基于PSO-SVM模型的黑龍江省水資源承載力評(píng)價(jià)

王 濤,李治軍*

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所,黑龍江 哈爾濱 150080)

1 研究背景及研究區(qū)域概況

1.1 研究背景

水是人類(lèi)不可缺少、不可替代的重要的自然資源[1],淡水資源更是人類(lèi)寶貴的財(cái)富。雖然中國(guó)淡水資源總量豐富,但中國(guó)人口眾多人均占有量?jī)H為世界平均占有量的1/4,其人均水資源量更是在世界排名的百名之后[2]。中國(guó)水資源現(xiàn)狀為人均占有量少,且在時(shí)間、空間中分布嚴(yán)重不平衡,具體體現(xiàn)為南方多北方少,夏季多冬季少,且中國(guó)西北、北部、東北地區(qū)水資源緊缺問(wèn)題更加嚴(yán)重。黨中央也在黨的十八大、十八屆三中、四中、五中、六中全會(huì)等會(huì)議上多次提出關(guān)于“抓緊對(duì)全國(guó)各縣進(jìn)行資源環(huán)境承載能力評(píng)價(jià),抓緊建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制”的重要指示[3-4]。

現(xiàn)如今中國(guó)水資源承載力的研究出現(xiàn)了多種學(xué)科相互融合的層面,隨著研究的不斷加深中國(guó)在水資源承載力方面也取得了豐富的成果,但到目前為止仍然沒(méi)有統(tǒng)一的研究方法,目前水資源承載力的計(jì)算主要采用模糊綜合評(píng)價(jià)法、主成分分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。但有學(xué)者指出,涉及多因素的綜合評(píng)價(jià)并不適宜建立常規(guī)數(shù)學(xué)模型,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等模擬智能方法可很好地解決此類(lèi)問(wèn)題[5]。支持向量機(jī)具有全局最優(yōu)、泛化能力強(qiáng)、樣本數(shù)量少等特點(diǎn),在應(yīng)用中也可根據(jù)地區(qū)的實(shí)際情況制定相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),具有動(dòng)態(tài)性并且能夠減少評(píng)價(jià)過(guò)程中因主觀因素的影響,評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀科學(xué),支持向量機(jī)還具有解決高復(fù)雜度、非線性問(wèn)題的能力,因此在水資源承載力評(píng)價(jià)研究中顯示出較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)[5]。

1.2 研究區(qū)域概況

黑龍江省位于中國(guó)的最東端與最北端,因其省內(nèi)流經(jīng)的中國(guó)最長(zhǎng)的界河黑龍江而命名,東北部以黑龍江和烏蘇里江主航道與俄羅斯為界,東南部以老爺嶺東麓與俄羅斯相鄰,西部地區(qū)大興安嶺緊鄰內(nèi)蒙古自治區(qū),南部、西南部與吉林省接壤。全省土地總面積47.22萬(wàn)km2(含加格達(dá)奇和松嶺區(qū)1.82萬(wàn)km2),位于全國(guó)第6位[6-7]。

黑龍江省緊鄰西伯利亞地區(qū),位于亞歐大陸東部屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,氣溫變化大,日照時(shí)間長(zhǎng),降水集中,受夏季風(fēng)影響黑龍江省由東部濕潤(rùn)地區(qū)逐漸過(guò)渡到西部的干旱區(qū)。春季多風(fēng)、少雨、干旱,夏季短暫、高溫、多雨,秋季降溫急劇,常有霜凍災(zāi)害;夏季時(shí),由于太陽(yáng)輻射的不斷增強(qiáng),受西海洋性氣團(tuán)影響,形成溫暖濕潤(rùn)的夏季季風(fēng)導(dǎo)致夏季氣候溫暖濕潤(rùn);冬季漫長(zhǎng)受大陸性高壓氣團(tuán)影響導(dǎo)致氣候嚴(yán)寒、干燥。全省降雨量分布趨勢(shì)山區(qū)大,平原小,中、南部大,東部次之,西、北部小,這是造成西旱東澇的主要?dú)夂蛞蛩豙8-9]。全省多年平均年降水量為531.8 mm,降雨主要集中在6—9月,占年降雨量的70%～80%[9]。全省降水深有2個(gè)高值區(qū):一為拉林河、螞蟻河和海浪河流域上游,年降水量大于800 mm;另一為湯旺河及呼蘭河流域上游,年降水量大于700 mm。低值區(qū)主要包括松嫩平原、三江平原、綏芬河及穆棱河、倭肯河中下游,年降雨量為400～500 mm,最小值為松嫩平原大興站,僅為350 mm[9]。夏季溫?zé)岫嘤?冬季漫長(zhǎng)且寒冷漫長(zhǎng)且降水量少,由此導(dǎo)致黑龍江省水資源時(shí)空分配不均、水資源調(diào)節(jié)能力差、造成水資源短缺問(wèn)題。且黑龍江省是中國(guó)重要的工業(yè)基地、產(chǎn)糧大省,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,水資源供需矛盾日益凸顯,雖然黑龍江省已采取河湖長(zhǎng)制、取水口核查、環(huán)境整治多項(xiàng)措施對(duì)水資源進(jìn)行保護(hù),但水資源開(kāi)發(fā)利用形勢(shì)依然嚴(yán)峻,水資源已成為流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的制約因素[10]。

2 評(píng)價(jià)體系建立

2.1 綜合評(píng)價(jià)體系建立

進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià)中影響其承載能力大小的因素很多,水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立對(duì)其區(qū)域承載能力評(píng)價(jià)中起到至關(guān)重要的作用。水資源承載力評(píng)價(jià)體系構(gòu)建遵循科學(xué)性、層次性、可操作性、區(qū)域性等原則[11]。

在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮各影響因素,如區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用程度、各行業(yè)用水占補(bǔ)多少、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、城市發(fā)展情況、生態(tài)環(huán)境狀況等相關(guān)因素,根據(jù)評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建原則,選取不同能夠反映所要評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力實(shí)際情況的評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建獨(dú)特的水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系系統(tǒng)。

通過(guò)查找相應(yīng)文獻(xiàn)對(duì)已有研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié),結(jié)合黑龍江省水資源現(xiàn)狀,根據(jù)評(píng)價(jià)體系的建立原則,本文建立以水資源系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),各評(píng)價(jià)指標(biāo)分別選取人均水資源量、水資源開(kāi)發(fā)利用率、人均生活用水量、萬(wàn)元GDP用水量、污水處理率、節(jié)水灌溉率等14個(gè)指標(biāo)為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)體系(圖1)。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究黑龍江省2020年13個(gè)地市水資源承載力,所用數(shù)據(jù)來(lái)源為《黑龍江省水資源公報(bào)》《黑龍江省水利統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒》《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》。各指標(biāo)計(jì)算方法見(jiàn)表1。

表1 水資源承載力指標(biāo)數(shù)據(jù)

2.3 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

為了能夠準(zhǔn)確地反映區(qū)域水資源承載力狀況,本文采取水資源承載力指數(shù)用來(lái)衡量區(qū)域水資源承載力能力。水資源承載力指數(shù)是反映地區(qū)水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境發(fā)展?fàn)顩r的重要指標(biāo),它是水資源系統(tǒng)與其承載的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)相互影響的結(jié)果[12]。根據(jù)前文所選取指標(biāo)對(duì)水資源承載力的影響程度結(jié)合已有參考文獻(xiàn)所制定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),本文將水資源承載能力分為5個(gè)級(jí)別:Ⅰ級(jí)水資源承載力狀況為“差”水資源承載力指數(shù)為0～0.2;Ⅱ級(jí)水資源承載力狀況為“較差”水資源承載力指數(shù)為0.2～0.4;Ⅲ級(jí)水資源承載力狀況為“及格”水資源承載力指數(shù)為0.4～0.6;Ⅳ級(jí)水資源承載力狀況為“良好”水資源承載力指數(shù)為0.6～0.8;Ⅴ級(jí)水資源承載力狀況為“優(yōu)秀”水資源承載力指數(shù)為0.8～1.0。

為了能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)選取出的各指標(biāo)分級(jí),本文優(yōu)先采用已被國(guó)際或中國(guó)所公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)值作為分級(jí)主要依據(jù),即根據(jù)指標(biāo)的定義、公式以及實(shí)際的數(shù)據(jù)值等因素對(duì)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。以下為各指標(biāo)等級(jí)劃定依據(jù)及分級(jí)范圍。

2.3.1人均水資源量

中國(guó)水資源量總量豐富,但是人均占有量少,其人均水資源量一直低于世界平均水平。根據(jù)1992年Falkenmark所提出的水壓力指數(shù)將水資源劃分為3個(gè)級(jí)別,當(dāng)人均水資源量大于1 700 m3/人表示該地區(qū)水資源充足:當(dāng)人均水資源量1 000～1 700 m3/人表示該地區(qū)用水緊張;當(dāng)人均水資源量500～1 000 m3/人表示該地區(qū)為缺水地區(qū);當(dāng)人均水資源量小于500 m3/人時(shí)則表示該地區(qū)嚴(yán)重缺水。結(jié)合以上資料進(jìn)行參考,將人均水資源量標(biāo)準(zhǔn)劃分為:小于500 m3/人為Ⅰ級(jí),500～1 000 m3/人為Ⅱ級(jí),1 000～1 700 m3/人為Ⅲ級(jí),1 700～3 000 m3/人為Ⅳ級(jí),3 000 m3/人為Ⅴ級(jí)。

2.3.2水資源開(kāi)發(fā)利用率

根據(jù)《2020年中國(guó)水資源公報(bào)》發(fā)布顯示,2020年全國(guó)水資源總量31 605.2億m3,全國(guó)用水總量5 812.9億m3,經(jīng)計(jì)算得2020年中國(guó)水資源開(kāi)發(fā)利用率18.39%。國(guó)際上將30%水資源開(kāi)發(fā)利用率認(rèn)為合理利用,40%開(kāi)發(fā)利用率定義為水資源最大利用上限,結(jié)合以上資料進(jìn)行參考,將人均水資源量標(biāo)準(zhǔn)劃分為:大于60%為Ⅰ級(jí),40%～60%為Ⅱ級(jí),20%～40%為Ⅲ級(jí),10%～20%為Ⅳ級(jí),小于10%為Ⅴ級(jí)。

2.3.3產(chǎn)水模數(shù)、供水模數(shù)

a)產(chǎn)水模數(shù)。2020年黑龍江省13個(gè)地市產(chǎn)水模數(shù)為13.13萬(wàn)～46.59萬(wàn)m3/km2。根據(jù)黑龍江省產(chǎn)水模數(shù)實(shí)際情況將產(chǎn)水模數(shù)等級(jí)劃分為:小于10萬(wàn)m3/km2為Ⅰ級(jí),10萬(wàn)～20萬(wàn)m3/km2為Ⅱ級(jí),20萬(wàn)～30萬(wàn)m3/km2為Ⅲ級(jí),30萬(wàn)～40萬(wàn)m3/km2為Ⅳ級(jí),大于40萬(wàn)m3/km2為Ⅴ級(jí)。

b)供水模數(shù)。2020年黑龍江省13個(gè)地市供水模數(shù)為0.02萬(wàn)～24.62萬(wàn)m3/km2。根據(jù)黑龍江省供水模數(shù)實(shí)際情況將供水模數(shù)等級(jí)劃分為:小于3萬(wàn)m3/km2為Ⅰ級(jí),3萬(wàn)～10萬(wàn)m3/km2為Ⅱ級(jí),10萬(wàn)～15萬(wàn)m3/km2為Ⅲ級(jí),15萬(wàn)～20萬(wàn)m3/km2為Ⅳ級(jí),大于20萬(wàn)m3/km2為Ⅴ級(jí)。

2.3.4人口密度

由于地域以及經(jīng)濟(jì)等原因黑龍江省人口密度較少。根據(jù)《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》所公布數(shù)據(jù),黑龍江省2011—2020年人口密度平均值僅為76.79人/km2且逐年呈下降趨勢(shì),僅高于青海、西藏、新疆、內(nèi)蒙古、新疆、甘肅,位居全國(guó)倒數(shù)第六,遠(yuǎn)低于全國(guó)平均標(biāo)準(zhǔn)。

從世界人口密度情況大致將人口密度等級(jí)分為4類(lèi),當(dāng)人口密度大于100人/km2表示該地區(qū)人口密集,如韓國(guó)、新加坡、巴林等;當(dāng)人口密度為25～100人/km2表示該地區(qū)人口中等,如美國(guó)、剛果民主共和國(guó)、津巴布韋等;當(dāng)人口密度1～25人/km2表示該地區(qū)人口稀少,如加拿大、哈薩克斯坦、利比亞等;當(dāng)人口密度小于1人/km2時(shí)則表示該地區(qū)人口極其稀少,如馬爾維納斯群島、斯瓦爾巴群島和揚(yáng)馬延島等。

黑龍江省2020年各地市人口密度為6.28人/km2(大興安嶺)～178.73人/km2(哈爾濱),各地市人口密度差距較大,根據(jù)黑龍江省實(shí)際情況將人口密度等級(jí)劃分為:大于300人/km2為Ⅰ級(jí),140～300人/km2為Ⅱ級(jí),50～140人/km2為Ⅲ級(jí),25～50人/km2為Ⅳ級(jí),小于25人/km2為Ⅴ級(jí)。

2.3.5城市化率

隨著城市的不斷發(fā)展,城市化率也在不斷提高。黑龍江省城市化率已從2011年56.5%上升為2020年65.5%,年均上升0.9%符合中國(guó)發(fā)展需要。根據(jù)聯(lián)合國(guó)估算結(jié)果,2050年世界發(fā)達(dá)國(guó)家城市化率可達(dá)86%,中國(guó)城市化率預(yù)計(jì)也達(dá)70%以上。

黑龍江省各地市城市化率差距較大,大興安嶺、伊春、鶴崗城市化率較高,均位于80%以上,綏化城市化率較低不足30%。根據(jù)黑龍江省實(shí)際情況將城市化率等級(jí)劃分為:大于80%為Ⅰ級(jí),80～60%為Ⅱ級(jí),40～60%為Ⅲ級(jí),20～40%為Ⅳ級(jí),小于20%為Ⅴ級(jí)。

2.3.6人均生活用水量

根據(jù)GB/T 50331—2002《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)》黑龍江所屬第一分區(qū)80～130 L/(人/d)。根據(jù)上述參考材料將黑龍江人均生活用水量標(biāo)準(zhǔn)劃分為:大于180 L/(人/d)為Ⅰ級(jí),130～180 L/(人/d)為Ⅱ級(jí),90～130 L/(人/d)為Ⅲ級(jí),60～90 L/(人/d)為Ⅳ級(jí),小于60 L/(人/d)為Ⅴ級(jí)。

2.3.7人均GDP

根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年檢》《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展公報(bào)》所記錄數(shù)據(jù),黑龍江省人均GDP從2011年25 093元/人上升至2020年42 635元/人,經(jīng)濟(jì)上總體呈上升趨勢(shì)且發(fā)展迅速。

中國(guó)雖已成為世界第二經(jīng)濟(jì)體,但人口眾多,人均GDP水平較發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。2019年IMF對(duì)人均GDP分為7個(gè)等級(jí)(表2),按照分類(lèi)美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家屬高度發(fā)達(dá)地區(qū),意大利、西班牙、韓國(guó)等國(guó)家屬中度發(fā)達(dá)地區(qū),希臘、波蘭、匈牙利等國(guó)家屬低度發(fā)達(dá)地區(qū),中國(guó)、俄羅斯、馬來(lái)西亞等國(guó)家屬中等水平地區(qū),泰國(guó)、蒙古、伊朗等國(guó)家屬低度貧困地區(qū),烏克蘭、菲律賓、越南等國(guó)家屬中度貧困地區(qū),巴基斯坦、孟加拉國(guó)、柬埔寨等國(guó)家屬重度貧困地區(qū)。

表2 人均GDP等級(jí)劃分

根據(jù)黑龍江省人均GDP實(shí)際情況以及國(guó)際的劃分標(biāo)準(zhǔn)將人均GDP等級(jí)劃分為:小于1.50萬(wàn)元為Ⅰ級(jí),1.55萬(wàn)～2.50萬(wàn)元為Ⅱ級(jí),2.55萬(wàn)～4.50萬(wàn)元為Ⅲ級(jí),4.50萬(wàn)～8.00萬(wàn)元為Ⅳ級(jí),大于8.00萬(wàn)元為Ⅴ級(jí)。

2.3.8萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量

根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委、水利部聯(lián)合印發(fā)《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》,萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量較2015年下降20%。國(guó)家發(fā)展改革委、水利部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《“十四五”節(jié)水型社會(huì)建設(shè)規(guī)劃》中明確指出2025年中國(guó)萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量較2020年要降低16%。國(guó)家節(jié)水型城市考核標(biāo)準(zhǔn)提出,萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量要低于全國(guó)萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量平均值的50%或者年降低5%,根據(jù)以上資料將萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量劃分為:大于100 m3/萬(wàn)元為Ⅰ級(jí),50～100 m3/萬(wàn)元為Ⅱ級(jí),30～50 m3/萬(wàn)元為Ⅲ級(jí),15～30 m3/萬(wàn)元為Ⅳ級(jí),小于15 m3/萬(wàn)元為Ⅴ級(jí)。

2.3.9萬(wàn)元GDP用水量

根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委、水利部聯(lián)合印發(fā)《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》萬(wàn)元GDP用水量較2015年下降23%。國(guó)家發(fā)展改革委、水利部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《“十四五”節(jié)水型社會(huì)建設(shè)規(guī)劃》中明確指出2025年中國(guó)萬(wàn)元GDP用水量較2020年要降低16%。國(guó)家節(jié)水型城市考核標(biāo)準(zhǔn)提出萬(wàn)元GDP用水量要低于全國(guó)萬(wàn)元GDP用水量的平均值的50%或者年降低5%,根據(jù)以上資料將GDP用水量劃分為:大于350 m3/萬(wàn)元為Ⅰ級(jí),350～250 m3/萬(wàn)元為Ⅱ級(jí),250～150 m3/萬(wàn)元為Ⅲ級(jí),150～30 m3/萬(wàn)元為Ⅳ級(jí),小于30 m3/萬(wàn)元為Ⅴ級(jí)。

2.3.10生態(tài)環(huán)境用水率

根據(jù)《黑龍江省水資源公報(bào)》計(jì)算得出,黑龍江省2011—2020年生態(tài)環(huán)境用水率平均值為1.60%～0.74%,年均生態(tài)環(huán)境用水率為0.845%。根據(jù)2020年《中國(guó)水資源公報(bào)》指出,中國(guó)2020年生態(tài)環(huán)境用水率5.40%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)本文將生態(tài)環(huán)境用水率劃分為:小于1%為Ⅰ級(jí),1%～2%為Ⅱ級(jí),2%～3%為Ⅲ級(jí),3%～5%為Ⅳ級(jí),大于5%為Ⅴ級(jí)。

2.3.11森林覆蓋率

第九次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)顯示,中國(guó)森林覆蓋率從新中國(guó)成立時(shí)的8.60%,現(xiàn)已增長(zhǎng)到23.04%。黑龍江省森林面積廣闊,2020年黑龍江省森林覆蓋率已達(dá)47.30%,同時(shí)黑龍江省的大興安嶺地區(qū)和伊春市森林覆蓋率位于全國(guó)第一、第二。

《中華人民共和國(guó)森林法》規(guī)定:中國(guó)森林覆蓋率要達(dá)到30%,山區(qū)要達(dá)到40%,丘陵地區(qū)要達(dá)到30%,平原地區(qū)則要達(dá)到10%。

中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:年降水量400 mm以下地區(qū)的城市市域森林覆蓋率達(dá)到20%以上;年降水量400～800 mm地區(qū)的城市市域森林覆蓋率達(dá)到30%以上;年降水量800 mm以上地區(qū)的城市市域森林覆蓋率達(dá)到35%以上。

根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及黑龍江省森林覆蓋實(shí)際情況,將森林覆蓋率劃分為:小于10%為Ⅰ級(jí),10%～20%為Ⅱ級(jí),20%～30%為Ⅲ級(jí),30%～40%為Ⅳ級(jí),大于40%為Ⅴ級(jí)。

2.3.12污水處理率

《“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》中提出,2020年底中國(guó)將全面實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施完全覆蓋,城市污水處理率達(dá)95%。到2020年底,地級(jí)及以上城市的建成區(qū)基本實(shí)現(xiàn)污水全收集、處理。國(guó)家節(jié)水考核標(biāo)準(zhǔn)中指出,地級(jí)市污水處理率要高出同級(jí)城市平均值的10%,省會(huì)城市要高出同級(jí)城市平均值的5%。據(jù)此,將污水處理率劃分為:小于65%為Ⅰ級(jí),65%～75%為Ⅱ級(jí),75%～85%為Ⅲ級(jí),85%～95%為Ⅳ級(jí),大于95%為Ⅴ級(jí)。

2.3.13節(jié)水灌溉率

2021年水利部農(nóng)村水利水電司司長(zhǎng)陳明忠指出,中國(guó)耕地面積從1949年的2.4億畝上升至目前的10.37億畝,節(jié)水灌溉面積達(dá)5.67億畝,節(jié)水灌溉率約50%。根據(jù)《黑龍江省水利統(tǒng)計(jì)年鑒》提供數(shù)據(jù)計(jì)算,2011—2020年節(jié)水灌溉率從26.78%逐漸上升至35.46%。根據(jù)黑龍江實(shí)際情況將節(jié)水灌溉率等級(jí)劃分為:小于10%為Ⅰ級(jí),10%～25%為Ⅱ級(jí),25%～35%為Ⅲ級(jí),35%～50%為Ⅳ級(jí),大于50%為Ⅴ級(jí)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)見(jiàn)表3。

表3 水資源承載力指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)

3 模型介紹

機(jī)器學(xué)習(xí)是一個(gè)多種學(xué)科相互交融的學(xué)科,它涉及統(tǒng)計(jì)學(xué)、概率論、凸分系等多門(mén)學(xué)科,研究計(jì)算機(jī)如何模擬人類(lèi)學(xué)習(xí)能力以獲得新的性能。支持向量機(jī)是以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)建立的一種機(jī)器學(xué)習(xí)的方式[11]。1995年Vapnik系統(tǒng)地提出了以統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)的支持向量機(jī)算法模型,支持向量機(jī)的思想就是在準(zhǔn)確地劃分?jǐn)?shù)據(jù)集的情況下使距離超平面最近的樣本的間隔最大化,圖2中實(shí)線wx+b=0為分類(lèi)超平面,其分類(lèi)超平面將空心球與實(shí)心球完全劃分到分類(lèi)超平面的兩側(cè)則稱(chēng)其為線性可分,wx+b=±1為與超平面間隔最近的點(diǎn)組成的與超平面平行的平面,wx+b=±1與超平面wx+b=0之間的距離就是分類(lèi)間隔。分類(lèi)超平面可以劃分為無(wú)限條,當(dāng)分類(lèi)間隔最大化時(shí),則稱(chēng)該分類(lèi)超平面為最優(yōu)超平面[11]。計(jì)算非線性可分問(wèn)題中,訓(xùn)練樣本空間中無(wú)法獲得線性分類(lèi),所以通過(guò)一個(gè)核函數(shù)φ(·)將訓(xùn)練樣本點(diǎn)映射到更高維的特征空間,使不可線性分類(lèi)的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)變得線性可分,這樣就可以在高維空間中采取與處理線性問(wèn)題相同的辦法來(lái)處理原樣本空間非線性問(wèn)題。

圖2 最優(yōu)超平面示意

當(dāng)樣本線性可分時(shí),尋優(yōu)問(wèn)題可表達(dá)為式(1):

(1)

當(dāng)樣本非線性可分便引入松弛變量ξi和懲罰因子C,問(wèn)題可表達(dá)為式(2):

(2)

為解決線性不可分問(wèn)題利用拉格朗日函數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)偶問(wèn)題,見(jiàn)式(3):

(3)

其中核函數(shù)、決策函數(shù)、參數(shù)b分別為式(4)—(6):

K(xi,xj)=φ(xi)φ(xj)

(4)

(5)

(6)

為了提高模型的精準(zhǔn)度,本文采用粒子群算法的尋優(yōu)能力對(duì)影響支持向量機(jī)模型精度的主要訓(xùn)練參數(shù),懲罰因子、核函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu),獲得精確度較高的訓(xùn)練參數(shù)。粒子群算法(PSO)是美國(guó)學(xué)者Kennedy和Eberhart于1995年基于鳥(niǎo)群尋找食物而提出來(lái)的一種優(yōu)化算法[7]。粒子群算法的基本思想是先對(duì)算法進(jìn)行初始化,然后以初始化的粒子為起點(diǎn),通過(guò)不斷地迭代,得到合適的適應(yīng)度以達(dá)到優(yōu)化的目標(biāo)。PSO由于自身收斂速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷被廣泛應(yīng)用在尋優(yōu)問(wèn)題中。PSO-SVM算法計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 PSO-SVM模型原理

4 模型應(yīng)用

4.1 訓(xùn)練樣本的構(gòu)建

采用矩陣實(shí)驗(yàn)室(MATLAB)進(jìn)行模擬,為擴(kuò)大模型訓(xùn)練樣本的容量,更好地進(jìn)行模型的訓(xùn)練學(xué)習(xí),達(dá)到較為理想的擬合效果,本研究對(duì)表3中所構(gòu)建的評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)一步分化,在相鄰兩等級(jí)間區(qū)平均值建立中間等級(jí),采取rand在相鄰兩等級(jí)之間隨機(jī)生成20個(gè)樣本,最終共獲得169個(gè)樣本,隨機(jī)選取149個(gè)樣本作為訓(xùn)練樣本,其余20個(gè)樣本作為測(cè)試樣本[12]。部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)

4.2 PSO-SVM模型的構(gòu)建與檢驗(yàn)

根據(jù)上文數(shù)據(jù)處理工作得到的訓(xùn)練樣本對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練并采用測(cè)試樣本對(duì)訓(xùn)練后的模型進(jìn)行檢驗(yàn),本文采用Libsvm工具箱進(jìn)行PSO-SVM的搭建,采用粒子群算法對(duì)支持向量機(jī)的訓(xùn)練參數(shù)設(shè)置為:σmin=10-4,σmax=100,Cmin=0.01,Cmax=100,粒子種群數(shù)量為50,慣性系數(shù)為1,學(xué)習(xí)因子C1=1.5,C2=1.7,連續(xù)運(yùn)行速度為20,最大迭代次數(shù)為3 000次,通過(guò)粒子群算法優(yōu)化后的支持向量機(jī)訓(xùn)練參數(shù):核函數(shù)為0.015 6,懲罰因子為1.75,模型計(jì)算得出的測(cè)試樣本評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4,樣本誤差見(jiàn)表5。

表5 測(cè)試集真實(shí)值與評(píng)價(jià)值

圖4 測(cè)試集評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

均方根誤差反映模型的離散狀況,均方根誤差越小模型的預(yù)測(cè)效果越好。根據(jù)模型得出結(jié)果測(cè)試樣本中均方根誤差0.29,訓(xùn)練樣本中均方根誤差0.008 19,均小于2,真實(shí)值與預(yù)測(cè)值相差較小,模型合理、可靠,滿足應(yīng)用要求。

將收集到的2020年黑龍江省各地市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化處理后輸入已構(gòu)建的PSO-SVM模型中進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算得出黑龍江省2020年各地市水資源承載力指數(shù)及對(duì)應(yīng)水資源承載力等級(jí),見(jiàn)表6。各地市水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)空間分布見(jiàn)圖5。

表6 黑龍江省水資源承載力及對(duì)應(yīng)等級(jí)

圖5 2020年黑龍江省各地市水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)空間分布

由表6、圖5可知,2020年各地市水資源承載力等級(jí)為0.485 1～0.819 3,其中:哈爾濱、牡丹江水資源承載力等級(jí)為Ⅴ級(jí),雞西、鶴崗、雙鴨山、大慶、伊春、七臺(tái)河、黑河、綏化水資源承載力等級(jí)為Ⅳ級(jí),齊齊哈爾、佳木斯、大興安嶺水資源承載力等級(jí)為Ⅲ級(jí)。由圖5,全省水資源承載力空間分布不均,東西差異較大,黑龍江省水資源承載力總體呈現(xiàn)東北部地區(qū)以及西部地區(qū)的大慶市水資源承載力較弱,其主要原因?yàn)槲鞅辈康貐^(qū)地處三江平原,水田種植量大,農(nóng)田灌溉面積較大,特別是井灌面積大,導(dǎo)致大量開(kāi)采地下水,造成地下水超載。而齊齊哈爾市轄區(qū)大部分地區(qū)屬于工程性缺水地區(qū),即使在節(jié)水水平較高的條件下,水資源供需仍然存在很大缺口。根據(jù)分區(qū)圖的承載力分布結(jié)論,便于開(kāi)展相應(yīng)的水資源管理和保護(hù),對(duì)全省水資源合理開(kāi)發(fā)利用以及全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)等提供參考,具有一定的指導(dǎo)和示范作用。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

本文通過(guò)采用模糊綜合評(píng)價(jià)法構(gòu)建樣本數(shù)據(jù),將樣本數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本數(shù)據(jù)用來(lái)對(duì)PSO-SVM模型進(jìn)行訓(xùn)練。該方法能夠減少以往評(píng)價(jià)中主觀性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,同時(shí)本文通過(guò)粒子群算法對(duì)支持向量機(jī)模型進(jìn)行尋優(yōu)優(yōu)化,大幅度的提升模型精度,使模型預(yù)測(cè)效果更加精準(zhǔn)。由于水資源承載力指數(shù)的計(jì)算受多方面影響,在計(jì)算水資源承載力時(shí)需考慮區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等多方面因素,所以針對(duì)不同區(qū)域計(jì)算方法應(yīng)綜合考慮進(jìn)行選取,本文提出的PSO-SVM模型為預(yù)測(cè)水資源承載力指數(shù)提供了一個(gè)新的模型方法,為日后水資源開(kāi)發(fā)利用提供了參考。

5.2 水資源承載力提升對(duì)策建議

根據(jù)黑龍江省水資源承載力計(jì)算結(jié)果,深入分析黑龍江省各地市水資源承載狀況,通過(guò)分析水資源超載狀況成因,超載的主要原因是水資源匱乏,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水需求超過(guò)了當(dāng)?shù)厮Y源負(fù)荷。根據(jù)黑龍江省水資源管控實(shí)際情況,為提升黑龍江省水資源承載力提出以下對(duì)策建議。

a)水資源利用方面。對(duì)于水資源承載力較差的城市應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化用水定額管理,制定詳細(xì)的年度用水、節(jié)水計(jì)劃,制定的階梯水價(jià)倒逼群眾及用水單位節(jié)約用水,將用水定額作為水資源論證、取水許可的重要依據(jù)。全面落實(shí)計(jì)量監(jiān)管工作,對(duì)重點(diǎn)用水單位定期進(jìn)行考核以及監(jiān)督管理。統(tǒng)籌調(diào)配多種水源,充分優(yōu)化本地水資源配置。灌區(qū)、引調(diào)水等水資源配置工程建設(shè)。對(duì)于地下水超采嚴(yán)重區(qū)域,應(yīng)按照充分利用本地地表水資源、嚴(yán)格控制開(kāi)采地下水、加大非常規(guī)水利用、提高節(jié)水循環(huán)利用,構(gòu)建布局合理、蓄泄兼?zhèn)洹⒁诺卯?dāng)、豐枯調(diào)劑、循環(huán)通暢的水網(wǎng)體系。

b)農(nóng)業(yè)方面。黑龍江是農(nóng)業(yè)大省,農(nóng)業(yè)用水量大。根據(jù)圖5顯示,農(nóng)田較為集中的佳木斯地區(qū)水資源承載力問(wèn)題尤為嚴(yán)重,因此在提升水資源承載力方面農(nóng)業(yè)因素尤為重要。要加快推進(jìn)節(jié)水技術(shù)改造,大力加強(qiáng)大中型灌區(qū)節(jié)水改造工程的建設(shè)。推進(jìn)高效節(jié)水灌溉工程建設(shè),鼓勵(lì)推廣使用噴灌、微灌、低壓管道輸水灌溉等高效節(jié)水技術(shù),大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)。

c)工業(yè)方面。黑龍江作為工業(yè)大省,在保障工業(yè)用水充足的情況下要加強(qiáng)內(nèi)部循環(huán)水的使用,高耗水行業(yè)如石化、發(fā)電等,大力推廣節(jié)水工藝、節(jié)水技術(shù)和節(jié)水設(shè)備,提高生產(chǎn)系統(tǒng)的用水效率和循環(huán)利用率。城市供水方面加強(qiáng)供排水管道的檢修,從源頭減少或避免跑冒滴漏現(xiàn)象,降低輸、配水管網(wǎng)漏失率。積極開(kāi)展節(jié)水宣傳教育,樹(shù)立節(jié)水理念、打造良好的節(jié)水氛圍,形成節(jié)約水資源、保護(hù)水資源良好的社會(huì)風(fēng)氣。

d)經(jīng)濟(jì)社會(huì)方面。建立嚴(yán)格的水資源管理制度,把水資源、水環(huán)境承載力作為城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展重要必要前提,充分考慮水資源條件,合理確定發(fā)展方向和規(guī)模。強(qiáng)化流域水資源的統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)配,加強(qiáng)指導(dǎo),促進(jìn)轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式、調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu),使經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水資源、水環(huán)境承載能力相協(xié)調(diào)。加快法治化、規(guī)范化河湖管理,保障供水安全,促進(jìn)河湖休養(yǎng)生息、維護(hù)河湖健康生命,推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè),堅(jiān)持人水和諧,堅(jiān)持統(tǒng)籌兼顧,堅(jiān)持依法管理,堅(jiān)持改革創(chuàng)新,逐步建立完善和河湖管理體制機(jī)制。建立水資源管理制度“三條紅線”指標(biāo)體系,建立流域宏觀管理的機(jī)制、法律制度。