投影尋蹤技術(shù)在城市水生態(tài)文明評價(jià)中的應(yīng)用

張 成

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

水生態(tài)文明是人類遵循人水和諧理念，以實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，支撐經(jīng)濟(jì)社會和諧發(fā)展，保障生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)為主體的人水和諧文化倫理形態(tài)，是生態(tài)文明的重要部分和基礎(chǔ)內(nèi)容。

目前國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)文明的概念有很多論述，從人—自然—社會的視角、文明形態(tài)的視角、生態(tài)學(xué)的視角等對生態(tài)文明進(jìn)行定義。由于水生態(tài)文明研究涉及人口、資源、社會環(huán)境以及環(huán)境等多方面的因素，研究范圍比較廣泛。比如，在國外，美國政府部門[1]對區(qū)域的湖泊、水體、河流等水生態(tài)資源和環(huán)境變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，了解其發(fā)展趨勢；歐盟研究機(jī)構(gòu)[2]通過頒布相關(guān)指令，確保水環(huán)境、水資源的可持續(xù)利用來改善濕地環(huán)境、陸地生態(tài)系統(tǒng)、水生態(tài)系統(tǒng)等狀況。在國內(nèi)，付曉敏等[3]以馬鞍山市為例構(gòu)建城市水生態(tài)文明建設(shè)協(xié)調(diào)度評價(jià)模型，并進(jìn)行了協(xié)調(diào)度評價(jià)；王賀[4]從水環(huán)境、水生態(tài)、水安全、水資源、水管理、水文化6個方面，應(yīng)用AHP-模糊綜合評價(jià)對其水生態(tài)文明城市建設(shè)效果進(jìn)行評估；劉姝芳等[5]構(gòu)建西安市水生態(tài)文明評價(jià)指標(biāo)體系，計(jì)算建設(shè)前后的水生態(tài)文明綜合指數(shù)，并進(jìn)行比較。總之，經(jīng)過相關(guān)學(xué)者的不斷理論探索和總結(jié)，我國的城市水生態(tài)文明建設(shè)取得了一定的成就。但是，水生態(tài)文明建設(shè)仍然是限制著水資源-水環(huán)境-社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要因素。國民經(jīng)濟(jì)的增長，主要依靠水資源的開發(fā)利用水平，考慮水生態(tài)的發(fā)展變化，結(jié)合水生態(tài)文明的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵，統(tǒng)籌資源-社會-經(jīng)濟(jì)-文化的系統(tǒng)建設(shè)模型，是我國生態(tài)文明走可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大策略。

本文考慮到遼寧省地理區(qū)域，從水生態(tài)文明建設(shè)在東北地區(qū)的重要性出發(fā)，結(jié)合水生態(tài)文明概念、特點(diǎn)和基本原則，建立水生態(tài)文明評價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用投影尋蹤方法，進(jìn)行水生態(tài)文明多層次、多角度研究，對我國城市水生態(tài)文明建設(shè)提供了一定的參考價(jià)值。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法[6- 7]

1.1.1基本原理

投影尋蹤法是對收集到的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行高維處理與分析的新型統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，重點(diǎn)應(yīng)用在非線性和非常規(guī)的數(shù)據(jù)處理當(dāng)中。該方法利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)分析技術(shù)，通過對低維空間的分析來描述高維數(shù)據(jù)信息，將高維數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組合，同時進(jìn)行降維處理，將數(shù)據(jù)投影到低維子空間上，通過極少數(shù)投影指標(biāo)尋找出整個高維數(shù)據(jù)集合的整體特征，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，保證高維數(shù)據(jù)的內(nèi)在相互關(guān)系。

目前投影尋蹤法主要適用于水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等領(lǐng)域，能夠較好地避免無關(guān)方向的影響因素的干擾，說明了各個指標(biāo)對整個評價(jià)分析的影響程度，同時避免了主觀性對指標(biāo)權(quán)重的不確定性，降低了主觀因素的影響。

1.1.2主要步驟[8- 9]

(1)評價(jià)指標(biāo)集標(biāo)準(zhǔn)化處理

設(shè)m個評價(jià)指標(biāo)，n個樣本數(shù)，由于m個評價(jià)指標(biāo)之間量綱不統(tǒng)一，為了消除指標(biāo)間的影響和差異，對m個評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體計(jì)算公式如下：

①指標(biāo)越大越優(yōu)型：

(1)

②指標(biāo)越小越優(yōu)型：

(2)

式中，x(i，j)—在第i個樣本的第j個指標(biāo)下的標(biāo)準(zhǔn)化處理值，取值范圍在0～1之間；xmax(j)，xmin(j)—第j個指標(biāo)的最大值和最小值。

(2)構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)

投影尋蹤主要是采用線性投影方法把m維的數(shù)據(jù)按照公式(3)綜合成單位程度向量a(m)的投影方向的一維投影值，即多維數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換為低維數(shù)據(jù)的過程，

(3)

式中，z(i)—第i個樣本的投影值。

在m維指標(biāo)中，為了更多地顯示數(shù)據(jù)特征結(jié)構(gòu)，投影值的點(diǎn)數(shù)局部應(yīng)密集，整體應(yīng)分散，即投影值z(i)的局部密度值盡量大，同時保證投影在一維向量上的間距要達(dá)到最大，因此，投影函數(shù)為：

Q(a)=SzDz

(4)

式中，Sz—投影值的樣本標(biāo)準(zhǔn)差；Dz—投影值的局部密度值。

(3)優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)

根據(jù)投影指標(biāo)函數(shù)公式可知，投影函數(shù)隨著單位程度向量a的變化而變化，因此，Q(a)的最大值作為優(yōu)化投影函數(shù)的最佳投影方向，其計(jì)算公式如下：

Qmax(a)=SzDz

(5)

(4)計(jì)算投影特征值與比較分析

將第(3)步計(jì)算得到的最佳投影方向a帶入第(1)步投影值計(jì)算公式，得到n個樣本評價(jià)指標(biāo)投影值，對n個評價(jià)指標(biāo)投影值進(jìn)行排序，與總體的差異性進(jìn)行一一比較，通過評價(jià)等級與投影值建立函數(shù)關(guān)系，即可評價(jià)樣本對水生態(tài)文明的影響等級。

1.2 數(shù)據(jù)來源

通過遼寧省水利廳和遼寧省統(tǒng)計(jì)局編制的《遼寧省水資源公報(bào)》與《遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒》等相關(guān)資料的收集，結(jié)合遼寧省環(huán)境保護(hù)廳編制的《遼寧省環(huán)境狀況公報(bào)》以及以沈陽市為研究區(qū)域的《沈陽市水資源公報(bào)》、《沈陽市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《沈陽市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》現(xiàn)狀年的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)。同時，也參考了其他研究成果[10- 13]。

2 研究區(qū)概況

沈陽位于中國東北地區(qū)南部，地處東北亞經(jīng)濟(jì)圈和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心，屬溫帶半濕潤大陸性氣候，全年氣溫在-35～36℃之間。平均氣溫8.3℃，全年降水量661.5mm，全年無霜期183d。受季風(fēng)影響，降水集中、溫差較大、四季分明。遼河干流沈陽段水質(zhì)符合GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類；渾河干流沈陽段水質(zhì)劣于Ⅴ類；北沙河水質(zhì)劣于Ⅴ類；臥龍湖水質(zhì)劣于Ⅴ類。城市集中式生活飲用水水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為98.1%。全市水土流失面積為1941.7km2，土壤風(fēng)蝕較為嚴(yán)重，主要是土地沙化，每年沙化土地增加量為103km2，增長幅度為43%。從目前來看，沈陽市生態(tài)文明建設(shè)已取得顯著成績，但與國家環(huán)境建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相比較，還存在一定的差距。

3 構(gòu)建水生態(tài)文明評價(jià)指標(biāo)體系

評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建是依據(jù)評價(jià)指標(biāo)的選取原則，結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際狀況，選擇具有代表性的評價(jià)指標(biāo)，在選用相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)分析方法進(jìn)行指標(biāo)篩選和處理，根據(jù)計(jì)算的指標(biāo)參數(shù)值與相關(guān)的研究成果標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得到研究區(qū)域的評價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀。參考相關(guān)研究成果，依據(jù)評價(jià)指標(biāo)科學(xué)性、層析性、全面性、量化性等原則，從水安全、水生態(tài)、水景觀、水管理、水文化5個系統(tǒng)層面，構(gòu)建城市水生態(tài)文明評價(jià)指標(biāo)體系，具體評價(jià)指標(biāo)如圖1所示。

圖1 城市水生態(tài)文明評價(jià)指標(biāo)體系框圖

4 評級分析

4.1 等級劃分

城市水生態(tài)文明評價(jià)等級劃分尚未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主要根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際狀況綜合擬定。通過對沈陽市的水資源開發(fā)利用率、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、自然生態(tài)環(huán)境等內(nèi)容收集與調(diào)查，將等級標(biāo)準(zhǔn)劃分為理想、和諧、基本和諧、不和諧、較差5個等級，具體標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 沈陽市水生態(tài)文明評價(jià)指標(biāo)等級劃分

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)投影尋蹤法的計(jì)算步驟，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模型函數(shù)的計(jì)算，評價(jià)指標(biāo)的趨勢有越大越優(yōu)和越小越優(yōu)兩類，在采用的加速遺傳算法工程中，采用的參數(shù)為初始種群400，加速優(yōu)秀參數(shù)20，變異系數(shù)概率0.85，交叉系數(shù)概率0.8，最終得到優(yōu)化投影函數(shù)的最佳投影方向向量為a=(0.1887，0.1894，0.1989，0.1860，0.1877，0.1709，0.1860，0.1829，0.1990，0.1726，0.1833，0.1808，0.1756，0.1825，0.1841)，理想、和諧、基本和諧、不和諧、較差所對應(yīng)的投影值分別為4.684、3.312、2.981、1.119、0.000，最后計(jì)算得到沈陽市現(xiàn)狀年投影值z=4.2470。

通過城市水生態(tài)文明各個等級值與投影值建立評價(jià)模型f，并進(jìn)行模型誤差性分析，計(jì)算公式如下：

f=-0.002z3-0.1054z2-0.1374z+4.982

(6)

上述公式計(jì)算出評價(jià)模型的誤差分析中平均絕對誤差為0.389、平均相對誤差為2.03%，說明了建立的評價(jià)模型計(jì)算精度能夠滿足要求，同時也能滿足城市水生態(tài)文明評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。將沈陽市現(xiàn)狀年投影值為z=4.2470帶入評價(jià)模型，得到f=2.3442，即沈陽市水生態(tài)文明評價(jià)處于基本和諧狀態(tài)，與實(shí)際現(xiàn)狀基本一致，說明了該評價(jià)模型在城市水生態(tài)文明評價(jià)中運(yùn)行是合理的。

5 結(jié)語

根據(jù)城市水生態(tài)文明建設(shè)的概念內(nèi)涵和理論基礎(chǔ)，基于水安全、水生態(tài)、水景觀、水管理、水文化等5個系統(tǒng)方面，構(gòu)建15個城市水生態(tài)文明評價(jià)指標(biāo)體系，在運(yùn)用投影尋蹤法的基礎(chǔ)上，依據(jù)沈陽市水資源、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的實(shí)際狀況，制定出5個評價(jià)指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下，計(jì)算得到最佳投影方向向量，反映水生態(tài)文明評價(jià)等級結(jié)果。考慮到評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)收集的局限性和不確定性，沈陽市水生態(tài)文明評價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理和方法還需進(jìn)一步改善，主要是在評價(jià)指標(biāo)篩選和評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)的劃分方面。