基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的揚(yáng)州長(zhǎng)江岸線布局優(yōu)化

周東泉 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

施夢(mèng)圓 河海大學(xué)水利水電學(xué)院

田志軍 姜中清 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

1.研究背景

“共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)”，推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展，是以習(xí)近平同志為核心的黨中央作出的重大戰(zhàn)略部署。為全面貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記在推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展座談會(huì)上的講話精神，2019年，江蘇省委省政府兩次召開長(zhǎng)江大保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)會(huì)議，強(qiáng)調(diào)要突出問(wèn)題導(dǎo)向，堅(jiān)持系統(tǒng)推進(jìn)，堅(jiān)決打好長(zhǎng)江生態(tài)保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)，奮力推動(dòng)我省長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展走在前列。

長(zhǎng)江岸線是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的重要載體和基礎(chǔ)支撐，是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境空間格局構(gòu)建的關(guān)鍵要素。揚(yáng)州境內(nèi)長(zhǎng)江岸線西起儀征小河口，東至江都立新涵，是江蘇國(guó)土空間開發(fā)最重要的東西軸線組成部分。揚(yáng)州長(zhǎng)江岸線的開發(fā)利用有力促進(jìn)了境內(nèi)沿江產(chǎn)業(yè)帶的布局，成為揚(yáng)州經(jīng)濟(jì)騰飛和社會(huì)發(fā)展的重大引擎。但是，由于長(zhǎng)江岸線資源長(zhǎng)期的高強(qiáng)度開發(fā)使用，導(dǎo)致?lián)P州沿江岸線開發(fā)利用布局不合理、使用效率低、重開發(fā)利用輕保護(hù)治理等問(wèn)題日益突出。為落實(shí)長(zhǎng)江大保護(hù)國(guó)家戰(zhàn)略，迫切需要對(duì)揚(yáng)州長(zhǎng)江岸線現(xiàn)狀布局進(jìn)行優(yōu)化，提高岸線資源集約利用水平。

2.揚(yáng)州岸線利用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

2.1 岸線利用現(xiàn)狀

揚(yáng)州市境內(nèi)長(zhǎng)江岸線總長(zhǎng)度約為71 km，其中涉河項(xiàng)目總數(shù)187項(xiàng)，占用岸線總長(zhǎng)度約為40.8km。涉河項(xiàng)目的分布情況如下。

（1）岸線利用項(xiàng)目數(shù)量分布

從項(xiàng)目類型數(shù)量分布來(lái)看，碼頭工程項(xiàng)目數(shù)最多，有65 項(xiàng)，占比34.8%；其次是取排水設(shè)施，有55項(xiàng)，占比29.4%；其余主要為穿江設(shè)施、生態(tài)環(huán)境整治工程項(xiàng)目以及防洪護(hù)岸整治工程。

（2）岸線利用項(xiàng)目占用長(zhǎng)度分布

已利用岸線長(zhǎng)度約為38.8km，岸線利用率為54.6%，其中生產(chǎn)型岸線長(zhǎng)度35.3km，占已利用岸線長(zhǎng)度的91.1%。

（3）岸線利用項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間分布

上世紀(jì)九十年代開始，長(zhǎng)江岸線的開發(fā)利用強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。2000 年揚(yáng)州市長(zhǎng)江岸線利用長(zhǎng)度為6.3km，2018年增加到38.8km，新增岸線利用長(zhǎng)度32.5k m。從開發(fā)利用項(xiàng)目數(shù)來(lái)看，十八年間新增項(xiàng)目119個(gè)，占岸線利用項(xiàng)目總數(shù)的64.0%。

2.2 存在問(wèn)題

（1）岸線開發(fā)利用率較高，生產(chǎn)型岸線利用占比大。目前，揚(yáng)州市長(zhǎng)江岸線開發(fā)利用率54.6%，在全省沿江八市中位居第二。已利用岸線中，生產(chǎn)型岸線比重高達(dá)91.1%，而城市生活游憩和取水口等生活岸線利用僅占4.9%，比重偏低。生態(tài)岸線預(yù)留考慮不足，純自然狀態(tài)的自然灘地岸線資源有限。

（2）岸線利用布局不盡合理，資源利用效益有待提高。不少利用項(xiàng)目擠占了規(guī)劃保留區(qū)或者防洪工程用地，對(duì)長(zhǎng)江河勢(shì)及防洪安全造成不利影響；沿江化工、造船等產(chǎn)業(yè)同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，惡性競(jìng)爭(zhēng)加劇，進(jìn)一步惡化了岸線資源開發(fā)布局。岸線利用整體效率不高，存在“占而不用、深水淺用、多占少用”現(xiàn)象，專用碼頭多，公用碼頭少，小碼頭多，大碼頭少，一些一般性碼頭占用深水岸線，部分企業(yè)占用岸線過(guò)長(zhǎng)，有些碼頭或造船企業(yè)處于閑置之中，造成岸線資源的閑置和浪費(fèi)。

（3）岸線利用不夠規(guī)范，清理整治難度大。在持續(xù)多年的沿江大開發(fā)、大發(fā)展的背景下，由于片面追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，致使一些項(xiàng)目沒(méi)有依法履行基本建設(shè)程序，存在未批先建，少批多建，邊批邊建，批建不符，以及占而不用、多占少用、深水淺用、亂占亂用等不規(guī)范問(wèn)題，有的違建項(xiàng)目時(shí)間長(zhǎng)，已成為歷史遺留問(wèn)題，給清理整治工作帶來(lái)較大難度。當(dāng)前，清理整合已停產(chǎn)或倒閉的船舶工業(yè)岸線，整頓沿江散亂小微企業(yè)占用岸線和推動(dòng)港口布局優(yōu)化，加強(qiáng)低效港口資源整合等工作任務(wù)很重，推進(jìn)難度大。

持續(xù)多年的沿江大開發(fā)，導(dǎo)致岸線開發(fā)無(wú)序和不合理問(wèn)題。一些項(xiàng)目未依法履行基本建設(shè)程序，存在未批先建、少批多建、批建不符現(xiàn)象，部分違建項(xiàng)目時(shí)間長(zhǎng)，歷史遺留問(wèn)題較多，給清理整治工作帶來(lái)較大難度。

3.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的布局優(yōu)化

3.1 樣本資料處理

為了綜合考慮揚(yáng)州長(zhǎng)江沿岸187個(gè)岸線樣本布局的合理性，選取岸線開發(fā)適宜性、生態(tài)敏感性、岸線利用類型（生產(chǎn)、生活、生態(tài)岸線）以及合法（規(guī)）性四大評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，將岸線分為合理、較合理岸線、較不合理、不合理岸線四類。采用“評(píng)分”[2-3]方式對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化，根據(jù)四大評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)揚(yáng)州市長(zhǎng)江沿岸187項(xiàng)岸線利用項(xiàng)目進(jìn)行“評(píng)分”，分值越高代表滿意程度越大。

3.2 模型建立

自組織映射網(wǎng)格作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的一種，采用無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的聚類方式，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自身訓(xùn)練，自動(dòng)對(duì)輸入模式進(jìn)行分類，在樣本判定評(píng)價(jià)方面存在一定優(yōu)越性。在本文中，每一個(gè)岸線利用項(xiàng)目用一個(gè)四維向量來(lái)表示，向量的各分量分別表示功能區(qū)類型、生態(tài)敏感性、“三生”岸線類型和合法（規(guī)）性的評(píng)價(jià)指標(biāo)值。采用自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類時(shí)，設(shè)置競(jìng)爭(zhēng)層為2×2的六邊形結(jié)構(gòu)，即聚類的類別數(shù)為。自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)的采用MATLAB創(chuàng)建，計(jì)算流程主要分為定義樣本、創(chuàng)建模型、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、測(cè)試及結(jié)果顯示。

（1）定義樣本。聚類共涉及187個(gè)岸線利用項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目的四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值用一個(gè)四維向量表示。

（2）創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。使用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中的selforgmap函數(shù)創(chuàng)建自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)，輸入?yún)?shù)只需指定競(jìng)爭(zhēng)層的大小即可，本文中競(jìng)爭(zhēng)層為2×2的六邊形結(jié)構(gòu)，即將樣本分為合理、較合理、較不合理和不合理四類岸線。

（3）網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。使用m a p mimma x函數(shù)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使用train函數(shù)對(duì)輸入樣本進(jìn)行訓(xùn)練。

（4）測(cè)試。自組織網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試與有監(jiān)督學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)試不同，在這里，訓(xùn)練數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)是一樣的。將用于訓(xùn)練的矩陣輸入到網(wǎng)絡(luò)中，可以得出每一個(gè)樣本的分類標(biāo)簽。

（5）顯示聚類結(jié)果。為了得到正確的顯示結(jié)果，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)聚類類別的特征向量數(shù)值之和，由于數(shù)值越高表示岸線利用項(xiàng)目布局合理性越高，因此，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果就能判斷不同類別的合理性高低。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

模型評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在187項(xiàng)岸線利用項(xiàng)目中，不合理岸線利用項(xiàng)目3項(xiàng)，占用岸線總長(zhǎng)度2.14km；較不合理岸線利用項(xiàng)目41項(xiàng)，占用岸線總長(zhǎng)度6.49km；較合理岸線利用項(xiàng)目80項(xiàng)，占用岸線總長(zhǎng)度28.73km；合理岸線利用項(xiàng)目63項(xiàng)，占用岸線總長(zhǎng)度34.48km。

3.4 優(yōu)化方案

（1）優(yōu)化整合生產(chǎn)岸線。對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果中不合理和較不合理岸線建議清退，共計(jì)44項(xiàng)。根據(jù)結(jié)果顯示，該44項(xiàng)岸線利用項(xiàng)目基本上屬于不符合生態(tài)紅線保護(hù)規(guī)劃和功能區(qū)管控要求的生產(chǎn)型岸線，其中碼頭工程13項(xiàng)，船廠16項(xiàng)，均為中小型企業(yè)，部分甚至已破產(chǎn)，長(zhǎng)期占而不用，造成了寶貴岸線資源的浪費(fèi)。

清退這部分生產(chǎn)岸線，有利于岸線資源的集約利用，提高岸線利用效率。清退后再對(duì)其進(jìn)行生態(tài)修復(fù)或生活性改造，提高生活型岸線比例，預(yù)留足夠的生態(tài)岸線空間，有利于長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展。

（2）保護(hù)提升生活岸線。①保證供水水源安全。推動(dòng)建設(shè)南水北調(diào)跨流域調(diào)水源頭水源生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，以及廣陵區(qū)夾江清水通道保護(hù)區(qū)，確保引調(diào)水源水質(zhì)優(yōu)良、水量充足。②優(yōu)化沿江生活休閑空間布局。利用一批沿江堤岸、江灘與河口濕地等，打造展現(xiàn)大江風(fēng)貌的濱江風(fēng)光帶，例如儀征揚(yáng)子江公園、開發(fā)區(qū)東高濕地生態(tài)公園、開發(fā)區(qū)京杭運(yùn)河河口公園、邗江區(qū)潤(rùn)揚(yáng)濕地公園、廣陵區(qū)三江營(yíng)濕地公園等濱江濕地公園等，形成獨(dú)具濱江風(fēng)情和魅力且充滿靈氣和活力的城市濱水區(qū)，為城市周邊居民提供濱江親水性休憩場(chǎng)所。

（3）拓展修復(fù)生態(tài)岸線。①加強(qiáng)岸線生態(tài)修復(fù)。通過(guò)綠色生態(tài)廊道建設(shè)、濕地保護(hù)、造林綠化等生態(tài)修復(fù)，清退產(chǎn)業(yè)用地的生態(tài)復(fù)綠等措施，增加生態(tài)岸線比重。②保障岸線安全穩(wěn)定。加快崩岸治理、鎮(zhèn)揚(yáng)河段三期等河勢(shì)控工程建設(shè)，抑制世業(yè)洲左汊的發(fā)展，穩(wěn)定和改善鎮(zhèn)揚(yáng)河段河勢(shì)。鞏固長(zhǎng)江干流河勢(shì)基本格局，保障長(zhǎng)江岸線穩(wěn)定，滿足兩岸經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求。

4.結(jié)論和建議

（1）通過(guò)對(duì)揚(yáng)州沿線的187項(xiàng)涉河項(xiàng)目分析，表明岸線存在開發(fā)利用率高、布局不盡合理及利用不夠規(guī)范等問(wèn)題。

（2）模型評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在揚(yáng)州長(zhǎng)江岸線利用項(xiàng)目中，不合理岸線利用項(xiàng)目3 項(xiàng)，占用岸線總長(zhǎng)度2.14km；較不合理岸線利用項(xiàng)目41項(xiàng)，占用岸線總長(zhǎng)度6.5km；較合理岸線利用項(xiàng)目80項(xiàng)，占用岸線總長(zhǎng)度28.7k m；合理岸線利用項(xiàng)目63項(xiàng)，占用岸線總長(zhǎng)度34.5km。

（3）建議從優(yōu)化整合生產(chǎn)岸線、保護(hù)提升生活岸線及拓展修復(fù)生態(tài)岸線三個(gè)方面進(jìn)行揚(yáng)州長(zhǎng)江岸線的布局優(yōu)化。