城市化影響下區(qū)域水資源承載力評價

高玉琴，吳 迪，劉海瑞，Intriago Gordillo Jhandre Ronald，朱 潔

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

近年來，隨著城市化進程的不斷推進，我國水資源短缺與社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾不斷加劇，水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)惡化等問題日益突出[1]，對我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展影響較大。因此，深刻理解城市化對區(qū)域水資源承載力的影響，科學合理地評價城市化影響下區(qū)域水資源承載力，對更加合理地規(guī)劃城市建設(shè)、保障區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

水資源承載力定性和定量地反映出一個地區(qū)水的數(shù)量、質(zhì)量以及不同時段、不同空間地點供需協(xié)調(diào)狀況[2]，同時反映社會可持續(xù)發(fā)展在水利行業(yè)的具體表現(xiàn)，最終反映人口、資源、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的復(fù)合系統(tǒng)特點。由于水資源承載力具有區(qū)域性、可增強性、動態(tài)性和模糊性的特點，傳統(tǒng)評價方法如主成分分析法[3]、模糊綜合評價法及系統(tǒng)動力學法[4]等由于存在不確定性、主觀隨意性的缺點，難以滿足水資源承載力評價的要求。因此，許多專家學者在傳統(tǒng)評價方法的基礎(chǔ)上提出改進策略，構(gòu)建新的評價模型，降低了指標權(quán)重不確定性帶來的評價結(jié)果不合理的風險。例如：李少朋等[5]提出一種改進的層次分析法確定評價指標權(quán)重，利用改進的TOPSIS模型綜合評價江蘇省水資源承載力；金菊良等[6]提出采用投影尋蹤方法優(yōu)化AHP確定的指標權(quán)重，再結(jié)合減法集對勢理論，構(gòu)建了基于PP-AHP方法定權(quán)的水資源承載力評價模型；袁艷梅等[7]用變異系數(shù)法及層次分析法計算組合權(quán)重，結(jié)合定性、定量分析，對模糊綜合評價模型進行改進；左其亭等[8]采用層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)的TOPSIS模型對九省區(qū)的水資源承載力進行了綜合評價；徐翔宇等[2]提出了一種基于風險矩陣的多要素水資源承載力綜合評價方法。

本文根據(jù)城市化影響下區(qū)域水資源承載力的作用機理及特性，從水量、水質(zhì)、水域和水流狀態(tài)4個維度出發(fā)，分析城市化影響下區(qū)域水資源承載力的主要影響指標，構(gòu)建了評價指標體系。分別采用物元可拓模型[9]、集對分析模型[10]、投影尋蹤模型[11]、層次分析模型[12]對水量、水質(zhì)、水域和水流要素進行評價，構(gòu)建了水資源承載力綜合評價模型，并采用混沌粒子群遺傳算法(chaotic particle swarm genetic algorithm，CPSGA)進行水資源承載力綜合評價模型求解。以南京市為研究對象對構(gòu)建的模型進行實例驗證。

1 評價指標體系

1.1 城市化影響下區(qū)域水資源承載力的基本特性

城市化區(qū)域水資源系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非封閉性系統(tǒng)，它的內(nèi)部和對外都存在著物質(zhì)能量交換。水資源承載力受區(qū)域內(nèi)水資源分布情況、水量水質(zhì)條件、用水效率、排污能力等因素的影響，涉及社會經(jīng)濟、自然水資源、生態(tài)環(huán)境等諸多領(lǐng)域。人類科技水平的進步使得城市地區(qū)人民的生活生產(chǎn)活動更加劇烈，水資源系統(tǒng)的物質(zhì)能量交換也愈發(fā)頻繁。因此，城市化區(qū)域水資源承載力具有區(qū)域性、客觀性、動態(tài)性、有限可控性、模糊性及被承載模式的多樣性的特征。

1.2 城市化影響下區(qū)域水資源承載力的作用機理

水資源是人類不可替代的重要的自然資源之一，水資源系統(tǒng)承載著生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會系統(tǒng)兩大系統(tǒng)[13]，水資源承載力的大小不僅受水資源系統(tǒng)影響，還與人類社會的經(jīng)濟發(fā)展模式、用水效率、產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)等方面息息相關(guān)[14-15]。社會生產(chǎn)力與經(jīng)濟水平的不同、自然水循環(huán)是否能夠正常進行、生態(tài)多樣性與完整性是否健全，這些因素都會對區(qū)域水資源承載力水平的高低產(chǎn)生不同程度的影響。

按照上述評價方法，逐一分析評價單元水資源承載狀況，并結(jié)合區(qū)域水資源條件、開發(fā)利用狀況、經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，以及區(qū)域現(xiàn)狀水生態(tài)狀況(河流斷流、湖泊濕地萎縮)等情況，綜合分析評價結(jié)果的合理性。

圖1 社會經(jīng)濟系統(tǒng)、自然水循環(huán)系統(tǒng)及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)對水資源承載力的“三重”約束示意

1.3 評價指標體系構(gòu)建

從“量、質(zhì)、域、流”4個維度選取具有社會經(jīng)濟內(nèi)涵和生態(tài)環(huán)境內(nèi)涵的評價指標，采用專家咨詢法對指標進行初選，剔除無法衡量、重復(fù)或錯誤的指標，采用主成分分析法對指標進行優(yōu)選，以提高評價指標體系的顯著性。最終得到水量、水質(zhì)、水域、水流要素的評價指標如表1所示。

表1 水資源承載力評價指標

2 評價模型

2.1 數(shù)據(jù)歸一化

由于各評價指標數(shù)值的單位不一致以及取值范圍的大小相差較大，為消除指標間因單位和量級帶來的影響，需對評價指標進行標準化處理。

運用極差法對定量指標進行標準化處理，得到水資源承載力現(xiàn)狀水平標準值。正向指標和負向指標標準化公式分別為

(1)

(2)

對于定性指標主要采用專家打分的方式對指標進行等級評定，再根據(jù)模糊統(tǒng)計的方法對專家的打分結(jié)果進行分析處理：

(3)

式中：rij為對應(yīng)評語的隸屬度，rij∈[0,1]；mij為第i項評價指標的第j級評語的頻數(shù)；np為專家人數(shù)。將隸屬度rij與評價尺度進行點乘運算即可得到對應(yīng)定性指標的標準化值。

2.2 “量-質(zhì)-域-流”4維度評價模型

2.2.1物元可拓模型

2.2 并發(fā)癥發(fā)生率對比 對照組的并發(fā)癥發(fā)生率明顯高于實驗組，兩組比較差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，見表2。

2.2.2集對分析模型

遺傳算法[18](genetic algorithm，GA)由美國教授John Holland于1975年首次提出，是目前學術(shù)界使用率較高的一種群體智能算法。遺傳算法憑借計算效率高、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，已被成功應(yīng)用于很多復(fù)雜問題尋找最優(yōu)解的過程中。然而該算法存在收斂過早、計算不精確的缺點，為提高計算性能，需要對其進行一定的改進。針對GA算法的瑕疵，將粒子群算法[19](particle swarm optimization，PSO)與混沌算法(chaos optimization algorithm，COA)的進化策略嵌入到GA算法框架中，結(jié)合各算法的優(yōu)勢，提出一種高效的全局搜索算法——CPSGA算法。

a.計算樣本與評價等級i之間的綜合聯(lián)系度ui

(4)

式中：n為指標數(shù)；Aj為第j指標的權(quán)重；uji為第j指標第i評價等級的聯(lián)系度。

b.計算評價樣本隸屬于評價等級i的隸屬度Ri。評價樣本隸屬于評價等級i的相對隸屬度vi為

vi=0.5+0.5ui

(5)

歸一化處理得：

(6)

式中：Ri為評價樣本隸屬于評價等級i的隸屬度；m為評價等級數(shù)。

Star SU星速公司由擁有90周年歷史的美國老牌刀具領(lǐng)導企業(yè)Star Cutter公司和意大利老牌SAMP S.p.A集團下的Samputensili公司合資組成，是世界上最大的齒輪刀具、機床生產(chǎn)公司之一。2015年星速中國正式成立，將世界領(lǐng)先的齒輪加工技術(shù)帶來中國，結(jié)合中國市場的需求，依托全球兄弟公司資源，為中國客戶提供更齊全的刀具、機床產(chǎn)品以及高效的定制化齒輪加工全套解決方案。

步驟5計算適應(yīng)度，對種群進行排序，根據(jù)適應(yīng)度的排序結(jié)果將個體進行分級，排序前10%的個體為精英個體，進入擾動點集Ⅰ，排序后20%的個體為較劣個體，進入擾動點集Ⅱ，排序中間70%的個體不發(fā)生擾動，進入步驟6。對擾動點集Ⅰ的個體進行混沌擾動，利用混沌映射產(chǎn)生混沌變量序列，并進行載波使得精英個體發(fā)生微小的混沌擾動。對擾動點集Ⅱ的個體進行擾動，若滿足較劣個體混沌操作條件，則重新生成擾動點集Ⅱ的個體；如果不滿足，則對擾動點集Ⅱ的個體更新速度向量、位置向量實現(xiàn)搜索空間的壓縮。

(7)

式中：i*為滿足于不等式的最小值；λ為置信度，一般取值區(qū)間為[0.5,0.7]，取值越大越保守，此處取為0.6；h為評價等級。

“政擔銀企戶”互動扶貧試點通過構(gòu)建“財政增效、農(nóng)擔增信、銀行增貸、企業(yè)增利、農(nóng)戶增收”的互惠互利機制，把脫貧攻堅相關(guān)各方有機聯(lián)系起來，變“輸血”扶貧為“造血”扶貧，轉(zhuǎn)變了財政支農(nóng)新方式，壯大了產(chǎn)業(yè)發(fā)展生力軍，開辟了脫貧攻堅新渠道。

2.2.3投影尋蹤模型

投影尋蹤方法可以較好地處理多因素復(fù)合問題，適用于先驗信息缺乏的高維數(shù)據(jù)，并且采用投影尋蹤技術(shù)能夠獲得具有較高穩(wěn)定性和可靠性的評價結(jié)果，適用于對水資源承載力水域要素部分進行評價。投影尋蹤模型構(gòu)建步驟包括：

步驟1計算投影值。投影方向的單位長度向量用a=(a1,a2,…ap)表示，并將xij在該方向做線性投影得：

(8)

步驟2建立投影目標函數(shù)：

（一）挖掘音樂教材，提高學生興趣。音樂教材是高中音樂教學的途徑之一，能夠為學生們打好音樂基礎(chǔ)，培養(yǎng)高中學生對音樂的興趣。鑒于當前學生對音樂的興趣不足，音樂授課教師需要充分挖掘音樂教材，利用更加新穎的教學方式來講解教材內(nèi)容，提高學生們的學習興趣，比如教師可以在教授音樂作品的時候，穿插一些相關(guān)的故事，豐富學生們的知識體系，讓學生對音樂作品有一個更好的理解，提高音樂學習的創(chuàng)新性。

Q(a)=SzDz

(9)

國外對于計算機犯罪在立法上起步比較早。如美國1987年頒布《聯(lián)邦計算機安全處罰條例》，法國1978年在全國范圍內(nèi)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息進行法律保護［2］。在2004年生效的歐洲理事會制定的《關(guān)于網(wǎng)絡(luò)犯罪的公約》（以下簡稱《公約》）是打擊網(wǎng)絡(luò)犯罪尤其是國際網(wǎng)絡(luò)犯罪的立法中最有影響力，也相對最為完善的規(guī)范性文件。

步驟3優(yōu)化投影目標函數(shù)。最佳投影方向可通過求解投影指標函數(shù)的最大值來估計，即：

maxQ(a)=SzDz

(10)

(11)

2.2.4層次分析模型

時效需求是物流企業(yè)必須重視的重要需求。快遞的延誤問題也是很多快遞行業(yè)必須要面對的重要問題，而且也是顧客評價快遞行業(yè)的重要方面。要做到顧客滿意度高的快遞企業(yè)，SF就要不斷努力提高服務(wù)的時效性。

層次分析模型可以把復(fù)雜且難以定量描述的多目標決策問題轉(zhuǎn)化為簡單的多層次單目標問題，主要從評價者對評價問題的本質(zhì)、要素的理解出發(fā)，比一般的定量方法更講求定性的分析和判斷，能在分析定量指標的同時，又能夠更好地統(tǒng)籌水資源承載力水流要素層面的定性指標，因此采用層次分析模型對水流要素部分進行評價。模型構(gòu)建步驟包括：

步驟1構(gòu)造層次判斷矩陣。將各層次指標的重要性進行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，矩陣元素的確定采用九分位標度法。

步驟2計算指標權(quán)重。采用方根法計算指標權(quán)重：

(12)

式中：bij為判斷矩陣B的元素；wi為權(quán)重向量W的元素。

步驟3一致性檢驗。為檢驗判斷矩陣B的一致性，引入一致性指標CI和平均隨機一致性指標RI：

由前文可見，國內(nèi)目前對養(yǎng)老服務(wù)績效評價方面的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但仍然存在兩點不足：第一，對于養(yǎng)老服務(wù)的評價研究大多集中在居家養(yǎng)老服務(wù)、政府購買養(yǎng)老服務(wù)及機構(gòu)養(yǎng)老服務(wù)等方面，缺乏針對醫(yī)養(yǎng)結(jié)合養(yǎng)老服務(wù)的績效評價研究；第二，大部分研究集中于指標體系的構(gòu)建，而缺乏實證分析。

(13)

(14)

式中：CR為判斷矩陣的隨機一致性比率，當CR<0.1時，表明可以接受判斷矩陣B的一致性；λmax為判斷矩陣B的最大特征值。

2.3 綜合評價模型

城市化影響下區(qū)域水資源承載力綜合評價模型采用的是綜合評價法。采用物元可拓模型、集對分析模型、投影尋蹤模型、層次分析模型分別對水量、水質(zhì)、水域、水流4要素進行評價分析，得出相應(yīng)的評價分數(shù)(p1,p2,p3,p4)，并計算4要素權(quán)重(α1,α2,α3,α4)，水資源承載力綜合評價分數(shù)S為

(15)

自然因素直接影響水資源產(chǎn)生和運移，決定了天然水資源量和本底水質(zhì)，新構(gòu)造運動、氣候變化等自然因素影響了水系連通和水流更新；水資源開發(fā)相關(guān)的環(huán)節(jié)影響了水資源的耗散和排放，改變了水資源的可利用量和水質(zhì)。社會經(jīng)濟系統(tǒng)的影響來自人類活動[16]，人類通過對水資源的開發(fā)利用引起水量的變化，從而產(chǎn)生水量壓力；通過污染物排放引起水資源質(zhì)量變化，從而產(chǎn)生供水水質(zhì)壓力，量質(zhì)變化進而影響了水域空間格局的變化和水流更新的狀態(tài)。生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)在水資源承載力量化中與水資源系統(tǒng)一樣，同樣存在支撐壓力，又受到來自社會經(jīng)濟系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)的排放與污染壓力，既是承載體，又是受壓體。良好的生態(tài)環(huán)境對水資源承載力有著正效應(yīng)，可以涵養(yǎng)水源，反之，則對水資源的量與質(zhì)有負面影響。社會經(jīng)濟系統(tǒng)、自然水循環(huán)系統(tǒng)及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)對水資源承載力的“三重”約束如圖1所示。

城市化下的區(qū)域水資源承載力水平可劃分為5個評價等級：0≤S<0.2為Ⅰ級嚴重超載，0.2≤S<0.4為Ⅱ級超載，0.4≤S<0.6為Ⅲ級臨界，0.6≤S<0.8為Ⅳ級弱可承載，0.8≤S<1.0為Ⅴ級可承載。

3 CPSGA算法

3.1 算法原理

水質(zhì)評價是一項需要綜合考慮多項指標性質(zhì)的的系統(tǒng)工程，水質(zhì)狀況具有動態(tài)變化的特征，影響水質(zhì)評價的諸多物理化學生物因素具有不確定性，集對分析模型通過引入聯(lián)系度及其數(shù)學表達來描述各種不確定性，從而將不確定性轉(zhuǎn)化為數(shù)學運算，因此選用集對分析模型對水資源承載力水質(zhì)要素進行評價。集對分析模型構(gòu)建步驟包括：

GA、COA、PSO算法特點鮮明：GA具有良好的全局搜索能力，但不擅長于局部尋優(yōu)；COA擁有混沌運動遍歷性、隨機性的特點，但局部尋優(yōu)能力較弱，計算精度差；PSO具有良好的局部尋優(yōu)能力，但易陷入局部最優(yōu)解。目前，也有很多學者做了一些將2種或3種算法融合成新算法的研究工作[20-22]。結(jié)合這3種算法的優(yōu)勢，本文將COA的混沌映射和PSO的速度位置更新策略引入GA算法框架中，提出CPSGA算法。CPSGA算法引入了初始種群混沌化策略、基于COA與PSO的擾動進化策略、次適應(yīng)度策略三大改進策略，以強化種群質(zhì)量，最終達到提高算法效率的目的。該算法利用GA的選擇、交叉、變異操作實現(xiàn)個體進化；利用COA的混沌映射和載波實現(xiàn)種群混沌化，利用二次載波實現(xiàn)精英個體的混沌擾動進化；利用PSO實現(xiàn)較劣個體的擾動進化；利用次適應(yīng)度策略維持進化末期的尋優(yōu)效率。

3.2 計算步驟

城市化區(qū)域水資源承載力綜合評價模型的求解即求解權(quán)重。應(yīng)用CPSGA算法進行城市化下區(qū)域水資源承載力綜合評價模型求解的步驟如下：

步驟1在算法中設(shè)置好合適的迭代次數(shù)、種群規(guī)模等基本參數(shù)后，以水量、水質(zhì)、水域、水流要素的權(quán)重α1、α2、α3、α4為優(yōu)化變量，輸入“量-質(zhì)-域-流”4維度下水資源承載力分部模型評價分數(shù)pi以及歷史水資源承載力評價等級數(shù)據(jù)Sk(維度i=1,2,3,4；數(shù)據(jù)組數(shù)k=1,2,…,n)構(gòu)建目標函數(shù)如下：

(16)

步驟2將混沌變量引入到優(yōu)化變量中，并把混沌運動的遍歷范圍放大到優(yōu)化變量的取值范圍，然后進行編碼形成種群。任選nm個不同個體，通過Logistic映射得到nm個混沌變量序列λi(i=1,2,…,nm)，利用載波將各混沌變量放大到相應(yīng)的優(yōu)化變量的取值范圍，最后計算個體的適應(yīng)度并對種群進行排序，選取前m個個體生成初始種群，從而實現(xiàn)了初始種群的混沌化過程。

步驟3當種群個體間的適應(yīng)度相差過小時收斂速度會變慢，此時計算個體的次適應(yīng)度并對其進行排序，篩選更優(yōu)個體更新外部精英集。

步驟4對群體進行選擇、交叉、變異操作。

c.通過置信度準則評判法進行整體評價等級判別：

步驟6計算次適應(yīng)度。判斷上一代最優(yōu)個體進化后是否劣于原先個體，若劣于原先個體，則進化后的個體被外部精英集記錄的上一代最優(yōu)個體所替代；若不劣于原先個體，則進入步驟7。

b.水質(zhì)要素水資源承載力計算結(jié)果。應(yīng)用集對分析模型對南京市水質(zhì)要素水資源承載力進行評價，將評價指標數(shù)據(jù)標準化處理后計算評價樣本與各評價等級之間的綜合聯(lián)系度和相對隸屬度，將相對隸屬度歸一化處理，通過置信度準則評判法，根據(jù)式(7)和表3進行整體評價等級評判，當評價等級為Ⅴ級時Rk=0.706 6>0.6，滿足置信度評判要求，故201