基于回歸神經(jīng)網(wǎng)絡的遼寧省水資源承載能力研究

孟繁星

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

水資源承載力是以保證可持續(xù)與生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為基礎，在合理開發(fā)利用的原則下按照現(xiàn)有的經(jīng)濟、技術水平，能夠持續(xù)支撐某地區(qū)歷史發(fā)展階段最大規(guī)模的能力和限度。因此可將其定義為在一定的經(jīng)濟發(fā)展和區(qū)域范圍，所能夠維持的經(jīng)濟發(fā)展和人類活動的最大程度，且該經(jīng)濟發(fā)展以保持生態(tài)環(huán)境為基本原則并具有可預見性和可持續(xù)性等特征，結(jié)合水資源合理配置和高效利用基本理論最終實現(xiàn)人與生態(tài)環(huán)境的和諧相處。水資源承載力不僅與生態(tài)自然相關，而且與水資源開發(fā)程度和范圍相關，它是反映某流域或區(qū)域內(nèi)的水資源與社會經(jīng)濟發(fā)展相互關系的重要指標。水資源供需矛盾將直接影響到人水和諧可持續(xù)發(fā)展的進程，尤其在我國北方環(huán)渤海區(qū)域，淡水供需矛盾緊張、水體污染嚴重、用水效率低等問題已成為制約該區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的主要因素[1]。

目前，承載力評價為水資源領域研究的熱點之一，可為促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供重要的理論支持，對此國內(nèi)外許多學者開展了大量研究，如Ding等[2]對水資源系統(tǒng)的不確定性和變化特征進行研究，并探討了人水之間的復雜關系，評價了城市人水和諧狀況；Ngana等[3]通過分析水資源綜合管理戰(zhàn)略，認為造成流域水資源不可持續(xù)利用的因素為對承載力現(xiàn)狀的認識不足和缺乏有效的流域管理方式；Kyushik等[4]認為對城市承載力可依據(jù)土地利用密度和城市現(xiàn)有基礎設施指標評估；傅湘等[5]以漢中平壩區(qū)為例，對水資源承載力貢獻率因子利用主成分分析法進行了分析評價；何俊士等[6]以淮河流域為例，對比分析了模糊聚類神經(jīng)網(wǎng)絡法與集對分析法的承載力評價結(jié)果；王儉等[7]利用神經(jīng)網(wǎng)絡客觀、科學地評價了遼寧省水資源承載力狀況；夏軍等[8]從影響因素的角度對西北地區(qū)水資源承載現(xiàn)狀、未來發(fā)展趨勢利用綜合評判法進行評價和對比，建立了有效的指標體系。據(jù)此，本文結(jié)合已有文獻資料和GRNN模型原理，客觀科學地評價了遼寧省2008—2016年水資源水平，對遼寧省水資源承載力嘗試應用廣義歸回神經(jīng)網(wǎng)絡GRNN模型進行科學評價，以期有效解決GRNN模型的適用性問題，為該區(qū)域水資源管理提供一定參考。

1 回歸神經(jīng)網(wǎng)絡基本理論

GRNN學習算法的基本流程為：選取徑向基函數(shù)中心，引入樣本輸出和輸入矩陣分別為T、P，則徑向基函數(shù)中心可表示為C=P′，其中P′為P矩陣的轉(zhuǎn)置；然后采用下述公式分別對神經(jīng)基層的閥值與輸出向量進行求解：

b1=[b1，b2，…bs1]

(1)

(2)

式中，bi=0.8326/s，s—散布常數(shù)。

經(jīng)過上述運算，GRNN網(wǎng)絡輸入可表示為如下形式：

(3)

y=purelin(n2)

(4)

2 構(gòu)建水資源承載力模型

2.1 建立指標體系

指標體系能全面、客觀、簡明、科學地反映水資源對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟能夠承載的內(nèi)容和過程，不僅可體現(xiàn)被承載對象的各個方面，而且可為水資源管理政策、合理配置以及可持續(xù)利用等提供決策依據(jù)和參考。實踐表明，水資源開發(fā)利用程度、人均用水量、污水處理率，產(chǎn)水模數(shù)，區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展等為影響區(qū)域水資源承載力的主要因素。本文參考相關專家意見和全國水資源供需分析指標體系，在遵循獨立性與系統(tǒng)性、定量與定性、可操作與可比性、概括性與全面性等原則的基礎上，分別從限制納污、用水效率以及水資源總量3個方面對指標進行選取，因數(shù)據(jù)資料有限并考慮到評價結(jié)果的準確性，共選取了10項代表性指標，并將承載力劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級3個標準，分別代表承載力狀況較差、一般、較好，見表1。分級標準中Ⅰ級評分值為0.05，區(qū)域水資源具有較小的開發(fā)利用潛力，承載力狀態(tài)已趨近于極限，在此條件下的生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟以及資源的利用為不可持續(xù)狀態(tài)；Ⅱ級評分值為0.5，區(qū)域水資源開發(fā)雖然具有一定規(guī)模，但仍存在發(fā)展?jié)摿ΓY源供給基本滿足整體的需求；Ⅲ級評分值為0.95，區(qū)域水資源具有較大的利用潛力，可持續(xù)利用狀態(tài)良好，可為社會發(fā)展提供有力的資源保障。

2.2 回歸神經(jīng)網(wǎng)絡的設計

結(jié)合GRNN模型運算過程和基本原理，利用MATLAB軟件進行運算，具體的流程如圖1所示。首先根據(jù)各分級標準并利用Visual C++編程語言隨機生成隸屬于Ⅰ級、Ⅲ級、Ⅲ級標準的5個檢驗樣本和10個訓練樣本，利用極差歸一化對各數(shù)值樣本進行處理，從而提高模型訓練效果的可靠性；然后利用newgrnn(P，T，s)自帶函數(shù)建立模型，并依據(jù)各級評分值0.05、0.5、0.95作為訓練樣本期望輸出，并將15個檢驗樣本輸入已檢驗訓練完成的網(wǎng)絡，通過調(diào)整spread值逐漸使得樣本輸出誤差滿足設定要求。網(wǎng)絡輸出見表2，期望輸出與實際輸出保持良好的一致性，由此表明該GRNN模型可用于水資源承載力的計算分析。

3 實例應用

3.1 遼寧省概況

遼寧省面積為14.8萬km2，主要包括沈陽、大連、撫順、鞍山、本溪、丹東等14個省轄市，不僅是我國東北地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)中心，而且屬于我國重工業(yè)和文化發(fā)展的核心區(qū)域；遼寧省河網(wǎng)水系密集，河流縱橫交錯約300條，主要有饒陽河、渾河、太子河、遼河等，其中遼河長480km，流域面積6.92萬km2，為遼寧省第一大河流。遼寧省境內(nèi)地勢結(jié)構(gòu)自北向南、由東西兩側(cè)向中間整體呈降低趨勢，遼東、遼西區(qū)域主要以低山丘陵為主，區(qū)域水資源承載力將直接影響著區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。遼寧省屬于大陸季風氣候，多年降水量560.0mm，受地形地貌和經(jīng)緯度影響，年際降水量變化較大并且在時空分布上極不均衡，主要集中在汛期(6—9月)。全省2015年水資源總量為178.98億m3，人均水資源量185.6m3/人，并且遠遠低于全國平均水平。近年來，為滿足區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展的需要而忽視了對水資源的保護，并致使生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟需水量之間出現(xiàn)了嚴重失調(diào)，水資源過度開發(fā)利用造成生態(tài)系統(tǒng)的退化，水土流失、水資源緊缺以及水體污染等矛盾日趨突出，加之該區(qū)域節(jié)水設施較為落后、水資源浪費及污染等問題，其水資源承載力面臨著更加嚴峻的挑戰(zhàn)[9- 14]。據(jù)此，本文基于該現(xiàn)狀背景，通過建立指標體系和GRNN模型分析評價了遼寧省2008—2016年的承載力發(fā)展趨勢，以期緩解該區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源需求之間緊張的矛盾關系，并制定科學合理的水資源管理政策提供一定參考和依據(jù)。

表1 遼寧省水資源承載力指標體系與分級標準

表2 網(wǎng)絡輸出結(jié)果

圖1 GRNN模型運行流程

3.2 結(jié)果分析

依據(jù)遼寧省2008—2016年的統(tǒng)計年鑒、水資源公報、政府工作報告以及水環(huán)境狀況公報等相關資料，對承載力各指標數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，結(jié)果見表3。

表3 遼寧省2008—2016年各指標數(shù)據(jù)

利用文中所述公式對各指標初始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，并將各數(shù)據(jù)輸入已訓練完成的GRNN模型，利用MATLAB語言運行模型可得到各年份水資源承載力評價結(jié)果，對比分析該模型與模糊綜合評判結(jié)果，結(jié)果見表4。

表4 2種方法評價結(jié)果對比

根據(jù)表4計算結(jié)果，遼寧省水資源承載力在研究期間整體處于Ⅰ～Ⅱ級區(qū)間，其中Ⅰ級的年份有2008—2009、2014年，自2010年以來該區(qū)域承載力整體處于Ⅱ級水平。研究表明，遼寧省水資源開發(fā)利用雖然具有一定規(guī)模，但仍存在相當?shù)拈_發(fā)潛力；根據(jù)2014年評判結(jié)果可知，該區(qū)域承載力表現(xiàn)出波動變化趨勢，但整體表現(xiàn)出增強趨勢，這可能與該區(qū)域近幾年社會經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等相關。近年來，隨著人們環(huán)保意識的加強，對水資源保護力度不斷加大，水資源污染得到遏制。另外，社會經(jīng)濟發(fā)展模式由之前的粗放型、高消耗、高污染模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)約型、環(huán)保型，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)更加合理。2種方法評價結(jié)果保持良好的一致性，由此表明所建立的模型具有較強的可行性與可靠性。

4 結(jié)論

本文結(jié)合國家提出的水資源“三紅線”要求和遼寧省水資源概括，通過構(gòu)建評價指標體系和GRNN模型，客觀科學地評價了該區(qū)域2008—2016年水資源概況，得出的主要結(jié)論如下。

(1)從用水效率、用水總量和限制納污3個方面構(gòu)建的指標體系，能夠更加客觀、系統(tǒng)地反映區(qū)域水資源狀況。通過構(gòu)建承載力分級標準并利用GRNN模型隨機生成檢驗樣本與訓練樣本，可有效解決模型泛化能力低和樣本難以獲取的問題。

(2)遼寧省水資源承載力在研究期間整體處于Ⅰ～Ⅱ級區(qū)間，其中在Ⅰ級的年份有2008—2009、2014年，自2010年以來該區(qū)域承載力整體處于Ⅱ級水平。2種方法評價結(jié)果保持良好的一致性，由此表明所建立的模型具有較強的可行性與可靠性。研究期間承載力呈上升趨勢，這可能與該區(qū)域近幾年社會經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等相關。

(3)GRNN模型具有參數(shù)少、操作簡單等優(yōu)點，考慮到指標數(shù)據(jù)的可靠性與準確性、模型訓練樣本與訓練精度的問題，本文所建立的指標體系仍需要不斷完善，未來有待繼續(xù)深入研究。