基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遼寧省水資源開發(fā)利用程度評價研究

劉 洋

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

遼寧省位于東北地區(qū)南部，是國家重點重工業(yè)基地。水資源作為重要的基礎(chǔ)性資源，在遼寧省的分布特點為：全年降雨分布不均，由東南向西北遞減，人均水資源占有量僅為全國的1/3。遼寧省是北方嚴重缺水的省份之一。隨著老工業(yè)基地建設(shè)進程的加快，遼寧省水資源供需矛盾日益突出，了解水資源開發(fā)利用程度，實現(xiàn)水資源健康可持續(xù)發(fā)展成為目前亟待解決的重要課題。

隨著綜合評價方法研究和計算機技術(shù)的深入發(fā)展，涌現(xiàn)出一系列將定性與定量相結(jié)合的數(shù)學評價方法，如：集對分析法[1]、密切值法[2-3]、主成分分析法[4]、物元分析法[5-6]、AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價法等[7-9]，這些評價方法已經(jīng)在水資源等方面得到廣泛的應(yīng)用，但這些傳統(tǒng)的評價方法在評價過程中均需依賴于指標權(quán)重的確定，而權(quán)重的確定往往帶有不同程度的人為主觀臆斷性，需要采用多種方法或方式進行驗證，增加了評價的復(fù)雜性。水資源開發(fā)利用程度評價是一個復(fù)雜的綜合評價問題，涉及水資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟等多方面因素，近些年神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的提出，克服了上述缺點，對復(fù)雜系統(tǒng)具有較好的識別，在不同領(lǐng)域得到了認可與應(yīng)用。本文將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用到遼寧省水資源開發(fā)利用程度評價中，通過評價指標的選取，建立數(shù)學評價模型，從定量角度分析評價水資源開發(fā)利用狀況，為水資源開發(fā)利用程度評價提供更加科學合理的方法。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論[10-11]

1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論中的誤差反向傳遞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，基于反向傳播過程對網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值進行不斷調(diào)整，使非線性問題的求解得以實現(xiàn)。它的結(jié)構(gòu)為：3層或3層以上的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，包括輸入層、中間層(隱含層)和輸出層，是一種并行且多層的前饋網(wǎng)絡(luò)(圖1)。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

BP算法是一種監(jiān)督式的學習算法，首先進行網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閥值初始化，然后通過訓(xùn)練樣本和隱含層輸入，計算輸出誤差值，再通過循環(huán)調(diào)整隱含層直至誤差滿足要求，完成樣本訓(xùn)練，最后利用已訓(xùn)練完成的網(wǎng)絡(luò)模型進行預(yù)測或者評價，詳細步驟參考文獻[6-7]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的實現(xiàn)通常借助Matlab軟件完成。

2 實例研究

2.1 水資源開發(fā)利用程度評價指標體系與標準

通過分析遼寧省水資源自然稟賦、社會經(jīng)濟發(fā)展水平及水資源供用耗情況[12-14]，本次從水資源系統(tǒng)、水資源開發(fā)利用系統(tǒng)和水資源社會經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)3個系統(tǒng)中選取水資源人均占有量、可利用水量模數(shù)等11個指標構(gòu)建遼寧省水資源開發(fā)利用評價指標體系，具體見表1。水資源開發(fā)利用程度評價等級分為3級(V1、V2、V3)，V1表示水資源開發(fā)利用處于飽和階段，V2表示水資源開發(fā)利用處于發(fā)展過渡階段，V3表示水資源開發(fā)利用處于初始階段。評價現(xiàn)狀年為2016年，數(shù)據(jù)資料采用遼寧省14個市及全省值，具體評價指標分級閾值[15-16]見表2、3。

表1 遼寧省水資源開發(fā)利用程度評價指標

表2 遼寧省水資源開發(fā)利用程度評價分級標準值

表3 遼寧省水資源評價指標數(shù)值

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價過程與結(jié)果

2.2.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立

2.2.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化學習

借助Matlab軟件，使用newff函數(shù)工具箱創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，選用logsig和tansig作為傳遞函數(shù)，trainlm作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)。將水資源開發(fā)利用程度評價分級標準值隨機讀取24組訓(xùn)練樣本開始訓(xùn)練，學習率取0.01，進行反復(fù)訓(xùn)練，直至訓(xùn)練誤差總和E≤0.000 01，訓(xùn)練停止，最大訓(xùn)練次數(shù)設(shè)置為30 000。

2.2.3評價結(jié)果輸出

將訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于遼寧省14個市及全省水資源開發(fā)利用程度的評價，結(jié)果見表4。

2.3 評價結(jié)果驗證

根據(jù)文獻[8]的研究成果，采用AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價法對研究區(qū)進行再次評價。其計算方法為：先采用AHP-熵權(quán)法確定更為準確且適合研究區(qū)域的權(quán)重，再通過模糊綜合評價模型建立隸屬函數(shù)，確定隸屬度，對水資源開發(fā)利用程度進行定量評價。

將2種評價方法結(jié)果進行對比分析，結(jié)果見表5。從總體來看，2種評價方法的結(jié)果大致相同，除了沈陽市、錦州市和葫蘆島市在評價結(jié)果上差一級以外(AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價法：沈陽V1、錦州V1、葫蘆島V1，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法：沈陽V2、錦州V2、葫蘆島V2)，其他地區(qū)結(jié)果完全相同，且這3個地區(qū)的AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價值均在V1和V2級的臨界值0.66邊緣，相差不大。這主要是因為評價方法權(quán)重賦值的主客觀程度的不同，但從結(jié)果總體上看，可以證明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水資源開發(fā)利用程度評價的可行性與適用性。

表5 評價結(jié)果驗證對比

2.4 評價結(jié)果分析

由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對遼寧省水資源開發(fā)利用程度評價結(jié)果可以看出，遼寧省水資源開發(fā)利用程度總體上處于中間過渡階段，仍有一定的開發(fā)利用潛力，但縱觀14個地級市，其開發(fā)利用程度不盡相同，呈現(xiàn)出與水資源空間分布特點相同的趨勢，見圖2。遼東地區(qū)的丹東市、撫順市水資源豐沛，評價結(jié)果為V3級，水資源開發(fā)利用程度為初級階段，仍有較大的開發(fā)利用潛力；遼西地區(qū)的阜新市和朝陽市“十年九旱”，水資源緊缺，評價結(jié)果為V1級，水資源開發(fā)利用程度已達到飽和階段，開發(fā)利用潛力較??；其他10個地市均為V2級，水資源開發(fā)利用處于發(fā)展過渡階段，仍有一定的開發(fā)利用空間。

圖2 遼寧省水資源開發(fā)利用程度評價結(jié)果

3 結(jié)論

a)本文將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于遼寧省水資源開發(fā)利用程度評價當中，通過AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價法驗證，表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以準確的對水資源開發(fā)利用系統(tǒng)做出合理的評價，同時能夠避免傳統(tǒng)方法評價指標權(quán)重賦值的主觀性和復(fù)雜性，簡單快捷，結(jié)果可靠。

b)通過對遼寧省水資源開發(fā)利用程度評價可以看出，遼寧省水資源開發(fā)利用程度總體正處于發(fā)展階段，有一定的開發(fā)利用潛力，但是各地市卻開發(fā)利用程度不一，呈現(xiàn)出東部水資源開發(fā)利用潛力較大，西部開發(fā)利用潛力較小，中部地區(qū)處于過渡水平的特點。這說明目前遼寧省水資源開發(fā)利用程度與水資源自然稟賦條件是一致的，具有空間分布不均的特點，未來可以通過調(diào)水等合理配置方法平衡水資源開發(fā)利用程度，從而實現(xiàn)水資源的健康可持續(xù)發(fā)展。