投影尋蹤技術在昌吉州水資源承載力評價中的應用

張元杰

水資源承載力的大小反映了一個地區水資源開發利用率，兩者是相輔相成，并又互相制約，不同的地理環境，水資源的開發有著很大差別，說明以分析水資源與社會經濟和生態環境之間的重要性，同時有助于高效利用與合理配置。

近幾年來，國內外學者對水資源承載力綜合評價等方面進行了廣泛的研究[1-3]。其中，水資源承載力最常用的方法主要有多目標決策分析法、系統動力學法、數據包絡分析（DEA）、主成分分析法、投影尋蹤法等[4-8]。由于水資源承載力研究涉及人口、資源、社會環境以及生態環境等多方面的因素，研究范圍比較廣泛。比如，葛強[9]等人以云南高原典型流域為研究區域構建評價指標體系，運用主成分分析法進行水資源承載力與可持續利用評價；張士鋒等人[10]以松花江去為例，建立社會經濟、用水、水土資源對人口、水資源供需、水環境指標綜合體系，采用綜合模型進行水資源承載力變化趨勢計算；張杰等[11]以實施最嚴格的水資源管理制度和水資源承載能力為基礎，構建廣義回歸神經網絡(GRNN)評價模型，對蘇州市水資源承載能力狀況進行研究分析，總之，經過幾十年的不斷探索和理論總結，我國的水資源承載力取得了一定的成就。鑒于此，水資源仍然是限制著社會經濟發展重要因素，隨著國民經濟的增長，主要依靠水資源的開發利用水平，考慮水資源的發展趨勢和選擇有效措施解決日益嚴重的水資源問題，是我國可持續發展和經濟發展的重大策略。

考慮到新疆特殊的地理區域，水資源在西北地區的重要性角度出發，以昌吉回族自治州為研究區域，運行投影尋蹤方法，進行水資源承載力研究，對研究區域的水資源可持續利用具有一定的參考價值。

1 研究區概況

昌吉回族自治州位于天山北麓、準噶爾盆地東南緣，地勢南高北低，稱之為“天山北坡”。昌吉市屬中溫帶區，為典型的大陸性干旱氣候，日照充足，年日照時數為2700小時；年平均氣溫6.8℃。在水資源方面，常年有水河流57條，年徑流量25.5億m3，2016年水資源總量為35.36億m3,人均水資源占有量2519m3，全州用水總量30.4581億m3，農業用水量占總用水量93%，工業用水量占總用水量4%，生活及生態用水量占3%，一、二、三產用水結構由 2015 年的 92.7∶3.7∶3.6 調整到約 90.3∶4.0∶5.7。

2 研究方法

2.1 投影尋蹤法

投影尋蹤方法是多為數據處理方法中的一種，期核心思想是把高維數據向低維空間進行投影，然后通過對低維投影空間的分析來描述高維數據信息、結構特征，它能夠很好地排除無關投影方向的干擾影響，便于快速、有效地分析高維數據的特征和結構，并且在數據分析過程中能夠主動計算出單項指標對綜合結果的影響度，避免了指標權重的人為確定，降低了主觀經驗的影響。

具體的主要步驟為：

（1）原始數據標準化處理。由于各個評價指標眾多，各個指標的量綱存在差異性，為了消除量綱的不統一性，統一變化區間，需要將指標分成越大越優和越小越優，并進行標準化處理。

（2）線性投影。即最佳投影方向，就是把高維數據的信息反映到低維數據空間中，運用常規數學方法進行處理與分析，更能直觀和形象進行研究。

（3）建立投影指標函數。投影指標函數是進行投影方向的基礎，在水資源承載力中采用分類指標進行構造函數，即在一維空間內散布的類間距離與類內密度同時達到最大值。

（4）優化投影指標函數。指標函數值與其投影方向的變化成正比，方向不同反應出不用的指標數據特征，即投影指標函數取得最大值時，就是投影函數的的最佳投影方向[8]。

2.2 數據來源

根據新疆水資源公報與新疆統計年鑒等相關資料的收集，以新疆昌吉州為研究區域，選取2016現狀年的數據為原始數據，同時也參考其他相關的參考文獻[12-14]。

3 水資源承載力評價指標體系

水資源承載力指標體系是一個綜合復雜的評價指標體系，指標體系涉及到水資源、社會經濟你、生態環境等領域。因此，建立水資源承載力指標體系應遵循易收集性原則、科學性原則、可操作性原則、動和靜態相結合原則、績效量化原則，來保證指標體系選取的全面、準確與客觀。根據新疆昌吉州水資源特點和指標體系結構，共選取14個評價指標建立指標體系，由于目前評價指標等級劃分沒有統一的標準，考慮到類似地區經驗和專家意見，需要根據相關原則自行確定。根據國家水利“十三五”規劃和新疆最新的水資源發展規劃，結合社會經濟發展實際情況，構建出新疆昌吉回族自治州水資源承載力評價指標等級標準值，且對其14項指標提出4級評判等級，即1級、2級、3級、4級，評價指標體系與等級標準劃分見表1。

表1 水資源可持續利用評價單項指標等級標準

4 水資源承載能力分析

通過運用投影尋蹤方法建立模型，將投影尋蹤特征值按照數值由大到小進行排列，根據水資源承載力評價指標等級標準，即1級、2級、3級、4級，與相應的投影尋蹤特征值，繪制出各個等級標準與等級之間關系圖，建立水資源承載力等級評價函數f（z*），最后進行樣本之間的評價與分類。

（1）將正向與負向兩類指標進行標準化處理，可以將各個單項指標數值轉換成0～1之間的數值范圍。

（2）根據投影尋蹤原理和計算程序，計算出各個指標投影尋蹤的特征值z。在采用編程計算情況下，得到最佳投影方向向量 a=（0.252，0.242，0.268，0.246，0.245，0.255，0.261，0.257，0.243，0.247，0.250，0.255，0.258，0.260），同事對應的1級、2級、3級、4級投影尋蹤投影方向的特征值分別為4.312、2.981、1.119、0.000。將最佳投影方向向量和各個評價指標投影尋蹤投影方向特征值相乘得到新僵昌吉州水資源承載力評價指標投影特征值，為z=0.49。

（3）根據水資源承載力評價指標等級標準值與評價指標投影特征值之間關系，建立水資源承載力等級評價函數f（z*），評價函數f（z*）就是投影尋蹤等級評價模型，具體關系圖見圖1。

圖1 水資源承載力等級評價函數值與投影特征值關系圖

通過對關系圖中函數的計算，根據關系圖的變化趨勢建立水資源承載力等級評價函數，如下：

通過絕對誤差與相對誤差的分析，評價指標投影特征值與水資源承載力評價指標等級標準值之間的關系擬合，絕對誤差為0.033，相對誤差為1.681%，說明建立的投影尋蹤等級評價模型誤差較小，計算準確度高。根據新疆昌吉州的水資源特點，將投影尋蹤特征是帶入（1）式進行計算，得到投影特征值

f（z*）為3.65，說明新疆昌吉州水資源承載力為4級。圖2為各個評價指標權重柱狀圖，說明各個評價指標在影響新疆昌吉州水資源承載力上的比重。

圖2 評價指標權重柱狀圖

5 結論

以水資源承載力基本概念與評價方法為基礎，根據水資源承載力評價結果，新疆昌吉州水資源承載力為4級狀態，已接近飽和狀態，開發潛力比較小。通過水資源優化配置、提高節水意識或者采用外流域引水工程等措施來提高新疆昌吉州水資源承載力。

結合各個評價指標的權重結果來看，影響水資源承載力兩個重要指標是灌溉水利用系數和植被覆蓋率，指標水平分別處于3級和2級水平。從數據上來，新疆昌吉州水資源開發利用中，農業節水開始影響水資源承載力，2016年灌溉水利用系數0.5，與3級標準基本持平，通過轉變產業用水結構，嚴格控制灌溉面積，采用噴灌、滴管等節水灌溉措施，來提高水資源在農業生產中的利用效率。新疆昌吉州屬于典型干旱地區，生態環境比較脆弱，植被種類比較單一，2016年年底，新疆昌吉州森林覆蓋率達到23.5%，趨向于2級標準的25%的水平，植被覆蓋率的不高，導致生態環境用水效率的降低，影響到了水資源承載力的提高，生態環境用水的降低，導致新疆昌吉州的水土流失面積的加劇，出現沙漠化擴大等生態環境問題，因此提高新疆生態環境用水效率也是刻不容緩的問題。

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