基于PSO-SVM模型的黑龍江省水資源承載力評價

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],淡水資源更是人類寶貴的財富。雖然中國淡水資源總量豐富,但中國人口眾多人均占有量僅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]。中國水資源現(xiàn)狀為人均占有量少,且在時間、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,且中國西北、北部、東北地區(qū)水資源緊缺問題更加嚴(yán)重。黨中央也在黨的十八大、十八屆三中、四中、五中、六中全會等會議上多次提出關(guān)于“抓緊對全國各縣進(jìn)行資源環(huán)境承載能力評價,抓緊建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警機(jī)制”的重要指示[3-4]。

現(xiàn)如今中國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有統(tǒng)一的研究方法,目前水資源承載力的計算主要采用模糊綜合評價法、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價并不適宜建立常規(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問題[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)的評價等級標(biāo)準(zhǔn),具有動態(tài)性并且能夠減少評價過程中因主觀因素的影響,評價結(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、非線性問題的能力,因此在水資源承載力評價研究中顯示出較強(qiáng)優(yōu)勢[5]。

1.2 研究區(qū)域概況

黑龍江省位于中國的最東端與最北端,因其省內(nèi)流經(jīng)的中國最長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km2(含加格達(dá)奇和松嶺區(qū)1.82萬km2),位于全國第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,日照時間長,降水集中,受夏季風(fēng)影響黑龍江省由東部濕潤地區(qū)逐漸過渡到西部的干旱區(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,由于太陽輻射的不斷增強(qiáng),受西海洋性氣團(tuán)影響,形成溫暖濕潤的夏季季風(fēng)導(dǎo)致夏季氣候溫暖濕潤;冬季漫長受大陸性高壓氣團(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?冬季漫長且寒冷漫長且降水量少,由此導(dǎo)致黑龍江省水資源時空分配不均、水資源調(diào)節(jié)能力差、造成水資源短缺問題。且黑龍江省是中國重要的工業(yè)基地、產(chǎn)糧大省,隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(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制、取水口核查、環(huán)境整治多項措施對水資源進(jìn)行保護(hù),但水資源開發(fā)利用形勢依然嚴(yán)峻,水資源已成為流域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的制約因素[10]。

2 評價體系建立

2.1 綜合評價體系建立

進(jìn)行水資源承載力評價中影響其承載能力大小的因素很多,水資源承載力評價指標(biāo)體系的建立對其區(qū)域承載能力評價中起到至關(guān)重要的作用。水資源承載力評價體系構(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)建評價指標(biāo)體系時應(yīng)當(dāng)充分考慮各影響因素,如區(qū)域水資源開發(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)評價體系的構(gòu)建原則,選取不同能夠反映所要評價區(qū)域水資源承載力實(shí)際情況的評價指標(biāo),構(gòu)建獨(dú)特的水資源評價指標(biāo)體系系統(tǒng)。

通過查找相應(yīng)文獻(xiàn)對已有研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié),結(jié)合黑龍江省水資源現(xiàn)狀,根據(jù)評價體系的建立原則,本文建立以水資源系統(tǒng)、社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)為一級評價指標(biāo),各評價指標(biāo)分別選取人均水資源量、水資源開發(fā)利用率、人均生活用水量、萬元GDP用水量、污水處理率、節(jié)水灌溉率等14個指標(biāo)為二級評價指標(biāo)的綜合評價體系(圖1)。

圖1 評價指標(biāo)體系

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究黑龍江省2020年13個地市水資源承載力,所用數(shù)據(jù)來源為《黑龍江省水資源公報》《黑龍江省水利統(tǒng)計年鑒》《中國城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》《黑龍江省統(tǒng)計年鑒》《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》《中國統(tǒng)計年鑒》《生態(tài)環(huán)境狀況公報》。各指標(biāo)計算方法見表1。

表1 水資源承載力指標(biāo)數(shù)據(jù)

2.3 分級標(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、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)所制定的評價標(biāo)準(zhǔn),本文將水資源承載能力分為5個級別:Ⅰ級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)確地對選取出的各指標(biāo)分級,本文優(yōu)先采用已被國際或中國所公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)值作為分級主要依據(jù),即根據(jù)指標(biāo)的定義、公式以及實(shí)際的數(shù)據(jù)值等因素對指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。以下為各指標(biāo)等級劃定依據(jù)及分級范圍。

2.3.1人均水資源量

中國水資源量總量豐富,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個級別,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,500～1 000 m3/人為Ⅱ級,1 000～1 700 m3/人為Ⅲ級,1 700～3 000 m3/人為Ⅳ級,3 000 m3/人為Ⅴ級。

2.3.2水資源開發(fā)利用率

根據(jù)《2020年中國水資源公報》發(fā)布顯示,2020年全國水資源總量31 605.2億m3,全國用水總量5 812.9億m3,經(jīng)計算得2020年中國水資源開發(fā)利用率18.39%。國際上將30%水資源開發(fā)利用率認(rèn)為合理利用,40%開發(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,40%～60%為Ⅱ級,20%～40%為Ⅲ級,10%～20%為Ⅳ級,小于10%為Ⅴ級。

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個地市產(chǎn)水模數(shù)為13.13萬～46.59萬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)等級劃分為:小于10萬m3/km2為Ⅰ級,10萬～20萬m3/km2為Ⅱ級,20萬～30萬m3/km2為Ⅲ級,30萬～40萬m3/km2為Ⅳ級,大于40萬m3/km2為Ⅴ級。

b)供水模數(shù)。2020年黑龍江省13個地市供水模數(shù)為0.02萬～24.62萬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)等級劃分為:小于3萬m3/km2為Ⅰ級,3萬～10萬m3/km2為Ⅱ級,10萬～15萬m3/km2為Ⅲ級,15萬～20萬m3/km2為Ⅳ級,大于20萬m3/km2為Ⅴ級。

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)《中國城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》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,僅高于青海、西藏、新疆、內(nèi)蒙古、新疆、甘肅,位居全國倒數(shù)第六,遠(yuǎn)低于全國平均標(biāo)準(zhǔn)。

從世界人口密度情況大致將人口密度等級分為4類,當(dāng)人口密度大于100人/km2表示該地區(qū)人口密集,如韓國、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、剛果民主共和國、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劃分為:大于300人/km2為Ⅰ級,140～300人/km2為Ⅱ級,50～140人/km2為Ⅲ級,25～50人/km2為Ⅳ級,小于25人/km2為Ⅴ級。

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%符合中國發(fā)展需要。根據(jù)聯(lián)合國估算結(jié)果,2050年世界發(fā)達(dá)國家城市化率可達(dá)86%,中國城市化率預(yù)計也達(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劃分為:大于80%為Ⅰ級,80～60%為Ⅱ級,40～60%為Ⅲ級,20～40%為Ⅳ級,小于20%為Ⅴ級。

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,130～180 L/(人/d)為Ⅱ級,90～130 L/(人/d)為Ⅲ級,60～90 L/(人/d)為Ⅳ級,小于60 L/(人/d)為Ⅴ級。

2.3.7人均GDP

根據(jù)《中國統(tǒng)計年檢》《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展公報》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)上總體呈上升趨勢且發(fā)展迅速。

中國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)國家還有一定差距。2019年IMF對人均GDP分為7個等級(表2),按照分類美國、加拿大、日本等國家屬高度發(fā)達(dá)地區(qū),意大利、西班牙、韓國等國家屬中度發(fā)達(dá)地區(qū),希臘、波蘭、匈牙利等國家屬低度發(fā)達(dá)地區(qū),中國、俄羅斯、馬來西亞等國家屬中等水平地區(qū),泰國、蒙古、伊朗等國家屬低度貧困地區(qū),烏克蘭、菲律賓、越南等國家屬中度貧困地區(qū),巴基斯坦、孟加拉國、柬埔寨等國家屬重度貧困地區(qū)。

表2 人均GDP等級劃分

根據(jù)黑龍江省人均GDP實(shí)際情況以及國際的劃分標(biāo)準(zhǔn)將人均GDP等級劃分為:小于1.50萬元為Ⅰ級,1.55萬～2.50萬元為Ⅱ級,2.55萬～4.50萬元為Ⅲ級,4.50萬～8.00萬元為Ⅳ級,大于8.00萬元為Ⅴ級。

2.3.8萬元工業(yè)增加值用水量

根據(jù)國家發(fā)展改革委、水利部聯(lián)合印發(fā)《國家節(jié)水行動方案》,萬元工業(yè)增加值用水量較2015年下降20%。國家發(fā)展改革委、水利部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”節(jié)水型社會建設(shè)規(guī)劃》中明確指出2025年中國萬元工業(yè)增加值用水量較2020年要降低16%。國家節(jié)水型城市考核標(biāo)準(zhǔn)提出,萬元工業(yè)增加值用水量要低于全國萬元工業(yè)增加值用水量平均值的50%或者年降低5%,根據(jù)以上資料將萬元工業(yè)增加值用水量劃分為:大于100 m3/萬元為Ⅰ級,50～100 m3/萬元為Ⅱ級,30～50 m3/萬元為Ⅲ級,15～30 m3/萬元為Ⅳ級,小于15 m3/萬元為Ⅴ級。

2.3.9萬元GDP用水量

根據(jù)國家發(fā)展改革委、水利部聯(lián)合印發(fā)《國家節(jié)水行動方案》萬元GDP用水量較2015年下降23%。國家發(fā)展改革委、水利部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”節(jié)水型社會建設(shè)規(guī)劃》中明確指出2025年中國萬元GDP用水量較2020年要降低16%。國家節(jié)水型城市考核標(biāo)準(zhǔn)提出萬元GDP用水量要低于全國萬元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 m3/萬元為Ⅰ級,350～250 m3/萬元為Ⅱ級,250～150 m3/萬元為Ⅲ級,150～30 m3/萬元為Ⅳ級,小于30 m3/萬元為Ⅴ級。

2.3.10生態(tài)環(huán)境用水率

根據(jù)《黑龍江省水資源公報》計算得出,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《中國水資源公報》指出,中國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,1%～2%為Ⅱ級,2%～3%為Ⅲ級,3%～5%為Ⅳ級,大于5%為Ⅴ級。

2.3.11森林覆蓋率

第九次全國森林資源清查數(shù)據(jù)顯示,中國森林覆蓋率從新中國成立時的8.60%,現(xiàn)已增長到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第一、第二。

《中華人民共和國森林法》規(guī)定:中國森林覆蓋率要達(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,10%～20%為Ⅱ級,20%～30%為Ⅲ級,30%～40%為Ⅳ級,大于40%為Ⅴ級。

2.3.12污水處理率

《“十三五”全國城鎮(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,地級及以上城市的建成區(qū)基本實(shí)現(xiàn)污水全收集、處理。國家節(jié)水考核標(biāo)準(zhǔn)中指出,地級市污水處理率要高出同級城市平均值的10%,省會城市要高出同級城市平均值的5%。據(jù)此,將污水處理率劃分為:小于65%為Ⅰ級,65%～75%為Ⅱ級,75%～85%為Ⅲ級,85%～95%為Ⅳ級,大于95%為Ⅴ級。

2.3.13節(jié)水灌溉率

2021年水利部農(nóng)村水利水電司司長陳明忠指出,中國耕地面積從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)計年鑒》提供數(shù)據(jù)計算,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)水灌溉率等級劃分為:小于10%為Ⅰ級,10%～25%為Ⅱ級,25%～35%為Ⅲ級,35%～50%為Ⅳ級,大于50%為Ⅴ級。各評價指標(biāo)分級見表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)是一個多種學(xué)科相互交融的學(xué)科,它涉及統(tǒng)計學(xué)、概率論、凸分系等多門學(xué)科,研究計算機(jī)如何模擬人類學(xué)習(xí)能力以獲得新的性能。支持向量機(jī)是以統(tǒng)計學(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為分類超平面,其分類超平面將空心球與實(shí)心球完全劃分到分類超平面的兩側(cè)則稱其為線性可分,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間隔。分類超平面可以劃分為無限條,當(dāng)分類間隔最大化時,則稱該分類超平面為最優(yōu)超平面[11]。計算非線性可分問題中,訓(xùn)練樣本空間中無法獲得線性分類,所以通過一個核函數(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題相同的辦法來處理原樣本空間非線性問題。

圖2 最優(yōu)超平面示意

當(dāng)樣本線性可分時,尋優(yōu)問題可表達(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,問題可表達(dá)為式(2):

(2)

為解決線性不可分問題利用拉格朗日函數(shù)轉(zhuǎn)換成對偶問題,見式(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)是美國學(xué)者Kennedy和Eberhart于1995年基于鳥群尋找食物而提出來的一種優(yōu)化算法[7]。粒子群算法的基本思想是先對算法進(jìn)行初始化,然后以初始化的粒子為起點(diǎn),通過不斷地迭代,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)簡單、操作便捷被廣泛應(yīng)用在尋優(yōu)問題中。PSO-SVM算法計算過程見圖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,本研究對表3中所構(gòu)建的評價等級進(jìn)一步分化,在相鄰兩等級間區(qū)平均值建立中間等級,采取rand在相鄰兩等級之間隨機(jī)生成20個樣本,最終共獲得169個樣本,隨機(jī)選取149個樣本作為訓(xùn)練樣本,其余20個樣本作為測試樣本[12]。部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)見表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

根據(jù)上文數(shù)據(jù)處理工作得到的訓(xùn)練樣本對模型進(jìn)行訓(xùn)練并采用測試樣本對訓(xùn)練后的模型進(jìn)行檢驗,本文采用Libsvm工具箱進(jìn)行PSO-SVM的搭建,采用粒子群算法對支持向量機(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,模型計算得出的測試樣本評價結(jié)果對比見圖4,樣本誤差見表5。

表5 測試集真實(shí)值與評價值

圖4 測試集評價結(jié)果對比

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)測效果越好。根據(jù)模型得出結(jié)果測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價指標(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)行模擬計算。計算得出黑龍江省2020年各地市水資源承載力指數(shù)及對應(yīng)水資源承載力等級,見表6。各地市水資源承載力評價等級空間分布見圖5。

表6 黑龍江省水資源承載力及對應(yīng)等級

圖5 2020年黑龍江省各地市水資源承載力評價等級空間分布

由表6、圖5可知,2020年各地市水資源承載力等級為0.485 1～0.819 3,其中:哈爾濱、牡丹江水資源承載力等級為Ⅴ級,雞西、鶴崗、雙鴨山、大慶、伊春、七臺河、黑河、綏化水資源承載力等級為Ⅳ級,齊齊哈爾、佳木斯、大興安嶺水資源承載力等級為Ⅲ級。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,其主要原因為西北部地區(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,便于開展相應(yīng)的水資源管理和保護(hù),對全省水資源合理開發(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

本文通過采用模糊綜合評價法構(gòu)建樣本數(shù)據(jù),將樣本數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練樣本和測試樣本數(shù)據(jù)用來對PSO-SVM模型進(jìn)行訓(xùn)練。該方法能夠減少以往評價中主觀性對評價結(jié)果的影響,同時本文通過粒子群算法對支持向量機(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)測效果更加精準(zhǔn)。由于水資源承載力指數(shù)的計算受多方面影響,在計算水資源承載力時需考慮區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)等多方面因素,所以針對不同區(qū)域計算方法應(yīng)綜合考慮進(jìn)行選取,本文提出的PSO-SVM模型為預(yù)測水資源承載力指數(shù)提供了一個新的模型方法,為日后水資源開發(fā)利用提供了參考。

5.2 水資源承載力提升對策建議

根據(jù)黑龍江省水資源承載力計算結(jié)果,深入分析黑龍江省各地市水資源承載狀況,通過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)社會發(fā)展用水需求超過了當(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策建議。

a)水資源利用方面。對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)水計劃,制定的階梯水價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)計量監(jiān)管工作,對重點(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。積極開展節(jié)水宣傳教育,樹立節(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)水資源良好的社會風(fēng)氣。

d)經(jīng)濟(jì)社會方面。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)變增長方式、調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu),使經(jīng)濟(jì)社會發(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),堅持人水和諧,堅持統(tǒng)籌兼顧,堅持依法管理,堅持改革創(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。