辦法，這對于提高用水效率和充分發(fā)揮有限的水資源功能具有重要的意義[1]。相比發(fā)達(dá)國家我國的水資源利用效率仍存在較大的提升空間，關(guān)于用水效率評價(jià)方法和理論模型許多學(xué)者開展了大量研究，如靳京等通過論述與分析生產(chǎn)函數(shù)法、比值分析法等農(nóng)業(yè)用水效率評價(jià)方法的實(shí)現(xiàn)過程、基本原理，提出了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍；白穎等總結(jié)分析了用水效率評價(jià)方法，并認(rèn)為較單純的數(shù)學(xué)模型法評價(jià)指標(biāo)體系法更加系統(tǒng)、全面，由于涉及到的因素較多對于權(quán)重的計(jì)算仍在較大困難；翟麗妮等對水資源相關(guān)研究做了較為全面的概述，提出水資源利用效率綜合評價(jià)時(shí)定量參數(shù)少、定性參數(shù)較多的問題。在指標(biāo)權(quán)重方面，AHP層次分析法為當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的客觀賦權(quán)法，而德菲爾法因具有較強(qiáng)的主觀性易造成評價(jià)結(jié)果與實(shí)際不符的現(xiàn)象[2-4]。

為減少期望輸出與實(shí)際輸出之間的誤差需要對權(quán)值矩陣反復(fù)多次調(diào)整，直至達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)次數(shù)或輸出誤差小于允許的精度?？陀^事物的復(fù)雜關(guān)系利用高度非線性映射、高度容錯(cuò)性的樣本學(xué)習(xí)與訓(xùn)練過程來描述，利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出評價(jià)樣本的最終向量或數(shù)值。該方法具有較高的實(shí)用價(jià)值和運(yùn)算速度，且操作簡單、精準(zhǔn)度較高，在公路交通、洪澇災(zāi)害預(yù)測、水資源評價(jià)、處理多因素復(fù)雜問題等方面應(yīng)用廣泛，而運(yùn)用該模型對區(qū)域用水效率的評價(jià)研究相對較少。

根據(jù)遼寧省2017年水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒獲取用水效率評價(jià)相關(guān)參數(shù)值，結(jié)合前人研究成果和區(qū)域水資源利用實(shí)際情況，根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)想記憶、自適應(yīng)性、自組織學(xué)習(xí)、高度非線性映射、高度容錯(cuò)等特性，構(gòu)建能夠模擬區(qū)域水資源特點(diǎn)和考慮專家評分偏好的BP網(wǎng)絡(luò)評價(jià)模型，以期為區(qū)域用水效率評價(jià)和水資源發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)[5-8]。

1 水資源利用效率評價(jià)模型

1.1 評價(jià)指標(biāo)體系

農(nóng)業(yè)用水過大為引起區(qū)域水資源短缺的關(guān)鍵因素，所以關(guān)于農(nóng)業(yè)用水效率的評價(jià)為以往研究的主要內(nèi)容。通過分析不同指標(biāo)之間的相互作用關(guān)系，按照遞階層次框架理論構(gòu)建較為系統(tǒng)、全面的水資源利用效率評價(jià)體系，對區(qū)域用水效率定量的衡量和表征。

文章依據(jù)遼寧省水資源利用情況和用水效率評估報(bào)告，綜合考慮各方面影響因素建立評價(jià)體系，見表1。其中，生產(chǎn)單位數(shù)量農(nóng)產(chǎn)品所消耗的水資源量為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)用水效率WUE，即WUE=Y/ET，其中ET、Y分別為實(shí)際耗水量和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量；水分利用效率在水資源供應(yīng)充足的情況下設(shè)為WUE0，則有WUE/WUE0=(Y/Y0)(ET0/ET)。實(shí)踐表明，在特定區(qū)域內(nèi)的作物產(chǎn)量受一定水分虧缺的影響相對較小，所以可認(rèn)為Y≈Y0，由此可將上式轉(zhuǎn)化為WUE/WUE0≈(ET0/ET)，農(nóng)業(yè)用水效率U在去變異化后可表示為U=ET0/1+P。

表1 用水效率綜合評價(jià)體系

受數(shù)據(jù)資料條件限制，未收集到當(dāng)年COD排放量相關(guān)數(shù)據(jù)，且該指標(biāo)對評價(jià)結(jié)果的影響程度較小，所以選用人均污水排放替換COD參與評價(jià)。

1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性、魯棒性、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，陳守熠等將流域水環(huán)境質(zhì)量狀況利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法進(jìn)行科學(xué)評價(jià)；崔遠(yuǎn)來等對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)利用遺傳算法優(yōu)化，從而構(gòu)建了能夠預(yù)測參考作物騰發(fā)量的GA-ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；金菊良等對水華危險(xiǎn)性利用GIS技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的方法進(jìn)行了科學(xué)分析。

BP網(wǎng)絡(luò)自上至下可依次分為輸入、隱含和輸出層3個(gè)部分，各層級之間的連接方式以全連接為主，其中連接程度的控制方法主要是對權(quán)值的調(diào)整，而學(xué)習(xí)過程屬于權(quán)值控制的實(shí)現(xiàn)途徑，神經(jīng)元在同一層次內(nèi)不存在相互連接關(guān)系。為了能夠準(zhǔn)確獲取網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)，通常需要學(xué)習(xí)和訓(xùn)練一定容量的樣本，經(jīng)反復(fù)的訓(xùn)練，聯(lián)想和極易學(xué)習(xí)樣本并用于最終的評價(jià)。

1.3 BP網(wǎng)絡(luò)建模方法

設(shè)各個(gè)評價(jià)指標(biāo)組成的網(wǎng)絡(luò)輸入為X=[X1,X2,…,Xi,X7]，專家評分為網(wǎng)絡(luò)期望輸出Y*，評價(jià)得分為Y。輸出向量X(i)∈Rn與輸入向量Xj(i)∈Rm*n之間的非線性映射關(guān)系為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評價(jià)機(jī)制，其表達(dá)式為：

X(i,j)∈Rn→Y(i)∈Rn

(1)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在自學(xué)習(xí)、誤差計(jì)算、傳遞函數(shù)以及輸入輸出等計(jì)算模塊，其中輸入層接受參數(shù)信息，通過設(shè)定期望誤差和一系列神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)最終的綜合評判。對隱含層的變換計(jì)算使得訊號經(jīng)過輸出節(jié)點(diǎn)形成相應(yīng)的輸出值，其中非線性Sigmoid激活函數(shù)為傳遞過程中輸出節(jié)點(diǎn)與隱含層的最常用計(jì)算公式，計(jì)算公式為：

f(x)=1/(1+e-x)

(2)

對BP網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果產(chǎn)生不利影響，在評價(jià)向量輸入前需要采用下式進(jìn)行歸一化處理，即：

(3)

文章對用水效率評價(jià)指標(biāo)體系利用Matlab軟件和BP網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行評價(jià)分析，從而確定遼寧省各地區(qū)的水資源利用狀況。

2 實(shí)證分析

2.1 區(qū)域概況

遼寧省地處我國東北地區(qū)南部，境內(nèi)各支流縱橫交錯(cuò)、蜿蜒曲折，大小河流近300余條，如饒陽河、大凌河、渾河、太子河、遼河等支流，主要島嶼有長興島、石城列島、大鹿島及里長山列島等。該區(qū)域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候，氣候特征為春秋季短、冬長夏暖、平原風(fēng)大、寒冷期長、雨量集中、雨熱同期、四季分明、光照豐富，年降水量600-1100mm之間。由于特殊的地理環(huán)境和復(fù)雜的水文氣象，降水量存在顯著的區(qū)域性與季節(jié)性特征，在空間分布上平原地區(qū)相對于高山地較低，與渤海相鄰的東南部降水量充足，而西北地區(qū)風(fēng)沙干旱嚴(yán)重且降水稀少；在時(shí)間尺度上每年的7-9月為降雨集中期且多以暴雨或強(qiáng)降雨。近年來，隨著人口的急劇增加和社會(huì)的不斷發(fā)展，各行業(yè)用水量迅速增大，水資源短缺、農(nóng)業(yè)用水量占比過大、用水效率低等問題日趨嚴(yán)峻。水資源用水效率低對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重的制約，并進(jìn)一步激化了原本緊張的水資源供需矛盾。因此，對于用水效率的評價(jià)方法和模型的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[9-11]。

2.2 結(jié)果分析

文章對遼寧省各地市用水效率選用多因素、多層次BP模型評價(jià)，依據(jù)文獻(xiàn)中各地市水資源評價(jià)結(jié)果作為BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，經(jīng)歸一化處理后獲取各參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值如表2、表3所示。

表2 水資源利用效率評價(jià)指標(biāo)的初始值

表3 水資源利用效率評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值

續(xù)表3 水資源利用效率評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值

設(shè)定BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本和測試樣本分別為10、4，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模擬評估用水效率水平。訓(xùn)練樣本評價(jià)結(jié)果如圖1所示。

圖1 專家評價(jià)值與BP網(wǎng)絡(luò)擬合值

經(jīng)120次訓(xùn)練后BP網(wǎng)絡(luò)已達(dá)到良好的性能，設(shè)定的收斂誤差為0.0001，網(wǎng)絡(luò)最大均誤差為3.90%，R2值為0.9928，滿足預(yù)期精度要求。對于相似樣本可利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的計(jì)算處理，誤差最小時(shí)的結(jié)果輸出即為用水效率評價(jià)的最終值。其運(yùn)算流程為：模型輸入向量選擇為經(jīng)歸一化處理的初始數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)輸出即為用水效率評價(jià)結(jié)果，利用網(wǎng)絡(luò)對學(xué)習(xí)樣本訓(xùn)練，當(dāng)達(dá)到設(shè)定精度要求時(shí)停止運(yùn)算，采用該模型進(jìn)行用水效率的評價(jià)分析，并輸出最后的結(jié)果值，如表。從表可以看出，用水效率評價(jià)過程中BP網(wǎng)絡(luò)最大誤差為3.90%，專家預(yù)測和網(wǎng)絡(luò)輸入保持較高的一致性，模型具有較高的映射精度。

表4 專家評價(jià)結(jié)果與BP網(wǎng)絡(luò)輸入

3 結(jié) 論

文章依據(jù)專家評價(jià)結(jié)果和遼寧省水資源利用現(xiàn)狀，對專家決策系統(tǒng)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬分析，從而提出了一種能夠客觀、準(zhǔn)確反映區(qū)域水資源利用水平的BP網(wǎng)絡(luò)模型。結(jié)果顯示：所構(gòu)建的BP網(wǎng)絡(luò)用水效率評價(jià)模型具有較強(qiáng)的非線性擬合能力和較高的計(jì)算精度，能夠系統(tǒng)全面的描述水資源利用與各項(xiàng)特征指標(biāo)之間的非線性關(guān)系，可為區(qū)域水資源發(fā)展規(guī)劃和用水效率評價(jià)提供一種新的方法。

對專家決策過程利用Matlab系統(tǒng)自帶的計(jì)算工具箱，通過樣本輸入和精度設(shè)置即可完成評價(jià)模型的復(fù)雜計(jì)算，實(shí)證分析表明該網(wǎng)絡(luò)模型具有較高的精度和良好的可操作性，能夠依據(jù)實(shí)際需要調(diào)整預(yù)測精度與誤差，具有操作簡單、原理清晰、容錯(cuò)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在用水效率評價(jià)中該模型是科學(xué)可行的。